1、化学反应工程与工艺基础化学反应工程与工艺基础主要参考书：1、精细化工反应工程基础讲义2、王军反应工程大连理工大学出版社，20043、朱炳辰化学反应工程，化学工业出版社，2001年4、Octave Levenspiel Chemical Reaction Engineering 2002,化学工业出版社（第一版）要求n作业：按时完成，占15%n纪律：出席、课堂，占5%精细化工的特点精细化工的特点 n精细化工是以高新技术为基础，以市场为导向，以产品具有特定功能、附加值高、小批量、多品种、系列化为特点的化学工业 n化学工业是高技术密集工业，精细化工又是化学工业中的高技术密集工业。n日本曾做过这方面的
2、分析，以机械制造工业的技术密集指数为100，则化学工业为248，精细化工中的医药和涂料的指数分别为340和279 n精细化工技术密集的原因在于技术开发的成功率较低，时间长，费用高。精细化工的特点精细化工的特点n精细化学品的多样化、小批量反映在生产上即为经常更新品种n精细化学品的制备多为液相反应过程，主要采用间歇的生产方式。n为适应精细化工生产的特点，企业必须具有依据市场需求调节生产能力和品种的灵活性。q发达国家在20世纪50年代末开始摒弃单一产品、单一流程、装置单一功能的落后的生产方式，广泛采用多品种的综合生产流程和多用途、多功能的生产装置，取得了很好的经济效益。q20世纪80年代从单一产品、
3、单一流程、单元操作的生产装置向“柔性”系统发展。物理处理过程物理处理过程化学反应过程原料产品循环物流 典型的化工过程单元操作单元操作过程之核心1.1 化学反应工程学的范畴与任务化学反应工程学的范畴与任务 1、化学反应工程发展概述、化学反应工程发展概述最初主要依靠经验(Experiences)，形成技艺(Techniques)；然后去解决化学反应工程放大(Scale up)问题；化学工程学科的发展促进反应工程学科发展；先有单元操作(Unit operations)，后有反应工程学科分支；系统工程学科的发展要求反应技术及反应器设计方面能适应系统实现最优化目标；非线性的复杂因素关联导致出现反应工程的
4、分支2、化学反应工程的范畴与任务、化学反应工程的范畴与任务化学反应工程：化学反应工程：研究化学反应工程问题的学科。化学反应工程研究对象化学反应工程研究对象：化学反应及反应器的工程问题，将化学反应特性(characteristics of chemical reaction)与反应器装置特性两者结合起来形成的学科体系。化学反应工程研究内容包括范围：化学反应工程研究内容包括范围：化学工艺：化学工艺：化学热力学(thermodynamics)、化学反应动力学(chemical kinetics)，催化剂(catalysts)制备工艺及反应条件；确定反应工艺路线、流程与设备。传递工程：传递工程：反应器
5、中流体流动(fluid mechanics)、混合(mix)、传热(heat transfer)、传质(mass transfer)；系统工程：系统工程：反应过程的动态特性与反应系统的控制及相关的最优化问题；化学反应工程与相关学科的联系：化学反应工程与相关学科的联系：化学热力学：化学热力学：确定物系的各种物性常数，反应的可行性及可能达到的程度。反应动力学：反应动力学：反应器的选型、设计及操作方式选择都依赖于对反应动力学特性(characteristics of reaction kinetics)的认识。例如：裂解制乙烯；乙烯氧化制环氧乙烷；合成氨催化剂的开发等。传递工程：传递工程：流动与混合
6、直接影响温度与浓度分布，最终影响离开装置物料的组成。装置中的“三传”是极其复杂的，规模放大时的“三传”也随之发生变化，即出现“放大效应放大效应”，因此要解决好装置的放大效应，就必须对反应器内流体的三传（传热、传质、动量传递）有一个十分清晰的认识。系统工程：系统工程：对反应装置是最优化的条件不一定就是整个系统的最优化，这时反应装置也就只能服从系统最优化目标，为此必须了解反应过程的动态特征及相关的最优化问题。化学反应工程学的任务：化学反应工程学的任务：研究工业化学反应器的基本原理和对反应器中所进行反应过程进行分析。结合具体的反应装置，运用物理学、化学及工程学和经济学的基本原理与定律，综合研究反应器
7、中的反应过程与传递过程，从而能够正确选定反应器的的最合适的型式和最经济的化学工艺路线及操作条件。对反应器进行最佳设计和最佳控制，为过程开发和反应器的放大提供依据。概括的说，化学反应工程学就是使化学反应实现工业化的一门技术科学。1.2 化学反应工程学的基本方法化学反应工程学的基本方法化学反应工程研究方法：化学反应工程研究方法：模型方法（模型方法（Modelling Method)。模型方法：模型方法：是用数学模型来分析和研究化学反应工程问题。是用数学模型来分析和研究化学反应工程问题。数学模型（数学模型（Mathematical Model)：用数学语言来表达过程中各种变量用数学语言来表达过程中各
8、种变量之间的关系。数学模型的建立应从之间的关系。数学模型的建立应从应用的角度着眼应用的角度着眼，使之，使之适用适用和和能用能用，而而不是力图将过程中的一切关系不分主次地罗列出来不是力图将过程中的一切关系不分主次地罗列出来。数学模型的分类：数学模型的分类：机理模型机理模型(Experience Model)-从过程机理出发推导得到的；从过程机理出发推导得到的；经验模型经验模型(Mechanism Model)-从实验数据归纳得到的。从实验数据归纳得到的。化学反应工程中的数学模型：化学反应工程中的数学模型：动力学方程式(Chemical Reaction Kinetics Equation)物料衡
