化学反应工程(陈甘棠) 第一章
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•新材料合成 •能源化工 •环境化工 •新反应器
•操作方式
作业：反应工程的前沿之一
——对×××××××××的综述
2013年7月9日星期二
2HBr
700-7500c
500-6000c
CaBr2 1 O2 2
3FeBr 2 4 H 2 O Fe 2 O4
6HBr
+ H2
Br2
550-6500c 200-3000c
Fe2 O4
8HBr
3FeBr 4H 2O 2
2013年7月9日星期二
六、反应工程的前沿领域
2013年7月9日星期二
2、试验的方法
设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用
2013年7月9日星期二
基础 试验 测定
拟定 过程 模型
用 计 算 机 做 方 案 研 究
制 定 模 型 测 试 方 法 及 参 数 范 围
化学反应工程
2013年7月9日星期二
第一章 绪论
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
5发展趋势
2013年7月9日星期二
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
爆炸 ——自动控温装置
2013年7月9日星期二
温度过高
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 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
目标： 单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定 核心 ——复杂系统的工程放大
2013年7月9日星期二
3、工业反应的特点
法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世 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
2013年7月9日星期二
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
化 学
化学热力 学与反应 动力学
反应 过程 分析
反应 过程动 态特性与 反应系统 测量和 控制 优化
H2 H
(MTBE)
H2O+iC4H8
硫酸
CH3 HO C C CH3
(叔丁醇)
H2 H
2013年7月9日星期二
b： 高纯硅生产
化学 纯 Si
光谱 纯 Si
Si SiF4
Si
2SiF2
Si
SiF 4 (G)
SiF 4 (G)
2013年7月9日星期二
反应用于净化原料
银催化剂 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 加氢 氧化 CH CH H 2C CH 2 H 2 （微量） CH CH H 2 CH CH H 2O H 2 C CH 2
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
80万吨/年加氢裂化装置
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
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
煤燃烧，矿石焙烧 气－液吸收反应 炼铁，湿法冶金
2013年7月9日星期二
五、反应工程的发展趋势
反应工程用于产品分离
a ：iC , nC C
4
, 4
, 4
C
0 4
分离
CH 3 CH 3
CH 3OH iC4 H 8
60-1000c 1000c 阳离子树脂
O C C CH 3
T 0C
绝热式
L
2013年7月9日星期二
间壁换热式
L
自热式
L
T℃
冷激式 T℃
L
相变式
t (hr)
2013年7月9日星期二
按反应物相态分类
非催化反应 大部分气相反应 催化反应 大部分液相反应 胶体反应 酶和微生物反应 合成氨，硝酸，硫酸 炼油，合成材料单体
均相反应
快速反应（燃烧等）
非均相反应
•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
2013年7月9日星期二
Baidu Nhomakorabea
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
CH CH
O
用于能源过程
O
400c 氯化钙· 甲醇络合物 H CaCl2 CH 3 OH 0c 140
CH3-OH
低压 -5 c
0
CaCl2· 3C-OH 2H 1500C
CH 3 -OH
400C
液相（高压）
2013年7月9日星期二
节流
生态工业组合
磷肥生产
Ca3 ( PO4 ) 2 3H 2 SO4 H 3 PO4 3CaSO4
100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
2013年7月9日星期二
高 低 并 列 的 提 升 管 FCC 装 置
2013年7月9日星期二
南 充 炼 厂 FCC 装 置
2013年7月9日星期二
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
小试
模型的放大 试验
比较测试结 果与模型计 算结果 中试 修正基础模型
数学模拟放大示意图
2013年7月9日星期二
用 计 算 机 做 多 方 案 及 优 化 设 计 计 算
过 程 的 基 本 设 计
四、化学反应过程分类
按操作方式分类 间歇操作 连续操作 半连续操作 按反应器除热方式分类
3NH 3
( NH 4 ) 3 PO4
磷石膏分解 CaSO4 CaO
SO3
CaS CaO SO2
硫酸生产
SO2 1 O2 SO3 2
H 2 O H 2 SO4
2013年7月9日星期二
低能耗制H2
1 CaBr H2O CaO 2
2 CaO 3 4
Br2
工 程 控 制
催化剂
设备结构及 参数控制 经济学
2013年7月9日星期二
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
2013年7月9日星期二
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2013年7月9日星期二
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》
45万吨/年乙烯裂解球罐
2013年7月9日星期二
釜式反应器
2013年7月9日星期二
环管反应器
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式
建立数学模型
动力学方程式 物料、热量、动量衡算式
