化学反应工程 Chemical Reaction Engineering

Presentation on theme: "化学反应工程 Chemical Reaction Engineering"— Presentation transcript:

1 化学反应工程 Chemical Reaction Engineering
广东石油化工学院 (Guangdong University of petrochemical technology ) 化工与环境工程学院 (Institute of Chemical and environmental Technology) 石油化工系 (Department of Petroleum and Chemical Engineering)        王平    qq:

2 绪论 化学反应工程是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。
对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学科的主要任务。

3 化学工程与工艺的任务 研究工业规模化工过程的规律，开发和改进化工生产过程 开发:新产品，新工艺。
化学工程与工艺的任务  研究工业规模化工过程的规律，开发和改进化工生产过程 开发:新产品，新工艺。 改进：对已有过程和产品进行改造，以求最优化。                  (要改造哪些内容？) 　　　　第一层次：资源、能量消耗 　　　　第二层次：环境影响 　　　　第三层次: 安全卫生舒适　     化学工程着眼于反应过程与反应器中的传递过程；化学工艺着眼于反应过程与反应器中的化学反应。

4 本章内容 化学反应工程概述 化学反应器的类型 化学反应器的操作方式 化学反应的转化率和收率 反应器设计的基本方程

5 1.1 概述 1.1.1 什么是化学反应工程 典型化工过程

6 化学工程学科体系中的化学反应过程不仅包括化学反应现象，同时也包括物理现象，即传递现象。传递现象包括动量传递、热量传递、质量传递，再加上化学反应，通常称为“三传一反”。

7     化学反应工程，是化学工程学科的一个分支。简称反应工程。     化学反应工程，顾名思义，是一门研究化学反应的工程问题的学科。即：研究化学反应如何在工业上实现的科学。它以化学反应作为研究对象，又以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体系

8 1.1.2 化学反应工程（CRE）学科历史 20世纪30年代 --丹克莱尔(Damhöhler)
--梯尔(Thiele)和史尔多维奇(Зельдович) (扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响) 20世纪40年代末 --霍根(Hougen)和华生(Waston) 法兰克-卡明斯基(Франк-Каменеций) ( 总结化学反应与传递现象的相互关系,探讨反应器设计问题)

9 1957年 -- 首次使用“化学反应工程”术语 (荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词，这标志着该学科的初步形成。 ) 20世纪60年代 -- 快速发展期 石油化工的大发展 计算机的发展与应用 20世纪80年代 -- 形成新的分支： 生化反应工程 聚合反应工程 电化学反应工程 1981年化学反应工程正式进入我国化工高等教育 

10

11

12 1.1.3化学反应工程的基本任务 建立化学反应过程的动力学模型和传质模型 选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传质要求
计算反应器大小，以满足一定的产量和转化率的要求 确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经济效益 研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停车的顺利

13 1.1.4化学反应工程研究对象及内容 研究对象是工业规模的化学反应过程。 对各种反应过程进行工程分析，进行为技术开发所需要的各项研究，制定出最合理的技术方案和操作条件以及进行反应器或反应系统的设计。 内容：反应动力学和反应器设计与分析 反应动力学：研究化学反应进行的机理和速率。 反应器设计分析：研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。

14 化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且着重研究传递过程对化学反应速率的影响，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。
工业反应器里的化学反应过程是同时伴随物理变化的复杂过程。 物理变化概括为三种传递过程 化学反应也可进行分类 二者的交联：宏观动力学

15 宏观动力学 化学反应速率是化学动力学研究的主要内容。反应器里的物质产生和消失的总速率，不仅与反应本身的速率（动力学）有关，还受物理过程（三传）的制约。包括相际相内的三种传递过程、流动状态等等因素在内的反应的总速率，就是宏观动力学。 相反的情况，称为本征（微观）动力学。 区别：“点”的局部速率，宏观区域的速率。

16 化学反应的分类 均相催化反应：反应物和催化剂居于同一相态.此时催化剂与反应物是分子与分子之间的接触作用,通常质量传递过程对动力学的影响较小.
非均相催化反应：反应物和催化剂居于不同相态的反应.此时反应物分子必须从气相(或液相)向固体催化剂表面扩散(包括内外扩散),表面吸附后才能进行催化反应,在很多场合下都要考虑扩散过程对动力学的影响.因此,在非均相催化反应中催化剂和反应器的设计与均相催化反应不同,它要考虑传质过程的影响.

17

18 化学反应的分类 均相催化反应：反应物和催化剂居于同一相态.此时催化剂与反应物是分子与分子之间的接触作用,通常质量传递过程对动力学的影响较小.
非均相催化反应：反应物和催化剂居于不同相态的反应.此时反应物分子必须从气相(或液相)向固体催化剂表面扩散(包括内外扩散),表面吸附后才能进行催化反应,在很多场合下都要考虑扩散过程对动力学的影响.因此,在非均相催化反应中催化剂和反应器的设计与均相催化反应不同,它要考虑传质过程的影响.

