第3章釜式反应器

1、12022-2-23娄向东娄向东22022-2-23河河 南南 师师 范范 大大 学学化学化工学院化学化工学院化化 工工 专专 业业 电电 话：话-mail:32022-2-23化学反应工程 Chemical Reaction Engineering42022-2-2352022-2-23化学工程学化学工程学包括传递过程包括传递过程 化学反应工程化学反应工程 化工工艺学化工工艺学原料原料A前处理前处理反应器反应器后处理后处理产品产品B传递过程传递过程化学反应工程化学反应工程从从AB 工艺学工艺学化工生产过程化工生产过程B 催化剂A传质：传质：cSc传热：传热：TST流

2、动：压力降流动：压力降概括为概括为“三传一反三传一反”62022-2-23学科发展学科发展:化学反应工程化学反应工程学科简介学科简介 学科特点：学科特点：交叉学科，涉及交叉学科，涉及物理化学物理化学、传递传递过程、过程、化工工艺学、工程控制等学科。化工工艺学、工程控制等学科。72022-2-2382022-2-2392022-2-23化学热力学：化学热力学： 主要是确定物系的各种物性常数，分析反主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度、计算反应热效应的可能性和可能达到的程度、计算反应热效应等。应等。与化学反应工程学相关的其它学科有：与化学反应工程学相关的其它学科有： 化学

3、热力学主要为化学反应工程学解决以下方面的问题化学热力学主要为化学反应工程学解决以下方面的问题提供理论依据：提供理论依据：(1) 判别化学反应过程能否发生和进行的方向。化学热力学判别化学反应过程能否发生和进行的方向。化学热力学理论表明化学反应沿着自由能降低的方向进行，因此，通过理论表明化学反应沿着自由能降低的方向进行，因此，通过自由能的计算可确定化学反应过程进行的方向。自由能的计算可确定化学反应过程进行的方向。(2) 确定化学过程进行的最大限度。化学平衡原理和平衡常确定化学过程进行的最大限度。化学平衡原理和平衡常数的计算，为确定化学反应过程进行的最大限度提供了理论数的计算，为确定化学反应过程进行

4、的最大限度提供了理论依据和方法。依据和方法。(3) 化学反应过程热效应的计算。化学反应过程热效应的计算。102022-2-23102022-2-23反应动力学：反应动力学： 主要研究化学反应进行的机理和速率。阐主要研究化学反应进行的机理和速率。阐明化学反应速率与各物理因素（温度、浓度明化学反应速率与各物理因素（温度、浓度和压力）间的定量关系。和压力）间的定量关系。 化学动力学主要为化学反应工程学解决如化学动力学主要为化学反应工程学解决如下问题提供理论依据：下问题提供理论依据：(1) 化学反应过程进行的机理。化学反应过程进行的机理。(2) 根据反应机理建立化学动力学模型，即确根据反应机理建立化学

5、动力学模型，即确立反应过程的化学反应速率与其影响因素之间立反应过程的化学反应速率与其影响因素之间的函数关系式。的函数关系式。112022-2-23催化剂：催化剂： 如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂制备时各如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等。活化和再生等。化学工艺：化学工艺： 主要是设备型式、操作方式和流程。主要是设备型式、操作方式和流程。传递工程：传递工程： 装置中的动量传递、热量传递和质量传递（简称装置中的动量传递、热量传递和质量传递（简称“三传三传”）问题。）问题。工程控制：工程控

6、制： 一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制，为此一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制，为此需了解反应过程的动态特性和有关的最优化问题。需了解反应过程的动态特性和有关的最优化问题。 122022-2-231.1 化学反应工程化学反应工程1 绪论绪论学科本身：反应器选型、设计、放大、优化学科本身：反应器选型、设计、放大、优化相互派生：聚合、催化、生化反应工程相互派生：聚合、催化、生化反应工程一、一、主要作用主要作用n改进强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力。改进强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力。n开发新的技术和设备。开发新的技术和设备。n指导和解决反应过程开发中的放大问题。指导和解决反应过程开

7、发中的放大问题。n实现反应过程的最优化。实现反应过程的最优化。n不断发展反应工程学的理论和方法。不断发展反应工程学的理论和方法。132022-2-23实现工业反应过程的实现工业反应过程的优化优化。反应器型式、结构、尺寸、操作条件。反应器型式、结构、尺寸、操作条件。优化目标优化目标c 0 0 TTTrccr令令 max: r = f (c,T) r？如二、二、研究目的：研究目的：生产任务生产任务142022-2-23各类化学各类化学反应反应化学反应化学反应规律规律传递规律传递规律各类反应器各类反应器结合结合反应结果反应结果1 反应动力学反应动力学研究化学反应进行的机理和速率。研究化学反应进行的机

