化学反应工程ppt课件

❖ 特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均 匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，即反 应器内物料浓度和温度均匀，与出口处物料浓度 和温度相等。物料质点在反应器中的停留时间参 差不齐，形成停留时间分布。搅拌强烈的连续搅 拌釜（槽）式反应器中的流体流动可视为全混流
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几个化学反应工程中常用的概念
一般适用于均相反应（气相、液相） ❖ 优点：返混小，所需反应器容积小，比传热面大 ❖ 缺点：对慢速反应，管要很长，压降大
加料
产物
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❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定 额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下， 由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
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数学模型放大法：
基础实 验测试
拟订过 程模型
用
电 子 计 算
制订 模型 测试
机 方法
作 及参
方 数范
案 研
围
究
小试 模型的放大实验
比较测试结果与 模型计算结果
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❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和 质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自 动控制水平相关。
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1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化 学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进 行，这种化学反应与物理变化过程的综合称为宏 观反应过程。
7. 精细化工反应：含磺化，硝化，卤化，重氮化，酯 化，胺化，缩合。如苯、萘的磺化，苯硝化制硝基 苯等。
8.聚合反应：含缩聚，加成聚合，自由基聚合，离子 型聚合，络合配位聚合，开环聚合，共聚
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2.1.2 反应器的分类
间歇反应器 ❖ 按照操作方法分类 管式及釜式连续流动反应器
半间歇反应器
平推流模型
制苯甲酸 2.加氢和脱氢反应：如氮催化加氢合成氨；苯催化
加氢制环己烷，乙苯催化脱氢制苯乙烯等。 3.电解反应：如食盐水电解制氯和氢；水电解制氧
和氢等。 4.化学矿的焙烧反应：含氧化焙烧(如硫铁矿氧化焙
烧)、硫酸化焙烧、氯化焙烧(金红石矿氯化焙烧 制四氯化钛)、还原焙烧(重晶石与煤粉的还原焙 烧制硫化钡)等。
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1.6 工程放大与优化
❖ 工程放大和优化：将实验室和小规模生产的研究 成果推广到大型工业生产装置，要综合各方面的 有关因素提出优化设计和操作方案，即工程放大 和优化。
❖ 工程放大的方法：主要有相似放大、经验放大法 和数学模型放大法。
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❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按 比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称 为相似放大法。
反映和描述工业反应器中各参数之间的关系， 称为物理概念模型，表达物理概念模型的数学式 称为数学模型，用数学方法来模拟反应过程的模 拟方法称为数学模拟方法。
用数学模拟方法来研究化学反应工程，进行 反应器的放大与优化，比传统的经验方法能更好 地反应其本质。
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❖数学模型的分类：
数学模型按照处理问题的性质可分为： 化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观反应动力学模型（核心内容）
均匀混合 图2.1 釜式间歇反应器
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❖ 管式及釜式连续流动反应器：反应物连续不断地
加入反应器，同时产物连续不断地流出反应器，
如果是定态下操作，反应物进料时的组成和流量
及产物的组成和流量都不随计时器显示的时间而
变。
加料 均匀混合
加料
产物
图2.2 管式连续流动反应器
产物 图2.3 釜式连续流动反应器
化学反应工程
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第1章 绪论
化学反应工程教材
朱炳辰 化学反应工程 化学工业出版社
陈甘棠 化学反应工程 化学工业出版社
李绍芬 反应工程 化学工业出版社
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1.1 化学反应工程的发展史
❖最早：20世纪30年代 丹克莱尔(Dankǒhler)
系统论述了扩散、流体流动和传热对反应 器产率的影响，为化学反应工程奠定基础
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❖ 按照反应机理分
单一反应 多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
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平行反应：一种反应物同时生成多种产物
L（目的产物） A
M（副产物）
例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
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同时反应：反应系统中同时进行两个或者 两个以上的反应物与产物都不相同的反应
❖ 1970年在美国华盛顿召开了第一届国际化学反应 工程年会，并在此后两年举办一次
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❖化学反应工程的新阶段：20世纪80年代后期
除了传统领域(化学工业、石油化工、冶金 化工)外，许多新的技术相继发展(如生物技 术、光导纤维以及新材料等)，使反应工程 产生了许多分支学科，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。
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沟流：在反应器中，由于流体的不均匀流动而打开 了一条阻力很小的通道，形成所谓的沟，此时流 体会以极短的停留时间流过床层，这种现象被称 为沟流。一般填料或催化剂装填不均匀会引起沟 流，沟流和短路经常同时发生
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❖ 反应器按照结构类型分类
❖ 管式反应器：长度L＞管径D L/D＞100可视为理想反应器
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1.3 化学反应工程学范畴及与其它学科的关系
与化学反应工程相关的学科： 化学热力学、反应动力学、 催化剂、设备型式、操作方 法和流程、传递工程、工程 控制（化工系统工程）、反 应过程的分析、反应技术的 开发和反应器设计 等等
图1.1 化学反应工程学 与有关学科间的关系
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❖化学热力学：确定物系的各种物性常数（如 热熔、反应热、压缩因子）分析反应的可能 性和可能达到的程度，如计算反应的平衡常 数和平衡转化率等。
中试
修正基础模型
图1.2 数学模拟放大方法示意图
用
计
算
机 作过
多程
方的
案基
及 优 化
本 设
设计
计
计
算
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第2章 化学反应动力学及反应器设计基础
2.1 化学反应和工业反应器的分类
2.1.1 化学反应的分类 ❖ 按照反应可逆性分
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应 多分子反应
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5. 化学矿的浸取反应：含酸浸取、碱浸取、盐浸取。 如硫酸浸取磷矿制磷酸，钾石盐溶浸法制氯化钾， 明矾石氨浸法制钾氨混肥，铜锌矿的酸浸取等。