求解数学模型的计算方法 计算机软件的实现及计算结果
•操作方式
作业：反应工程的前沿之一
——对×××××××××的综述
2013年7月9日星期二
2HBr
700-7500c
500-6000c
CaBr2 1 O2 2
3FeBr 2 4 H 2 O Fe 2 O4
6HBr
+ H2
Br2
550-6500c 200-3000c
Fe2 O4
8HBr
3FeBr 4H 2O 2
2013年7月9日星期二
六、反应工程的前沿领域
2013年7月9日星期二
2、试验的方法
设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用
2013年7月9日星期二
基础 试验 测定
拟定 过程 模型
用 计 算 机 做 方 案 研 究
制 定 模 型 测 试 方 法 及 参 数 范 围
化学反应工程
2013年7月9日星期二
第一章 绪论
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
5发展趋势
2013年7月9日星期二
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
爆炸 ——自动控温装置
2013年7月9日星期二
温度过高
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 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
目标： 单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定 核心 ——复杂系统的工程放大
2013年7月9日星期二
3、工业反应的特点
法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世 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
2013年7月9日星期二
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
化 学
化学热力 学与反应 动力学
反应 过程 分析
反应 过程动 态特性与 反应系统 测量和 控制 优化
H2 H
(MTBE)
H2O+iC4H8
硫酸
CH3 HO C C CH3
(叔丁醇)
H2 H
2013年7月9日星期二
b： 高纯硅生产
化学 纯 Si
光谱 纯 Si
Si SiF4
Si
2SiF2
Si
SiF 4 (G)
SiF 4 (G)
2013年7月9日星期二
反应用于净化原料
银催化剂 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 加氢 氧化 CH CH H 2C CH 2 H 2 （微量） CH CH H 2 CH CH H 2O H 2 C CH 2
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
80万吨/年加氢裂化装置
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
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
煤燃烧，矿石焙烧 气－液吸收反应 炼铁，湿法冶金
2013年7月9日星期二
五、反应工程的发展趋势
反应工程用于产品分离
a ：iC , nC C
4
, 4
, 4
C
0 4
分离
CH 3 CH 3
CH 3OH iC4 H 8
60-1000c 1000c 阳离子树脂
O C C CH 3
T 0C
绝热式
L
2013年7月9日星期二
间壁换热式
L
自热式
L
T℃
冷激式 T℃
L
相变式
t (hr)
2013年7月9日星期二
按反应物相态分类
非催化反应 大部分气相反应 催化反应 大部分液相反应 胶体反应 酶和微生物反应 合成氨，硝酸，硫酸 炼油，合成材料单体
均相反应
快速反应（燃烧等）
非均相反应
•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
2013年7月9日星期二
Baidu Nhomakorabea
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
CH CH
O
用于能源过程
O
400c 氯化钙· 甲醇络合物 H CaCl2 CH 3 OH 0c 140
CH3-OH
低压 -5 c
0
CaCl2· 3C-OH 2H 1500C
CH 3 -OH
400C
液相（高压）
2013年7月9日星期二
节流
生态工业组合
磷肥生产
Ca3 ( PO4 ) 2 3H 2 SO4 H 3 PO4 3CaSO4
100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
2013年7月9日星期二
高 低 并 列 的 提 升 管 FCC 装 置
2013年7月9日星期二
南 充 炼 厂 FCC 装 置
2013年7月9日星期二
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
小试
模型的放大 试验
比较测试结 果与模型计 算结果 中试 修正基础模型
数学模拟放大示意图
2013年7月9日星期二
用 计 算 机 做 多 方 案 及 优 化 设 计 计 算
过 程 的 基 本 设 计
四、化学反应过程分类
按操作方式分类 间歇操作 连续操作 半连续操作 按反应器除热方式分类
3NH 3
( NH 4 ) 3 PO4
磷石膏分解 CaSO4 CaO
SO3
CaS CaO SO2
硫酸生产
SO2 1 O2 SO3 2
H 2 O H 2 SO4
2013年7月9日星期二
低能耗制H2
1 CaBr H2O CaO 2
2 CaO 3 4
Br2
工 程 控 制
催化剂
设备结构及 参数控制 经济学
2013年7月9日星期二
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
2013年7月9日星期二
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2013年7月9日星期二
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》
45万吨/年乙烯裂解球罐
2013年7月9日星期二
釜式反应器
2013年7月9日星期二
环管反应器
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二
三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式
建立数学模型
动力学方程式 物料、热量、动量衡算式
求解数学模型的计算方法 计算机软件的实现及计算结果