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1、化学反应工程课程概述化学反应工程课程概述n n7.1.1课程性质、意义课程性质、意义化学反应工程，是化学工程学科的一个化学反应工程，是化学工程学科的一个分支。简称反应工程。分支。简称反应工程。化学反应工程，顾名思义，是一门研究化学反应工程，顾名思义，是一门研究化学反应的工程问题的学科。即：研究化化学反应的工程问题的学科。即：研究化学反应如何在工业上实现的科学。学反应如何在工业上实现的科学。7.1.2化学反应工程学科发展史简介化学反应工程学科发展史简介n n化学反应工程学科发展史简介化学反应工程学科发展史简介化学反应工程学科发展史简介化学反应工程学科发展史简介 n n30年代，石油化学工业刚刚兴
2、起。提出了年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了“单元操作单元操作”和和“单元过程单元过程”等概念。等概念。单元操作单元操作流体输送，蒸馏，干燥等专管流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。物理工序。单元过程单元过程磺化，水解，加氢等专管化学磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。反应工序。n n1937年，丹克莱尔较系统的阐述了年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，扩散，流体流动和传热对化学反应收率的影响流体流动和传热对化学反应收率的影响”，为化学反应工程的创立奠定了基础。（被认为化学反应工程的创立奠定了基础。（被认为是化学动力学发展到为是化学动力学发展到“工程技术工程技术”阶段的阶段的标志。标志。n n4
3、040年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作：研究工作：研究工作：研究工作：流化床催化裂化流化床催化裂化流化床催化裂化流化床催化裂化-汽油汽油汽油汽油丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶乳液聚合-（汽车）轮胎（汽车）轮胎（汽车）轮胎（汽车）轮胎曼哈顿计划曼哈顿计划曼哈顿计划曼哈顿计划-原子弹（气体扩散提炼浓缩铀原子弹（气体扩散提炼浓缩铀原子弹（气体扩散提炼浓缩铀原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238U238）19471947年，出版了两本书年，出版了
4、两本书年，出版了两本书年，出版了两本书:霍根（霍根（霍根（霍根（HougenHougen）和华生（）和华生（）和华生（）和华生（wastonwaston）-化学化学化学化学过程原理过程原理过程原理过程原理法兰克法兰克法兰克法兰克-卡明涅斯基卡明涅斯基卡明涅斯基卡明涅斯基-化学动力学中的扩散与化学动力学中的扩散与化学动力学中的扩散与化学动力学中的扩散与传热传热传热传热总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的讨了反应器设计问题。为
5、学科的形成起了一定的讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。作用。作用。作用。n n五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着反应在工业规模反应器中
6、进行时不可避免地伴随着反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着“三传三传三传三传”现象，必须将化学反应与现象，必须将化学反应与现象，必须将化学反应与现象，必须将化学反应与“三传三传三传三传”同时结合起来加以考同时结合起来加以考同时结合起来加以考同时结合起来加以考虑和分析。虑和分析。虑和分析。虑和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如另外，又提出了一些重要的基本概念。如另外，又提出了一些重要的基本概念。如另外，又提出了一些重要的基本概念。如“返混返混返混返混”，“反反反反应器稳定性应器稳定性应器稳定性应器稳定性”，“微观混合微观混合微观混合微观
