1、1化學反應工程化學反應工程(Chemical reaction engineering, CRE)授課教師：陳衛豐授課教師：陳衛豐辦公室：辦公室：M-1509電話：電話：186717046392上課及作業要求上課及作業要求n考勤要求：上課之前點名，缺勤一次扣五分，遲到考勤要求：上課之前點名，缺勤一次扣五分，遲到、早退扣、早退扣2分，作業不交扣分，作業不交扣5分，遲交扣分，遲交扣2分；缺勤分；缺勤5次不能參加考試；次不能參加考試；n上課要求：不吃東西，禁止玩手機，不說話以免影上課要求：不吃東西，禁止玩手機，不說話以免影響他人聽課響他人聽課；n作業要求：獨立完成作業，不懂的問題可以討論，作業要求：

2、獨立完成作業，不懂的問題可以討論，可以參考，但嚴禁抄襲可以參考，但嚴禁抄襲；3本課程的考核方式本課程的考核方式n考試方式：閉卷筆試考試方式：閉卷筆試n成績：成績： 平時成績（考勤，作業）平時成績（考勤，作業） 40% 期末考試期末考試 60% 4上課教材：上課教材：化學反應工程郭鍇主編，化學工業出版社參考教材：參考教材：化學反應工程劉軍主編，化學工業出版社5（1 1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反應器分析和設計）牢固掌握基本概念、基本原理以及反應器分析和設計所用的基本關系式；所用的基本關系式；（2 2）較深入地了解各種類型反應器的特點、性能和適用范）較深入地了解各種類型反應器的特點、性能和適

3、用范圍，掌握固定床催化反應器等幾種重要反應器的化工設計計圍，掌握固定床催化反應器等幾種重要反應器的化工設計計算方法；算方法；（3 3）掌握工業反應器設計的一般方法和程序；）掌握工業反應器設計的一般方法和程序；（4 4）較深刻地理解數學模型和模擬方法的基本原理和實質；）較深刻地理解數學模型和模擬方法的基本原理和實質；（5 5）具備一定的工程應用能力。）具備一定的工程應用能力。 學習要求學習要求6n1.1 化學反應工程的發展、任務和范疇化學反應工程的發展、任務和范疇n1.2 研究內容及分類研究內容及分類n1.3 研究方法研究方法第一章第一章 緒論緒論7 化學反應工程是研究化學反應過程在工化學反應工

4、程是研究化學反應過程在工業實施過程中需解決的問題。業實施過程中需解決的問題。 即生產多少產品，需要多少時間？需要即生產多少產品，需要多少時間？需要多大空間（即反應器體積）？如何使反應過多大空間（即反應器體積）？如何使反應過程實現優質、高產、低消耗。程實現優質、高產、低消耗。8化學反應工程化學反應工程化學工程學科的一個化學工程學科的一個分支，分支，以工業反應過程為主要研究對象，以工業反應過程為主要研究對象，以反應技術的開發、反應過程的優化和以反應技術的開發、反應過程的優化和反應器設計為主要目的的一門新興工程反應器設計為主要目的的一門新興工程學科。學科。研究對象研究對象工業反應過程，研究過程工業反

5、應過程，研究過程速率及其變化規律、傳遞規律及其對化速率及其變化規律、傳遞規律及其對化學反應的影響。學反應的影響。 n1.1 化學反應工程的發展、任務和范疇化學反應工程的發展、任務和范疇化工熱力學化工熱力學反應動力學反應動力學傳遞過程理論傳遞過程理論化工單元操作化工單元操作9化工熱力學化工熱力學 主要研究化工過程中各種形式的能量之間相互轉化的規律及過程趨近平衡的極限條件。反應動力學反應動力學 研究化學反應速率以及各種因素對化學反應速率影響的學科。傳遞過程傳遞過程 流體中三種傳遞過程的總稱?；卧僮骰卧僮?構成多種化工產品生產的物理過程都可歸納為有限的幾種基本過程，如換熱（加熱和冷卻）、

