化学反应工程绪论.ppt
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1、化学反应工程 孙萍 675457,Chemical Reaction Engineering,2019/6/29,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,2019/6/29,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
2、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:,2019/6/29,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。,2019/6/29,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
3、影响到反应的结果。,2019/6/29,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,2019/6/29,2019/6/29,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 Engineering by 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
4、,物料衡算,热量衡算,动量横算,2019/6/29,1926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。,2019/6/29,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
5、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。,2019/6/29,2019/6/29,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。,2019/6/29,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
6、断发展反应工程学的理论和方法。,2019/6/29,(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。,2019/6/29,(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
7、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。,2019/6/29,(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。,2019/6/29,CH2=CHCOOH 无色、具有腐蚀性和刺激性的液体。
8、 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。,2019/6/29,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,2019/6/29,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
9、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,2019/6/29,生产硫酸,2019/6/29,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,2019/6/29,20世纪初,英国的Davis,美Walker,Lewi
10、s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
11、一反。,1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成,2019/6/29,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,2019/6/29,1、反应工程概念的提出,2019/6/29,1、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
12、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。,2019/6/29,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
13、用。,2019/6/29,五十年代,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
14、应过程。正式提出了“化学反应工程学“的概念。,2019/6/29,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)。,2019/6/29,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
15、、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。,2019/6/29,1935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
16、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,2019/6/29,2、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,2019/6/29,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,2019/6/29,AB,A,动量传递过程流动因素,2019/6/29,AB,A,热量传递过程传热因素,2019/6/29,质量传递过程传质因素,2019/6/29,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
17、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,2019/6/29,2019/6/29,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
18、和任务,2019/6/29,高低并列的提升管FCC装置,2019/6/29,南充炼厂FCC装置,2019/6/29,Grassroots FCC unit under construction in Mexico,Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler,2019/6/29,2019/6/29,2019/6/29,80万吨/年加氢裂化装置,2019/6/29,2019/6/29,2019/6/29,2019/6/29,45万吨/年乙烯裂解球罐,2019/6/29,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
19、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,2019/6/29,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,2019/6/29,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
20、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,2019/6/29,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,2019/6/29,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。,2019/6/29,反应过程动
21、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,2019/6/29,4、 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。,2019/6/29,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
22、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,2019/6/29,按反应物相态分类,2019/6/29,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30 2 槽式反应器,一般高径比为13 3 塔式反应器,一般高径比在330之间,2019/6/29,二、化学反应工程内容的
23、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,2019/6/29,2.1.1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。,2019/6/29,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。,2019/6/29,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
24、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),2019/6/29,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。,2019/6/29,介于间歇和连续之间的
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