1化學反應工程緒論-課件

化學反應工程

孫萍

675457ChemicalReactionEngineering

2023/10/5要求：必修課平時成績30%作業(yè)出勤實驗期末成績70%BB:化學反應工程注冊碼：051052學時：56+16jilkq88jilkq01jlkq123jilkq0jilinkqjilkqjilkouqjlkouq0jlkouq6kqzl0gfkqyy024kqyygfkouqsykqyy0gfkqyy0kqyy66gfyykq2019-6-192019年3月3日，全國政協(xié)十一屆四次會議，再次提出了我國科技成果轉(zhuǎn)化率不到20%，而發(fā)達國家高達70、80%?；瘜W反應工程2023/10/5工業(yè)規(guī)模的化學反應較之實驗室規(guī)模要復雜得多，在實驗室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)?？赡芷鹬鲗ё饔?。在工業(yè)反應器中既有化學反應過程，又有物理過程。物理過程與化學過程相互影響，相互滲透，有可能導致工業(yè)反應器內(nèi)的反應結(jié)果與實驗室規(guī)模大相徑庭。與實驗室規(guī)模反應不同：2023/10/5工業(yè)反應器中對反應結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過程是：(1)由物料的不均勻混合和停留時間不同引起的傳質(zhì)過程；(2)由化學反應的熱效應產(chǎn)生的傳熱過程；(3)多相催化反應中在催化劑微孔內(nèi)的擴散與傳熱過程。這些物理過程與化學反應過程同時發(fā)生。2023/10/5從本質(zhì)上說，物理過程不會改變化學反應過程的動力學規(guī)律，即反應動力學規(guī)律不因為物理過程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動、傳質(zhì)、傳熱過程會影響實際反應場所的溫度和參與反應的各組分濃度在空間上的分布，最終影響到反應的結(jié)果。2023/10/5化學反應工程化學反應的工程化，研究化學反應的工程問題RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工過程(Typicalchemicalpocess)預處理后處理核心2023/10/52023/10/5選用教材：《化學反應工程》，陳甘棠主編，化學工業(yè)出版社主要參考書：《化學反應工程》，朱炳辰主編，化學工業(yè)出版社

ChemicalReactionEngineering,byLevenspielO.ElementsofChemicalReactionEngineering

byScottFogler

動力學方程反應器類型熱量橫算方程動量橫算方程反應器體積操作條件化學反應工程均相反應非均相反應動力學方程物料衡算熱量衡算動量橫算2023/10/51926年出生于上海，波蘭裔美籍人，美國工程院院士，美國俄勒岡州立大學教授，華東理工大學名譽教授。畢業(yè)于華東理工大學前身之一的震旦大學化工系，后于美國俄勒岡州立大學獲碩士學位，1952年獲博士學位，留校任教25年。

曾發(fā)表100余篇學術論文和會議報告，其中兩篇已被列為“引文經(jīng)典之作”。他曾被授予美國化學工程師學會1977年W.K.Lewis獎、1979年R.H.Wilhelm獎、2019年創(chuàng)始人和社會賦予的最高榮譽金獎。2023/10/5長期從事化學反應工程領域的研究，是世界著名化學反應工程學科領域的專家學者，國際著名的化學反應工程鼻祖，有化學反應器之父的著稱。他著述的《化學反應工程》一書，被世界上十幾個國家翻譯出版，并作為本國大學化工類教材。2023/10/52023/10/5化學反應速率+反應器其核心內(nèi)容是：著重研究傳遞過程對化學反應速率的影響;化學反應速率與反應條件之間的關系，即化學反應動力學；研究不同類型反應器的特點及其與化學反應結(jié)果之間的關系;對反應過程進行工程分析；制定合理的技術方案和操作條件；進行反應器或反應系統(tǒng)的設計及優(yōu)化。2023/10/5課程目的：一用理論指導和解決反應過程開發(fā)中的放大問題；二實現(xiàn)反應過程的最優(yōu)化；四開發(fā)新的反應技術和新的反應設備；

三改進和加強現(xiàn)有的反應技術和設備；五不斷發(fā)展反應工程學的理論和方法。2023/10/5（1）氰乙醇法1931年，美國羅姆－哈斯公司開發(fā)成功氰乙醇水解制丙烯酸工藝，長時間是工業(yè)上唯一的生產(chǎn)方法。丙烯酸生產(chǎn)該技術反應過程中生成的聚合物多，丙烯酸收率低，僅為60～70％，且氰化物為劇毒，環(huán)境污染嚴重。采用該技術建成的生產(chǎn)裝置已于20世紀50年代全部關閉。2023/10/5（2）乙炔羰化法和丙烯腈水解法1939年,德國人W.J.雷佩發(fā)明了乙炔羰化法制丙烯酸，1954年在美國建立了工業(yè)裝置。與此同時還成功地開發(fā)了丙烯腈水解制丙烯酸工藝。由于反應進行緩慢，而且羰基鎳分解揮發(fā)損失嚴重，再加上乙炔的分解以及乙炔與丙烯酸（酯）的聚合等原因，不利于生產(chǎn)。丙烯腈水解法:工藝成熟，但由于污染問題和成本問題，在國外已淘汰。我國仍有幾家小廠采用此法生產(chǎn)丙烯酸。2023/10/5（3）烯酮法

烯酮法由于使用醋酸或丙酮為原料，且需要在較高溫度下進行裂解，原料價格較貴，生產(chǎn)費用較高，β-丙內(nèi)酯已被公認是一種致癌物，Celanses公司已于1974年停止使用采用此技術的裝置。

