化學(xué)反應(yīng)工程緒論

反應(yīng)工程蔡旺鋒辦公室：20-518電話：27890041Email：wfcai@1第一章緒論1.1、化學(xué)反應(yīng)工程研究?jī)?nèi)容與發(fā)展歷史1.2、化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率1.3、化學(xué)反應(yīng)器的類型1.4、化學(xué)反應(yīng)器的操作方式1.5、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程1.6、工業(yè)反應(yīng)器的放大2《反應(yīng)工程》反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析本征動(dòng)力學(xué)宏觀動(dòng)力學(xué)理想條件下研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理與反應(yīng)物系組成、溫度、壓力等參數(shù)對(duì)反應(yīng)速率的影響。主要決定于化學(xué)反應(yīng)本身描述反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度和壓力變化的設(shè)計(jì)方程研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理與速率反應(yīng)器選型、反應(yīng)器體積計(jì)算、反應(yīng)器操作參數(shù)確定等流體流動(dòng)過(guò)程描述反應(yīng)過(guò)程與質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的相互作用一、《反應(yīng)工程》課程研究?jī)?nèi)容及相互關(guān)系3AP本征動(dòng)力學(xué)與宏觀動(dòng)力學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物P的外擴(kuò)散

7反應(yīng)產(chǎn)物P的內(nèi)擴(kuò)散

6反應(yīng)產(chǎn)物P的脫附

5表面反應(yīng)

4本征動(dòng)力學(xué)反應(yīng)物A的吸附

3反應(yīng)物A的內(nèi)擴(kuò)散

2反應(yīng)物A的外擴(kuò)散

1宏觀動(dòng)力學(xué)

4二、《反應(yīng)工程》的歷史與發(fā)展20世紀(jì)30年代：丹克萊爾、梯爾和史爾多維奇40年代末：霍根、華生和法蘭克-卡明涅斯基《反應(yīng)工程》的發(fā)展歷史《反應(yīng)工程》的發(fā)展趨勢(shì)

80年代--形成新的分支1957年--首次使用“化學(xué)反應(yīng)工程”術(shù)語(yǔ)

60年代--快速發(fā)展期化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象及流體流動(dòng)的相互關(guān)系51.3反應(yīng)器的類型管式反應(yīng)器（*）釜式反應(yīng)器（*）塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（*）流化床反應(yīng)器移動(dòng)床反應(yīng)器滴流床反應(yīng)器61.4、化學(xué)反應(yīng)器的操作方式間歇操作連續(xù)操作半間歇操作操作方式描述特點(diǎn)反應(yīng)原料一次裝入反應(yīng)器，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)進(jìn)料和出料反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)原料和產(chǎn)物分別連續(xù)加入和輸出反應(yīng)器間歇與連續(xù)操作之外物系組成隨時(shí)間而變多數(shù)情況下可視為恒容操作靈活，適于小規(guī)模生產(chǎn)物系組成不隨時(shí)間但隨位置而變適于大規(guī)模、機(jī)械自動(dòng)化操作產(chǎn)品質(zhì)量好，勞動(dòng)強(qiáng)度小兼具間歇和連續(xù)操作的某些特點(diǎn)71.5、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程

反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容建立反應(yīng)參數(shù)如轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性和生產(chǎn)能力等與反應(yīng)器尺寸、操作方式、反應(yīng)時(shí)間等之間的關(guān)系。反應(yīng)器型式選擇反應(yīng)器最佳操作條件確定反應(yīng)體積（尺寸）計(jì)算反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程建立的步驟選擇反應(yīng)變量確定控制體積建立質(zhì)量、熱量和動(dòng)量恒算方程8質(zhì)量衡算：（關(guān)鍵組分i的輸入速率）＝（i的輸出速率）+（i的轉(zhuǎn)化速率）＋（i的累積速率）

VrMdVr質(zhì)量、熱量和動(dòng)量恒算方程熱量衡算：（輸入的熱量）＝（輸出的熱量）+（反應(yīng)熱）＋（累積的熱量）動(dòng)量恒算：（輸入的動(dòng)量）＝（輸出的動(dòng)量）+（消耗的動(dòng)量）＋（累積的熱量）91.6工業(yè)反應(yīng)器的放大10一、經(jīng)驗(yàn)歸納法對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程適應(yīng)性不強(qiáng)：反應(yīng)與傳質(zhì)傳熱、流體流動(dòng)狀況、反應(yīng)速率與溫度的非線形性。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用因次分析和相似方法整理獲得經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；主要用于研究物理變化的單元操作，如管道內(nèi)流體流動(dòng)的壓力降、氣液兩相傳熱傳質(zhì)等；11二、數(shù)學(xué)模型法

反應(yīng)工程主要研究方法，在反應(yīng)器放大過(guò)程中作用顯著；包括本征（化學(xué)）動(dòng)力學(xué)模型、傳質(zhì)傳熱模型——宏觀動(dòng)力學(xué)模型；討論整個(gè)反應(yīng)器時(shí)，宏觀動(dòng)力學(xué)模型包括流體流動(dòng)模型在內(nèi)；反應(yīng)器的復(fù)雜性使得即使采用數(shù)學(xué)模型研究方法，反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大具有很大的困難性。如流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)流體和固體運(yùn)動(dòng)狀況；多孔催化劑及固相反應(yīng)物內(nèi)的宏觀反應(yīng)過(guò)程。121、數(shù)學(xué)模型方法的作用

進(jìn)行方案比較、操作參數(shù)的優(yōu)化；擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的范圍，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)以外的操作區(qū)間；在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)；工程放大時(shí)較能抓住事物本質(zhì)，獲得更大的放大倍數(shù)。132、數(shù)學(xué)模型方法的局限性物理模型不能全面反映事物的本質(zhì)，可能帶來(lái)失真；實(shí)際過(guò)程太復(fù)雜，模型建立需要簡(jiǎn)化；物理模型獲得數(shù)學(xué)模型求解復(fù)雜性；數(shù)學(xué)模型方法需要與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。143、數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化原則

簡(jiǎn)化模型是否失真，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。

不失真，與應(yīng)用相適應(yīng)；能適應(yīng)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件，以便進(jìn)行模型鑒別和參數(shù)估值；能適應(yīng)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的能力；154、數(shù)學(xué)模型放大方法的一般步驟實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的試驗(yàn)小型試驗(yàn)大型冷膜試驗(yàn)中間試驗(yàn)計(jì)算機(jī)試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器161.2、化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性1、反應(yīng)進(jìn)度存在多個(gè)反應(yīng)時(shí)172.轉(zhuǎn)化率（X）單程轉(zhuǎn)化率與全程轉(zhuǎn)化率定義：某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率或分率。表示一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的程度。Reactor1218例題1.1合成聚氯乙烯所用的單體氯乙烯，多由乙炔和氯化氫以氯化汞為催化劑合成得到，反應(yīng)式如下通常反應(yīng)原料中氯化氫過(guò)量10%。若反應(yīng)器出口中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為90%，試分別計(jì)算乙炔和氯化氫的轉(zhuǎn)化率。193.收率(Y)與選擇性(S)摩爾收率與質(zhì)量收率單程收率與全程收率1220SX21例題1.2在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，進(jìn)入催化劑中各種氣體的摩爾數(shù)分別為C2H415%，O27%，CO210%，Ar12%，其余為N2。反應(yīng)器出口氣體含C2H4和O2分別為13.1和4.8%。試計(jì)算乙烯的轉(zhuǎn)化率、環(huán)氧乙烷收率和反應(yīng)選擇性。22化學(xué)與催化反應(yīng)工程李紹芬編著化