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化学反应工程 Chemical Reaction Engineering 第一章 绪 论 化学工业定义 经过一系列物理过程和化学过程从廉价原料制造出高附加值产品的工业。 化工过程典型流程 ? 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： 　　 化学反应工程的研究内容 　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、C、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，C代表浓度，P为系统的总压。 反应器设计分析--研究反应器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。 注意：化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而与反应器总体的性态无关。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。 化工过程的优化——化学反应工程学的目的 1）优化设计、优化操作 2）经济、技术（优化指标） 放大效应——当反应规模变大时，本征反应特性不变，而传递特性却会发生很大变化，其结果是反应过程与实验室完成的反应表现出很大差异，即出现所谓“放大效应”。 故进行反应器放大时应选用与实验过程不完全相同，与反应规模相适应的传递和流动参数。 化学反应工程的作用 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： 1） 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期 2） 对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效 率 3）开发环境友好的绿色生产路线和工艺 化学反应工程的建立过程　　 1-1 化学反应的分类 1. 单一反应与复合反应 单一反应：可用一个反应方程式独立描述的反应。 ——可逆反应 复合反应：要用多个化学反应式才能完整描述的反应。 ——并联反应 ——串联反应 ——串－并联反应 2.均相反应与多相反应 均相反应——反应物在单一相态中进行的反应。 多相反应——反应物（和催化剂）处于两个以上相 态中，且需通过相界面传质才能实现 的反应。 下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些化学反应可能同时属于两个或者更多的反应种类。 1-2 反应器的分类 1. 按工作原 理分类,可 以概括为 以下几种 类型: 反应器的类型和特点 (a)管式反应器(b)规整填料塔反应器(c)喷雾塔式反应器(d)板式塔反应器　(e)鼓泡塔反应器(f)气液搅拌釜式反应器(g)移动床反应器(h)循环式浆态反应器(i)半连续浆态床反应器(j)机械搅拌浆态床反应器 (k)固定床鼓泡床反应器(l)滴流床反应器 2.按操作方法分类 3.按反应器内空间或时间的温度分布状态分类 等温反应器 非等温反应器 思考：甲醇制氢应选用何种反应器形式？为什么？ 1-3 反应器的放大 　 目前使用的化学反应器放大法有： --相似放大法：基于某种相似状态（如几何特性、流动状态、传递特性等）进行放大的方法。 --逐级经验放大法：按规模逐级放大。 --模型放大法：建立物理模型后，再以数学模型为基础进行反应器的设计计算来进行放大的方法。 --半经验放大法：把模型放大法和经验放大法相互结合的一种方法。 　 在造船、筑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。 采用逐级放大法费时费力，但采用模型放大法时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。 目前实际的反应器放大介于逐级放大法和模型放大法之间，常采用半经验放大法。 可以预测，随着人们对反应过程基本规律的认识不断加深，数学模型放大法将逐步取代现有的经验和半经验方法，成为反应器放大法的主流。 1-4 模型建立方法 1.物理模型： 理想模型＋特征参数（进行修正） 2. 数学模型（五类）： 反应动力学方程 物料衡算方程 热量衡算方程 动量衡算方程 参数计算式 *