化学反应工程教案

课程教案课程名称：化学反应工程任课教师：所属院部：教学班级：化工1203-04教学时间：2014—2015学年第2学期课程基本信息课程名称化学反应工程课程代码I0101734总计：48学时讲课：48学时实验：学时上机：学时课程设计：周学分3类别必修课（√）选修课（）理论课（√）实验课（）任课教师职称授课对象专业班级：化工1203-04共2个班课程简介（不超过1000字）(1)课程性质、地位本课程以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，以达到反应器的开发、设计和放大及优化操作之目的。(2)课程目标、主要内容通过本课程的学习，使学生较牢固地掌握化学反应工程最基本的原理和计算方法，能够理论联系实际，提高对工业反应器进行设计与分析之能力。为今后解决化工生产过程中和科学研究中遇到的各种化学工程问题打下良好的基础。本课程教学内容共九部分。包括绪论和八章，从第一章到第八章主要是关于均相单一反应动力学和理想反应器，复合反应与反应器选型，非理想流动反应器，气固相催化反应本征动力学，气固相催化反应宏观动力学，气固相催化反应固定床反应器，气固相催化反应流化床反应器，气液相反应过程与反应器等内容的学习指导。基本教材和主要参考资料教材：郭锴等编，化学反应工程（第二版），化学工业出版社参考资料：1、朱炳辰主编，化学反应工程（第四版），化学工业出版社；2、陈甘棠编，化学反应工程（第三版），化学工业出版社1绪论第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.1基本概念1.2建立动力学方程的方法一、本次课主要内容化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其应用。二、教学目的与要求了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法，熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。三、教学重点难点1、化学反应工程的研究目的、内容和方法。四、教学方法和手段课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。五、作业与习题布置书后习题第3、6、7题2绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。二、《化学反应工程》任务“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。1957年如开了第一次欧洲化学反应工程伎议，会议确定了化学反应工程的研究内容和任务。“化学反应工程是化学工程的一个部分，它是科学的一个分支，它还处在发展阶段。它的目的在于控制工业规模的化学转化率并最终达到恰当和成功的反应器设计。有各种因素对反应器设计起着重要作用，如流动现象、质量和热量传递以及反应动力学。首先必须对这些因素了解，工业规模反应器的开发只能从上述因素间的关系和相互作用中得到了解”。化学反应工程的任务是研究化学反应器中质量和热量的传递过程、流动状况和3反应动力学，最终目的是设计化学反应器。三、化学反应器的特点考察CO变换反应：CO+H2OCO2+H2反应在固定床变换炉中进行，变换炉中装有固体催化剂，反应过程如下：CO、H2O由气相主体到达颗粒外表面；CO、H2O由颗粒外表面到达颗粒内表面；CO、H2O在颗粒内表面上起反应；CO2、H2由颗粒内表面到达颗粒外表面；CO2、H2由颗粒外表面到达气相主体。考察脱硫反应：H2S+NH4OH反应在吸收塔中进行，反应过程如下：H2S由气相主体到达气-液相界面；H2S由气-液相界面进入液相；H2S和NH4OH在液相中反应生成NH4HS和H2O。CO和H2O的反应区在催化剂颗粒的内表面上，而脱硫反应的反应区在液相内。整个反应过程包含传递过程和化学反应过程，相互交织在一起，不可分割。考察CO和H2O在变换炉中的流动状况。变换炉直径较大，气体容易发生偏流，在同一截住面上流速分布不均匀，在变换炉中存在“死区”，这些客观存在的工程因素改变了物料的流动状况，其结果之一是同时进入变换炉的CO和H2O在变换炉中的停留时间不同。考察H2S在吸收塔中的流动状况。吸收塔内的填料是乱堆的，气体通道的截面积大小不规则，流速不均匀，同样也有“死区”，这些工程因素使同时进入吸收塔的H2S所经历的流动过程不同，其结果之一是在塔内的停留时间不同。化学反应器的特点1，包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。2，客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时间不同。4基于化学反应器的特点，传统的研究方法----经验归纳法已不适用于化学反应过程，化学反应工程的研究方法是数学模拟方法（数学模型方法）。四、数学模拟方法1.数学模拟方法数学模拟方法过程如下，由四部分组成。（1）将复杂的真实过程合理地抽象简化成简化模型，该简化模型等价于真实过程。这是数学模拟方法的核心。例如水在园管中的流动过程可以简化成平推流模型或者扩散模型。（2）对简化模型进行数学描述，得到简化模型的数学关系式，即数学模型。（3）采用一定的数学方法求解数学模型，得到数值解或者解析解，代研究用。（4）通过实验检验数学模型是否正确，修正或者确定简化模型，直到供实际应用。数学模拟方法原则（1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型和真实过程的等效程度。（2）针对真实过程可以按不同程度的要求简化成不同的简化模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。（3）简化模型。数学模型和数学方法是相互联系的，应力求数学方法简单，便于数学模型的实际应用。真实过程简化模型数学模型模型计算实验检验实际应用修改5（4）数学模拟方法的基础：1）积累实践经验或者实验数据，2）学习掌握基础数学模型。