化学反应工程的开发方法省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、化学反应工程开发方法化学反应工程开发方法房鼎房鼎业华东理工大学理工大学第1页Axe开拓性Model实践性Bridge综合性化学反应工程反应工艺开发之斧反应装备设计之模反应过程放大之桥第2页反应过程开发方法反应过程开发方法反反应应过过程程反应热力学计算反应热力学计算小型热模小型热模大型冷模大型冷模 催催 化化 剂剂 操作条件操作条件 本征动力学本征动力学宏观动力学宏观动力学反反 应应 器器 型型 式式数学模型数学模型模模试试 工业示范装置工业示范装置工程工程参数参数第3页 小型热模与大型冷模相结合小型热模与大型冷模相结合 反应原因与传递原因相结合反应原因与传递原因相结合 数学模型与试验数据相结合
2、数学模型与试验数据相结合 过程简化与过程优化相结合过程简化与过程优化相结合 第4页反应过程开发中应重视若干问题反应过程开发中应重视若干问题 当我们在开发一个新反应过程时,当我们在开发一个新反应过程时,当我们在设计一个新反应装备时,当我们在设计一个新反应装备时,当我们在改造一个已投产反应过程时,当我们在改造一个已投产反应过程时,当我们在强化一个已投产反应装备时,当我们在强化一个已投产反应装备时,要定性与定量地考虑以下十个问题:要定性与定量地考虑以下十个问题:第5页(一)化学热力学各类化学反应平衡问题(一)化学热力学各类化学反应平衡问题反应热反应热化学平衡:反应平衡常数?化学平衡:反应平衡常数?反
3、应平衡转化率?反应平衡转化率?低压下理想溶液(气体)单一反应低压下理想溶液(气体)单一反应 高压下非理想溶液(气体)单一反应高压下非理想溶液(气体)单一反应 低压下理想溶液(气体)复合反应低压下理想溶液(气体)复合反应 高压下非理想溶液(气体)复合反应高压下非理想溶液(气体)复合反应判断反应方向与程度判断反应方向与程度!判断反应过程可行性判断反应过程可行性!第6页举例:举例:CO2H2 CH3OH CO23H2 CH3OHH2O摩尔数降低可逆放热反应,摩尔数降低可逆放热反应,定性:必须高压下进行,低温下有利平衡。定性:必须高压下进行,低温下有利平衡。定量:计算定量:计算KP、ym*!高压,非理
4、想性怎样对理想体系修正高压,非理想性怎样对理想体系修正 (状态方程)(状态方程)复合反应怎样确定独立反应与独立反应组分数。复合反应怎样确定独立反应与独立反应组分数。第7页举例:举例:CH4H2O CO+3H2 CH42H2O CO24H2摩尔数增加可逆吸热反应,摩尔数增加可逆吸热反应,定性:必须低压,高温下进行定性:必须低压,高温下进行定量:选取独立反应与独立反应组分定量:选取独立反应与独立反应组分第8页第9页第10页第11页(二)(二)化学动力学催化剂开发、动力学研究化学动力学催化剂开发、动力学研究催化剂开发:用不用催化剂?催化剂开发:用不用催化剂?用何种类型催化剂?用何种类型催化剂?催化剂
5、活性组份,助催化剂,载体?催化剂活性组份,助催化剂,载体?催化剂制备方法?催化剂制备方法?举例:举例:合成甲醇合成甲醇 80 80年代前锌铬催化剂年代前锌铬催化剂 80 80年代后铜基催化剂年代后铜基催化剂甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 镍基催化剂镍基催化剂第12页动力学研究:反应速率温度效应活化能动力学研究:反应速率温度效应活化能E E 反应速率浓度效应反应级数反应速率浓度效应反应级数n n 在等温管式反应器中研究本征动力学在等温管式反应器中研究本征动力学 在内循环无梯度反应器中研究宏观动力学在内循环无梯度反应器中研究宏观动力学举例:举例:合成甲醇合成甲醇 由试验得出幂指数型与双曲型动力学方程由试
6、验得出幂指数型与双曲型动力学方程 甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 由试验得出动力学方程由试验得出动力学方程第13页第14页第15页第16页第17页2基本要求基本要求(1)气体高度净化)气体高度净化(2)选择适当反应器)选择适当反应器本征动力学本征动力学等温积分反应器等温积分反应器宏观动力学宏观动力学无梯度反应器无梯度反应器(3)反应器恒温要求)反应器恒温要求 0.5以内(电加热;盐浴;油浴)以内(电加热;盐浴;油浴)(注意气体预热)(注意气体预热)(4)本征动力学研究要消除内外扩散影响)本征动力学研究要消除内外扩散影响消除内扩散消除内扩散催化剂粒度足够小催化剂粒度足够小消除外扩散消除外扩散操作线速度