6、蒸餾、吸收、蒸發、萃取、結晶、干燥等。這些基本過程稱為單元操作。10 化學工程的學科分支也可以分兩個層次：化學工程的學科分支也可以分兩個層次：單元操作單元操作和和反應工程反應工程較多地直接面向工業實際，較多地直接面向工業實際，傳遞傳遞過程和化工熱力學過程和化工熱力學較多地從基礎研究角度，支持前兩較多地從基礎研究角度，支持前兩個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結合。個分支。通過這兩個層次使理論和實際得以密切結合。11n 原因：原因：n 隨著裝置的放大，物料的流動、傳熱、傳質等物理過程的因素和條件發生了變化。這種起源于放大過程的效應，長期以來被籠統地稱作“放大效放大效應應”，它包含了很多已

7、查明或未查明的物理因素（或稱工程因素）的影響。化學工程的一個重要任務就是研究有關工程因素對過程和裝置的效應，特別是在放大中的效應，放大中的效應，以解決關于過程開發、裝置設計和操作的理論和方法等問題。需要指出的一個問題：為什么化學工業為什么化學工業生產與實驗室制備的產品有較大的差別？生產與實驗室制備的產品有較大的差別？12n化學反應工程的研究非常復雜，主要表現化學反應工程的研究非常復雜，主要表現在：在：n過程本身的復雜性：過程本身的復雜性：既有化學的，又有物理的，并且兩者時常同時發生，相互影響。n物系的復雜性：物系的復雜性：既有流體（氣體和液體），又有固體，時常多相共存。流體性質可有大幅度變化，

8、如低粘度和高粘度、牛頓型和非牛頓型等。n物系流動時邊界的復雜性物系流動時邊界的復雜性：由于設備（如塔板、攪拌槳、檔板等）的幾何形狀是多變的，填充物的外形也是多變的，使流動邊界復雜且難以確定和描述。13第一階段：古代的化學生產（第一階段：古代的化學生產（17世紀以前）世紀以前）古代化學具有實用和經驗的特點，尚未形成理論體系、是古代化學具有實用和經驗的特點，尚未形成理論體系、是化學的萌芽時期；尚未形成有規模的化學加工實踐。化學的萌芽時期；尚未形成有規模的化學加工實踐。古時古時的金屬冶煉、釀造、制陶、火藥、造紙等技藝，為化學反的金屬冶煉、釀造、制陶、火藥、造紙等技藝，為化學反應工程學提供了實踐基礎。

9、應工程學提供了實踐基礎。發展簡史發展簡史14n第二階段：近代化學工業從十八世紀末開始，以硫酸，硝第二階段：近代化學工業從十八世紀末開始，以硫酸，硝酸，純堿的工業規模的生產過程為開端，至酸，純堿的工業規模的生產過程為開端，至20世紀初，出世紀初，出現了載入化工發展史冊的合成氨的工業生產?，F了載入化工發展史冊的合成氨的工業生產。n20世紀初，英國的世紀初，英國的Davis,美美Walker,Lewis等提出了等提出了“化學工化學工程程”的概念，發展成為以的概念，發展成為以“單元單元操作操作” （unit operations）為基）為基本研究內容的化學工程學。本研究內容的化學工程學。Fritz H

10、aber (1868 - 1934)發展簡史發展簡史15第三階段：現代化學工業（二戰前后），在原料路線，第三階段：現代化學工業（二戰前后），在原料路線，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中，各種催化反應被廣泛應然氣為主要原料的化學工業中，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用，這就要求在反應技術和反應器設計方面作出重大努力。力。n從動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的角度深入研究化工從動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞的角度深入研究化工生產的物理變化過程，以及從生產的物理變化過程，以及從“

11、化學反應工程化學反應工程”的角度的角度來研究化工生產的化學過程。從而使化學工程學科上升來研究化工生產的化學過程。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。為一門具有完整理論體系的全面學科。發展簡史發展簡史161947年年霍根與華生合著的霍根與華生合著的化工過程原理化工過程原理第三分冊中第三分冊中論述了動力學和催化過程。論述了動力學和催化過程。50年代，有一系列重要的研究論文發表于年代，有一系列重要的研究論文發表于化學工程科學化學工程科學雜志，對反應器內部發生的若干種重要的、影響反應結果的雜志，對反應器內部發生的若干種重要的、影響反應結果的傳遞過程，如返混、停留時間分布、微觀混合、

