工業(yè)反應(yīng)過程分析導(dǎo)論-緒論

1、緒緒 論論化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)轉(zhuǎn)化化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得能量獲得能量化學(xué)脫除化學(xué)脫除引引 言言核心核心：化學(xué)反應(yīng)器：化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所 原料原料予處理予處理 化學(xué)化學(xué) 反應(yīng)反應(yīng) 產(chǎn)物產(chǎn)物后處理后處理工業(yè)反工業(yè)反應(yīng)過程應(yīng)過程化工過程設(shè)計(jì)的洋蔥模型反應(yīng)器反應(yīng)器分離與再循環(huán)系統(tǒng)分離與再循環(huán)系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程公用工程歷史沿革：歷史沿革：1901年，英國的年，英國的G.E.戴維斯出版了第一本化學(xué)工程專著戴維斯出版了第一本化學(xué)工程專著“化學(xué)工程手冊(cè)化學(xué)工程手冊(cè)”，首先提出了單元操作的概念，標(biāo)志了，首先提出了單元操作的概念，標(biāo)志了化學(xué)工程一級(jí)學(xué)科誕生?；瘜W(xué)工程一級(jí)學(xué)科誕生。19

2、20年，美國麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系脫離化學(xué)系成為一年，美國麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系脫離化學(xué)系成為一個(gè)獨(dú)立的系，由個(gè)獨(dú)立的系，由W.K. Lewis任系主任，這是世界上第一個(gè)任系主任，這是世界上第一個(gè)化工系。化工系。1920年夏天，麻省理工學(xué)院的年夏天，麻省理工學(xué)院的W. K. Lewis, W. H. McAdams 完成了完成了“化工原理化工原理”講稿，并于講稿，并于1923年正式出年正式出版，這本著作首次提出了因次分析、相似論等概念，標(biāo)志版，這本著作首次提出了因次分析、相似論等概念，標(biāo)志著學(xué)科理論已達(dá)到一定的深度。著學(xué)科理論已達(dá)到一定的深度。 1913年，哈伯博施法高壓合成氨裝置成功建成。年

3、，哈伯博施法高壓合成氨裝置成功建成。1920年，從煉廠氣中分離的丙烯合成出異丙醇。年，從煉廠氣中分離的丙烯合成出異丙醇。1923年，費(fèi)托合成成功。年，費(fèi)托合成成功。1957年第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議（阿姆斯特丹）年第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議（阿姆斯特丹）化學(xué)反應(yīng)工程二級(jí)學(xué)科誕生；化學(xué)工藝的發(fā)展，特別是石化學(xué)反應(yīng)工程二級(jí)學(xué)科誕生；化學(xué)工藝的發(fā)展，特別是石油化工的發(fā)展和生產(chǎn)的大型化，對(duì)反應(yīng)過程的開發(fā)與反應(yīng)油化工的發(fā)展和生產(chǎn)的大型化，對(duì)反應(yīng)過程的開發(fā)與反應(yīng)裝置的可靠性提出了更高要求，孕育了反應(yīng)工程的誕生。裝置的可靠性提出了更高要求，孕育了反應(yīng)工程的誕生。 1961年年O.Levenspie

4、l出版第一本反應(yīng)工程教材。出版第一本反應(yīng)工程教材。1. 1. 化學(xué)反應(yīng)工程研究對(duì)象與目的化學(xué)反應(yīng)工程研究對(duì)象與目的工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化對(duì)象對(duì)象工業(yè)反應(yīng)過程、工業(yè)反應(yīng)器工業(yè)反應(yīng)過程、工業(yè)反應(yīng)器目的目的優(yōu)化優(yōu)化優(yōu)化優(yōu)化在一定范圍在一定范圍內(nèi)內(nèi)（約束條件）（約束條件）選選擇一組合適的擇一組合適的變量變量，使系統(tǒng)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)使系統(tǒng)對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（優(yōu)化指標(biāo)）（優(yōu)化指標(biāo)）達(dá)到達(dá)到最優(yōu)。最優(yōu)。設(shè)計(jì)型優(yōu)化類型操作型上下游約束技術(shù)約束約束條件予處理，后處理能力等安全、材料等決策變量操作方式連續(xù)性、加料方式工藝條件T、C、t、Sv、ug等結(jié)構(gòu)變量結(jié)構(gòu)、型式、尺寸常用工業(yè)反應(yīng)器類型均相氣相管式反應(yīng)器 液相