7、足够大操作线速度足够大(5)温度改变足够大)温度改变足够大温度效应才能显著,反应活化能置信度大温度效应才能显著,反应活化能置信度大 浓度改变足够大浓度改变足够大浓度效应才能显著,反应级数置信度大浓度效应才能显著,反应级数置信度大第18页(6)分析计量可靠)分析计量可靠组成份析可靠性组成份析可靠性色谱分析精度色谱分析精度流量计量可靠性流量计量可靠性质量流量计精度质量流量计精度(7)分析计量校核)分析计量校核关键分析数据要用两种方法校核关键分析数据要用两种方法校核物料总量或关键元素质量要用测定值与物料衡算值校核物料总量或关键元素质量要用测定值与物料衡算值校核(8)试验设计)试验设计析因分析析因分析
8、正交设计正交设计序贯设计序贯设计第19页3动力学研究用反应器动力学研究用反应器(1)平推流等温积分反应器)平推流等温积分反应器dt/dp10(dt要按床层当量直径计算)要按床层当量直径计算)L/dp80100按平推流反应器性质计算按平推流反应器性质计算(2)平推流等温微分反应器)平推流等温微分反应器Xa小时,近似作微分反应器处理小时,近似作微分反应器处理(3)内循环无梯度反应器)内循环无梯度反应器相当于全混反应器相当于全混反应器与外循环相比,内循环气体空间小,改变操作条件后易稳定与外循环相比,内循环气体空间小,改变操作条件后易稳定不存在气体冷凝等问题不存在气体冷凝等问题 循环比很大,消除了外扩
9、散影响循环比很大,消除了外扩散影响第20页4动力学模型筛选与参数估值动力学模型筛选与参数估值(1)动力学模型筛选)动力学模型筛选 幂函数模型?幂函数模型?双曲函数模型?双曲函数模型?(2)参数估值)参数估值 幂函数模型幂函数模型温度效应参数温度效应参数k0、E;浓度效应参数;浓度效应参数a、b 双曲函数模型双曲函数模型温度效应参数温度效应参数k0、E;浓度效应参数;浓度效应参数Ka0、Ea、Kb0、Eb(3)目标函数)目标函数 F=试验值试验值yB模型计算值模型计算值yB2=Min(4)试验值)试验值yB要用分析直接测定值要用分析直接测定值(5)数学方法)数学方法 非线性最优化方法非线性最优化
10、方法 (解非线性方程组,方程个数(解非线性方程组,方程个数参数个数)参数个数)第21页(6)不一样反应器处理数据方式不一样)不一样反应器处理数据方式不一样 平推流积分反应器要等温积分计算出口浓度平推流积分反应器要等温积分计算出口浓度 无梯度反应器测定是(点)反应速率无梯度反应器测定是(点)反应速率(7)参数估值技巧)参数估值技巧 k0、E、a、b数量级相差很大,要化成同一数量级估值数量级相差很大,要化成同一数量级估值 计算精度要逐步提升计算精度要逐步提升 要用不一样初值进行计算要用不一样初值进行计算(8)置信度分析)置信度分析(9)本征动力学模型用于反应器设计时,要再考虑扩散影响)本征动力学模
11、型用于反应器设计时,要再考虑扩散影响 宏征动力学模型用于反应器设计时,已将扩散影响考虑在内宏征动力学模型用于反应器设计时,已将扩散影响考虑在内第22页(三)(三)反应器选型反应器选型PFRPFR?CSTRCSTR?选取何种反应器:间歇反应或连续反应?选取何种反应器:间歇反应或连续反应?平推流或全混流?平推流或全混流?非理想流动反应器停留时间分布。非理想流动反应器停留时间分布。举例:举例:合成甲醇合成甲醇 平推流固定床反应器平推流固定床反应器 (三相淤浆床反应器是新研究开发方向)(三相淤浆床反应器是新研究开发方向)甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 外加热管式炉(平推流固定床)外加热管式炉(平推流固定床)
12、第23页第24页注意:lPFR与Batch均无返混 C=f(t)BatchlPFR相当于Batcht C=f(l)PFRlCSTR有强烈返混,推进力。偏离理想状态 径向流速不均匀 PFR 沟流 涡流 搅拌不均匀 CSTR 死角 短路第25页第26页第27页第28页第29页(四)(四)传热与反应之间关系传热与反应之间关系微观:催化剂粒内与粒外传热问题微观:催化剂粒内与粒外传热问题宏观:放热与供热宏观:放热与供热 反应热回收与利用反应热回收与利用举例:举例:合成甲醇合成甲醇 (微观)催化剂颗粒等温(微观)催化剂颗粒等温 (宏观)移走反应热使过程靠近最正确温度曲线(宏观)移走反应热使过程靠近最正确温
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