化学反应器理论-1-绪论-copy.ppt

化 学 反 应 器 理 论 文利雄有机无机复合材料国家重点实验室教育部超重力工程研究中心 北京化工大学化学工程学院 ()1.Time&Classroom Week 1-13Thursday 13:00 16:25 Room:北阶六 Credits:3.0 Hours:48 2.Syllabus（教学大纲）预修课程：化学反应工程及相关基础 课程简介：围绕化工、能源、环境、新材料等工业过程，重点剖析化学反应器的基本原理、理论和设计方法，阐述反应器的工业放大规律和方法，介绍工业反应器的操作和控制等，以便较系统地了解和掌握化学反应器理论及设计。教材：陈甘棠，化学反应工程，第三版，北京：化学工业出版社，20073.参考书 1.O.Levenspiel,Chemical Reaction Engineering,John Wiley&Sons,Third Edition,1999 2.G.F.弗罗门特，K.B.比肖夫，反应器分析与设计，北京：化学工业出版社，19853.孙宏伟，段雪主编，化学工程学科前沿与展望，北京：科学出版社，2012 4.张成芳编，气液反应和反应器，北京：化学工业出版社，19855.郭锴等编，本校化学反应工程教材4.AChemical Reaction Engineering 3rd edition by Octave LevenspielDr.Seuss of Chemical EngineeringDr.Seuss of Chemical Engineering 5.Supplementary（参考教材）BEYOND THE MOLECULAR FRONTIER Challenges for Chemistry and Chemical Engineering The National Academies Press,USAThe National Academies Press,USA Free online6.Supplementary Beyond transport phenomena and reaction engineering Mooson Kwauk（郭慕孙）Chemical Engineering Science 59(2004)1613 1616Top ChE journals?7.成绩 考试：占70；作业包括 PPT演讲：占15；平时表现成绩：占15。8.Requirements Finish and turn in home work Self study Code of honor Interactive Be creative Turn off/set mobile to vibration9.教学大纲内容与安排 绪论绪论 反应器理论基础反应器理论基础 固定床催化反应器固定床催化反应器 流化床反应器流化床反应器 PPTPPTPPTPPT演讲演讲 其它多相流反应器其它多相流反应器 超重力旋转填充床反应器超重力旋转填充床反应器 聚合反应工程聚合反应工程10.第一章 绪 论1.1 1.1 化学反应器理论在战略新兴产业、传统产业中的应用和作用 化学反应的应用和作用化学反应的应用和作用制造新物质、消除有害物、降低制造新物质、消除有害物、降低能耗能耗 生命科学：制药工业生命科学：制药工业 信息工业：计算机芯片制造、信息工业：计算机芯片制造、信息材料信息材料 纳米科技：纳米材料、纳米器件制造纳米科技：纳米材料、纳米器件制造 能源：石油工业，煤化工，生物质能源能源：石油工业，煤化工，生物质能源 环境工业：脱硫脱硝、碳捕集、生化反应水治理等环境工业：脱硫脱硝、碳捕集、生化反应水治理等 传统工业：化工、纺织、冶金、建筑传统工业：化工、纺织、冶金、建筑.11.化学反应器化学反应过程进行并得以实现的化学反应过程进行并得以实现的环境和场地，即装置。环境和场地，即装置。化学反应器 影响和决定反应结果与效果，在高新技术领域中，是技术和过程实现的核心。12.Chemical Plant13.ChemicalEquipment14.15.Industrial examples(I)Production of Synthesis Gas-Reforming Synthesis gas:A mixture of CO and H2 Is produced from natural gas by reaction with H2O and O2:CH4+H2O CO+3H2CH4+O2 CO+2H2CH4+2O2 CO2+2H2OCO+H2O CO2+H2 Synthesis gas is applied for the production of many bulk chemicals such as methanol,ammonia,hydrogen,liquid fuels(gasoline and methanol),formic and acetic acid.Industrial examples(I)Production of Synthesis GasAuto-thermal reforming reactor:Initial sub-stoichiometric com-bustion followed by a catalytic conversion in a packed bed.Eposition.Industrial