化学反应工程绪论.ppt

化学反应工程 孙萍 675457,Chemical Reaction Engineering,2023/10/31,要求：必修课平时成绩30%作业 出勤 实验期末成绩70%BB:化学反应工程 注册码：051052,学时：56+16,2011-6-19,2011年3月3日，全国政协十一届四次会议，再次提出了我国科技成果转化率不到20%，而发达国家高达70、80%。,化学反应工程,2023/10/31,工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程，又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相径庭。,与实验室规模反应不同：,2023/10/31,工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。,2023/10/31,从本质上说，物理过程不会改变化学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参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。,2023/10/31,化学反应工程,化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题,2023/10/31,2023/10/31,选用教材：化学反应工程，陈甘棠主编，化学工业出版社主要参考书：化学反应工程，朱炳辰主编，化学工业出版社 Chemical Reaction Engineering,by Levenspiel O.Elements of Chemical Reaction Engineeringby Scott Fogler,动力学方程,反应器类型,热量横算方程,动量横算方程,反应器体积,操作条件,化学反应工程,均相反应,非均相反应,动力学方程,物料衡算,热量衡算,动量横算,2023/10/31,1926年出生于上海，波兰裔美籍人，美国工程院院士，美国俄勒冈州立大学教授，华东理工大学名誉教授。毕业于华东理工大学前身之一的震旦大学化工系，后于美国俄勒冈州立大学获硕士学位，1952年获博士学位，留校任教25年。曾发表100余篇学术论文和会议报告，其中两篇已被列为“引文经典之作”。他曾被授予美国化学工程师学会1977年W.K.Lewis奖、1979年R.H.Wilhelm奖、2003年创始人和社会赋予的最高荣誉金奖。,2023/10/31,长期从事化学反应工程领域的研究，是世界著名化学反应工程学科领域的专家学者，国际著名的化学反应工程鼻祖，有化学反应器之父的著称。他著述的化学反应工程一书，被世界上十几个国家翻译出版，并作为本国大学化工类教材。,2023/10/31,2023/10/31,其核心内容是：,着重研究传递过程对化学反应速率的影响;,化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学；,研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系;对反应过程进行工程分析；制定合理的技术方案和操作条件；进行反应器或反应系统的设计及优化。,2023/10/31,课程目的：,一用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；,二实现反应过程的最优化；,四 开发新的反应技术和新的反应设备；,三改进和加强现有的反应技术和设备；,五不断发展反应工程学的理论和方法。,2023/10/31,（1）氰乙醇法1931年，美国罗姆哈斯公司开发成功氰乙醇水解制丙烯酸工艺，长时间是工业上唯一的生产方法。,丙烯酸生产,该技术反应过程中生成的聚合物多，丙烯酸收率低，仅为6070，且氰化物为剧毒，环境污染严重。采用该技术建成的生产装置已于20世纪50年代全部关闭。,2023/10/31,（2）乙炔羰化法和丙烯腈水解法1939年,德国人W.J.雷佩发明了乙炔羰化法制丙烯酸，1954年在美国建立了工业装置。与此同时还成功地开发了丙烯腈水解制丙烯酸工艺。由于反应进行缓慢，而且羰基镍分解挥发损失严重，再加上乙炔的分解以及乙炔与丙烯酸（酯）的聚合等原因，不利于生产。丙烯腈水解法:工艺成熟，但由于污染问题和成本问题，在国外已淘汰。我国仍有几家小厂采用此法生产丙烯酸。,2023/10/31,（3）烯酮法 烯酮法由于使用醋酸或丙酮为原料，且需要在较高温度下进行裂解，原料价格较贵，生产费用较高，-丙内酯已被公认是一种致癌物，Celanses公司已于1974年停止使用采用此技术的装置。（4）丙烯氧化法 自1969年美国联合碳化物公司建成以丙烯氧化法制丙烯酸工业装置后，各国相继采用此法进行生产。