化學(xué)反應(yīng)工程與工藝基礎(chǔ)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,化學(xué)反應(yīng)工程與工藝基礎(chǔ),主講教師：靳海波,工作單位：化工學(xué)院化工系,辦公地點(diǎn)：,3#-215,（答疑地點(diǎn)）,答疑時(shí)間：？,成績評定：,平時(shí)占,20%,（作業(yè),+,考勤），期末占,80%,主要參考書：,1,、精細(xì)化工反應(yīng)工程基礎(chǔ)講義,2,、王軍,反應(yīng)工程,大連理工大學(xué)出版社，,2004,3,、朱炳辰,化學(xué)反應(yīng)工程,，化學(xué)工業(yè)出版社，,2001,年,4,、,Octave,Levenspiel,Chemical Reaction Engineering,2002,化學(xué)工業(yè)出版社（第一版）,要求,作業(yè)：按時(shí)完成，占,15%,紀(jì)律：出席、課堂，占,5%,精細(xì)化工的特點(diǎn),精細(xì)化工是以高新技術(shù)為基礎(chǔ)，以市場為導(dǎo)向，以產(chǎn)品具有特定功能、附加值高、小批量、多品種、系列化為特點(diǎn)的化學(xué)工業(yè),化學(xué)工業(yè)是高技術(shù)密集工業(yè)，精細(xì)化工又是化學(xué)工業(yè)中的高技術(shù)密集工業(yè)。,日本曾做過這方面的分析，以機(jī)械制造工業(yè)的技術(shù)密集指數(shù)為,100,，則化學(xué)工業(yè)為,248,，精細(xì)化工中的醫(yī)藥和涂料的指數(shù)分別為,340,和,279,精細(xì)化工技術(shù)密集的原因在于技術(shù)開發(fā)的成功率較低，時(shí)間長，費(fèi)用高。,精細(xì)化工的特點(diǎn),精細(xì)化學(xué)品的多樣化、小批量反映在生產(chǎn)上即為經(jīng)常更新品種,精細(xì)化學(xué)品的制備多為液相反應(yīng)過程，主要采用間歇的生產(chǎn)方式。,為適應(yīng)精細(xì)化工生產(chǎn)的特點(diǎn)，企業(yè)必須具有依據(jù)市場需求調(diào)節(jié)生產(chǎn)能力和品種的靈活性。,發(fā)達(dá)國家在,20,世紀(jì),50,年代末開始摒棄單一產(chǎn)品、單一流程、裝置單一功能的落后的生產(chǎn)方式，廣泛采用多品種的綜合生產(chǎn)流程和多用途、多功能的生產(chǎn)裝置，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。,20,世紀(jì),80,年代從單一產(chǎn)品、單一流程、單元操作的生產(chǎn)裝置向“柔性”系統(tǒng)發(fā)展。,精細(xì)化工的特點(diǎn),多品種,染料品種有,5232,個(gè)，其中已公布化學(xué)結(jié)構(gòu)的有,1536,個(gè)。表面活性劑，國外有,5000,多個(gè)品種，日本三洋化學(xué)工業(yè)公司就生產(chǎn),1500,種,化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜,常常是復(fù)雜反應(yīng)，如平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)、可逆反應(yīng)、鏈反應(yīng)等。一個(gè)反應(yīng)有時(shí)生成多種異構(gòu)物，生成主產(chǎn)物的同時(shí)還伴隨有副產(chǎn)物生成,反應(yīng)物料相態(tài)多樣化,在精細(xì)化工生產(chǎn)中，較少遇見均相物料體系，經(jīng)常是非均相物料體系,反應(yīng)介質(zhì)腐蝕性強(qiáng),高技術(shù)密集度,精細(xì)化學(xué)品是以商品的綜合功能出現(xiàn)的,技術(shù)開發(fā)成功率低、時(shí)間長、費(fèi)用高,精細(xì)化工與化學(xué)反應(yīng)工程的關(guān)系,美國,20,世紀(jì),60,年代開發(fā)出一種有價(jià)值的精細(xì)化工產(chǎn)品的平均時(shí)間為,5,年，耗資,300,萬一,500,萬美元。而現(xiàn)在開發(fā)出一種有價(jià)值的精細(xì)化工產(chǎn)品的平均時(shí)間則需,10,12,年的時(shí)間，品種的開發(fā)、研制工作仍是當(dāng)今世界各國，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家發(fā)展精細(xì)化工的主題。,精細(xì)化學(xué)品的制備是在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行和完成的，因此作為精細(xì)化工產(chǎn)品的開發(fā)首先了解化學(xué)反應(yīng)工程的知識。,必須考慮流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱等化學(xué)過程和物理過程對精細(xì)化工過程的影響。,與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)直接相關(guān)的,3,個(gè)重要的物理量為溫度、濃度和時(shí)間。,反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布、濃度分布和停留時(shí)間分布，對化學(xué)反應(yīng)過程的實(shí)現(xiàn)起著決定性的作用。,新產(chǎn)品研發(fā)過程在很大程度上是反應(yīng)器的研究過程，通過對溫度、濃度和停留時(shí)間的控制，使生產(chǎn)工藝得以實(shí)現(xiàn)，使產(chǎn)品的質(zhì)量得以保證，使產(chǎn)物的產(chǎn)率得以提高。