化学反应工程教案(1-3章)

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1、第一章绪论1.1化学反应工程学的范畴和任务1.1.1化学反应工程发展简述自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类，物理过程不牵涉化学反应,但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素综合体。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。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，既以化学反应作为研究对象，乂以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体

2、系。一、研究的范畴1.化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等），看化学反应是否能进行及其反应程度。2.反应动力学：专门阐明学反应速率与各项物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系。为实现某一反应，要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处理能力等，这些都依赖于对反应动力学特性的认识。3.催化剂4.设备型式、操作方法和流程有小试到扩是岀现放大效应，因此工业装置的反映条件必须结合工程上的考虑才能合理的确定。反应器型式：管式、釜式、塔式、固定床或流化床等。操作方式：分批式、连续式或半连续式。反应器的型式与特

3、性表型式适用反应优缺点搅拌槽液相、液一液、液一固相适用性大，操作弹性大，温度、浓度易控制，产品质量均一管式气相、液相返混小，反应器容积小，比传热面大空塔或搅拌塔液相、液一液相结构简单，返混程度与高/径比及搅拌有关，轴向温差大鼓泡塔或挡板鼓泡气一液相，气一液一固相气相返混小，液相返混大，温度较易塔调节，气体压降大，流速有限制填料塔液相、气一液相结构简单，返混小，压降小，有温差，填料装卸麻烦板式塔气一液相逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，常另加传热面喷雾塔气一液相快速反应结构简单，液体表面积大，停留时间受塔高限制，气流速度有

4、限制固定床气一固相返混小，催化剂用量少，不易磨损，装卸麻烦，传热控温不易流化床气一固相,特别是催化剂失活很传热好，温度均匀，易控制，催化剂快的反应有效系数大，磨损大，返混大，对转化率不利，操作条件限制大移动床滴流床蓄热床喷嘴式同上气一液一固相气相，以固相为热载体气相，高速反应的液相固体返混小，固气比可变性大，床内温差大，调节困难催化剂带出少，分离易，气液分不要均匀，温度调节困难结构简单，调节范南较广，切换频繁,温度波动大，收率低传热、传质速度快，流体混合好，反应物急冷易分批式（或间歇）操作：是指一批反应物料投入反应器内后，让它经过一

5、定的反应,然后再取出的操作方法。通常在实验室及产量较小的一些情况下采用。连续式操作：反应物料是连续的通过反应器的操作方式，它一般用于产品比较单一而产量较大的场合。半分批（或半连续）式操作：指反应器中有一些是分批地加入或取出的，而另一些则是连续的通过的，但反应过程比较复杂。1.传递工程装置中有动量、热量、质量传递（三传），当规模放大时，岀现放大效应。“三传一反”是三传和反应动力学。2.工程控制二、反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计是对各种反应过程进行工程分析，进行为技术开发所需要的各项研究，制定出最合理的技术方案和操作条件以

6、及进行反应器或反应系统的设计。1.2化学反应工程的基本方法无论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作岀定量的描述，也就是要用数学式来表达各参考数字间的关系，简称数学模型。包括：1.动力学方程2.物料衡算式3.热量衡算式4.动量衡算式5.参数衡算式其关系如下：rai-2-i反应揺的数学棋型结构示窓在建立这些方程式时，有些是需要经过实验才能解决的，依靠试验获得数据。依据这些资料，就写岀物料、热量、动量衡算式，其一般形式如下：累计量=输入量一输出量在设计反应器吋，流体通过反应器前后的压力差不太大吋，动量衡算式可以不列。对于等温过程，只凭物

7、料衡算就可以算出反应器的大小，不过往往是非等温，需物料、热量衡算式联立求解。化学反应工程数学模拟发放大法的示意:图1-2-2数学模拟放大法示倉建立数学模型，不能把各种因素都考虑进去，要合理的简化。1.3化学反应工程的学科系统和编排一.按操作方法分：分批式操作、连续式、半分批操作二.按反应装置的结构型式分：管式、塔式、釜式、固定床、流化床三.按化学反应的相态分：气相、液相的均相过程，气一固相、气一液相、液一液相等非均相过程第二章均相反应的动力学基础2.1基本概念与术语均相反应：是指在均一的液相或气相中进行的反应。均相反应动力学是研究各

8、种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率反应产物分布的影响，并确定表达这些因素与反应速率间定量关系的速率方程。2.1-1化学计量方程它是表示各反应物、生成物在反应过程的变化关系的方程。如N2+3H2==2NH3一般形式为：2