反应工程绪论-王富民.ppt

化学反应工程化学反应工程第一章第一章 绪论绪论天津大学化工学院反应工程教研组化学反应工程定义化学反应工程定义化学反应和反应器的分类化学反应和反应器的分类 化学工程与化学工程师化学工程与化学工程师 反应工程学的历史及发展反应工程学的历史及发展 反应工程的用途反应工程的用途 相关概念相关概念 反应器的类型与操作方式反应器的类型与操作方式 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程化学反应工程的基本研究方法化学反应工程的基本研究方法及工业反应器的及工业反应器的设计方法设计方法本章内容化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程，又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相径庭。工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。n从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。化学反应和反应器的分类n化学反应和反应器的分类方法很多，常按下列四种方法进行分类。n一、按反应系统涉及的相态分类，分为n1 均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。n2 非均相反应，包括气固相，气液相，气液固相反应等。n二、按操作方式分类，分为n1 间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。n2 连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。n3 半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。n三、按反应器型式来分类，分为n1 管式反应器，一般长径比大于30n2 槽式反应器，一般高径比为13n3 塔式反应器，一般高径比在330之间n四、按传热条件分类，分为n1 等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。n2 绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。n3 非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。化学工程与化学工程师n化学工程与化学n化学工程师与化学家n化学工程师的具体任务与目标 解决实际问题 追求效率最大化 追求资源利用最大化 经济评价指标Engineering&EngineersnSolve practical problemsnScientists solve the problems they can,but Engineers try to solve the problems they have to;nProblem-orientednSolve practical problems efficientlynEngineers do for a penny what any fool can do for a pound.nSolve practical problems efficiently with limited resourcesnWillingness to make estimates and assumptionsnMust be constantly aware of the difference between the idealized conditions under which the basic knowledge was obtained and the real conditions of their design and its environmentnFearless,embraces new challengesEngineering&EngineernQuantitative reasoningnReadiness to face open-end questionnA habit of visualizing the solutionnInventHamlet was created;The telephone was invented;Structure of DNA was discoveredWhether you believe you can,or whether you believe you cant,you are absolutely right!Henry FordChemical EngineeringnI shall use the phrase of Chemical Engineering Science to mean the aspects of science developed by chemical engineers for their own purpose in field not covered by other branch of technology.nP.V DanckwertsEducation:Winchester College;Balliol College,Oxford University;Massachusetts Institute of Technology.BA(chemistry)Oxon,1938;SM(Chemical Engineering Practice),MIT,1948;MA Cantab 1948.Held a post in the small chemical company of Fullers Earth Union Ltd,Redhill,1939-1940.Trends in ChemE and Chem.IndustrynDiversified application areasnRelying on broader and deeper science knowledgeChemical EngineeringUnit OperationsTransport processesReaction EngineeringFundamental SciencesPhysicsChemistryBiologyMathematicsApplicationsEnergyInorganic IndustryPetrochemicalsBiochemicalsPharmaceuticalsMaterialsElectronicsTrends in ChemE and Chem.IndustrynGlobalization:nCompetitionnJob SecurityThe ability to find