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化學反應工程

標籤:化學術語化學課程與教學論

化學工程的一個分支,以工業反應過程為主要研究對象,以反應技術的開發、反應過程的優化和反應器設計為主要目的的一門新興工程學科。它是在化工熱力學、反應動力學、傳遞過程理論以及化工單元操作的基礎上發展起來的。其應用遍及化學、石油化學、生物化學、醫藥、冶金及輕工等許多工業部門。

1簡介

化學反應工程,是化學工程學科的一個分支。簡稱反應工程。化學反應工程,顧名思義,是一門研究化學反應的工程問題的學科。即:研究化學反應如何在工業上實現的科學。
化學工程是為化學過程工業提供工程技術(包括流程、設備、催化劑的設計和優化,過程與設備的操作和優化),並研究其中的工程技術基礎的工程學科。而化學反應工程的研究對象是化學過程工業中的心臟-反應器,核心研究內容是反應動力學和反應器設計。由於絕大多數反應都使用催化劑,因此催化反應機理和工業催化劑設計也一直是化學反應工程的主要研究內容。
化學反應工程是化學工程學科中最重要的分支,這是因為反應器設計與開發涉及物質的熱化學與傳遞性質,流體混合與流動,反應機理與反應動力學等幾乎整個化學工程學科的專業知識。而且,在所有過程裝置與設備中,反應器的開發難度最大,技術含量也最高。
隨著中國國民經濟的快速發展,一方面中國化學過程工業面臨良好的發展機遇,但同時面臨重要的挑戰,主要來自資源,環境和自主創新能力三方面。
分類:化學反應工程(chemical reaction engineering)

2定位

化學反應工程是化工類專業的一門專業主幹課、核心課程。化學反應工程涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優化與控制等,知識領域廣泛、內容新穎,對於培養學生的反應工程基礎、強化工程分析能力具有十分重要的作用。
  課程教學突出闡述反應工程理論思維方法,重點討論影響反應結果的工程因素(如返混、混合、熱穩定性和參數靈敏性等),並結合開發實例進行分析,培養學生應用反應工程方法論解決實際問題的能力。圍繞創新教育這一主題,明確培養學生創新思維與創新能力的教學目標,並在教學內容、教學方法上進行改革,改變傳統教學模式,將培養創新思維和創新能力溶入課程教學過程中,探索適宜培養創新人才的「化學反應工程」教學內容、教學方法。
重點與難點:化學反應工程課程內容的重點是闡明基本原理,向學生介紹反應工程中的最基本概念、理論和研究方法,所以我們在開設本課程時,精選了化學動力學、間歇反應器、理想流動反應器、返混、反應過程中的熱量和質量傳遞、複雜反應選擇性、反應器熱穩定性等主要內容,突出影響反應過程結果的工程因素,並按溫度效應和濃度效應討論展開,力求表達清楚,確切闡述,為學生今後開發反應過程與反應器打下紮實的理論基礎。
  課程難點是掌握化學反應工程的基本觀點和工程思維方法,培養學生分析和解決工程問題的實際能力。在教學中重視基本概念、基本理論和工程分析方法的傳授。把握反應的溫度效應和濃度效應,體現工程因素和工程措施的對不同反應的具有不同的影響效應,這也是貫穿化學反應工程基本內容的主線。一方面突出化學反應工程學科的共性問題,即影響反應結果的工程因素,如返混、預混合、質量傳遞和熱量傳遞等,另一方面突出反應工程理論思維方法,即工程因素通過影響反應場所溫度與濃度而改變反應結果,使學生了解實際反應過程開發中過程的分解與綜合、個性與共性之間的關係,從而增強工程分析和解決工程問題的能力。反應工程理論思維方法揭示了反應器型式、操作方式、操作條件等實際上是通過工程因素來實現對反應場所溫度和濃度的影響。在教學過程中重視結合相應的思考題、例題教學,並進行必要的習題練習,以期學生將所學內容融會貫通,舉一反三,學以致用。

3沿革

這一學科是在1957年第一屆歐洲化學反應工程討論會上正式確立的。
化學反應工程
促成該學科建立的背景是:因化學工業的發展,特別是石油化學工業的發展,生產趨於大型化,對化學反應過程的開發和反應器的可靠設計提出迫切要求;化學反應動力學和化工單元操作的理論和實踐有了深厚的基礎;數學模型方法和大型電子計算機的應用為反應工程理論研究提拱有效的方法和工具。