12、反應器的穩傳遞過程，如返混、停留時間分布、微觀混合、反應器的穩定性等進行研究，獲得了豐碩的成果。定性等進行研究，獲得了豐碩的成果。 發展簡史發展簡史17 發展簡史發展簡史18發展簡史發展簡史荷蘭荷蘭van Krevelen提出提出“化學反應工程化學反應工程”的概念。的概念。1957年，阿姆斯特丹，第一屆歐洲化學反應工程會議，年，阿姆斯特丹，第一屆歐洲化學反應工程會議， van Krevelen作首篇綜合性報告：作首篇綜合性報告：Micro- and Macro- Kinetics化學工業（石油化學工業）的發展，生產趨于大型化，對化化學工業（石油化學工業）的發展，生產趨于大型化，對化學反應過程的

13、開發和反應器的可靠設計提出迫切要求；學反應過程的開發和反應器的可靠設計提出迫切要求；化學反應動力學和化工單元操作的理論和實踐有了深厚的基化學反應動力學和化工單元操作的理論和實踐有了深厚的基礎；礎；數學模型方法和大型電子計算機的應用為反應工程理論研究數學模型方法和大型電子計算機的應用為反應工程理論研究提拱有效的方法和工具。提拱有效的方法和工具。 1950年代末到年代末到60年代初年代初S.M.華拉斯的華拉斯的化工動力學化工動力學，O.列文斯比爾的列文斯比爾的化學反應工程化學反應工程等，使學科體系大體形成。等，使學科體系大體形成。1981年，化學反應工程正式進入我國化工高等教育。年，化學反應工程正

14、式進入我國化工高等教育。發展簡史發展簡史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生化反應工程生化反應工程冶金化學反應工程冶金化學反應工程新的分支新的分支20化學反應工程學的任務和范疇化學反應工程學的任務和范疇1.1.1 化學反應工程是化工生產的核心化學反應工程是化工生產的核心原料預處理化學反應化學反應產品分離與提純核心目的產物產生高純度產物脫出雜質211.1.2 化學反應工程學是研究工業規模的化學反應過程化學反應工程學是研究工業規模的化學反應過程化學反應工程學化學動力學化學工程化學過程物理過程催化劑反應機理溫度濃度流體流動傳質傳熱指導工業反應過程開發反應器的結構型式操作方式工藝條件

15、221.1.3 化學反應工程學的任務化學反應工程學的任務1、改進和強化現有反應技術和設備，使之優質、高產、低消耗；2、開發新的反應技術和設備；3、解決反應工程中的開發放大問題；4、實現反應過程最優化；5、不斷發展化學反應工程學的理論和方法。23化學反應工程流體流動傳質與傳熱傳遞工程化學工藝工藝路線流程、設備最佳化催化劑反應條件物理化學化學動力學化學熱力學工程控制測量與控制動態特性1.1.4 化學反應工程與相鄰學科的關系化學反應工程與相鄰學科的關系 科學技術發展到一定階段的必然產物。 是一些基礎學科諸如物理化學、傳遞工程、化學工藝等相互滲透與交叉而演變成的邊緣科學。1.2 化學反應工程學的內容和

16、分類化學反應工程學的內容和分類1.2.1 化學反應工程學內容化學反應工程學內容1、化學反應動力學特性的研究、化學反應動力學特性的研究反應工程學的主要任務之一研究反應機理動力學特性動力學方程反應器設計、分析的基礎?；瘜W動力學化學動力學研究濃度和溫度對反應速度的影響的科學。研究濃度和溫度對反應速度的影響的科學。（1 1）影響反應速度的各種因素以及如何獲得最優的反應結果）影響反應速度的各種因素以及如何獲得最優的反應結果等問題。等問題。（2 2）化學反應的速度和平衡的規律。）化學反應的速度和平衡的規律。25252、流體流動、傳遞過程對反應的影響、流體流動、傳遞過程對反應的影響流體流動傳質傳熱影響反應器

17、內濃度和溫度在時間和空間 上 的 分 布影響反應結果263、反應器設計計算、過程分析和最佳化數學建模動力學特性流體流動傳遞特征結合計算機模擬數據優化設計優化控制反應器1.2.2 化學反應工程學的分類化學反應工程學的分類281.2.2 化學反應工程學的分類按反應體系涉及的相態分類按 操 作 方 式 分 類按反應器型式分類按 傳 熱 條 件 分 類按流體流動狀態分類均相反應器非均相反應器間 歇 操 作 反 應 器連 續 操 作 反 應 器半連續式操作反應器管式反應器釜式反應器塔式反應器等溫反應器絕熱反應器非等溫、非絕熱反應器理 想 流 動 反 應 器非 理 想 流 動 反 應 器反應器29結構型式

