化学反应工程-第1章.ppt

《化学反应工程-第1章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应工程-第1章.ppt（32页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、化学反应工程(Chemical Reaction Engineering)第一章 绪论1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法1.3 1.3 化工过程放大化工过程放大化工过程放大化工过程放大1.4 1.4 最优化最优化最优化最优化1.5 1.5 反应器类型反应器类型反应器类型反应器类型1.6 1.6 主要内容主要内容主要内容主要内容1.7 1.7 学习目的及要求学习目的及要求学习目的及要求学习目的及要求1.1 化

2、学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务 化学反应过程是物理与化学两类因素综合体，化学反应过程是物理与化学两类因素综合体，是化学反应生产的关键。是化学反应生产的关键。远远溯溯古古代代，陶陶瓷瓷制制作作、酿酿酒酒等等工工艺艺，但但直直到到本本世世纪纪五五十十年年代代一一直直还还未未形形成成一一门门专专门门研研究究的的独独立立学学科科，到到19571957年年举举行行的的第第一一次次欧欧洲洲反反应应工工程程会会议上确立了这一学科的名称。议上确立了这一学科的名称。化化学学反反应应工工程程学学：是是一一门门研研究究化化学学反反应应的的工工程程问问题题的的科科学学，既既以以化化学学反反应应作作

3、为为研研究究对对象象，又又以以工工程程问问题题为为研研究究对对象象，把把二二者者结结合合起起来来的的学学科科体系。体系。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

4、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工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：过程是：(1)(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；的传质过程；(2)(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与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传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。发生。1.1.1 化学反应工程的研究对象1.1

5、1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪论绪论原材料原材料半成品或成品半成品或成品公用工程公用工程副产品及三废副产品及三废化学反应、分离化学反应、分离以及以及物料、能量的物料、能量的输送和转换输送和转换 可见，化工生产过程往往由许多步骤组成，并力求最经济地生产产品，减少废弃物量。其中的化学加工步骤就是化学反应工程的研究对象。实现化学加工步骤的设备称为反应器。任何一个化工过程都可概括为：任何一个化工过程都可概括为：能否选择恰当的化学加工方式、采用合适的反应器型式，往往是一个化工生产过程的关键。通过化学反应工程的学习，可解决：如何分析化学加工过程及反应器状况，制

6、定最优化条件。如何选择和设计反应器，以完成所需的化学加工过程。1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪论绪论1.1.2 化学反应工程的范畴和任务 化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学。只研究化学反应本身的规律以及反应结果（反应速率、选择性等）与温度和浓度的关系，而不涉及传递过程，属化学动力学问题。研究反应器构型，物料在其中的流动、传热和传质的传递规律，以及传递过程对反应结果的影响。这属工程问题。根据化学动力学问题，解决工程问题，确定与反应特性相适应的反应器型式、结构尺寸和操作条件，达到较好的反应结果。这就是化学反应工程开发的核心内容核心内

7、容。1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪论绪论 1.1.1.1.化学反应工程的内容化学反应工程的内容化学反应工程的内容化学反应工程的内容 .过程动力学 研究反应机理 研究反应速率与外界因素关系 研究传递过程对反应速率影响 本征反应动力学：是在理想的条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，但不包括传递过程既反应器结构参数对反应速率的影响。宏观动力学：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物力变化过程的综合，成为宏观反应过程，研究其动力学的成为宏观反应动力学。1.1 1.1 化学

8、反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪论绪论本征动力学本征动力学宏观动力学宏观动力学 .反应器设计与分析 良好的反应器能提供一种良好的三传环境，保证化学反应的顺利进行。2.2.化学反应工程学的任务化学反应工程学的任务 .反应工程分析 .反应技术开发 .反应器设计1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪论绪论1.2.1 1.2.1 数学模型数学模型数学模型数学模型 数学模型数学模型是指在因变量和自变量间建立的数学关系是指在因变量和自变量间建立的数学关系式。式。1.1.数学模型分类数学模型分类数学模型分类数学模型分类 按参数空间分布程度

