反应工程第一章

选用教材
张濂，许志美，袁向前。

《化学反 应工程原理》。

华东理工大学出版社


第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 第十二章
绪论 反应动力学 化学反应动力学 反应器 理想间歇反应器 传递现象 理想管式反应器 连续流动釜式反应器 反应过程中的混合现象及其对反应的影响 反应器选型与操作方式 气固催化反应过程的传递现象 反应过程的温度特征和反应器的温度分布 热量传递与反应器的热稳定性 反应动力学的实验测定 反应过程研究实例分析


参考书目
1. 朱炳宸。

《化学反应工程》（第三版/第四版/第五版， 21世纪教材）。

化学工业出版社，2001/2006/2011 2. 陈甘棠。

《化学反应工程》（第三版，21世纪教材）。

化学工业出版社，2007 3. 李绍芬。

《反应工程》（第二版）化学工业出版社 4. 郭锴。

《化学反应工程》（第二版，21世纪教材）。

化 学工业出版社，2008 5. 程振民，朱开宏，袁渭康。

《高等反应工程教程》，华 东理工大学出版社，2010 6. Levenspiel O，《Chemical Reaction Engineering》，1962。

预备知识
高等数学：微积分、代数方程及微分 方程的求解等 物理化学：动力学、热力学 化工原理：流体流动、传递过程


课程安排
6-18周，每周4节，45学时，2.5学分 授课方式：讲课与讨论相结合 成绩：平时成绩(30%)+ 课程考试(70%)


绪论


内容大纲
01 化学反应工程的发展历史 化学反应工程的研究对象和目的 化学反应工程研究内容 化学反应工程研究方法 化学反应工程在工业反应过程开发中的作用 本章小结
02
03 04 05
06


1.1 化学反应工程的发展历史
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。

初步形成：1947年，出版了两本书:《化学过程原理》的第 三卷，专门讲述动力学与催化过程,《化学动力学中的扩散 与传热》； 正式命名：1957年，在荷兰首都举行了第一次欧洲化学反应 工程会议。

正式提出“化学反应工程”的概念。

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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。

☺1962年，俄勒冈州立大学教授的Levenspiel O编
写的《Chemical Reaction Engineering》正式出版 。

Octave Levenspiel (1926～ )
Chemical reaction engineering (1962, 1972, 1998 )
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☺ 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。

2014年召 开了第23届国际化学反应工程讨论会. ☺ 70年代中期，《反应工程》向深度和广度发展， 形成很多新的分支： 生物化学反应工程，电化学反应工程，聚合反应工 程……。

☺ 1981年，《化学反应工程》正式列入我国高等 教育课程. ☺ 1985年，《化学反应工程与工艺》创刊。

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☺ 20世纪90年代中期，计算机和微电子技术普遍应用 实现了反应器的精确控制问题。

通过与其它学科的交叉形成了一系列新的交叉学科。

反应与分离过程的结合出现了多功能反应器。

☺进入 21世纪，随着人们环保意识的增强，对化学反 应工程学科提出了新的要求。

新的环境友好、原子经 济的绿色反应工艺出现，对反应工程学科的发展给予 了强大的外部推动力，促使其向新的学科和技术领域 延伸。

内容大纲
01 化学反应工程的发展历史 化学反应工程的研究对象和目的 化学反应工程研究内容 化学反应工程研究方法 化学反应工程在工业反应过程开发中的作用 本章小结
02
03 04 05
06


1.2、化学反应工程的研究对象和目的
1、化学反应工程的研究对象 工业规模的化学反应过程
第①和③两部分属于单元操作的研究范围； 第②部分是反应工程的研究对象，生产过程的核心。

2、化学反应工程的目的 工业反应器的优化
所谓优化，就是在一定的范围内， 选择一组优惠的决策变量，使“系统”对 于确定的评价标准达到最佳的状态。

设计型 优化类型 操作型


1.1.1 约束条件 1、上、下游的约束： 上游——预处理的程度 下游——产品的纯度，分离的难度 2、材料的约束：高温反应器 3、安全的约束：易燃易爆 4、环境的约束： 5、政策的约束： 。

1.1.2 决策变量 设计者和操作者可以选择、改变的。

工业反应过程优化的决策变量主要有三个： 1、结构变量：反应器的型式和结构尺寸 2、操作方式 3、工艺条件


工业反应器型式分类
`
按反应器形状分类 管式反应器，一般长径比大于30 槽式反应器，一般高径比为1—3 塔式反应器，一般高径比在3—30之间 按操作方式分类 间歇操作、连续操作、半连续操作 按传热条件分类 分为等温、绝热、非等温、非绝热反应器 按反应物相态分类 分为均相和非均相反应器
`
`
`


