化学反应工程与工艺基础

化学反应工程与工艺基础主讲教师：靳海波工作单位：化工学院化工系办公地点：3#-215（答疑地点）答疑时间：？？成绩评定：平时占20%（作业+考勤），期末占80%主要参考书：1、精细化工反应工程基础讲义2、王军《反应工程》大连理工大学出版社，20043、朱炳辰《化学反应工程》，化学工业出版社，2001年4、OctaveLevenspielChemicalReactionEngineering2002,化学工业出版社（第一版）要求作业：按时完成，占15%纪律：出席、课堂，占5%精细化工的特点精细化工是以高新技术为基础，以市场为导向，以产品具有特定功能、附加值高、小批量、多品种、系列化为特点的化学工业化学工业是高技术密集工业，精细化工又是化学工业中的高技术密集工业。日本曾做过这方面的分析，以机械制造工业的技术密集指数为100，则化学工业为248，精细化工中的医药和涂料的指数分别为340和279精细化工技术密集的原因在于技术开发的成功率较低，时间长，费用高。精细化工的特点精细化学品的多样化、小批量反映在生产上即为经常更新品种精细化学品的制备多为液相反应过程，主要采用间歇的生产方式。为适应精细化工生产的特点，企业必须具有依据市场需求调节生产能力和品种的灵活性。发达国家在20世纪50年代末开始摒弃单一产品、单一流程、装置单一功能的落后的生产方式，广泛采用多品种的综合生产流程和多用途、多功能的生产装置，取得了很好的经济效益。20世纪80年代从单一产品、单一流程、单元操作的生产装置向“柔性”系统发展。精细化工的特点多品种染料品种有5232个，其中已公布化学结构的有1536个。表面活性剂，国外有5000多个品种，日本三洋化学工业公司就生产1500种化学反应复杂常常是复杂反应，如平行反应、串联反应、可逆反应、链反应等。一个反应有时生成多种异构物，生成主产物的同时还伴随有副产物生成反应物料相态多样化在精细化工生产中，较少遇见均相物料体系，经常是非均相物料体系反应介质腐蚀性强高技术密集度精细化学品是以商品的综合功能出现的技术开发成功率低、时间长、费用高精细化工与化学反应工程的关系美国20世纪60年代开发出一种有价值的精细化工产品的平均时间为5年，耗资300万一500万美元。而现在开发出一种有价值的精细化工产品的平均时间则需10～12年的时间，品种的开发、研制工作仍是当今世界各国，尤其是工业发达国家发展精细化工的主题。精细化学品的制备是在化学反应器中进行和完成的，因此作为精细化工产品的开发首先了解化学反应工程的知识。必须考虑流体流动、传质、传热等化学过程和物理过程对精细化工过程的影响。与化学反应动力学直接相关的3个重要的物理量为温度、浓度和时间。反应器内的温度分布、浓度分布和停留时间分布，对化学反应过程的实现起着决定性的作用。新产品研发过程在很大程度上是反应器的研究过程，通过对温度、浓度和停留时间的控制，使生产工艺得以实现，使产品的质量得以保证，使产物的产率得以提高。因此，从本质上对化学过程和化学反应器进行分析和设计，必须把混合、传质、传热等物理过程和化学反应过程统一起来进行研究，才能把精细化学品的研究成果放大到工业生产所需要的规模，这是从事工程科学研究需要解决的重要任务。物理处理过程物理处理过程化学反应过程原料产品循环物流典型的化工过程单元操作单元操作过程之核心1.1化学反应工程学的范畴与任务1、化学反应工程发展概述◆最初主要依靠经验(Experiences)，形成技艺(Techniques)；然后去解决化学反应工程放大(Scaleup)问题；◆化学工程学科的发展促进反应工程学科发展；先有单元操作(Unitoperations)，后有反应工程学科分支；◆系统工程学科的发展要求反应技术及反应器设计方面能适应系统实现最优化目标；非线性的复杂因素关联导致出现反应工程的分支2、化学反应工程的范畴与任务化学反应工程：研究化学反应工程问题的学科。化学反应工程研究对象：化学反应及反应器的工程问题，将化学反应特性(characteristicsofchemicalreaction)与反应器装置特性两者结合起来形成的学科体系。化学反应工程研究内容包括范围：化学工艺：化学热力学(thermodynamics)、化学反应动力学(chemicalkinetics)，催化剂(catalysts)制备工艺及反应条件；确定反应工艺路线、流程与设备。传递工程：反应器中流体流动(fluidmechanics)、混合(mix)、传热(heattransfer)、传质(masstransfer)；系统工程：反应过程的动态特性与反应系统的控制及相关的最优化问题；化学反应工程与相关学科的联系：化学热力学：确定物系的各种物性常数，反应的可行性及可能达到的程度。反应动力学：反应器的选型、设计及操作方式选择都依赖于对反应动力学特性(characteristicsofreactionkinetics)的认识。例如：★裂解制乙烯；★乙烯氧化制环氧乙烷；★合成氨催化剂的开发等。传递工程：流动与混合直接影响温度与浓度分布，最终影响离开装置物料的组成。装置中的“三传”是极其复杂的，规模放大时的“三传”也随之发生变化，即出现“放大效应”，因此要解决好装置的放大效应，就必须对反应器内流体的三传（传热、传质、动量传递）有一个十分清晰的认识。系统工程：对反应装置是最优化的条件不一定就是整个系统的最优化，这时反应装置也就只能服从系统最优化目标，为此必须了解反应过程的动态特征及相关的最优化问题。化学反应工程学的任务：研究工业化学反应器的基本原理和对反应器中所进行反应过程进行分析。结合具体的反应装置，运用物理学、化学及工程学和经济学的基本原理与定律，综合研究反应器中的反应过程与传递过程，从而能够正确选定反应器的的最合适的型式和最经济的化学工艺路线及操作条件。对反应器进行最佳设计和最佳控制，为过程开发和反应器的放大提供依据。