近年来，丙烯氧化法在催化剂和工艺方面进行了许多改进，已成为生产丙烯酸的主要方法。,2023/10/31,CH2=CHCOOH无色、具有腐蚀性和刺激性的液体。沸点140.9，与水互溶，聚合性很强。是近年来不饱和有机酸中产量增长最快的品种。工业上主要以丙烯为原料制得。用于树脂制造、合成橡胶乳液制造等领域。在精细化工领域占有相当重要的地位。,2023/10/31,第一章 绪论 1 化学反应工程的范畴和任务 2 化学反应过程分类 3 化学反应工程的研究方法 4 发展趋势,2023/10/31,第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未形成有规模的化学加工实践。,一、化学反应工程的范畴和任务,1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成,2023/10/31,生产硫酸,2023/10/31,第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。,1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成,Fritz Haber(1868-1934)生产规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了解，需要既懂工程又熟悉化学知识。促使工程与化学相结合,2023/10/31,20世纪初，英国的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”（unit operations）为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。第三阶段：现代化学工业(二战前后)，原料路线、技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合：即，从动量传递、热量传递、质量传递的角度深入研究化工生产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。,1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成,2023/10/31,美国Bird等编写了传递现象这部历史性的著作Transport Phenomena,1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成,2023/10/31,1、反应工程概念的提出,2023/10/31,1、反应工程概念的提出,萌芽阶段：1937年，丹克莱尔在实验数据十分贫乏的情况下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程的创立奠定了基础。（被认为是化学动力学发展到“工程技术”阶段的标志。）奠定基础。30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了单元操作和单元过程等概念。单元操作单元过程,一、化学反应工程的范畴和任务,流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。,磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。,2023/10/31,初步形成：1947年，出版了两本书:O.A.Hougan与K.M.Watson所著的Chemical Process Principles-化学过程原理的第三卷，专门讲述动力学与催化过程,以及法兰克-卡明涅斯基-化学动力学中的扩散与传热；40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作：流化床催化裂化-汽油 丁苯橡胶乳液聚合-（汽车）轮胎 曼哈顿计划-原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238）总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。,2023/10/31,五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着三传现象，必须将化学反应与三传同时结合起来加以考虑和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如返混，反应器稳定性，微观混合，伴有化学反应的传质等。推动了学科的发展。1957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会议。