,因此，從本質(zhì)上對化學(xué)過程和化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，必須把混合、傳質(zhì)、傳熱等物理過程和化學(xué)反應(yīng)過程統(tǒng)一起來進(jìn)行研究，才能把精細(xì)化學(xué)品的研究成果放大到工業(yè)生產(chǎn)所需要的規(guī)模，這是從事工程科學(xué)研究需要解決的重要任務(wù)。,物理處理,過程,物理處理,過程,化學(xué)反應(yīng),過程,原料,產(chǎn)品,循環(huán)物流,典型的化工過程,單元,操作,單元,操作,過程之,核心,1.1,化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的范疇與任務(wù),1,、化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展概述,最初主要依靠經(jīng)驗(yàn),(Experiences),，,形成技藝,(Techniques),；,然后去解決化學(xué)反應(yīng)工程放大,(Scale up),問題；,化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)反應(yīng)工程學(xué)科發(fā)展；先有單元操作,(Unit operations),，,后有反應(yīng)工程學(xué)科分支；,系統(tǒng)工程學(xué)科的發(fā)展要求反應(yīng)技術(shù)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面能適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化目標(biāo)；,非,線性的復(fù)雜因素關(guān)聯(lián)導(dǎo)致出現(xiàn)反應(yīng)工程的分支,2,、化學(xué)反應(yīng)工程的范疇與任務(wù),化學(xué)反應(yīng)工程：,研究化學(xué)反應(yīng)工程問題的學(xué)科。,化學(xué)反應(yīng)工程研究對象,：,化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)器的工程問題，將化學(xué)反應(yīng)特性,(characteristics of chemical reaction),與反應(yīng)器裝置特性兩者結(jié)合起來形成的學(xué)科體系。,化學(xué)反應(yīng)工程研究內(nèi)容包括范圍：,化學(xué)工藝：,化學(xué)熱力學(xué),(thermodynamics),、,化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),(chemical kinetics),，,催化劑,(catalysts),制備工藝及反應(yīng)條件；確定反應(yīng)工藝路線、流程與設(shè)備。,傳遞工程：,反應(yīng)器中流體流動(dòng),(fluid mechanics),、,混合,(mix),、,傳熱,(heat transfer),、,傳質(zhì),(mass transfer),；,系統(tǒng)工程：,反應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)特性與反應(yīng)系統(tǒng)的控制及相關(guān)的最優(yōu)化問題；,化學(xué)反應(yīng)工程與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系：,化學(xué)熱力學(xué)：,確定物系的各種物性常數(shù)，反應(yīng)的可行性及可能達(dá)到的程度。,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：,反應(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)及操作方式選擇都依賴于對反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性,(characteristics of reaction kinetics),的認(rèn)識。,例如：,裂解制乙烯；,乙烯氧化制環(huán)氧乙烷；,合成氨催化劑的開發(fā)等。,傳遞工程：,流動(dòng)與混合直接影響溫度與濃度分布，最終影響離開裝置物料的組成。裝置中的“三傳”是極其復(fù)雜的，規(guī)模放大時(shí)的“三傳”也隨之發(fā)生變化，即出現(xiàn),“,放大效應(yīng),”,，因此要解決好裝置的放大效應(yīng)，就必須對反應(yīng)器內(nèi)流體的三傳（傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞）有一個(gè)十分清晰的認(rèn)識。,系統(tǒng)工程：,對反應(yīng)裝置是最優(yōu)化的條件不一定就是整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化，這時(shí)反應(yīng)裝置也就只能服從系統(tǒng)最優(yōu)化目標(biāo)，為此必須了解反應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)特征及相關(guān)的最優(yōu)化問題。,化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)：,研究工業(yè)化學(xué)反應(yīng)器的基本原理和對反應(yīng)器中所進(jìn)行反應(yīng)過程進(jìn)行分析。