8、理和速率。2 反应器设计分析反应器设计分析研究反应器内化学反应规律和研究反应器内化学反应规律和传递规律，建立数学模型，预测反应结果。传递规律，建立数学模型，预测反应结果。三、三、研究内容研究内容152022-2-23重点介绍：化学反应动力学、反应器选型、设计、优化重点介绍：化学反应动力学、反应器选型、设计、优化等内容。等内容。学习方法：学习方法：掌握反应器特点：釜式反应器、管式反应器等。掌握反应器特点：釜式反应器、管式反应器等。抓反应类型：可逆、不可逆，单一、复合，抓反应类型：可逆、不可逆，单一、复合， 平行、连串。平行、连串。紧扣传递因素：流动、传质、传热紧扣传递因素：流动、传质、传热研究结

9、合规律：反应研究结合规律：反应+流动流动-返混返混停留时间分布停留时间分布 反应反应+传热传热-热反馈热反馈-温度分布温度分布 反应反应+传质传质-转化率、收率、选择性转化率、收率、选择性-浓度分布浓度分布寻求寻求优化优化目标：目标：反应优化、操作优化、反应优化、操作优化、设备优化设备优化。要求：分主次、抓重点、记笔记、读文献、做要求：分主次、抓重点、记笔记、读文献、做“三习三习”。教学内容教学内容162022-2-23化学反应工程教学的关键词化学反应工程教学的关键词 微观动力学微观动力学（本征动力学、固有动力学）：（本征动力学、固有动力学）： 宏观动力学宏观动力学（表观动力学）：（表观动力学

10、）： 第一种宏观动力学因素：第一种宏观动力学因素：返混（因流动造成的）返混（因流动造成的） 发生在连续流动系统的化学反应过程。发生在连续流动系统的化学反应过程。 第二种宏观动力学因素：第二种宏观动力学因素：热量传递（因温差造成的）热量传递（因温差造成的） 发生在非等温热效应大的化学反应过发生在非等温热效应大的化学反应过 程。程。 第三种宏观动力学因素：第三种宏观动力学因素：质量传递（因浓差造成的）质量传递（因浓差造成的） 发生在多相（非均相）微观尺度混合的化学反应发生在多相（非均相）微观尺度混合的化学反应 过程。过程。172022-2-23172022-2-23参考书：参考书： 陈甘棠主编，化

11、学反应工程。陈甘棠主编，化学反应工程。 朱炳辰主编，化学反应工程。朱炳辰主编，化学反应工程。 张濂、许志美、袁向前，化学反应工程原理张濂、许志美、袁向前，化学反应工程原理 廖晖等编化学反应工程习题精解。廖晖等编化学反应工程习题精解。 天津大学、华东理工大学，国家精品课程、天津大学、华东理工大学，国家精品课程、 网络教学。等等网络教学。等等 182022-2-231.2 转化率、收率和选择性转化率、收率和选择性一、一、 反应进度反应进度RBARBA 化学计量关系化学计量关系 ， ， 分别为分别为A、B、R的的化学计量系数。化学计量系数。A B R 起始时起始时 nA0 nB0 nR0 某一时刻某

12、一时刻 nA nB nR反应量反应量 0RRnn 0AAnn 0BBnn R0RRB0BBA0AAnnnnnn 规定：规定：反应物反应物化学计量系数化学计量系数取负值取负值，产物取正值。产物取正值。 192022-2-23 R0RRB0BBA0AAnnnnnn反应进度反应进度正值正值任何反应组分的反应量与其任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比为一恒值。化学计量系数之比为一恒值。 i0iinn 推广到推广到M个反应体系：任一组分个反应体系：任一组分i的总反应量等的总反应量等于在各个反应中反应量的代数和。即于在各个反应中反应量的代数和。即反应量：反应量： M1jjij0iinn 式中：式中：

13、第第j个反应中组分个反应中组分i的化学计量系数。的化学计量系数。ij 化化学学计计量量系系数数反反应应量量反反应应进进度度202022-2-23指某一指某一反应物反应物转化的百分率或分率。转化的百分率或分率。定义定义该该反反应应物物的的起起始始量量某某一一反反应应物物的的转转化化量量 X考虑反应：考虑反应：RBARBA 对间歇反应器：对间歇反应器：式中：式中：nA0反应开始时反应开始时A的摩尔数。的摩尔数。 nA 反应到某一时刻时所剩反应到某一时刻时所剩A的摩尔数。的摩尔数。 nnnX0AA0AA 0BB0BBnnnX )X-(1nXnn n A0AA0A0AA 二、二、转化率：转化率：212