4研究目標

化學反應工程的早期研究主要是針對流動、傳熱和傳質對反應結果的影響,如德國G.達姆科勒、美國O.霍根和K.M.華生以及蘇聯Α.Д.弗蘭克-卡曼涅斯基等人的工作。當時曾取名化工動力學或宏觀動力學,著眼於對化學動力學作出某些修正以應用於工業反應過程。1947年霍根與華生合著的《化工過程原理》第三分冊中論述了動力學和催化過程。50年代,有一系列重要的研究論文發表於《化學工程科學》雜誌,對反應器內部發生的若干種重要的、影響反應結果的傳遞過程,如返混、停留時間分佈、微觀混合、反應器的穩定性(見反應器動態特性)等進行研究,獲得了豐碩的成果,從而促成了第一屆歐洲化學反應工程討論會的召開。
50年代末到60年代初,出版了一系列反應工程的著作,如S.M.華拉斯的《化工動力學》,O.列文斯比爾的《化學反應工程》等,使學科體系大體形成。此後,一方面繼續進行理論研究,積累數據,並應用於實踐;另一方面,把應用範圍擴展至較複雜的領域,形成了一系列新的分支。例如:應用於石油煉製工業和石油化工中,處理含有成百上千個組分的複雜反應體系,發展了一種新的處理方法,即集總方法(見反應動力學);應用於高分子化工中的聚合反應過程,出現了聚合反應工程;應用於電化學過程,出現了電化學反應工程;應用於生物化學工業中的生化反應體系,出現了生化反應工程;應用於冶金工業的高溫快速反應過程,出現了冶金化學反應工程等。

5研究分類

工業反應過程中既有化學反應,又有傳遞過程。傳遞過程的存在並不改變化學反應規律,但卻改變了反應器內各處的溫度和濃度,從而影響到反應結果,例如影響到轉化率和選擇率(見化學計量學)。由於物系相態不同,反應規律和傳遞規律也有顯著的差別,因此在化學反應工程研究中通常將反應過程按相態進行分類,如區分為單相反應過程和多相反應過程,後者又可區分為氣固相反應過程、氣液相反應過程以及氣液固相反應過程等。

6研究內容

化學反應工程的研究內容主要包括以下幾個方面:
①研究化學反應規律,建立反應動力學模型 亦即對所研究的化學反應,以簡化的或近似的數學表達式來表述反應速率和選擇率與溫度和濃度等的關係。這本來是物理化學的研究領域,但是化學反應工程工作者由於工業實踐的需要,在這方面也進行了大量的工作。不同之處是,化學反應工程工作者著重於建立反應速率的定量關係式,而且更多地依賴於實驗測定和數據關聯。多年來,已發展了一整套動力學實驗研究方法,其中包括各種實驗用反應器的使用、實驗數據的統計處理方法和實驗規劃方法等。  ②研究反應器的傳遞規律,建立反應器傳遞模型 亦即對各類常用的反應器內的流動、傳熱和傳質等過程進行理論和實驗研究,并力求以數學式予以表達。由於傳遞過程只是物理的,所以研究時可以避免化學反應,用廉價的模擬物系(如空氣、水、砂子等)代替實際反應物系進行實驗。這種實驗常稱為冷態模擬實驗,簡稱冷模實驗。傳遞過程的規律可能因設備尺寸而異,冷模實驗所採用的設備應是一系列不同尺寸的裝置;為可靠起見,所用設備甚至還包括與工業規模相仿的大型實驗裝置。各類反應器內的傳遞過程大都比較複雜,有待更深入地去研究。  ③研究反應器內傳遞過程對反應結果的影響 對一個特定反應器內進行的特定的化學反應過程,在其反應動力學模型和反應器傳遞模型都已確定的條件下,將這些數學模型與物料衡算、熱量衡算等方程聯立求解,就可以預測反應結果和反應器操作性能。由於實際工業反應過程的複雜性,至今尚不能對所有工業反應過程都建立可供實用的反應動力學模型和反應器傳遞模型。因此,進行化學反應工程的理論研究時,概括性地提出若干個典型的傳遞過程。例如:伴隨著流動發生的各種不同的混合,如返混、微觀混合、滴際混合等;反應過程中的傳質和傳熱,包括反應相外傳質和傳熱(傳質和反應相繼發生)和反應相內傳質和傳熱(反應和傳質同時進行)。然後,對各個典型傳遞過程逐個地進行研究,忽略其他因素,單獨地考察其對不同類型反應結果的影響。例如,對反應相外的傳質,理論研究得出其判據為達姆科勒數Dα,並已導出當Dα取不同值時外部傳質對反應結果的影響程度。同樣,對反應相內的傳質,也得出了相應的判據西勒模數 φ。這些理論研究成果構成了本學科內容的重要組成部分。這些成果一般並不一定能夠直接用於反應器的設計,但是對於分析判斷卻有重要的指導意義。

