化学反应工程-绪论课件.ppt

1、原料的预处理 2、进行化学反应 3、反应产物的分离与提纯 第一、三两步属于单元操作，是化工原理内容，处于从属地位。,第二步为整个加工过程的核心，是化学反应工程学科的研究对象。,第一章 绪论,用化学方法将原料加工成产品,不仅是化学工业而且是其他过程工业如冶金、石油炼制、能源及轻工等所采用的手段。无论哪一个部门。还是哪一个产品的生产，采用化学方法加工时，都包括,化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象与动力学之间的相互作用以及操作条件和进料变量进行量化的一门学科。,化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常称作反应工程，其包括2个方面的内容反应动力学及反应器设计与分析,一、化学反应工程的研究对象,(1) 反应动力学 主要研究化学反应进行的机理和速率，以获得进行工业反应器的设计和操作所必需的动力学知识，如反应模式、速率方程及反应活化能等等。,对于一定的反应物系，反应速率只取决于反应温度、浓度和压力。反应动力学所要解决的正是它们之间的定量关系。 即 r fT、C、P, 反应器设计与分析 研究反应器内各因素的变化规律，找出最优工况和反应器的最好型式，以获得最大的经济效益。,1反应动力学部分(反应器设计计算的基础) 研究化学反应进行的机理和速率,2 反应器部分(核心问题) 包括反应器设计与分析、反应器优化、 反应器放大等。 反应器本身的投资也许只占整个生产装置投资的 很小一部分；但是，反应器通常是整个生产过程 的核心，反应器的操作状态主要是反应的转化率和选择性对整个装置的投资和产品的生产成本往往会起到决定性的作用。,二、化学反应工程的任务,1、改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力。 2、开发新的技术和设备。 3、指导和解决反应过程开发中的放大问题。 4、实现反应过程的最优化。 5、不断发展反应工程学的理论和方法。,化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。 对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。 具体讲有下面5方面的任务,三、化学反应工程的影响因素和研究方法,工业规模的化学反应与实验室规模相比复杂很多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相径庭。,反应物的浓度与反应温度是影响化学反应速率的两大主要因素，也是直接因素，对于一个化学反应来说，如果没有其他因素，只需控制反应温度与反应浓度，这样反应工程问题非常简单，而在工业生产的大反应器中，除温度与浓度影响外，还受到物质的扩散和混合等影响。,工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是 1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程； 2)由化学反应的热效应产生的传热过程； 3)多相催化反应中催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学过程同时发生。,本质上讲，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即，反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。,单位体积所能处理物料量与宏观反应速率有关，而宏观反应速率又受到化学反应速率、颗粒间传递速率、颗粒内传 递速率的影响。将它们关系表示如下,宏观反 应速度,化学反应速度 只与温度、浓度有关 颗粒间传递速度 颗粒内传递速度物理过程,因此设计工业反应器要考虑的因素包括三方面化学因素、工程因素、经济因素。,化学因素包括化学平衡、反应速率、催化剂。,工程因素结构尺寸、传质、传热及流体的流动。,经济因素投资、操作、利润等。,化学反应工程的研究方法,对于复杂的反应过程，以前的研究方法是借助相似论和量纲分析，通过实验建立相似特征数的经验关联式解决问题，但对于有化学反应参与的化工过程用这种方法很难设计和放大反应器。因为在化工开发过程中存在放大效应问题。,放大效应,化工过程开发也就意味着装置规模的扩大，因此常被形象化地称为“放大scale up” 。伴随着“放大”，往往会产生所谓的“放大效应”，即小装置中的某些技术经济指标在大装置中不能重现，甚至大装置根本不能正常运转。