5、管式、釜式、塔式 非均相 氣固相固定床、流化床、移動(dòng)床 氣液相攪拌釜式、塔式 氣液固涓流床、淤漿床 技術(shù)指標(biāo)選擇性選擇性原料消耗，成本原料消耗，成本能耗能耗操作費(fèi)用操作費(fèi)用反應(yīng)速率反應(yīng)速率反應(yīng)器大小反應(yīng)器大小轉(zhuǎn)化率 x、選擇性 、收率經(jīng)濟(jì)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)2. 2. 化學(xué)反應(yīng)工程研究內(nèi)容與任務(wù)化學(xué)反應(yīng)工程研究內(nèi)容與任務(wù)物理過程物理過程工程因素工程因素宏觀動(dòng)力學(xué)因素宏觀動(dòng)力學(xué)因素工業(yè)化學(xué)過程工業(yè)化學(xué)過程化學(xué)過程化學(xué)過程化學(xué)因素化學(xué)因素動(dòng)力學(xué)因素動(dòng)力學(xué)因素溫度、濃度等操作條件對(duì)反應(yīng)過程的影響溫度、濃度等操作條件對(duì)反應(yīng)過程的影響著重研究反應(yīng)選擇性著重研究反應(yīng)選擇性(本質(zhì)上是

6、研究速率本質(zhì)上是研究速率)化學(xué)因素化學(xué)因素(反應(yīng)規(guī)律反應(yīng)規(guī)律)工程因素工程因素流體流動(dòng)流體流動(dòng)質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞 對(duì)反應(yīng)過程的影響對(duì)反應(yīng)過程的影響熱量傳遞熱量傳遞 化學(xué)因素化學(xué)因素反應(yīng)類型反應(yīng)類型簡單、復(fù)雜反應(yīng)簡單、復(fù)雜反應(yīng)濃度效應(yīng)濃度效應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)級(jí)數(shù)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)反應(yīng)活化能反應(yīng)活化能包括包括工程因素 反應(yīng)場(chǎng)所 反應(yīng)結(jié)果C、T物理因素化學(xué)因素化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容：反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)+流體流動(dòng)返混 反應(yīng)+傳質(zhì)效率 反應(yīng)+傳熱熱穩(wěn)定性、靈敏度 物理化學(xué)與化工原理的物理化學(xué)與化工原理的 “結(jié)合結(jié)合”化學(xué)反應(yīng)工程的研究核心：工程因素對(duì)反應(yīng)的影響（ x、 ）如何改善或利用？ 影響多大？ 有無影響？

7、反應(yīng)與傳遞的相互作用 傳傳遞遞過過程程 濃濃度度分分布布、溫溫度度分分布布 化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)( (宏宏觀觀因因素素、 (微微觀觀因因素素) 工工程程因因素素) 反反應(yīng)應(yīng)結(jié)結(jié)果果化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)返混返混微觀混合微觀混合內(nèi)外擴(kuò)散內(nèi)外擴(kuò)散傳熱傳熱反應(yīng)體系的特性反應(yīng)體系的特性 (1)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué) 簡單反應(yīng)還是復(fù)雜反應(yīng)；簡單反應(yīng)還是復(fù)雜反應(yīng)；主反應(yīng)和副反應(yīng)間的關(guān)系；每一反應(yīng)中主反應(yīng)和副反應(yīng)間的關(guān)系；每一反應(yīng)中各組分變化量之間的相互關(guān)系各組分變化量之間的相互關(guān)系(2)(2) 化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)熱力學(xué) 反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化；反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)

8、化；反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)反應(yīng)工程研究方法反應(yīng)工程研究方法數(shù)學(xué)模型方法數(shù)學(xué)模型方法立足于對(duì)過程的深刻理解立足于對(duì)過程的深刻理解分解簡化分解簡化定性定量描述；定性定量描述；工作重點(diǎn)是充分剖析過程特征，工作重點(diǎn)是充分剖析過程特征，探索規(guī)律，建立模型，確定模型參數(shù)探索規(guī)律，建立模型，確定模型參數(shù)化學(xué)工程傳統(tǒng)方法：化學(xué)工程傳統(tǒng)方法：相似方法與因次分析方法相似方法與因次分析方法缺陷：已經(jīng)證明不可能同時(shí)滿足物理相似缺陷：已經(jīng)證明不可能同時(shí)滿足物理相似和化學(xué)相似，經(jīng)驗(yàn)歸納不適合化學(xué)反應(yīng)工程和化學(xué)相似，經(jīng)驗(yàn)歸納不適合化學(xué)反應(yīng)工程3. 3. 化學(xué)反應(yīng)工程研究方法化學(xué)反應(yīng)工程研究方法建立數(shù)學(xué)模型的三種途徑建立數(shù)學(xué)模型

