天津大学工业化学基础第三章第一节概述PPT课件
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28.11.2020
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
28.11.2020
28.11.2020
28.11.2020
28.11.2020
3、工业反应的特点
➢ 物性庞杂
多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体） 温度,压力,粘度,重度,表面张力… 变化幅度大
➢ 非线性耦合
物理,化学,生物学之间 ➢ 预测精度高 ➢ 生产规模大
250万T/年－1000万T/年 催化裂化（ф 10m, H=70m) 30万T/年－100万T/年 乙烯裂解 30万T/年 合成氨－52万T/年 尿素 100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
28.11.2020
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
反应器中流体
流动、混合传
热和传质
反应
化 化学热力 学 学与反应
动力学
反应 过程 分析
过程动 态特性与 反应系统
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
设备结构及 参数控制
优化
28.11.2020
反应过程动态特性与反应系统测量和控制
——工业生产的必须条件，人为不能达到
例如：对于一放热反应
进料温度高
反应速率快 放热不及时 温度升高
爆炸
温度过高
——自动控温装置
28.11.2020
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适宜反应器型 式 确定最优工艺条件
估算反应器尺寸大小
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
28.11.2020
经济学
1 化学反应工程研究范畴
工业规模的化学反应过程是比较复杂的，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，必然影响化学反应效果。工业反应器中主要的物理 过程有：①流体的返混和不均匀流动；②传质过程；③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，物理过程不改变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浓度在 时间、空间上的分布，从而影响反应的最终结果。从学科 角度讲，化学反应规律属化学动力学领域，物理过程规律 属化学工程领域。化学反应工程学实际上是这两个学科的 汇合，即物理过程和化学过程两者结合，产生新的、有趣 的现象，从这些现象中引伸出重要的反应工程理论。正是 这些理论指导工业反应过程的开发，即选择适宜的反应器 结构、型式、操作方式和工艺条件等。
28.11.2020
高 低 并 列 的 提 升 管
装 置
28.11.2020
FCC
Байду номын сангаасCC
南 充 炼 厂 装 置
28.11.2020
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
大规律，具有十分重要的意义
28.11.2020
在现代化大规模连续操作的化工厂中，化 学反应器约占生产设备总投资的15％－20 ％，分离设备的投资占生产设备总投资的 大部分。但是反应器设计的优劣、反应结 果的好坏，常常是决定整个生产过程效益 的关键所在。在现代生产体系中，社会分 工较细，一个工厂的产品常常又是另一个 工厂的原料，所以构成化工产品成本的诸 因素中，原料所占的比重常常是决定性的。 如何在一个化学反应过程中，最大限度地 利用原料生产出最多的目标产品，就成为 至关重要的因素，而这一问题正是化学反 应工程所要研究解决的。
28.11.2020
化学热力学——讨论反应进行的方向和限度，平衡问题 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率
反应动力学——阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、 浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 —— 决定能否实际应用的关键所在
28.11.2020
•反应器中流体流动、混合传热与传质 ——影响反应速率的外因 如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等 ——“放大效应“产生的直接原因 •设备结构及参数设计 如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、 操作方式（连续、分批） ——考虑经济上的合理性
目标： 单位设备容积的反应器处理能力大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
28.11.2020
1)改进和强化现有反应技术和设备,使之优 质、高产、低能耗；
(2)开发新的反应技术和设备； (3)利用实验室数据解决反应过程中放大问
题； (4)实现反应过程的最优化； (5)不断发展化学反应工程学的理论和方法 （6）化学反应器的正确选型与合理设计
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
28.11.2020
化学反应工程 ：把化学反应和工程中的问题统
一起来研究，研究反应器的设计放大和过程最优 化，便形成了化学反应工程学，是化学工程学科 的一个重要组成部分，是关于如何在工业规模上 实现化学反应过程，以期最有效地把原料转化为 尽可能多的目标产品，争取实现经济效益，满足 国民经济需要的一门学科。凡是涉及物质分子结 构变化的过程都属化学反应的范畴，故而广义的 化学反应工程涉及面十分广阔，诸如无机化工、 有机化工、精细化工、高分子化工、冶金工程、 环保工程、生物化工等等。在许多发达国家，化 学工业及与之相关的工业已成为国民经济中占主 要地位的产业部门。所以研究化学反应过程的放
化学反应工程 及反应器
28.11.2020
第一节 概述
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法 4 化学反应过程分类
28.11.2020
一、反应工程在化学工程学科中的地位
1、化学工程的主要研究内容
原料的预处理 化学方法加工 进行化学反应
