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化工基础反应工程第1页/共131页 2023/4/242第一节 化学反应工程概述 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应工程是物理与化学两类因素的综合过程。1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化学反应工程”这一学科名称。 第2页/共131页 2023/4/243一、工业化学反应过程的特征 实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近似可看作理想条件下的反应过程，然而工业规模下的反应过程却并非如此。 在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，究其原因，有以下几方面： 第3页/共131页 2023/4/244③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态， 反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反 应过程有极大的影响。 工业反应器中进行的过程包括化学反应，伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程的特征。 ①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实 验室那么均匀。②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易 控制，体系内温度和浓度并非均匀。第4页/共131页 2023/4/245二、化学反应工程学的任务和研究方法 1、化学反应工程学的任务①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。第5页/共131页 2023/4/2462、化学反应工程学的研究方法 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采用的经验关联法，是一种实验-综合的方法。数学模型法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和。 第6页/共131页 2023/4/247建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，将复杂的反应工程问题分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，然后把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法描述。在实际研究中，往往是先抽提出理想反应器模型，然后讨论实际反应器和理想反应器的偏离，再通过校正和修改，最后建立实际反应器的模型。第7页/共131页 2023/4/248反应工程与其它学科的关系三、与化学反应工程学相关的学科反应工程 化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学放大设计最优化技术第8页/共131页 2023/4/249①化学热力学： 主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度等。②反应动力学： 专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。③催化剂： 催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。第9页/共131页 2023/4/2410④化学工艺： 主要是设备型式、操作方式和流程。⑤传递工程： 装置中的动量传递、热量传递和质量传递(简称“三传”)问题。⑥工程控制： 一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优化的条件，末必与整个生产系统最优化所要求的条件相一致。 第10页/共131页 2023/4/2411新技术开发的步骤：①实验数据 提出数学模型②中型实验 数学模型验证③数学模型的应用 大设备的设计 放大的依据：相似论(相似特征数Re、 Pr、Nu、Pe、Sc等)第11页/共131页 2023/4/2412 综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举。在解决新过程的开发问题时，可先建立动力学和传递过程模型，然后再综合成整个过程的初步的数学模型，根据数学模型所作的估计来制定试验，特别是中间试验方案，然后用试验结果来修正和验证模型。第12页/共131页 2023/4/2413规模生产区别于实验研究规模生产是化学反应过程和热量传递、质量传递等物理过程共同作用的结果。传递的影响：1、浓度分布CD (Concentration Distribution)2