9、：集中参数模型和分布参数模按参数空间分布程度：集中参数模型和分布参数模型。型。按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。按参数性质：确定模型和随机模型。按参数性质：确定模型和随机模型。按建立模型的方法：机理模型和经验模型。按建立模型的方法：机理模型和经验模型。按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。按数学关系：线性模型和非线性模型。按数学关系：线性模型和非线性模型。2.数学模型法的建立步骤1 1建立简化物理模型建立简化物理模型建立简化物理模型建立简化物理模型 对对复复杂杂客客观观实实体体，在在深深入入了了解解基基础础上上

10、，进进行行合合理理简简化化，设设想想一一个个物物理理过过程程(模模型型)代代替替实实际际过过程程。简简化化必必须须合合理理，即即简简化化模模型型必必须须反反映映客客观观实实体体，便便于于数数学学描描述述和和适适用用。不不失失真真、满满足足应应用用要要求求、适应现有的实验条件和适应现有的计算能力。适应现有的实验条件和适应现有的计算能力。2 2建立数学模型建立数学模型建立数学模型建立数学模型 依依照照物物理理模模型型和和相相关关的的已已知知原原理理，写写出出描描述述物物理理模型的数学方程及其初始和边界条件。模型的数学方程及其初始和边界条件。3 3用模型方程的解讨论客体的特性规律用模型方程的解讨论客

11、体的特性规律用模型方程的解讨论客体的特性规律用模型方程的解讨论客体的特性规律1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪论绪论1.2.2 反应器设计的基本方程 反应器设计的基本方程就是描述反应器的数学模型。反应器设计的基本方程就是描述反应器的数学模型。控制体积是指能把化学反应速率视作定值的最大空间范围。它控制体积是指能把化学反应速率视作定值的最大空间范围。它规定了建立数学模型的范围。规定了建立数学模型的范围。1.1.物料衡算方程物料衡算方程物料衡算方程物料衡算方程 依据：质量守恒定律。依据：质量守恒定律。一般式为：一般式为：其中，其中，输入量为随物流进入控制体积

12、的衡算对象量；输入量为随物流进入控制体积的衡算对象量；输出量包括随物流离开控制体积的衡算对象量、衡算对象反应输出量包括随物流离开控制体积的衡算对象量、衡算对象反应量以及衡算对象损失量；量以及衡算对象损失量；累积量为控制体积内衡算对象随时间的变化量。累积量为控制体积内衡算对象随时间的变化量。输入量输出量累积量输入量输出量累积量1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪论绪论 2.2.能量衡算方程能量衡算方程能量衡算方程能量衡算方程 依据：能量守恒定律。依据：能量守恒定律。一般式为：一般式为：其中，输入量包括随物流进入控制体积的能量、反应热以及其中，输入量包括随物

13、流进入控制体积的能量、反应热以及其他输入能量；其他输入能量；输出量包括随物流离开控制体积的能量、与环境交换的输出量包括随物流离开控制体积的能量、与环境交换的能量以及其他输出能量；能量以及其他输出能量；累积量为控制体积内能量随时间的变化量。累积量为控制体积内能量随时间的变化量。输入量输出量累积量输入量输出量累积量1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪论绪论 3.3.动量衡算方程动量衡算方程动量衡算方程动量衡算方程 依据：动量守恒定律。依据：动量守恒定律。一般式为：一般式为：其中，输入量包括随物流进入控制体积的动量和作用在控制其中，输入量包括随物流进入控制体积