按物料相态分类的反应器类型
相态 均 相 气相 液相 气-液相 液-液相 气-固相 非 均 相 液-固相 固-固相 气-液-固相 举例 燃烧、裂解 中和、酯化、水解 氧化,氯化,加氢,化学 吸收 磺化,硝化,烷基化 燃烧,还原,各种固相 催化 还原,离子交换等 电石,水泥制造等 加氢裂解,加氢脱硫等 特性 无相界面,反应 速率只与温度 或浓度有关 主要装置形式 管式 槽(釜)式、管式 槽式,塔式 有相界面,实际 反应速度与相 界面大小及相 间扩散速度有 关 槽式,塔式 固定床,流化床 移动床 槽式,塔式 回转窑式 滴流床,槽式


常见的工业反应器类型
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。

管式反应器
釜式反应器
`过程工业中的核心装置，其
性能对生产过程的影响举足
轻重。

`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。

釜式反应器
各种搅拌桨的形式
2015/10/13搅拌釜的各种换热形式
釜式反应器
塔式反应器
特征：反应器高度为直径的3~30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。

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。

固定床反应器
特点：结构简单。

催化剂损耗少。

很小的气固返混。

较长的扩散时间及距离。

高的床层压降
床内取热供热困难
催化剂的取出更新困难。

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。

列管式固定床反应器：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。

根据换热方式不同,可分为三种型式：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。

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：
1、催化剂快速失活需立即再生
的：催化裂化装置
2、强放热反应：丙烯氨氧化，
萘氧化，丁烯氧化脱氢
3、固相加工反应：黄铁矿，闪
锌矿的焙烧，石灰石的煅烧等流化床反应器
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特征：
1、固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。

2、反应流体与颗粒成逆流接触。

适用：
催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。

移动床反应器
鼓泡塔反应器
塔内充满液体，气体从反应器底部通
入，分散成气泡沿着液体上升，既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。

这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。

鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。

鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。

工业反应过程优化的决策变量主要有三个：
1、结构变量：反应器的类型，尺寸，结构
2、操作方式：间歇操作、连续操作、半连续操作
3、工艺条件
间歇操作
反应原料一次性加入到反应器后开始反应，经一段时间后将反应混合物全部取出的操作方式，多在釜式反应器中进行。

几种催化剂种类
•比表面积•破碎强度•压降•制备方法
无定形颗粒球形柱形长柱形
三叶草形环形多孔柱形车轮形独石形金属独石形Foam
经济指标技术指标技术上可行，经济上合理
1.1.2、优化的经济指标
工业反应过程的经济指标是指生产某一产品所需的成本或是产品的利润大小。

生产某一定量产品所需的生产费用，包括一次性的投资费(主要是设备和机器费用)及经常性的原料和操作费用。

操作费用主要包括人工费、动力消耗、能量消耗、设备维修等方面的开支。

工业反应过程的评价是一个多目标的优化问题。

除了反映过程经济效益的生产成本之外，其余的目标都无法以定量的形式表示，也难以归并在生产成本里。

故在本书的优化计算和优化讨论都作如下简化处理，即把工业反应过程的经济指标作为唯一的优化目标。

工业反应过程的经济目标直接取决于生产费用的大小。

生产过程的费用主要由原料费用、设备费用和操作费用三部分组成。

显然，工业反应过程的这些经济目标与该过程的技术指标密切相关。

1.1.3、优化的技术指标
任何一个化学反应过程要实现工业化生产，首先必须在技术上是可行的。

所谓技术的可行性包括反应过程有合适的催化剂，反应能以一定的速率和选择率进行；对反应产物有可能进行分离提纯以取得合格产品；有适宜的反应温度、压力等条件；反应过程中产生的废料有合适的处理技术，以免对环境污染等等。

反应过程的主要技术指标有以下三个：
(1)反应速率：决定了一次性投资，反应器的大小
(2)反应选择率：决定成本，经济效益的重要指标
(3)能量消耗：系统工程，能量综合利用
组分A 的选取原则
（3）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；
（1）A 必须是反应物，转化率的最大值应当可以达到100%；
L
L ++⎯→⎯++S R B A s r b a （2）对于同一反应，若反应物不止一个，那么，不同反应组分的转化率在数值上可能不同。