【正文】 充分認識客觀對象的基礎上抽象和提取其主要特征 在物理模型的基礎上建立的各特征量之間的數學關系 抽象簡化的要求： （ 1）不失真 （ 3）適應現有的實驗條件 （ 2）滿足應用要求 （ 4）適應現有的計算能力 2022/9/19 （ b）數學模型的建立 ? 建立數學模型 參數計算式 動力學方程式 物料、熱量、動量衡算式 ? 求解數學模型的計算方法 ? 計算機軟件的實現及計算結果 2022/9/19 ? 反應動力學方程： ? 反應器模型的核心，確定反應器結構的參數和操作條件的基礎，也是分析反應器操作性能的依據。 德國魯奇 (Lurge)公司用低壓法合成甲醇， 4000t/a，開車兩天后就達到了正常運轉，從小試到中試到建立最終的工業(yè)規(guī)模裝置生產，只用了 三年 時間，而一般經驗放大法需十年或更長時間。如美國 Goodrich公司，用丙烯二聚生產異戊二烯，沒有經過中試，直接由小試結果放大而成，放大倍數高達 17000倍 。對各步的試驗結果進行綜合與尋優(yōu)，檢驗和修正數學模型，預測下一階段的反應器性能，最終建立能預測大型反應器工況的數學模型，完成大型反應器的設計。（因為這些項目的考察往往要經歷很長的時間。為設計大廠提供有用的信息。 4)中試：不但規(guī)模增大，且在流程與設備形式上都與生產車間十分接近。 目的：考察傳遞過程規(guī)律。 目的：考察物理過程對化學反應的影響，工業(yè)原料的影響等等。 2)小型試驗：仍屬于實驗室規(guī)模，但比上一步大，且反應器結構大體上與將來工業(yè)裝置相接近。 ? 化學反應工程的主要研究內容 ? 物理模型和數學模型的建立 2022/9/19 步驟： 1)實驗室規(guī)模實驗：新產品的合成、新型 發(fā)、反應動力學。 ? 理論上可以無限級放大。 ? 但是 對于化學反應器而言，反應的化學相似和反應器的幾何相似及時間相似不能同時滿足 ? 所以 只適合物理過程的單元設備放大，不適用反應器的放大 2022/9/19 模型放大 ? 用數學方法來描述工業(yè)反應器中各參數之間的關系的方法，是 60年代發(fā)展起來的一種比較理想的反應器放大方法?；谀撤N相似狀態(tài)（幾何形狀、流動狀態(tài)、傳遞特性等）進行放大的方法。 方案二：反應轉化率 %，以 ，反應器體積為 。 試驗考察未發(fā)現放大效應，采用經驗放大時，保持反應器 幾何相似，用外推法按比例放大。 2022/9/19 （ 4）反應器設計 生產要求每小時處理過氧化氫異丙苯濃度為h1，轉化率為 %。 2022/9/19 （ 3）反應器放大 直徑為 40mm，長 1712mm，體積為 器， 轉化率為 %。m3 反應溫度： 359K 硫酸濃度： 6N 反應物料流量： 結果：過氧化氫異丙苯分解速率隨反應物濃度、反應溫度、催 結果 化劑濃度的提高而加快；但為保證一定的轉化率，流量不能太 大。 2022/9/19 2022/9/19 （ 1）反應器選型 液相反應：釜式反應器和管式反應器均可使用 實驗結果： 管式轉化率： % 釜式轉化率： %， 同時考慮 間歇操作攪拌釜：輔助時間降低反應器容積效率。 第二步反應：過氧化氫異丙苯用硫酸作催化劑在液相中分解生 成苯酚和丙酮。采用逐級經驗放大法對過氧化氫異丙苯分解反應器進行放大。 放大的主要依據是實驗，是每種規(guī)模的宏觀實驗結果，是經驗性的，難以做到高倍數放大。 2022/9/19 如果放大倍數很大，又無把握時，往往還要進行多次規(guī)模不同的中試。 優(yōu)點 ：設計參數安全可靠，放大成功率高。 優(yōu)點： 液體不需要加熱變成氣體，節(jié)省能源。 適用： 液固及氣液固三相反應。 移動床反應器 2022/9/19 特征： 反應器內催化劑也是固定不動的。 反應流體與顆粒成逆流接觸。 ? 適用于氣固，液固，氣液固反應。 使用前提：放熱反應，熱量大致平衡。 結構簡單，造價低廉，但適用熱效應不大或催化劑對溫度要求不高的反應。 