化学反应工程绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1 1、原料预处理、原料预处理2 2、进行化学反应、进行化学反应3 3、反应产物分离与提纯、反应产物分离与提纯 第一、三两步属于单元操作，是化工原理内第一、三两步属于单元操作，是化工原理内容，处于隶属地位。容，处于隶属地位。第二步为整个加工过程关键，是化学反应工第二步为整个加工过程关键，是化学反应工程学科研究对象。程学科研究对象。第一章 绪论 用化学方法将原料加工成产品用化学方法将原料加工成产品,不但是化学工不但是化学工业而且是其它过程工业如冶金、石油炼制、能源及业而且是其它过程工业如冶金、石油炼制、能源及轻工等所采取伎俩。不论哪一个部门。还是哪一个轻工等所采取伎俩。不论哪一个部门。还是哪一个产品生产，采取化学方法加工时，都包含：产品生产，采取化学方法加工时，都包含：第1页化学反应工程是将影响反应器性能传递现象与动力学之间相互作用以及操作条件和进料变量进行量化一门学科。化学反应工程是化学工程学科一个分支，通常化学反应工程是化学工程学科一个分支，通常称作反应工程，其包含称作反应工程，其包含2 2个方面内容：反应个方面内容：反应动力学及反应器设计与分析动力学及反应器设计与分析一、化学反应工程研究对象（1）反应动力学主要研究化学反应进行机理和速率，以取得进行工业反应器设计和操作所必需动力学知识，如反应模式、速率方程及反应活化能等等。第2页对于一定反应物系，反应速率只取决于反应对于一定反应物系，反应速率只取决于反应温度、浓度和压力。反应动力学所要处理温度、浓度和压力。反应动力学所要处理正是它们之间定量关系。正是它们之间定量关系。即即 r=f(Tr=f(T、C C、P)P)反应器设计与分析研究反应器内各原因改变规律，找出最优工况和反应器最好型式，以取得最大经济效益。1)反应动力学部分（反应器设计计算基础）反应动力学部分（反应器设计计算基础）研究化学反应进行机理和速率研究化学反应进行机理和速率第3页2)反应器部分（关键问题）反应器部分（关键问题）包含反应器设计与分析、反应器优化、包含反应器设计与分析、反应器优化、反应器放大等。反应器放大等。反应器本身投资可能只占整个生产装置投资反应器本身投资可能只占整个生产装置投资很小一部分；不过，反应器通常是整个生产过程很小一部分；不过，反应器通常是整个生产过程关键，反应器操作状态关键，反应器操作状态(主要是反应转化率和选主要是反应转化率和选择性择性)对整个装置投资和产品生产成本往往会起对整个装置投资和产品生产成本往往会起到决定性作用。到决定性作用。第4页二、化学反应工程任务1、改进和强化现有反应技术和设备，挖掘潜力。2、开发新技术和设备。3、指导和处理反应过程开发中放大问题。4、实现反应过程最优化。5、不停发展反应工程学理论和方法。化学反应工程学是一门研究包括化学反应工程问题学科。对于已经在试验室中实现化学反应，怎样将其在工业规模实现是化学反应工程学主要任务。详细讲有下面5方面任务：第5页三、化学反应工程影响原因和研究方法工业规模化学反应与试验室规模相比复杂很多，在试验室规模上影响不大质量和热量传递，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中现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，有可能造成工业反应器内反应结果与试验室规模大相径庭。反应物浓度与反应温度是影响化学反应速率两大主要原因，也是直接原因，对于一个化学反应来说，假如没有其它原因，只需控制反应温度与反应浓度，这么反应工程问题非常简单，而在工业生产大反应器中，除温度与浓度影响外，还受到物质扩散和混合等影响。