化学反应工程讲义1、2

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1、化学反应工程教师：朱岩武汉理工大学化工学院第一章绪论无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。化学反应工程是一门复杂的涉及面很广泛的学科，它广泛地应用了化工热力学、化学动力学、流体力学、传递动力学、生物学等方面的研究成果，使之不同于其它化学工程领域、近五十年来才发展为一门系统的学科。化学反应工程的目的是将实验室中发现的化学反应可靠地移植到工业生产，并且根据所

2、确定的反应与预期生产能力对反应器的形状、尺寸及操作方式进行设计。第一节化学反应工程一、化学反应工程的研究对象化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。　　反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等其中速率方程可表示为：r=f（T、、P）（对于一定的反应物系而言--随时间、空间变化）其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量，P为系统的总压。　反应器设计分析--研究反应器

3、内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。二、化学反应的分类（反应工程学科）无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用，将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。例如：为一气固催化反应三、反应过程的举例一般来说反应过程包括:物理现象--传递现象(热量、动量和质量传递过程)化学现象--化学反应概括为"三传一反"。例如：对于反应过程实际的反应过程可能包括：反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程　无论对于放热

4、过程，还是吸热过程，催化剂与反应物气体存在温差　就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。四、化学反应工程作用对于化学产品和加工过程的开发、反应器的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程知识可以：　　提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期　　对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效率　　开发环境友好的绿色生产路线和工艺五、化学反应工程的建立过程化学反应工程是建立在数学、物理及化学等基础学科上而又有自己特点的应用学科分支，是化学工程学科的组成部分，从学科建立至今，经历了

5、一个漫长的过程。第二节化学反应器的类型反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分,可以概括为以下几种类型：种类特点应用范围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板均相、多相反应过程均可塔式(填塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程固定床底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能多相反应体系，可以提高传热速

6、率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程(a)管式反应器(b)移动床反应器(c)机械搅拌浆态床反应器(d)循环式浆态反应器(e)半连续浆态床反应器(f)固定床鼓泡床反应器(g)滴流床反应器(h)规整填料塔反应器(i)喷雾塔式反应器(j)板式塔反应器(k)鼓泡塔反应器(l)气液搅拌釜式反应器第三节反应器的操作方式间歇操作:一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度或组成等)随时间变化。连续操作

7、:原料不断加入,产物不断引出,反应器内物系参数均不随时间变化。半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。第四节反应器的设计与基本过程反应器设计的基本内容一般包括：选择合适的反应型式确定最佳操作条件根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸要完成上述任务，需要使用下列三类基本设计方程：物料衡算式(描述浓度变化)--连续性方程能量衡算式(描述温度变化)动量衡算式(描述压力变化)这三个式子是相互耦联的,需要同时求解。具体的作法,将在以后的各个章节中详细阐述。第五节工业反应器的放大问题的提出：　　在造船、筑

8、坝等很多领域上相似理论和因次分析为基准的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主要原因是无法同时保持物理和化学相似。目前使用的化学反应器放大法有：　逐级经验放大法（主要靠经验）　数学模型法。可以提高放大倍数，　半经验放大法采用逐级放大法费时