1、化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22主要授课内容主要授课内容绪论绪论应用化学动力学及反应器设计基础应用化学动力学及反应器设计基础气气- -固相催化反应本征及宏观动力学固相催化反应本征及宏观动力学釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器反应器中的混合及对反应的影响反应器中的混合及对反应的影响 固定床气固定床气- -固相催化反应工程固相催化反应工程 气气- -液反应工程液反应工程流流- -固相非催化反应固相非催化反应流化床反应工程流化床反应工程气气- -液液- -固三相反应工程固三相反应工程 化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22绪绪 论论物质转化过程中的化学加工物质转化
2、过程中的化学加工化学反应工程的发展化学反应工程的发展化学反应工程与多尺度及多学科的联系化学反应工程与多尺度及多学科的联系数学模拟方法数学模拟方法工程放大与优化工程放大与优化化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22一、物质转化过程工业中的化学加工一、物质转化过程工业中的化学加工o过程工业过程工业F从事物质的化学转化，生成新的物质产品从事物质的化学转化，生成新的物质产品F各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生产。流程，并多数连续生产。工业行业分两大类：过程工业，装备与产品制造工业。工业行业分两大类：过程工业，装备与产品制造工业。
3、化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22 o 过程工业中进行过程工业中进行物理物理转化的过程，如流体输送、转化的过程，如流体输送、蒸发、结晶等过程蒸发、结晶等过程单元操作（化工原理）单元操作（化工原理）o 过程工业中进行过程工业中进行化学化学转化的过程转化的过程生产中的生产中的核心过程核心过程综合化学反应与动量、质量、热综合化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的宏观过程量传递交互作用的宏观过程“三传一三传一反反”本书的理论基础本书的理论基础化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22o 反应工程始于氨气和尿素的大规模合成技术反应工程始于氨气和尿素的大规模合成技术的发明，其发展
4、是以几大重要的物质转化过的发明，其发展是以几大重要的物质转化过程为里程碑，满足了农业、能源供给、石油、程为里程碑，满足了农业、能源供给、石油、石油化工、化学工业等重大需求。石油化工、化学工业等重大需求。o 第一届国际反应工程会议于年在荷第一届国际反应工程会议于年在荷兰召开，这也预示着反应工程作为一门独立兰召开，这也预示着反应工程作为一门独立的学科日益受到工业界和学术界的重视，且的学科日益受到工业界和学术界的重视，且逐渐形成了学科体系。逐渐形成了学科体系。二、化学反应工程的发展二、化学反应工程的发展化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22化学反应工程与工业发展化学反应工程与工业发展化学
5、反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22国际化学反应工程会议国际化学反应工程会议化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22化学工程学的范式化学工程学的范式o 把相关物理操作总结归纳提出的单元把相关物理操作总结归纳提出的单元操作概念，被公认为化学工程学科的第一阶段操作概念，被公认为化学工程学科的第一阶段范式。范式。o 年，在荷兰召开的第一届化学反应工年，在荷兰召开的第一届化学反应工程学术会议对该学科的范畴、研究方法论及与程学术会议对该学科的范畴、研究方法论及与相邻学科的领域界定做出了明确的说明，使化相邻学科的领域界定做出了明确的说明，使化学反应实现了由学反应实现了由 “技艺技艺”向
6、向 “科学科学”的跃升，的跃升，至此完成了向第二阶段至此完成了向第二阶段 “三传一反三传一反”范式的转范式的转变。变。化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22化学工程学的范式化学工程学的范式o 世纪后期，反应工程学与工艺学不断融合，由世纪后期，反应工程学与工艺学不断融合，由此出现了把此出现了把 “过程工程过程工程”与与 “产品工程产品工程”相结合，相结合，这是对化学工程学科第三阶段范式的一种解读。同这是对化学工程学科第三阶段范式的一种解读。同期诞生的多尺度研究概念则是对第三阶段范式的另期诞生的多尺度研究概念则是对第三阶段范式的另一种解读。一种解读。o 进入世纪，更为本质的进入世纪，更