第6页工业反应器中对反应结果产生影响主要物理过程是：1）由物料不均匀混合和停留时间不一样引发传质过程；2）由化学反应热效应产生传热过程；3）多相催化反应中催化剂微孔内扩散与传热过程。这些物理过程与化学过程同时发生。第7页本质上讲，物理过程不会改改变学反应过程动力学规律，即，反应动力学规律不因为物理过程存在而发生改变。不过流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所温度和参加反应各组分浓度在空间上分布，最终影响到反应结果。单位体积所能处理物料量与宏观反应速率相关，而宏观反应速率又受到化学反应速率、颗粒间传递速率、颗粒内传递速率影响。将它们关系表示以下：第8页宏观反应速度化学反应速度 只与温度、浓度相关颗粒间传递速度颗粒内传递速度物理过程所以设计工业反应器要考虑原因包含三方面：化学原因、工程原因、经济原因。化学原因：包含化学平衡、反应速率、催化剂。工程原因：结构尺寸、传质、传热及流体流动。经济原因：投资、操作、利润等。第9页化学反应工程研究方法 对于复杂反应过程，以前研究方法是借助相同论和量纲分析，经过试验建立相同特征数经验关联式处理问题，但对于有化学反应参加化工过程用这种方法极难设计和放大反应器。因为在化工开发过程中存在放大效应问题。放大效应 化工过程开发也就意味着装置规模扩大，所以常被形象化地称为“放大(scale up)”。伴伴随“放大”，往往会产生所谓“放大效应”，即小装置中一些技术经济指标在大装置中不能重现，甚至大装置根本不能正常运转。第10页反应器放大方法经历过程有：相同放大法 物理过程放大几何相同放大准数相同放大逐层放大法 反应器放大数学模拟放大法小型试验（小试）中间试验（中试）半工业化试验阶段工业化生产第11页在过程开发中是否会发生“放大效应”，并不完全取决于“放大”倍数，而是主要取决于以下两个原因：1.反应器中浓度分布和温度分布对反应器规模扩大和由此引发传递过程情况改变是否敏感；2.反应结果对反应器中浓度分布和温度分布改变是否敏感。早期反应器设计和放大，完全靠试验经验，从试验小装置到扩大试验，再经过中间工厂试验到最终设计放大到工厂需要装置。这种放大方法周期较长，研究投资很大。在20世纪60年代出现了数学模型法。第12页化学反应工程基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂难以用数学全方面描述客观实体人为地做一些假定，构想出一个简化模型，并经过对简化模型数学求解，到达利用简单数学方程描述复杂物理过程目标。数学模型：用数学方法描述工业反应器中个参数关系化学动力学模型流动模型传递模型宏观动力学模型联立求解代数方程常微分方程偏微分方程积分方程实际情况复杂性用模型简化这个过程要求：不失真、第13页满足应用要求、适应试验条件、适应计算机能力。在数学模型建立过程中需要方程有：化学动力学方程-计算反应速率物料衡算方程-计算反应体积热量衡算方程-计算温度改变动量衡算方程-计算压力改变第14页在模型中用到化学动力学方程，主要是面对生产实际，与生产条件相适应宏观动力学方程，普通经过在试验室宏观动力学试验取得，并结合生产条件加以修正。包括传递参数要经过大型冷漠试验取得。衡算基准要取性质相同部分或微元容积。在衡算单元内：输入量=输出量+消耗量+累积量第15页数学模型放大方法普通步骤1.试验室规模试验2.小型试验3.大型冷膜试验：探索传递规律4.中间试验5.计算机试验四、化学反应及反应器分类（一）化学反应分类第16页化学反应工程学科普通是按反应物系相态来分化学反应工程学科普通是按反应物系相态来分类。类。