化学反应工程绪论

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化学反应工程简介
1. 典型的化学加工过程
无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过 程，采用化学方法将原料加工成为有用的产品时，生产过 程一般包括如下三个组成部分：
第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分 是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。
例如：催化裂化是一个石油炼厂的核心
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第五章 非理想流动 （10 学时）
反应器中的混合及对反应的影响
5.1 连续反应器中物料混合状态分布 5.2 停留时间分布的测量及其性质 5.3 非理想流动的流动模型 5.4 混合程度及其对反应结果的影响 5.5 非理想流动反应器的计算
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成绩评定
平时成绩 ：30%:作业,出勤等 期末考试：70%
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
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预备知识
高等数学：微积分，代数方程及微分方程的 求解
物理化学：动力学，热力学 化工原理：流体流动，传递过程
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《化学反应工
化学工业生产过程包括物理变化和化学反应的过程。
荷兰van Krevelen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。
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从成书来看，1937年G．Dankohler（丹克 莱尔）在Der Chemie Ingeniem的第三卷中就 写了扩散、流动与传热对化学反应收率影 响的专章，堪称是这方面的先驱。
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化学反应工程学的内容
化工动力学：主要研究在工业条件下，化 学反应进行的机理和速率—“三传一反”
反应器的设计与分析：研究不同反应器内 传递过程，温度、浓度等因素对化学反应 动力学的影响规律，找出最优工况和最好 的反应器→获得最大的经济效益。
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宏观动力学与本征动力学
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。
化学反应过程是生产的关键。化学反应工程研究化
学反应的工程问题.使化学反应实现工业化的一门科
学。
主要内容是：对工业反应进行宏观动力学研究；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。
本课程的教学任务是讲授上述的基本理论、概念和
研究方法.
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教学目的
为学生具有以下方面的能力打下坚实的理论基 础：
工业反应器里的化学反应过程是同时伴随物理 变化的复杂过程。
：物理变化与化学反应二者的综合→宏观反应 过程,研究宏观反应过程的动力学称为宏观动 力学.
物理变化概括为三种传递过程:
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动量传递过程－流动因素
A→B A
rA CA
CA CA0et
C A0
CA
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热量传递过程－传热因素
A→B
rA kCA
反应 5.按化学反应的热特性分类：吸热反应，放热反应 6. 按反应过程的条件分类：等温、绝热、非绝热变温
反应，常压、加压，减压反应等
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化工厂图
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化工设备
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1.3.2 工业反应器的分类
现代大型化工厂的外貌特征：厂房毗连， 设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和 管道交错复杂。其中，化学反应器是化工 厂的核心设备。
1. 改进和加强现有的反应技术和设备； 2. 开发新的反应技术和新的反应设备； 3. 用理论指导和解决反应过程开发中的放大问
题； 4. 实现反应过程的最优化； 5. 不断发展反应工程学的理论和方法。
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教学安排
第一章绪论（2学时） 1.1 化学反应工程学的历史和趋势 1.2 化学反应工程学的内容与任务 1.3化学反应及化学反应器的分类 1.4化学反应工程学的研究方法
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生产硫酸
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化学反应工程学科的形成第二阶段
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。
Fritz Haber (1868 - 1934) 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
化学反应工程的研究进入了崭新的阶段。 80年代后，化学反应工程正式进入我国化
工高等教育。 1985年，《化学反应工程与工艺》创刊。
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1.2 化学反应工程学的内容与任务
化学工程学科体系的基本内容：
化学工程共同的现象，可概括为“三传 一反”，即动量传递、热量传递、质量传 递及化学反应，其学科形成了以传递过程 及化学反应工程为核心的学科体系（包括 化工热力学、化工单元过程、分离工程、 化工系统工程等）
性能对生产过程的影响举足 轻重。 裂解炉 搅拌釜式反应器 多釜串联反应器 气液相塔式反应器 固定床反应器 流化床反应器 气液固三相反应器
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1.4 化学反应工程（CRE）研究方法
理论方法，经验方法，数值计算方法
半理论半经验方法：数学模拟方法
研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。
化学动力学，或称为本征动力学，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，但不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。
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宏观动力学与本征动力学不同之处在于： 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 交联作用从相互影响，这显然与反应器的 结构设计和操作条件有关。
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。
3.2 实验室反应器及动力学数据的处理
3.3 气固相催化反应宏观动力学
3.4 固体颗粒的表征
3.5 固定床反应器内的传递特性
3.6 多孔催化剂颗粒内的扩散过程
3.7 传质影响的判断与消除
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第四章 理想反应器 （12学时 )
4.1 流动模型概述 4.1.1 反应器中流体的流动模型 4.1.2 反应器设计的基本方程 4.2 理想流动反应器 4.2.1 间歇反应器 4.2.2 平推流反应器 4.2.3 全混流反应器 4.2.4 多级全混流反应器的串联及优化 4.2.5理想流动反应器的组合与反应体积比较 4.2.6理想流动反应器中多重反应选择率
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化学反应工程学科的形成第三阶段
第二次世界大战以后：生产技术及设备的更新和 生产规模的大型化，特别是石油化工的发展对化 学反应过程的开发以及反应器的设计提出了越来 越急迫的要求；
化学动力学、化工单元操作(特别是流体流动、传热和
传质)方面的理论和实验的长足进步促使化学工程学科
从动量传递、热量传递质量传递的角度深入研究化工生
区别：“点”的局部速率，宏观区域的速 率。
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化学反应工程学的任务
反应器的设计、优化及放大三个主要方面 分析化学反应的特点，确定合适的反应条件 选择合适的反应器并对其进行最优化设计 对反应器进行最优操作和控制
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例：催化裂化过程的发展：
固定床 移动床
循环流化床
提升管 两段提升管、下行式循环流化床
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例 丙烯的价格：6000元/吨（2009年2月数据） 聚丙烯的价格：9000元/吨（2009年2月数据）
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中国化学品的产量，（2007年2月的数据）
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化学反应无处不在
衣 食 住 行
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化学反应工程研究对象
研究对象：工业规模的化学反应过程。
化学反应工程的中心内容是深入认识有关工业 反应器的操作和设计所必需的理论知识.