单元操作（三传） 反应工程
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
28.11.2020
28.11.2020
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28.11.2020
3、工业反应的特点
➢ 物性庞杂
多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体） 温度,压力,粘度,重度,表面张力… 变化幅度大
➢ 非线性耦合
物理,化学,生物学之间 ➢ 预测精度高 ➢ 生产规模大
250万T/年－1000万T/年 催化裂化（ф 10m, H=70m) 30万T/年－100万T/年 乙烯裂解 30万T/年 合成氨－52万T/年 尿素 100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
28.11.2020
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
反应器中流体
流动、混合传
热和传质
反应
化 化学热力 学 学与反应
动力学
反应 过程 分析
过程动 态特性与 反应系统
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
设备结构及 参数控制
优化
28.11.2020
反应过程动态特性与反应系统测量和控制
——工业生产的必须条件，人为不能达到
例如：对于一放热反应
进料温度高
反应速率快 放热不及时 温度升高
爆炸
温度过高
——自动控温装置
28.11.2020
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适宜反应器型 式 确定最优工艺条件
估算反应器尺寸大小
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
28.11.2020
经济学
1 化学反应工程研究范畴
工业规模的化学反应过程是比较复杂的，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，必然影响化学反应效果。工业反应器中主要的物理 过程有：①流体的返混和不均匀流动；②传质过程；③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，物理过程不改变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浓度在 时间、空间上的分布，从而影响反应的最终结果。从学科 角度讲，化学反应规律属化学动力学领域，物理过程规律 属化学工程领域。化学反应工程学实际上是这两个学科的 汇合，即物理过程和化学过程两者结合，产生新的、有趣 的现象，从这些现象中引伸出重要的反应工程理论。正是 这些理论指导工业反应过程的开发，即选择适宜的反应器 结构、型式、操作方式和工艺条件等。
28.11.2020
高 低 并 列 的 提 升 管
装 置
28.11.2020
FCC
Байду номын сангаасCC
南 充 炼 厂 装 置
28.11.2020
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
大规律，具有十分重要的意义
28.11.2020
在现代化大规模连续操作的化工厂中，化 学反应器约占生产设备总投资的15％－20 ％，分离设备的投资占生产设备总投资的 大部分。但是反应器设计的优劣、反应结 果的好坏，常常是决定整个生产过程效益 的关键所在。在现代生产体系中，社会分 工较细，一个工厂的产品常常又是另一个 工厂的原料，所以构成化工产品成本的诸 因素中，原料所占的比重常常是决定性的。 如何在一个化学反应过程中，最大限度地 利用原料生产出最多的目标产品，就成为 至关重要的因素，而这一问题正是化学反 应工程所要研究解决的。
28.11.2020
化学热力学——讨论反应进行的方向和限度，平衡问题 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率
反应动力学——阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、 浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 —— 决定能否实际应用的关键所在
28.11.2020
•反应器中流体流动、混合传热与传质 ——影响反应速率的外因 如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等 ——“放大效应“产生的直接原因 •设备结构及参数设计 如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、 操作方式（连续、分批） ——考虑经济上的合理性
目标： 单位设备容积的反应器处理能力大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
28.11.2020
1)改进和强化现有反应技术和设备,使之优 质、高产、低能耗；
(2)开发新的反应技术和设备； (3)利用实验室数据解决反应过程中放大问
题； (4)实现反应过程的最优化； (5)不断发展化学反应工程学的理论和方法 （6）化学反应器的正确选型与合理设计
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
28.11.2020
化学反应工程 ：把化学反应和工程中的问题统
一起来研究，研究反应器的设计放大和过程最优 化，便形成了化学反应工程学，是化学工程学科 的一个重要组成部分，是关于如何在工业规模上 实现化学反应过程，以期最有效地把原料转化为 尽可能多的目标产品，争取实现经济效益，满足 国民经济需要的一门学科。凡是涉及物质分子结 构变化的过程都属化学反应的范畴，故而广义的 化学反应工程涉及面十分广阔，诸如无机化工、 有机化工、精细化工、高分子化工、冶金工程、 环保工程、生物化工等等。在许多发达国家，化 学工业及与之相关的工业已成为国民经济中占主 要地位的产业部门。所以研究化学反应过程的放
化学反应工程 及反应器
28.11.2020
第一节 概述
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法 4 化学反应过程分类
28.11.2020
一、反应工程在化学工程学科中的地位
1、化学工程的主要研究内容
原料的预处理 化学方法加工 进行化学反应
单元操作（三传） 反应工程