化学反应器理论概述copy省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、化化 学学 反反 应应 器器 理理 论论 文利雄文利雄有机无机复合材料国家重点试验室有机无机复合材料国家重点试验室教育部超重力工程研究中心教育部超重力工程研究中心 北京化工大学化学工程学院北京化工大学化学工程学院 ()1第1页Time&Classroom Week 1-13Thursday 13:00 16:25 Room:北阶六北阶六 Credits:3.0 Hours:48 2第2页Syllabus(教学纲领教学纲领)预修课程:预修课程:化学反应工程及相关基础化学反应工程及相关基础 课程介绍:课程介绍:围绕化工、能源、环境、新材料等围绕化工、能源、环境、新材料等工业过程,重点剖析化学反应器
2、基本原理、理论工业过程,重点剖析化学反应器基本原理、理论和设计方法,阐述反应器工业放大规律和方法,和设计方法,阐述反应器工业放大规律和方法,介绍工业反应器操作和控制等,方便较系统地了介绍工业反应器操作和控制等,方便较系统地了解和掌握化学反应器理论及设计。解和掌握化学反应器理论及设计。教材:教材:陈甘棠,化学反应工程,第三版,北京:陈甘棠,化学反应工程,第三版,北京:化学工业出版社,化学工业出版社,3第3页参考书参考书 1.O.Levenspiel,Chemical Reaction Engineering,John Wiley&Sons,Third Edition,1999 2.G.F.弗弗罗
3、罗门门特特,K.B.比比肖肖夫夫,反反应应器器分分析析与与设计,北京:化学工业出版社,设计,北京:化学工业出版社,19853.孙孙宏宏伟伟,段段雪雪主主编编,化化学学工工程程学学科科前前沿沿与与展展望望,北京:科学出版社,北京:科学出版社,4.张张成成芳芳编编,气气液液反反应应和和反反应应器器,北北京京:化化学学工工业出版社,业出版社,19855.郭锴等编,本校化学反应工程教材郭锴等编,本校化学反应工程教材4第4页AChemical Reaction Engineering 3rd edition by Octave LevenspielDr.Seuss of Chemical Enginee
4、ringDr.Seuss of Chemical Engineering 5第5页Supplementary(参考教材参考教材)BEYOND THE MOLECULAR FRONTIER Challenges for Chemistry and Chemical Engineering The National Academies Press,USAThe National Academies Press,USA Free online6第6页Supplementary Beyond transport phenomena and reaction engineering Mooson Kwa
5、uk(郭慕孙郭慕孙)Chemical Engineering Science 59()1613 1616Top ChE journals?7第7页成绩成绩 考试:考试:占占70;作业包含作业包含 PPT演讲:演讲:占占15;平时表现成绩:平时表现成绩:占占15。8第8页Requirements Finish and turn in home work Self study Code of honor Interactive Be creative Turn off/set mobile to vibration9第9页教学纲领内容与安排教学纲领内容与安排 绪论绪论绪论绪论 反应器理论基础反应器
6、理论基础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流化床反应器流化床反应器 PPTPPTPPTPPT演讲演讲演讲演讲 其它多相流反应器其它多相流反应器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聚合反应工程聚合反应工程10第10页第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 化学反应器理论在战略新兴产业、传化学反应器理论在战略新兴产业、传统产业中应用和作用统产业中应用和作用 化学反应应用和作用化学反应应用和作用化学反应应
7、用和作用化学反应应用和作用制造新物质、消除有害物、降低能制造新物质、消除有害物、降低能制造新物质、消除有害物、降低能制造新物质、消除有害物、降低能耗耗耗耗 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:
8、化工、纺织、冶金、建筑.11第11页化学反应器化学反应器化学反应过程进行并得以实现环化学反应过程进行并得以实现环化学反应过程进行并得以实现环化学反应过程进行并得以实现环境和场地,即装置。境和场地,即装置。境和场地,即装置。境和场地,即装置。化学反应器化学反应器 影响和决定反应结果与效果,在高新影响和决定反应结果与效果,在高新技术领域中,是技术和过程实现关键技术领域中,是技术和过程实现关键。12第12页Chemical Plant13第13页ChemicalEquipment14第14页15第15页Industrial examples(I)Production of Synthesis Gas
9、-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),f
10、ormic and acetic acid 第16页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第17页Industrial examples(II)Power plant for combustion of gas/oil/coal/biomass1.Boiler(reactor,流
11、化床)7.DeNOx reactor2.Mills8.Air preheater3.Burners9.Electro filter4.Turbine/generator10.Desulfurization5.Condensator11.Gypsum storage6.Feed water pump12.Chimney第18页Industrial examples(II)Power plant for combustion of gas/oil/coal/biomassDeNOx reactor:Main reaction:NO+NH3+O2 N2+3/2H2OCharacteristics:C
12、atalyst:V2O5/WO3 on a TiO2 carrierOperating temperature:300-400 CNOx-reduction:80-90%Life time:3-5 years by HD coal comb.第19页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:第20页Compress