荷兰van Krevelen作首篇综合性报告：Micro-and Macro-Kinetics，提出化学反应工程的概念，意在系统深入地研究伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。正式提出了化学反应工程学的概念。,2023/10/31,成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单机化，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每四年举行一次。1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。70年代中期，反应工程向深度和广度发展，出现了关于g-l、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。1979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张有衡为团长）。,2023/10/31,新的契机：80年代后，随着高技术的发展和应用，如微电子器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化学反应工程工作者提出了新的研究课题，使化学反应工程形成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程等，扩大了化学反应工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究进入了一个新的阶段。1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。,2023/10/31,1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929)和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推动了我国化学工业的发展.合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅速发展,也带动了一系列化学工程基础理论工作,如化工热力学、化学工艺学、工业催化等。氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万多个配方,至今仍是催化界研究的方向。,我国化学工程与技术学科的发展中里程碑,2023/10/31,2、化学工程的主要研究内容,化学方法加工,原料的预处理,进行化学反应,反应产物分离与提纯,2023/10/31,化学反应工程,化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题,2023/10/31,AB,A,动量传递过程流动因素,2023/10/31,AB,A,热量传递过程传热因素,2023/10/31,质量传递过程传质因素,2023/10/31,R,边缘反应物浓度高中央反应物浓度低,此处反应较快,质量传递过程传质因素,动力学方程,反应器类型,热量横算方程,动量横算方程,反应器体积,操作条件,化学反应工程,均相反应,非均相反应,动力学方程,物料衡算,热量衡算,动量横算,2023/10/31,2023/10/31,工业反应的特点,物性庞杂多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体）温度,压力,粘度,重度,表面张力 变化幅度大非线性耦合物理,化学,生物学之间预测精度高生产规模大250万T/年1000万T/年 催化裂化（10m,H=70m)30万T/年100万T/年 乙烯裂解30万T/年 合成氨52万T/年 尿素100m3 300m3 聚合釜,120m长 循环管聚丙稀,3、化学反应工程的范畴和任务,2023/10/31,高低并列的提升管FCC装置,2023/10/31,南充炼厂FCC装置,2023/10/31,Grassroots FCC unit under construction in Mexico,Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler,2023/10/31,2023/10/31,2023/10/31,80万吨/年加氢裂化装置,2023/10/31,2023/10/31,2023/10/31,2023/10/31,45万吨/年乙烯裂解球罐,2023/10/31,化学工艺,反应器中流体流动、混合传热和传质,化学,催化剂,优化,工程控制,反应过程分析,工艺路线流程与设备,化学热力学与反应动力学,反应 过程动 态特性与 反应系统 测量和 控制,传递工程,3、化学反应工程的范畴和任务,2023/10/31,化学热力学确定物系的各种物性常数，讨论反应进行的 