按反应物系相按反应物系相态分态分均相反应均相反应非均相反应非均相反应气相、液相、固相气固、气液、液液、液固、固固、气液固按是否使用催化剂催化反应非催化反应按操作条件等温反应、变温反应等压反应、加压反应、减压反应按操作方式间歇、连续、半间歇第17页 工业反应器是化学反应工程主要研究对象。一）工业反应器是化学反应工程主要研究对象。一）、按结构特点可分为以下几个类型。、按结构特点可分为以下几个类型。（二）、反应器类型（二）、反应器类型1 1 1 1、管式反应器、管式反应器、管式反应器、管式反应器特征特征特征特征：长径比大，内部中空，不设置任何构件，长径比大，内部中空，不设置任何构件，长径比大，内部中空，不设置任何构件，长径比大，内部中空，不设置任何构件，多用于均相反应。普通长径比大于多用于均相反应。普通长径比大于多用于均相反应。普通长径比大于多用于均相反应。普通长径比大于30.30.30.30.第18页第19页2 2、釜式反应器、釜式反应器特征：高径比特征：高径比1 1。外部设夹套或内部设盘管，。外部设夹套或内部设盘管，用于换热。用于换热。主要用于均相反应；多相反应：气液，液液，主要用于均相反应；多相反应：气液，液液，气液固气液固第20页第21页3 3、塔式反应器、塔式反应器高度普通为直径数倍至高度普通为直径数倍至高度普通为直径数倍至高度普通为直径数倍至10101010多倍。多倍。多倍。多倍。气液反应，液液反应气液反应，液液反应气液反应，液液反应气液反应，液液反应填料塔填料塔填料塔填料塔板式塔板式塔板式塔板式塔鼓泡塔鼓泡塔鼓泡塔鼓泡塔气液反应，液体为连续相；气体为分散相。气液反应，液体为连续相；气体为分散相。气液反应，液体为连续相；气体为分散相。气液反应，液体为连续相；气体为分散相。喷雾塔喷雾塔喷雾塔喷雾塔气液反应，液体为分散相；气体为连续相。气液反应，液体为分散相；气体为连续相。气液反应，液体为分散相；气体为连续相。气液反应，液体为分散相；气体为连续相。第22页4 4、固定床反应器、固定床反应器特征特征特征特征：反应器内装有固定不动固体颗粒。反应器内装有固定不动固体颗粒。反应器内装有固定不动固体颗粒。反应器内装有固定不动固体颗粒。固体催化剂：气固反应固体催化剂：气固反应固体催化剂：气固反应固体催化剂：气固反应固体反应物料：气固固体反应物料：气固固体反应物料：气固固体反应物料：气固液固液固液固液固非催化反应非催化反应非催化反应非催化反应5 5、流化床反应器、流化床反应器特征特征特征特征：固体颗粒处于运动状态。分为两类。固体颗粒处于运动状态。分为两类。固体颗粒处于运动状态。分为两类。固体颗粒处于运动状态。分为两类。第23页循环流化床：固体被流体带出，经分离后固体循环使循环流化床：固体被流体带出，经分离后固体循环使循环流化床：固体被流体带出，经分离后固体循环使循环流化床：固体被流体带出，经分离后固体循环使 用用用用 。如催化裂化反应器（催化剂烧炭层，再生）。如催化裂化反应器（催化剂烧炭层，再生）。如催化裂化反应器（催化剂烧炭层，再生）。如催化裂化反应器（催化剂烧炭层，再生）沸腾床：固体在反应器内运动，流体与固体颗粒所组沸腾床：固体在反应器内运动，流体与固体颗粒所组沸腾床：固体在反应器内运动，流体与固体颗粒所组沸腾床：固体在反应器内运动，流体与固体颗粒所组成床层如同沸腾液体。如硫铁矿粉燃烧。成床层如同沸腾液体。如硫铁矿粉燃烧。成床层如同沸腾液体。如硫铁矿粉燃烧。成床层如同沸腾液体。如硫铁矿粉燃烧。流化床用于：气固、液固、气液固催化或非催化反应流化床用于：气固、液固、气液固催化或非催化反应流化床用于：气固、液固、气液固催化或非催化反应流化床用于：气固、液固、气液固催化或非催化反应6 6、移动床反应器、移动床反应器 固固固固体体体体催催催催化化化化剂剂剂剂在在在在反反反反应应应应器器器器顶顶顶顶部部部部装装装装入入入入，底底底底部部部部卸卸卸卸出出出出，反反反反应应应应气气气气体由底部进入，与催化剂逆流接触。