（4）丙烯氧化法自1969年美國聯(lián)合碳化物公司建成以丙烯氧化法制丙烯酸工業(yè)裝置后，各國相繼采用此法進行生產(chǎn)。近年來，丙烯氧化法在催化劑和工藝方面進行了許多改進，已成為生產(chǎn)丙烯酸的主要方法。

2023/10/5CH2=CHCOOH無色、具有腐蝕性和刺激性的液體。沸點140.9℃，與水互溶，聚合性很強。是近年來不飽和有機酸中產(chǎn)量增長最快的品種。工業(yè)上主要以丙烯為原料制得。用于樹脂制造、合成橡膠乳液制造等領域。在精細化工領域占有相當重要的地位。2023/10/5第一章緒論

1化學反應工程的范疇和任務

2化學反應過程分類3化學反應工程的研究方法

4發(fā)展趨勢2023/10/5第一階段：古代的化學生產(chǎn)（17世紀以前）

這一時期經(jīng)歷了實用化學、煉丹和煉金、醫(yī)藥化學和冶金化學等時期。早期化學知識來源于人類的生產(chǎn)和生活實踐。同時在人類對自然界萬物的本原構(gòu)成的探索中，誕生了古代樸素的元素觀。古代化學具有實用和經(jīng)驗的特點，尚未形成理論體系、是化學的萌芽時期；另一方面，尚未形成有規(guī)模的化學加工實踐。一、化學反應工程的范疇和任務1、化學工程發(fā)展史及化學反應工程學科的形成2023/10/5生產(chǎn)硫酸2023/10/5第二階段：近代化學工業(yè)從十八世紀末開始，以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程為開端，至20世紀初，出現(xiàn)了載入化工發(fā)展史冊的合成氨的工業(yè)生產(chǎn)。1、化學工程發(fā)展史及化學反應工程學科的形成FritzHaber(1868-1934)生產(chǎn)規(guī)模的擴大要求人們對生產(chǎn)過程的規(guī)律有更為透徹的了解，需要既懂工程又熟悉化學知識。促使工程與化學相結(jié)合2023/10/520世紀初，英國的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化學工程”的概念，發(fā)展成為以“單元操作”（unitoperations）為基本研究內(nèi)容的化學工程學。第一次綜合。第三階段：現(xiàn)代化學工業(yè)(二戰(zhàn)前后)，原料路線、技術和設備方面都有巨大的變化和進步，在以石油和天然氣為主要原料的化學工業(yè)中，各種催化反應被廣泛應用，這就要求在反應技術和反應器設計方面作出重大努力。尤其是在生產(chǎn)規(guī)模日益大型化的趨勢下，其影響就更大了，促使化學工程學科形成了第二次理論綜合：即，從動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的角度深入研究化工生產(chǎn)的物理變化過程，以及從“化學反應工程”的角度來研究化工生產(chǎn)的化學過程。從而使化學工程學科上升為一門具有完整理論體系的全面學科。三傳一反。1、化學工程發(fā)展史及化學反應工程學科的形成2023/10/5美國Bird等編寫了《傳遞現(xiàn)象》這部歷史性的著作TransportPhenomena

1、化學工程發(fā)展史及化學反應工程學科的形成2023/10/51、反應工程概念的提出2023/10/51、反應工程概念的提出萌芽階段：1937年，丹克萊爾在實驗數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下，較系統(tǒng)地論述了擴散、流體流動和傳熱對反應器產(chǎn)率的影響，為化學反應工程的創(chuàng)立奠定了基礎。（被認為是化學動力學發(fā)展到“工程技術”階段的標志。）奠定基礎。30年代，石油化學工業(yè)剛剛興起。提出了單元操作和單元過程等概念。

單元操作——

單元過程——一、化學反應工程的范疇和任務流體輸送，蒸餾，干燥等專管物理工序?；腔?，水解，加氫等專管化學反應工序。2023/10/5初步形成：1947年，出版了兩本書:

