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化学反应工程 讲义 郭锋 第一章 绪 论 1.1化学反应工程学的范畴和任务 概念：化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学。既以化学反应作为对象，就必须要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题为其对象，那就必须熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。 化学热力学 反应工程对这方面的要求，主要是确定物系的各种物性常数（如热容、反应热、压缩因子）等等。 反应动力学 动力学是专门阐明化学反应速率（包括主反应及副反应）与各项物理因素（如浓度、温度、压力及催化剂等）之间的定量关系的。 催化剂 催化剂的问题一般以为属于化学或工艺的范畴，但实际上牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂中活性组份的有效分布、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。 反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计 化学反应工程学的知识应能用于： （1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率。 （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。 1.2 化学反应工程的基本方法 在化学反应工程中，数学模型主要包括下列一些内容： （1）动力学方程式 （2）物科衡算式 （3）热量衡算式 （4）动量衡算式 （5）参数计算式 1.3化学反应工程的学科体系和编排 化学反应过程按操作方法可以分： 分批（或称间歇）式操作 连续式操作 半分批（或称半连续）式操作 表1-3-1 反应器的型式与特性 型式 适用的反应 优缺点 生产举例 搅拌槽，一级或多级串联 液相，液-液相，液固相 适用性大，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，所需反应器容积大。 苯的硝化，氯乙烯聚合，釜式法高压聚乙烯，顺丁橡胶聚合法 管式 气相，液相 返混小，所需反应器容积较小，比传热面大，但对慢速反应，管要很长，压降大。 石脑油裂解，甲基丁炔醇合成，管式法高压聚乙烯 空塔或搅拌塔 液相，液-液相 结构简单，返混程度与高/径比及搅拌有关，轴向温差大 苯乙烯的本体聚合，已内酰胺缩合，醋酸乙烯溶液聚合等 鼓泡塔或挡板鼓泡塔 气-液相，气-液固（催化剂）相 气相返混小，但液相返混大，温度较易调节，气体压降大，流速有限制，有挡板可减少返混 苯的烷基化，乙烯基乙炔的合成，二甲苯氧化等 填料塔 液相，气-液相 结构简单，返混小，压降小，有温差，填料装卸麻烦 化学吸收 版式塔 气-液相 逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，常在板间另加传热面 苯连续磺化，异丙苯氧化 喷雾塔 气-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，气流速度有限制 从氯乙醇制丙烯腈，高级醇的连续磺化 湿壁塔 气-液相 结构简单，液体返混小，温度及停留时间易调节，处理量小 苯的氧化 固定床 气-固（催化或非催化）相 返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损，传热控温不易，村花季装卸麻烦 乙苯脱氧，乙炔法制氯乙烯，合成氨，乙烯法制醋酸乙烯等 流化床 气-固（催化或非催化）相，特别是催化剂失活很快的反应 传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大，粒子输送容易，但磨耗大，床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大。 苯氧化制苯酐，石油催化裂化，乙烯氧氯化制二氯乙烷，丙烯氨氧化制丙烯腈等 移动床 气-固（催化或非催化）相，催化剂失活很快的反应 固体返混小，固气比可变性大，粒子传送较易，床内温差大，调节困难。 石油催化裂化，矿物的焙烧或冶炼 滴流床 气-液-固（催化剂）相 催化剂带出少，分离易，气液分布要求均匀，温度调节较困难 焦油加氢精制和加氢裂解，丁炔二醇加氢等 蓄热床 气相，以固相为热载体 结构简单，材质容易解决，调节范围较广，但切换频繁，温度波动大，收率较低 石油裂解，天然气裂解 回转筒式 气-固相，固-固相，高粘度液相，液-固相 粒子返混小，相接触界面小，传热效率低，设备容积较大 苯酐转位成对苯二甲酸，十二烷基苯的磺化 载流管 气-固（催化或非催化）相 结构简单，处理量大，瞬间传热好，固体传送方便，停留时间有限制 石油催化裂化 喷嘴式 气相，高速反应的液相 传热和传质速度快，液体混合好，反应物急冷易，但操作条件限制较严 天然气裂解制乙炔，氯化氢的合成 螺旋挤压机式 高粘度液相 停留时间均一，传热较困难，能连续处理高粘度物料 聚乙烯醇的醇解，聚甲醛及氯化聚醚的生产 第二章 均相反应的动力学基础 2.1基本概念与术语 均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组