反應(yīng)工程概論 教材 南京工業(yè)大學(xué)專用1

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硅酸鹽反應(yīng)工程

南京工業(yè)大學(xué)

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第一章緒論

第一節(jié)硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)的范疇和任務(wù)

一、反應(yīng)工程學(xué)的研究對(duì)象及特點(diǎn)（1）反應(yīng)工程學(xué)的形成及發(fā)展簡(jiǎn)況

眾所周知，硅酸鹽產(chǎn)品的種類繁多，原料多樣，故生產(chǎn)工藝各不一致，但是，從工程角度來(lái)看，硅酸鹽、冶金和化工生產(chǎn)過(guò)程具有共同特點(diǎn)。他們都屬于化工類型的生產(chǎn)過(guò)程，其中都包含處理物理變化和化學(xué)變化的操作。例如，破碎、除塵、枯燥、過(guò)濾、分開(kāi)、篩分、滾動(dòng)、和傳熱等與物理變化過(guò)程有關(guān)的操作，稱為“單元操作〞，而將氧化、還原、燃燒、分解、燒結(jié)等與化學(xué)變化過(guò)程有關(guān)的操作，成為“單元反應(yīng)〞或“單元過(guò)程〞。在工業(yè)生產(chǎn)中，人們把由若干個(gè)“單元操作〞和“單元反應(yīng)〞組成的生產(chǎn)流程稱為生產(chǎn)過(guò)程。

早先，人們分別孤立地研究化工生產(chǎn)過(guò)程中的“單元操作〞和“單元反應(yīng)〞的規(guī)律，二者各自向前發(fā)展。后來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)化學(xué)反映，即使在完全一致的溫度、壓力和反應(yīng)時(shí)間的條件下，由于反應(yīng)器的類型或規(guī)模不同，可以產(chǎn)生很不一致的反應(yīng)結(jié)果，這是由于在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中，化學(xué)反應(yīng)不僅受到化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)因素的制約，而且受到流體滾動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等各種物理過(guò)程的影響，各種影響因素錯(cuò)綜繁雜。因此，在確定工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的操作條件。設(shè)計(jì)反應(yīng)設(shè)備或控制反應(yīng)過(guò)程時(shí)就需要綜合考察化學(xué)反應(yīng)和物理傳遞過(guò)程的規(guī)律。由此觀點(diǎn)出發(fā)，從被世紀(jì)三十年代開(kāi)始的將近二十年內(nèi)，逐漸形成了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的概念。

三十年代，人們?cè)谏a(chǎn)時(shí)間中開(kāi)始認(rèn)識(shí)到“單元操作〞和“單元反應(yīng)〞之間并非毫無(wú)聯(lián)系的孤立現(xiàn)象，而是存在著密切的相互作用的關(guān)系。1937年G·Damkohle首先在Derchmieingenleur第三卷中提出擴(kuò)散、滾動(dòng)和傳熱對(duì)于化學(xué)反應(yīng)影響的論述，成為化學(xué)動(dòng)力學(xué)發(fā)到到“工程技術(shù)〞階段的標(biāo)志。此后，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)因素和物理因素相互作用的研究日益發(fā)展。

四十年代，隨著生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備的更新和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，對(duì)于反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)提出了迫切的要求。同時(shí)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)、單元操作，特別是滾動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)方面的理論研究和試驗(yàn)技術(shù)也取得了較大進(jìn)展，促使流化床催化裂化反應(yīng)、丁苯橡膠的聚合反應(yīng)和曼哈頓計(jì)劃等三個(gè)重要的過(guò)程開(kāi)發(fā)研究工作獲得了巨大成功，引起了人們很大震動(dòng)，紛紛注意研究單元操作理論，并以越來(lái)越繁雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)定量描述單元設(shè)備的操作性能。此外，還普遍開(kāi)展了化學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)的研究，發(fā)表了不少專門(mén)著作。O.A.Hougen和K.M.Watson出版的關(guān)于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的著作成為第一本可供教學(xué)的書(shū)籍。所有都對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的形成起了推動(dòng)作用。

