大学化工专业英语Lesson 4.docx

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大学化工专业英语Lesson4

ChemicalReactionEngineering

化学反应工程

Everyindustrialchemicalprocessisdesignedtoproduceeconomicallyadesiredproductfromavarietyofstartingmaterialsthroughasuccessionoftreatmentsteps.

每一个工业化学过程的目的是从不同的原材料，经过一系列的处理步骤生产经济所需的产品。

Fig.4-1showsatypicalsituation.图4-1展示了一个典型的情况。

Therawmaterialsundergoanumberofphysicaltreatmentstepstoputthemintheforminwhichtheycanbereactedchemically.

原料进行了一些物理处理的步骤，使它们能够发生化学反应。

Theythenpassthroughthereactor.

然后让他们通过反应器。

Theproductsofthereactionmustthenundergofurtherphysicaltreatment——separations,purifications,etc.——forthefinaldesiredproducttobeobtained.

产物要经历进一步的物理处理——分离，净化提纯等等——以获得期望的最终产品。

Designofequipmentforthephysicaltreatmentstepsisstudiedintheunitoperations.

物理处理步骤设备的设计在单元操作中研究。

Hereweareconcernedwiththechemicaltreatmentstepofaprocess.

在这里我们关心的是一个过程的化学处理步骤。

Economicallythismaybeaninconsequentialunit,sayasimplemixingtank.

从经济的角度说，这可能是个不重要的单元，比如说一个简单的混合槽。

Moreoftenthannot,however,thechemicaltreatmentstepistheheartoftheprocess,thethingthatmakesorbreakstheprocesseconomically.

然而通常，化学处理步骤是一个过程的核心，它决定这个过程经济的成败。

Designofthereactorisnoroutinematter,andmanyalternativescanbeproposedforaprocess.

反应器的设计不是普通的事，对于一个过程有许多可供选择的建议。

Insearchingfortheoptimumitisnotjustthecostofreactorthatmustbeminimized.

寻找最佳的条件，不仅是反应器成本的最小化。

Onedesignmayhavelowreactorcost,butthematerialsleavingtheunitmaybesuchthattheirtreatmentrequiresmuchhighercostthanalternativedesign.

一个设计可能使反应器的成本较低，但材料离开装置可能比其他的设计需要更高的处理费。

Hence,theeconomicsoftheover-allprocessmustbeconsidered.

因此，必须要考虑整个过程的经济。

Reactordesignusesinformation,knowledge,andexperiencefromavarietyofareasthermodynamics,chemicalkinetics,fluidmechanics,heattransfer,masstransfer,andeconomics.

反应器的设计使用了各个领域的信息，知识和经验，比如热力学，化学动力学，流体力学，传热，传质，和经济学。

Chemicalreactionengineeringis,thesynthesisofallthesefactorswiththeaimofproperlydesigningachemicalreactor.

化学反应工程，是这些因素的综合学科，旨在设计出合适的化学反应器。

Thedesignofchemicalreactorsisprobablytheoneactivitywhichisuniquetochemicalengineering,anditisprobablythisfunctionmorethananythingelsewhichjustifiestheexistenceofchemicalengineeringasadistinctbranchofengineering.

化学反应器的设计对于化学工程而言可能是一个独特的活动，它的这个功能可能比任何东西都更能证明化学工程作为一个独特的分支工程的存在。

Inchemicalreactordesigntherearetwoquestionswhichmustbeanswered:

（1）Whatchangecanweexpecttooccur？

（2）Howfastwilltheytakeplace？

化学反应器的设计有两个必须回答的问题：

（1）我们预期发生什么变化？

（2）它们发生的有多快？

Thefirstquestionconcernsthermodynamics,thesecondthevariousrateprocesses--chemicalkinetics,heattransfer,etc.

第一个问题涉及热力学，第二个问题涉及各种速率过程——化学动力学，传热等。

Puttingthesealltogetherandtryingtodeterminehowtheseprocessesareinterrelatedcanbeanextremelydifficultproblem;hencewestartwiththesimplestofsituationsandbuildupouranalysisbyconsideringadditionalfactorsuntilweareabletohandlethemoredifficultproblems.

把这些放在一起，试图确定这些过程是怎样相关联的，是一个非常困难的问题；因此，我们从最简单的情况着手，考虑附加因素，建立我们的分析，直到我们能处理更难的问题。

1.Thermodynamics

1.热力学

Thermodynamicsgivestwoimportantpiecesofinformationneededindesign,theheatliberatedorabsorbedduringreactionandthemaximumpossibleextentofreaction.