14、022-2-23对连续反应器：对连续反应器：FA0反应器进口处反应器进口处A的摩尔流量。的摩尔流量。FA 反应器某处反应器某处A的摩尔流量。的摩尔流量。FAf反应器出口处反应器出口处A的摩尔流量。的摩尔流量。0AA0AAFFFX 0AAf0AAfFFFX 222022-2-23 mol7 4 t mol12 8 0tO6H4NO5O4NH 1223）（时时）（时时例例： %100%3 .8312212x %100808x mol2 0 t 23ONH2 ）（时时%7 .4112712x2O %50848x 3NH 关键组分（着眼组分）关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分。为不过量、贵重的组

15、分。 针对关键组分计算，可使针对关键组分计算，可使X最大到最大到100% 232022-2-23 对于连续反应器，进口处的状态。对于连续反应器，进口处的状态。 间歇反应器，开始反应时的状态。间歇反应器，开始反应时的状态。 串联使用的反应器，以进入第一个反应器的串联使用的反应器，以进入第一个反应器的原料为准。原料为准。转化率与反应进度的关系转化率与反应进度的关系0iiinX 起始状态选择原则：起始状态选择原则：P4 例例1.1242022-2-23三、三、收率与选择性收率与选择性是对是对反应产物反应产物而言的而言的1、收率、收率 Y关关键键组组分分起起始始量量关关键键组组分分量量生生成成反反应应

16、产产物物所所消消耗耗的的收收率率Y关关键键组组分分起起始始量量反反应应产产物物的的生生成成量量RA 16 2t t 0 10 0t R2 A 如：如：%80%100108XA %80%100108YR %80%100101621YR 252022-2-23对于单一反应对于单一反应 Y=X(关键组分关键组分) OH2CO2O3HCCHOCHO21HC2224222242 主反应主反应目的产物目的产物副反应副反应副产物副产物0n 0n 对于复杂反应对于复杂反应YX投入投入n0262022-2-232 选择性选择性S（对产物而言）（对产物而言）已已转转化化关关键键组组分分量量关关键键组组分分量量生生

17、成成目目的的产产物物所所消消耗耗的的选选择择性性S如有副反应发生，选择性总是小于如有副反应发生，选择性总是小于100 OH2CO2O3HCCHOCHO21HC2224222242 S对单一反应对单一反应 S=1272022-2-23该该反反应应物物的的起起始始量量某某一一反反应应物物的的转转化化量量转转化化率率 X 关关键键组组分分起起始始量量关关键键组组分分量量生生成成反反应应产产物物所所消消耗耗的的收收率率 Y 已已转转化化关关键键组组分分量量关关键键组组分分量量生生成成目目的的产产物物所所消消耗耗的的选选择择性性 S 关系关系SXY 282022-2-23例例1.2 在银催化剂上进行乙烯

18、氧化反应以生产在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进入催化反应器的气体中各组分环氧乙烷，进入催化反应器的气体中各组分的摩尔分数分别为的摩尔分数分别为 反应器出口气体中含反应器出口气体中含C2H4和和O2的摩尔分数分的摩尔分数分别为别为13.1%，4.8%。试计算乙烯的转化率、。试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率和反应选择性。环氧乙烷收率和反应选择性。 C2H415%,O27%,CO210%,Ar12%,其余为其余为N2。解：以解：以100mol进料为计算基准，并设进料为计算基准，并设x和和y分分别表示环氧乙烷和二氧化碳的生成量别表示环氧乙烷和二氧化碳的生成量,根据题根据题给的进料组成和该

19、反应系统的化学计量式计给的进料组成和该反应系统的化学计量式计算出口物料组成算出口物料组成.292022-2-23OHCOOHCCHOCHOHC222422224222321 302022-2-23由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知,所以所以解之得解之得乙烯的转化量为乙烯的转化量为乙烯的转化率等于乙烯的转化率等于 环氧乙烷的收率环氧乙烷的收率将乙烯转化率及环氧乙烷收率代入式将乙烯转化率及环氧乙烷收率代入式1.12,得反应选择性得反应选择性048. 02/x1002/y32/x7 131. 02/x1002/yx15 0.989moly ,mol5

20、04. 1x %)24.75(7524. 01333. 0/1003. 0S mol999. 12/989. 0504. 1 %)33.13(1333. 015/999. 1 %)03.10(1003. 015/504. 1 312022-2-23 由此可见，乙烯由此可见，乙烯转化率转化率和环氧乙烷和环氧乙烷收率收率都都很很低低，实际生产中是将反应器出来的气体用水，实际生产中是将反应器出来的气体用水吸收以除去环氧乙烷，用碱吸收除去二氧化碳，吸收以除去环氧乙烷，用碱吸收除去二氧化碳，余下的气体用循环压缩机压缩后与新鲜乙烯和余下的气体用循环压缩机压缩后与新鲜乙烯和氧相混合，送入反应器中继续反应，这

