分離工程第一章緒論-2

1、化化 學學 反反 應應 工工 程程Chemical Reaction Engineering 本課程的性質(zhì)和內(nèi)容地位：專業(yè)基礎課前期課程： 物理化學、高等數(shù)學、化工熱力學重點： 1.反應動力學 2.反應器的設計與分析 3.反應過程的數(shù)學模擬教材：李紹芬.反應工程(3版).北京：化學工業(yè)出版社 ，2013.1 (普通高等教育“九五”國家級規(guī)劃教材 )主要參考書:朱炳辰.化學反應工程.北京:化學工業(yè)出版社, 2006.12（面向21世紀課程教材） 陳甘棠.化學反應工程.北京:化學工業(yè)出版社, 2009.1李紹芬.反應工程.北京：化學工業(yè)出版社 ，2000.6 (普通高等教育“九五”國家級規(guī)劃教材

2、)總 課 時： 48（理論48）考核方式：閉卷考試總評成績：（1）考勤10% （2）平時作業(yè)20% （3）閉卷考試70% 第第1 1章章 緒論緒論(2(2學時學時) )第第2 2章章 反應動力學基礎反應動力學基礎(10(10學時學時) )第第3 3章章 釜式反應器釜式反應器(10(10學時學時) )第第4 4章章 管式反應器管式反應器(6(6學時學時) )第第5 5章章 停留時間分布與反應器的流動模型停留時間分布與反應器的流動模型(4(4學時學時) )第第6 6章多相系統(tǒng)中的化學反應與傳遞現(xiàn)象章多相系統(tǒng)中的化學反應與傳遞現(xiàn)象(6(6學時學時) )第第7 7章多相催化反應器的設計與分析章多相催化

3、反應器的設計與分析(6(6學時學時) )第第8 8章多相反應器章多相反應器(4(4學時學時) ) 反應工程學的歷史及發(fā)展反應工程學的歷史及發(fā)展(了解了解) 反應工程的用途反應工程的用途(理解理解) 相關概念相關概念(重點掌握重點掌握) 反應器的類型與操作方式反應器的類型與操作方式(理解理解) 反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程(理解理解) 工業(yè)反應器的設計方法工業(yè)反應器的設計方法(了解了解)本章內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論1 反應工程學的歷史及發(fā)展1.1 什么是化學反應工程煤石油天然氣生物質(zhì)反應化工原料分離產(chǎn)品一般化工生產(chǎn)過程一般化工生產(chǎn)過程反應動力學反應器20世紀世紀30年代（萌芽階段）

4、年代（萌芽階段） -丹克萊爾丹克萊爾(Damhhler): 擴散、流體流動和傳熱對反應器產(chǎn)率的影響擴散、流體流動和傳熱對反應器產(chǎn)率的影響 -梯爾梯爾(Thiele)和史爾多維奇和史爾多維奇：擴散反應：擴散反應20世紀世紀40年代末（年代末（1947） （系統(tǒng)化）（系統(tǒng)化） -霍根霍根(Hougen)和華生和華生(Waston)： 化學過程原理化學過程原理 法蘭克法蘭克-卡明斯基卡明斯基：化學動力學中的擴散與傳熱化學動力學中的擴散與傳熱1 反應工程學的歷史及發(fā)展化學反應與傳遞現(xiàn)象的相互關系化學反應與傳遞現(xiàn)象的相互關系 1957年年 - 首次使用首次使用“化學反應工程化學反應工程”術語術語（學科確

5、立）（學科確立） Amsterdam，ISCRE 60年代年代 - 快速發(fā)展期快速發(fā)展期（學科發(fā)展壯大）（學科發(fā)展壯大） 石油化工的大發(fā)展石油化工的大發(fā)展 計算機的發(fā)展與應用計算機的發(fā)展與應用1 反應工程學的歷史及發(fā)展80年代年代 - 形成新的分支形成新的分支（學科交叉和新技術運用）（學科交叉和新技術運用） 生化反應工程生化反應工程 聚合反應工程聚合反應工程 電化學反應工程電化學反應工程90年代年代 - 環(huán)境保護的要求環(huán)境保護的要求 環(huán)境友好、原子經(jīng)濟的綠色反應工藝、工程技術環(huán)境友好、原子經(jīng)濟的綠色反應工藝、工程技術International Symposia on Chemical Reac

6、tion Engineering (ISCRE) 反應工程學與有關學科間的關系化學工藝化學工藝反應器中流體流動、反應器中流體流動、混合傳熱和傳質(zhì)混合傳熱和傳質(zhì)反應過程分析反應過程分析化學熱力學與化學熱力學與反應動力學反應動力學工程控制工程控制設備結構及機械制造設備結構及機械制造優(yōu)化優(yōu)化催化劑催化劑經(jīng)濟學經(jīng)濟學化學化學反應過程動態(tài)反應過程動態(tài)特性與反應系特性與反應系統(tǒng)測量和控制統(tǒng)測量和控制化學反應的分類（反應工程學科） 2 反應工程的研究內(nèi)容與作用 反應動力學反應動力學 反應模式反應模式 速率方程速率方程 活化能活化能 反應器的設計與分析反應器的設計與分析 各因素（各因素（T, P, c）的變化