7應用

主要用於進行工業反應過程的開發、放大和操作優化以及新型反應器和反應技術的開發。
①工業反應過程的開發和放大 在化學反應工程學科建立以前,工業界廣泛採用的方法是逐級經驗放大的方法。其步驟是,首先在小型試驗中進行反應器的選型和確定優越的工藝條件(溫度、壓力、濃度、流速和反應時間度),然後自小至大進行多次中間試驗,直至工業規模。由於全部實驗帶有經驗性質,而且試驗所用設備的尺寸逐級增大,因而取名為逐級經驗放大。中間試驗往往耗資大而歷時久。化學反應工程學科建立以後,逐步形成一套新的數學模型方法。這種方法是首先在小型試驗中確定動力學模型;然後在冷模試驗中確定各類候選反應器的傳遞模型;進而在計算機上進行各候選反應器內反應過程的模擬研究,即在各種不同的工藝條件下對反應器數學模型進行數值求解,預測反應結果,並據此進行反應器的選型,優選工藝條件並設計反應器。採用這種方法時,往往也需要進行適當規模的中間試驗,目的是為了「檢驗」和「修正」模型,以及考察模型中難以包括的因素(如微量雜質的積累,焦油的生成,材質的腐蝕,顆粒粉碎,等等)可能產生影響。而不是為了自小至大進行逐級放大。時下,逐級經驗放大和數學模型兩種方法同時並存,各有適用範圍。但是,即使是逐經級驗放大方法,也常是以化學反應工程的理論為指導,而不再是純經驗性的了。
②工業反應過程的操作優化 實際工業反應過程未必在最優的條件下操作。即使設計是優化的,在實施時往往有許多難以預料的因素,使原定的優化設計條件對實際操作未必是優化的。運用化學反應工程理論對現行的工業反應過程進行分析,結合模擬研究,可找出薄弱環節之所在和進一步調優的方向,通過調節和改造以獲得較大的經濟效益。
③新型反應器和反應技術的開發 反應工程的理論為新反應器和新反應技術的開發指明了方向,研究者可以據此尋找合理的設備結構和操作方法。例如近幾年來出現的新的石油化工裂解技術和各種新型流化床反應器,都得益於反應工程理論的指導。

8發展

化學反應工程學科體系已大體形成,理論研究也漸趨完善。在工業應用中,在定性的指導方面已經發揮了很大的作用。但是,與理論研究相比較,反應器內傳遞過程的實驗研究和數據的積累還很薄弱,特別是對於化工生產中經常遇到的多相流動體系研究得還很不夠。因此,反應工程的研究需要與多相流體力學和多相傳遞過程的研究相結合,以便相輔相成。同時,化學反應工程向生化、冶金等領域擴展時還會出現新的理論問題,需要進一步的研究。