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率反应动力学阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 决定能否实际应用的关键所在，e.g.,方向和限度，平衡问题,2023/10/31,常压、低温合成氨 反应速率太慢而实际不可行 加入催化剂可以使其在适当的温度压力下 以显著速率进行反应,甲烷裂解制乙炔 1500乙炔极不稳定，似乎只能得到碳、氢 在极短时间内（0.001s）反应并淬冷到低温 就可以得到乙炔动力学问题所以，实际上起决定作用的往往是动力学因素,2023/10/31,反应器中流体流动、混合传热与传质影响反应速率的外因如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等“放大效应“产生的直接原因设备型式、操作方式和流程如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、操作方式（连续、分批）考虑经济上的合理性,2023/10/31,传递工程主要指“三传”，流体流动与物料混合情况，温度、浓度分步等都直接影响反应进程。工程控制本课程不具体涉及。,催化剂一般属于化学或工艺范畴。,2023/10/31,反应过程动态特性与反应系统测量和控制工业生产的必须条件，人为不能达到例如：对于一放热反应,进料温度高,反应速率快,温度升高,反应加快,温度过高,自动控温装置,2023/10/31,4、反应工程的任务,目标：单位设备容积净度大；目的产物单一性大；安全,稳定核心 复杂系统的工程放大,改进和强化现有反应技术和设备，挖掘潜力、降低消耗、提高效能。开发新技术和设备。指导和解决反应过程开发中的放大问题。实现反应过程的最优化。不断发展反应工程学的理论和方法。,2023/10/31,反应机理 单一、多重（平行，连串，平行连串）反应可逆性 可逆、不可逆反应分子数 单分子、双分子、三分子反应级数 一级、二级、三级、零级、分数反应热效应 吸热、放热,二、化学反应工程内容的分类和编排,按化学反应的特性分类,2023/10/31,按反应物相态分类,2023/10/31,按反应过程条件分类按传热条件分类，分为1 等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。2 绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。3 非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。压力 常压、加压、减压按反应器型式来分类，分为1 管式反应器，一般长径比大于302 槽式反应器，一般高径比为133 塔式反应器，一般高径比在330之间,2023/10/31,二、化学反应工程内容的分类和编排,按操作方式分类间歇操作连续操作半连续操作,按反应器除热方式分类绝热式,2023/10/31,间歇操作（分批操作）-间歇反应器（BR）,反应原料一次性加入到反应器后开始反应，经一段时间后将反应混合物全部取出的操作方式，多在釜式反应器中进行。,2023/10/31,特点：1）是一个非定态反应过程。反应器内物料组成随时间而变。2）没有物料流入，也没有物料流出，因此不存在物料流动。3）整个反应过程都是在恒容下进行的。4）反应器几乎都是釜式反应器。5）适用于品种多、批量小的产品。如医药工业。,2023/10/31,原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从反应器中流出。（连续进，连续出）所有反应器均可采用连续操作。管式反应器都采用连续操作。,2.1.2 连续操作连续反应器（流动反应器）,2023/10/31,特点：1）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及温度都不随时间变化,但随位置而变。2）连续反应器适用于大规模生产。它产品质量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改变产品品种十分困难。,对乙烯、尿素等产量大的反应过程，工业上一般多采用连续操作。这是由于连续操作的反应器内各点温度和浓度不随时间变化，容易实现自动化控制且得到质量稳定的产品。而且，连续操作中无需进行人工加入原料和取出产品作业，可节省人工费用。,2023/10/31,介于间歇和连续之间的一种操作。原料与产物只要其中有一种为连续流入或流出，而其余则为分批加入或卸出，这样的操作方式半连续操作。管式釜式均可。,2.1.3 半连续(半间歇)操作,2023/10/31,对精细化学品和药物的生产，由于产品的产量小、品种多，一般采用间歇或半连续操作。