結(jié)合具體的反應(yīng)裝置，運(yùn)用物理學(xué)、化學(xué)及工程學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的基本原理與定律，綜合研究反應(yīng)器中的反應(yīng)過程與傳遞過程，從而能夠正確選定反應(yīng)器的的最合適的型式和最經(jīng)濟(jì)的化學(xué)工藝路線及操作條件。對反應(yīng)器進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)和最佳控制，為過程開發(fā)和反應(yīng)器的放大提供依據(jù)。概括的說，,化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)就是使化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一門技術(shù)科學(xué),。,1.2,化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本方法,化學(xué)反應(yīng)工程研究方法：,模型方法（,Modelling,Method),。,模型方法：,是用數(shù)學(xué)模型來分析和研究化學(xué)反應(yīng)工程問題。,數(shù)學(xué)模型（,Mathematical Model),：,用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)過程中各種變量之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型的建立應(yīng)從,應(yīng)用的角度著眼,，使之,適用,和,能用,，而,不是力圖將過程中的一切關(guān)系不分主次地羅列出來,。,數(shù)學(xué)模型的分類：,機(jī)理模型,(Experience Model)-,從過程機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)得到的；,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?(Mechanism Model)-,從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得到的。,化學(xué)反應(yīng)工程中的數(shù)學(xué)模型：,動(dòng)力學(xué)方程式,(Chemical Reaction Kinetics Equation),物料衡算式,(Material Equilibrium Equation),熱量衡算式,(Energy Equilibrium Equation),動(dòng)量衡算式,(Momentum Equilibrium Equation),參數(shù)計(jì)算式,(Parameter Equation),模型的檢驗(yàn)：,必要性，工業(yè)反應(yīng)器規(guī)模變化時(shí)，不僅產(chǎn)生量的變化，而且產(chǎn)生質(zhì)的變化，這樣一定規(guī)模的實(shí)驗(yàn)得到的模型可能不適用，必須修正；,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦^程，需要做不同規(guī)模的反應(yīng)器試驗(yàn)，反復(fù)將模型進(jìn)行檢驗(yàn)，不斷修正。可以用下圖表示：,動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)：,描述過程反應(yīng)速率快慢的數(shù)學(xué)模型。一般均在實(shí)驗(yàn)室的小裝置中進(jìn)行，提供最基礎(chǔ)的資料。,傳遞過程模型數(shù)據(jù)：,依靠實(shí)驗(yàn)求取，特別是大型冷模裝置，當(dāng)然有生產(chǎn)裝置的數(shù)據(jù)可用就更好了。,寫出并整理數(shù)學(xué)模型：,包括物料衡算式、熱量衡算式、動(dòng)量衡算式。,一般原則：,累積量,(Accumulation)=,輸入量,(Input) ,輸出量,(Output),將物料衡算式、熱量衡算式、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式,結(jié)合相關(guān)的參數(shù)計(jì)算式,聯(lián)立求解,結(jié)果就給出了反應(yīng)裝置的,濃度分布與溫度分布,從而回答了,反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的最基本問題,反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)過程,化學(xué)反應(yīng)工程是從形形色色的化學(xué)反應(yīng)工藝過程中抽出其共性問題，形成的學(xué)科內(nèi)容，而反應(yīng)技術(shù)是指以反應(yīng)器為中心的直接有關(guān)部分的技術(shù)情況,(1),反應(yīng)器型式的選擇；,(2),反應(yīng)條件的確定和保證這些條件的技術(shù)措施；,(3),反應(yīng)器工藝尺寸及結(jié)構(gòu)的確定；,(4),反應(yīng)裝置的最優(yōu)化。,反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)過程,開發(fā)步驟,實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究,預(yù)設(shè)計(jì)及評價(jià),中間廠試驗(yàn),工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)及評價(jià),工業(yè)化生產(chǎn)與大型化,反應(yīng)過程的放大方法,(1),依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行放大，只能知其然而不知其所以然。