another jobnSpeed is the keynSustainability:energy and environmentalRequirement for ChemE EducationnVersatilitynBe PracticalnUse fundamental theories and knowledge to solve practical problemsnMulti-scale analysis and SynthesisnAnalysis of complex systemnComprehensive usage of a broad range of knowledge Chemical Reactor:DefinitionGeneral:nAn equipment or device that serves to conduct chemical reactions,i.e.convert molecules from one form to anotherNarrowed:nChemical conversion is performed for the purpose of producing or eliminating pre-determined molecular compound(s)Purpose:making or eliminating Control:safe,selectivity,performance optimization1.2 Chemical Reactor:ScaleMulti-scale AnalysisScale,mReferenceChem.Eng.107Earth diameterGlobal Scale103 105Golden Gate Bridge System Scale10 102HouseEquipment Scale10-3 10-1FrogParticle Scale10-6 10-4BacteriaColloid Scale10-10 10-7Carbon AtomMolecular ScaleJames Wei,Chem.Eng.Sci.,59(2004),1641-1651 Reactor DesignnDesign tasknType nSizenOperation conditionsnScale-upnProcedurenInitial estimationnSelectionnDesign calculation20世纪世纪30年代年代 -丹克莱尔丹克莱尔(Damhhler)-梯尔梯尔(Thiele)和史尔多维奇和史尔多维奇()扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，奠定了化学反应工程基础20世纪世纪40年代末年代末 -霍根霍根(Hougen)和华生和华生(Waston)法兰克法兰克-卡明斯基卡明斯基(-)1 反应工程学的历史及发展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化学反应与传递现象的相互关系 n n萌萌萌萌芽芽芽芽阶阶阶阶段段段段：2020世世世世纪纪纪纪3030年年年年代代代代，丹丹丹丹克克克克莱莱莱莱尔尔尔尔在在在在当当当当时时时时实实实实验验验验数数数数据据据据十十十十分分分分贫贫贫贫乏乏乏乏的的的的情情情情况况况况下下下下，较较较较系系系系统统统统地地地地论论论论述述述述了了了了扩扩扩扩散散散散、流流流流体体体体流流流流动动动动和和和和传传传传热热热热对对对对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。n n初初初初步步步步形形形形成成成成：19571957年年年年，欧欧欧欧洲洲洲洲几几几几个个个个国国国国家家家家从从从从事事事事反反反反应应应应工工工工程程程程这这这这一一一一领领领领域域域域研研研研究究究究工工工工作作作作的的的的学学学学者者者者在在在在荷荷荷荷兰兰兰兰的的的的阿阿阿阿姆姆姆姆斯斯斯斯特特特特丹丹丹丹召召召召开开开开的的的的一一一一次次次次学学学学术术术术会会会会议议议议上上上上首首首首次次次次使使使使用用用用化化化化学学学学反反反反应应应应工工工工程程程程一一一一词词词词，这这这这标标标标志志志志着着着着该该该该学学学学科科科科的的的的初初初初步步步步形形形形成。成。成。成。n n成成成成熟熟熟熟阶阶阶阶段段段段：6060年年年年代代代代石石石石油油油油化化化化工工工工的的的的大大大大发发发发展展展展，生生生生产产产产的的的的日日日日趋趋趋趋大大大大型型型型化化化化和和和和单单单单机机机机化化化化，以以以以及及及及原原原原料料料料加加加加工工工工的的的的不不不不断断断断发发发发展展展展加加加加速速速速了了了了反反反反应应应应工工工工程程程程学学学学科科科科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。n n新新新新的的的的契契契契机机机机：8080年年年年代代代代以以以以后后后后，随随随随着着着着高高高高技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展和和和和应应应应用用用用，如如如如微微微微电电电电子子子子器器器器件件件件的的的的加加加加工工工工、光光光光导导导导纤纤纤纤维维维维生生生生产产产产、新新新新材材材材料料料料以以以以及及及及生生生生物物物物技技技技术术术术等等等等，向向向向化化化化学学学学反反反反应应应应工工工工程程程程工工工工作作作作者者者者提提提提出出出出了了了了新新新新的的的的研研研研究究究究课课课课题题题题，使使使使化化化化学学学学反反反反应应应应工工工工程程程程形形形形成成成成新新新新的的的的分分分分支支支支，如如如如生生生生化化化化反反反反应应应应工工工工程程程程、聚聚聚聚合合合合反反反反应应应应工工工工程程程程等等等等，扩扩扩扩大大大大了了了了化化化化学学学学反反反反应应应应工工工工程程程程的的的的研研研研究究究究领领领领域域域域，从从从从而而而而使使使使化化化化学学学学反反反反应应应应工工工工程程程程的的的的研究进入了一个碌慕锥巍研究进入了一个碌慕锥巍研究进入了一个碌慕锥巍研究进入了一个碌慕锥巍 1957年年-首次使用首次使用“化学反应工程化学反应工程”术语术语 Amsterdam，ESCRE 60年代年代-快速发展期快速发展期 石油化工的大发展石油化工的大发展 计算机的发展与应用计算机的发展与应用 80年代年代-形成新的分支：形成新的分支：生化反应工程生化反应工程 聚合反应工程聚合反应工程 电化学反应工程电化学反应工程1 反应工程学的历史及发展反应工程学的历史及发展International Symposia on Chemical Reaction Engineering(ISCRE)NamePlaceCountryYearCo-Sponsoring