examples(II)Power plant for combustion of gas/oil/coal/biomass1.Boiler(reactor，流化床)7.DeNOx reactor2.Mills8.Air preheater3.Burners9.Electro filter4.Turbine/generator10.Desulfurization5.Condensator11.Gypsum storage6.Feed water pump12.Chimney.Industrial examples(II)Power plant for combustion of gas/oil/coal/biomassDeNOx reactor:Main reaction:NO+NH3+O2 N2+3/2H2OCharacteristics:Catalyst:V2O5/WO3 on a TiO2 carrierOperating temperature:300-400 CNOx-reduction:80-90%Life time:3-5 years by HD coal comb.Industrial examples(II)Power plant for combustion of gas/oil/coal/biomassDesulfurization:SO2(g)+CaCO3(s)+O2(g)+2H2O CaSO4,2H2O(s)+CO2(g)Three-phase slurry reactor:.CompressorMixing of nutrient mediumWaterInoculation flaskSeed fermenterAirSterile filterFermented broth forrecovery of enzymeCooling waterExhaustSterilizationRaw materialsGround grain/cornStarchGlucoseSugarSoy bean mealGlutenCorn steep liquorCaseinPhosphatesSulphatesAmmonium saltsCarbohydrates:Proteins:Salts:FermentationIndustrial examples(III).Batch Reactor（间歇反应器）Fed-batch.Batch reactorPharmaceutical production Batch reactor at Lundbeck.Why Batch Reactors?It is used for:Small scale operations Intermediate or one shot production/testing new processes Pharmaceutical/Fermentation Gas/Liquid/Liquid-Solid phase reaction Advantage:High conversion Operational flexibility Disadvantage:High labor cost Product quality may vary Difficult but possible to achieve large scale production.Continuous Stirred Tank Reactor(CSTR)Mixed Flow Reactor（全混流）.Why CSTR It is used for:Processes requiring agitation Mostly liquid phase reactions Advantage:Continuous operation(normally operated at steady state)Good temperature control Low cost Disadvantage:Low conversion of reactants,but there are exceptions Why do we get low conversion?.Tubular Reactor(Plug Flow Reactor(PFR)，平推流).Why Tubular Reactors It is used for:Gas phase reactions Large scale,fast reactions Advantage:Continuous operation Relatively easy to maintain High conversion Low operating cost Disadvantage:Difficult to control temperature for exothermic or endothermic reactions.Other Reactors Semibatch Fed-batch Typically one reactant is charged initially and the other is fed continuously Tubular fixed(packed)bed reactor Tubular reactor packed with catalyst particles Fluidized bed