另外，对于发酵等微生物参与的生物化工过程，因无菌操作在连续操作时很难实现，一般采用间歇或半连续操作,2023/10/31,自热式,冷激式,T,相变式,T,间壁换热式,2023/10/31,重油的催化裂化流化床反应器,2023/10/31,搅拌釜式反应器,2023/10/31,邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器,2023/10/31,乙苯加氢气液塔式反应器,2023/10/31,轻油裂解制乙烯管式非催化反应器,2023/10/31,2.2 工业反应器的种类,现代大型化工厂的外貌特征：厂房毗连，设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和管道交错复杂。其中，化学反应器是化工厂的核心设备。用来实现化学变化的设备反应器按反应物料的相态进行分类，可有均相反应器和非均相反应器两大类。按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。常见的有：塔式、管式、釜式等,表1-1例举了一般反应器的型式与特性,2023/10/31,上节回顾研究内容分类按反应器型式来分类，分为按操作方式分类按传热条件分类，分为等温、绝热、非等温、非绝热反应器按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为,1 管式反应器，一般长径比大于302 槽式反应器，一般高径比为133 塔式反应器，一般高径比在330之间,间歇操作、连续操作、半连续操作,平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。,2023/10/31,操作方式,间歇，连续，半连续,反应原料一次性加入到反应器后开始反应，经一段时间后将反应混合物全部取出的操作方式，多在釜式反应器中进行。,反应原料从反应器的入口处连续供给，在出口处连续取出产品的操作方式。管式反应器都采用连续操作。,介于间歇和连续之间的一种操作。如将反应原料之一的组分先加进反应器，然后将另一组分连续或按一定时间或位置间隔加入反应器。对先加进的反应组分而言是间歇操作，但对后一组分而言就是连续操作，因而称半连续操作。管式釜式均可。,2023/10/31,2.3 工业化学反应器的分类,2023/10/31,特征：长度管径。内部是空的，不设置任何构件。多用于均相反应。如裂解炉。,2.3.1 管式反应器,2023/10/31,用来实现化学变化的设备过程工业中的核心装置，其性能对生产过程的影响举足轻重。裂解炉搅拌釜式反应器多釜串联反应器气液相塔式反应器固定床反应器流化床反应器气液固三相反应器,釜式反应器,2023/10/31,又称反应釜，搅拌反应器,特征:反应器高度与直径相当或稍高。釜内设有搅拌装置和挡板。常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。适用于液相均相反应、气液反应、液液反应、液固反应、气液固三相反应。,2.3.2 釜式反应器,2023/10/31,2.3.2 釜式反应器,2023/10/31,各种 搅拌桨的形式,2.3.2 釜式反应器,2023/10/31,搅拌釜的各种换热形式,2.3.2 釜式反应器,2023/10/31,釜式反应器,2023/10/31,特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。,2.3.3 塔式反应器,2023/10/31,无论哪一种塔式反应器，两种流体可以成逆流，也可以并流操作,塔式反应器,2023/10/31,环流反应器,2.3.3 塔式反应器,2023/10/31,特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。可以是催化剂，也可以是固体反应物。适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。,根据换热方式不同,可分为三种型式：(1)换热式固定床反应器 结构型式类似于列管式换热器。管内装填催化剂，反应物料自上而下通过床层；管间为载热体，与管内物料进行换热，以维持所需的温度条件。,列管式固定床反应器,固定床反应器,2023/10/31,(2)绝热式固定床反应器床层与外界没有热量交换。结构简单，造价低廉，但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应。重要过程：丙烯氧化制丙烯酸乙炔HCl制氯乙烯乙烯环氧化制环氧乙烷烃类加氢乙苯脱氢制苯乙烯煤气化,绝热式固定床反应器,固定床反应器,2023/10/31,2.3.4 固定床反应器,(3)自热式固定床反应器以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所需的温度，然后进入床层进行反应。