21、样便构氧相混合，送入反应器中继续反应，这样便构成了一个成了一个循环过程循环过程。显然由于未反应的乙烯。显然由于未反应的乙烯再再循环循环，从而，从而提高提高了乙烯的转化率和环氧乙烷的了乙烯的转化率和环氧乙烷的收率收率。 322022-2-23四、有物料循环系统四、有物料循环系统 全程转化率全程转化率 单程转化率单程转化率单程收率单程收率：以反应器进口物料为基准。：以反应器进口物料为基准。全程收率全程收率：以新鲜原料为基准。以新鲜原料为基准。 全程收率全程收率 单程收率单程收率单程转化率单程转化率：以反应器进口物料为基准。：以反应器进口物料为基准。全程转化率全程转化率：以新鲜原料为基准。：以新鲜原

22、料为基准。121AAAAFFFx 021AAAAFFFx 0A1AFF 332022-2-23五、五、 原子经济性原子经济性(atom economy) ( 或原子利用率或原子利用率atom utilization AU) 1991年年stanford大学的大学的Barry M Trost教授提出教授提出“原子经济性原子经济性”概念概念 ，1998年获美国年获美国“总统绿色总统绿色化学挑战奖化学挑战奖” 的学术奖的学术奖 。 产物产物废物或副产物废物或副产物废物废物为零为零A + BC + DA + BC +% 被被利利用用原原子子的的质质量量原原子子利利用用率率（ ）反反应应中中使使用用的的

23、全全部部反反应应物物分分子子的的质质量量342022-2-23六、六、E因子与环境商因子与环境商 1992年荷兰有机化学家年荷兰有机化学家Roger A Shelod提出提出E因子因子（环境因子），（环境因子），之后又提出之后又提出环境商环境商EQ(environment quotient)：E废废弃弃物物的的质质量量（kg)kg)因因子子目目的的产产物物的的质质量量（kg)kg)EQ=EQ Q是根据废弃物在环境中的行为给出的对环境的不是根据废弃物在环境中的行为给出的对环境的不友好度。如将友好度。如将NaCl和和(NH4)2SO4的定义为的定义为1，对有害金，对有害金属离子的盐、有机中间体和含

24、氟化合物等，根据其毒性属离子的盐、有机中间体和含氟化合物等，根据其毒性大小，的取值在大小，的取值在10-1000。352022-2-23该该反反应应物物的的起起始始量量某某一一反反应应物物的的转转化化量量转转化化率率 X 关关键键组组分分起起始始量量关关键键组组分分量量生生成成反反应应产产物物所所消消耗耗的的收收率率 Y 已已转转化化关关键键组组分分量量关关键键组组分分量量生生成成目目的的产产物物所所消消耗耗的的选选择择性性 S 关系关系SXY 小结小结362022-2-23 例：每例：每100 kg乙烷（纯度乙烷（纯度100）在裂解器中）在裂解器中裂解，产生裂解，产生 46.4 kg乙烯，乙

25、烷的单程转化率乙烯，乙烷的单程转化率为为60，裂解气经分离后，所得到的产物气体，裂解气经分离后，所得到的产物气体中含有中含有4 kg乙烷，其余未反应的乙烷返回裂解乙烷，其余未反应的乙烷返回裂解器，求乙烯的选择性，单程收率，总收率和乙器，求乙烯的选择性，单程收率，总收率和乙烷的总转化率。烷的总转化率。裂解器裂解器反应量反应量H分离器分离器新鲜新鲜乙烷乙烷F未反应乙烷循环未反应乙烷循环Q产品乙烯产品乙烯4kg乙烷乙烷46.4kg分析：分析：100kg22233HCHCHCHCH 372022-2-23 H100 6060kg Q100H410060436kg F1003664kg46.4 28 S

26、10082.86%60 3046.4 28 Y10049.71%100 3046.4 28 Y10077.68%64 30 单单全全反反应应掉掉乙乙烷烷量量乙乙烷烷循循环环量量 新新鲜鲜乙乙烷烷量量乙乙烯烯选选择择性性单单程程收收率率全全程程收收率率全全程程转转化化率率H60 X10093.75%F64 XX ,YY 全全单单全全单单全全382022-2-231.3 化学反应器的类型化学反应器的类型 一一 、化学反应的分类、化学反应的分类392022-2-23化学反应的分类化学反应的分类按反按反应的应的化学化学特性特性分类分类反应机理反应机理(1) 单一反应；单一反应；(2) 多重反应多重反应

