1、化学反应工程,第一章 绪论, 反应工程学的历史及发展 反应工程的用途 相关概念 反应器的类型与操作方式 反应器设计的基本方程 工业反应器的设计方法,本章内容,无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分： 第和两部分属于单元操作的研究范围；而部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。,化学反应工程是一门复杂的涉及面很广泛的学科，它广泛地应用了化工热力学、化学动力学、流体力学、传递动力学、生物学等方面的研究成果，使之不同于其它化学工程领域、近五十年来才发展为一门系统的学科。化学反应工程的目的是将实验室中发现的化学
2、反应可靠地移植到工业生产，并且根据所确定的反应与预期生产能力对反应器的形状、尺寸及操作方式进行设计。,第一节 化学反应工程 一、化学反应工程的研究对象化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。 反应动力学-研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等 其中速率方程可表示为： r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言-随时间、空间变化） 其中，r为反应系统中某一组分的反应速率， 代表浓度的矢量，P为系统的总压。 反应器设计分析-研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工
3、况和适宜的反应器型式和尺寸。,二、化学反应的分类（反应工程学科）无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用，将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。 例如： 为一气固催化反应,三、反应过程的举例 一般来说反应过程包括: 物理现象-传递现象(热量、动量和质量传递过程) 化学现象-化学反应 概括为“三传一反“。例如：对于反应过程 实际的反应过程可能包括： 反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程 无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反 应物气体存在温差 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温
4、度随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。,四、化学反应工程作用 对于化学产品和加工过程的开发、反应器的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程知识可以： 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期 对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效率 开发环境友好的绿色生产路线和工艺,五、 化学反应工程的建立过程化学反应工程是建立在数学、物理及化学等基础学科上而又有自己特点的应用学科分支，是化学工程学科的组成部分，从学科建立至今，经历了一个漫长的过程。,第二节 化学反应器的类型 反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分,可以概括为以下几种类型：,第三节 反应器的操作方式间歇操作:一次性投料
5、，卸料。反应物系参数(浓度或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反应器内物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。,第四节 反应器的设计与基本过程 反应器设计的基本内容一般包括： 选择合适的反应型式 确定最佳操作条件 根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸 要完成上述任务，需要使用下列三类基本设计方程： 物料衡算式(描述浓度变化)-连续性方程 能量衡算式(描述温度变化) 动量衡算式(描述压力变化) 这三个式子是相互耦联的,需要同时求解。具体的作 法,将在以后的各个章节中详细阐述。,第五节 工业反应器的放大 问题的提出
6、： 在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为基准的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主要原因是无法同时保持物理和化学相似。 目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验） 数学模型法。可以提高放大倍数， 半经验放大法采用逐级放大法费时费力，但采用数学模型放大法时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。目前实际的反应器放大介于两者之间，既有数学模型放大法的理论分析又加入经验处理方法。可以预测，随着人们对反应过程基本规律的认识不断加深，数学模型放大法将逐步取代现有的经验和半经验方法，成为反应器放大法的主流。,20世纪30年代-丹克莱尔(Damhh
7、ler)-梯尔(Thiele)和史尔多维奇() 20世纪40年代末-霍根(Hougen)和华生(Waston)法兰克-卡明斯基(-),1 反应工程学的历史及发展,化学反应与传递现象的相互关系,1957年 - 首次使用“化学反应工程”术语Amsterdam，ESCRE ,60年代 - 快速发展期石油化工的大发展计算机的发展与应用80年代 - 形成新的分支：生化反应工程聚合反应工程电化学反应工程,1 反应工程学的历史及发展,International Symposia on Chemical Reaction Engineering (ISCRE),2 反应工程的用途、作用, 反应动力学反应模式
8、速率方程 活化能 反应器的设计与分析各因素（T, P, c）的变化规律最佳工况,3 化学反应的转化率和收率,3.1 反应进度 ,3.2 转化率 X,注意： 按关键组分计 反应物的起始态,3 化学反应的转化率和收率,3.3 收率 Y与选择性S,3 化学反应的转化率和收率,进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为：SO2: 3.07%; SO3: 4.6%;O2: 8.44%; N2: 83.89% 离开反应器的气体中SO2的含量为1.5%，试计算SO2的转化率。,例1,3 化学反应的转化率和收率,丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯的工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气的混合气体在磷钼铋催
9、化剂上进行氧化脱氢。除生成丁二烯的主反应外，还有许多副反应，如生成酮、醛及有机酸的反应。反应在温度350、压力0.2026MPa下进行。得到反应前后的物料组成如下。根据表中的数据计算正丁烯的转化率、丁二烯的收率和反应的选择性。,例2,反应前后物料组成,4 反应器的类型,5 反应器的操作方式,间歇操作 (batch reactor, BR),连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR),连续操作 (F reactor),质量衡算： （关键组分i 的输入速率）（i 的输出速率）（i 的转化速率）（i 的累积速率）热量衡算： （输入的热量）（输出的热量）（反应热）（累积的热量）,6 反应器设计的基本方程,7 工业反应器的放大,实验室规模实验,小型试验,中间试验,大型冷模试验,工厂设计,建立化学模型,考察物理过程对反应的影响,建立物理模型,检验并修正模型 考察催化剂性能 考察设备腐蚀情况,数学模型法的步骤,
