化学反应工程第五版-绪论课件

2019/4/20,主要授课内容,绪论 应用化学动力学及反应器设计基础 气-固相催化反应本征及宏观动力学 釜式及均相管式反应器 反应器中的混合及对反应的影响 固定床气-固相催化反应工程 气-液反应工程 流-固相非催化反应 流化床反应工程 气-液-固三相反应工程,2019/4/20,绪 论,物质转化过程中的化学加工 化学反应工程的发展 化学反应工程与多尺度及多学科的联系 数学模拟方法 工程放大与优化,2019/4/20,一、物质转化过程工业中的化学加工,过程工业 从事物质的化学转化，生成新的物质产品 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生产。,工业行业分两大类：过程工业，装备与产品制造工业。,2019/4/20,过程工业中进行物理转化的过程，如流体输送、蒸发、结晶等过程单元操作（化工原理） 过程工业中进行化学转化的过程生产中的核心过程综合化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的宏观过程“三传一反”本书的理论基础,2019/4/20,反应工程始于氨气和尿素的大规模合成技术的发明，其发展是以几大重要的物质转化过程为里程碑，满足了农业、能源供给、石油、石油化工、化学工业等重大需求。 第一届国际反应工程会议于年在荷兰召开，这也预示着反应工程作为一门独立的学科日益受到工业界和学术界的重视，且逐渐形成了学科体系。,二、化学反应工程的发展,2019/4/20,化学反应工程与工业发展,2019/4/20,国际化学反应工程会议,2019/4/20,化学工程学的范式,把相关物理操作总结归纳提出的单元操作概念，被公认为化学工程学科的第一阶段范式。 年，在荷兰召开的第一届化学反应工程学术会议对该学科的范畴、研究方法论及与相邻学科的领域界定做出了明确的说明，使化学反应实现了由 “技艺”向 “科学”的跃升，至此完成了向第二阶段 “三传一反”范式的转变。,2019/4/20,化学工程学的范式,世纪后期，反应工程学与工艺学不断融合，由此出现了把 “过程工程”与 “产品工程”相结合，这是对化学工程学科第三阶段范式的一种解读。同期诞生的多尺度研究概念则是对第三阶段范式的另一种解读。 进入世纪，更为本质的 “物质”、“能量”和 “信息”的三元相互作用在化工学科中得到了充分的展示，以 “物质的传递与转化”、“能量的传递与转化”和 “信息的传递与转化”所组成的 “三传三转”成为化学工程学科第四阶段范式的新解读模式。,2019/4/20,化学反应工程的新领域,极端条件下的反应工程 微尺度反应器，等离子体反应器。,2019/4/20,2019/4/20,化学反应工程的新领域,指向生物、材料、可再生能源等新领域的反 应工程 计算反应工程 从传统反应工程到分子反应工程,2019/4/20,三、化学反应工程与多尺度及多学科的联系,物质转化过程中的多尺度（multi-scale）效应,时间及空间尺度 以固定床气-固相催化反应器为例,纳尺度分子化学键振动（纳秒及纳米尺度）,反应物与催化剂载体上活性组分间的分子反应,微尺度两相间物质传递和流体流动中的泡、滴、粒旋涡 运动,反应组分在催化剂孔道内的扩散,2019/4/20,2019/4/20,化学反应工程与多学科间的关系,化学反应过程及装备涉及多尺度，也涉及与多学科的联系，以甲醇合成为例，涉及 生产方法的选择木材干馏法、氯甲烷法水解法、碳氧化物（CO、CO2）与氢合成法化学基础及过程分析 甲醇合成的热力学及催化剂 反应平衡组成与气体组成、压力、温度的关系（化工热力学） 催化剂 锌-铬催化剂，30MPa，350-420 铜-锌催化剂，5MPa，220-280 催化剂开发、反应过程分析 催化剂的中毒与热失活,2019/4/20,原料气制备、甲醇合成及循环,粗原料气的制备天然气蒸汽转化 高温气流床粉煤汽化 粗原料气的净化 甲醇合成及循环合成反应器出口气体组成确定， 甲醇冷却分离，未反应气体循环,甲醇合成工艺,2019/4/20,甲醇合成反应器,反应器的选型多段绝热、管式连续换热 反应器中的“三传一反” 催化剂的本征反应动力学 催化剂颗粒内的反应-传质-传热 催化剂与气相间的传质、传热 催化剂颗粒的宏观反应动力学 催化剂床层的压降、颗粒粒度及形状的选择 反应器内轴向及径向传热、传质 绝热反应器段数，床层直径及高度设计 管式反应器管数、管径及长度设计 管式反应器管外冷却剂的选择,化学反应工程,2019/4/20,甲醇合成反应器,反应器的材质选择 金属材料 机械制造 大型反应器的机械设计,2019/4/20,合成气的压缩及循环装置 全系统的流程设置 操作条件的优化 全系统的能量分析和技术经济分析 全系统的工程控制工程控制,技术经济 系统优化 过程分析,2019/4/20,四、数学模拟方法,化工单元操作对过程的数学描述经验归纳法、量纲分析法 物理概念模型 根据对实验和生产实践的观察和分析，归纳出各种物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的方法称为数学模拟方法。,2019/4/20,气-固相催化反应有三个不同尺度的模型,化学动力学或本征动力学模型 只考虑反应组分与催化活性组分间处于纳尺度的分子反应，并未考虑传质、传热对催化反应的影响 颗粒宏观动力学模型（或简称颗粒动力学模型） 在本征动力学的基础上，计入微尺度的颗粒粒内与粒外反应气流间的传质、传热过程。 床层或反应器内宏观动力学模型（或简称床层动力学模型） 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介尺度的宏观动力学。,2019/4/20,数学模型的简化,各种工业反应过程的实际情况复杂，用数学模型完整地、定量地反映事物的全貌目前还不可能实现。 将宏观反应过程的规律，加以去粗取精的加工，根据主要的矛盾和矛盾的主要方面，在一定的条件下将过程合理地简化，称为数学模型的简化。 不同条件下，简化的内容是不同的，简化模型是否失真，要通过科学实验和生产实践去检验和考核，然后进行修正，使之更加合理。,2019/4/20,五、工程放大与优化,相似放大法 经验放大法 数学模拟放大法 数学模拟方法是进行工程放大，优化设计和确定操作条件的基础； 数学模拟方法能否精确地进行预计，取决于数学模型是否失真； 经过逐级的模拟试验，可以使模型修改得更加合理。,