1、反應(yīng)工程 (化學(xué)反應(yīng)工程),Reaction Engineering (Chemical Reaction Engineering),,教材：李紹芬主編 普通高等教育“九五”國家級重點教材參考教材： 陳甘棠.化學(xué)反應(yīng)工程.（第二版）.化學(xué)工業(yè)出版社 朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程.（第三版）.化學(xué)工業(yè)出版社（教材出版中心）,課程性質(zhì)：專業(yè)選修課主講：袁紅聯(lián)系方式：yhyxw

2、_co@163.com教學(xué)要求：課堂筆記，認(rèn)真完成作業(yè)成績評定（暫定）：平時占40%（作業(yè)25+考勤15），期末考試占60%課程的難易：中偏上,凡是采用化學(xué)方法將原料加工成產(chǎn)品的過程，例如化學(xué)工業(yè)、冶金、石油煉制和能源加工等工業(yè)過程。生產(chǎn)過程包括如下三個組成部分,圖1.1典型的化學(xué)加工過程,①和③兩部分屬于單元操作，②部分是反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。,,礦石,,金屬 金屬化

3、合物,一定性能的金屬材料,,火冶金濕冶金電冶金,原油,,輕質(zhì)油重質(zhì)油渣油,,,輕質(zhì)油 烴類氣體,蒸餾,熱裂化 催化裂化加氫裂化,冶金,石油煉制,降低分子量、粘度、密度,制取半水煤氣,脫除硫化物,,,,原料氣制備與凈化,氨的凈化：冷凝法、水吸法,,,例:,核心,化學(xué)反應(yīng)過程的主體，研究什么內(nèi)容，研究目標(biāo)是什么，研究方法,？,第一章 緒論,本章內(nèi)容,第一節(jié) 反應(yīng)工程,第二節(jié) 反應(yīng)進(jìn)度、轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性,第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)器的類型及

4、操作方式,第四節(jié) 反應(yīng)器設(shè)計的基本方程,第五節(jié) 工業(yè)反應(yīng)器的放大,教學(xué)要求,1．了解本課程的任務(wù)和內(nèi)容；2．掌握反應(yīng)進(jìn)度，轉(zhuǎn)化率，收率與選擇性的定義及計算；3．了解各類化學(xué)反應(yīng)器的特征及操作方式。,數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行反應(yīng)器的放大,現(xiàn)有反應(yīng)操作條件進(jìn)行優(yōu)化,反應(yīng)速率,反應(yīng)器,,,一、反應(yīng)工程的任務(wù),任務(wù),內(nèi)容,經(jīng)驗放大 知其然而不知其所以然相似放大 對物理過程有效數(shù)學(xué)模擬放大 目前比較科學(xué)的方法,化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)

5、是使化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)工業(yè)化的一門技術(shù)科學(xué),第一節(jié) 反應(yīng)工程,,二、反應(yīng)工程的研究內(nèi)容,反應(yīng)機(jī)理,反應(yīng)速率方程,反應(yīng)動力學(xué)：研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理與速率,例:,,反應(yīng)動力學(xué)、反應(yīng)器設(shè)計與分析,,反應(yīng)速率,動力學(xué)實驗,反應(yīng)速率：,*反應(yīng)動力學(xué)研究它們之間的定量關(guān)系,反應(yīng)器設(shè)計與分析,,反應(yīng)器設(shè)計分析主要內(nèi)容： 選擇合適反應(yīng)器 *確定反應(yīng)器的尺寸 確

6、定操作方式和優(yōu)化操作條件,反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動狀態(tài)、混合狀態(tài)、濃度與溫度分布、質(zhì)量和能量傳遞性能等影響反應(yīng)速率,,最大經(jīng)濟(jì)效益,動力學(xué),反應(yīng)器設(shè)計與分析,,由點及面,,反應(yīng)本身的規(guī)律,反應(yīng)器內(nèi)部狀況,,三、反應(yīng)工程與其它學(xué)科關(guān)系,與主要相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系：化學(xué)熱力學(xué)：確定物系的各種物性常數(shù)，反應(yīng)的可行性及可能達(dá)到的程度。反應(yīng)動力學(xué)：反應(yīng)器的選型、設(shè)計及操作方式選擇都依賴于對反應(yīng)動力學(xué)特性的認(rèn)識。傳遞工程：流動與混合直接影響溫度與濃度分