7、混合”，“伴有化学反应的传质伴有化学反应的传质伴有化学反应的传质伴有化学反应的传质”等。推动了学科的发展。等。推动了学科的发展。等。推动了学科的发展。等。推动了学科的发展。19571957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会议。会上正式提出了化学反应工程会议。会上正式提出了化学反应工程会议。会上正式提出了化学反应工程会议。会上正式提出了“化学反应工程学化学反应工程学化学反应工程学化学反应工程学”的概念。的概念。的概念。的概念。19601960
8、年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每四年举行一次。后，每四年举行一次。后，每四年举行一次。后，每四年举行一次。n n19701970年，在美国首都年，在美国首都年，在美国首都年，在美国首都(华盛顿华盛顿华盛顿华盛顿)召开了第一次国际化学反召开了第一次国际化学反召开了第一次国际化学反召开了第一次国际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。应工程讨论会，以后每两年举行一次。应工程讨论会，以后每两年举行一次。应工程讨论会，以后每两年举行一次。7070年代中
9、期，反应工程向深度和广度发展，出现了关年代中期，反应工程向深度和广度发展，出现了关年代中期，反应工程向深度和广度发展，出现了关年代中期，反应工程向深度和广度发展，出现了关于于于于g-lg-l、g-l-sg-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。反应器、生化反应工程等方面的专著。反应器、生化反应工程等方面的专著。反应器、生化反应工程等方面的专著。19791979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张有衡为团长）张有衡为团长）张有衡为团长）张有衡为团长）n
10、n80年代以后，反应工程的理论与方法已日年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。随着高技术的发展与应用，臻完善与丰富。随着高技术的发展与应用，如微电子器件的加工、光导纤维的生产、如微电子器件的加工、光导纤维的生产、新材料与生物技术等，向我们提出了新的新材料与生物技术等，向我们提出了新的研究课题。使反应工程的研究进入了一个研究课题。使反应工程的研究进入了一个新的阶段。新的阶段。间歇操作（分批操作）间歇操作（分批操作）间歇反应器间歇反应器（BR）n n 特点：特点：特点：特点：1 1）是一个非定态反应过程。反应器内物）是一个非定态反应过程。反应器内物）是一个非定态反应过程。反应器内物）是一
11、个非定态反应过程。反应器内物料组成随时间而变。料组成随时间而变。料组成随时间而变。料组成随时间而变。n n22）没有物料流入，也没有物料流出，因）没有物料流入，也没有物料流出，因）没有物料流入，也没有物料流出，因）没有物料流入，也没有物料流出，因此不存在物料流动。此不存在物料流动。此不存在物料流动。此不存在物料流动。33）整个反应过程都是在恒容下进行的。）整个反应过程都是在恒容下进行的。）整个反应过程都是在恒容下进行的。）整个反应过程都是在恒容下进行的。44）反应器几乎都是釜式反应器。）反应器几乎都是釜式反应器。）反应器几乎都是釜式反应器。）反应器几乎都是釜式反应器。55）适用于品种多、批量小
12、的产品。如医）适用于品种多、批量小的产品。如医）适用于品种多、批量小的产品。如医）适用于品种多、批量小的产品。如医药工业。药工业。药工业。药工业。连续操作连续操作连续反应器（流动反应器）连续反应器（流动反应器）n n 原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从反应器中流出。（连续进，连续出）反应器中流出。（连续进，连续出）反应器中流出。（连续进，连续出）反应器中流出。（连续进，连续出）所有反应器均可采用连续操作。所有反应器均可采用连续操作。特点：特点：特点：特点：11）多属于定