O.A.Hougan與K.M.Watson所著的ChemicalProcessPrinciples--《化學過程原理》的第三卷，專門講述動力學與催化過程,以及法蘭克--卡明涅斯基--《化學動力學中的擴散與傳熱》；40年代，第二次世界大戰(zhàn)，三個重要的過程開發(fā)研究工作：流化床催化裂化--汽油丁苯橡膠乳液聚合--（汽車）輪胎曼哈頓計劃--原子彈（氣體擴散提煉濃縮鈾U238）總結(jié)了化學反應與傳遞現(xiàn)象之間的相互關系。探討了反應器設計問題。為學科的形成起了一定的作用。2023/10/5五十年代，石油化工迅猛發(fā)展，反應器規(guī)模不斷擴大。對反應器的放大問題的研究，使人們認識到，任何一個化學反應在工業(yè)規(guī)模反應器中進行時不可避免地伴隨著"三傳"現(xiàn)象，必須將化學反應與"三傳"同時結(jié)合起來加以考慮和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如"返混"，"反應器穩(wěn)定性"，"微觀混合"，"伴有化學反應的傳質(zhì)"等。推動了學科的發(fā)展。1957年，在荷蘭首都（阿姆斯特丹）舉行了第一次歐洲化學反應工程會議。荷蘭vanKrevelen作首篇綜合性報告：Micro-andMacro-Kinetics，提出化學反應工程的概念，意在系統(tǒng)深入地研究伴有物理過程即傳遞現(xiàn)象的化學反應過程。正式提出了"化學反應工程學"的概念。2023/10/5成熟階段：60年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)的日趨大型化和單機化，及原料加工的不斷發(fā)展使其進入黃金時代并日趨成熟。1960年，召開了第二次歐洲化學反應工程會議。從那以后，每四年舉行一次。1970年，在美國首都(華盛頓)召開了第一次國際化學反應工程討論會，以后每兩年舉行一次。70年代中期，《反應工程》向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了關于g-l、g-l-s反應器、生化反應工程等方面的專著。1979年，我國派代表參加了國際化學反應工程會議（以張有衡為團長）。2023/10/5新的契機：80年代后，隨著高技術的發(fā)展和應用，如微電子器件的加工、光導纖維生產(chǎn)、新材料以及生物技術等，向化學反應工程工作者提出了新的研究課題，使化學反應工程形成新的分支，如生化反應工程、聚合反應工程等，擴大了化學反應工程的研究領域，從而使化學反應工程的研究進入了一個新的階段。1981年，化學反應工程正式進入我國化工高等教育。2023/10/51935年8月我國化工的先驅(qū)吳蘊初先生建成上海天利氮氣廠生產(chǎn)出液氨，吳先生還創(chuàng)辦了天廚味精廠(1923)，天原電化廠(1929)和天盛陶器廠(1934)，以及范旭東在天津創(chuàng)辦的永利堿廠，這些化工原料的生產(chǎn)推動了我國化學工業(yè)的發(fā)展.合成氨工業(yè)的巨大成功推動了化學工業(yè)迅速發(fā)展,也帶動了一系列化學工程基礎理論工作,如化工熱力學、化學工藝學、工業(yè)催化等。氨合成催化劑的研究與改進已經(jīng)嘗試10萬多個配方,至今仍是催化界研究的方向。我國化學工程與技術學科的發(fā)展中里程碑2023/10/52、化學工程的主要研究內(nèi)容化學方法加工原料的預處理進行化學反應反應產(chǎn)物分離與提純反應工程（本征）單元操作（三傳）單元操作（三傳）2023/10/5化學反應工程化學反應的工程化，研究化學反應的工程問題RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工過程(Typicalchemicalpocess)預處理后處理核心2023/10/5A→BA動量傳遞過程－流動因素2023/10/5A→BA熱量傳遞過程－傳熱因素2023/10/5質(zhì)量傳遞過程－傳質(zhì)因素2023/10/5R邊緣反應物濃度高中央反應物濃度低此處反應較快質(zhì)量傳遞過程－傳質(zhì)因素動力學方程反應器類型熱量橫算方程動量橫算方程反應器體積操作條件化學反應工程均相反應非均相反應動力學方程物料衡算熱量衡算動量橫算2023/10/52023/10/5工業(yè)反應的特點物性龐雜

多相（氣,液,固,超臨界,等離子,納米膠體） 溫度,壓力,粘度,重度,表面張力…變化幅度大非線性耦合

物理,化學,生物學之間預測精度高生產(chǎn)規(guī)模大

250萬T/年－1000萬T/年催化裂化（ф10m,H=70m) 30萬T/年－100萬T/年乙烯裂解

30萬T/年合成氨－52萬T/年尿素

100m3

－300m3

聚合釜,120m長循環(huán)管聚丙稀3、化學反應工程的范疇和任務2023/10/5高低并列的提升管FCC裝置2023/10/5南充煉廠FCC裝置2023/10/5GrassrootsFCCunitunderconstructioninMexicoColdflowmodelofKelloggdensephasecatalystcooler2023/10/52023/10/52023/10/580萬噸/年加氫裂化裝置2023/10/52023/10/52023/10/52023/10/545萬噸/年乙烯裂解球罐2023/10/5化學工藝反應器中流體流動、混合傳熱和傳質(zhì)化學催化劑優(yōu)化工程控制反應過程分析工藝路線流程與設備化學熱力學與反應動力學反應過程動態(tài)特性與反應系統(tǒng)測量和控制傳遞工程3、化學反應工程的范疇和任務2023/10/5化學熱力學——確定物系的各種物性常數(shù)，討論反應進行的如：計算反應的平衡常數(shù)和平衡轉(zhuǎn)化率反應動力學——闡明化學反應速率與各種物理因素（溫度、濃度、壓力和催化劑等）之間的關系

影響反應速率的內(nèi)因

——決定能否實際應用的關鍵所在，e.g.方向和限度，平衡問題2023/10/5常壓、低溫合成氨反應速率太慢而實際不可行加入催化劑可以使其在適當?shù)臏囟葔毫ο乱燥@著速率進行反應甲烷裂解制乙炔

1500℃乙炔極不穩(wěn)定，似乎只能得到碳、氫在極短時間內(nèi)（0.001s）反應并淬冷到低溫就可以得到乙炔——動力學問題所以，實際上起決定作用的往往是動力學因素2023/10/5反應器中流體流動、混合傳熱與傳質(zhì)——影響反應速率的外因如：非均相反應、氣固反應、催化劑表面的擴散與吸附等——“放大效應“產(chǎn)生的直接原因設備型式、操作方式和流程——如：反應器的種類（管式、釜式、流化床、固定床等）、操作方式（連續(xù)、分批）——考慮經(jīng)濟上的合理性2023/10/5傳遞工程——主要指“三傳”，流體流動與物料混合情況，溫度、濃度分步等都直接影響反應進程。工程控制——本課程不具體涉及。催化劑——一般屬于化學或工藝范疇。2023/10/5反應過程動態(tài)特性與反應系統(tǒng)測量和控制——工業(yè)生產(chǎn)的必須條件，人為不能達到例如：對于一放熱反應進料溫度高反應速率快放熱不及時溫度升高反應加快溫度過高——自動控溫裝置爆炸2023/10/54、