7、布，最終影響離開裝置物料的組成。裝置中的“三傳” （傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）是極其復(fù)雜的，裝置放大時的“三傳” 也隨之發(fā)生變化，即出現(xiàn)“放大效應(yīng)”，因此要解決好裝置的放大效應(yīng)，就必須對反應(yīng)器內(nèi)流體的三傳有一個十分清晰的認(rèn)識。系統(tǒng)工程：反應(yīng)裝置最優(yōu)化不一定整個系統(tǒng)是最優(yōu)化，這時反應(yīng)裝置也就只能服從系統(tǒng)最優(yōu)化目標(biāo)。,四 反應(yīng)工程的研究方法化學(xué)反應(yīng)工程研究方法：數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)過程中各種變量之間的關(guān)系。 化學(xué)反

8、應(yīng)工程中的數(shù)學(xué)模型： ◆ 動力學(xué)方程式 ◆ 物料衡算式 ◆ 熱量衡算式 ◆ 動量衡算式◆ 參數(shù)計算式,,聯(lián)立求解,,物料衡算式熱量衡算式動量衡算式動力學(xué)方程,反應(yīng)裝置濃度分布溫度分布,r=f (C, T, P…),五、反應(yīng)工程的發(fā)展簡述,反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計計算（確定反應(yīng)器的尺寸）；確定操作方式和優(yōu)化操作條件,本課程我們學(xué)習(xí)了什么？,第二節(jié) 轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性,一、規(guī)范的化學(xué)計量方程,例:,1 計

9、量方程中反應(yīng)物計量系數(shù)為負(fù)值，產(chǎn)物為正值,2 計量方程僅表示由于反應(yīng)引起參與反應(yīng)的物質(zhì)之間量的變化關(guān)系，與反應(yīng)實際歷程無關(guān),3 計量方程的計量系數(shù)間不含有除1以外的公因子,注意:,反應(yīng)機(jī)理,反應(yīng)混合物中，某一組分起始物質(zhì)的量為ni0 ,反應(yīng)后該組分的物質(zhì)的量為ni ,定義反應(yīng)進(jìn)度為ξ：,例:,定義：,注意:,注意:,二、反應(yīng)進(jìn)度（針對復(fù)合反應(yīng)）,3 復(fù)合反應(yīng)，各反應(yīng)有自己的反應(yīng)進(jìn)度，設(shè)為,任意組分i的反應(yīng)量等于各反應(yīng)所作貢獻(xiàn)的代數(shù)和,三

10、、轉(zhuǎn)化率（針對反應(yīng)物）,定義：,間歇反應(yīng)：,連續(xù)反應(yīng)：,,Z=0,Fi0,Z=Z,Fi,,循環(huán)反應(yīng)——有物料循環(huán)反應(yīng)的過程,單程轉(zhuǎn)化率---新鮮原料通過反應(yīng)器一次所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率,單程轉(zhuǎn)化率,全程轉(zhuǎn)化率---新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率,全程轉(zhuǎn)化率,,單程轉(zhuǎn)化率,,全程轉(zhuǎn)化率,全程 轉(zhuǎn)化率,單程 轉(zhuǎn)化率,？,1、不同的反應(yīng)物，X 值不同（原料配比若符合化學(xué)計量關(guān)系，則X的數(shù)值相同）,,注意：,,2、關(guān)鍵組分(著眼組分）為不