OrganizationsESCRE 1AmsterdamNetherlands1957EFChEESCRE 2AmsterdamNetherlands1960EFChEESCRE 3AmsterdamNetherlands1964EFChEESCRE 4BrusselsBelgium1968EFChEISCRE 1WashingtonUSA1970ACS/AIChEISCRE 2AmsterdamNetherlands1972EFChEISCRE 3EvanstonUSA1974ACS/AIChEISCRE 4HeidelbergGermany1976EFChEISCRE 5HoustonUSA1978ACS/AIChEISCRE 6NiceFrance1980EFChEISCRE 7BostonUSA1982ACS/AIChEISCRE 8EdinburghGreat Britain1984EFChEISCRE 9PhiladelphiaUSA1986ACS/AIChEISCRE 10BaselSwitzerland1988EFChEISCRE 11TorontoCanada1990ACS/AIChE/CSCEISCRE 12TorinoItaly1992EFChEISCRE 13BaltimoreUSA1994ACS/AIChEISCRE 14BruggeBelgium1996EFChEISCRE 15NewportUSA1998ACS/AIChEISCRE 16CracowPoland2000EFChEISCRE 17 Hong Kong China 2002 Asia Pacific CRE 2 反应工程的用途、作用、研究内容反应工程的用途、作用、研究内容 反应动力学反应动力学 反应模式反应模式 速率方程速率方程 活化能活化能 反应器的设计与分析反应器的设计与分析 各因素（各因素（T,P,c）的变化规律的变化规律 最佳工况最佳工况3 化学反应的转化率和收率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化学反应的转化率和收率3.3 收率 Y与选择性S3 化学反应的转化率和收率化学反应的转化率和收率进入进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为：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离开反应器的气体中SO2的含量为的含量为1.5%，试，试计算计算SO2的转化率。的转化率。例例13 化学反应的转化率和收率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化剂上进行氧化脱氢。的混合气体在磷钼铋催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，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。反应在温度如生成酮、醛及有机酸的反应。反应在温度350、压力、压力0.2026MPa下进行。得到反应前后下进行。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。的转化率、丁二烯的收率和反应的选择性。例例2组分组分反应前反应前%反应后反应后%组分组分反应前反应前%反应后反应后%正丁烷正丁烷0.630.61氧气氧气7.170.64正丁烯正丁烯7.051.70氮气氮气27.026.10丁二烯丁二烯0.064.45水蒸气水蒸气57.4462.07异丁烷异丁烷0.500.48-1.20异丁烯异丁烯0.130CO2-1.80正戊烷正戊烷0.020.02有机酸有机酸-0.20醛、酮醛、酮-0.10反应前后物料组成反应前后物料组成4 反应器的类型反应器的类型重油的催化裂化流化床反应器搅拌釜式反应器邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器乙苯加氢气液塔式反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器4 反应器的类型反应器的类型管式反应器釜式反应器4 反应器的类型反应器的类型塔式反应器塔式反应器板式塔填料塔4 反应器的类型反应器的类型固定床反应器流化床反应器床式反应器床式反应器4 反应器的类型反应器的类型移动床反应器滴流床反应器浆态床反应器4 反应器的类型反应器的类型5 反应器的操作方式反应器的操作方式AB5 反应器的操作方式反应器的操作方式间歇操作间歇操作(batch reactor,BR)连续操作连续操作(continuous stirred tank reactor,CSTR)连续操作连续操作(PFR reactor)质量衡算：质量衡算：（关键组分（关键组分i 的输入速率）的输入速率）（i 的输出速率）（的输出速率）（i 的转化速率）（的转化速率）（i 的累积速率）的累积速率）热量衡算：热量衡算：（输入的热量）（输入的热量）（输出的热量）（反应热）（累积的热量）（输出的热量）（反应热）（累积的热量）动量衡算：动量衡算：（输入的动量）（输入的动量）（输出的动量）（动量消耗）（累积的动量）（输出的动量）（动量消耗）（累积的动量）6 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程6 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程控制体积控制体积：可以把反应速度视为定值的最大空间范围状态变量状态变量：浓度 （质量衡算）温度 （能量衡算）压力（动量衡算）自变量自变量：时间 空间*定态过程：无时间变量化学反应工程的基本研究方法n化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。n1建立简化物理模型n对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过程。简化必须合理，即简化模型必须反映客观实体，便于数学描述和适用。n2建立数学模型n依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理模型的数学方程及其初始和边界条件。n3用模型方程的解讨论客体的特性规律利用数学模型解决化学反应工程问题n基本步骤为：n1小试研究化学反应规律；n2大型冷模实验研究传递过程规律；n3利用计算机或其它手段综合反应规律和传递规律，预测大型反应器性能，寻找优化条件；n4热模实验检验数学模型的等效性。7 工业反应器的放大工业反应器的放大实验室规模实验室规模实验实验小型小型试验试验中间中间试验试验大型冷模大型冷模试验试验工厂工厂设计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数学模型法的步骤