反應工程的任務目標：單位設備容積凈度大；目的產(chǎn)物單一性大；安全,穩(wěn)定核心——復雜系統(tǒng)的工程放大改進和強化現(xiàn)有反應技術和設備，挖掘潛力、降低消耗、提高效能。開發(fā)新技術和設備。

指導和解決反應過程開發(fā)中的放大問題。實現(xiàn)反應過程的最優(yōu)化。不斷發(fā)展反應工程學的理論和方法。2023/10/5反應機理單一、多重（平行，連串，平行連串）反應可逆性可逆、不可逆反應分子數(shù)單分子、雙分子、三分子反應級數(shù)一級、二級、三級、零級、分數(shù)反應熱效應吸熱、放熱二、化學反應工程內(nèi)容的分類和編排按化學反應的特性分類2023/10/5按反應物相態(tài)分類2023/10/5按反應過程條件分類按傳熱條件分類，分為1．等溫反應器，整個反應器維持恒溫，這對傳熱要求很高。2．絕熱反應器，反應器與外界沒有熱量交換，全部反應熱效應使物料升溫或降溫。3．非等溫、非絕熱反應器，與外界有熱量交換，但不等溫。壓力常壓、加壓、減壓按反應器型式來分類，分為1．管式反應器，一般長徑比大于302．槽式反應器，一般高徑比為1—33．塔式反應器，一般高徑比在3—30之間2023/10/5二、化學反應工程內(nèi)容的分類和編排按操作方式分類間歇操作連續(xù)操作半連續(xù)操作按反應器除熱方式分類絕熱式2023/10/52.1.1間歇操作（分批操作）--間歇反應器（BR）

反應原料一次性加入到反應器后開始反應，經(jīng)一段時間后將反應混合物全部取出的操作方式，多在釜式反應器中進行。2023/10/5

特點：1）是一個非定態(tài)反應過程。反應器內(nèi)物料組成隨時間而變。

2）沒有物料流入，也沒有物料流出，因此不存在物料流動。

3）整個反應過程都是在恒容下進行的。

4）反應器幾乎都是釜式反應器。

5）適用于品種多、批量小的產(chǎn)品。如醫(yī)藥工業(yè)。2023/10/5原料連續(xù)地流入反應器，反應產(chǎn)物也連續(xù)地從反應器中流出。（連續(xù)進，連續(xù)出）所有反應器均可采用連續(xù)操作。管式反應器都采用連續(xù)操作。2.1.2連續(xù)操作——連續(xù)反應器（流動反應器）2023/10/5

特點：

1）多屬于定（常）態(tài)操作。反應器內(nèi)物料濃度及溫度都不隨時間變化,但隨位置而變。

2）連續(xù)反應器適用于大規(guī)模生產(chǎn)。它產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動生產(chǎn)率高，易實現(xiàn)自動化管理生產(chǎn)。但要改變產(chǎn)品品種十分困難。

對乙烯、尿素等產(chǎn)量大的反應過程，工業(yè)上一般多采用連續(xù)操作。這是由于連續(xù)操作的反應器內(nèi)各點溫度和濃度不隨時間變化，容易實現(xiàn)自動化控制且得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。而且，連續(xù)操作中無需進行人工加入原料和取出產(chǎn)品作業(yè)，可節(jié)省人工費用。2023/10/5

介于間歇和連續(xù)之間的一種操作。原料與產(chǎn)物只要其中有一種為連續(xù)流入或流出，而其余則為分批加入或卸出，這樣的操作方式——半連續(xù)操作。管式釜式均可。2.1.3半連續(xù)(半間歇)操作

2023/10/5對精細化學品和藥物的生產(chǎn)，由于產(chǎn)品的產(chǎn)量小、品種多，一般采用間歇或半連續(xù)操作。另外，對于發(fā)酵等微生物參與的生物化工過程，因無菌操作在連續(xù)操作時很難實現(xiàn)，一般采用間歇或半連續(xù)操作2023/10/5自熱式冷激式T℃

相變式T℃

間壁換熱式2023/10/5重油的催化裂化流化床反應器2023/10/5攪拌釜式反應器2023/10/5鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應器2023/10/5乙苯加氫氣液塔式反應器2023/10/5輕油裂解制乙烯管式非催化反應器2023/10/52.2工業(yè)反應器的種類現(xiàn)代大型化工廠的外貌特征：廠房毗連，設備龐大，高塔林立，管道縱橫。設備和管道交錯復雜。其中，化學反應器是化工廠的核心設備。用來實現(xiàn)化學變化的設備－－反應器按反應物料的相態(tài)進行分類，可有均相反應器和非均相反應器兩大類。按反應物料流型進行分類，可大約將反應器分為平推流，全混流，非理想流動反應器三大類。常見的有：塔式、管式、釜式等表1-1例舉了一般反應器的型式與特性2023/10/5上節(jié)回顧研究內(nèi)容分類按反應器型式來分類，分為按操作方式分類按傳熱條件分類，分為等溫、絕熱、非等溫、非絕熱反應器按反應物料流型進行分類，可大約將反應器分為1．管式反應器，一般長徑比大于302．槽式反應器，一般高徑比為1—33．塔式反應器，一般高徑比在3—30之間間歇操作、連續(xù)操作、半連續(xù)操作平推流，全混流，非理想流動反應器三大類。2023/10/5操作方式間歇，連續(xù)，半連續(xù)反應原料一次性加入到反應器后開始反應，經(jīng)一段時間后將反應混合物全部取出的操作方式，多在釜式反應器中進行。反應原料從反應器的入口處連續(xù)供給，在出口處連續(xù)取出產(chǎn)品的操作方式。管式反應器都采用連續(xù)操作。介于間歇和連續(xù)之間的一種操作。如將反應原料之一的組分先加進反應器，然后將另一組分連續(xù)或按一定時間或位置間隔加入反應器。對先加進的反應組分而言是間歇操作，但對后一組分而言就是連續(xù)操作，因而稱半連續(xù)操作。管式釜式均可。2023/10/52.3工業(yè)化學反應器的分類