reactor:Catalyst particles are fluidized by the reaction mixture flowing upwards through the fluidized particles Transport reactors:Catalyst/solid reactant particles are entrained by the reaction mixture.Fluidized bed catalytic reactors for exothermic reactions 丙烯腈顺丁烯二酐,马来酸酐 Some more reactors(II).Complicated reactors31.32.Reaction types Homogeneous single-phase:Gas phase Liquid phase Heterogeneous two-phase reactions:Gas fixed(solid)catalyst Gas solid reactant Liquid fixed(solid)catalyst Liquid liquid(immiscible)Gas-liquid Heterogeneous three-phase reactions:Gas liquid solid catalyst.北京化工大学北京化工大学 石油化工知识石油化工知识概 述黑色褐色或黄色的流动或半流动的粘稠液体，相对密度一般介于0.800.980.800.98之间，比水略轻石油的元素组成 石石 油油石油化工石油化工 石油化学工业简称石油化工，指以石油和天然气为原料，生产石油产品和石油化工产品的加工工业，是化学工业的重要组成部分 传统化工传统化工 34常减压蒸馏原油原油汽油馏分煤柴油馏分润滑油馏分渣油催化重整催化加氢催化裂化热加工汽油煤油柴油重质油燃料油润滑油沥 青石 蜡石油焦“三苯”乙烯丙烯丁二烯“三烯”有机化工原料苯甲苯二甲苯合成树脂高压聚乙烯低压聚乙烯线性低密度聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚苯乙烯合成纤维涤纶腈纶锦纶丙纶维纶其他（碳纤维等）合成橡胶丁苯橡胶顺丁橡胶 氯丁橡胶丁腈橡胶其他石油炼制工业石油产品石化产品石油化工产业链 35北京化工大学北京化工大学 石油化工知识石油化工知识中国燕山石化公司炼油车间分离平台36北京化工大学北京化工大学 石油化工知识石油化工知识纤维氯乙烯氨氧化催化 氧化催化氧化催化 氧化催化 氧氯化催化网球拍高尔夫球棍毛衣温室塑料棚酐石脑油（轻汽油）丁烯乙烯萘丙烯涂料顺苯酐维碳纤头盔 二甲苯聚酯石化工业FRP船丙烯腈37北京化工大学北京化工大学 石油化工知识石油化工知识（1 1）抗生素药物的制备应用实例甲苯缩合醚化胺化环合水解中和哌嗪化成盐原原料料药药产产品品结晶分离纳米化纳米抗生素药物38北京化工大学北京化工大学 石油化工知识石油化工知识（2 2）洗衣粉的制备应用实例十二烷基苯磺酸盐缩合十二烷基苯磺化抗再沉淀剂泡沫促进剂 荧光增白剂 料浆调理剂 酶制剂 香料色素其它助剂洗衣粉其它表面活性剂原油丙烯苯有机化工原料丙烯四聚物裂解重整十二烷基苯磺酸盐（表面活性剂）39例：涤纶的合成（对二甲苯）HOCCOCH2CH2OHOOn重复结构单元 结构单元 结构单元+（乙二醇）（对苯二甲酸）nn（涤纶）（3 3）合成纤维 合成纤维是以石油、天然气为原料，经过一系列反应合成的高分子化合物，经纺丝和后加工而制得的纤维 我国合成纤维年产量为1860万吨占全球产量的32%（2006）氧化CH2=CH2氧化化纤衣服应用实例40.北京化工大学北京化工大学 石油化工知识石油化工知识聚酯纤维（涤纶或的确良）聚酰胺6 6纤维（锦纶或尼龙6 6）聚丙烯腈纤维（腈纶）聚丙烯纤维（丙纶）聚乙烯醇缩甲醛纤维（维纶）特种纤维 耐腐蚀、耐高温、高强度等 （碳纤维）常见合成纤维41传统产业节能减排应用-化学工业的地位与问题地位国民经济的重要支柱产业的重要支柱产业 美、德国产业排序美、德国产业排序第第2 2位位 我国创造了我国创造了12%12%的的GDPGDP值值(工业总产值的工业总产值的30%30%)问题高能耗、高污染和高物耗问题高能耗、高污染和高物耗能源消费量约占全国总能源量的9%，占全国工业能源消费总量的近17%废水排放量占全国工业废水排放总量的 16，居第1位42.43化学工业节能减排-国家重大紧迫任务 重大需求重大需求 l石油与化工居工业能耗 第1位，约占工业总能耗的26.5%l化工废水排放占工业废水排放 总量的19.7，居第1位化学工业高能耗、高污染等“三高”问题 26.5%冶金 能源开采 交通 23.8%12.7%10%16%建材化工时任国务院总理 温家宝 2007年五一全国节能减排工作电视电话会议讲话“石油与化工行业节能减排，是推进全国节能减排工作的当务之急，也是当前宏观调控的紧迫任务。”