1947年，Hougen（霍根）与Watson（华生） 所写的Chemical Process Principles的第三卷 中专门讲述动力学与催化过程，该书成为 化学反应工程的首批专著。
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1960年，美国Bird等编写了《传递现象》这部历 史性的著作Transport Phenomena
用来实现化学变化的设备－－反应器
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1.3.2 工业反应器的分类
1. 按反应的相数及类别分类（常用）：
均相反应器：气相反应器、液相反应器
非均相反应器：气固相、气液相、液固相、固相及气液相 三相反应器
2. 按反应器内物料的流动状态分类：
平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。
理想流动反应器，非理想流动反应器
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1957年举行的第一次欧洲的化学反应工 程会议上确立了化学反应工程这一学科 的名称.
60年代后，数学模型方法在化学反应工 程的研究中日益深入
70年代前后，相继出现了全面、系统地 论述化学反应工程的专著和教材
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80年代后，高新技术的发展和应用使化学 反应工程形成了新的分支：生化反应工程、 聚合反应工程和电化学反应工程等。
70%以上的化工产品是由催化过程生产！ 催化剂的性质、性能直接影响反应器的设计！
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催化剂 活性 选择性 寿命/稳定性
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1.3 化学反应及化学反应器的分类
•1.3.1 化学反应的工程分类
1. 按反应的相数及类别分类：均相反应，非均相反应 2. 化学反应的选择性分类：简单反应，复合反应， 3.按化学反应的机理分类：基元反应和非基元反应 4. 按化学反应的动力学级数分类：一级，二级，三级
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。
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20世纪初，英国的Davis,美国的Walker, Lewis 等提出了“化学工程”的概念，发展成为以 “单元操作” （unit operations）为基本研究 内容的化学工程学。
3.按反应器的几何构型分类：
管式反应器、槽式反应器、塔式反应器
4.按操作方式分类：间歇式反应器、连续式反应器、半连
续式反应器(见绪论表)) .
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操作方式
间歇，连续，半连续
间歇
连续
气
液
半连续 气
气
封闭系统
气
液
流动系统
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气
气
流动系统
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常见反应器
用来实现化学变化的设备 过程工业中的核心装置，其
E
k k0e RT
A
C A0
CA
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质量传递过程－传质因素
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质量传递过程－传质因素
此处反应较快
边缘反应物浓度高 中央反应物浓度低
R
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1.2 化学反应工程学的内容与任务
化学反应工程学：是一门研究化学反应的 工程问题的科学。以化学反应作为对象， →化学反应的特性，它又以工程问题为其 对象→ 装置的特性，并把这两者结合起来 形成学科体系。
by Scott Fogler
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第一章 绪 论
•1.1 化学反应工程发展简述
化学反应工程学科的形成第一阶段 古代: 陶瓷器的制作、酒与醋的酿造、造纸
等等，都是众所周知的化学反应过程。只 能主要依靠经验成为一门技艺，而达不到 工程科学的水平。原因：没有能够认清它 们的共同规律。
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化学反应工程学科的形成第一阶段
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化学反应工程学与其它学科关系
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数学： 微积分 代数方程；微分方程 ---数值解和解析解 优化 ---函数极值，曲线拟合
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动力学
rf(C,T,p,Ca ,.t....
化学反应工程的重要支柱之一。
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热力学
反应平衡常数 可能性和极限 反应热 供热还是移热
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催化作用
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选用教材
《化学反应工程》，朱炳辰主编，化学工业出版 社
主要参考书： 《化学反应工程》，陈甘棠主编，化学工业出版
社. <反应工程原理> ，罗康碧等编，化学工业出版
社。 Chemical Reaction Engineering,
by Levenspiel O. Elements of Chemical Reaction Engineering
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第二章 均相反应动力学 （10学时）
2.1化学反应速率 2.2化学反应速率方程 2.3化学反应速率方程式的变换与积分 2.4复合反应动力学分析 2.5反应速率的浓度效应 2.6反应速率的温度效应
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第三章 非均相反应动力学 气固相催化反应动力学 （ 8 学时）
3.1 气固相催化反应本征动力学