9、算式(Material Equilibrium Equation)热量衡算式(Energy Equilibrium Equation)动量衡算式(Momentum Equilibrium Equation)参数计算式(Parameter Equation)模型的检验：模型的检验：必要性，工业反应器规模变化时，不仅产生量的变化，而且产生质的变化，这样一定规模的实验得到的模型可能不适用，必须修正；检验模型过程，需要做不同规模的反应器试验，反复将模型进行检验，不断修正。可以用下图表示：动力学模型数据：动力学模型数据：描述过程反应速率快慢的数学模型。一般均在实验室的小装置中进行，提供最基础的资料。传递
10、过程模型数据：传递过程模型数据：依靠实验求取，特别是大型冷模装置，当然有生产装置的数据可用就更好了。写出并整理数学模型：写出并整理数学模型：包括物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式。一般原则：累积量(Accumulation)=输入量(Input)输出量(Output)将物料衡算式、热量衡算式、化学反应动力学方程式将物料衡算式、热量衡算式、化学反应动力学方程式结合相关的参数计算式结合相关的参数计算式联立求解联立求解结果就给出了反应装置的结果就给出了反应装置的浓度分布与温度分布浓度分布与温度分布从而回答了从而回答了反应器设计中的最基本问题反应器设计中的最基本问题反应技术的开发过程n化学反应工程是从
11、形形色色的化学反应工艺过程中抽出其共性问题，形成的学科内容，而反应技术是指以反应器为中心的直接有关部分的技术情况q(1)反应器型式的选择；q(2)反应条件的确定和保证这些条件的技术措施；q(3)反应器工艺尺寸及结构的确定；q(4)反应装置的最优化。反应技术的开发过程n 开发步骤q实验室的试验研究q预设计及评价q中间厂试验q工业装置的设计及评价q工业化生产与大型化 反应过程的放大方法 n(1)依靠经验进行放大，只能知其然而不知其所以然。n(2)相似放大的方法，则只对物理过程有效，对于同时兼有物理作用和化学作用的反应过程来说，既保持物理相似，又保持化学相似一般是做不到的。n(3)半经验、半理论的部
12、分解析法主要是人们的认识还有不足，还不能理想地做出过程的模型，只能搞一些局部的或较粗的模型，并辅之以比较适当的经验成分来解决问题。n(4)数学模拟放大的方法是目前认为比较科学的方法，它把生产技术建立在较高的技术水平之上。1.3 化学反应器的操作方式和结构类型化学反应器的操作方式和结构类型按操作方法分类：按操作方法分类：分批（或间歇）式操作（Batch operation)：物料浓度及反应速率都在不断改变，是一种非定常态过程。工程放大问题比较简单（相似放大），生产弹性大，操作灵活。连续式操作(Continuum operation)：适用于产量较大、生产品种单一的情况。半分批（或半连续）式操作：
13、按反应装置的结构分类：按反应装置的结构分类：大致可分为：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等类型。要结合反应特性及装置特性进行选型。按反应相态分类：按反应相态分类：均相(Homogeneous systems)：气相、液相；非均相(Heterogeneous systems)：气液、液液、气固、液固、固固、气液固。常用工业反应器类型均相管式反应器n管式反应器是工业生产中常用的反应器类型之一。它大多采用长径比很大的圆形空管构成，因而得名“管式反应器”。常用于气相反应，亦用于液相反应。釜式搅拌反应器n釜式搅拌反应器是另一类应用广泛的反应器。其形状特征是高径比要比管式反应器小得多，因而成“釜”状或“锅
14、”状。釜式反应器一定型式的搅拌桨叶以使釜内的物料混合均匀。多用于液相反应。固定床反应器n固定床反应器是用来进行气固催化反应的典型设备。反应器中，催化剂颗料保持静止状态，故称为固定床反应器。塔式反应器n塔式反应器主要用于两相流体反应体系反应器设计的内容n(1)反应器选型 工业反应器类型很多，在不同类型的反应器中，能量与物质的传递特性有很大差异。因此需要根据给定反应体系的动力学特性，选择具有适宜传递特性的反应设备。n(2)反应器结构设计及结构参数的确定 按照生产任务和选定的反应器型式确定反应器的总体布置及单个反应器的内部结构。如确定反应器的个数、组合方式、反应器体积、高径比、搅拌方式及强度、换热方
15、式及换热面积等。n(3)反应器工艺参数的确定 正确选择操作条件，使反应系统处于最佳操作状态并达到最大经济效益。反应器设计的基本方程n反应器设计的基本方程q反应器设计的基本方程包括反应动力学方程式、物料衡算方程式、热量衡算方程式和动量衡算方程式q物料衡算方程式n以质量守恒定量为基础，是计算反应器体积的基本方程q热量衡算方程式n以能量守恒与转化定律为基础，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化q动量衡算方程式n以动量守恒与转化定律为基础，可以计算反应器中压力的变化课程内容n化学反应动力学q反应动力学方程的建立，温度、浓度的影响，动力学参数的求取n理想反应器的计算q间歇反应器的物料衡算与计算q活塞流反应器的物料衡算与计算q全混流反应器物料衡算与计算q复杂反应在上述反应器的反应效果n复杂反应与热量衡算n均相流动反应器中的非理想流动模式q平均停留时间的求取q非理想流动的模型n搅拌反应釜的特点与操作n气固反应器的特点与操作n气液反应器的特点与操作