7、規(guī)律）的變化規(guī)律 最佳工況最佳工況2 反應工程的研究內(nèi)容與作用 反應工程研究的作用反應工程研究的作用p提高反應器的放大倍數(shù)，減少試驗和開發(fā)提高反應器的放大倍數(shù)，減少試驗和開發(fā)周期周期 p對現(xiàn)有反應裝置操作工況進行優(yōu)化、提高對現(xiàn)有反應裝置操作工況進行優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率 p開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝3.1 反應進度 RBARBARRRBBBAAARBARRBBAAnnnnnnnnnnnn000000:)( : )( : )(即：iiinn0普遍化：Mjjijiinn10對多個反應：3 基本概念：反應進度、轉化率和收率等A、B、R為、的化學計量系數(shù)，規(guī)定

8、：反應物取負數(shù)，產(chǎn)物取正數(shù)為反應進度永遠為正3.2 轉化率 X該反應物的起始量某一反應物的轉化量X0iiinX注意： 按關鍵組分計（選擇不過量的反應物） 反應物的起始態(tài)連續(xù)反應器：進口處原料的狀態(tài)間歇反應器：反應開始時的狀態(tài)串聯(lián)反應器：第一個反應器進口處原料的狀態(tài) 單程轉化率、全程轉化率X100%針對反應針對反應物物3.3 收率Y與選擇性S關鍵組分的起始量反應產(chǎn)物的生成量RARY關鍵組分的起始量關鍵組分量生成某一產(chǎn)物所消耗的或：Y 已轉化的關鍵組分量關鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的SXSY針對產(chǎn)物針對產(chǎn)物進入進入SO2氧化器的氣體組成（摩爾分數(shù)）為：氧化器的氣體組成（摩爾分數(shù)）為： SO2: 3

9、.07%; SO3: 4.6%; O2: 8.44%; N2: 83.89%離開反應器的氣體中離開反應器的氣體中SO2的含量為的含量為1.5%，試，試計算計算SO2的轉化率。的轉化率。例例1N2的作用？的作用？32222SOOSO反應：解：解：總量2232NOSOSO10089.8344. 86 . 407. 3前nnnn10089.8344. 826 . 4207. 3后以以100mol進料為基準，進料為基準，n為為O2的反應量的反應量,則有：則有：%5 . 1100207. 3nnmoln79. 0%47.51%10007. 32nx丁二烯是制造合成橡膠的重要原料。制取丁二烯丁二烯是制造合

10、成橡膠的重要原料。制取丁二烯的工業(yè)方法之一是將正丁烯和空氣及水蒸氣的混的工業(yè)方法之一是將正丁烯和空氣及水蒸氣的混合氣體在磷鉬鉍催化劑上進行氧化脫氫。除生成合氣體在磷鉬鉍催化劑上進行氧化脫氫。除生成丁二烯的主反應外，還有許多副反應，如生成酮、丁二烯的主反應外，還有許多副反應，如生成酮、醛及有機酸的反應。反應在溫度醛及有機酸的反應。反應在溫度350、壓力、壓力0.2026MPa下進行。得到反應前后的物料組成如下進行。得到反應前后的物料組成如下。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計算正丁烯的轉化率、丁二下。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計算正丁烯的轉化率、丁二烯的收率和反應的選擇性。烯的收率和反應的選擇性。例例2反應前后物料組成反應前

11、后物料組成 習題習題1、2課后作業(yè)：課后作業(yè)：4 反應器的類型4 反應器的類型 (b) 管式管式 (a) 釜式釜式 (c) (c) 板式塔板式塔 (d) 填料塔填料塔 進料進料出料出料進進料料出出料料液體液體氣體氣體氣體氣體液體液體液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體圖圖 不同結構型式的反應器不同結構型式的反應器 (e) 鼓泡塔鼓泡塔 (f) 噴霧塔噴霧塔 (g) 固定床固定床 (h) 流化床流化床 圖圖 不同結構型式的反應器不同結構型式的反應器 液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體氣氣體體或或液液體體氣氣體體或或液液體體氣氣體體或或液液體體氣氣體體或或液液體體4 反應