18、結構型式適用的相態適用的相態工業生產實例工業生產實例管式管式氣相氣相,液相液相輕油裂解輕油裂解,NO氧化氧化釜式釜式液相液相,氣液氣液,液液液液,液固液固酯化反應酯化反應,甲苯硝化甲苯硝化塔式塔式氣液氣液,氣液固（催化劑）氣液固（催化劑）苯的烷基化苯的烷基化,二甲苯氧化二甲苯氧化固定床固定床氣固（催化或非催化）氣固（催化或非催化）合成氨合成氨, 乙苯脫氫乙苯脫氫流化床流化床氣固（催化或非催化）氣固（催化或非催化）,特特別是催化劑很快失活的反應別是催化劑很快失活的反應石油催化裂化石油催化裂化, 丙烯氨氧化丙烯氨氧化移動床移動床氣固氣固, 特別是催化劑易于失特別是催化劑易于失活的反應活的反應二甲苯

19、異構二甲苯異構, 礦石焙燒礦石焙燒滴流床滴流床氣液固氣液固(催化或非催化催化或非催化)石油加氫脫硫石油加氫脫硫化學反應器的基本類型化學反應器的基本類型30工業反應器型式工業反應器型式30301 釜式反應器釜式反應器 特征特征: :反應器高度與直徑相當或稍高。 釜內設有攪拌裝置和擋板。 常帶夾套或釜內放置蛇管，傳熱以維持釜內所需溫度。 3131各種攪拌槳的形式 32( (2)2)連續操作的攪拌釜連續操作的攪拌釜用于均相或非均相的液相用于均相或非均相的液相系統，如聚合反應等。多系統，如聚合反應等。多釜連續操作、多釜串聯操釜連續操作、多釜串聯操作。作。( (3)3)管式反應器管式反應器 多用于大規模

20、的氣相或多用于大規模的氣相或液相反應，如石油氣裂解液相反應，如石油氣裂解用的裂解爐用的裂解爐工業反應器型式工業反應器型式( (4)4)固定床反應器固定床反應器 在管子中充填有固體顆粒催化劑，在管子中充填有固體顆粒催化劑，氣相反應物通過催化劑床層而進行氣相反應物通過催化劑床層而進行氣相催化反應，如氣相醋酸和乙烯氣相催化反應，如氣相醋酸和乙烯通過含有鈀的催化劑床層生成氣相通過含有鈀的催化劑床層生成氣相的醋酸乙烯。的醋酸乙烯。( (5)5)流化床反應器（流化床反應器（沸騰床沸騰床） 固體催化劑顆粒小，當反應氣體通固體催化劑顆粒小，當反應氣體通過床層時，使催化劑顆粒處于不斷過床層時，使催化劑顆粒處于不

21、斷的運動中，俗稱的運動中，俗稱石油工業中的石油工業中的催化裂化反應器。催化裂化反應器。3434346. 塔式反應器塔式反應器 特征：反應器高度為直徑的數倍以至十幾倍。 內部常設置能增加兩相接觸的構件，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。35 （7)7)鼓泡床反應器。用于氣液鼓泡床反應器。用于氣液非均相反應過程的反應器。如乙非均相反應過程的反應器。如乙醛與氧氣通過含有醋酸錳的醋酸醛與氧氣通過含有醋酸錳的醋酸溶液生成醋酸的反應。溶液生成醋酸的反應。工業反應器型式工業反應器型式漿態反應器漿態反應器滴流床反應器滴流床反應器移動床反應器移動床反應器其他型式其他型式36高低

22、并列的提升管FCC裝置373839釜式反應器40環管反應器4142 1 1） 間歇操作間歇操作 特點： 反應物料一次加入反應器，經過一定反應 時間后一次取出反應產物。 特征：非定態過程，在反應期間，反應物和產物的濃度均隨時間而變化。 適用范圍： 生產小批量、多品種的產品。反應器的操作方式及其特征反應器的操作方式及其特征43 2 2） 連續操作連續操作 特點：反應物不斷地加入到反應器內，反應不斷進行，反應產物不斷取出。 特征： 定態操作，達到定態時，反應器內任一位置的物系參數（濃度、溫度等）均不隨時間變化。 優缺點：適用于工業大規模生產，產品質量穩定、勞動生產率高、便于實現機械化和自動化但是，要