管內裝填催化劑，反應物料自上而下通過床層；管間為載熱體，與管內物料進行換熱，以維持所需的溫度條件。 適用于氣固催化反應，固相加工反應，應用非常廣泛。 塔式反應器 2022/9/19 無論哪一種塔式反應器，兩種流體可以成逆流，也可以并流操作 塔式反應器 2022/9/19 環(huán)流反應器 塔式反應器 2022/9/19 ? 特征： 反應器內填充有固定不動的固體顆粒。 適用于兩種流體相反應的過程。 釜式反應器 2022/9/19 釜式反應器 2022/9/19 各種 攪拌槳的形式 釜式反應器 2022/9/19 攪拌釜的各種換熱形式 釜式反應器 2022/9/19 釜式反應器 2022/9/19 特征： 反應器高度為直徑的數倍以至十幾倍。 常帶夾套或釜內放置蛇管，傳熱以維持釜內所需溫度。 管式反應器 2022/9/19 又稱 反應釜，攪拌反應器 特征 : 反應器高度與直徑相當或稍高。 多用于均相反應。 ? 常見的有：塔式 、 管式 、 釜式等 ? 表 11例舉了一般反應器的型式與特性 2022/9/19 工業(yè)化學反應器的分類 2022/9/19 特征 ：長度 管徑。 ? 用來實現化學變化的設備－－反應器 ? 按反應物料的相態(tài)進行分類 ， 可有均相反應器和非均相反應器兩大類 。 設備和管道交錯復雜 。 ? 3． 非等溫 、 非絕熱反應器 ， 與外界有熱量交換 ， 但不等溫 。 2022/9/19 ? 反應機理 單一、多重（平行，連串，平行連串） ? 反應可逆性 可逆、不可逆 ? 反應分子數 單分子、雙分子、三分子 ? 反應級數 一級、二級、三級、零級、分數 ? 反應熱效應 吸熱、放熱 二、化學反應工程內容的分類和編排 ?按化學反應的特性分類 2022/9/19 ? 按反應物相態(tài)分類 非催化反應 催化反應 均相反應 大部分氣相反應 大部分液相反應 快速反應（燃燒等） 膠體反應 酶和微生物反應 非均相反應 煤燃燒，礦石焙燒 氣－液吸收反應 煉鐵，濕法冶金 合成氨，硝酸，硫酸 煉油，合成材料單體 2022/9/19 按反應過程條件分類 ? 按傳熱條件分類 ， 分為 ? 1． 等溫反應器 ， 整個反應器維持恒溫 ， 這對傳熱要求很高 。 ? 實現反應過程的最優(yōu)化 。 ? 開發(fā)新技術和設備 。 催化劑 ——一般屬于化學或工藝范疇。 我國化學工程與技術學科的發(fā)展中里程碑 2022/9/19 化學工程的主要研究內 容 化學方法加工 原料的預處理 進行化學反應 反應產物分離與提純 反應工程（本征） 單元操作（ 三傳 ） 單元操作（ 三傳 ） 2022/9/19 ? A→B AArC?A 0 tAAC C e ??0ACAC動量傳遞過程－流動因素 2022/9/19 ? A→B A 0ACAC0ERTk k e ??AAr kC?熱量傳遞過程－傳熱因素 2022/9/19 質量傳遞過程－傳質因素 2022/9/19 R 邊緣反應物濃度高 中央反應物濃度低 此處反應較快 質量傳遞過程－傳質因素 動力學方程 反 應 器 類 型 熱量橫算方程 動量橫算方程 反 應 器 體 積 操 作 條 件 化學反應工程 均相反應 非均相反應 動力學方程 物料衡算 熱量衡算 動量橫算 2022/9/19 2022/9/19 工業(yè)反應的特點 ? 物性龐雜 多相（氣 ,液 ,固 ,超臨界 ,等離子 ,納米膠體） 溫度 ,壓力 ,粘度 ,重度 ,表面張力 … 變化幅度大 ? 非線性耦合 物理 ,化學 ,生物學之間 ? 預測精度高 ? 生產規(guī)模大 250萬 T/年－ 1000萬 T/年 催化裂化（ ф 10m, H=70m) 30萬 T/年－ 100萬 T/年 乙烯裂解 30萬 T/年 合成氨－ 52萬 T/年 尿素 100m3 － 300m3 聚合釜 , 120m長 循環(huán)管聚丙稀 化學反應工程的范疇和任務 2022/9/19 高低并列的提升管FCC裝置 2022/9/19 南充煉廠FCC裝置 2022/9/19 Grassroots FCC unit under con