,(2),相似放大的方法，則只對物理過程有效，對于同時(shí)兼有物理作用和化學(xué)作用的反應(yīng)過程來說，既保持物理相似，又保持化學(xué)相似一般是做不到的。,(3),半經(jīng)驗(yàn)、半理論的部分解析法主要是人們的認(rèn)識還有不足，還不能理想地做出過程的模型，只能搞一些局部的或較粗的模型，并輔之以比較適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)成分來解決問題。,(4),數(shù)學(xué)模擬放大的方法是目前認(rèn)為比較科學(xué)的方法，它把生產(chǎn)技術(shù)建立在較高的技術(shù)水平之上。,1.3,化學(xué)反應(yīng)器的操作方式和結(jié)構(gòu)類型,按操作方法分類：,分批（或間歇）式操作（,Batch operation),：,物料濃度及反應(yīng)速率都在不斷改變，是一種非定常態(tài)過程。工程放大問題比較簡單（相似放大），生產(chǎn)彈性大，操作靈活。,連續(xù)式操作,(Continuum operation),：,適用于產(chǎn)量較大、生產(chǎn)品種單一的情況。,半分批（或半連續(xù)）式操作：,按反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)分類：,大致可分為：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等類型。 要結(jié)合反應(yīng)特性及裝置特性進(jìn)行選型。,按反應(yīng)相態(tài)分類：,均相,(Homogeneous systems),：,氣相、液相；,非均相,(Heterogeneous systems),：,氣液、液液、氣固、液固、固固、氣液固。,常用工業(yè)反應(yīng)器類型,均相管式反應(yīng)器,管式反應(yīng)器是工業(yè)生產(chǎn)中常用的反應(yīng)器類型之一。它大多采用長徑比很大的圓形空管構(gòu)成，因而得名“管式反應(yīng)器”。常用于氣相反應(yīng)，亦用于液相反應(yīng)。,釜式攪拌反應(yīng)器,釜式攪拌反應(yīng)器是另一類應(yīng)用廣泛的反應(yīng)器。其形狀特征是高徑比要比管式反應(yīng)器小得多，因而成“釜”狀或“鍋”狀。釜式反應(yīng)器一定型式的攪拌槳葉以使釜內(nèi)的物料混合均勻。多用于液相反應(yīng)。,固定床反應(yīng)器,固定床反應(yīng)器是用來進(jìn)行氣固催化反應(yīng)的典型設(shè)備。反應(yīng)器中，催化劑顆料保持靜止?fàn)顟B(tài)，故稱為固定床反應(yīng)器。,塔式反應(yīng)器,塔式反應(yīng)器主要用于兩相流體反應(yīng)體系,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的內(nèi)容,(1),反應(yīng)器選型 工業(yè)反應(yīng)器類型很多，在不同類型的反應(yīng)器中，能量與物質(zhì)的傳遞特性有很大差異。因此需要根據(jù)給定反應(yīng)體系的動(dòng)力學(xué)特性，選擇具有適宜傳遞特性的反應(yīng)設(shè)備。,(2),反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 按照生產(chǎn)任務(wù)和選定的反應(yīng)器型式確定反應(yīng)器的總體布置及單個(gè)反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如確定反應(yīng)器的個(gè)數(shù)、組合方式、反應(yīng)器體積、高徑比、攪拌方式及強(qiáng)度、換熱方式及換熱面積等。,(3),反應(yīng)器工藝參數(shù)的確定 正確選擇操作條件，使反應(yīng)系統(tǒng)處于最佳操作狀態(tài)并達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式、物料衡算方程式、熱量衡算方程式和動(dòng)量衡算方程式,物料衡算方程式,以質(zhì)量守恒定量為基礎(chǔ)，是計(jì)算反應(yīng)器體積的基本方程,熱量衡算方程式,以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)，通過熱量衡算可以計(jì)算反應(yīng)器中溫度的變化,動(dòng)量衡算方程式,以動(dòng)量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)，可以計(jì)算反應(yīng)器中壓力的變化,課程內(nèi)容,化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的建立，溫度、濃度的影響，動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求取,理想反應(yīng)器的計(jì)算,間歇反應(yīng)器的物料衡算與計(jì)算,活塞流反應(yīng)器的物料衡算與計(jì)算,全混流反應(yīng)器物料衡算與計(jì)算,復(fù)雜反應(yīng)在上述反應(yīng)器的反應(yīng)效果,復(fù)雜反應(yīng)與熱量衡算,均相流動(dòng)反應(yīng)器中的非理想流動(dòng)模式,平均停留時(shí)間的求取,非理想流動(dòng)的模型,攪拌反應(yīng)釜的特點(diǎn)與操作,氣固反應(yīng)器的特點(diǎn)與操作,氣液反應(yīng)器的特點(diǎn)與操作,