12、器的類型5 反應器的操作方式間歇操作間歇操作(batch reactor, BR)連續(xù)操作連續(xù)操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 連續(xù)操作連續(xù)操作(F reactor)AR CA00濃濃度度CRCA時間時間CRfCAf圖圖 間歇釜式反應器間歇釜式反應器及其濃度變化及其濃度變化 LCA0CAfCRfCRfCA0CAf0L管管 長長濃濃度度CRCA 理想反應器是指流體的流動處于理想狀況的反應器。理想反應器是指流體的流動處于理想狀況的反應器。對于流體混合，有兩種理想極限，即理想混合和理對于流體混合，有兩種理想極限，即理想混合和理想置換。想置換。 理想混

13、合流型理想混合流型 理想置換流型理想置換流型 圖圖 反應器的兩種理想流型反應器的兩種理想流型 6 理想反應器模式理想反應器模式（a a）層流）層流 （b b）湍流）湍流 （c c）活塞流）活塞流圖圖 管式徑向流速分布管式徑向流速分布流體在管式反應器內(nèi)流動如圖所示，徑向流速分布是不均流體在管式反應器內(nèi)流動如圖所示，徑向流速分布是不均勻的，以中心處的流速最大，靠壁處最小。勻的，以中心處的流速最大，靠壁處最小。6 理想反應器模式理想反應器模式 理想混合的特征是物料達到完全混合，濃度、溫度理想混合的特征是物料達到完全混合，濃度、溫度和反應速度處處相等。工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式和反應速度處處相等。工業(yè)

14、生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式反應器可近似看成理想混合反應器。反應器可近似看成理想混合反應器。 6 理想反應器模式理想反應器模式 理想置換的特征是徑向流速分布均勻理想置換的特征是徑向流速分布均勻, ,徑向混合均勻；徑向混合均勻；不存在軸向混合即在流體流動方向上不存在流體的混不存在軸向混合即在流體流動方向上不存在流體的混合。工業(yè)生產(chǎn)中合。工業(yè)生產(chǎn)中, ,細長型的管式反應器可近似看成理細長型的管式反應器可近似看成理想置換反應器。想置換反應器。 理想反應器的主要類型理想反應器的主要類型 間歇釜式反應器（分批加料的釜式反應器）間歇釜式反應器（分批加料的釜式反應器）Batch Stirred Tank Reac

15、tor (BSTR) 連續(xù)釜式反應器（連續(xù)加料的釜式反應器）連續(xù)釜式反應器（連續(xù)加料的釜式反應器）Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 理想管式反應器（連續(xù)加料的管式反應器）理想管式反應器（連續(xù)加料的管式反應器） Piston(Plug) Flow Reactor (PFR)CA0 CAf 濃濃度度 時間時間 CRf A RA RCA0 位置位置 CAf CRf 濃濃度度 CA0 CRf CAf A RA RCA0CRf位位置置 CAf 濃濃度度 CA0 CAf CRf A A R R 間歇釜式反應器間歇釜式反應器 連續(xù)釜式反應器連續(xù)釜式反應器 管式反應器

16、管式反應器 圖圖 理想反應器內(nèi)反應物及產(chǎn)物的濃度變化理想反應器內(nèi)反應物及產(chǎn)物的濃度變化 6 理想反應器模式理想反應器模式三種反應器的比較三種反應器的比較6 理想反應器模式理想反應器模式7 反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程反應器設計的基本內(nèi)容：反應器設計的基本內(nèi)容：選擇合適的反應器型式；選擇合適的反應器型式；確定最佳的操作條件；確定最佳的操作條件；計算完成規(guī)定任務所需的反應體積；計算完成規(guī)定任務所需的反應體積；確定反應器尺寸。確定反應器尺寸。7 反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程 反應器計算所應用的基本方程式主要有反應器計算所應用的基本方程式主要有反應動力學方程式反應動力學方程式、

17、物料衡算式物料衡算式和和熱量衡算熱量衡算式式。若反應過程有較大的壓力降，并影響到。若反應過程有較大的壓力降，并影響到化學反應速度時，還要應用動量衡算式?；瘜W反應速度時，還要應用動量衡算式。 物料衡算：物料衡算：（關鍵組分（關鍵組分i i 的輸入速率）的輸入速率） （i i 的輸出速率）（的輸出速率）（i i 的轉化速率）（的轉化速率）（i i 的累的累積速率）積速率）熱量衡算：熱量衡算：（輸入的熱量）（輸入的熱量） （輸出的熱量）（反應熱）（累積的熱量）（輸出的熱量）（反應熱）（累積的熱量）7 反應器設計的基本方程反應器設計的基本方程8 工業(yè)反應器的放大工業(yè)反應器的放大問題的提出：在造船、筑壩等很多領域上相似理論和因次分析為基準的相似放大法是非常有效的，但由于無法同時保持物理和化學相似使得在化學反應器放大方面無能為力。目前使用的化學反應器放大法有： 逐級經(jīng)驗放大法（主要靠經(jīng)驗） 數(shù)學模型法，可以提高放大倍數(shù)，縮短中試時間 半經(jīng)驗放大法8 工業(yè)