23、改變產品品種、大幅度改變產品產量比較困難443 3）半間歇（半連續）操作）半間歇（半連續）操作 特點：原料與產物中的一種為連續輸入或輸出而其余的分批加入或卸出。 特征： 非定態，反應器內反應物系的組成既隨時間而改變，也隨反應器內的位置而改變。1.3 化學反應工程學的研究方法化學反應工程學的研究方法1.3.1 逐級經驗放大法逐級經驗放大法開發工業反應器解決合理選型優化操作工程放大程序：小試 反應器型式小 試 工 藝 條 件逐級中試考察幾何尺寸的影響4646逐級放大法的特點逐級放大法的特點： 效果差，效率低，對放大中出現的問題束手無策，只好認定是放大效應。因為這種方法 著眼于外部聯系，不研究反應器

24、內部規律； 著眼于綜合研究，不進行過程分解，分不清影響因素的主次； 受經濟條件限制，認識決定了決策程序； 放大過程是外推的，這在方法論上是不科學的；47 盡管逐級放大法有上述種種不足，但由于盡管逐級放大法有上述種種不足，但由于其立足于經驗，不需要理解過程的本質、機理其立足于經驗，不需要理解過程的本質、機理和內在規律，對于一些復雜的反應，在難于用和內在規律，對于一些復雜的反應，在難于用其它方法時，逐級放大法不失為一可用的開發其它方法時，逐級放大法不失為一可用的開發方法。方法。481.3.2 解析法解析法深刻理解過程整理出各參數之間的關系方程定量求解獲得結果解析法是解決反應工程問題最科學的方法，但

25、由于解析法是解決反應工程問題最科學的方法，但由于實際過程極為復雜，難以用定量關系予以描述，迄實際過程極為復雜，難以用定量關系予以描述，迄今還沒有一個化學反應過程是用解析法求得結果的。今還沒有一個化學反應過程是用解析法求得結果的。但就其科學性而言，無疑是化學反應工程學發展的但就其科學性而言，無疑是化學反應工程學發展的方向。方向。1.3.3 模型法模型法 模型法是人們對某一復雜的，難以用數學全面正確描述的客觀實體，人為地作某些假設，設想出一個近似的數學模型，并用此模型定量地描述客觀實體的近似描述過程?？陀^實體理想結果目前無法求解模型求解結 果近似50一、模型方法的程序一、模型方法的程序建立物理模型

26、合理簡化建立數學模型（建立描述物理模型的數學方程及初始和邊界條件）用模型方程的解討論客觀實體的特性規律51二、模型法開發化學反應過程的步驟二、模型法開發化學反應過程的步驟1、小試研究化學反應規律；2、根據化學反應規律合理選擇反應器類型；3、大型冷模試驗研究傳遞過程規律；4、利用計算機或其他手段結合反應規律和傳遞規律，預測大型反應器性能，尋找優化條件；5、熱模試驗檢驗模型的合理性。52數學模型分類：數學模型分類：n（1）化學動力學模型n（2）流動模型n（3）傳遞模型n（4）宏觀反應動力學模型 工業反應器中的宏觀反應動力學模型是化學動力學模型、流動模型、傳遞模型的綜合，是本門課程的核心內容。5253反應過程的開發方法反應過程 反應熱力學計算小型熱模大型冷模 催 化 劑 操作條件 本征動力學 宏觀動力學 反 應 器 型 式數學模型 中 試 工業示范裝置工程參數54 小型熱模與大型冷模相結合小型熱模與大型冷模相結合 反應因素與傳遞因素相結合反應因素與傳遞因素相結合 數學模型與試驗數據相結合數學模型與試驗數據相結合 過程簡化與過程優化相結合過程簡化與過程優化相結合 55學習方法學習方法1 1抓反應類型、挖掘物理因素、歸結于最終目標抓反應類型、挖掘物理因素、歸結于最終目標 評定反應結果優劣的標準為下列二個主要因素：評定反應結果優劣的標準為下列二