7、为本质的 “物质物质”、“能量能量”和和 “信息信息”的三元相互作用在化工学科中得到了的三元相互作用在化工学科中得到了充分的展示，以充分的展示，以 “物质的传递与转化物质的传递与转化”、“能量能量的传递与转化的传递与转化”和和 “信息的传递与转化信息的传递与转化”所组成所组成的的 “三传三转三传三转”成为化学工程学科第四阶段范式成为化学工程学科第四阶段范式的新解读模式。的新解读模式。化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22化学反应工程的新领域化学反应工程的新领域o 极端条件下的反应工程极端条件下的反应工程微尺度反应器，等离子体反应器。微尺度反应器，等离子体反应器。化学反应工程化学反应
8、工程课件课件2022-6-22化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22化学反应工程的新领域化学反应工程的新领域o 指向生物、材料、可再生能源等新领域的反指向生物、材料、可再生能源等新领域的反应工程应工程o 计算反应工程计算反应工程o 从传统反应工程到分子反应工程从传统反应工程到分子反应工程化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22三、化学反应工程与多尺度及多学科的联系三、化学反应工程与多尺度及多学科的联系o 物质转化过程中的多尺度（multi-scale）效应 时间及空间尺度时间及空间尺度 以固定床气以固定床气- -固相催化反应器为例固相催化反应器为例 纳尺度纳尺度分子化学键
9、振动（纳秒及纳米尺度）分子化学键振动（纳秒及纳米尺度） 反应物与催化剂载体上活性组分间的分子反应反应物与催化剂载体上活性组分间的分子反应 微尺度微尺度两相间物质传递和流体流动中的泡、滴、粒旋涡两相间物质传递和流体流动中的泡、滴、粒旋涡 运动运动 反应组分在催化剂孔道内的扩散反应组分在催化剂孔道内的扩散 化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22 介尺度介尺度反应、换热、输送和分离等装置反应、换热、输送和分离等装置 催化反应器催化反应器宏尺度宏尺度生产单元和工厂生产单元和工厂 原料气制备、压缩、循环产品分离的生产单元和整个工厂原料气制备、压缩、循环产品分离的生产单元和整个工厂 宇尺度宇尺
10、度环境大气环境大气 生产过程中污染物经长时间的消除生产过程中污染物经长时间的消除 化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22p 化学反应工程与多学科间的关系化学反应工程与多学科间的关系 化学反应过程及装备涉及多尺度，也涉及与多学科的联系，以甲化学反应过程及装备涉及多尺度，也涉及与多学科的联系，以甲醇合成为例，涉及醇合成为例，涉及生产方法的选择生产方法的选择木材干馏法、氯甲烷法水解法、碳氧化物木材干馏法、氯甲烷法水解法、碳氧化物（CO、CO2）与氢合成法）与氢合成法化学基础及过程分析化学基础及过程分析甲醇合成的热力学及催化剂甲醇合成的热力学及催化剂F反应平衡组成与气体组成、压力、温度的关
11、系反应平衡组成与气体组成、压力、温度的关系（化工热力学）（化工热力学）F催化剂催化剂 锌锌-铬催化剂，铬催化剂，30MPa，350-420 铜铜-锌催化剂，锌催化剂，5MPa，220-280 A催化剂开发、反应过程分析催化剂开发、反应过程分析A催化剂的中毒与热失活催化剂的中毒与热失活化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22原料气制备、甲醇合成及循环原料气制备、甲醇合成及循环F 粗原料气的制备粗原料气的制备天然气蒸汽转化天然气蒸汽转化 高温气流床粉煤汽化高温气流床粉煤汽化 F 粗原料气的净化粗原料气的净化 F 甲醇合成及循环甲醇合成及循环合成反应器出口气体组成确定，合成反应器出口气体组
12、成确定， 甲醇冷却分离，未反应气体循环甲醇冷却分离，未反应气体循环甲醇合成工艺甲醇合成工艺 化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22甲醇合成反应器甲醇合成反应器反应器的选型反应器的选型多段绝热、管式连续换热多段绝热、管式连续换热反应器中的反应器中的“三传一反三传一反”催化剂的本征反应动力学催化剂的本征反应动力学催化剂颗粒内的反应催化剂颗粒内的反应- -传质传质- -传热传热催化剂与气相间的传质、传热催化剂与气相间的传质、传热催化剂颗粒的宏观反应动力学催化剂颗粒的宏观反应动力学催化剂床层的压降、颗粒粒度及形状的选择催化剂床层的压降、颗粒粒度及形状的选择 反应器内轴向及径向传热、传质反应
