反应工程基础：Chap0-绪论

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1、反应工程基础反应工程基础Elements of Chemical Reaction Engineering本节课内容本节课内容课程说明反应工程基础绪论反应工程基础绪论反应工程的内涵和课程内容从国际反应工程会看反应工程前沿课程说明课程说明开课对象：开课对象：本科大三学生总课时：总课时： 64学时学分：学分： 4课程性质：课程性质：必修课（专业基础课）授课语言：授课语言：中文讲课，英文英文课件或中英结合上课时间、地点：周一上午，上课时间、地点：周一上午， 09:5011:25，工物馆，工物馆422 周四上午，周四上午， 08:0009:35，工物馆，工物馆422教材教材和和参考书参考书H. Sco

2、tt Fogler, Elements of Chemical Reaction EngineeringOctave Levenspiel, Chemical Reaction EngineeringOctave Levenspiel, Chemical Reactor Omnibook陈甘棠，化学反应工程（第三版）陈甘棠，化学反应工程（第三版）李绍芬，反应工程（第二版）朱炳辰，化学反应工程朱开宏，袁渭康，化学反应工程分析Octave LevenspielBorn1926,Shanghai2008 AIChE Annual MeetingThe Worlds Largest Flying Cr

3、eatures Ever wonder why the dinosaurs became extinct? I have the answer. LH. Scott Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering （4th）教学辅助材料：教学辅助材料：H. Scott Fogler，化学反应工程（原著第三版），李术元，朱建华译化学反应工程（原著第三版），李术元，朱建华译学习辅助学习辅助CD资料（资料（H. Scott Fogler）讲义讲义PPT（英文）（英文） 程易程易讲义讲义PPT（中文）（中文） 助教助教http:/www.engin.

4、umich.edu/cre/电子版图书：电子版图书：Fogler,ElementsofChemicalReactionEngineering(4th)Levenspiel,ChemicalReactionEngineering(3rd)李术元，朱建华，化学反应工程（原著第三版）课程的几个教学环节课程的几个教学环节课堂教学课堂教学（习题课）（习题课）作业作业习题与编程习题与编程考试（开卷）考试（开卷）期中，期末成绩成绩作业（30）期中考试（30）期末考试（40） 答疑答疑： 双周，周一，双周，周一， 晚晚9:0010:00， 工物馆工物馆313.2007年年反应工程基础反应工程基础成绩分布成绩分

5、布（化41，42，43补修）91人92人期中考试（17满分）期末考试2008年年反应工程基础反应工程基础成绩分布成绩分布（化51，52，53补修）期中考试期末考试87人87人2009年年反应工程基础反应工程基础成绩分布成绩分布（化61，62，63补修）期中考试期末考试81人81人化学反应工程化学反应工程绪绪 论论About reaction engineeringReactionengineeringisthedisciplinethatquantifiestheinteractionsoftransportphenomenaandkineticsinrelatingreactorperfor

6、mancetooperatingconditionsandfeedvariables.Thisquantificationrequiresathoroughunderstandingofthemicroscale(molecularlevelofscrutiny),mesoscale(transport-kineticeventsonacatalyst-particlelevel)andmacroscale(reactordesignincontextofprocessandplantdesign).Itisthefieldthatdealswithchemicallyreactivesyst

7、emsofengineeringsignificance.Chemicalreactionengineeringresultsinageneralmethodologyusefulinapproachingavarietyofsystems(chemical, biochemical, biological, electrochemical)whereengineeringofreactionsisneeded;i.e.,wherethecause-and-effectrelationsimpartedbyreactionsandobservedinsmalllaboratoryvessels