五十年代，人們送長(zhǎng)期的實(shí)踐中進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，大多數(shù)的“單元操作〞的基本規(guī)律都屬于廣義的“速率過(guò)程〞，可以歸納為動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和熱量傳遞，即所謂“三傳〞。任何一個(gè)工業(yè)規(guī)律的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與“三傳〞有關(guān)，必需把化學(xué)反應(yīng)與“三傳〞結(jié)合起來(lái)分析。所謂“三傳一反〞就構(gòu)成為反應(yīng)工程的技術(shù)。另外，這期間又提出了諸如“返混〞、“反應(yīng)器穩(wěn)定性〞和“微觀混合〞等重要的新概念，指明白進(jìn)一步研究的方向，在對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳遞過(guò)程兩方面的研究都取得了重要進(jìn)展，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果的基礎(chǔ)上，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為把工業(yè)反應(yīng)裝置中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞過(guò)程規(guī)律結(jié)合起來(lái)進(jìn)行解析和處理提供了可能。因此，在五十年代末，根據(jù)不同化學(xué)反應(yīng)的特性，結(jié)合不同類型反應(yīng)裝置的性能進(jìn)行解析和處理，加以系統(tǒng)整理歸納，就形成了一門(mén)年輕的新工程學(xué)科——化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)。在1957年召開(kāi)的第一次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議上正式確定了這個(gè)名稱。從1960年出版以后，每四年舉行一次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議，而自1970年舉行的第一次國(guó)際化學(xué)反應(yīng)工程探討會(huì)后，每?jī)赡昱e行一次，有力地推動(dòng)了這門(mén)學(xué)科的迅速發(fā)展。

綜上所述，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是一門(mén)設(shè)計(jì)化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)工藝學(xué)、傳遞工程、工程控制、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科知識(shí)的全新的工程學(xué)科，具有高度的綜合性和廣泛的基礎(chǔ)性。他和其他學(xué)科及技術(shù)的關(guān)系入圖（1—1—1）所示。化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)問(wèn)世以來(lái)取得了令人注目的發(fā)展，它為工業(yè)生產(chǎn)中的大量問(wèn)題提供了厚實(shí)、方法和理論，這些理論和方法在實(shí)踐中又得到了進(jìn)一步的發(fā)展和完善，成為指導(dǎo)生產(chǎn)事件的有力工具。因此，反應(yīng)工程學(xué)迅速滲透到不同的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，出現(xiàn)了諸如“催化反應(yīng)工程〞、“聚合反應(yīng)工程〞、“無(wú)機(jī)化工反應(yīng)工程〞、“冶金反應(yīng)工程〞等。國(guó)外也有把冶金、硅酸鹽工

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業(yè)等設(shè)計(jì)高溫的工程問(wèn)題納入“高溫反應(yīng)工程〞一起加以研究的。將化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的理論、方法和概念應(yīng)用到硅酸鹽工程中，旨在研究高溫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及其反應(yīng)裝置的工程規(guī)律，為技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程放大和最優(yōu)化等提供理論指導(dǎo)，這就形成了一門(mén)新的專業(yè)基礎(chǔ)課——硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)。

(2)硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)的研究對(duì)象及特點(diǎn)

如前所述,硅酸鹽生產(chǎn)具有化工過(guò)程的特點(diǎn),例如,各種硅酸鹽制品的成品或半成品都必需在窯爐內(nèi)進(jìn)行煅燒。燒成過(guò)程實(shí)質(zhì)上是在窯爐內(nèi)進(jìn)行燃料燃燒、氣體滾動(dòng)和傳熱過(guò)程的同時(shí)，使原料或坯體完成繁雜的高溫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。因此，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的問(wèn)世，引起硅酸鹽工程技術(shù)人員愈來(lái)愈大的興趣。近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始逐步采用它的理論、方法和概念來(lái)研究窯爐的熱工理論，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作以及新型反應(yīng)器或預(yù)熱器的開(kāi)發(fā)研究。盡管這方面的研究工作尚處于起步階段，但是硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)作為硅酸鹽工程學(xué)的重要組成部分，它符合學(xué)科的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景。