注：2005年43.Aimtype(structure)sizeoperatemethodHow to design a reactor?Objectives 44.4545EXAMPLE Theelementaryliquid-phasereactionTask:designareactorandprocessthatyoucanproduce100kgRperday.A+2BRk1k245.4646EXAMPLE:Mixed flow reactor performanceTheelementaryliquid-phasereactionistotakeplaceinasteady-statemixedflowreactor.Twofeedstreams,onecontaining2.8molA/literandtheothercontaining1.6molB/liter,aretobeintroducedatequalvolumetricflowrates(5000 liter/min)intothereactor,and75%conversionoflimitingcomponentisdesired.Whatshouldbethevolumeofthereactor?Assumeaconstantdensitythroughout.A+2BRk1k246.Aimtype(structure)sizeoperatemethodDesign the right reactor!Objectives Kinetics Reactors:mixing/transport 47.Momentum Transfer（浓度）CA0CAABrA=kCACA=CA0e-ktA经典的“三传一反”48.Heat Transfer（温度）ABrA=kCAk=k0e-E/RTCA0CAA49.Mass Transfer（浓度）R50.BatchContinuousSemi-continuousThe Patterns of Operation51.多尺度/微纳尺度结构下的“三传一反X”规律 52.1secto3yr-Withsuchalargeratio,ofcoursethedesignofreactorswillbequitedifferentinthesecases.Speed of Chemical Reaction（时间多尺度）10-410-310-210-1110Cellularrxs.IndustrialwatertreatmentplantsHumanatrestWorkinghardGasesinporouscatalystparticlesCoalfurnaces1031041091010JetenginesRocketenginesBimolecularrxs.inwhicheverycollisioncounts,atabout1atmand400(unit:mol/m3.s)反应过程复杂性特点：时空多尺度 53.10-12 m 10-9 m 10-6 m 10-3 m 100 m 103 m 106m -+-+分子 纳米聚团 气泡/液滴/颗粒 气泡群/液滴群/多颗粒 反应器 工厂（微观）（介观）（宏观）54.产品工程过程工程190019201940196019802000工程模块化炼油、煤炭实验经验单元操作 设备共性经验 定量大规模石化工业数学、物理三传一反 现象共性结构界面共性 多尺度/微纳尺度结构下的“三传一反X”规律过过程程强强化化 前沿方向 学科背景学科背景 化学工程学科发展史 学科前沿55.56.57.58.59.传递现象-化工理论基础1960年，R.B.Bird,W.E.Stewart,E.N.Lightfoot出版了Transport Phenomena（中译本在1990年出版），从分子水平阐述单元操作、化学反应过程、设备设计与过程控制中的共性科学问题1969年3W出版了动量、热量和质量传递原理（已经出第四版）60.化学反应工程-化工理论基础1962年，美国Oregon大学化工系的O.Levenspiel出版了Chemical Reaction Engineering成为化学工程科学发展的又一个重要里程碑。A61.62.63.64.产品工程过程工程190019201940196019802000工程模块化炼油、煤炭实验经验单元操作 设备共性经验 定量大规模石化工业数学、物理三传一反 现象共性结构界面共性 多尺度/微纳尺度结构下的“三传一反X”规律过过程程强强化化 前沿方向 学科背景学科背景 化学工程学科发展史 学科前沿65.反应过程强化？66.约90%的化工生产过程与反应有关化学反应是化学工业的核心很大程度上决定了能源与资源消耗和污染排放的水平反应过程强化从源头上实现能源和资源的更合理地利用，并大幅度提高原子有效利用率和生产效率，减少废物生成与排放节能、降耗、环保、紧凑、安全推动化学工业向节约型清洁生产模式转变推动化学工业向节约型清洁生产模式转变67.Process IntensificationC.Ramshaw,the 1st international conference on process intensification;Stankiewicz,Chem.Eng.Progress,2000,96910,22-34;J.of Chem Eng and Processing,doi:10.1016/2008.04.012;Chem.Eng.J.,2008,135,1-2 The concepts of PI were originally pioneered in the 1970s by Colin Ramshaw and his co-workers at ICI,where PI was defined as a reduction in plant size by at least a factor 100.PI is about providing a chemical process with the precise environment it needs to flourish,which results in better products,and processes which are safer,cleaner,smaller and cheaper.