13、（常）态操作。反应器内物料浓）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及温度都不随时间变化度及温度都不随时间变化,但随位置而变。但随位置而变。n n22）连续反应器适用于大规模生产。它产品质）连续反应器适用于大规模生产。它产品质量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改变产品品种十分困难。但要改变产品品种十分困难。半连续半连续(半间歇半间歇)操作操作n n原料与产物只要其中有一种为连续流入或流出，而其余则为分批加入或卸出，这样的操作方式半连续操作。n n反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程n n反应器设计最基本的内容：反应器设计最基本的内容
14、：n n选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式n n确定最佳操作条件确定最佳操作条件n n计算反应体积，确定主要尺寸。计算反应体积，确定主要尺寸。n n反应体积的确定，是反应器设计的核心内反应体积的确定，是反应器设计的核心内容。容。n n反应体积的大小，是由反应组成的反应速率反应体积的大小，是由反应组成的反应速率决定的。反应速率快，完成同样的产量所需决定的。反应速率快，完成同样的产量所需体积就小。但反应速率又取决于反应物的浓体积就小。但反应速率又取决于反应物的浓度、压力和反应温度。而反应器内反应物的度、压力和反应温度。而反应器内反应物的浓度，压力和温度又随反应时间或位置而变。浓度，压力和温度
15、又随反应时间或位置而变。因此，在反应器内反应速率是不断变化着的。因此，在反应器内反应速率是不断变化着的。为了确定反应体积，就要找出这些物理量在为了确定反应体积，就要找出这些物理量在反应器内变化的数学关系式。即反应器设计反应器内变化的数学关系式。即反应器设计的基本方程。的基本方程。n n 反应器设计的基本方程：反应器设计的基本方程：反应器设计的基本方程：反应器设计的基本方程：n n物料衡算式物料衡算式描述器内浓度变化描述器内浓度变化C Ci i=f(t,l)=f(t,l)n n热量衡算式热量衡算式描述器内温度变化描述器内温度变化T=T(t,l)T=T(t,l)n n动量衡算式动量衡算式描述器内压
16、力变化描述器内压力变化P=P(t,l)P=P(t,l)n n动力学方程式动力学方程式描述器内反应速率描述器内反应速率r ri i=r(T,C)=r(T,C)n n参数计算式参数计算式计算某些物性参数计算某些物性参数 n n三种衡算式，依据各自的守恒定律，其模式为：三种衡算式，依据各自的守恒定律，其模式为：输入输入=输出输出+消耗消耗+累积累积工业反应器的放大工业反应器的放大n n随着生产规模的增大，反应器尺寸也要相应增大，但究竟要增到多大，才能达到预期的效果工业反应器的放大问题。这是一个十分重要而又十分困难的化学工程问题。因为化学加工过程与物理加工过程不同，不仅有量变，还有质变。因此以相似理论
17、和因次分析为基础的相似放大法对反应器放大无能为力。数学模型方法数学模型方法n n 是是是是6060年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。步骤步骤步骤步骤：1)1)实验室规模实验：新产品的合成、新型实验室规模实验：新产品的合成、新型实验室规模实验：新产品的合成、新型实验室规模实验：新产品的合成、新型cat.cat.的开发、的开发、的开发、的开发、反应动力学。侧重过程的化学反面，属于基础性工作。反应动力学。侧重过程的化学反面，属于基础性工作。反应动力学。侧重过程
18、的化学反面，属于基础性工作。反应动力学。侧重过程的化学反面，属于基础性工作。2)2)小型试验：仍属于实验室规模，但比上一步大，且小型试验：仍属于实验室规模，但比上一步大，且小型试验：仍属于实验室规模，但比上一步大，且小型试验：仍属于实验室规模，但比上一步大，且反应器结构大体上与将来工业装置相接近。如采用列管式反应器结构大体上与将来工业装置相接近。如采用列管式反应器结构大体上与将来工业装置相接近。如采用列管式反应器结构大体上与将来工业装置相接近。如采用列管式固定床反应器时，可采用单管试验。固定床反应器时，可采用单管试验。固定床反应器时，可采用单管试验。固定床反应器时，可采用单管试验。目的：考察物