8、needtobe“scaledup”tocommercialproduction.化学工程：创新的源头化学工程：创新的源头物质传递与转化能量传递与转化信息传递与转化石油化工，煤化工，天然气化工石油化工，煤化工，天然气化工精细化工，日用化工精细化工，日用化工生物化工，材料化工，制药生物化工，材料化工，制药资源化工资源化工环境化工环境化工.历史辉煌历史辉煌制造业的基础与创新的源头20年代合成氨合成氨现代化工的起始：农业，炸药40年代石油催化裂化催化裂化：汽车工业50年代深层发酵：抗生素制药业60年代乙烯乙烯裂解：三大合成材料70年代有机硅，高纯硅：硅材料工业80年代人工脏器，动植物细胞培养：生物医

9、学工程90年代纳米管，超分子组装纳米亚微米材料：复合，多功能材料2000年.能源、资源、环境、生物、制药、材料典型的化工生产过程环节典型的化工生产过程环节 化学反应是整个过程的核心化学反应是整个过程的核心纯化纯化反应反应分离分离反应反应分离分离循环循环原料原料产品产品中间产品中间产品循环循环化学工程的知识结构化学工程的知识结构化学工程反应工程分离工程系统工程精馏萃取吸收过滤过程工程系统优化反应器设计及放大化工生产的核心化工生产的核心ChemicalReactionEngineering化学动力学化学动力学（chemicalkinetics）:化学反应速率（chemicalreactionrat

10、es）化学反应机理（reactionmechanisms）化学反应工程化学反应工程(CRE):化学动力学（chemicalkinetics）反应器设计（reactordesign）安全安全（safe） 经济经济（efficient economical）反应器的选择和设计反应器的选择和设计-21-甲醇高价值利用（一步转化）CH3OH+NH3催化剂腈类，酸类，胺类+nH2-CN,-NH,-NH2,-COOH氨基酸中间体CO2（草甘膦）3CH3OH+2H2O=HOCH(COOH)2+6H2化学反应工程的学科特点化学反应工程的学科特点l化学原理与物理原理交叉化学原理与物理原理交叉分离过程分离过程 热

11、力学，流体力学，传热学，传质学热力学，流体力学，传热学，传质学反应过程反应过程 原子重排，工艺学，反应动力学原子重排，工艺学，反应动力学 热力学，流体力学，传热学，传质学热力学，流体力学，传热学，传质学l反应动力学与传递学的非线性耦合反应动力学与传递学的非线性耦合 l多尺度关连多尺度关连l三传三转三传三转能量的传递和转化物质的传递和转化信息的传递和转化分子尺度分子尺度亚微观尺度亚微观尺度（纳米聚团）（纳米聚团）介观尺度介观尺度设备尺度设备尺度宏观尺度宏观尺度（滴（滴/泡泡/粒）粒） （轴向（轴向/径向）径向） （设备集成）（设备集成）燕山石化乙烯裂解炉燕山石化乙烯裂解炉多尺度现象：时间和空间多

12、尺度多尺度现象：时间和空间多尺度化学反应工程的范畴化学反应工程的范畴化学热力学化学热力学：分析反应的可能性和可能达到的程度反应动力学反应动力学：反应速率和机理【举例】反应适宜的条件、反应器结构型式、反应器尺寸、处理能力等等催化剂催化剂设备型式、操作方法和流程设备型式、操作方法和流程传递过程传递过程.例：反应动力学控制的过程甲烷裂解制乙炔1500C，乙炔不稳定，易分解为碳和氢气解决方案超短接触（毫秒级）反应及时淬冷*热力学可行，速率太慢，实际不可行*热力学难以实现，但是动力学控制实现催化剂特殊手段特殊手段案例：人工合成金刚石常规：静高压工艺，热力学平衡态，需要16001800K，6万大气压的高温

13、高压条件微波等离子体化学气相沉积工艺，以甲烷和氢气为原料，在低于0.1大气压，450C条件下可成功合成金刚石反应工程问题实例反应工程问题实例合成氨合成氨/尿素尿素石油石油催化裂化煤煤裂解/气化天然气天然气制合成气、制氢纳米材料制备有机化工/精细化工CO2转化.热力学热力学动力学（催化剂）动力学（催化剂）衡算：物料和能量衡算：物料和能量流体力学流体力学传递传递工程放大工程放大体现反应工程体现反应工程基本原理和范畴基本原理和范畴化学反应过程分类化学反应过程分类例：按相态分均相反应均相反应非均相反应非均相反应气液：鼓泡柱（bubblecolumn）气固：固定床，流化床液液：液固：滴流床（trickl