13、orMixing of nutrient mediumWaterInoculation flaskSeed fermenterAirSterile filterFermented broth forrecovery of enzymeCooling waterExhaustSterilizationRaw materialsGround grain/cornStarchGlucoseSugarSoy bean mealGlutenCorn steep liquorCaseinPhosphatesSulphatesAmmonium saltsCarbohydrates:Proteins:Salt
14、s:FermentationIndustrial examples(III)第21页Batch Reactor(间歇反应器)(间歇反应器)Fed-batch第22页Batch reactorPharmaceutical production Batch reactor at Lundbeck第23页Why Batch Reactors?It is used for:Small scale operations Intermediate or one shot production/testing new processes Pharmaceutical/Fermentation Gas/Liq
15、uid/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第24页Continuous Stirred Tank Reactor(CSTR)Mixed Flow Reactor(全混流(全混流)第25页Why CSTR It is used for:Processes re
16、quiring 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?第26页Tubular Reactor(Plug Flow Reactor(PFR),平推流平推流)第27页Why
17、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第28页Other Reactors Semibatch Fed-batch Typ
18、ically 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
19、:Catalyst/solid reactant particles are entrained by the reaction mixture第29页Fluidized bed catalytic reactors for exothermic reactions 丙烯腈丙烯腈顺丁烯二酐顺丁烯二酐,马来酸酐马来酸酐 Some more reactors(II)第30页Complicated reactors31第31页32第32页Reaction types Homogeneous single-phase:Gas phase Liquid phase Heterogeneous two-p
20、hase 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第33页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概 述述黑黑色色褐褐色色或或黄黄色色流流动动或或半半流流动动粘粘稠稠液液体体,相相对对密度普通介于密度普通介于0.800.980.800.98之间,比水略轻之间,比水略轻石
21、油元素组成石油元素组成 石石石石 油油油油石油化工石油化工石油化工石油化工 石石油油化化学学工工业业简简称称石石油油化化工工,指指以以石石油油和和天天然然气气为为原原料料,生生产产石石油油产产品品和和石石油油化化工工产产品品加加工工工工业业,是化学工业主要组成部分是化学工业主要组成部分 传统化工传统化工传统化工传统化工 34第34页常常减减压压蒸蒸馏馏原油原油原油原油汽汽油油馏馏分分煤煤柴柴油油馏馏分分润润滑滑油油馏馏分分渣渣油油催催化化重重整整催催化化加加氢氢催催化化裂裂化化热热加加工工汽油汽油煤油煤油柴油柴油重质油重质油燃燃料料油油润润滑滑油油沥沥 青青石石 蜡蜡石油焦石油焦“三苯三苯”乙
22、烯乙烯丙烯丙烯丁二烯丁二烯“三烯三烯”有有机机化化工工原原料料苯苯甲苯甲苯二甲苯二甲苯合成合成树脂树脂高压聚乙烯高压聚乙烯低压聚乙烯低压聚乙烯线性低密度聚乙烯线性低密度聚乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚丙烯聚苯乙烯聚苯乙烯合成合成纤维纤维涤纶涤纶腈纶腈纶锦纶锦纶丙纶丙纶维纶维纶其它(碳纤维等)其它(碳纤维等)合成合成橡胶橡胶丁苯橡胶丁苯橡胶顺丁橡胶顺丁橡胶 氯丁橡胶氯丁橡胶丁腈橡胶丁腈橡胶其它其它石油炼制工业石油炼制工业石油产品石油产品石化产品石化产品石油化工产业链石油化工产业链 35第35页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企业中国燕山石化企业炼油车间炼油车间分离平台
23、分离平台36第36页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纤维氯乙烯氯乙烯氨氧化催化氨氧化催化 氧化催化氧化催化氧化催化氧化催化 氧化催化氧化催化 氧氯化催化氧氯化催化网球拍网球拍高尔夫球棍高尔夫球棍毛衣毛衣温室塑料棚温室塑料棚酐酐石脑油石脑油(轻汽油)(轻汽油)丁烯丁烯乙烯乙烯萘萘丙烯丙烯涂料涂料顺顺苯酐苯酐维维碳碳纤纤头盔头盔 二甲苯二甲苯聚聚酯酯石化工业石化工业FRP船船丙烯腈丙烯腈37第37页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)抗生素药品制备)抗生素药品制备应用实例应用实例甲苯甲苯缩合缩合醚化醚化胺化胺化环合环合水解水解中和中和哌嗪化哌嗪化成盐成
24、盐原原原原料料料料药药药药产产产产品品品品结晶分离结晶分离纳米化纳米化纳米抗生素药品纳米抗生素药品38第38页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)洗衣粉制备)洗衣粉制备应用实例应用实例十二烷基苯磺酸盐十二烷基苯磺酸盐缩合缩合十二烷基苯十二烷基苯磺化磺化抗再沉淀剂抗再沉淀剂泡沫促进剂泡沫促进剂 荧光增白剂荧光增白剂 料浆调理剂料浆调理剂 酶制剂酶制剂 香料色素香料色素其它助剂其它助剂洗衣粉洗衣粉其它表面活性剂其它表面活性剂原油原油丙烯丙烯苯苯有机化工原料有机化工原料丙烯四聚物丙烯四聚物裂解裂解重整重整十二烷基苯磺酸盐十二烷基苯磺酸盐(表面活性剂)(表面活性剂)39第39页
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