2023/10/5特征：長度>>管徑。內(nèi)部是空的，不設置任何構(gòu)件。

多用于均相反應。如裂解爐。2.3.1管式反應器

2023/10/5用來實現(xiàn)化學變化的設備過程工業(yè)中的核心裝置，其性能對生產(chǎn)過程的影響舉足輕重。裂解爐攪拌釜式反應器多釜串聯(lián)反應器氣液相塔式反應器固定床反應器流化床反應器氣液固三相反應器2.3.2

釜式反應器

2023/10/5又稱反應釜，攪拌反應器

特征:

反應器高度與直徑相當或稍高。釜內(nèi)設有攪拌裝置和擋板。常帶夾套或釜內(nèi)放置蛇管，傳熱以維持釜內(nèi)所需溫度。適用于液相均相反應、氣液反應、液液反應、液固反應、氣液固三相反應。2.3.2釜式反應器

2023/10/52.3.2釜式反應器2023/10/5各種攪拌槳的形式

2.3.2釜式反應器2023/10/5攪拌釜的各種換熱形式2.3.2釜式反應器2023/10/5釜式反應器2023/10/5特征：反應器高度為直徑的數(shù)倍以至十幾倍。

內(nèi)部常設置能增加兩相接觸的構(gòu)件，如填料，篩板等。

適用于兩種流體相反應的過程。如氣液反應、液液反應。2.3.3塔式反應器

2023/10/5無論哪一種塔式反應器，兩種流體可以成逆流，也可以并流操作

2.3.3

塔式反應器

2023/10/5環(huán)流反應器2.3.3塔式反應器

2023/10/5特征：反應器內(nèi)填充有固定不動的固體顆粒。

可以是催化劑，也可以是固體反應物。

適用于氣固催化反應，固相加工反應，應用非常廣泛。根據(jù)換熱方式不同,可分為三種型式：

(1)換熱式固定床反應器

結(jié)構(gòu)型式類似于列管式換熱器。

管內(nèi)裝填催化劑，反應物料自上而下通過床層；管間為載熱體，與管內(nèi)物料進行換熱，以維持所需的溫度條件。列管式固定床反應器2.3.4

固定床反應器

2023/10/5

(2)絕熱式固定床反應器

床層與外界沒有熱量交換。

結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，但適用熱效應不大或催化劑對溫度要求不高的反應。重要過程：丙烯氧化制丙烯酸乙炔HCl制氯乙烯乙烯環(huán)氧化制環(huán)氧乙烷烴類加氫乙苯脫氫制苯乙烯煤氣化…絕熱式固定床反應器2.3.4

固定床反應器

2023/10/52.3.4固定床反應器(3)自熱式固定床反應器

以冷的原料作為載熱體，使冷原料本身預熱到反應所需的溫度，然后進入床層進行反應。使用前提：放熱反應，熱量大致平衡。自熱式固定床反應器

2023/10/5特征：反應器內(nèi)固體粒子可以象流體一樣被流化起來。適用于氣固，液固，氣液固反應。如：催化劑快速失活需立即再生的：催化裂化裝置強放熱反應：丙烯氨氧化，萘氧化，丁烯氧化脫氫固相加工反應：黃鐵礦，閃鋅礦的焙燒，石灰石的煅燒等2.3.5流化床反應器

2023/10/5流化床反應器2023/10/52023/10/5特征：固體顆粒自反應器頂部連續(xù)加入，自上而下移動，由底部卸出。

反應流體與顆粒成逆流接觸。

適用：催化劑需要連續(xù)再生的催化反應、固相加工反應。

2.3.6移動床反應器2023/10/5特征：反應器內(nèi)催化劑也是固定不動的。廣義上的固定床反應器。

適用：液固及氣液固三相反應。如石油餾份加氫精制、脫硫等。

優(yōu)點：液體不需要加熱變成氣體，節(jié)省能源。

2.3.7滴流床反應器2023/10/5+簡單+傳質(zhì)好(射流入口)+低剪切(氣升式)+短擴散距離低催化劑空速高返混-中等傳熱能力2.3.8鼓泡塔反應器2023/10/52023/10/5環(huán)管反應器2023/10/5三、反應工程的研究方法（一）反應器的放大分類：經(jīng)驗放大，相似放大，模型放大，半經(jīng)驗放大方法3.1.1經(jīng)驗放大：按照規(guī)模逐級放大，對于放大倍數(shù)較大的過程，中試需多次試驗。優(yōu)點：設計參數(shù)安全可靠，放大成功率高。缺點：費時、耗資、耗材結(jié)果：浪費大量資源且延遲技術的實現(xiàn)。2023/10/5

