4化学反应工程的基本原理
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化学工业与其他工业的主要区别是在原料加工过程中发生了化学反应。化学反应 工程是一门研究在生产装置中进行化学反应的工程学科,它把反应的化学特性 和装置的传递特性有机地结合起来,形成了化学工程学的一个重要分支。它以 工业反应过程为主要研究对象,以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器 设计为主要研究内容。
Baidu Nhomakorabea
4 .1 .2化学反应工程中的基本概念
?(一)关于体积 ?(二)关于时间 ?(三)混合与返混Mix and backmixing
4 . 2化学反应体系的量
?4 .2 .1化学计量方程式 ?4 .2 .1化学反应进行的程度 ?4 .2 .3化学反应速率 ?4 .2 .4收率与选择性 yield and selectivity ?4 .2 . 5等温变容反应系统 Isothermal reaction
化学反应工程是研究如何在工业规模上实现有经济价值的化学反应。任何一个化 学反应过程要实现工业化生产,必须做到技术上的可行性和经济上的合理性。 技术上的可行性包括一个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;对生成的产物可以通过一定的手段进行分离提纯;有适宜的反应温度、 压力等条件;反应过程产生的废料有合适的处理技术,以免对环境产生污染等。 当生产过程的技术问题解决之后,过程在经济上的合理性就成为工程技术人员 追求的主要目标。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDMxMDU1NTA0.html
内容
?4 .1概 述 ?4 2化学反应体系的量 ?4 .3均 相 反 应 器 ?4 .4化学反应器中的非理想流动 ?4 .5气-固相催化反应 ?4 .6气-固相催化反应器 ?4 .7生化反应工程基础
4 .1概 述
(三)化学反应工程学的研究方法
? 可见，在工业反应器中进行的化学反应，既不是实验室化学试验的再 现，也不是化学反应的简单放大。所以实验室研究成果的产业化，以 往通常先要在实验室规模的装置上试验，然后再在稍大的装置上试验， 并逐步放大，最后在工业装置上进行工艺过程的试验。这种方法安全 可靠，但却非常费事、费时且成本高。随着现代科学技术的发展，用 数学模型法对化学反应工程有关内容进行的研究也在迅速发展。数学 模型法就是将复杂的对象进行合理的简化，用数学表达式来表示反应 器的空间、时间与反应参数间的关系，即用数学语言来表达化学反应 过程中各个变量之间的关系。建立数学模型的一般程序包括:模型的建 立、模型参数的估计和模型的鉴别。具体做法是根据对实际化工过程 的理解、概括，提出一个合理的简化模型来模拟复杂的实际过程;然后 以简化了的模型确定各参数和变量之间的数学关系式—数学模型;最后 通过计算机进行模拟实验，并经过实际装置的检验和修正，建立有效、 可靠的数学模型以应用于放大计算。
(二)工业反应器
? 2.反应器的类型
同一反应在不同类型结构的反应器中进行，其化学反应的 效果是不相同的。如在带搅拌器的釜式反应器中进行的反 应，由于良好的搅拌提供了良好的传质条件;列管式反应 器的单位体积物料的传热面积比夹套反应器要大得多;还 有像氯化、硝化、还原等单元反应中的许多产品的生产， 在使用相同体积的反应器时，由于结构和操作条件的不同 能使生产能力提高数十倍甚至上百倍。所以，我们在设计 和选用反应器时，不仅需要了解化学反应的特点，还必须 熟悉各种反应器结构特点及传递特性。工业上反应器的类 型繁多，分类方法也有多种。
工业反应过程的经济指标大都是指生产某一产品过程中所需的成本或产品的利润。 成本或利润的高低与生产费用密切相关。生产费用包括一次性的投资费用(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、设备维修和公用工程等方面的开支。决定工业反应过 程经济性的技术指标主要有反应速率、反应选择率及生产过程中的能量消耗。 因化工生产的复杂性,能耗往往要以整个流程、车间、甚至整个工厂作为一个 系统进行全面考察,这已超出本教材的讨论范围。本章主要以反应速率和反应 选择性作为衡量化学反应生产过程经济性的两个基本技术指标。
化学反应工程的基本原理
Basic principles of chemical reaction engineering
Dr.潘传艺
?阐明化学反应工程课程地位，激发学生学 习兴趣。
?The course position of chemical reaction engineering was elaborated in order to clarify the status of chemical engineering, and stimulate students' interest in learning
(三)化学反应工程学的研究方法
? 将小型实验研究成果推广到工业规模的生产中使用时， 涉及到化学反应器的放大问题。因为实验室反应过程与工 业化生产过程之间在物料数量上存在的巨大差距，以及传 质、传热与设备材质的差异，能源与动力、技术与经济等 条件的制约和其他诸多方面的影响，都将产生许许多多的 区别。例如，由于单位体积物料所提供的传热面积不同， 某些反应在实验室里需通过加热维持反应，而在工业生产 中则需冷却才能保持正常的操作;又如，为了保证足够的 传热效果，实验室反应器中搅拌器的转速可达每分钟千转 以上，而在工业反应器中则难以满足，需通过搅拌器的形 式、反应器的结构等多方面考虑来满足传质要求。如果不 能充分认识到这些问题，将使工业生产和实验室操作在反 应器效率、产品质量、反应选择性和收率等许多方面发生 很大的差异，这些差异就是人们通常所指的放大效应。
system
4 .3均 相 反 应 器Homogeneous reactor