使用前提：放热反应，热量大致平衡。,自热式固定床反应器,2023/10/31,特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。适用于气固，液固，气液固反应。如：催化剂快速失活需立即再生的：催化裂化装置 强放热反应：丙烯氨氧化，萘氧化，丁烯氧化脱氢 固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧，石灰石的煅烧等,2.3.5 流化床反应器,2023/10/31,流化床反应器,2023/10/31,2023/10/31,特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒成逆流接触。适用：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。,2.3.6 移动床反应器,2023/10/31,特征：反应器内催化剂也是固定不动的。广义上的固定床反应器。适用：液固及气液固三相反应。如石油馏份加氢精制、脱硫等。优点：液体不需要加热变成气体，节省能源。,2.3.7 滴流床反应器,2023/10/31,+简单+传质好(射流入口)+低剪切(气升式)+短扩散距离低催化剂空速高返混-中等传热能力,2.3.8 鼓泡塔反应器,2023/10/31,2023/10/31,环管反应器,2023/10/31,三、反应工程的研究方法,（一）反应器的放大分类：经验放大，相似放大，模型放大，半经验放大方法3.1.1 经验放大：按照规模逐级放大，对于放大倍数较大的过程，中试需多次试验。优点：设计参数安全可靠，放大成功率高。缺点：费时、耗资、耗材结果：浪费大量资源且延迟技术的实现。,2023/10/31,如果放大倍数很大，又无把握时，往往还要进行多次规模不同的中试。因此逐级经验放大既费事又费钱。放大的主要依据是实验，是每种规模的宏观实验结果，是经验性的，难以做到高倍数放大。,3.1.1 经验放大法,案例1：用异丙苯为原料生产苯酚和丙酮。采用逐级经验放大法对过氧化氢异丙苯分解反应器进行放大。第一步反应：异丙苯氧化生成过氧化氢异丙苯。第二步反应：过氧化氢异丙苯用硫酸作催化剂在液相中分解生 成苯酚和丙酮。苯酚和丙酮的收率取决于第二步反应，分解反应为一级不可 逆反应。,2023/10/31,2023/10/31,（1）反应器选型液相反应：釜式反应器和管式反应器均可使用 实验结果：管式转化率：98.8%釜式转化率：97.8%，同时考虑 间歇操作搅拌釜：辅助时间降低反应器容积效率。选用PFR反应器,2023/10/31,（2）工艺条件优化反应器：直径为40mm，长为1202mm，体积为1.51L 实验：考察反应物浓度、反应温度、催化剂浓度、流量对反应 实验 结果的影响。结果：过氧化氢异丙苯分解速率随反应物浓度、反应温度、催 结果 化剂浓度的提高而加快；但为保证一定的转化率，流量不能太 大。结论：反应物浓度：3.2kmolm-3 反应温度：359K 硫酸浓度：6N 反应物料流量：0.1m3h-1过氧化氢异丙苯的转化率为98.8%。,2023/10/31,（3）反应器放大直径为40mm，长1712mm，体积为2.15L的反应器，转化率为99.8%。（反应器体积增加30%，反应转化率今提高1%）按比例放大至10L，流量为0.464m3h-1，转化率为 99.8%。结论：片面追求转化率并不妥当，反应器放大设计以 转化率达到98.8%的要求计算。,2023/10/31,（4）反应器设计生产要求每小时处理过氧化氢异丙苯浓度为3.2kmolm-3的反应物料3m3，确定反应器体积。试验考察未发现放大效应，采用经验放大时，保持反应器 几何相似，用外推法按比例放大。方案一：反应转化率98.8%，以1.5L模型为基准，反应器体积为45.3L。方案二：反应转化率99.8%，以2.15L模型为基准，反应器体积为64.5L。,2023/10/31,2023/10/31,3.1.2 相似放大：在化学工程学科中处理物理过程的单元操作时普遍采用。基于某种相似状态（几何形状、流动状态、传递特性等）进行放大的方法。因为这些状态常用准数描述，又称准数放大。但是对于化学反应器而言，反应的化学相似和反应器的几何相似及时间相似不能同时满足所以只适合物理过程的单元设备放大，不适用反应器的放大,2023/10/31,模型放大用数学方法来描述工业反应器中各参数之间的关系的方法，是60年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。认识化学反应的过程本质的基础上，先建立物理模型，再建立数学模型，最后以数学模型为基础进行反应器的设计计算。理论上可以无限级放大。模型放大的成败在于所建立的模型能否正确的反应反应过程的规律。