,反应器放大的方法经历的过程有,相似放大法 物理过程的放大 几何相似放大 准数相似放大逐级放大法 反应器的放大数学模拟放大法,小型试验(小试) 中间试验(中试) 半工业化试验阶段 工业化生产,在过程开发中是否会发生“放大效应”，并 不完全取决于“放大”的倍数，而是主要取决于 以下两个因素 1.反应器中的浓度分布和温度分布对反应器规模的扩大和由此引起的传递过程状况的变化是否敏感； 2.反应结果对反应器中的浓度分布和温度分布的变化是否敏感。,初期反应器的设计和放大，完全靠实验经验，从实验小装置到扩大实验，再经过中间工厂实验到最后设计放大到工厂需要的装置。这种放大方法周期较长，研究投资很大。在20世纪60年代出现了数学模型法。,化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。,数学模型 用数学方法描述工业反应器中个参数的关系,化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观动力学模型联立求解,代数方程 常微分方程 偏微分方程 积分方程实际情况的复杂性用模型简化这个过程要求不失真、,满足应用要求、适应实验条件、适应计算机能力。,在数学模型的建立过程中需要的方程有 化学动力学方程 计算反应速率 物料衡算方程计算反应体积 热量衡算方程计算温度变化 动量衡算方程计算压力变化,在模型中用到的化学动力学方程，主要是面对生产实际，与生产条件相适应的宏观动力学方程，一般通过在实验室的宏观动力学实验获得，并结合生产条件加以修正。涉及的传递参数要通过大型冷漠实验获得。衡算基准要取性质相同的部分或微元容积。在衡算单元内 输入量输出量消耗量累积量,数学模型放大方法的一般步骤 1. 实验室规模的试验 2. 小型试验 3. 大型冷膜试验探索传递规律 4. 中间试验 5. 计算机试验,四、 化学反应及反应器分类,(一)化学反应分类,化学反应工程学科一般是按反应物系的相态来分类。,工业反应器是化学反应工程的主要研究对象。一)、按结构特点可分为如下几种类型。,(二)、反应器的类型,1、管式反应器 特征长径比大，内部中空，不设置任何构件，多用于均相反应。一般长径比大于30.,2、釜式反应器,特征高径比1。外部设夹套或内部设盘管，用于换热。 主要用于均相反应；多相反应气液，液液，气液固,3、塔式反应器,高度一般为直径的数倍至10多倍。,气液反应，液液反应填料塔,板式塔,鼓泡塔气液反应，液体为连续相；气体为分散相。 喷雾塔气液反应，液体为分散相；气体为连续相。,4、固定床反应器,特征反应器内装有固定不动的固体颗粒。,固体催化剂气固反应,固体反应物料气固,液固非催化反应,5、流化床反应器,特征固体颗粒处于运动状态。分为两类。,循环流化床固体被流体带出，经分离后固体循环使 用 。如催化裂化反应器(催化剂烧炭层，再生),沸腾床固体在反应器内运动，流体与固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体。如硫铁矿粉燃烧。,流化床用于气固、液固、气液固催化或非催化反应,6、移动床反应器,固体催化剂在反应器顶部装入，底部卸出，反应气体由底部进入，与催化剂逆流接触。,7、滴流床反应器 也属于固定床反应器。用于使用固体催化剂的气液反应,二)按反应器的操作方式分,1、间歇操作 反应所需的物料一次装入反应器内，反应一定时间，达到要求的反应程度后便卸出全部物料，清洗反应器，再装料、反应、卸料。,特点 (1)、反应器内各处的物料浓度、温度均一 (2)、反应器内的物料组成随时间而变2、连续操作,连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反应器中流出。 特点 釜式反应器内的原料参数(浓度、温度等) 均不随时间和位置而变。 管式反应器其物料参数随位置而变。,3、半连续操作,半连续操作反应器的反应物系组成， 釜式随时间而变 管式随位置而变。,三)按反应器的传热条件分,1、等温反应器 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器反应器与外界没有热量交换，全部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器与外界有热量交换，但不等温。,选用教材 化学反应工程 王承学 胡永琪 编 化学工业出版社,主要参考书 化学反应工程 朱炳辰 主编 化学工业出版社,主要参考书 化学反应工程 陈甘棠 主编 化学工业出版社,