工业反应过程分析导论-绪论讲义

1920年，美国麻省理工学院化学工程系脱离化学系成为一 个独立的系，由W.K. Lewis任系主任，这是世界上第一个 化工系。1920年夏天，麻省理工学院的W. K. Lewis, W. H. McAdams 完成了“化工原理”讲稿，并于1923年正式出 版，这本著作首次提出了因次分析、相似论等概念，标志 着学科理论已达到一定的深度。
x=79%
β=95.3%
K 必须准确测定？有无调节措施？
可调节烟道气温度！
K=15 kcal/(m2·℃·hr)，Tg 升至 786.6℃，得
x=70%
β=96.1%
K=30 kcal/(m2·℃·hr)，Tg 降至 715.7℃，得
1913年，哈伯－博施法高压合成氨装置成功建成。 1920年，从炼厂气中分离的丙烯合成出异丙醇。 1923年，费－托合成成功。 …… 1957年第一届欧洲化学反应工程学术会议（阿姆斯特丹） 化学反应工程二级学科诞生；化学工艺的发展，特别是石 油化工的发展和生产的大型化，对反应过程的开发与反应 装置的可靠性提出了更高要求，孕育了反应工程的诞生。
合理简化是数学模型方法的核心。其特点为：
（1） 先于数学描述 （2） 对过程物理实质进行概括和抽象 （3） 某一方面和实际过程具有等效性
固定床的流动
d 2C dc De u (r) 0
dz2 dz
dP (1 ) u2
f
dz
3 dP
难以获得模型参数(如：De)的准确数值是 数学模型方法应用的难点。
建立数学模型的三种途径
如实描述 （1）
实际过程
简化
数学描述
物理模型
数学方程
（2）
经验关联（3）
狭义的数学模型方法：在深入研究过程的本质特 征后，设法对复杂的实际过程进行必要的合理的简 化，在此基础上重新勾画过程的物理图像，即建立物 理模型（可包含化学反应），然后对此物理模型进行 数学描述，得到过程中各参数和变量间的相互关系。
化学工程传统方法： 相似方法与因次分析方法 缺陷：已经证明不可能同时满足物理相似
和化学相似，经验归纳不适合化学反应工程
反应工程研究方法 数学模型方法—立足于对过程的深刻理解 →分解简化→定性定量描述；
工作重点是充分剖析过程特征， 探索规律，建立模型，确定模型参数
数学模型方法的特征
广义地说，数学模型方法就是用一组数学方程式 去描述所研究的过程中有关参数和变量间的相互关 系，并通过方程组的求解对过程的特性进行分析。
反应物流和烟道气之 间的总传热系数 K 是否必 须准确测定？
文献报道：K=15~30kcal/(m2·℃·hr)
取 K=20 kcal/(m2·℃·hr)进行设计计算，得
x=70%
β=96.2%
若实际上，K=15 kcal/(m2·℃·hr)，得
x=62.5%
β=96.7%
若实际上，K=30 kcal/(m2·℃·hr)，得
上下游约束
技术约束
安全、材料等
结构变量—结构、型式、尺寸
决
策 变
操作方式—连续性、加料方式
量
工艺条件—T、C、t、Sv、ug等
常用工业反应器类型
气相—管式反应器
均相
液相—管式、釜式、塔式 气固相—固定床、流化床、 移动床 非均相 气液相—搅拌釜式、塔式 气液固—涓流床、淤浆床
优化指标
经济指标 技术指标
•反应类型——简单、复杂反应 包括 •浓度效应——反应级数
•温度效应——反应活化能
工程因素 •流体流动 •质量传递 对反应过程的影响 •热量传递
ຫໍສະໝຸດ Baidu
工程因素
反应场所
C、T
反应结果
物理因素
化学因素
化学反应工程的研究内容： •反应→动力学 •反应+流体流动→返混 •反应+传质→效率 •反应+传热→热稳定性、灵敏度 物理化学与化工原理的 “结合”
化学反应工程的研究核心：
工程因素→对反应的影响（ x、 ）
•有无影响？ •影响多大？ •如何改善或利用？
•反应与传递的相互作用
传递过程 (宏观因素、 工程因素)
返混 微观混合 内外扩散 传热 …
浓度分布、温度分布
化学反应 (微观因素)
化学计量学 化学热力学 化学动力学
反应结果
反应体系的特性
• (1)化学计量学 简单反应还是复杂反应； 主反应和副反应间的关系；每一反应中 各组分变化量之间的相互关系 (2) 化学热力学 反应过程中的能量转化； 反应体系的平衡性质
等效性是相对的。简化程度不同，模型参 数数目不同，所得模型的等效性也不同，可根 据应用目的和所具备的技术条件进行选择。在 满足应有需求的条件下，模型应尽可能简单。
乙苯脱氢列管式固定床反应器的设计
乙苯脱氢是一吸热可 逆反应，除主产物苯乙烯， 还会生成苯、甲苯等副产 物，反应结果可用转化率、 选择性二指标衡量。
反应速率—反应器大小
技
术 指
选择性—原料消耗，成本
标
能耗—操作费用
转化率 x、选择性 、收率
2. 化学反应工程研究内容与任务
化学过程——化学因素
工
动力学因素
业
化
学 过
物理过程——工程因素
程
宏观动力学因素
化学因素
—温度、浓度等操作条件对反应过程的影响 —着重研究反应选择性(本质上是研究速率) —化学因素(反应规律)
1961年O.Levenspiel出版第一本反应工程教材。
1. 化学反应工程研究对象与目的 工业反应过程的优化
对象—工业反应过程、工业反应器 目的—优化
优化—在一定范围 内（约束条件）选 择一组合适的变量， 使系统对评价标准 （优化指标）达到 最优。
优化类型
设计型 操作型
约束条件
予处理，后处理能力等
(3) 反应动力学 研究化学反应进行的速率以及 温度、浓度等因素对反应速率的影响
（4）反应物和生成物的物化性质;对人体是否有 毒，是否为易燃、易爆物
（5）催化剂的特性 ，除动力学特性外，还应了 解催化剂的使用温度范围，可能导致催化剂失活 的毒物或污染物，催化剂的使用寿命、操作周期 和再生方法
3. 化学反应工程研究方法
绪论
引言
化学转化
化学反应 化学脱除 获得能量
工业反 应过程
原料 予处理
化学 反应
产物 后处理
核心：化学反应器—进行化学反应的场所
化工过程设计的洋葱模型
反应器 分离与再循环系统
换热网络 公用工程
历史沿革： 1901年，英国的G.E.戴维斯出版了第一本化学工程专著 “化学工程手册”，首先提出了单元操作的概念，标志了 化学工程一级学科诞生。