11、過量、貴重的組分，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大可達(dá)100%。,3、反應(yīng)物起始量的選擇,連續(xù)反應(yīng)器---進(jìn)口原料狀態(tài),間歇反應(yīng)器---反應(yīng)開始狀態(tài),多個反應(yīng)器串聯(lián)---進(jìn)入第一個反應(yīng)器,例1.1,收率---針對產(chǎn)物,四、收率與選擇性,對于單一反應(yīng) Y=X(關(guān)鍵組分)(無論用哪種產(chǎn)物計算結(jié)果均是如此)對于復(fù)雜反應(yīng) Y≠X,收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)）,注意：,正值,,R: 產(chǎn)物 A: 關(guān)鍵組分,選擇性——針對復(fù)合反應(yīng),,轉(zhuǎn)化率X只能說

12、明總的結(jié)果，Y說明 轉(zhuǎn)化了的反應(yīng)物變成 產(chǎn)物的比例，選擇性S說明轉(zhuǎn)化了的反應(yīng)物變成 目的產(chǎn)物的比例；,---X關(guān)鍵組分，Y、S是同一產(chǎn)物,無論是收率、選擇性、轉(zhuǎn)化率還是反應(yīng)進(jìn)度, 數(shù)值結(jié)果不一樣，但說明同樣的問題 。,例1.2,小結(jié),,第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的操作方式及結(jié)構(gòu)類型,●操作方式：★分批（或間歇）式操作：一次性投料卸料，反應(yīng)物系濃度或組成等隨時間變化。用于實驗室、產(chǎn)量小、一個反應(yīng)器生產(chǎn)多個產(chǎn)品，具有生產(chǎn)彈性大，操作靈活的特點。

13、★連續(xù)式操作：原料不斷加入，反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化，隨物料所處位置變化。用于產(chǎn)品品種單一而產(chǎn)量大的情況?！锇敕峙ɑ虬脒B續(xù)）式操作：兼有以上兩種過程特點，較復(fù)雜,●按反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)分類：分為：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等類型,●按反應(yīng)相態(tài)分類：★均相：氣相、液相；★非均相：氣液、液液、氣固、液固、固固、氣液固,管式反應(yīng)器,管式反應(yīng)器是工業(yè)生產(chǎn)中常用反應(yīng)器類型之一，大多采用長徑比很大的圓形空管構(gòu)成，常用于均相（氣相

14、、液相）反應(yīng)。,移動床反應(yīng)器：在反應(yīng)器頂部連續(xù)加入固體反應(yīng)物或催化劑，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固體物料逐漸下移，自底部連續(xù)卸出，流體自下而上（或自上而下）通過固體床層。與固定床反應(yīng)器及流化床反應(yīng)器相比，其主要優(yōu)點是固體和流體的停留時間可以在較大范圍內(nèi)改變 。,漿態(tài)床反應(yīng)器：三相鼓泡塔，氣體以鼓泡形式通過懸浮有固體細(xì)粒的漿液層，漿態(tài)床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)比列管式固定床反應(yīng)器更簡單，易于安裝，放大更容易。,釜式攪拌反應(yīng)器,釜式攪拌反應(yīng)器是一類應(yīng)用廣泛的反應(yīng)器

15、。其形狀特征是長徑遠(yuǎn)小于管式反應(yīng)器，成“釜”狀或“鍋”狀。釜式反應(yīng)器內(nèi)一定型式的攪拌槳葉可使釜內(nèi)的物料混合均勻。多用于液相反應(yīng)。,固定床反應(yīng)器,固定床反應(yīng)器多用于氣固催化反應(yīng)的設(shè)備。反應(yīng)器中，催化劑顆料保持靜止?fàn)顟B(tài)，稱為固定床反應(yīng)器。,塔式反應(yīng)器,塔式反應(yīng)器主要用于兩相流體反應(yīng)體系,第四節(jié)反應(yīng)器設(shè)計的基本方程,反應(yīng)器設(shè)計的基本方程物料衡算方程式以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，計算反應(yīng)器體積的基本方程熱量衡算方程式以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)