27、(平行反应、连串反应、连串平行反应、连串反应、连串-平行反应、集总反应平行反应、集总反应)反应的可逆性反应的可逆性(1) 可逆反应；可逆反应；(2) 不可逆反应不可逆反应反应的分子数反应的分子数(1) 单分子反应；单分子反应；(2) 双分子反应；双分子反应；(3) 三分子反应三分子反应反应级数反应级数(1) 一级反应；一级反应；(2) 二级反应；二级反应；(3) 三级反应；三级反应；(4) 零级反应；零级反应；(5) 分数级反应分数级反应反应热效应反应热效应(1) 放热反应；放热反应；(2 )吸热反应吸热反应按反按反应过应过程进程进行的行的条件条件分类分类均均相相催化反应催化反应(1) 气相反

28、应；气相反应；(2) 液相反应液相反应非催化反应非催化反应多多相相催化反应催化反应液液-液相反应；液相反应；(2) 气气-液相反应；液相反应；(3) 液液-固相反应；固相反应；(4) 气气-固相反应；固相反应；(5) 固固-固相反应；固相反应；(6) 气气-液液-固三相反应固三相反应非催化反应非催化反应温度温度(1) 等温反应；等温反应；(2) 绝热反应；绝热反应；(3) 非绝热变温反应非绝热变温反应压力压力(1) 常压反应；常压反应；(2) 加压反应；加压反应；(3) 减压反应减压反应操作方法操作方法(1) 间歇过程；间歇过程；(2) 连续过程；连续过程； (3) 半间歇过程半间歇过程(1)

29、 定态过程；定态过程；(2) 非定态过程非定态过程流动模型流动模型(1) 理想流动模型理想流动模型(平推流、全混流平推流、全混流)；(2) 非理想流动模型非理想流动模型402022-2-23二二 反应器的分类反应器的分类1） 按物料的相态分类按物料的相态分类 可分为均相反应器与非均相反应器。可分为均相反应器与非均相反应器。 均相反应特性是，无相界面，反应速率只与浓度均相反应特性是，无相界面，反应速率只与浓度或温度有关。非均相反应特征是，有相界面，反应或温度有关。非均相反应特征是，有相界面，反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关。速率与相界面大小及相间扩散速率有关。 2） 按反应器的结构形式分类

30、按反应器的结构形式分类 可分为反应釜（包括多釜串联），管式反应器，可分为反应釜（包括多釜串联），管式反应器，塔式反应器，固定床，流化床，回转筒式反应器，塔式反应器，固定床，流化床，回转筒式反应器，喷嘴式反应器等。喷嘴式反应器等。412022-2-23412022-2-23二二 反应器的分类反应器的分类422022-2-23管式反应器管式反应器特征：长度特征：长度管径。内部是空的，不设置任何构件。管径。内部是空的，不设置任何构件。 多用于均相反应。如裂解炉。多用于均相反应。如裂解炉。 432022-2-23釜式反应器（又称反应釜，搅拌反应器）釜式反应器（又称反应釜，搅拌反应器） 特征特征:反应器

31、高度与直径相反应器高度与直径相当或稍高。当或稍高。 釜内设有搅拌装置和釜内设有搅拌装置和挡板。挡板。 常带夹套或釜内放置常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜蛇管，传热以维持釜内所需温度。内所需温度。 适用于液相反应、气适用于液相反应、气液反应、液液反应、液反应、液液反应、液固反应、气液固三液固反应、气液固三相反应。相反应。 442022-2-23452022-2-23多釜串联多釜串联462022-2-23各种各种 搅拌桨的形式搅拌桨的形式 472022-2-23搅拌釜的各种换热形式搅拌釜的各种换热形式 482022-2-23塔式反应器塔式反应器 填料塔填料塔 板式塔板式塔 喷雾塔喷雾塔 鼓泡塔

32、鼓泡塔特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。492022-2-23固定床反应器固定床反应器 根据换热方式不同根据换热方式不同,可分为三种型式：可分为三种型式： (1)换热式固定床反应器换热式固定床反应器 (2)绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器(3)自热式固定床反应器自热式固定床反应器502022-2-23流化床反应器流化床反应器 特征：反应器内固体粒子