如果放大倍數(shù)很大，又無把握時，往往還要進行多次規(guī)模不同的中試。因此逐級經(jīng)驗放大既費事又費錢。

放大的主要依據(jù)是實驗，是每種規(guī)模的宏觀實驗結(jié)果，是經(jīng)驗性的，難以做到高倍數(shù)放大。

3.1.1經(jīng)驗放大法

案例1：用異丙苯為原料生產(chǎn)苯酚和丙酮。采用逐級經(jīng)驗放大法對過氧化氫異丙苯分解反應器進行放大。第一步反應：異丙苯氧化生成過氧化氫異丙苯。

第二步反應：過氧化氫異丙苯用硫酸作催化劑在液相中分解生成苯酚和丙酮。

苯酚和丙酮的收率取決于第二步反應，分解反應為一級不可逆反應。

2023/10/52023/10/5（1）反應器選型

液相反應：釜式反應器和管式反應器均可使用實驗結(jié)果：管式轉(zhuǎn)化率：98.8%釜式轉(zhuǎn)化率：97.8%，同時考慮間歇操作攪拌釜：輔助時間降低反應器容積效率。選用PFR反應器2023/10/5（2）工藝條件優(yōu)化

反應器：直徑為40mm，長為1202mm，體積為1.51L實驗：考察反應物濃度、反應溫度、催化劑濃度、流量對反應實驗結(jié)果的影響。結(jié)果：過氧化氫異丙苯分解速率隨反應物濃度、反應溫度、催結(jié)果化劑濃度的提高而加快；但為保證一定的轉(zhuǎn)化率，流量不能太大。結(jié)論：反應物濃度：3.2kmol·m-3

反應溫度：359K硫酸濃度：6N反應物料流量：0.1m3·h-1

過氧化氫異丙苯的轉(zhuǎn)化率為98.8%。

2023/10/5（3）反應器放大

直徑為40mm，長1712mm，體積為2.15L的反應器，轉(zhuǎn)化率為99.8%。（反應器體積增加30%，反應轉(zhuǎn)化率今提高1%）按比例放大至10L，流量為0.464m3·h-1，轉(zhuǎn)化率為99.8%。

結(jié)論：片面追求轉(zhuǎn)化率并不妥當，反應器放大設計以轉(zhuǎn)化率達到98.8%的要求計算。

2023/10/5（4）反應器設計

生產(chǎn)要求每小時處理過氧化氫異丙苯濃度為3.2kmol·m-3的反應物料3m3，確定反應器體積。試驗考察未發(fā)現(xiàn)放大效應，采用經(jīng)驗放大時，保持反應器幾何相似，用外推法按比例放大。方案一：反應轉(zhuǎn)化率98.8%，以1.5L模型為基準，反應器體積為45.3L。方案二：反應轉(zhuǎn)化率99.8%，以2.15L模型為基準，反應器體積為64.5L。

2023/10/52023/10/53.1.2相似放大：在化學工程學科中處理物理過程的單元操作時普遍采用?；谀撤N相似狀態(tài)（幾何形狀、流動狀態(tài)、傳遞特性等）進行放大的方法。因為這些狀態(tài)常用準數(shù)描述，又稱準數(shù)放大。但是對于化學反應器而言，反應的化學相似和反應器的幾何相似及時間相似不能同時滿足所以只適合物理過程的單元設備放大，不適用反應器的放大2023/10/53.1.3模型放大用數(shù)學方法來描述工業(yè)反應器中各參數(shù)之間的關系的方法，是60年代發(fā)展起來的一種比較理想的反應器放大方法。認識化學反應的過程本質(zhì)的基礎上，先建立物理模型，再建立數(shù)學模型，最后以數(shù)學模型為基礎進行反應器的設計計算。理論上可以無限級放大。模型放大的成敗在于所建立的模型能否正確的反應反應過程的規(guī)律?；瘜W反應工程的主要研究內(nèi)容物理模型和數(shù)學模型的建立2023/10/5

步驟：

1)實驗室規(guī)模實驗：新產(chǎn)品的合成、新型cat.的開發(fā)、反應動力學。側(cè)重過程的化學反應，屬于基礎性工作。

2)小型試驗：仍屬于實驗室規(guī)模，但比上一步大，且反應器結(jié)構(gòu)大體上與將來工業(yè)裝置相接近。如采用列管式固定床反應器時，可采用單管試驗。

目的：考察物理過程對化學反應的影響，工業(yè)原料的影響等等。（a）數(shù)學模型方法2023/10/5

3)大型冷模試驗：用空氣，水，砂（廢催化劑）代替反應原料中的（g-l-s三相）；用玻璃，有機玻璃等代替鋼材。

目的：考察傳遞過程規(guī)律。

因為化學反應過程總是受到傳遞過程的影響，而傳遞過程的影響總是隨著設備規(guī)模的改變而改變。

4)中試：不但規(guī)模增大，且在流程與設備形式上都與生產(chǎn)車間十分接近。

目的：(1)對數(shù)學模型進行檢驗與修正。為設計大廠提供有用的信息。(2)對催化劑的壽命，活性，設備的腐蝕情況等進行考察。（因為這些項目的考察往往要經(jīng)歷很長的時間。）

5)計算機模擬計算試驗：這一步貫穿在上述四步之中。對各步的試驗結(jié)果進行綜合與尋優(yōu)，檢驗和修正數(shù)學模型，預測下一階段的反應器性能，最終建立能預測大型反應器工況的數(shù)學模型，完成大型反應器的設計。（a）數(shù)學模型方法2023/10/5數(shù)學模型法應用實例：

對于某些具體反應也許不需要經(jīng)過那么多個實驗階段。如美國Goodrich公司，用丙烯二聚生產(chǎn)異戊二烯，沒有經(jīng)過中試，直接由小試結(jié)果放大而成，放大倍數(shù)高達17000倍。產(chǎn)品性能、質(zhì)量與小試結(jié)果相似。