19 化学反应的分类 按反应特性分类： 机理，可逆性，分子数，级数，热效应 按反应物系的相类特征分类： 均相；非均相（催化非催化），如
　机理，可逆性，分子数，级数，热效应 按反应物系的相类特征分类： 　均相；非均相（催化非催化），如 　气固相催化反应，气液相反应。 按反应过程的条件分类： 　温度，压力，操作方式　

20 1.2工业化学反应器的分类 用来实现化学变化的设备－－反应器 结构原理分类如下：

21 管式反应器 特点: 长度>>管径。 内部是空的， 不设置任何构件 多用于均相反应

22 釜式反应器 

23

24 塔式反应器 特征：反应器高度为直径的数倍以至十倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板。
特征：反应器高度为直径的数倍以至十倍。            内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板。            适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。

25 固定床反应器 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，固相加工应用广。
固定床反应器   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，固相加工应用广。      根据换热方式不同,可分为三种型式：

26 特点: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

27 流化床反应器

28 现代大型炼化工厂的外貌特征：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。
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。 按反应物料流动模型进行分类，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。

29 化工设备

30

31 1.3 化学反应的转化率和收率 1.3.1 反应进度 

32 化学反应的转化率和收率 1.3.2 转化率 X 注意：① 按关键组分计 ② 反应物的起始态

33 化学反应的转化率和收率 1.3.3 收率 Y与选择性S

34 进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为： SO2: 3.07%; SO3: 4.6%; O2: 8.44%; N2: 83.89%
化学反应的转化率和收率 例1 进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为： SO2: 3.07%; SO3: 4.6%; O2: %; N2: % 离开反应器的气体中SO2的含量为1.5%，试计算SO2的转化率。

35 例2 丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯的工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气的混合气体在磷钼铋催化剂上进行氧化脱氢。除生成丁二烯的主反应外，还有许多副反应，如生成酮、醛及有机酸的反应。反应在温度350℃、压力0.2026MPa下进行。得到反应前后的物料组成如下。根据表中的数据计算正丁烯的转化率、丁二烯的收率和反应的选择性。

36 反应前后物料组成 组分 反应前% 反应后% 正丁烷 0.63 0.61 氧气 7.17 0.64 正丁烯 7.05 1.70 氮气 27.0
26.10 丁二烯 0.06 4.45 水蒸气 57.44 62.07 异丁烷 0.50 0.48 - 1.20 异丁烯 0.13 CO2 1.80 正戊烷 0.02 有机酸 0.20 醛、酮 0.10

37 1.4 化学反应器的操作方式

38 操作方式 分批式、连续式或半连续式 分批式（或间歇）操作：是指一批反应物料投入反应器内后，让它经过一定的反应，然后再取出的操作方法。通常在实验室及产量较小的一些情况下采用。 连续式操作：反应物料是连续的通过反应器的操作方式，它一般用于产品比较单一而产量较大的场合。 半分批（或半连续）式操作：指反应器中有一些是分批地加入或取出的，而另一些则是连续的通过的，但反应过程比较复杂。

39 1.4.1 间歇操作（分批操作） --间歇反应器（BR）
    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。

40 1.4.2 连续操作 连续操作——连续反应器（流动反应器）     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。  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。

41 1.4.3 半连续(半间歇)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。

42 1.5 化学反应工程（CRE）研究方法 反应器设计最基本的内容： 选择合适的反应器型式 确定最佳操作条件 计算反应体积，确定主要尺寸。
  反应体积的确定，是反应器设计的核心内容。 反应体积的大小，是由反应组成的反应速率决定的。反应速率快，完成同样的产量所需体积就小。但反应速率又取决于反应物的浓度、压力和反应温度。而反应器内反应物的浓度，压力和温度又随反应时间或位置而变。因此，在反应器内反应速率是不断变化着的。为了确定反应体积，就要找出这些物理量在反应器内变化的数学关系式。即反应器设计的基本方程。

43  反应器设计的基本方程： 物料衡算式——描述器内浓度变化Ci = f (t , l) 热量衡算式——描述器内温度变化T=T(t, l) 动量衡算式——描述器内压力变化P=P(t,l) 动力学方程式——描述器内反应速率ri=r(T,C) 参数计算式——计算某些物性参数     三种衡算式，依据各自的守恒定律，其模式为：     输入=输出+消耗+累积

44 反应器设计的基本方程 质量衡算： （关键组分i 的输入速率）＝ （i 的输出速率）＋（i 的转化速率）＋（i 的累积速率） 热量衡算：
（输入的热量）＝ （输出的热量）＋（反应热）＋（累积的热量）

45 1.6工业反应器的放大 数学模型法的步骤 大型冷模试验 中间试验 工厂设计 实验室规模实验 小型试验 考察物理过程对反应的影响 建立物理模型
检验并修正模型 考察催化剂性能 考察设备腐蚀情况 建立化学模型

46 小结 掌握的知识点： 1）化学反应工程的概念 2）化学反应工程的内容；反应动力学与反应器的设计与分析含义； 3）化学反应的转化率与收率；
4）能量衡算式； 5）反应器的操作方式类型；