33、可以象流体一样被流化起来。特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。 适用于气固，液固，气液固反应。如：适用于气固，液固，气液固反应。如：a、催化剂快速、催化剂快速失活需立即再生的失活需立即再生的 b、强放热反应：丙烯氨氧化，萘、强放热反应：丙烯氨氧化，萘氧化氧化 c、固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧。、固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧。512022-2-23 相关链接相关链接磁稳定流化床开发磁稳定流化床开发l1970年去伊朗了解了国外反应工程前沿，磁稳定流化床的优越性l新催化材料配套开发新反应器科研开发的经验充分发挥催化材料的性能往往需要开发新反应工程分子筛裂化催化剂非晶态合金具有

34、良好低温加氢活性和磁性 配套开发磁稳定床配套开发磁稳定床床层流化床床层流化床提升管反应器提升管反应器522022-2-23 l搅拌釜反应器搅拌釜反应器l返混严重，效率低返混严重，效率低l催化剂分离困难催化剂分离困难l磁场控制催化剂，形成流化磁场控制催化剂，形成流化态的固定床态的固定床l兼有流化床和固定床的优点兼有流化床和固定床的优点磁稳定床代替搅拌釜磁稳定床代替搅拌釜 实现实现原始创新原始创新532022-2-23磁稳定床加氢装置反应器反应器引进的搅拌釜引进的搅拌釜磁稳定床磁稳定床体积（体积（m3）203.2催化剂单耗催化剂单耗(Kg/t)0.210.06l 提高优级品产率提高优级品产率l 当

35、年创效当年创效1500万元万元工业应用现状工业应用现状2003年世界上首次建成第一套磁稳定床己内酰胺加氢精制装置年世界上首次建成第一套磁稳定床己内酰胺加氢精制装置目前已建目前已建5套工业装置套工业装置科研中的发现科研中的发现磁稳定床的操作相图，保证反应保持在链式状态磁稳定床的操作相图，保证反应保持在链式状态磁稳定床操作相图01020304050607080901000.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.85链状区3.22.51.81.40.7UL(x10-2m/s)1.1散粒区磁聚区 床层空隙率磁场强度 H (kA/m) 散粒状态散粒状态 链式状态

36、链式状态 磁聚状态磁聚状态最佳操作状态最佳操作状态工业化过程中的创新工业化过程中的创新l均匀磁场的磁稳定床的设计l建立了均匀磁场设计数学模型l己内酰胺溶解氢加氢精制新工艺磁稳定床反应器结构示意图“非晶态合金催化剂与磁稳定床反应非晶态合金催化剂与磁稳定床反应工艺的创新与集成工艺的创新与集成”中的联想中的联想l市场需求市场需求l科研开发经验的启示科研开发经验的启示l不同专业和学科的交叉不同专业和学科的交叉l非晶态合金催化剂制造中的发现与发明非晶态合金催化剂制造中的发现与发明l磁稳定流化床开发中的技术创新磁稳定流化床开发中的技术创新联想源于博学广识联想源于博学广识创新中的集体创新中的集体l石油化工科

37、学研究院l原东北工学院材料系l复旦大学化学系l中国石化巴陵分公司l中国石化石家庄化纤公司l中国石化工程建设公司l 联想源于集体智慧联想源于集体智慧582022-2-23更好的创新更好的创新 还看我们在坐的各位还看我们在坐的各位 Richard Foster著著“Innovation: the Attackers Advantage创创新新:进攻者的优进攻者的优势势”592022-2-23移动床反应器移动床反应器 特征：固体颗粒自反特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，应器顶部连续加入，自上而下移动，由底自上而下移动，由底部卸出。反应流体与部卸出。反应流体与颗粒成逆流接触。颗粒成逆流接触。适用：催

38、化剂需要连适用：催化剂需要连续再生的催化反应、续再生的催化反应、固相加工反应。固相加工反应。 固体颗粒从塔顶加入循环固体颗粒从塔顶加入循环 GGSS( i )602022-2-23滴流床反应器滴流床反应器 特征：反应器内催化剂特征：反应器内催化剂也是固定不动的。广义也是固定不动的。广义上的固定床反应器。上的固定床反应器。适用：液固及气液固三适用：液固及气液固三相反应。如石油馏份加相反应。如石油馏份加氢精制、脱硫等。氢精制、脱硫等。优点：液体不需要加热优点：液体不需要加热变成气体，节省能源。变成气体，节省能源。 适用固体催化剂的气液反应，适用固体催化剂的气液反应，采用并流或逆流。采用并流或逆流。

39、LGGL( j )612022-2-23回转筒式反应器回转筒式反应器喷嘴式反应器喷嘴式反应器适用于气固相、固固相。适用于气固相、固固相。适用于气相、液相适用于气相、液相(高速高速反应反应)622022-2-23632022-2-23642022-2-23652022-2-23662022-2-23672022-2-23682022-2-23692022-2-23702022-2-231.4 化学反应器的操作方式化学反应器的操作方式1. 间歇操作间歇操作（分批操作）（分批操作）间歇反应器间歇反应器特点：特点：1）非定态反应过程。）非定态反应过程。2）恒容过程）恒容过程一一 按操作的连续性分：按操