化学反应工程的主要研究内容物理模型和数学模型的建立,2023/10/31,步骤：1)实验室规模实验：新产品的合成、新型cat.的开发、反应动力学。侧重过程的化学反应，属于基础性工作。2)小型试验：仍属于实验室规模，但比上一步大，且反应器结构大体上与将来工业装置相接近。如采用列管式固定床反应器时，可采用单管试验。目的：考察物理过程对化学反应的影响，工业原料的影响等等。,（a）数学模型方法,2023/10/31,3)大型冷模试验：用空气，水，砂（废催化剂）代替反应原料中的（g-l-s三相）；用玻璃，有机玻璃等代替钢材。目的：考察传递过程规律。因为化学反应过程总是受到传递过程的影响，而传递过程的影响总是随着设备规模的改变而改变。4)中试：不但规模增大，且在流程与设备形式上都与生产车间十分接近。目的：(1)对数学模型进行检验与修正。为设计大厂提供有用的信息。(2)对催化剂的寿命，活性，设备的腐蚀情况等进行考察。（因为这些项目的考察往往要经历很长的时间。）5)计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完成大型反应器的设计。,（a）数学模型方法,2023/10/31,数学模型法应用实例：对于某些具体反应也许不需要经过那么多个实验阶段。如美国Goodrich公司，用丙烯二聚生产异戊二烯，没有经过中试，直接由小试结果放大而成，放大倍数高达17000倍。产品性能、质量与小试结果相似。德国鲁奇(Lurge)公司用低压法合成甲醇，4000t/a，开车两天后就达到了正常运转，从小试到中试到建立最终的工业规模装置生产，只用了三年时间，而一般经验放大法需十年或更长时间。,（a）数学模型方法,2023/10/31,（b）数学模型的建立,用数学方式来模拟工业反应过程，由于实际情况往往非常复杂，一方面由于对某些过程还不能全部的观测和了解，另一方面由于数学知识和计算手段的限制，用数学模型来完整地、定量地反映失误的全貌还不能实现，因此对反应过程进行归纳和简化是十分必要的。基础：数学模型分析，抽象，简化 物理模型，数学模型实验，数据处理 模型参数,充分认识客观对象的基础上抽象和提取其主要特征,在物理模型的基础上建立的各特征量之间的数学关系,抽象简化的要求：（1）不失真（3）适应现有的实验条件（2）满足应用要求（4）适应现有的计算能力,2023/10/31,明确任务,计算机,建立数学模型,实际应用,解算数学模型,检验数学模型,计算机,数学模拟放大示意图,2023/10/31,（b）数学模型的建立,建立数学模型,参数计算式,动力学方程式,物料、热量、动量衡算式,求解数学模型的计算方法,计算机软件的实现及计算结果,2023/10/31,反应动力学方程：反应器模型的核心，确定反应器结构的参数和操作条件的基础，也是分析反应器操作性能的依据。对于工业反应器的设计和分析而言，重要的不仅是本征动力学关系，更应该掌握能反映传递因素对反应速率影响的宏观动力学关系。,2023/10/31,物料衡算方程：质量守恒定律基础上描述反应系统中物料关系的数学方程。与其它化工单元不同，反应器的物料衡算关系应该反映参与反应的各组分的物料量的变化，即增加了反应量一项。通式：,A=I-O-R,2023/10/31,热量衡算方程式：在质量与能量守恒基础上描述反应系统中热量转移关系的数学方程。通式和物料衡算方程式一样。,2023/10/31,动量衡算方程：反映系统中的动量变化。对大多反应器而言，由于反应前后压力差较小，一般忽略不计，因而不列动量衡算式。,2023/10/31,参数计算式：设计反应器需要大量的物性参数和传递参数，这些参数往往是温度或物料的函数。计算时，特别是进行计算机辅助计算时，应能够提供相应的参数关联式。有时需要在文献上查取有时需要进行必要的实验测定来建立相应的函数关系,2023/10/31,基础试验测定,拟定过程模型,用计算机做方案研究,制定模型测试方法及参数范围,小试,中试,比较测试结果与模型计算结果,模型的放大 试验,修正基础模型,用计算机做多方案及优化设计计算,过程的基本设计,数学模拟放大示意图,2023/10/31,逐级经验放大法+数学模型方法,3.1.4 半经验放大方法,2023/10/31,2、试验的方法,设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定,无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数,数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用,本科生教材并未涉及分布等部件的设计和工程问题,2023/10/31,思考案例2：用数学模型法开发与案例1相同的由过氧化氢异丙苯 分解生成苯酚和丙酮的反应过程，当硫酸浓度为6N，在 359K 等温条件下每小时分解浓度为3.2kmolm-3 的过氧化 氢异丙苯溶液3m3，要求转化率达到99.8%，计算反应器体 积。