化学反应工程-第1章

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1、化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)第一章绪　论1.1化学反应工程学的范畴和任务1.2化学反应工程的基本方法1.3化工过程放大1.4最优化1.5反应器类型1.6主要内容1.7学习目的及要求1.1化学反应工程学的范畴和任务化学反应过程是物理与化学两类因素综合体，是化学反应生产的关键。远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称。化学反应工程学：是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又以工程问题为

2、研究对象，把二者结合起来的学科体系。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。为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，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，

3、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。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)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。1.1.1化学反应工程的研究对象1.1化学反应工程学的范畴和任务第一章绪　论原材料半成品或成品公用工程副产品及三废化学反应、分离以及物料、能量的输送和转换可见，化工生产过程往往由许多步骤组成，并力求最经济地生产产品，减少废弃物量。其中的化学加工步骤就是化学反应工程的研究对象。

4、实现化学加工步骤的设备称为反应器。任何一个化工过程都可概括为：能否选择恰当的化学加工方式、采用合适的反应器型式，往往是一个化工生产过程的关键。通过化学反应工程的学习，可解决：如何分析化学加工过程及反应器状况，制定最优化条件。如何选择和设计反应器，以完成所需的化学加工过程。1.1化学反应工程学的范畴和任务第一章绪　论1.1.2化学反应工程的范畴和任务化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学。只研究化学反应本身的规律以及反应结果（反应速率、选择性等）与温度和浓度的关系，而不涉及传递过程，属化学动力学问题。研究反应器构型，物料在其中的流动、传热和传质的

5、传递规律，以及传递过程对反应结果的影响。这属工程问题。根据化学动力学问题，解决工程问题，确定与反应特性相适应的反应器型式、结构尺寸和操作条件，达到较好的反应结果。这就是化学反应工程开发的核心内容。1.1化学反应工程学的范畴和任务第一章绪　论1.化学反应工程的内容⑴.过程动力学研究反应机理研究反应速率与外界因素关系研究传递过程对反应速率影响本征反应动力学：是在理想的条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，但不包括传递过程既反应器结构参数对反应速率的影响。宏观动力学：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进

6、行，这种化学反应与物力变化过程的综合，成为宏观反应过程，研究其动力学的成为宏观反应动力学。1.1化学反应工程学的范畴和任务第一章绪　论本征动力学宏观动力学⑵.反应器设计与分析良好的反应器能提供一种良好的三传环境，保证化学反应的顺利进行。2.化学反应工程学的任务⑴.反应工程分析⑵.反应技术开发⑶.反应器设计1.2化学反应工程的基本方法第一章绪　论1.2.1数学模型数学模型是指在因变量和自变量间建立的数学关系式。1.数学模型分类按参数空间分布程度：集中参数模型和分布参数模型。按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。按参数性质：确定模型和随机模型。按建立模型的

7、方法：机理模型和经验模型。按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。按数学关系：线性模型和非线性模型。2.数学模型法的建立步骤1．建立简化物理模型对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过程。简化必须合理，即简化模型必须反映客观实体，便于数学描述和适用。不失真、满足应用要求、适应现有的实验条件和适应现有的计算能力。2．建立数学模型依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理模型的数学方程及其初始和边界条件。3．用模型方程的解讨论客体的特性规律1.2化学反应工程的基本方法第一章绪　论1.2.2反应器设计的基本方程反应器设计

8、的基本方程就是描述反应器的数学模型。控制体积是指能把化学反应速率视作定值的最大空