热力学给出设计中需要的两条重要的信息，反应放出和吸收的热量与最大可能的反应进度。

2Chemicalreactionsareinvariablyaccompaniedbytheliberationorabsorptionofheat,themagnitudeofwhichmustbeknownforproperdesign.Considerthereaction

aA→rR+sS,ΔHr

positive,endothermic;negative,exothermic

化学反应总是伴随着热量的释放或吸收，为了合理的设计，必须知道它的大小，考虑下面的反应：

aA→rR+sS,ΔHr,正值，吸热；负值，放热。

TheheatofreactionattemperatureTistheheattransferredfromsurroundingstothereactingsystemwhenamolesofAdisappeartoformrmolesofRandsmolesofS,withthesystemmeasuredatthesametemperatureandpressurebeforeandafterreaction.

温度为T时，amol的A消失生成了rmol的R和smol的S，反应的热量是环境传递给反应体系的，这是在反应前后相同的温度和压力下对体系测量的结果。

Withheatsofreactionknownorestimablefromthermochemicaldata,themagnitudeoftheheateffectsduringreactioncanbecalculated.

从热化学数据中可以得到或估算反应的热量，反应中产生的热量大小可以计算。

ThermodynamicsalsoallowscalculationoftheequilibriumconstantKfromthestandardfreeenergiesofthereactingmaterials.

热力学也可以从反应物的标准自由能来计算平衡常数。

Withtheequilibriumconstantknown,theexpectedmaximumattainableyieldoftheproductsofreactioncanbeestimated.

由于平衡常数已知，可以估算出反应中可以得到的预期产品的最大产量。

2.ChemicalKinetics

2.化学动力学

Underappropriateconditionsfeedmaterialsmaybetransformedintonewanddifferentmaterialswhichconstitutedifferentchemicalspecies.

适当的条件下，供给的材料可能转变为新的不同的材料，形成不同的化学物质。

Ifthisoccursonlybyrearrangementorredistributionoftheconstituentatomstoformnewmolecules,wesaythatachemicalreactionhasoccurred.

如果发生这种情况只是由于构成原子的重排或再分配，形成新的分子，我们就说一个化学反应已经发生了。

Chemistryisconcernedwiththestudyofsuchreactions.

化学关注的是这种反应的研究。

Itstudiesthemodeandmechanismofreactions,thephysicalandenergychangesinvolvedandtherateofformationofproduces.

它研究反应的模式和机制，反应中涉及的物质和能量的变化，及产品形成的速率。

Itisthelast-mentionedareaofinterest,chemicalkinetics,whichisofprimaryconcerntous.

这是最后提到的，我们感兴趣并且主要关心的领域，化学动力学。

Chemicalkineticssearchesforthefactorsthatinfluencetherateofreaction.

化学动力学寻找影响反应速率的因素。

Itmeasuresthisrateandproposesexplanationsforthevaluesfound.

化学动力学测量反应速率，并提出对已有数值的解释。

Forthechemicalengineerthekineticsofareactionmustbeknownifheistosatisfactorilydesignequipmenttoeffectthesereactionsonatechnicalscale.

对于化学工程师，如果他想设计出令人满意的设备在技术规模完成这些反应，就必须知道一个反应的动力学。

Ofcourse,ifthereactionisrapidenoughsothatthesystemisessentiallyatequilibrium,designisverymuchsimplified.

当然，如果反应足够迅速以至于体系基本上是平衡的，那么设计是非常简单的。

Kineticinformationisnotneeded,andthermodynamicinformationaloneissufficient.

不需要动力学的信息，仅凭热力学信息就足够了。

3.HomogeneousandHeterogeneousReactions

3.均相反应和非均相反应

Homogeneousreactionsarethoseinwhichthereactants,products,andanycatalystusedformonecontinuousphase:

gaseousorliquid.

均相反应的反应物，产物，和所用的催化剂形成一个连续相：

气相或液相。

Homogeneousgasphasereactorswillalwaysbeoperatedcontinuously;whereasliquidphasereactorsmaybebatchorcontinuous.

均匀的气相反应器将连续的运作；然而液相反应器可连续或间歇操作。

Tubular（pipe-line）reactorsarenormallyusedforhomogeneousgas-phasereactions;forexample,inthethermalcrackingofpetroleumcrudeoilfractionstoethylene,andthethermaldecompositionofdichloromethanetovinylchloride.

管式（管道）反应器通常用于均相气相反应；例如，在热裂解石油中，原油分裂为乙烯，二氯甲烷热分解为氯乙烯。

Bothtubularandstirredtankreactorsareusedforhomogeneousliquid-phasereactions.

