化学反应工程全套教学课件

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
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
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
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
❖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。
化学反应工程
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
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
❖ 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
❖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。
❖“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
❖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。
❖ 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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❖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。
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。
❖ 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。
❖ 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。
❖ 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。
数学模型放大法：
基础实 验测试
拟订过 程模型
用
电 子 计 算
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
❖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
1.3 化学反应工程学范畴及与其它学科的关系
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。
❖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）
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。
❖现在：数学模拟法
（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
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。
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
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。
❖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：
❖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。
❖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。
❖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。