体由底部进入，与催化剂逆流接触。体由底部进入，与催化剂逆流接触。体由底部进入，与催化剂逆流接触。第24页7 7 7 7、滴流床反应器、滴流床反应器、滴流床反应器、滴流床反应器也属于固定床反应器。用于使用固体催化剂气液反也属于固定床反应器。用于使用固体催化剂气液反也属于固定床反应器。用于使用固体催化剂气液反也属于固定床反应器。用于使用固体催化剂气液反应应应应二）按反应器操作方式分二）按反应器操作方式分1 1 1 1、间歇操作、间歇操作、间歇操作、间歇操作 反反反反应应应应所所所所需需需需物物物物料料料料一一一一次次次次装装装装入入入入反反反反应应应应器器器器内内内内，反反反反应应应应一一一一定定定定时时时时间间间间，到到到到达达达达要要要要求求求求反反反反应应应应程程程程度度度度后后后后便便便便卸卸卸卸出出出出全全全全部部部部物物物物料料料料，清清清清洗洗洗洗反应器，再装料、反应、卸料。反应器，再装料、反应、卸料。反应器，再装料、反应、卸料。反应器，再装料、反应、卸料。第25页特点特点特点特点：（1 1 1 1）、反应器内各处物料浓度、温度均一）、反应器内各处物料浓度、温度均一）、反应器内各处物料浓度、温度均一）、反应器内各处物料浓度、温度均一（2 2 2 2）、反应器内物料组成随时间而变）、反应器内物料组成随时间而变）、反应器内物料组成随时间而变）、反应器内物料组成随时间而变第26页2 2、连续操作、连续操作 连连连连续续续续地地地地将将将将原原原原料料料料输输输输入入入入反反反反应应应应器器器器，反反反反应应应应产产产产物物物物也也也也连连连连续续续续地地地地从从从从反反反反应器中流出。应器中流出。应器中流出。应器中流出。特点特点特点特点：釜式反应器内原料参数（浓度、温度等）釜式反应器内原料参数（浓度、温度等）釜式反应器内原料参数（浓度、温度等）釜式反应器内原料参数（浓度、温度等）均不随时间和位置而变。均不随时间和位置而变。均不随时间和位置而变。均不随时间和位置而变。管式反应器其物料参数随位置而变。管式反应器其物料参数随位置而变。管式反应器其物料参数随位置而变。管式反应器其物料参数随位置而变。第27页3 3 3 3、半连续操作、半连续操作、半连续操作、半连续操作半连续操作反应器反应物系组成，半连续操作反应器反应物系组成，半连续操作反应器反应物系组成，半连续操作反应器反应物系组成，釜式：随时间而变釜式：随时间而变釜式：随时间而变釜式：随时间而变管式：随位置而变。管式：随位置而变。管式：随位置而变。管式：随位置而变。三）按反应器传热条件分三）按反应器传热条件分三）按反应器传热条件分三）按反应器传热条件分1 1 1 1、等温反应器：、等温反应器：、等温反应器：、等温反应器：整个反应器维持等温操作；整个反应器维持等温操作；整个反应器维持等温操作；整个反应器维持等温操作；2 2 2 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全部反应热使物系升温或降温；部反应热使物系升温或降温；部反应热使物系升温或降温；部反应热使物系升温或降温；3 3 3 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。第28页选取教材：化学反应工程王承学 胡永琪 编化学工业出版社第29页主要参考书：化学反应工程朱炳辰 主编化学工业出版社第30页主要参考书：化学反应工程陈甘棠 主编化学工业出版社第31页