管式反应器和搅拌斧式反应器都用于均相液相反应。

Inaheterogeneousreactiontwoormorephasesexist,andtheoverridingprobleminthereactordesignistopromotemasstransferbetweenthephases.Thepossiblecombinationsofphaseare:

在非均相反应中，存在两种或更多的相，在反应器设计中，最重要的问题是，提高相之间的传质。

可能的相结合是：

（i）Liquid-liquid:

immiscibleliquidphases;reactionssuchasthenitrationoftolueneorbenzenewithmixedacids,andemulsionpolymerizations.

（i）液体—液体：

不混溶的液相；例如甲苯或苯与酸混合的硝化反应，和乳胶的聚合反应。

（ii）Liquid-solid:

withone,ormore,liquidphasesincontactwithasolid.Thesolidmaybeareactantorcatalyst.

（ii）液体—固体：

一种或多种液相与固体接触。

固体可能是反应物或催化剂。

（iii）Liquid-solid-gas:

wherethesolidisnormallyacatalyst;suchasinthehydrogenationofamines,usingaslurryofplatinumonactivatedcarbonasacatalyst.

（iii）液体—固体—气体：

固体通常是催化剂；如胺类氢化中，使用活性炭上铂的悬浮液作为催化剂。

（iv）Gas-solid:

wherethesolidmaytakepartinthereactionoractasacatalyst.Thereductionofironoresinblastfurnacesandthecombustionofsolidfuelsareexampleswherethesolidisareactant.

（iv）气体—固体：

固体可能参与反应，或作为催化剂。

高炉中铁矿石的还原和固体燃料的氧化，都是固体作为反应物的例子。

（v）Gas-liquid:

wheretheliquidmaytakepartinthereactionoractasacatalyst.

（v）气体—液体：

液体可能参与反应，或作为催化剂。

4.ReactorGeometry（type）

4.反应器几何学（反应器的类型）

Thereactorsusedforestablishedprocessesareusuallycomplexdesignswhichhavebeendeveloped（haveevolved）overaperiodofyearstosuittherequirementsoftheprocess,andareuniquedesigns.

对于已建立的过程，反应器通常是复杂的设计，这些设计已经经过一段时间的发展，适应了过程的需要，是唯一的设计。

However,itisconvenienttoclassifyreactordesignsintothefollowingbroadcategories.

然而，把反应器的设计分成以下几大类是很方便的。

Stirredtankreactors

搅拌釜式反应器

Stirredtank（agitated）reactorsconsistofatankfittedwithamechanicalagitatorandacoolingjacketorcoils.

搅拌釜式（搅拌）反应器由装有机械搅拌器的釜体和冷却套管或线圈组成。

Theyareoperatedasbatchreactorsorcontinuously.Severalreactorsmaybeusedinseries.

他们即可间歇操作，又可连续操作。

几个反应器可以连续使用。

Thestirredtankreactorcanbeconsideredthebasicchemicalreactor,modelingonalargescaletheconventionallaboratoryflask.

搅拌釜式反应器被认为是基本的化学反应器，在较大的尺度上，模仿实验室常见的烧瓶。

Tanksizesrangefromafewtiterstoseveralthousandliters.

搅拌釜的尺寸从几升到几千升。

Theyareusedforhomogeneousandheterogeneousliquid-liquidandliquid-gasreactions;andforreactionsthatinvolvefinelysuspendedsolids,whichareheldbytheagitation.

它们应用在均相和非均相的液—液和液—气之间的反应；对于包含细微悬浮固体的反应，通过搅拌来保持它们反应。

Asthedegreeofagitationisunderthedesigner'scontrol,stirredtankreactorsareparticularlysuitableforreactionswheregoodmasstransferorheattransferisrequired.

由于搅拌的程度是由设计师来控制，搅拌釜式反应器特别适合的反应是，有好的传质或传热的反应。

Whenoperatedasacontinuousprocessthecompositioninthereactorisconstantandthesameastheproductstream,and,exceptforveryrapidreactions,thiswilllimittheconversionthatcanbeobtainedinonestage.

操作一个连续的过程时，同产品流一样，反应器中的合成物是不变的，除了非常快的反应以外，这将会限制可以在一个阶段获得的转化。

Thepowerrequirementsforagitationwilldependonthedegreeofagitationrequiredandwillrangefromabout0.2kW/msformoderatemixingto2kW/msforintensemixing.

搅拌功率的要求，将取决于搅拌所需的程度，从约0.2kW/ms的轻度混合到2kW/ms的强烈混合。