14、的动量和作用在控制体积上的各种力所引起的动量；体积上的各种力所引起的动量；输出量包括随物流离开控制体积的动量和动量消耗量；输出量包括随物流离开控制体积的动量和动量消耗量；累积量为控制体积内动量随时间的变化量。累积量为控制体积内动量随时间的变化量。4.4.动力学方程动力学方程动力学方程动力学方程 5.5.参数计算式参数计算式参数计算式参数计算式 输入量输出量累积量输入量输出量累积量1.3 化工放大化工放大第一章第一章 绪论绪论 放大效应：由试验室小型生产到放大生产,出现了导致反应器结构和操作条件发生变化的现象。温度、浓度、时间分布是工业反应器不同于实验室反应器的特征所在。放大放大是指部分依据小型

15、装置的试验和示范对较大装置是指部分依据小型装置的试验和示范对较大装置进行设计和制定操作方法并使其成功开车和运转的过程。进行设计和制定操作方法并使其成功开车和运转的过程。从实验室试验到成功的工业规模设计的过程就是从实验室试验到成功的工业规模设计的过程就是放大放大过程过程。放大方法放大方法：逐级经验放大法逐级经验放大法 实型规模试验法实型规模试验法 数学模拟放大法数学模拟放大法利用数学模型解决化学反应工程问题基本步骤为：1小试研究化学反应规律；2大型冷模实验研究传递过程规律；3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；4热模实验检验数学模型的等效性。1.4 最优

16、化最优化第一章第一章 绪论绪论 对工程问题，都可能存在多种解决途径，即多种方案。人们对工程问题，都可能存在多种解决途径，即多种方案。人们总希望从其中选择一种最优的方案。这种最优总是与一定评价标总希望从其中选择一种最优的方案。这种最优总是与一定评价标准相联系的。标准不同，最优方案也不同。准相联系的。标准不同，最优方案也不同。目标目标是指最优化的标准或评价方法。是指最优化的标准或评价方法。目标函数目标函数是指目标与系统变量间的数学关系。是指目标与系统变量间的数学关系。凡是最优化问题都要达到最优目标，因次，最优化问题就变凡是最优化问题都要达到最优目标，因次，最优化问题就变成了对目标函数求极值的问题。

17、当对变量的取值存在某些限制时，成了对目标函数求极值的问题。当对变量的取值存在某些限制时，这时的最优问题是一种条件极值问题。这时的最优问题是一种条件极值问题。反应器最优化反应器最优化有：有：设计优化设计优化 管理优化管理优化 控制优化控制优化1.5 1.5 反应器类型反应器类型第一章第一章 绪论绪论1.5.1 反应器分类反应器分类 按按反应相态反应相态：均相和非均相：均相和非均相 按按结构型式结构型式：固定床反应器、移动床反应器和流：固定床反应器、移动床反应器和流化化 床反应器；搅拌槽、鼓泡塔和管式反应器；特殊床反应器；搅拌槽、鼓泡塔和管式反应器；特殊反应器，如火焰反应器、气流床反应器、板式塔、

18、光反应器，如火焰反应器、气流床反应器、板式塔、光化学反应器、砖窑等。化学反应器、砖窑等。按按操作方式操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器：间歇操作反应器、连续操作反应器和半连续操作反应器。和半连续操作反应器。按按物流流动状态物流流动状态：理想反应器（全混流反应器和：理想反应器（全混流反应器和平推流反应器）和非理想反应器。平推流反应器）和非理想反应器。按按传热方式传热方式：间接换热式反应器和直接换热式反：间接换热式反应器和直接换热式反应器。应器。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轻油裂解制乙烯管式非催化反应器反应器的型式与特性表反应器的型式与特性表

19、类型类型适用反应适用反应优缺点优缺点搅拌槽搅拌槽液相、液液相、液液、液液、液固相固相适用性大，操作弹性大，温度、浓适用性大，操作弹性大，温度、浓度易控制，产品质量均一度易控制，产品质量均一管式管式气相、液相气相、液相返混小，反应器容积小，比传热面返混小，反应器容积小，比传热面大大空塔或搅拌塔空塔或搅拌塔液相、液液相、液液相液相结构简单，返混程度与高结构简单，返混程度与高/径比及搅径比及搅拌有关，轴向温差大拌有关，轴向温差大鼓泡塔或挡板鼓鼓泡塔或挡板鼓泡塔泡塔气气液相，气液相，气液液固相固相气相返混小，液相返混大，温度较气相返混小，液相返混大，温度较易调节，气体压降大，流速有限制易调节，气体压降