14、ebed）气液固：浆态床（slurrybed）W.P.M. van Swaaij, Chem Eng J, 90 (2002) 25-45例：工业气固催化反应器的变迁例：工业气固催化反应器的变迁W.P.M. van Swaaij, Chem Eng J, 90 (2002) 25-45滴流床（Ticklebed）通道内流型通道内流型整体型催化剂反应器（整体型催化剂反应器（Monolith）鼓泡柱（BubbleColumn）Information needed to predict what a reactor can doReactorInputOutputPerformanceequatio

15、nRelatesinputtooutputContactingpatternorhowmaterialsflowthroughandcontacteachotherinthereactorKineticsorhowfastthingshappen.Ifveryfast,thenequilibriumtellswhatwillleavethereactor.Ifnotsofast,thentherateofchemicalreaction,andmaybeheatandmasstransfertoo,willdeterminewhatwillhappen.学科的任务学科的任务对工程师对工程师（1

16、）选择最合适的反应器型式（2）确定最佳操作方式和条件（3）估算反应器尺寸对创新开发对创新开发（1）根据反应工艺、反应动力学特征、新型催化剂，进行新型反应器和反应方式的研发（2）新型操作方式的研发：如动态操作、耦合操作（3）工程放大方法的研究反应工程任务提出反应工程任务提出工艺路线工艺路线,原料配方原料配方,工艺条件确定工艺条件确定小型热模小型热模,验证工艺条件验证工艺条件,动力学研究动力学研究大型冷模大型冷模,验证反应器形式可行验证反应器形式可行动力学方程表达式动力学方程表达式流动形式流动形式,混和模型混和模型,传质传质,传热传热,参数分布参数分布数学模型：物衡数学模型：物衡热衡热衡热力学提供

17、：参数方程热力学提供：参数方程,物性物性计算机合成求解计算机合成求解中间讨论中间讨论,验证验证工业装置工业装置模型修正模型修正工程研究工程研究工艺研究工艺研究反应工程研究步骤反应工程研究步骤About reaction engineeringReactionengineeringisthedisciplinethatquantifiestheinteractionsoftransportphenomenaandkineticsinrelatingreactorperformancetooperatingconditionsandfeedvariables.Thisquantificationr

18、equiresathoroughunderstandingofthemicroscale(molecularlevelofscrutiny),mesoscale(transport-kineticeventsonacatalyst-particlelevel)andmacroscale(reactordesignincontextofprocessandplantdesign).Itisthefieldthatdealswithchemicallyreactivesystemsofengineeringsignificance.Chemicalreactionengineeringresult

19、sinageneralmethodologyusefulinapproachingavarietyofsystems(chemical, biochemical, biological, electrochemical)whereengineeringofreactionsisneeded;i.e.,wherethecause-and-effectrelationsimpartedbyreactionsandobservedinsmalllaboratoryvesselsneedtobe“scaledup”tocommercialproduction.CH.1MolebalancesCH.2C

20、onversion&reactorsizingCH.3Ratelaws&stoichiometryCH.4IsothermalreactordesignCH.5Collection&analysisofdataCH.6MultiplereactionsCH.7Mechanisms,bioreactions.CH.8SteadystateheateffectsCH.9UnsteadystateheateffectsCH.10Catalysis&catalyticreactorsCH.13ResidencetimedistributionCH.14NonidealreactorsCH.11Exte

21、rnaldiffusionCH.12DiffusioninporouscatalystsMultiplereactionswithheateffectsFramework of Foglers bookElements of Chemical Reaction Engineering本课程的架构本课程的架构*Fixedbed*FluidizedbedCREalgorithm:Molebalance+Ratelaws+Stoichiometry+Energybalance+CombineDesignofchemicalreactors,PFR,CSTR,Batch,Semibatch,Packe