硅酸鹽反映工程學(xué)的研究對(duì)象是以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的硅酸鹽高溫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及其反應(yīng)裝置。它以化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)、流體滾動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)、工程熱力學(xué)和系統(tǒng)工程等方面的理論為基礎(chǔ)，摸索硅酸鹽工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的物理化學(xué)變化規(guī)律，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

硅酸鹽生產(chǎn)具有高、非均相和反應(yīng)過(guò)程極其繁雜的特點(diǎn)，因此至今還有大量理論問(wèn)題沒(méi)有很好地解決，深入開(kāi)展硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)的理論研究和工程實(shí)踐是一項(xiàng)既艱難又有意義的工作。

圖1-1-1化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)和其它學(xué)科以及技術(shù)的關(guān)系二、反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)及主要內(nèi)容

硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)是硅酸鹽工程學(xué)的重要組成部分，它針對(duì)硅酸鹽生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，主要研究以氣固反應(yīng)為主的高溫反應(yīng)過(guò)程，以完成下述任務(wù)為目標(biāo)：

1．改進(jìn)和加強(qiáng)硅酸鹽工廠現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，降低消耗，提高效率；2．研究開(kāi)發(fā)新技術(shù)和新設(shè)備；

3．指導(dǎo)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中的工程放大；4．實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程及其裝置的最優(yōu)化；

5．發(fā)展和逐步完善硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法。

根據(jù)上述任務(wù)，本課程主要內(nèi)容由兩大部分組成，第一部分為工業(yè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，包括均相反應(yīng)和非

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均相反應(yīng)，主要介紹化學(xué)反應(yīng)本身的特性和反應(yīng)過(guò)程的普遍性規(guī)律。因此，其次章“工業(yè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)〞在書(shū)中占有重要地位。其次部分為反應(yīng)裝置，其中第三章“反應(yīng)裝置的操作解析法〞主要介紹“返混〞現(xiàn)象，“停留時(shí)間分布〞等概念和方法，并且探討了幾種典型的滾動(dòng)模型，為把化學(xué)反應(yīng)和傳遞過(guò)程規(guī)律綜合起來(lái)研究提供了理論和方法。第四章“固定床反應(yīng)器〞、第五章“流化床反應(yīng)器〞和第六章“回轉(zhuǎn)式反應(yīng)器〞分別介紹了三種類型的反應(yīng)裝置的特性，著重闡述了不同反應(yīng)裝置內(nèi)物理傳遞過(guò)程的規(guī)律和滾動(dòng)特性，以及數(shù)學(xué)模型。最終，在第七章“反應(yīng)器設(shè)計(jì)〞中介紹了有關(guān)工程放大和最優(yōu)化的基本概念和方法。

需要說(shuō)明的是本教材考慮到硅酸鹽生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，參照化學(xué)反應(yīng)工程和冶金反應(yīng)工程的模式，主要移植這兩本教材的內(nèi)容編寫(xiě)而成，鑒于硅酸鹽反應(yīng)過(guò)程極其繁雜，在本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的反應(yīng)工程理論研究和工程實(shí)踐均處于起步階段。因此這本教材暫時(shí)還缺少有關(guān)在硅酸鹽工程的應(yīng)用實(shí)踐方面的內(nèi)容，有待與日后不斷充實(shí)和完善。

其次節(jié)硅酸鹽反應(yīng)工程學(xué)的研究方法

一、反應(yīng)工程學(xué)的基本研究方法如前所述，在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程是受化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)傳遞過(guò)程規(guī)律共同制約的，它比單純的物理過(guò)程繁雜得多。在后一種狀況下，有些問(wèn)題由于影響因素多，已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行理論解析，例如，影響對(duì)流轉(zhuǎn)換熱的因素好多只能在相像理論指導(dǎo)下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，將試驗(yàn)接滾歸納整理成準(zhǔn)數(shù)方程式，由此方程式求出對(duì)流熱交換系數(shù)，這是一種試驗(yàn)的綜合的方法，即經(jīng)驗(yàn)歸納法。在處理反應(yīng)工程問(wèn)題時(shí)則不能采用此種方法，由于反應(yīng)器中化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程并存，多種影響因素及其交相作用繁雜。例如，化學(xué)反應(yīng)與傳熱、傳質(zhì)過(guò)程的相互交織，滾動(dòng)狀況對(duì)反應(yīng)物系濃度和溫度分布的影響，以及化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間的非線形關(guān)系等。已經(jīng)證明，不可能在滿足物理相像條件下同時(shí)滿足化學(xué)相像，即使做了試驗(yàn)，也無(wú)法把試驗(yàn)結(jié)果歸納成普遍適用的相像準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，試驗(yàn)結(jié)果只能應(yīng)用于試驗(yàn)條件本身，即小試結(jié)果不能推廣應(yīng)用于大型裝置，這就失去了試驗(yàn)工作的意義。綜上所述，傳統(tǒng)的因次分析和相像方法確定對(duì)反應(yīng)工程問(wèn)題無(wú)能為力，必需采用與之不同的新的研究方法，這就是數(shù)學(xué)模型數(shù)字模擬法，簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)模擬法。

