华东理工CH1(简化)

第一章绪论§1.1化学反应工程学的研究对象和目的§1.3化学反应工程的研究方法§1.2化学反应工程的研究内容§1.4化学反应工程在工业反应过程开发中的作用一、化学反应工程发展简述自然界物质的变化过程有物理的和化学的两类，其中物理过程可以不牵涉到化学反应，但化学过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等有着紧密的联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素的综合体,然而，直到本世纪五十年代还一直未形成一门专门研究化学反应过程的独立学科，在1957年举行的第一次欧洲反应工程会议确立了这一学科的名称，以后逐步形成了今日的化学反应工程学科体系，我国70年代后逐渐开设这门课程。二、化工生产中设备的分类任何化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的。工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。下图是以乙烯为原料生产乙醛的工艺过程。乙烯氧化生成乙醛反应：C2H4+0.5O2=CH3CHO乙烯氧化制乙醛氧气乙烯鼓泡反应器除沫分离器粗乙醛贮槽10％粗乙醛去火炬焚烧循环乙烯吸收塔每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1.工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的。2.化工设备分为两大类。不含化学反应的设备；化学反应器。1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态、物理性质，不改变其化学性质。鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽等设备中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。在鼓风机和泵中只有能量的转换，从电能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有发生变化；贮槽只是起贮存物料的作用。2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质。图中鼓泡塔是化学反应器。物料在反应器中发生了化学反应，物料的化学性质发生了变化。化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设备。“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。三、化学反应工程的范畴及相关学科1、化学反应工程的范畴化工过程从原料到产品都可概括为三个组成部分：原料的预处理、化学反应、产物的分离。原料→预处理→反应→分离精制→产品排气排污其中原料的预处理和产物的分离是化学反应的要求和结果，化学反应过程是化工生产的核心。反应工程化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学最优化技术放大设计2、与化学反应工程相关的其它学科①化学热力学：主要是确定物系的各种物性参数，分析反应进行的可能性和可能达到的程度等。②反应动力学：专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。③催化剂：催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、气体分子在微孔中的扩散等。④化学工艺：主要是设备型式、操作方式和流程。⑥工程控制：一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题。⑤传递工程：装置中的动量传递、热量传递和质量传递问题。§1.1化学反应工程的研究对象和目的化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。•为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；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。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。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。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。•化学反应工程的研究对象是以工业规模进行的化学反应过程；目的是实现工业反应过程的优化。优化：指在一定范围内选择一组优惠的决策变量（反应器结构、操作方式、工艺条件），使系统对于确定的评价标准达到最佳状态。工业反应过程的优化涉及约束条件、优化目标和决策变量等问题。1.1.1约束条件工业反应过程的优化往往受工艺流程上、下游处理能力的限制；受爆炸极限的约束；受反应器材料耐热性的约束。即过程优化往往是有约束条件的。优化目标包括经济指标和技术指标两种任何一个化学反应过程要想实现工业化，首先必须在技术上可行，然后要考虑经济上的合理性。1.1.3优化的技术指标反应过程的主要技术指标有三个。（1）反应速率（2）反应选择性（3）能量消耗。本书讨论反应速率和反应选择性两个基本技术指标。1.1.2优化的经济指标工业反应过程的经济指标指生产某一产品所需的成本或是产品的利润大小。作为工业生产须考虑低成本、高利润。一、反应速率指反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了反应物料的转化程度，即转化率。