9、的三種途徑 如實(shí)描述如實(shí)描述 （1） 簡化簡化 數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述實(shí)際過程實(shí)際過程 物理模型物理模型 數(shù)學(xué)方程數(shù)學(xué)方程 （2） 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)（3）0)(22rdzdcudzCdDePdufdzdP23)1 (固定床的流動(dòng)固定床的流動(dòng) 難難以以獲獲得得模模型型參參數(shù)數(shù)(如如：De)的的準(zhǔn)準(zhǔn)確確數(shù)數(shù)值值是是數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)模模型型方方法法應(yīng)應(yīng)用用的的難難點(diǎn)點(diǎn)。 等等效效性性是是相相對(duì)對(duì)的的。簡簡化化程程度度不不同同，模模型型參參數(shù)數(shù)數(shù)數(shù)目目不不同同，所所得得模模型型的的等等效效性性也也不不同同，可可根根據(jù)據(jù)應(yīng)應(yīng)用用目目的的和和所所具具備備的的技技術(shù)術(shù)條條件件進(jìn)進(jìn)行行選選擇擇。在在滿滿足足應(yīng)應(yīng)有有需需求求

10、的的條條件件下下，模模型型應(yīng)應(yīng)盡盡可可能能簡簡單單。 乙苯脫氫列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)乙苯脫氫列管式固定床反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 乙乙苯苯脫脫氫氫是是一一吸吸熱熱可可逆逆反反應(yīng)應(yīng)，除除主主產(chǎn)產(chǎn)物物苯苯乙乙烯烯，還還會(huì)會(huì)生生成成苯苯、甲甲苯苯等等副副產(chǎn)產(chǎn)物物，反反應(yīng)應(yīng)結(jié)結(jié)果果可可用用轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化率率、選選擇擇性性二二指指標(biāo)標(biāo)衡衡量量。 反反應(yīng)應(yīng)物物流流和和煙煙道道氣氣之之間間的的總總傳傳熱熱系系數(shù)數(shù) K 是是否否必必須須準(zhǔn)準(zhǔn)確確測(cè)測(cè)定定？ 文文獻(xiàn)獻(xiàn)報(bào)報(bào)道道：K=1530kcal/(m2h hr r) )取取 K=20 kcal/(m2h hr r) )進(jìn)進(jìn)行行設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)計(jì)算算，得得x x= =7 70 0%

11、% = =9 96 6. .2 2% %若若實(shí)實(shí)際際上上，K=15 kcal/(m2h hr r) )，得得x x= =6 62 2. .5 5% % = =9 96 6. .7 7% %若若實(shí)實(shí)際際上上，K=30 kcal/(m2h hr r) )，得得x x= =7 79 9% % = =9 95 5. .3 3% %反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大理想的數(shù)學(xué)模擬放大實(shí)驗(yàn)室小試?yán)淠Ｔ囼?yàn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)器 傳遞模型反應(yīng)器 數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)求解工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)固特異公司在丙烯二聚生產(chǎn)異戊二烯的過程開發(fā)固特異公司在丙烯二聚生產(chǎn)異戊二烯的過程開發(fā)中，未經(jīng)任何尺度的中間試驗(yàn)，從

12、實(shí)驗(yàn)室的研究成中，未經(jīng)任何尺度的中間試驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)室的研究成果放大果放大 17000 倍，建成工業(yè)裝置倍，建成工業(yè)裝置 長度達(dá)長度達(dá) 2000 米米的管式反應(yīng)器。這是應(yīng)用數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行工業(yè)反的管式反應(yīng)器。這是應(yīng)用數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)的一個(gè)著名實(shí)例。但到目前為至，用這應(yīng)過程開發(fā)的一個(gè)著名實(shí)例。但到目前為至，用這種方法進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)并取得成功的例子依種方法進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)并取得成功的例子依然屈指可數(shù)。然屈指可數(shù)。原原因因： （1）模模型型參參數(shù)數(shù)的的不不確確定定性性。模模型型參參數(shù)數(shù)，如如反反應(yīng)應(yīng)動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)參參數(shù)數(shù)、傳傳遞遞參參數(shù)數(shù)等等，必必須須通通過過實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)予予以以確確定定，而而實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果本本身身就就具具有有某某種種不不確確定定性性。除除實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)誤誤