16、，通過熱量衡算可以計算反應(yīng)器中溫度的變化動量衡算方程式以動量守恒為基礎(chǔ)，可以計算反應(yīng)器中壓力的變化動力學(xué)方程式反應(yīng)速率與物質(zhì)濃度、反應(yīng)體系溫度、壓力的關(guān)系衡算方程形式：*輸入量＝輸出量+因反應(yīng)而改變的量+累積量,第五節(jié)工業(yè)反應(yīng)器的放大,,化學(xué)反應(yīng)器放大的方法,逐級經(jīng)驗放大法,費時費錢，難做到高倍數(shù)放大,數(shù)學(xué)模型法,基礎(chǔ)是化學(xué)反應(yīng)工程，手段是計算，如果缺乏對過程的深刻認(rèn)識會導(dǎo)致失敗,反應(yīng)過程的開發(fā)方法,反應(yīng)過程,反應(yīng)熱

17、力學(xué)計算,小型熱模,大型冷模,催 化 劑,操作條件,本征動力學(xué),宏觀動力學(xué),反 應(yīng) 器 型 式,數(shù)學(xué)模型,中 試,工業(yè)示范裝置,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,工程參數(shù),,,本章重點,化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的概念和應(yīng)用,作業(yè)： 1.1 補充題,例題 1.1 合成聚氯乙烯所用的單體氯乙烯,多是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,,由于乙炔價格高于氯化氫, 使用的原料混合氣中氯化氫是過量的,設(shè)其

18、過量10%。若反應(yīng)器出口氣體中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為90%，試分別計算乙炔的轉(zhuǎn)化率和氯化氫的轉(zhuǎn)化率。,解：計算基準(zhǔn):設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器的乙炔為1mol。乙炔的轉(zhuǎn)化量為X，由題目知氯化氫與乙炔的化學(xué)計量系數(shù)比為1，由于氯化氫過量10%,因此原料氣中氯化氫為1.1mol,題給反應(yīng)器出口氣體中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為90%,故,解之得：,可見按不同反應(yīng)物計算的轉(zhuǎn)化率數(shù)值上是不相同的，若氯化氫不過量則兩者相同,例題1.2,在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)以生產(chǎn)環(huán)氧乙烷

19、，進(jìn)入催化反應(yīng)器的氣體中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)分別為C2H415% , O27% , CO210% , Ar12% ,其余為N2。反應(yīng)器出口氣體中含C2H4和O2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為13.1%, 4.8% 。試計算乙烯的轉(zhuǎn)化率、環(huán)氧乙烷收率和反應(yīng)選擇性。,氯化氫的反應(yīng)量與乙炔相同,故氯化氫的轉(zhuǎn)化率,,解：以100mol進(jìn)料為計算基準(zhǔn)，并設(shè)x和y分別表示環(huán)氧乙烷和水的生成量,根據(jù)題給的進(jìn)料組成和該反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)計量式〈1.9〉和式〈1.10〉,可

20、列出下表,由于反應(yīng)器出口氣體中乙烯和氧的摩爾分?jǐn)?shù)已知,所以可列出下面兩個方程:,解之得：x=1.504mol y=0.989mol,乙烯的轉(zhuǎn)化量為 1.504+0.989/2=1.999mol,所以,乙烯的轉(zhuǎn)化率等于X= 1.999/15=0.1333或13.33%,環(huán)氧乙烷的收率Y= 1.504/15=0.1003或10.03%,將乙烯轉(zhuǎn)化率及環(huán)氧乙燒收率代入式〈1.12〉,得反應(yīng)選擇性為 S=0.1003/0.1333=0.752

21、4或75.24%,,解：（1）由收率、選擇性、轉(zhuǎn)化率關(guān)系得：,由題目知 XA=0.72，Yp=0.692…….,（2）設(shè)計算基準(zhǔn)為100mol進(jìn)料，設(shè)CH3OH的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為Yp,解：設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器的C2H2為1mol，反應(yīng)的量為Zmol,按題意：反應(yīng)器出口氣體中氯乙烯含量為0.85，則,則乙炔反應(yīng)的量Z=… 乙炔的轉(zhuǎn)化率… 氯化氫的轉(zhuǎn)化率 …,補充習(xí)題2： 反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行氣相反應(yīng),反應(yīng)溫度下，Kp1=2.667， K