20、大，流速有限制填料塔填料塔液相、气液相、气液相液相结构简单，返混小，压降小，有温结构简单，返混小，压降小，有温差，填料装卸麻烦差，填料装卸麻烦板式塔板式塔气气液相液相逆流接触，气液返混均小，流速有逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，常另加传热面限制，如需传热，常另加传热面喷雾塔喷雾塔气气液相快速反应液相快速反应结构简单，液体表面积大，停留时结构简单，液体表面积大，停留时间受塔高限制，气流速度有限制间受塔高限制，气流速度有限制 1.5.2 1.5.2 反应器型式的选定反应器型式的选定反应器型式的选定反应器型式的选定 依据：相态及其数目；反应特性；传热和传依据：相态及其数目；反应特性；传

21、热和传质对反应的影响。质对反应的影响。均相均相：气相反应常用管式反应器和火焰反应：气相反应常用管式反应器和火焰反应器；液相反应一般采用搅拌槽。器；液相反应一般采用搅拌槽。非均相非均相：气固催化反应常用固定床反应器和：气固催化反应常用固定床反应器和流化床反应器；气固非催化反应常用移动床反应流化床反应器；气固非催化反应常用移动床反应器和流化床反应器；气液反应常用搅拌槽、鼓泡器和流化床反应器；气液反应常用搅拌槽、鼓泡塔、填料塔、板式塔等；液液和液固反应常用搅塔、填料塔、板式塔等；液液和液固反应常用搅拌槽；固固反应常用转窑；气液固反应常用浆态拌槽；固固反应常用转窑；气液固反应常用浆态床反应器和滴流床反

22、应器。床反应器和滴流床反应器。1.6 主要内容主要内容反应动力学基础反应动力学基础反应动力学基础反应动力学基础釜式反应器釜式反应器釜式反应器釜式反应器管式反应器管式反应器管式反应器管式反应器停留时间分布与反应器的流动模型停留时间分布与反应器的流动模型停留时间分布与反应器的流动模型停留时间分布与反应器的流动模型多相系统中的化学反应与传递现象多相系统中的化学反应与传递现象多相系统中的化学反应与传递现象多相系统中的化学反应与传递现象多相催化反应器的设计与分析多相催化反应器的设计与分析多相催化反应器的设计与分析多相催化反应器的设计与分析1.7 学习目的与要求 设置本课程，为了使学生能够牢固掌握反应工程

23、的基本概念、基本原理和计算方法，能够运用所学理论知识合理确定反应器型式和进行反应器的设计计算；根据具体情况对反应器的操作进行优化；对反应过程中的某些现象进行简单分析，从而指导设计与生产。通过本课程的学习，要求考生正确理解反应工程有关基本概念、基本原理，掌握化学反应学科的学习方法及理论联系实际方法，提高分析问题和解决问题的能力。主要参考书：陈甘棠陈甘棠.化学反应工程化学反应工程(第二版第二版).).北京北京:化学工业化学工业出版社出版社,1990.,1990.朱炳辰朱炳辰.化学反应工程化学反应工程(第三版第三版).).北京北京:化学工业化学工业出版社出版社,2001.,2001.李绍芬李绍芬.反应工程反应工程(第二版第二版).).北京北京:化学工业出版化学工业出版社社,2004.,2004.美美 H.H.斯科特斯科特 福格勒福格勒.化学反应工程化学反应工程(原著第三原著第三版版).).北京北京:化学工业出版社化学工业出版社,2005.,2005.德德 M.M.贝伦斯等贝伦斯等.化学反应工程化学反应工程.北京北京:中国石化中国石化出版社出版社,1994.,1994.