化学反应工程 备课笔记

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1、绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。图1是以天然气或石脑油为原料生产合成氨的工艺过程。图2每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。图中的鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成

2、机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。二、《化学反应工程

3、》任务“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。1957年如开了第一次欧洲化学反应工程伎议，会议确定了化学反应工程的研究内容和任务。“化学反应工程是化学工程的一个部分，它是科学的一个分支，它还处在发展阶段。它的目的在于控制工业规模的化学转化率并最终达到恰当和成功的反应器设计。有各种因素对反应器设计起着重要作用，如流动现象、质量和热量传递以及反应动力学。首先必须对这些因素了解，工业规模反应器的开发只能从上述因素间的关系和相互作用中得到了解”。化学反应工程的任务是研究化学反应器中质量和热量的传递过程、

4、流动状况和反应动力学，最终目的是设计化学反应器。三、化学反应器的特点考察CO变换反应：CO+H2O®CO2+H2反应在固定床变换炉中进行，变换炉中装有固体催化剂，反应过程如下：CO、H2O由气相主体到达颗粒外表面；104CO、H2O由颗粒外表面到达颗粒内表面；CO、H2O在颗粒内表面上起反应；CO2、H2由颗粒内表面到达颗粒外表面；CO2、H2由颗粒外表面到达气相主体。考察脱硫反应：H2S+NH4OH反应在吸收塔中进行，反应过程如下：H2S由气相主体到达气-液相界面；H2S由气-液相界面进入液相；H2S和NH4

5、OH在液相中反应生成NH4HS和H2O。CO和H2O的反应区在催化剂颗粒的内表面上，而脱硫反应的反应区在液相内。整个反应过程包含传递过程和化学反应过程，相互交织在一起，不可分割。考察CO和H2O在变换炉中的流动状况。变换炉直径较大，气体容易发生偏流，在同一截住面上流速分布不均匀，在变换炉中存在“死区”，这些客观存在的工程因素改变了物料的流动状况，其结果之一是同时进入变换炉的CO和H2O在变换炉中的停留时间不同。考察H2S在吸收塔中的流动状况。吸收塔内的填料是乱堆的，气体通道的截面积大小不规则，流速不均匀，同样也

6、有“死区”，这些工程因素使同时进入吸收塔的H2S所经历的流动过程不同，其结果之一是在塔内的停留时间不同。化学反应器的特点1，包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。2，客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时间不同。基于化学反应器的特点，传统的研究方法----经验归纳法已不适用于化学反应过程，化学反应工程的研究方法是数学模拟方法（数学模型方法）。一、数学模拟方法1.数学模拟方法数学模拟方法过程如下，由四部分组成。真实过程模型计算数学模型简化模型真实过程真实过程真实过程真实过程修改实验检

7、验实际应用（1）104将复杂的真实过程合理地抽象简化成简化模型，该简化模型等价于真实过程。这是数学模拟方法的核心。例如水在园管中的流动过程可以简化成平推流模型或者扩散模型。（2）对简化模型进行数学描述，得到简化模型的数学关系式，即数学模型。（3）采用一定的数学方法求解数学模型，得到数值解或者解析解，代研究用。（4）通过实验检验数学模型是否正确，修正或者确定简化模型，直到供实际应用。1.数学模拟方法原则（1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型和真实过程的等效程度。（2）针对真实过程可以按不同程度的要

8、求简化成不同的简化模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。（3）简化模型。数学模型和数学方法是相互联系的，应力求数学方法简单，便于数学模型的实际应用。（4）数学模拟方法的基础：1）积累实践经验或者实验数据，2）学习掌握基础数学模型。2.基础数学模型（1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的研究领域，侧重于研究反应机理；化学