基础数学模型（1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧重于表达三者的数学关系，而直接应用。（2）流动模型：描述物料在反应器内的流动状况。理想模型：平推流，全混流。非理想模型：轴向混合模型，多级串联全混流模型，组合模型等。（3）传递模型：描述物料间质量、热量和动量传递过程。例如气液相间的双膜论、溶质渗透论和表面更新论等。（4）宏观动力学模型：是化学动力学模型、传递模型以及流动模型的综合，是化学反应工程的重要内容之一。五、《化学反应工程》的作用（1）改进和强化现有的反应技术和设备（2）开发新技术、新设备（3）指导和解决反应器的放大问题（4）指导实现反应过程的最优化操作六、《化学反应工程》基本内容第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.1基本概念1、化学反应式反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述：SRBAsrba2、化学反应计量式6SRBAsrba是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行运算，如将各相移至等号的同一侧。3、反应程度（反应进度）I0IInnξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。SSSRRRBBBAAAnnnnnnnn00004、转化率A0A0AAAnnnAx组分的起始量组分量转化了的关键组分(keycomponent)：工业反应过程的原料中各反应组分之间往往不符合化学计量数关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为~。5、化学转化速率定义：单位反应体积内反应程度随时间的变化率。常用表达：以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。13AAsmmoldd1tnVr6、化学反应动力学方程定义：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式对于均相反应：方程多数可以写为幂函数形式；反应速率与反应物浓度的某一方次呈正比。13BAcAsmmolnmcckrkc：以浓度表示的反应速率常数，随反应级数不同有不同的因次；温度的函数，一般工业精度上，符合Arrhenius关系。m,n：A，B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。若m=a并且n=b，此反应可能是基元反应。对于非基元反应，m，n多数为实验测得的经验值。7、半衰期定义：反应转化率达到50%所需要的时间。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。71.2建立动力学方程的方法一、动力学方程：化学反应速率与反应物温度、浓度之间的关系。而建立一个动力学方程，就是要通过实验数据回归出上述关系。简单级数反应，在等温条件下，回归可以由简单计算手工进行。二、建立方法：积分法、微分法、最小方差分析法1、积分法(1)假设：(-rA)=kf'(cA)；(2)积分运算：f(cA)=kt。(3)代入实验数据：ti，f（ci）(4)绘制f(ci)–ti曲线：过原点的直线，假设正确，斜率即为反应速率常数k。否则重新假设，再重复上述步骤，直到得到直线。适用：简单级数反应2、微分法（1）等温下实验，绘制cA-t曲线。（2）测量各点斜率，得到若干对不同t时刻的反应速率tcddA数据。再将不可逆反应速率方程如nkctcAAdd线性化，两边取对数得：AAlnlnddlncnktc（3）作tcddlnA-Alnc图。斜率为反应级数n，截距为lnk，以此求得n和k值。优点：可得到非整数的反应级数缺点：图上微分，人为误差比较大。3、最小方差分析法线性回归：13BAcAsmmolnmcckr8非线性回归教学后记：9第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.3化学反应器设计基础一、本次课主要内容化学反应器的分类、化学反应器设计的基础方程、等温条件下各理想反应器的动力学反应特征。二、教学目的与要求掌握化学反应速率的工程表示，化学计量学的表达。三、教学重点难点1、反应速率的工程表示，意义。四、教学方法和手段课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。五、作业与习题布置书后习题第9、11、13题101.3化学反应器设计基础一、化学反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容：根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进行反应器的选型设计；根据宏观反应动力学和反应器，确定操作方式，优化操作；反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、设备制造及运输、安装方面的要求和有关制约。二、意义：在机械设计可行的前提下，进行改变结构尺寸和操作温度、流体流动条件对反应器的稳定操作和适应一定幅度的催化剂失活和产量、产品质量和选择率、收率等方面的工艺要求的工程分析，然后确定反应器的设计。反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果改进今后同一类型化学反应器的设计；开发新型反应器，如由固定床改为三相悬浮床，往往会提高反应效果，但在液相载体选择、结构尺寸设计等方面需要经过一定规模的工业试验，才能投入大规模生产。三、反应器设计的基本方程1、反应动力学方程2、物料衡算方程体积元：物料衡算所针对的具体体系。确定的边界。物料温度、浓度必须是均匀的。对关键组分A进行物料衡算。1b1r1out1insmol量的积累A元中物料单位时间内体积smol量A物料元中反应消失的单位