反应过程与技术01资料.ppt

绪论,,,知识目标 了解化学反应工程的发展、过程开发与反应技术、反应工程和放大方法 理解常用的反应装置与反应方法 掌握反应器的分类、理想流动反应器的特点 能力目标 能解释理想反应器的流动特点 能写出各种反应器的类型 能应用反应器的放大方法一、化学反应工程的发展 化学工业生产过程包括物理变化和化学变化两个过程，而化学反应过程是生产的核心如石油加工、有机化工、无机化工、高分子化工、精细化工、医药化工、煤化工、轻工等生产都包含着各种反应过程为了满足这些反应过程的进行和条件的控制，已开发并使用了各种型式的反应器，同时新的反应技术和新型反应器还在不断涌现图0-1为大型石油化工生产装置图0-1 石油化工生产装置,（一）化学反应工程的发展历史 科学技术发展史表明：对每一个历史时期的社会经济发展具有深远影响、对生产力的发展起带动作用的主要是当时的能源、材料、和制造技术以过程技术为基础建立的工业部门统称为化学加工工业或过程工业(Chemical Processing Industries) 古代的陶瓷制作、酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸等等，都是化学反应过程然而人类并没有从那么多五花八门、看起来风牛马不相及而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同规律。

因此，只能依靠经验，成为一门手艺，而达不到工程科学的水平二十世纪四十年代开始，原子能工业的发展（二次世界大战后）提出高倍率放大反应器的问题，推动了对工业化学反应器特性规律的研究 二十世纪五十年代后，石油化工的迅猛发展（石油、天然气为主要原料），反应器规模不断增大反应器的放大问题，促进了化学反应特性与传递特性的统一研究遂于1957年第一届欧洲化学反应工程会议上，正式使用“化学反应工程学”的概念 二十世纪六十年代以后，数学模型法在反应工程的研究中日益深入1970年前后，相继出现全面系统地论述“化学反应工程学”的教科书和专著，标志着化学反应工程学的成熟二十世纪七十年代中期，化学反应工程学向深广两方面发展，出现了“气液反应器”、“气液固三相反应器设计”、“生物化学反应工程”等著作 生物化学反应工程的发展（基因、克隆技术），标志着化学反应工程学发展的新阶段 化学工业与化学工程技术历经了孕育、诞生、发展直至形成今天庞大产业的过程它每年为社会提供数以亿吨计的千百万种合成产品，是我们衣、食、住、行所难以离开的物质基础二）现代化学工业的发展趋势 随着科学进步，技术发展，现代化学工业的发展趋势主要有以下几方面； 1.发展高效、低耗、洁净的关键技术 由于受到现有技术水平的限制，化学加工工业通常资源浪费较多，环境影响严重。

因此加强发展绿色过程技术及资源高效、集约化利用技术和相关化学工程的研究，改变产品结构、降低资源消耗，促进经济与社会的持续发展第一，在全球经济一体化的大趋势下，特别是加入WTO之后，只有依靠先进的化学工程技术，提高传统产业的产品质量和附加值，降低消耗，才能保证我国化学加工工业的产品能够在国际市场上占据应有的地位 第二，大力发展绿色过程技术，逐步实现化学加工技术的更新换代，从根本上减少环境污染，才能促进经济与社会的持续发展2.产品结构的变化 化学品的产品结构随着社会的需求不断更新换代，其变化主要体现在： ①在产品结构方面由重视普通化学品，均质、廉价、低性能材料和材料的合成，转变到重视生产特殊与功能化学品，重视生产复合、结构化、高性能与昂贵材料和材料的配方 ②在过程类型方面由重视大规模、连续过程转变到小规模、分批与灵活过程 ③在管理方面由价格竞争转变为质量竞争，由国家型、生产型转变为全球型和服务型3.利用计算机辅助的过程和过程控制得到迅速发展 由于计算机科学技术的飞速发展，为利用计算机处理解决各种类型的科学与工程技术问题创造了先决条件在深入认识化工过程物理化学本质的基础上，采用更复杂、更精确的数学模型，使过程科学方法论得到了显著的转变。

计算机辅助的过程工程、过程控制与复杂系统分析等都得到了迅速发展三）化学反应工程的发展趋势 化学反应工程的发展趋势主要体现在反应工程与工艺的密切结合以及非传统反应系统的极端操作条件，如超短接触、等离子体、微波、超临界、光、电、磁能、深冷、高温高压、非稳态操作等完成在常规条件下难以完成的反应过程现代新的反应工程与技术主要有：,①超临界反应工程（纵横结合，以洁净油、洁净煤的重要反应为研究对象和模型体系）； ②反应蒸馏（纵横结合，以烷基化等重要反应作为研究对象和模型体系）； ③非定态催化反应技术的科学基础； ④反应/反应耦合技术的科学基础； ⑤微波、等离子体与光化学反应工程； ⑥反应-结晶过程（催化剂制备、精细化学品、纳米材料制备等）固相产物尺寸、形态控制； ⑦催化剂活性表面上吸附和反应行为的理论化学计算与工程控制原理； ⑧生物反应和生物反应器工程由于化工产品品种日新月异，化工能源重点不断转移，人们对新产品、新能源和新过程的开发日益注意，遂之出现反应过程开发方法的研究，进一步丰富了化学反应工程的研究内容二、反应过程与技术的研究方法 （一）化学反应工程与其他学科的关系 化学反应工程是研究如何在工业规模上实现有经济价值的化学反应的一门应用技术学科。