所谓“化工过程强化”技术，是指“在实现既定生产目标前提下，大幅度减小生产设备尺寸、简化工艺流程、减少装置数目，使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗、废料、副产品显著减少”的技术。68.1secto3yr-Withsuchalargeratio,ofcoursethedesignofreactorswillbequitedifferentinthesecases.Speed of Chemical Reaction（时间多尺度）10-410-310-210-1110Cellularrxs.IndustrialwatertreatmentplantsHumanatrestWorkinghardGasesinporouscatalystparticlesCoalfurnaces1031041091010JetenginesRocketenginesBimolecularrxs.inwhicheverycollisioncounts,atabout1atmand400(unit:mol/m3.s)反应：特征反应时间 69.反应器类型操作条件混合时间tm出处 搅拌槽反应器间歇15-110 ms1撞击流反应器连续1.5-25 m s2套管反应器连续2-20 ms3T型微通道反应器连续0.8-6 ms4毛细撞击流反应器连续/半连续0.2-0.6 ms5超重力反应器连续0.01-0.25 ms6库艾特反应器连续0.1-1 ms7受限撞击流连续 9 m s8Y型微通道反应器连续0.01-1 ms91Chem.Eng.Sci.2000,55(19),4233-4243.2北京化工大学学报,2009,36(6).3Ind.Eng.Chem.Res.2009,48,5004-5009.4Sensors and Actuators B.2006,117(2),495-508.5Ourstudy-Microimpingingstreamreactor6Chem.Eng.J.2010,156(3),588-593.7Chem.Eng.Sci.2000,56,3797-3802.8AIChE J.2003,49(9),2264-2280.9Chinese J.Chem.Eng.2009,17.反应器：微观混合时间 70.来源：国际态势国际态势A.Stankiewcz,Chem.Eng.Prog.,2000过程强化技术 71.特征反应时间与微观混合时间的关系Habchi,C.;Della Valle,D.;Lemenand,T.;Anxionnaz,Z.;Tochon,P.;Cabassud,M.;Gourdon,C.;Peerhossaini,H.:A new adaptive procedure for using chemical probes to characterize mixing.Chemical Engineering Science 2011,66,3540-3550.72.1.2 1.2 化学反应器研究范畴与基本内容 反应动力学反应动力学 反应器型式、操作和流程反应器型式、操作和流程 反应器内流体力学反应器内流体力学 反应器内传递过程反应器内传递过程 反应器内混合过程反应器内混合过程 反应器动态特性与控制反应器动态特性与控制 反应器开发与设计反应器开发与设计73.均相反应：冷模实验，确定中试反应器停留时间分布特性；根据反应动力学方程，选择适当的反应器进行中试。气固相催化反应：根据反应特性，决定催化剂结构、尺寸；催化剂传递特性实验；通过中试决定工业反应操作方式。74.1.3 1.3 化学反应器研究与设计方法论与实践论实验测定：动力学模型与传递过程规律模型数学模型：（动力学、物料衡算、热量衡算、动量衡算、参数衡算)制定实验方案，中间试验验证修正模型工业化装置设计与试验验证完善数学模型应用于新生产线的设计75.搅拌式：适用于液相、液液相、气液相管式：气相、液相空塔或搅拌塔：液相、液液相鼓泡塔或挡板鼓泡塔：气液相、气液固相填料塔：液相、气液相板式塔：气液相喷雾塔：气液相快速反应湿壁塔：气液相固定床：气固相流化床：气固相、气液固相移动床：气固相 滴流床：气液固相 1.4 1.4 化学反应器型式76.改进和强化现有反应技术与设备，挖潜降耗、增效改进和强化现有反应技术与设备，挖潜降耗、增效 开发新的技术、工艺和反应器设备开发新的技术、工艺和反应器设备 指导和解决反应器及反应过程放大问题指导和解决反应器及反应过程放大问题 实现反应过程最优化实现反应过程最优化 发展反应工程学的理论和方法发展反应工程学的理论和方法学过化学反应器的研究生，应当具有的技能77.Engineers make things and they make things better.Subra Suresh,Dean of MIT School of Engineering 78.