13、器内轴向及径向传热、传质绝热反应器段数，床层直径及高度设计绝热反应器段数，床层直径及高度设计管式反应器管数、管径及长度设计管式反应器管数、管径及长度设计管式反应器管外冷却剂的选择管式反应器管外冷却剂的选择化学反应工程化学反应工程化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22 甲醇合成反应器甲醇合成反应器反应器的材质选择反应器的材质选择 金属材料金属材料 机械制造机械制造 大型反应器的机械设计大型反应器的机械设计化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22合成气的压缩及循环装置合成气的压缩及循环装置全系统的流程设置全系统的流程设置 操作条件的优化操作条件的优化全系统的能量分析和技术经济
14、分析全系统的能量分析和技术经济分析全系统的工程控制全系统的工程控制工程控制工程控制 技术经济技术经济系统优化系统优化过程分析过程分析化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22四、数学模拟方法四、数学模拟方法 化工单元操作对过程的数学描述化工单元操作对过程的数学描述经验归纳法、经验归纳法、量纲分析法量纲分析法p 物理概念模型物理概念模型 根据对实验和生产实践的观察和分析，根据对实验和生产实践的观察和分析，归纳出各种物质在反应装置中的流动、传质和传热与化归纳出各种物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的概念，称为物理概念模型。学反应之间相互关系的概念，称为物理概念模型。o
15、 数学模型数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。表达物理概念模型的数学式称为数学模型。o 数学模拟方法数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的方法称为数学模拟方法。反应过程的方法称为数学模拟方法。化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22A 气气- -固相催化反应有三个不同尺度的模型固相催化反应有三个不同尺度的模型 化学动力学或本征动力学模型化学动力学或本征动力学模型 只考虑反应组分与催化活性组分间处于纳尺度的分只考虑反应组分与催化活性组分间处于纳尺度的分子反应，并未考虑传质、传热对催化反应的影响子反应，并未考虑传质、传热对
16、催化反应的影响颗粒宏观动力学模型（或简称颗粒动力学模型）颗粒宏观动力学模型（或简称颗粒动力学模型） 在本征动力学的基础上，计入微尺度的颗粒粒内与在本征动力学的基础上，计入微尺度的颗粒粒内与粒外反应气流间的传质、传热过程。粒外反应气流间的传质、传热过程。 床层或反应器内宏观动力学模型（或简称床层动力学模型）床层或反应器内宏观动力学模型（或简称床层动力学模型） 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相互流动状况，和使用过程中催化剂失活催化剂颗粒的相互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介尺度的宏观动力学。影响的诸多因素
17、，即处于介尺度的宏观动力学。化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22A 数学模型的简化数学模型的简化? 各种工业反应过程的实际情况复杂，用数学模型完各种工业反应过程的实际情况复杂，用数学模型完整地、定量地反映事物的全貌目前还不可能实现。整地、定量地反映事物的全貌目前还不可能实现。? 将宏观反应过程的规律，加以去粗取精的加工，根将宏观反应过程的规律，加以去粗取精的加工，根据主要的矛盾和矛盾的主要方面，在一定的条件下据主要的矛盾和矛盾的主要方面，在一定的条件下将过程合理地简化，称为数学模型的简化。将过程合理地简化，称为数学模型的简化。? 不同条件下，简化的内容是不同的，简化模型是否不同条
18、件下，简化的内容是不同的，简化模型是否失真，要通过科学实验和生产实践去检验和考核，失真，要通过科学实验和生产实践去检验和考核，然后进行修正，使之更加合理。然后进行修正，使之更加合理。化学反应工程化学反应工程课件课件2022-6-22五、工程放大与优化五、工程放大与优化o相似放大法相似放大法o经验放大法经验放大法o数学模拟放大法数学模拟放大法I 数学模拟方法是进行工程放大，优化设计和确数学模拟方法是进行工程放大，优化设计和确定操作条件的基础；定操作条件的基础；I 数学模拟方法能否精确地进行预计，取决于数数学模拟方法能否精确地进行预计，取决于数学模型是否失真；学模型是否失真；I 经过逐级的模拟试验，可以使模型修改得更加经过逐级的模拟试验，可以使模型修改得更加合理。合理。
