化学反应器原理第一、二章.doc

PAGE  PAGE 44 化学反应工程 一、授课教师 郭奋，博士，教授，博导，化学工程杂志编委，北区办主任 化学工程学院，教育部超重力工程研究中心 二、授课学时及内容 总学时32，讲授29学时，习题3学时 三、授课方式 课堂讲授结合自学和课堂讨论 四、成绩确定 缺一次课扣2分（不定期点名） 缺一次作业扣2分 平时40% 期末考试60% 五、作业 每次交（批改）N个班 六、参考书 教材：郭 锴 等《化学反应工程》 陈甘棠 《化学反应工程》 朱丙辰 《化学反应工程》 李绍芬 《化学与催化反应工程》 ?反应器的重要性 以NH3的合成为例 1.5H2＋0.5N2→NH3 CH4＋H2O→CO＋3H2 CO＋H2O→CO2＋H2 以天然气为原料合成氨的工艺路线如下： ?蒸汽，Ni ?空气，Ni Fe, Cr 36atm 800~900℃ 1000~1200℃ 430℃,CO 3% 天然气 ? 压缩 ? 脱硫 ?一段转化 ? 二段转化 ?高温变换 ? 1 2 3 Cu, 230℃,CO 0.3% Ni 150atm Fe,500℃ ?低温变换 ?脱碳 ? 甲烷化 ? 压缩 ? 合成 ?NH3 4 ?CO2 5 6 绪 论 1．1 化学反应工程学的任务和范畴 1．1．1 化学反应过程是化工生产的核心 任何化工生产从原料到产品的生产过程都可以概括为下列三个组成部分： 原料的预处理（提纯、去杂、加热…） 化学反应过程 产物的分离（吸收、精馏、萃取、结晶、冷凝…） 1．1．2 化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程 化学过程—由化学动力学研究完成（化学反应） 物理过程—a. 流动与混合过程（动量传递） b. 传质过程（质量传递） c. 传热过程（热量传递） 以上的过程即化学工程中常说的的“三传一反”，它们是化学工程的核心内容。 1．1．3 化学反应工程的任务 优化设计（确定工艺路线、设备放大、设备结构尺寸、操作条件等）。 优化操作（在现有设备基础上发挥潜力）。 新理论、技术和设备的研究和开发。 目的是优质、高产、低耗、安全、环保 → 经济和社会效益最优。 1．1．4 化学反应工程学的范畴 化工热力学 平衡 化学平衡 物理平衡（如溶解度、蒸汽压等） （2）物性数据（如粘度、热容、反应热等） 反应动力学和催化剂 动力学是研究反应速率与浓度、温度、压力及催化剂之间的定量关系（反应器型式、结构尺寸等有赖于动力学）。 催化剂涉及到传热、微孔结构、活性组分分布、制备条件对催化剂结构的影响、再生等问题。 化工工艺学 反应过程是整个工艺过程的一环，因此要整体考虑才能总体最优。 传递过程 即“三传”问题。 工程控制 优化操作、安全防范、紧急事故连锁控制等。 1．1．5 化学反应工程学的发展 50年代随着原子能的发展提出高倍数放大问题，以及石油化工的迅猛发展，反应器规模不断增大，从均相到非均相、从动力学到传递等等。 1．2 化学反应工程学的内容和分类 1．2．1 化学反应工程学的内容 化学反应动力学特性的研究 本征动力学 宏观动力学 “三传”对反应的影响 反应器设计计算、过程分析及最优化 1．2．2 化学反应工程学的分类 按反应系统涉及的相态分类 均相—气相、液相 非均相反应—气-液、气-固、气-液-固、液-固 按操作方式分类 间歇式 连续式 半连续式—一部分分批投料或取出，一部分连续进料或出料 按反应器型式分类 管式反应器—一般长径比大于30 槽式反应器—一般高径比为1~3 塔式反应器—一般高径比为3~30 按传热条件分类 等温反应器 绝热反应器 非等温非绝热反应器 按流体流动状态分类 理想流动反应器—是进行研究的基础反应器 非理想流动反应器 1．2．3 化学反应工程课的编排 均相?（理想?非理想）?气固?气液?稳定性和参数敏感性 1．3 化学反应工程学的研究方法 1．3．1 化学工程学的经典研究方法 类似于化工原理用相似论和因此论的方法来研究。 确定影响因素； 用因次分析确定准数； 实验数据回归，得出准数关系式； 根据相似论，用准数关联式进行放大。 此法不能满足反应工程学的要求。化学反应工程着重研究反应与传递的统一规律。在这一系统内不能同时满足几何相似、物理相似和化学相似。 1．3．2 逐级经验放大 小试确定反应器型式和工艺条件； 逐级中试考核几何尺寸的影响。 1．3．3 数学模型法 数学模型法的程序 建立简化的物理模型（核心是