化学工程与工艺专业任务.ppt

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1、化学反应工程化学反应工程 ChemicalReactionEngineering化学与化工学院化学与化工学院http:/ 既是一门专业课，同时，也是一门具有普遍指导意既是一门专业课，同时，也是一门具有普遍指导意义的基础性工程学科，它和工程实际密切相关，具义的基础性工程学科，它和工程实际密切相关，具有很强的理论性和应用性有很强的理论性和应用性。要求：1.严格；2.课前预习；课堂上积极，记笔记；课后复习；课下独立完成作业；3.有问题随时交流；对授课有意见或建议随时提出。参考资料v化学反应工程（第四版）朱炳辰v化学反应工程（第三版）陈甘棠化学反应工程化学反应工程 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章

2、 均相反应动力学基础均相反应动力学基础 第三章第三章 釜式反应器釜式反应器 第四章第四章 管式反应器管式反应器 第五章第五章 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 第六章第六章 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 第七章第七章 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化学反应工程化学反应工程第一章第一章 绪论绪论 第一章第一章 绪绪 论论第一节 化学反应工程第二节 转化率、收率和选择性第三节 化学反应器的类型第四节 反应器的操作方式第五节 反应器的设计与基本过程第六节 工业反应器的放大化学工业生产过程包括如下三个组成部分：第和两部分

3、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。原料原料预处理预处理化学反化学反应过程应过程产物的分离产物的分离与提纯与提纯原料产物副产物未反应原料循环1、化工过程、化工过程一、化学反应工程一、化学反应工程2、反应工程与其他学科的关系、反应工程与其他学科的关系3、反应工程的基本任务、反应工程的基本任务1）建立化学反应过程的动力学模型和传质模型；2）选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传质要求；3）计算反应器的大小以满足一定的产量和转化率的要求；4）确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经济效益；5）研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停车顺利。4 4、化学反

4、应工程的研究内容、化学反应工程的研究内容反应动力学和反应器设计与分析反应动力学和反应器设计与分析。（1 1）反应动力学）反应动力学-研究化学反应进行的机理和速率，如研究化学反应进行的机理和速率，如反应模式、速率方程及反应活化能等。其中速率方程可表反应模式、速率方程及反应活化能等。其中速率方程可表示为：示为：r=fr=f（T T、C C、P P）（）（本征动力学和宏观动力学本征动力学和宏观动力学）（2 2）反应器设计与分析）反应器设计与分析-研究反应器内上述因素的变化研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。5 5、反应工程

5、的评价指标、反应工程的评价指标-过程优化过程优化在一定的约束条件下，确定最佳的决策变量，获得一定的优化目标。在一定的约束条件下，确定最佳的决策变量，获得一定的优化目标。决策变量决策变量结构变量结构变量-反应器的型式和结构尺寸反应器的型式和结构尺寸操作方式操作方式-间歇、连续、半间歇间歇、连续、半间歇工艺条件工艺条件-温度、浓度、时间、催化剂、压力温度、浓度、时间、催化剂、压力优化目标优化目标经济指标经济指标-成本、利润、生产费用成本、利润、生产费用技术指标技术指标-转化率、选择性、收率（反应速率）转化率、选择性、收率（反应速率）约束条件：约束条件：优化过程受到各种因素约束，如生产能力、产品优化

6、过程受到各种因素约束，如生产能力、产品质量、三废排放、设备材料的耐热性、易燃易爆体系等。质量、三废排放、设备材料的耐热性、易燃易爆体系等。6 6、反应工程学的发展史反应工程学的发展史 二、化学反应的分类三、化学反应器的类型三、化学反应器的类型按反应器工作原理来分,可以概括为以下几种类型：种种 类类特特 点点应应 用用 范范 围围管式管式反应器反应器长度远大于管径长度远大于管径,内部没内部没有任何构件有任何构件多用于均相多用于均相反应过程反应过程釜式釜式反应器反应器高度与直径比约为高度与直径比约为2-32-3内内设搅拌装置和档板设搅拌装置和档板均相、多相反均相、多相反应过程均可应过程均可塔式塔式

7、 (填料塔板填料塔板式塔式塔)高度远大于直径，内部高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提设有填料、塔板等以提高相互接触面积高相互接触面积用于多相用于多相反应过程反应过程 种 类特 点应用范围固定床 底层内部装有不动的固体底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物或是反应物用于多相反应系统用于多相反应系统流化床 反应过程中反应器内部有反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能提高反应器内液体的混合性能多相反应体系，可以多相反应体系，可以提高传热速率提高传热速率移动床 固体颗粒自上而下作定向固体颗

8、粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化用于多相体系，催化剂可以连续再生剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种物还包括气液两种属于固定床的一种，属于固定床的一种，用于使用固体催化剂用于使用固体催化剂的气液反应过程的气液反应过程 反应器的类型和特点反应器的类型和特点四、四、反应器的操作方式反应器的操作方式一、间歇操作:1）一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度或组成等)随时间变化。2）没有物料流入，也没有物料流出，因此不存在物料流动。3）整个反应过程都是在恒容下进行的。4）反应器几乎都是釜式反应器。5）适用于品

9、种多、批量小的产品。如医药工业。二、连续操作:1）原料连续不断加入,产物连续不断引出。2）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及温度都不随时间变化。3）连续反应器适用于大规模生产。产品质量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改变产品品种十分困难。4）所有反应器均可采用连续操作。三、半连续(或半间歇)操作兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。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)连续操作釜式反应器连续操作釜式反应器(continuous stirred tank reactor,CSTR)连续操作管式反应器连续操作管式反应器 (PF re

10、actor)PVC悬浮聚合间歇悬浮聚合间歇反应釜反应釜五、反应器设计的基本过程五、反应器设计的基本过程反应器设计的基本内容一般包括：（1）选择合适的反应器型式 （2）确定最佳操作条件 （3）根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积。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。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)Vr=f(T,P,C)T,P,C随时间或位置而变 质量衡算：质量衡算：（关键组分（关键组分i i 的输入速率）的输入速率）（i i 的输出速率）

11、（的输出速率）（i i 的转化速率）（的转化速率）（i 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）(输出的热量输出的热量)(反应热反应热)(累积的热量累积的热量)反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程（1）确定变量；（）确定变量；（2）选择控制体积）选择控制体积 采用逐级放大法费时费力，但采用数学模型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

12、理方法。可以预测，数学模型放理论分析又加入经验处理方法。可以预测，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。放大法的主流。目前使用的化学反应器放大法有使用的化学反应器放大法有：（1 1）逐级经验放大法（主要靠经验）逐级经验放大法（主要靠经验）（2 2）数学模型法。可以提高放大倍数，缩短数学模型法。可以提高放大倍数，缩短开发周期开发周期（3 3）半经验放大法半经验放大法六、工业反应器的放大六、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考察察物物理理过过程程对对反反应应的的影影响响建建立立物物理理模模型型检检验验并并修修正正模模型型考考察察催催化化剂剂性性能能考考察察设设备备腐腐蚀蚀情情况况数学模型法的步骤数学模型法的步骤1、反应进度 七、基本概念七、基本概念规定：反应物的化学计量规定：反应物的化学计量系数取负值，生成物的化系数取负值，生成物的化学计量系数取正值。学计量系数取正值。2、转化率 X注意：注意：按关键组分计按关键组分计 反应物的起始态反应物的起始态1 1）转化率转化率定义定义“”意意义义 2 2）注意事项：）注意事项：u 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来的 x是不一样的.