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1、第一章绪论 课程内容 1理论课程 第一章绪论 1学时 第二章均相反应动力学 5学时 第三章理想流动反应器 6学时 第四章非理想流动反应器 5学时 第五章气固相催化反应本征反应动力学 5学时 第六章气固催化反应宏观反应动力学 4学时 第七章气固相催化反应固定床反应器 4学时 第八章气液反应动力学与反应器 5学时 第九章现代反应器技术进展 1学时 理论学时共36时 课程内容 2化学反应工程实验 实验 1停留时间分布 2学时 实验 2循环无梯度反应器 2学时 实验学时共4学时 课程目标 反应工程学 知识 技能 思维方法课程目标 反应器分析与设计并重 结合实际 结合工艺 拓宽思路 引导创新 授课方法
2、讲课与讨论 专题调研相结合 研讨当前反应工程的发展及一些方向性 热点性问题 成绩 平时作业 专题报告 课程考试 概述 讨论三个方面的问题 1 1化学反应工程学的任务和范畴1 2化学反应工程学的内容与分类1 3化学反应工程学方法论 理论化学家 在化学实验室中获得某一化学反应 工程化学家 在工业上实现化学反应过程的反应器选型与设计 解决实现优质 高产 低消耗等工程问题 化学反应工程是研究化学反应在工业实施过程中需解决的问题 任何化工生产概括地说都是由三个部分组成的 即原料的预处理 原料经化学反应而生成产品 产品的分离和提纯 其中化学反应过程是整个生产过程的核心 任何化学反应对原料总有一定的要求 如
3、要求原料有一定纯度 原料进反应器时的温度 压力等 要使原料满足化学反应的要求 必须在反应前加以预处理 此外 在反应过程中由于化学反应平衡的限制 副反应的发生以及从经济角度考虑等原因 原料中的反应物既不可能在反应器中全部被转化 更不可能全部转化成为目的产物 其中必然会夹杂有副反应产物 因此在经过化学反应之后的物料中 除产品外尚有未反应完的原料以及副反应产物 为获得达到一定纯度的产品 需要对反应产物进行分离与精制 由此可见 原料的预处理和产物的分离都是从属于化学反应过程的 化学反应过程是化工生产的核心部分 在工业上 化学反应过程是在反应器中进行的 作为研究反应器的化学反应工程自然在化工生产中具有举
4、足轻重的作用 1 1化学反应工程学的任务与范畴 化学反应过程是化工生产的核心 尽管化学工业的产品繁多 各种产品的生产过程也不尽相同 然而探其究竟 有一条却是共同的 便是 原料借助于化学反应而获得产品 因此 各种产品尽管有不同的生产过程 但作为化工生产的核心 化学反应器 是必不可少的 化工产品只有在反应器中才能产生 想提高产品的产量必然要对反应器的操作条件进行优化 此外产品的生产路线也是以反应过程为核心来组织的 由此可知 在化学工业中 老厂的增产挖潜 新厂的设计 新工艺 新产品以及新设备的付诸实现 化学反应工程都起着重要的指导作用 工业规模的化学反应过程是比较复杂的 既有化学反应过程 又有物理过
5、程 物理过程与化学过程相互影响 相互渗透 必然影响反应 工业反应器中主要的物理过程有 流体的返混和不均匀流动 传质过程 传热过程 这些物理过程与化学反应过程同时发生 从本质上说 物理过程不改变反应过程的动力学规律 即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化 但是流体流动 传质 传热过程会影响实际反应场所的温度和浓度在时间 空间上的分布 从而影响反应的最终结果 从学科角度讲 化学反应规律属化学动力学领域 物理过程规律属化学工程领域 化学反应工程学实际上是这两个学科的汇合 即物理过程和化学过程两者结合 产生新的 有趣的现象 从这些现象中引伸出重要的反应工程理论 正是这些理论指导工业反应过程的开
6、发 即选择适宜的反应器结构 型式 操作方式和工艺条件等 化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程 1 改进和强化现有反应技术和设备 使之优质 高产 低消耗 2 开发新的反应技术和设备 3 解决反应过程中的开发放大问题 4 实现反应过程的最优化 5 发展化学反应工程学的理论和方法 化学反应工程学的任务 化学反应工程与相邻学科的关系 化学反应工程作为一门学科是近期才确立的 它是科学技术发展到一定阶段的必然产物 是一些基础学科诸如物理化学 传递工程 化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科 因此化学反应工程必然和其他学科之间存在交叉关系 这种关系大体如图所示 化学反应工程是交叉核心 因此 化学反