9圖書信息

化學反應工程
書 名: 化學反應工程
作 者:劉軍
出版社:化學工業出版社
出版時間: 2009-8-1
ISBN: 9787122055835
開本: 16開
定價: 20.00元
圖書目錄
1 緒論1
  1.1化學反應工程的發展、任務和範疇1
  1.1.1化學反應工程發展簡述1
  1.1.2化學反應工程的範疇和任務1
  1.2化學反應工程的分類3
  1.2.1化學反應的類型3
  1.2.2反應器的形式分類3
  1.2.3反應器操作方法的分類4
  1.3化學反應工程的研究方法5
  1.3.1傳統研究方法5
  1.3.2解析法5
  1.3.3模型法5
  習題6
  2 均相反應動力學基礎7
  2.1基本概念和術語7
  2.1.1化學反應式和計量方程7
  2.1.2單一反應和複雜反應7
  2.1.3反應的轉化率、選擇性和收率8
  2.1.4化學反應速率10
  2.1.5反應動力學方程12
  2.2單一反應動力學方程14
  2.2.1等溫恆容過程14
  2.2.2等溫變容過程18
  2.3複雜反應動力學方程19
  2.3.1可逆反應19
  2.3.2平行反應21
  2.3.3連串反應22
  習題23
  3 反應器內的流體流動25
  3.1返混25
  3.1.1返混的定義25
  3.1.2返混對生產過程的影響25
  3.1.3降低返混程度的工業措施25
  3.1.4反應器內的流動狀態27
  3.2流體在反應器內的停留時間分佈27
  3.2.1停留時間分佈的定量描述27
  3.2.2用對比時間作變數的停留時間分佈28
  3.2.3尋求停留時間分佈的實驗方法29
  3.3兩種理想流動模型的停留時間分佈33
  3.4非理想流動模型35
  3.4.1多級混合模型35
  3.4.2軸向擴散模型36
  習題38
  4 均相理想流動反應器40
  4.1間歇反應器40
  4.1.1生產數據法40
  4.1.2動力學數據法42
  4.1.3設備之間的平衡44
  4.1.4間歇反應器的熱量衡算45
  4.2連續操作釜式反應器46
  4.2.1單個連續操作釜式反應器46
  4.2.2多個連續操作釜式反應器的串聯48
  4.2.3連續操作釜式反應器的熱穩定性50
  4.2.4釜式反應器的攪拌器53
  4.3理想置換反應器56
  4.3.1等溫理想置換反應器的設計方程56
  4.3.2管式反應器的直徑和長度計算58
  4.4反應器的優化59
  4.4.1簡單反應和反應器59
  4.4.2複雜反應和反應器61
  習題62
  5 非均相反應動力學65
  5.1催化劑基礎65
  5.1.1催化過程及特徵65
  5.1.2固體催化劑的組成66
  5.1.3催化劑的製造67
  5.1.4催化劑的使用68
  5.1.5催化劑的失活和再生70
  5.1.6催化劑的性能72
  5.2氣固相催化反應本徵動力學73
  5.2.1氣固相催化反應模型和控制步驟73
  5.2.2化學吸附速率和吸附模型74
  5.2.3表面化學反應77
  5.2.4反應本徵動力學77
  5.3氣固相催化反應宏觀動力學80
  5.3.1催化劑顆粒內的氣體擴散80
  5.3.2等溫反應宏觀動力學方程81
  5.3.3內擴散對反應選擇性的影響83
  5.3.4消除內擴散影響的方法84
  5.4氣液相反應宏觀動力學簡介84
  5.4.1氣液相傳質理論85
  5.4.2氣液相反應的類型及其化學增強因子β86
  5.4.3氣液相宏觀動力學方程88
  習題89
  6 非均相反應器91
  6.1固定床反應器91
  6.1.1固定床反應器的特點91
  6.1.2固定床反應器的類型92
  6.1.3固定床反應器內的流體流動95
  6.1.4固定床反應器中的傳質與傳熱99
  6.1.5固定床反應器的工藝計算101
  6.2流化床反應器106
  6.2.1流化床反應器的特點106
  6.2.2流化床反應器的類型及結構107
  6.2.3流化床反應器內的流體流動109
  6.2.4流化床反應器內的傳質和傳熱114
  6.2.5流化床反應器的構件116
  6.2.6流化床反應器的工藝計算121
  6.3氣液相反應器123
  6.3.1汽液相反應器的特點與應用123
  6.3.2氣液相反應器基本類型與結構123
  6.3.3鼓泡塔反應器的工藝計算126
  6.4其他非均相反應器簡介132
  6.4.1氣液固三相反應器132
  6.4.2生化反應器135
  6.4.3電化學反應器136
  6.4.4聚合反應器137
  習題138
  參考文獻141
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