化学反应工程课件

化学与化工是自然科学技术发展的基础学科之一化学(Chemistry)无机化学分析化学有机化学物理化学高分子化学与物理化学工程与工艺(ChemicalEngineeringandTechnology)化学工程化学工艺生物化工应用化学工业催化化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律和变化过程中能量关系的学科化工是运用化学原理和机械原理，将物质的组成、结构、性质变成目标产品的过程工程学科化工学科的特点FromChemicalEngineeringtoProcessEngineering专业任务工程工业规模(工程)的设计、操作运行、改进(最优化)问题。（建筑工程、环境工程、生物工程、电气工程等）化学工程与工艺研究工业规模化工过程的规律，开发和改进化工生产过程。开发：新产品，新工艺。改进：对已有过程和产品进行改造，以求最优化。第一层次：资源、能量消耗第二层次：环境影响第三层次；安全卫生舒适Contents第一章绪论Chapter1OverviewofChemicalReactionEngineering第二章均相反应动力学Chapter2KineticsofHomogenousReaction第三章均相反应器（等温、变温过程）Chapter3IdealReactorsforHomogenousReactionsContents第四章非理想流动Chapter4Non-IdealFlow第五章非均相反应动力学Chapter5ReactionCatalyzedbySolids第六章非均相流固催化反应器Chapter6ThePackedBedCatalyticReactor第七章气液两相反应器Chapter7Fluid-FluidReactorsTheobjectofthecourse课程目标：反应器分析与设计并重，结合实际、结合工艺。授课方法：讲课与讨论相结合。考试方式：考试与/或作业结合平时成绩化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)主要参考书《化学反应工程》，陈甘棠主编，化学工业出版社《化学反应工程》，朱炳辰主编，化学工业出版社ChemicalReactionEngineering,byLevenspielO.ElementsofChemicalReactionEngineeringbyScottFogler1.1化学反应工程学的学科历史1.2化学反应工程学的范畴和任务1.3化学反应过程的分类1.4工业反应器的分类1.5化学反应工程的研究方法1.6化学反应工程所需基本知识第一章绪论1.1化学反应工程学的学科历史1.1.1化学工程的发展史化学工程发展史及化学反应工程学科的形成第一阶段：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。第一章绪论1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论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。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。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1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线，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。1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著作TransportPhenomenaALandmarkinChemicalEngineeringEducation1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论1.1.2化学反应工程学的发展史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——流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。单元过程——磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，流体流动和传热对化学反应收率的影响”，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。）1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论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）1947年，出版了两本书:霍根（Hougen）和华生（waston）--《化学过程原理》法兰克--卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》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。1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论50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。会上正式提出了化学反应工程学的概念。1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论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）。80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。随着高技术的发展与应用，如微电子器件的加工、光导纤维的生产、新材料与生物技术等，向我们提出了新的研究课题。使反应工程的研究进入了一个新的阶段。1.1化学反应工程学的学科历史第一章绪论我国化学工程与技术学科的发展中里程碑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。1.2.1化学反应工程学的定义1.2化学反应工程学的范畴和任务第一章绪论化学方法加工进行化学反应反应产物的分离与提纯反应工程单元操作（三传）单元操作（三传）进行化学反应原料的预处理典型化工过程(Typicalchemicalpocess)1.2化学反应工程学的范畴和任务第一章绪论化学反应工程，是化学工程学科的一个分支。简称反应工程。化学反应工程，顾名思义，是一门研究化学反应的工程问题的学科。即：研究化学反应如何在工业上实现的科学。1.2化学反应工程学的范畴和任务第一章绪论1.2.2化学反应工程学的研究内容2、流体流动、传递过程对反应的影响流体流动传质传热影响反应器内浓度和温度在时间和空间上的分布影响反应结果反应工程学的主要任务之一研究反应机理动力学特性动力学方程反应器设计、分析的基础。1、化学反应动力学特性的研究1.2化学反应工程学的范畴和任务第一章绪论3、反应器设计计算、过程分析和最佳化数学建模动力学特性流体流动传递特征结合计算机模拟数据优化设计优化控制反应器修改模型1.2.2化学反应工程学的研究内容1.2化学反应工程学的范畴和任务第一章绪论建立化学反应过程的动力学模型和传质模型；选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传质要求；计算反应器大小，以满足一定的产量和转化率的要求；确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经济效益；研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停车的顺利。1.2.3化学反应工程学的任务1.3化学反应过程的分类第一章绪论1.3.1按操作方式分类间歇，连续，半连续间歇封闭系统1.3化学反应过程的分类第一章绪论1.3.2按反应物相所涉及的相态分类1.4工业反应器的分类第一章绪论特征：长度管径。内部是空的，不设置任何构件。多用于均相反应。如裂解炉。1.4工业反应器的分类第一章绪论1.4.1管式反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论环管反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论1.4.2釜式反应器又称反应釜，搅拌反应器特征:反应器高度与直径相当或稍高。釜内设有搅拌装置和挡板。常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。适用于液相均相反应、气液反应、液液反应、液固反应、气液固三相反应。1.4工业反应器的分类第一章绪论釜式反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论釜式反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论各种搅拌桨的形式釜式反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论搅拌釜的各种换热形式釜式反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论1.4.3塔式反应器特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。1.4工业反应器的分类第一章绪论1.4.4固定床反应器特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。可以是催化剂，也可以是固体反应物。适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。根据换热方式不同,可分为三种型式：(1)换热式固定床反应器结构型式类似于列管式换热器。管内装填催化剂，反应物料自上而下通过床层；管间为载热体，与管内物料进行换热，以维持所需的温度条件。列管式固定床反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论(2)绝热式固定床反应器床层与外界没有热量交换。结构简单，造价低廉，但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应。重要过程：丙烯氧化制丙烯酸乙炔HCl制氯乙烯乙烯环氧化制环氧乙烷烃类加氢乙苯脱氢制苯乙烯煤气化…绝热式固定床反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论(3)自热式固定床反应器以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所需的温度，然后进入床层进行反应。使用前提：放热反应，热量大致平衡。自热式固定床反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论1.3.5流化床反应器特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。适用于气固，液固，气液固反应。如：催化剂快速失活需立即再生的：催化裂化装置强放热反应：丙烯氨氧化，萘氧化，丁烯氧化脱氢固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧，石灰石的煅烧等1.4工业反应器的分类第一章绪论流化床反应器1.4工业反应器的分类第一章绪论1.5化学反应工程研究方法第一章绪论一数学模型法数学模型：描述反应器内的反应过程，如反应状态、特性及变化规律的一组数学方程。为什么叫“模型”？建立方程式时，往往要加一些假设把问题简化，故称之为“模型”。对同一个反应，由于简化条件不同，可有不同的模型提出。二、数学模型中的数学方程1.5化学反应工程研究方法