40、作的连续性分：间歇间歇 、连续、半连续操作连续、半连续操作712022-2-232.连续操作连续操作 连续操作连续操作连续反应器（流动反应器）连续反应器（流动反应器） 特点：特点： 1）多属于定（常）态操作。）多属于定（常）态操作。 2）连续反应器适用于大规模生产。）连续反应器适用于大规模生产。 722022-2-23 原料与产物只要其中有一种为连续流入或流出，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，这样的操作方式而其余则为分批加入或卸出，这样的操作方式半连续操作。半连续操作。 3.半连续半连续(半间歇半间歇)操作操作二二 按加料方式分：按加料方式分： 一次加料、分

41、批加料和分段加料一次加料、分批加料和分段加料 732022-2-23l选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 l确定最佳操作条件确定最佳操作条件 l计算反应体积，确定主要尺寸。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。反应体积的确定，是反应器设计的核心内容。 1.5 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 一一 、反应器设计内容：反应器设计内容：二、二、 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程：物料衡算式物料衡算式描述器内浓度变化，描述器内浓度变化， 对对i在在控控制体积内制体积内（i的输入速率）的输入速率）(i的输出速率的输出速率)（i的转化速率）的转化速率

42、） （i的累积速率）的累积速率）742022-2-23热量衡算式热量衡算式描述器内温度变化描述器内温度变化（单位时间输入的热量）（单位时间输出的热（单位时间输入的热量）（单位时间输出的热量）（单位时间的量）（单位时间的 反应热）（单位时间内反应热）（单位时间内累积的热量）累积的热量）动量衡算式动量衡算式描述器内压力变化描述器内压力变化 （输入动量）（输入动量）(输出动量输出动量)（消耗动量）（消耗动量）（累积动量）（累积动量）模式模式：（输入）（输入）=（输出）（输出）+（消耗）（消耗）+（累积）（累积）动力学方程式动力学方程式描述器内反应速率描述器内反应速率参数计算式参数计算式计算某些物性参

43、数计算某些物性参数 752022-2-231.6 工业反应器的放大工业反应器的放大 762022-2-23一一 、逐级经验放大法、逐级经验放大法 772022-2-23二、二、 数学模型方法数学模型方法 步骤：步骤： 1)实验室规模实验：实验室规模实验：新产品的合成，研究反应动力学新产品的合成，研究反应动力学 2)小型试验：小型试验： 3)大型冷模试验：大型冷模试验：用空气，水，砂代替反应原料中的用空气，水，砂代替反应原料中的 （g-l-s三相）；用玻璃，有机玻璃等代替钢材。三相）；用玻璃，有机玻璃等代替钢材。 目的：考察传递过程规律。目的：考察传递过程规律。 4)中试：中试：不但规模增大，且

44、在流程与设备形式上都与生不但规模增大，且在流程与设备形式上都与生 产车间十分接近。产车间十分接近。 目的：目的：(1)对数学模型进行检验与修正。为设计大厂提对数学模型进行检验与修正。为设计大厂提供有用的信息。供有用的信息。(2)对催化剂的寿命，活性，设备的腐蚀对催化剂的寿命，活性，设备的腐蚀情况等进行考察。情况等进行考察。 5)计算机模拟计算试验：计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四步之中这一步贯穿在上述四步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模。对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，最终建立能预测大型反型，预测下一阶段的反应器性能，最

45、终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完成大型反应器的设计。应器工况的数学模型，完成大型反应器的设计。 782022-2-23实验室规模试验小型试验大型冷模试验化工过程的数学模型传递过程的数学模型反应器的数学模型反应器设计时要考虑经济效益、社会效益和反应器设计时要考虑经济效益、社会效益和生产的安全性生产的安全性1.7 化学工程学科研究领域的进展化学工程学科研究领域的进展1.由宏观尺度研究向时空多尺度研究发展由宏观尺度研究向时空多尺度研究发展 以前：单一宏观尺度以前：单一宏观尺度 实际：物质转化过程涉及多尺度问题，包括分实际：物质转化过程涉及多尺度问题，包括分子尺度、纳米尺度（纳米超细颗粒）、毫