其中心任务是通过对反应过程本身及所用设备的研究开发达到有效地大规模生产化工产品的目的既以化学反应作为对象，掌握这些化学反应的特性；又以工程问题为对象，熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系化学反应技术的范畴及其与其它学科的关系如表0-1表0-1 化学反应技术的范畴及其与其它学科的关系,例如：有些反应在热力学中认为是可行的如常压、低温合成氨，但由于速度太慢而实际上不可行只有研究出好的催化剂才能在适当的温度和压力下以显著速度进行反应，这就是动力学问题；也有一种情况，从热力学分析认为是不当的，如甲烷裂解制乙炔，在1500℃左右的高温下，乙炔极不稳定，最终似乎只能得到碳和氢但如果使它在极短时间（如0.001秒）内反应并立即淬冷到低温，那么就能获得乙炔实际应用上起决定性的往往是动力学因素这些都依赖对反应动力学特性的认识二）反应技术的开发过程 1.反应技术 化学反应工程是人们从形形色色的化学反应工艺过程中抽出其共性问题，形成了反应工程学的学科内容，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它主要指： （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。

一个新过程能否在工业规模上实现、它的开发期限多长以及所达到的水平如何，就技术方面来说，决定的因素往往是： （1）是否有足够有效的催化剂 ？（化学问题，也是化学工程问题） （2）放大技术、特别是反应过程的放大技术水平如何？（主要是化学工程问题） （3）有无能够满足特殊性能要求的材料？如耐高温、高压、抗腐蚀等等冶金方面的问题） （4）能否设计和制造相应的高精度或大容量的机器和设备？（化工机械制造方面的问题） （5）计量和自动控制的技术水平如何？（仪表和自控问题）,第（2）项惯穿于从小试直到完成工业生产的整个过程之中，这是一项很复杂和细致的任务，尤其是化学反应过程的开发，不得不依靠逐级放大的方法耗费了相当的人力、物力和时间 2. 反应技术开发步骤,表0-2 反应技术开发步骤,3.反应过程的放大方法 反应过程的主要放大方法如表0-3所示：,表0-3 反应技术的放大方法,综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举 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，要既保持物理相似，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，还不能那么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份来解决问题 ④数学模拟放大的方法是目前认为最科学的方法，它把生产技术建立在较高的技术水平之上三）放大程度和开发周期 由于建设中间厂消耗人力、物力和时间，因此减少放大层次、增加放大倍数和开发周期是最终目标是否需要中间厂？规模多大？放大倍数能达到多少？这些与经验和理论水平紧密相关对于通用的流体输送设备，如泵、压缩机等因是定型产品，不存在这个问题；只有化学反应装置，由于进行多种物理与化学过程，而且相互影响、错综复杂，理论解析往往感到困难，甚至实验数据也不易归纳成有规律的形式，于是“放大效应”就特别令人困扰了随着技术水平的提高，过程开发的周期也相应地缩短了近半个世纪内，国际上已从8年以上缩短到3年左右但这样的例子毕竟是少数，一般来说，中间实验仍是很必要的三、反应装置与反应方法概述 化学反应工程是研究工业规模的化学反应的规律，亦即伴有物理过程的化学反应为了研究其共性规律，有必要将化学反应过程加以分类通常可按化学反应的特性、反应物料的相态和反应过程进行的条件进行分类。

化学反应的特性包括反应的机理、反应的可逆性、反应分子数、反应级数和的反应热效应等；反应物料的相态包括均相和非均相反应；而反应进行的条件则包括温度、压力、操作方式及换热方式等一）反应器的分类 一般常见反应器的分类方法如表0-4所示：,表0-4 反应器的分类,反应不同、规模不同，合适的反应器型式和操作方式也会不同，而且结果也不同如对液相的一级反应，在实验室中用分批法操作时，达到规定转化率和生产能力时所需的停留时间，比用连续流动的搅拌式进行大规模生产所需的停留时间要小得多转化率越大，差别亦越大如果有副反应存在，还将对产品的质量产生重大差异这些都说明反应器型式和操作方式的选择以及工业生产的操作条件都结合了工艺和工程两个方面的考虑才确定的各种型式反应器的应用特点与实例如表0-5表0-5 各种型式反应器的特点与应用实例,化学反应工程是研究工业规模的化学反应的规律，亦即伴有物理过程的化学反应为了研究其共性规律，有必要将化学反应过程加以分类通常可按化学反应的特性、反应物料的相态和反应过程进行的条件进行分类化学反应的特性包括反应的机理、反应的可逆性、反应分子数、反应级数和的反应热效应等；反应物料的相态包括均相和非均相反应；而反应进行的条件则包括温度、压力、操作方式及换热方式等。

在化学反应工程领域内，一般多按反应物料的相态进行分类，但从工程角度出发，往往也非常注重操作方式，因为它与反应器的型式、操作条件以及设计方法的确定都密切相关表0-6列出了化学反应过程的基本分类表0-6 化学反应过程的分类,至于流程问题更是工艺与工程密切结合、综合考虑的结果二）反应器的设计 到目前为止，还不能准确预测任意化学反应的本征反应速率，因而有时更多的利用经验数据进行反应器设计 1. 反应器设计的内容 反应器设计一般包含三项内容： 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 2. 反应器设计的模型方法 由于工业化学反应器本身的复杂性，使反应器的设计有多种方法 ①经验法 通过实验逐级放大的经验方法。

②数学模型法 经验法不但费时费力，而且局限性很大，只能在很窄的工艺条件范围内和相同结构类型的生产装置上进行3. 反应器设计的方程式 在反应器设计中，要建立具体模型的相关方程式 （1）物料衡算方程（浓度或转化率随时间或位置变化的定量关系） 依据质量守恒定律，列。