德國魯奇(Lurge)公司用低壓法合成甲醇，4000t/a，開車兩天后就達到了正常運轉(zhuǎn)，從小試到中試到建立最終的工業(yè)規(guī)模裝置生產(chǎn)，只用了三年時間，而一般經(jīng)驗放大法需十年或更長時間。

（a）數(shù)學模型方法2023/10/5`（b）數(shù)學模型的建立用數(shù)學方式來模擬工業(yè)反應過程，由于實際情況往往非常復雜，一方面由于對某些過程還不能全部的觀測和了解，另一方面由于數(shù)學知識和計算手段的限制，用數(shù)學模型來完整地、定量地反映失誤的全貌還不能實現(xiàn)，因此對反應過程進行歸納和簡化是十分必要的?；A：數(shù)學模型分析，抽象，簡化物理模型，數(shù)學模型實驗，數(shù)據(jù)處理模型參數(shù)

充分認識客觀對象的基礎上抽象和提取其主要特征在物理模型的基礎上建立的各特征量之間的數(shù)學關系抽象簡化的要求：（1）不失真（3）適應現(xiàn)有的實驗條件（2）滿足應用要求（4）適應現(xiàn)有的計算能力2023/10/5明確任務計算機建立數(shù)學模型實際應用解算數(shù)學模型檢驗數(shù)學模型計算機數(shù)學模擬放大示意圖2023/10/5（b）數(shù)學模型的建立建立數(shù)學模型參數(shù)計算式動力學方程式物料、熱量、動量衡算式求解數(shù)學模型的計算方法計算機軟件的實現(xiàn)及計算結(jié)果2023/10/5反應動力學方程：反應器模型的核心，確定反應器結(jié)構(gòu)的參數(shù)和操作條件的基礎，也是分析反應器操作性能的依據(jù)。對于工業(yè)反應器的設計和分析而言，重要的不僅是本征動力學關系，更應該掌握能反映傳遞因素對反應速率影響的宏觀動力學關系。2023/10/5物料衡算方程：質(zhì)量守恒定律基礎上描述反應系統(tǒng)中物料關系的數(shù)學方程。與其它化工單元不同，反應器的物料衡算關系應該反映參與反應的各組分的物料量的變化，即增加了反應量一項。通式：A=I-O-R2023/10/5熱量衡算方程式：在質(zhì)量與能量守恒基礎上描述反應系統(tǒng)中熱量轉(zhuǎn)移關系的數(shù)學方程。通式和物料衡算方程式一樣。2023/10/5動量衡算方程：反映系統(tǒng)中的動量變化。對大多反應器而言，由于反應前后壓力差較小，一般忽略不計，因而不列動量衡算式。2023/10/5參數(shù)計算式：設計反應器需要大量的物性參數(shù)和傳遞參數(shù)，這些參數(shù)往往是溫度或物料的函數(shù)。計算時，特別是進行計算機輔助計算時，應能夠提供相應的參數(shù)關聯(lián)式。有時需要在文獻上查取有時需要進行必要的實驗測定來建立相應的函數(shù)關系2023/10/5基礎試驗測定擬定過程模型用計算機做方案研究制定模型測試方法及參數(shù)范圍小試中試比較測試結(jié)果與模型計算結(jié)果模型的放大試驗修正基礎模型用計算機做多方案及優(yōu)化設計計算過程的基本設計數(shù)學模擬放大示意圖2023/10/5逐級經(jīng)驗放大法+數(shù)學模型方法3.1.4半經(jīng)驗放大方法2023/10/52、試驗的方法設備傳遞過程模型的測定如：大型冷模測定無法計算的參數(shù)的測定如：熱力學、動力學、催化劑等的參數(shù)數(shù)學模擬的檢驗測定即：數(shù)學模擬結(jié)果用實驗測定可否應用本科生教材并未涉及分布等部件的設計和工程問題2023/10/5思考案例2：用數(shù)學模型法開發(fā)與案例1相同的由過氧化氫異丙苯分解生成苯酚和丙酮的反應過程，當硫酸濃度為6N，在359K等溫條件下每小時分解濃度為3.2kmol·m-3的過氧化氫異丙苯溶液3m3，要求轉(zhuǎn)化率達到99.8%，計算反應器體積。（等溫、恒容均液相催化分解反應、不可逆一級反應）

2023/10/5（1）化學反應特征：

等溫、恒容均液相催化分解反應不可逆一級反應：

?rA=kCA=kCA0(1?xA)

k=0.08s?1（2）傳遞過程特征

根據(jù)等溫、恒容均液相反應過程特征，選用長徑比較大（l/d=30~40）的連續(xù)流動管式反應器。物料的黏度較小，通過反應器的流量較大平推流。（3m3·h-1），物料在反應器內(nèi)流動為平推流

（3）數(shù)學模型

采用平推流反應器的計算公式

V=v01lnk1?xA

2023/10/5（4）計算

轉(zhuǎn)化率為98.8%時，

V=31ln=0.0461m33600×0.081?0.988

轉(zhuǎn)化率為99.8%時，

V=31ln=0.0647m33600×0.081?0.998

2023/10/5四、反應工程的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢對本學科的深入研究解決傳統(tǒng)研究領域的問題也有助于形成一些新興的課題推動其他相關學科的發(fā)展研究方法的不斷完善近年來，國內(nèi)外學術界倡導物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的時空多尺度效應。