（等温、恒容均液相催化分解反应、不可逆一级反应）,2023/10/31,（1）化学反应特征：等温、恒容均液相催化分解反应 不可逆一级反应：rA=kC A=kC A0(1 x A)k=0.08s 1（2）传递过程特征根据等温、恒容均液相反应过程特征，选用长 径比较大（l/d=3040）的连续流动管式反应器。物料的黏度较小，通过反应器的流量较大 平推流。（3m3h-1），物料在反应器内流动为平推流（3）数学模型采用平推流反应器的计算公式V=v0 1 ln k 1 xA,2023/10/31,（4）计算转化率为98.8%时，V=3 1 ln=0.0461m3 3600 0.08 1 0.988转化率为99.8%时，V=3 1 ln=0.0647m 3 3600 0.08 1 0.998,2023/10/31,四、反应工程的现状及发展趋势,对本学科的深入研究 解决传统研究领域的问题 也有助于形成一些新兴的课题 推动其他相关学科的发展,研究方法的不断完善,近年来，国内外学术界倡导物质转化过程中的时空多尺度效应。纳尺度即分子化学键震动的纳秒尺度及纳米尺度；微尺度即流体力学和传递中的滴、粒、泡、漩涡运动的微尺度。介尺度即反应器、换热器、分离器、泵等反应和单元操作的装置。宏尺度即生产单元和工厂。宇尺度即环境、大气、海洋、土壤。,以管式催化反应器中气固相催化反应为例反应物与催化剂载体上所负载的活性组分间的分子反应属于纳秒及纳米尺度；反应组分在催化剂颗粒孔道内的扩散属于微尺度；反应组分连续流过长达数米的反应管的停留时间一般为10-103s,属于介尺度；反应器及有关原料和产物分离的装备组合成的生产单元和工厂属于宏尺度；而生产过程的污染经历长时间才能消除属于宇尺度。,2023/10/31,2023/10/31,与新兴领域的互相渗透 在解决石油加工中多组分反应物系处理方法时，发展了集总动力学处理方法，这一方法反过来又可用于处理生物反应过程。在向材料工业渗透过程中，出现了将化学反应工程原理用于聚合过程的聚合反应工程，对于高粘物系传递特性的研究则有了实际应用的课题。随着生物技术的进展,出现了生物化学工程,以解决生物反应器和生物制剂分离等问题，如超过滤技术等。,2023/10/31,反应工程用于产品分离,用于净化原料,用于能源过程,生态工业组合,2023/10/31,反应工程用于产品分离,分离,(叔丁醇),2023/10/31,b：,高纯硅生产,2023/10/31,反应用于净化原料,（微量）,加氢,氧化,银催化剂,2023/10/31,生态工业组合,磷肥生产,磷石膏分解,硫酸生产,CaO,2023/10/31,低能耗制H2,H2,700-7500c,500-6000c,550-6500c,1,2,3,4,200-3000c,+,2023/10/31,在距热电厂300米外安排一个印染厂。印染厂染色最需要的是热汽，且热汽温度比较高而通过管道输送会降低温度，所以与热电厂的距离不能太远。另外，印染厂在染色的过程中会产生大量含碱的废水，而热电厂在燃烧煤的过程中会产生大量含二氧化硫的废烟，这种废水、废烟都是有害体，不经过处理会严重污染环境。通过在两个厂之间安装管道，废水与废烟同时都流向这个共用管道，使其产生化学中和反应，废烟经过反应除去了二氧化硫成为无害白色汽体，同时废水中的碱性也降低了许多。在夏季用电高峰，许多企业因停电而停产，但该厂不仅满足了企业的工业用电，而且满足了职工的生活用电。由于对电能源合理组合及合理利用热汽能源，该热电厂每天给全集团供热汽1200吨左右，印染厂用热汽染色，服装厂用热汽熨烫，集团内所有的服装企业、橡胶企业都充分利用热汽，连集团内的餐厅、浴室等基础设施也充分利用热汽。,2023/10/31,学科的纵深方向 为了深入掌握过程的规律，对化学工程中经常遇到的多相物系、高粘度流体和非牛顿型流体的传递规律进行深入系统研究。这些研究不但有利于解决传统研究领域的问题，也有助于了解诸如人体内血液流动等新兴课题。对反应过程中多重定常稳定态问题的研究，既是反应器设计和操作的需要，也是从另一侧面对非线性系统稳定性问题研究所作的贡献。为了使大型装置的设计更为迅速可靠，研究了各种物系物性参数、热力学参数与热化学参数以及相平衡与化学平衡数据，推动了化工热力学研究进一步与实际的结合。在研究方法方面，数学模型方法不断完善，与之相配合的是，以统计理论和信息论为基础的实验设计、数据处理、模型的筛选和鉴别以及模型参数估计等方法。为了进行过程的模拟及多方案计算，发展了多种计算机模拟系统，建立了模型库和数据库，并从定态模拟发展到为过程控制所需要的动态模拟。,2023/10/31,向新领域的渗透这是客观需要，也是学科发展的动力。在历史上，化学工程就在各种新过程的开发和优化，在无机化工和石油化工等装置大型化的推动下得到发展，如大型径向固定床反应器和催化裂化用流化床反应器的开发技术。在解决石油