概括的说，化学反应工程学就是使化学反应实现工业化的一门技术科学。1.2化学反应工程学的基本方法化学反应工程研究方法：模型方法（ModellingMethod)。模型方法：是用数学模型来分析和研究化学反应工程问题。数学模型（MathematicalModel)：用数学语言来表达过程中各种变量之间的关系。数学模型的建立应从应用的角度着眼，使之适用和能用，而不是力图将过程中的一切关系不分主次地罗列出来。数学模型的分类：◆机理模型(ExperienceModel)----从过程机理出发推导得到的；◆经验模型(MechanismModel)----从实验数据归纳得到的。化学反应工程中的数学模型：◆动力学方程式(ChemicalReactionKineticsEquation)◆物料衡算式(MaterialEquilibriumEquation)◆热量衡算式(EnergyEquilibriumEquation)◆动量衡算式(MomentumEquilibriumEquation)◆参数计算式(ParameterEquation)模型的检验：★必要性，工业反应器规模变化时，不仅产生量的变化，而且产生质的变化，这样一定规模的实验得到的模型可能不适用，必须修正；★检验模型过程，需要做不同规模的反应器试验，反复将模型进行检验，不断修正。可以用下图表示：动力学模型数据：描述过程反应速率快慢的数学模型。一般均在实验室的小装置中进行，提供最基础的资料。传递过程模型数据：依靠实验求取，特别是大型冷模装置，当然有生产装置的数据可用就更好了。写出并整理数学模型：包括物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式。一般原则：累积量(Accumulation)=输入量(Input)–输出量(Output)将物料衡算式、热量衡算式、化学反应动力学方程式结合相关的参数计算式联立求解结果就给出了反应装置的浓度分布与温度分布从而回答了反应器设计中的最基本问题反应技术的开发过程化学反应工程是从形形色色的化学反应工艺过程中抽出其共性问题，形成的学科内容，而反应技术是指以反应器为中心的直接有关部分的技术情况(1)反应器型式的选择；(2)反应条件的确定和保证这些条件的技术措施；(3)反应器工艺尺寸及结构的确定；(4)反应装置的最优化。反应技术的开发过程开发步骤实验室的试验研究预设计及评价中间厂试验工业装置的设计及评价工业化生产与大型化反应过程的放大方法(1)依靠经验进行放大，只能知其然而不知其所以然。(2)相似放大的方法，则只对物理过程有效，对于同时兼有物理作用和化学作用的反应过程来说，既保持物理相似，又保持化学相似一般是做不到的。(3)半经验、半理论的部分解析法主要是人们的认识还有不足，还不能理想地做出过程的模型，只能搞一些局部的或较粗的模型，并辅之以比较适当的经验成分来解决问题。(4)数学模拟放大的方法是目前认为比较科学的方法，它把生产技术建立在较高的技术水平之上。1.3化学反应器的操作方式和结构类型●按操作方法分类：★分批（或间歇）式操作（Batchoperation)：物料浓度及反应速率都在不断改变，是一种非定常态过程。工程放大问题比较简单（相似放大），生产弹性大，操作灵活。★连续式操作(Continuumoperation)：适用于产量较大、生产品种单一的情况。★半分批（或半连续）式操作：●按反应装置的结构分类：大致可分为：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等类型。要结合反应特性及装置特性进行选型。●按反应相态分类：★均相(Homogeneoussystems)：气相、液相；★非均相(Heterogeneoussystems)：气液、液液、气固、液固、固固、气液固。常用工业反应器类型均相管式反应器管式反应器是工业生产中常用的反应器类型之一。它大多采用长径比很大的圆形空管构成，因而得名“管式反应器”。常用于气相反应，亦用于液相反应。釜式搅拌反应器釜式搅拌反应器是另一类应用广泛的反应器。其形状特征是高径比要比管式反应器小得多，因而成“釜”状或“锅”状。釜式反应器一定型式的搅拌桨叶以使釜内的物料混合均匀。多用于液相反应。固定床反应器固定床反应器是用来进行气固催化反应的典型设备。反应器中，催化剂颗料保持静止状态，故称为固定床反应器。塔式反应器塔式反应器主要用于两相流体反应体系反应器设计的内容(1)反应器选型工业反应器类型很多，在不同类型的反应器中，能量与物质的传递特性有很大差异。因此需要根据给定反应体系的动力学特性，选择具有适宜传递特性的反应设备。(2)反应器结构设计及结构参数的确定按照生产任务和选定的反应器型式确定反应器的总体布置及单个反应器的内部结构。如确定反应器的个数、组合方式、反应器体积、高径比、搅拌方式及强度、换热方式及换热面积等。(3)反应器工艺参数的确定正确选择操作条件，使反应系统处于最佳操作状态并达到最大经济效益。反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程包括反应动力学方程式、物料衡算方程式、热量衡算方程式和动量衡算方程式物料衡算方程式以质量守恒定量为基础，是计算反应器体积的基本方程热量衡算方程式以能量守恒与转化定律为基础，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化动量衡算方程式以动量守恒与转化定律为基础，可以计算反应器中压力的变化课程内容化学反应动力学反应动力学方程的建立，温度、浓度的影响，动力学参数的求取理想反应器的计算间歇反应器的物料衡算与计算活塞流反应器的物料衡算与计算全混流反应器物料衡算与计算复杂反应在上述反应器的反应效果复杂反应与热量衡算均相流动反应器中的非理想流动模式平均停留时间的求取非理想流动的模型搅拌反应釜的特点与操作气固反应器的特点与操作气液反应器的特点与操作