納尺度即分子化學鍵震動的納秒尺度及納米尺度；

微尺度即流體力學和傳遞中的滴、粒、泡、漩渦運動的微尺度。

介尺度即反應器、換熱器、分離器、泵等反應和單元操作的裝置。

宏尺度即生產(chǎn)單元和工廠。

宇尺度即環(huán)境、大氣、海洋、土壤。以管式催化反應器中氣固相催化反應為例反應物與催化劑載體上所負載的活性組分間的分子反應屬于納秒及納米尺度；反應組分在催化劑顆?？椎纼?nèi)的擴散屬于微尺度；反應組分連續(xù)流過長達數(shù)米的反應管的停留時間一般為10-103s,屬于介尺度；反應器及有關原料和產(chǎn)物分離的裝備組合成的生產(chǎn)單元和工廠屬于宏尺度；而生產(chǎn)過程的污染經(jīng)歷長時間才能消除屬于宇尺度。2023/10/52023/10/5與新興領域的互相滲透在解決石油加工中多組分反應物系處理方法時，發(fā)展了集總動力學處理方法，這一方法反過來又可用于處理生物反應過程。在向材料工業(yè)滲透過程中，出現(xiàn)了將化學反應工程原理用于聚合過程的聚合反應工程，對于高粘物系傳遞特性的研究則有了實際應用的課題。隨著生物技術的進展,出現(xiàn)了生物化學工程,以解決生物反應器和生物制劑分離等問題，如超過濾技術等。2023/10/5反應工程用于產(chǎn)品分離用于凈化原料用于能源過程生態(tài)工業(yè)組合2023/10/5反應工程用于產(chǎn)品分離a

：,,,分離60-1000c

1000c

陽離子樹脂(MTBE)

(叔丁醇)2023/10/5b

：高純硅生產(chǎn)2023/10/5反應用于凈化原料（微量）加氫氧化銀催化劑2023/10/5生態(tài)工業(yè)組合磷肥生產(chǎn)磷石膏分解硫酸生產(chǎn)CaO2023/10/5低能耗制H2

H2700-7500c500-6000c550-6500c1234200-3000c+2023/10/5在距熱電廠300米外安排一個印染廠。印染廠染色最需要的是熱汽，且熱汽溫度比較高而通過管道輸送會降低溫度，所以與熱電廠的距離不能太遠。另外，印染廠在染色的過程中會產(chǎn)生大量含堿的廢水，而熱電廠在燃燒煤的過程中會產(chǎn)生大量含二氧化硫的廢煙，這種廢水、廢煙都是有害體，不經(jīng)過處理會嚴重污染環(huán)境。通過在兩個廠之間安裝管道，廢水與廢煙同時都流向這個共用管道，使其產(chǎn)生化學中和反應，廢煙經(jīng)過反應除去了二氧化硫成為無害白色汽體，同時廢水中的堿性也降低了許多。在夏季用電高峰，許多企業(yè)因停電而停產(chǎn)，但該廠不僅滿足了企業(yè)的工業(yè)用電，而且滿足了職工的生活用電。由于對電能源合理組合及合理利用熱汽能源，該熱電廠每天給全集團供熱汽1200噸左右，印染廠用熱汽染色，服裝廠用熱汽熨燙，集團內(nèi)所有的服裝企業(yè)、橡膠企業(yè)都充分利用熱汽，連集團內(nèi)的餐廳、浴室等基礎設施也充分利用熱汽。2023/10/5學科的縱深方向為了深入掌握過程的規(guī)律，對化學工程中經(jīng)常遇到的多相物系、高粘度流體和非牛頓型流體的傳遞規(guī)律進行深入系統(tǒng)研究。這些研究不但有利于解決傳統(tǒng)研究領域的問題，也有助于了解諸如人體內(nèi)血液流動等新興課題。對反應過程中多重定常穩(wěn)定態(tài)問題的研究，既是反應器設計和操作的需要，也是從另一側(cè)面對非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性問題研究所作的貢獻。為了使大型裝置的設計更為迅速可靠，研究了各種物系物性參數(shù)、熱力學參數(shù)與熱化學參數(shù)以及相平衡與化學平衡數(shù)據(jù)，推動了化工熱力學研究進一步與實際的結(jié)合。在研究方法方面，數(shù)學模型方法不斷完善，與之相配合的是，以統(tǒng)計理論和信息論為基礎的實驗設計、數(shù)據(jù)處理、模型的篩選和鑒別以及模型參數(shù)估計等方法。為了進行過程的模擬及多方案計算，發(fā)展了多種計算機模擬系統(tǒng)，建立了模型庫和數(shù)據(jù)庫，并從定態(tài)模擬發(fā)展到為過程控制所需要的動態(tài)模擬。2023/10/5向新領域的滲透這是客觀需要，也是學科發(fā)展的動力。在歷史上，化學工程就在各種新過程的開發(fā)和優(yōu)化，在無機化工和石油化工等裝置大型化的推動下得到發(fā)展，如大型徑向固定床反應器和催化裂化用流化床反應器的開發(fā)技術。在解決石油加工中多組分反應物系處理方法時，發(fā)展了集總動力學處理方法，這一方法反過來又可用于處理生物反應過程。在向材料工業(yè)滲透過程中，出現(xiàn)了將化學反應工程原理用于聚合過程的聚合反應工程，對于高粘物系傳遞特性的研究則有了實際應用的課題。隨著生物技術的進展,出現(xiàn)了生物化學工程,以解決生物反應器和生物制劑分離等問題，如超過濾技術等。能源短缺的情況，使人們重視低溫熱源的利用，出現(xiàn)了新型換熱器。為了保護環(huán)境，也為了開發(fā)海洋資源，要求研究低濃度混合物的分離技術，于是出現(xiàn)了新的分離技術，如膜分離、