反應(yīng)工程學(xué)的基本研究方法是數(shù)學(xué)模擬法，可將該方法概述為：“通過(guò)深入的實(shí)踐和理論分析，在對(duì)反應(yīng)過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律率有了較深刻的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將繁雜的研究對(duì)象合理地簡(jiǎn)化成與原過(guò)程（或稱原型）近似等效的或當(dāng)量的物理模型，使用簡(jiǎn)單明確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述該物理模型，所得到的數(shù)學(xué)關(guān)系式即為原型的一個(gè)近似等效的數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解或數(shù)學(xué)計(jì)算，研究過(guò)程的特性，模擬實(shí)際反應(yīng)過(guò)程。〞

數(shù)學(xué)模擬法起源于反應(yīng)過(guò)程領(lǐng)域，反過(guò)來(lái)它的研究和進(jìn)展又推動(dòng)了反應(yīng)過(guò)程學(xué)科的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)的投入使用和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，到六十年代，數(shù)學(xué)模擬法有了迅速發(fā)展。進(jìn)入七十年代，這種方法趨于成熟和普及。在解決諸如過(guò)程開(kāi)發(fā)、過(guò)程方法、設(shè)計(jì)方案評(píng)比和最優(yōu)化等方面的問(wèn)題顯示出無(wú)比的優(yōu)越性。在解決大規(guī)模和繁雜的工程技術(shù)問(wèn)題方面的成功事例不斷證明這種方法可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)發(fā)展成為很有效的一種工程研究方法。在本書(shū)第七章“反應(yīng)器設(shè)計(jì)〞中，結(jié)合工程放大和最優(yōu)化技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹了這種方法。

數(shù)學(xué)模擬法的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)模型，按所處理問(wèn)題的性質(zhì)，數(shù)學(xué)模型可范圍：化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型、滾動(dòng)模型、傳遞模型及宏觀動(dòng)力學(xué)模型。在本書(shū)各章中分別介紹了不同類型的數(shù)學(xué)模型。例如，在其次章在介紹均相反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型后，著重探討了非均相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，例如，縮核模型和縮粒模型，燃燒模型、分解模型等，這些模型都是從顆粒尺度進(jìn)行考察的，并未設(shè)計(jì)反應(yīng)器的類型及其滾動(dòng)特性。在第三章則專門(mén)探討了典型的滾動(dòng)模型，這就是為把考察的尺度從單顆粒放大到整個(gè)反應(yīng)器提供了可能，在第四章～第六章中所出現(xiàn)的宏觀動(dòng)力學(xué)模型就是包括了滾動(dòng)模型在內(nèi)的。綜上所述，從研究方法來(lái)看，本課程的內(nèi)容安排也是從易到難，從簡(jiǎn)單到繁雜逐步深入的。

二、本課程的教學(xué)要求

“硅酸鹽反應(yīng)工程〞系硅酸鹽工程專業(yè)的四年制本科大學(xué)生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。

鑒于講授和學(xué)習(xí)本課程需要具有流體滾動(dòng)、氣—固兩相滾動(dòng)、電子計(jì)算機(jī)和應(yīng)用數(shù)學(xué)、傳熱學(xué)和

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燃燒學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，因此本課程應(yīng)安排在“流體力學(xué)〞、“熱力工程〞和“粉體工程〞等諸門(mén)課程之后