46、米尺度子尺度、纳米尺度（纳米超细颗粒）、毫米尺度（气泡、液滴、结晶）、厘米尺度（气泡凝并、（气泡、液滴、结晶）、厘米尺度（气泡凝并、液滴聚合、颗粒团聚、米尺度（设备液滴聚合、颗粒团聚、米尺度（设备）十米尺）十米尺度（装置、系统）。度（装置、系统）。 学科发展的里程碑成果：学科发展的里程碑成果：“单元操作单元操作”和传递过程原理和传递过程原理” 现在：时空多尺度化学工程研究阶段现在：时空多尺度化学工程研究阶段2.由过程导向向产品导向发展由过程导向向产品导向发展 传统的化学工程以过程为导向，主要解决如何去做传统的化学工程以过程为导向，主要解决如何去做的问题，新的化学工程以产品为导向，主要解决做什的

47、问题，新的化学工程以产品为导向，主要解决做什么的问题。么的问题。 产品化学工程的目的是：如何以高效率、高速率、产品化学工程的目的是：如何以高效率、高速率、高收率、低成本的最优化为目标，按市场需求，应用高收率、低成本的最优化为目标，按市场需求，应用化学工程原理设计和制造专用化学品。化学工程原理设计和制造专用化学品。3.由简单物系向复杂物系发展由简单物系向复杂物系发展 反应工程，均相到两相、三相。反应工程，均相到两相、三相。 系统工程，单纯系统到综合系统、大型化工企业系统工程，单纯系统到综合系统、大型化工企业全系统优化。全系统优化。4.由复杂工艺路线向简单工艺路线发展由复杂工艺路线向简单工艺路线发

48、展 化学工程的研究对象日趋复杂，但化工产品的化学工程的研究对象日趋复杂，但化工产品的工艺路线日趋简单。工艺路线日趋简单。5.由简单过程向耦合过程发展由简单过程向耦合过程发展 反应反应分离耦合过程研究趋热，不少已应用。分离耦合过程研究趋热，不少已应用。如反应如反应精馏、反应精馏、反应萃取、反应萃取、反应结晶、反结晶、反应应膜分离、反应膜分离、反应成型。成型。6.由定态向非定态发展由定态向非定态发展7.由常规小分子向高分子、大分子发展由常规小分子向高分子、大分子发展 由于精细化工及材料化工的进展，研究对象由于精细化工及材料化工的进展，研究对象已从一般化合物延伸到有机大分子、聚合物高已从一般化合物延

49、伸到有机大分子、聚合物高分子与生物分子。分子与生物分子。8.由描述现象向阐述机理发展由描述现象向阐述机理发展10.由极限条件向温和条件发展由极限条件向温和条件发展9.由理想溶液向非理想溶液发展由理想溶液向非理想溶液发展超临界分离、超临界反应，需研究超临界状态下超临界分离、超临界反应，需研究超临界状态下的非理想溶液特性。聚合物加工需研究高黏性流的非理想溶液特性。聚合物加工需研究高黏性流体的非牛顿流体特性。体的非牛顿流体特性。12.由探索试验向有效预测发展由探索试验向有效预测发展 利用计算机进行分子设计、合成路线设计利用计算机进行分子设计、合成路线设计11.由非生命体系向有活体体系发展由非生命体系

50、向有活体体系发展 生物化工研究有活体存在的体系的化学工程问题生物化工研究有活体存在的体系的化学工程问题832022-2-23 掌握转化率、选择性和收率的概念及掌握转化率、选择性和收率的概念及在反应器设计中的应用在反应器设计中的应用 掌握反应器的操作方式及反应器设掌握反应器的操作方式及反应器设计的基本方程。计的基本方程。作业：作业：P13 1.1 补充作业补充作业第一章第一章 小结小结842022-2-23 乙苯脱氢反应在一绝热式固定床反应器中进行，乙苯脱氢反应在一绝热式固定床反应器中进行，生产流程如图所示生产流程如图所示测得如下数据：进反应器的乙苯的量为测得如下数据：进反应器的乙苯的量为100

51、kg/h，而反应器出口物料经分析得知其中乙苯的流量为而反应器出口物料经分析得知其中乙苯的流量为46kg/h，产品苯乙烯流量为，产品苯乙烯流量为48kg/h。假设分离回。假设分离回收中无损失，试计算此反应过程中乙苯的转化率、收中无损失，试计算此反应过程中乙苯的转化率、苯乙烯的选择性、单程收率和全程收率。苯乙烯的选择性、单程收率和全程收率。反应器反应器分离器分离器原料乙苯原料乙苯过热水蒸气过热水蒸气未反应乙苯回收循环未反应乙苯回收循环产品苯乙烯产品苯乙烯852022-2-23附附1：反应工程学基础理论中体积、时间概念：反应工程学基础理论中体积、时间概念体积体积 讨论反应器中进行的化学反应过程时，将要涉及如下几种体积概讨论反应器中进行的化学反应过程时，