6. 有机化工反应：含烃类热裂解，氧化，烷基化，水 解和水合，羟基合成。如轻质烃热裂解制低级烯烃， 乙烯氯氧化制氯乙烯，苯与乙烯烷基化反应合成苯 乙烯等。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称 为宏观反应动力学。
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❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下 研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、 压力等参数，不包括传递过程及反应器结构等参 数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应 动力学除了研究化学反应本身以外，还要考虑到 质量、热量、动量传递过程对化学反应的交联作 用及相互影响，与反应器的结构设计和操作条件 有关。
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❖反应动力学：阐明化学反应速率与各项物 理因素（如浓度、温度、压力和催化剂等） 之间的定量关系。
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❖催化剂：如粒内传热，微孔中的扩散，催 化剂中活性组分的有效分布、催化剂的活 化和再生等等。
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❖设备型式、操作方法和流程：反应不同， 规模不同，适合的反应器型式和操作方式 也会不同。为了实现某一反应，可有多种 技术方案，包括热量传递、温度控制、物 料是否循环等等，何种方案最为经济合理， 流程据此来拟订。
M
例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应
CH3OH + ½ O2 → CH2O +H2O CH2O + ½ O2 → CO +H2O
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吸热反应 ❖ 按照反应热效应分
放热反应
均相反应 ❖ 按照相态分布分
非均相反应 间歇过程 ❖按照操作方法分 连续过程 （平推流，全混流，中间型） 半间歇半连续
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❖ 按照化学反应单元分 化学反应按功能的共性归类，称为化学反应单元 1.氧化反应：如二氧化硫氧化制硫酸；甲苯液相氧化
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1.5 化学反应工程的研究方法
❖早期：经验归纳法
将实验数据用量纲分析和相似方法整理而获 得经验关联式。这种方法在研究管道内单向流体 流动的压力降、对流给热及不带化学反应的气液 两相间的传质等方面都得到了广泛的应用。
由于化学反应过于复杂，传统的经验归纳方 法不能反应化学反应工程的基本规律。
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❖现在：数学模拟法
❖ 特点：沿着物料的流动方向，物流的温度、浓度 不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面 （又称径向平面）上物料的所有参数，如浓度、 温度、压力、流速都相同。所有物料质点在反应 器中具有相同的停留时间，不存在返混。长径比 很大，流速较高的管式反应器中的流体流动可视 为平推流。
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❖ 全混流模型：又称为理想混合模型或连续搅拌槽 式反应器模型，是一种返混程度为无穷大的理想 流动模型。它假定反应物料以稳定流量流入反应 器，在反应器中，刚进入反应器的新鲜物料与存 留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。
工业反应器中宏观反应动力学模型是化学动 力学模型、流动模型及传递模型的综合。
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❖数学模拟的简化要求：
各种工业反应工程是极为复杂的，一方面由 于对过程还不能全部地观测和了解，另一方面由 于数学知识和计算手段的限制，用数学模型来完 整地、定量地反映事物全貌目前还未能实现。因 此要将宏观反应过程的规律进行去粗取精的加工， 并在一定条件下进行合理简化。简化要求： （1）不失真 （2）能满足应用要求 （3）能适应当 前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值（4） 能适应现有计算机的能力
理想流动模型
❖ 按照流动模型分类
全混流模型
非理想流动模型
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❖ 间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定 的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸 出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物 料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随 着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时 间。
❖ 停留时间：质点从反应器入口到出口所经历的时间
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反 应器中的停留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖“化学反应工程”的概念：1957年 荷兰
VanKrevelen 在荷兰Amsterdan召开的第一届欧洲反应工 程大会上首先提出的。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，这标志着化学反应工程学科的初步形成
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❖黄金时代：1957年~20世纪70年代
随着反应动力学和传递过程的领域的发 展，以及石油化工的大发展，使生产日 趋大型化和单机化等等促使反应工程学 科的发展，使其进入黄金时代。
A L， B M
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连串反应：反应先形成某种中间产物，中 间产物又继续反应形成最终产物
AL M 例如：丁烷催化脱氢反应生产丁二烯 C4H10 －H2 C4H8 －H2 C4H6 －H2 焦炭
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平行连串反应： A + B L
L+B M
ห้องสมุดไป่ตู้
着眼于反应物A： A 对于反应物B： B
L M 是连串反应
L 发生的是平行反应
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1.2 化学反应工程的研究内容 化工生产过程：
原料的预处理
1
化学反应
2
1，3 ：化工原理中的单元操作 2 ： 化学反应工程
分离提纯
3
产品
4
6
❖化学反应工程研究的内容：
1. 反应：如反应机理 是否需要催化剂，选择什么样的催化剂 反应的温度、压力如何 等等
2. 反应器的设计：选择和设计最佳的反应装置
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❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返 混，又称为逆向混合。是不同年龄质点的混合， 逆向是时间的概念上的逆向，不同于一般的搅拌 混合。
在非理想流动中，会出现以下几种现象： 死角：流体在反应器中流动时，由于搅拌不均匀会
造成死角
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短路：在反应器中的物料，并不都达到了应有的停 留时间，一部分物料在应有的停留时间之前即已 溢流出去，而另一部分则较应有的停留时间长。 一般由于反应器进出口管线设置不好会引起短路
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❖半间歇反应器：将反应物 A 先放入反应器中，在 一定温度和压力下，反应物 B 连续加入反应器， 反应产物保留在反应器中，即为半间歇反应器。
加料
均匀混合
图2.4 半间歇反应器
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❖ 平推流模型：又称为活塞流模型。是一种返混量 为0的理想流动模型。它假设反应物料以稳定流量 流入反应器，在反应器中平行地像活塞一样向前 流动。