?4.3.1 化学反应器设计的基本内容 ?4 .3 .2 化学反应器设计的基本方法 ?4 .3 .3间歇操作的釜式反应器 (IBR ) ideal batch reactor ?4 .3 .4全混流反应器 (CSTR) continuous stirred tank
Baidu Nhomakorabea
4 .1 .2化学反应工程中的基本概念
?(一)关于体积 ?(二)关于时间 ?(三)混合与返混Mix and backmixing
4 . 2化学反应体系的量
?4 .2 .1化学计量方程式 ?4 .2 .1化学反应进行的程度 ?4 .2 .3化学反应速率 ?4 .2 .4收率与选择性 yield and selectivity ?4 .2 . 5等温变容反应系统 Isothermal reaction
化学反应工程是研究如何在工业规模上实现有经济价值的化学反应。任何一个化 学反应过程要实现工业化生产,必须做到技术上的可行性和经济上的合理性。 技术上的可行性包括一个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;对生成的产物可以通过一定的手段进行分离提纯;有适宜的反应温度、 压力等条件;反应过程产生的废料有合适的处理技术,以免对环境产生污染等。 当生产过程的技术问题解决之后,过程在经济上的合理性就成为工程技术人员 追求的主要目标。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDMxMDU1NTA0.html
内容
?4 .1概 述 ?4 2化学反应体系的量 ?4 .3均 相 反 应 器 ?4 .4化学反应器中的非理想流动 ?4 .5气-固相催化反应 ?4 .6气-固相催化反应器 ?4 .7生化反应工程基础
4 .1概 述
(三)化学反应工程学的研究方法
? 可见，在工业反应器中进行的化学反应，既不是实验室化学试验的再 现，也不是化学反应的简单放大。所以实验室研究成果的产业化，以 往通常先要在实验室规模的装置上试验，然后再在稍大的装置上试验， 并逐步放大，最后在工业装置上进行工艺过程的试验。这种方法安全 可靠，但却非常费事、费时且成本高。随着现代科学技术的发展，用 数学模型法对化学反应工程有关内容进行的研究也在迅速发展。数学 模型法就是将复杂的对象进行合理的简化，用数学表达式来表示反应 器的空间、时间与反应参数间的关系，即用数学语言来表达化学反应 过程中各个变量之间的关系。建立数学模型的一般程序包括:模型的建 立、模型参数的估计和模型的鉴别。具体做法是根据对实际化工过程 的理解、概括，提出一个合理的简化模型来模拟复杂的实际过程;然后 以简化了的模型确定各参数和变量之间的数学关系式—数学模型;最后 通过计算机进行模拟实验，并经过实际装置的检验和修正，建立有效、 可靠的数学模型以应用于放大计算。
(二)工业反应器
? 2.反应器的类型
同一反应在不同类型结构的反应器中进行，其化学反应的 效果是不相同的。如在带搅拌器的釜式反应器中进行的反 应，由于良好的搅拌提供了良好的传质条件;列管式反应 器的单位体积物料的传热面积比夹套反应器要大得多;还 有像氯化、硝化、还原等单元反应中的许多产品的生产， 在使用相同体积的反应器时，由于结构和操作条件的不同 能使生产能力提高数十倍甚至上百倍。所以，我们在设计 和选用反应器时，不仅需要了解化学反应的特点，还必须 熟悉各种反应器结构特点及传递特性。工业上反应器的类 型繁多，分类方法也有多种。
工业反应过程的经济指标大都是指生产某一产品过程中所需的成本或产品的利润。 成本或利润的高低与生产费用密切相关。生产费用包括一次性的投资费用(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、设备维修和公用工程等方面的开支。决定工业反应过 程经济性的技术指标主要有反应速率、反应选择率及生产过程中的能量消耗。 因化工生产的复杂性,能耗往往要以整个流程、车间、甚至整个工厂作为一个 系统进行全面考察,这已超出本教材的讨论范围。本章主要以反应速率和反应 选择性作为衡量化学反应生产过程经济性的两个基本技术指标。
化学反应工程的基本原理
Basic principles of chemical reaction engineering
Dr.潘传艺
?阐明化学反应工程课程地位，激发学生学 习兴趣。
?The course position of chemical reaction engineering was elaborated in order to clarify the status of chemical engineering, and stimulate students' interest in learning
(三)化学反应工程学的研究方法
? 将小型实验研究成果推广到工业规模的生产中使用时， 涉及到化学反应器的放大问题。因为实验室反应过程与工 业化生产过程之间在物料数量上存在的巨大差距，以及传 质、传热与设备材质的差异，能源与动力、技术与经济等 条件的制约和其他诸多方面的影响，都将产生许许多多的 区别。例如，由于单位体积物料所提供的传热面积不同， 某些反应在实验室里需通过加热维持反应，而在工业生产 中则需冷却才能保持正常的操作;又如，为了保证足够的 传热效果，实验室反应器中搅拌器的转速可达每分钟千转 以上，而在工业反应器中则难以满足，需通过搅拌器的形 式、反应器的结构等多方面考虑来满足传质要求。如果不 能充分认识到这些问题，将使工业生产和实验室操作在反 应器效率、产品质量、反应选择性和收率等许多方面发生 很大的差异，这些差异就是人们通常所指的放大效应。
system
4 .3均 相 反 应 器Homogeneous reactor
?4.3.1 化学反应器设计的基本内容 ?4 .3 .2 化学反应器设计的基本方法 ?4 .3 .3间歇操作的釜式反应器 (IBR ) ideal batch reactor ?4 .3 .4全混流反应器 (CSTR) continuous stirred tank