22、dbedsAnalysisofratedata,laboratoryreactors,least-squaresanalysisModelingrealreactors,RTD,dispersion,segregationNonisothermaloperation,multiplesteadystatesMultiplereactionsMolebalancesRatelawsStoichiometryEnergybalancesDiffusionContacting从国际反应工程会看反应工程前沿从国际反应工程会看反应工程前沿ISCREInternationalSymposiaonChemi

23、calReactionEngineeringwww.iscre.orgIMRETInternationalConferenceonMicro-reactionTechnologyNamePlaceCountryYearESCRE 1AmsterdamNetherlands1957ESCRE 2AmsterdamNetherlands1960ESCRE 3AmsterdamNetherlands1964ESCRE 4BrusselsBelgium1968ISCRE 1WashingtonUSA1970ISCRE 2AmsterdamNetherlands1972ISCRE 3EvanstonUS

24、A1974ISCRE 4HeidelbergGermany1976ISCRE 5HoustonUSA1978ISCRE 6NiceFrance1980ISCRE 7BostonUSA1982ISCRE 8EdinburghGreat Britain1984ISCRE 9PhiladelphiaUSA1986ISCRE 10BaselSwitzerland1988ISCRE 11TorontoCanada1990ISCRE 12TorinoItaly1992ISCRE 13BaltimoreUSA1994ISCRE 14BruggeBelgium1996ISCRE 15NewportUSA199

25、8ISCRE 16CracowPoland2000ISCRE 17 Hong Kong China 2002 ISCRE 18ChicagoUSA2004ISCRE 19PotsdamGermany2006ISCRE-18,Chicago,U.S.A.,2004ISCRE-18 Plenary Lectures分子模拟，微观反应动力学分子模拟，微观反应动力学燃料电池燃料电池药物的生物合成药物的生物合成制药，信息学制药，信息学催化剂，材料催化剂，材料纳米管和纳米线纳米管和纳米线ISCRE-19IMRET-9BASF：微反应器技术成功的工业应用小结小结化学反应工程化学反应工程动力学动力学 反应器设

26、计反应器设计具体包括：热力学、动力学、催化剂、设备、传递、工程放大.课程重点课程重点基本概念：定义方法论和原理：解决问题的逻辑理性的数学表达：问题的抽象问题的求解：技能作业（化作业（化01）：）：1. 合成氨生产工艺流程图合成氨生产工艺流程图 （1）煤为源头；（）煤为源头；（2）天然气为源头）天然气为源头2. 合成氨反应器合成氨反应器 （1）催化剂和工艺条件；（）催化剂和工艺条件；（2）反应器结构）反应器结构3. 列出参考文献列出参考文献作业（化作业（化02）：）：Fischer-Tropsch过程过程 反应原理、催化剂和反应器反应原理、催化剂和反应器http:/en.wikipedia.or

27、g/wiki/Fischer%E2%80%93Tropsch_process作业（化作业（化03）：甲醇制烯烃）：甲醇制烯烃MTO过程过程 反应原理、催化剂和反应器反应原理、催化剂和反应器http:/en.wikipedia.org/wiki/Methanol_economyDOEandnationallabsNationalEnergyTechnologyLaboratory(NETL),http:/l.doe.gov/LosAlamosNationalLaboratory,http:/www.lanl.gov/OakRidgeNationalLaboratory,http:/www.orn

28、l.gov/ArgonneNationalLaboratory,http:/www.anl.gov/LawrenceLivermoreNationalLaboratory,https:/www.llnl.gov/IdahoNationalLaboratory,http:/hydropower.inel.gov/SandiaNationalLaboratories,http:/www.sandia.gov/PacificNorthwestNationalLaboratory,http:/www.pnl.gov/NationalRenewableEnergyLaboratory,http:/www.nrel.gov/