19、理过程对化学反应的影响，工业原料的影目的：考察物理过程对化学反应的影响，工业原料的影目的：考察物理过程对化学反应的影响，工业原料的影目的：考察物理过程对化学反应的影响，工业原料的影响等等。响等等。响等等。响等等。3)3)大型冷模试验：用空气，水，砂（废催化剂）代替大型冷模试验：用空气，水，砂（废催化剂）代替大型冷模试验：用空气，水，砂（废催化剂）代替大型冷模试验：用空气，水，砂（废催化剂）代替反应原料中的（反应原料中的（反应原料中的（反应原料中的（g-l-sg-l-s三相）；用玻璃，有机玻璃等代替三相）；用玻璃，有机玻璃等代替三相）；用玻璃，有机玻璃等代替三相）；用玻璃，有机玻璃等代替钢材。钢
20、材。钢材。钢材。目的：考察传递过程规律。目的：考察传递过程规律。目的：考察传递过程规律。目的：考察传递过程规律。因为化学反应过程总是受到传递过程的影响，而传递过因为化学反应过程总是受到传递过程的影响，而传递过因为化学反应过程总是受到传递过程的影响，而传递过因为化学反应过程总是受到传递过程的影响，而传递过程的影响总是随着设备规模的改变而改变。程的影响总是随着设备规模的改变而改变。程的影响总是随着设备规模的改变而改变。程的影响总是随着设备规模的改变而改变。n n4)4)中试：不但规模增大，且在流程与设备形式中试：不但规模增大，且在流程与设备形式中试：不但规模增大，且在流程与设备形式中试：不但规模增
21、大，且在流程与设备形式上都与生产车间十分接近。上都与生产车间十分接近。上都与生产车间十分接近。上都与生产车间十分接近。目的：目的：目的：目的：(1)(1)对数学模型进行检验与修正。为设对数学模型进行检验与修正。为设对数学模型进行检验与修正。为设对数学模型进行检验与修正。为设计大厂提供有用的信息。计大厂提供有用的信息。计大厂提供有用的信息。计大厂提供有用的信息。(2)(2)对催化剂的寿命，活对催化剂的寿命，活对催化剂的寿命，活对催化剂的寿命，活性，设备的腐蚀情况等进行考察。（因为这些项性，设备的腐蚀情况等进行考察。（因为这些项性，设备的腐蚀情况等进行考察。（因为这些项性，设备的腐蚀情况等进行考察
22、。（因为这些项目的考察往往要经历很长的时间。）目的考察往往要经历很长的时间。）目的考察往往要经历很长的时间。）目的考察往往要经历很长的时间。）5)5)计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能
23、，验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完成大型反应器的设计。成大型反应器的设计。成大型反应器的设计。成大型反应器的设计。数学模型法应用实例：数学模型法应用实例：n n 对于某些具体反应也许不需要经过那么多个实对于某些具体反应也许不需要经过那么多个实对于某些具体反应也许不需要经过那么多个实对于某些具体反应也许不需要经过那么多个实验阶段。如美国验阶段。如美国验阶段。如美国验阶段。如美国GoodrichGoodrich公司，用丙
24、烯二聚生公司，用丙烯二聚生公司，用丙烯二聚生公司，用丙烯二聚生产异戊二烯，没有经过中试，直接由小试结果放产异戊二烯，没有经过中试，直接由小试结果放产异戊二烯，没有经过中试，直接由小试结果放产异戊二烯，没有经过中试，直接由小试结果放大而成，放大倍数高达大而成，放大倍数高达大而成，放大倍数高达大而成，放大倍数高达1700017000倍。产品性能、质倍。产品性能、质倍。产品性能、质倍。产品性能、质量与小试结果相似。量与小试结果相似。量与小试结果相似。量与小试结果相似。德国鲁奇德国鲁奇德国鲁奇德国鲁奇(Lurge)(Lurge)公司用低压法合成甲醇，公司用低压法合成甲醇，公司用低压法合成甲醇，公司用低压法合成甲醇，4000t/a4000t/a，开车两天后就达到了正常运转，从，开车两天后就达到了正常运转，从，开车两天后就达到了正常运转，从，开车两天后就达到了正常运转，从小试到中试到建立最终的工业规模装置生产，只小试到中试到建立最终的工业规模装置生产，只小试到中试到建立最终的工业规模装置生产，只小试到中试到建立最终的工业规模装置生产，只用了三年时间，而一般经验放大法需十年或更长用了三年时间，而一般经验放大法需十年或更长用了三年时间，而一般经验放大法需十年或更长用了三年时间，而一般经验放大法需十年或更长时间。时间。时间。时间。