7、应工程是一门既具有高度综合性 又具有广泛基础性 同时还具有自身特点的学科 人们在认识自然和改造自然的过程中 早已应用化学反应来造福于人类 远溯古代 就有金属的冶炼 陶瓷器的制作 火药的使用 造纸以及酿酒和制醋等 不乏其例 然而 种类繁多的化学反应使人们难以从中找出规律性的东西 没有将它们提高到理论上来进行剖析 更没有将其与工程问题结合起来加以认识 而只是就事论事地作为各自孤立的工艺过程 因此 只能说是一种技艺而达不到工程学科的水平 但这种技艺为化学反应工程提供了实践基础 化学反应工程是借助于上述经验的积累进而上升到理论阶段而形成的 化学反应工程学的发展 化学工程学科的历史 1900年起 单元操
8、作 主要以单相流动 分离为主 很少催化 不着重于数学 化学 设备 煤化工为主1937年以来 丹姆寇来等研究均相反应 非均相反应 催化反应 反应器内的传质传热和流体力学1947年豪根与瓦特森化学反应工程引入教材1957年在荷兰阿姆斯特丹奠定化学反应工程学 动力学 传递 流体力学 化学 数学 石油化工1960年传递过程 现代化工时代 三传一反1960年分子筛催化剂 纳米材料等近代燃料电池 高分子材料 光电材料 药物缓释 组织工程 微型反应器 生物芯片 1 2化学反应工程学的内容和分类 1 化学反应动力学特性的研究反应过程的反应机理及动力学特性 获得动力学方程 它是反应器设计 分析的基础 2 研究流
9、体在反应器内的流动 传热 传质对化学反应过程的影响 实现反应器的设计和放大 3 反应器设计计算 过程分析及最佳化将反应动力学特性和反应器中流动 传递特征结合起来建立数学模型 利用计算机进行模拟计算 得到过程数据 以便对反应器进行优化设计和过程优化控制 1 2 1化学反应工程学的内容 1 反应系统相态分类 分为 均相反应 气相均相和液相均相 非均相反应 气一固相 气一液相 液一固相 气一液一固相反应等 2 操作方式分类 分为 间歇操作 连续式操作 半连续式操作 3 按反应器形式分类 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 一般高径比在3 30之间 4 按传热条
10、件分类 等温反应器 绝热反应器 非等温 非绝热反应器 与外界有热量交换 但不等温 5 按流体流动状态分类 分为 理想流动反应器 非理想流动反应器 1 2 2化学反应工程学的分类 1 3化学反应工程学的研究方法 工业反应器开发中要解决反应器的合理选型 反应器优化操作条件 反应器的工程放大 其程序是 通过小试确定反应器型式 通过小试确定工艺条件 通过中试考察考察几何尺寸的影响 逐级经验放大法效果差 效率低 对放大中出现的问题束手无策 对于一些复杂的反应 在难以用其他方法时 逐级经验放大法不失为一可用的开发方法 1 3 1逐级经验放大法 解析法是在对过程有了深刻的理解 能够整理出各种参数之间关系 同
11、时该方程借助现代数学知识可以定量求解获得结果 因此 解析法是解决反应工程问题最科学的也是最好的方法 但由于实际过程复杂 难以用精确的定量关系予以描述 迄今还没有一个化学反应过程是用解析法求得结果的 但其在方法论上是最科学的 无疑其是化学反应工程掌发展的方向 1 3 2解析法 对化学过程已有一定深度的理解 但并没有达到解析法所要求的能正确的定量描述各参数之间关系 用经验放大法也不理想 这时 用模型法将是最佳的选择 模型法是人们对某一复杂的难以用数学全面正确描述的客观实体人为地做某些假定 设想出一个可以被数学描述的 且与客观实体相近似的过程 称模型 用对该模型的定量描述作为客观实体的近似描述过程
12、在本书中将采用此方法研究问题 1 3 3模型法 炼油工业石化工业冶金工业建材工业制药工业能源工业 以数学 物理 化学 生物学为基础 物质在分子水平进行重组 创造了世界上最大的工业产业之一 汽车工业家电工业航空航天工业计算机等信息产业机械工业 以物理学为基础 产品的概念更为突出 强调结构性能间关系 物质在复杂程度 形貌 结构等发生变化 制造业 化学 过程 工业 机电工业 二者之间的融合在加强 国际化学工业 大约1000家主要公司及无数小公司 生产大约7万种产品 近2万亿美元的产值 经合组织 化工是GDP最大的工业产业 在中国 2003年第二 其组成为35 欧共体27 美国13 日本10 中国5 其它亚州国家10 其它国家 化学工业是一颗永不陨落的恒星 照亮了夜空 金澳科技 湖北 化工有限公司催化裂化装置图 金澳科技 湖北 化工有限公司气体分馏装置 参考教材 李绍芬 化学与催化反应工程 化学工业出版社朱炳辰 翁惠新 朱子彬 催化反应工程 中国石化出版社梁斌 段天平 傅红梅 罗康碧 化学反应工程 科学出版社 2003