定义：转化率——反应物中着眼组分A转化掉的量与其初始量的比值。AA组分在反应器中反应掉的量转化率组分进入反应器的量00AAAAnnxn组分A的选取原则A必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。定义：转化为目的产物P消耗的原料A量反应掉的原料A量二、反应选择率对于复杂反应，同一原料可以生成两种以上的不同产物，有目的产物和副产物。如下反应：pP（主反应）aAsS（副反应）PPOAOAannpnn三、收率摩尔收率定义：PPOAOannpn生成目的产物P消耗的原料A量通入的原料A量转化率、选择性、收率之间的关系：Ax质量收率定义：生成目的产物P的质量质量收率通入的原料A的质量反应器分离器产品新鲜原料未反应原料对具有回收循环的流程，若不计损耗，反应总转化率为百分之百，此时的收率叫总收率。定义：总收率转化为目的产物的原料量进入系统的新鲜原料量=转化为目的产物的原料量单程收率通入反应器的原料量反应器分离器产品原料未反应原料例题1.乙苯脱氢反应流程采用原料分离回收循环操作。已知：原料乙苯进入反应器的量为100kg/h,反应器出口物料中乙苯的流量为46kg/h，产品苯乙烯的流量为48kg/h，假设分离过程中无损失，求反应的转化率、选择性、单程摩尔收率和质量收率、总摩尔收率和质量收率。100-46==0.54100100-46===1.0100-46Ax反应掉的乙苯量单程转化率通入反应器的乙苯量反应掉的乙苯量总转化率通入系统的新鲜乙苯量解：10648104==0.906100-46转化为苯乙烯的乙苯量选择性反应掉的乙苯量10648104===0.489100转化为苯乙烯的乙苯量单程摩尔收率通入反应器的乙苯量48===0.48100生成苯乙烯的质量单程质量收率通入反应器的乙苯的质量10648104==0.906100-46转化为苯乙烯的乙苯量总摩尔收率通入系统的新鲜乙苯量48==0.889100-46生成苯乙烯的质量总质量收率进入系统的新鲜乙苯的质量1.1.4决策变量工业反应过程优化的决策变量主要有三个：（1）结构变量（2）操作方式（3）工艺条件工业反应器的型式多种多样，分类方法也有多种：一、结构变量指反应器的型式和结构尺寸。1、按操作方式分类①间歇操作反应器②连续操作反应器③半连续操作反应器①绝热式反应器②间接传热反应器（又分外部换热型和自身换热型）③直接传热反应器（如通水蒸气）2、按传热方式分类3、按相态分类①均相反应器(气相、液相)气固相（固定床、流化床）②非均相反应器气液相（鼓泡搅拌釜、鼓泡塔）液固相4、按反应装置的结构型式分类①管式反应器；一般长径比大于30②塔式反应器；一般高径比在3—30之间③釜式反应器；一般高径比为1—3④固定床反应器；⑤流化床反应器；⑥移动床反应器等每一类型中又有各种不同的具体结构。二、操作方式反应器的操作方式分为间歇操作、连续操作和半连续操作三种。间歇操作用于产量小、品种多变的过程，优点：简便灵活；缺点：每批生产之间有辅助时间，劳动强度大，产品质量不易稳定。连续操作用于大规模工业生产，生产易于控制，产品质量稳定。三、工艺条件主要指温度、浓度、反应时间、操作线速度、催化剂粒度等。§1.2化学反应工程的研究内容1.2.1化学反应过程1、容积反应过程反应在一定的容积中发生，如气相或液相的均相反应。工业反应器中进行的过程包括化学反应过程和物理过程。容积反应和表面反应具有不同的特征，就单位时间内的反应物转化量来说，前者正比于反应容积；后者正比于反应表面积的大小。2、表面反应过程反应在催化剂表面上发生，如气固相催化反应。1.2.2物理过程工业反应器内的物理过程包括流体流动和混合、传质和传热。这些过程的存在将改变反应器内的浓度和温度分布，最终影响反应结果。1、返混和不均匀流动返混：不同停留时间的流体质点间的相互混合。简单混合与返混若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。2、传质过程对非均相反应，多数情况下反应是在单一相中进行的，要求反应物要以一定的速度传递到反应相。由此会引起反应相内各部位的浓度差异。如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。不均匀流动：如流体在管内流动时呈现的抛物线形速度分布。3、传热过程化学反应伴有热效应需与外界进行热交换，传热需有传热推动力，由此会引起反应相内各部位的温度差异。综上述：流体流动、传质、传热是工业反应器内难以避免的过程，从本质上讲它们并没有改变反应过程的动力学规律，但它们会影响反应场所的浓度和温度在时间和空间上的分布，从而最终影响反应结果。化学反应的实质是微观的，传递过程是宏观的，考虑了传递过程影响的动力学叫宏观动力学．化学反应工程的任务：研究工业化学反应器的基本原理，综合研究反应器中的反应过程和传递过程，正确选择反应器的型式、确定最佳操作条件，对反应器进行最佳设计和最优控制，为过程开发和反应器的放大提供技术依据。化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂过程的目的。用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。热量衡算式物料衡算式动力学方程式在化学反应工程中，数学模型主要包括：§1.3化学反应工程的研究方法§1.4化学反应工程在工业反应过程开发中的作用一个工业反应过程的开发需解决三方面的问题：（1）反应器的合理选型；（2）反应器操作的优选条件；（3）反应器的工程放大。化学反应工程在工业反应过程开发中的作用：1、概括了各种宏观动力学因素；2、提供了大量重要概念和科学结论；3、提供了若干重要类型反应器的传递特征。主要参考文献1.张濂等.化学反应工程原理.华东理工大学出版社，2007年.2.朱炳辰.化学反应工程（第四版）.化学工业出版社，2007.（属21世纪教材）3.陈甘棠.化学反应工程（第二版）.化学工业出版社,1