1化学反应工程绪论-共152页

化学反应工程孙萍675457ChemicalReactionEngineering2019/10/5要求：必修课平时成绩30%作业出勤实验期末成绩70%BB:化学反应工程注册码：051052学时：56+16jilkq88jilkq01jlkq123jilkq0jilinkqjilkqjilkouqjlkouq0jlkouq6kqzl0gfkqyy024kqyygfkouqsykqyy0gfkqyy0kqyy66gfyykq2019-6-192019年3月3日，全国政协十一届四次会议，再次提出了我国科技成果转化率不到20%，而发达国家高达70、80%。化学反应工程2019/10/5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。与实验室规模反应不同：2019/10/5工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)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发生。2019/10/5从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。2019/10/5化学反应工程化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工过程(Typicalchemicalpocess)预处理后处理核心2019/10/52019/10/5选用教材：《化学反应工程》，陈甘棠主编，化学工业出版社主要参考书：《化学反应工程》，朱炳辰主编，化学工业出版社ChemicalReactionEngineering,byLevenspielO.ElementsofChemicalReactionEngineeringbyScottFogler动力学方程反应器类型热量横算方程动量横算方程反应器体积操作条件化学反应工程均相反应非均相反应动力学方程物料衡算热量衡算动量横算2019/10/52019/10/5化学反应速率+反应器其核心内容是：•着重研究传递过程对化学反应速率的影响;•化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学；•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;•对反应过程进行工程分析；•制定合理的技术方案和操作条件；•进行反应器或反应系统的设计及优化。2019/10/5课程目的：一用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；二实现反应过程的最优化；四开发新的反应技术和新的反应设备；三改进和加强现有的反应技术和设备；五不断发展反应工程学的理论和方法。2019/10/5第一章绪论1化学反应工程的范畴和任务2化学反应过程分类3化学反应工程的研究方法4发展趋势2019/10/5第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未形成有规模的化学加工实践。一、化学反应工程的范畴和任务1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成2019/10/5生产硫酸2019/10/5第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成FritzHaber(1868-1934)生产规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了解，需要既懂工程又熟悉化学知识。促使工程与化学相结合2019/10/520世纪初，英国的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”（unitoperations）为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。第三阶段：现代化学工业(二战前后)，原料路线、技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合：即，从动量传递、热量传递、质量传递的角度深入研究化工生产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成2019/10/5美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著作TransportPhenomena1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成2019/10/51、反应工程概念的提出2019/10/51、反应工程概念的提出萌芽阶段：1937年，丹克莱尔在实验数据十分贫乏的情况下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程的创立奠定了基础。（被认为是化学动力学发展到“工程技术”阶段的标志。）奠定基础。30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了单元操作和单元过程等概念。单元操作——单元过程——一、化学反应工程的范畴和任务流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。2019/10/5初步形成：1947年，出版了两本书:O.A.Hougan与K.M.Watson所著的ChemicalProcessPrinciples--《化学过程原理》的第三卷，专门讲述动力学与催化过程,以及法兰克--卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》；40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作：流化床催化裂化--汽油丁苯橡胶乳液聚合--（汽车）轮胎曼哈顿计划--原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238）总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。2019/10/5五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着三传现象，必须将化学反应与三传同时结合起来加以考虑和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如返混，反应器稳定性，微观混合，伴有化学反应的传质等。推动了学科的发展。1957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会议。荷兰vanKrevelen作首篇综合性报告：Micro-andMacro-Kinetics，提出化学反应工程的概念，意在系统深入地研究伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。正式提出了化学反应工程学的概念。2019/10/5成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单机化，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每四年举行一次。1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。70年代中期，《反应工程》向深度和广度发展，出现了关于g-l、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。1979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张有衡为团长）。2019/10/5新的契机：80年代后，随着高技术的发展和应用，如微电子器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化学反应工程工作者提出了新的研究课题，使化学反应工程形成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程等，扩大了化学反应工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究进入了一个新的阶段。1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。2019/10/51935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929)和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推动了我国化学工业的发展.合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅速发展,也带动了一系列化学工程基础理论工作,如化工热力学、化学工艺学、工业催化等。氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万多个配方,至今仍是催化界研究的方向。我国化学工程与技术学科的发展中里程碑2019/10/52、化学工程的主要研究内容化学方法加工原料的预处理进行化学反应反应产物分离与提纯反应工程（本征）单元操作（三传）单元操作（三传）2019/10/5A→BAArCA0tAACCe0ACAC动量传递过程－流动因素2019/10/5A→BA0ACAC0ERTkkeAArkC热量传递过程－传热因素2019/10/5质量传递过程－传质因素2019/10/5R边缘反应物浓度高中央反应物浓度低此处反应较快质量传递过程－传质因素动力学方程反应器类型热量横算方程动量横算方程反应器体积操作条件化学反应工程均相反应非均相反应动力学方程物料衡算热量衡算动量横算2019/10/52019/10/5工业反应的特点物性庞杂多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体）温度,压力,粘度,重度,表面张力…变化幅度大非线性耦合物理,化学,生物学之间预测精度高生产规模大250万T/年－1000万T/年催化裂化（ф10m,H=70m)30万T/年－100万T/年乙烯裂解30万T/年合成氨－52万T/年尿素100m3－300m3聚合釜,120m长循环管聚丙稀3、化学反应工程的范畴和任务2019/10/5高低并列的提升管FCC装置2019/10/5南充炼厂FCC装置2019/10/5GrassrootsFCCunitunderconstructioninMexicoColdflowmodelofKelloggdensephasecatalystcooler2019/10/52019/10/52019/10/580万吨/年加氢裂化装置2019/10/52019/10/52019/10/52019/10/545万吨/年乙烯裂解球罐2019/10/5化学工艺反应器中流体流动、混合传热和传质化学催化剂优化工程控制反应过程分析工艺路线流程与设备化学热力学与反应动力学反应过程动态特性与反应系统测量和控制传递工程3、化学反应工程的范畴和任务2019/10/5化学热力学——确定物系的各种物性常数，讨论反应进行的如：计算反应的平衡常数和平衡转化率反应动力学——阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、浓度、压力和催化剂等）之间的关系影响反应速率的内因——决定能否实际应用的关键所在，e.g.方向和限度，平衡问题2019/10/5常压、低温合成氨反应速率太慢而实际不可行加入催化剂可以使其在适当的温度压力下以显著速率进行反应甲烷裂解制乙炔1500℃乙炔极不稳定，似乎只能得到碳、氢在极短时间内（0.001s）反应并淬冷到低温就可以得到乙炔——动力学问题所以，实际上起决定作用的往往是动力学因素2019/10/5•反应器中流体流动、混合传热与传质——影响反应速率的外因如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等——“放大效应“产生的直接原因•设备型式、操作方式和流程——如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、操作方式（连续、分批）——考虑经济上的合理性2019/10/5•传递工程——主要指“三传”，流体流动与物料混合情况，温度、浓度分步等都直接影响反应进程。•工程控制——本课程不具体涉及。催化剂——一般属于化学或工艺范畴。2019/10/5反应过程动态特性与反应系统测量和控制