化學(xué)反應(yīng)工程的開發(fā)方法重點(diǎn)

化學(xué)反應(yīng)工程的開發(fā)方法重點(diǎn)第1頁/共21頁第2頁/共21頁反應(yīng)過程開發(fā)中應(yīng)重視的若干問題

當(dāng)我們在開發(fā)一個(gè)新反應(yīng)過程時(shí)，當(dāng)我們在設(shè)計(jì)一個(gè)新反應(yīng)裝備時(shí)，當(dāng)我們在改造一個(gè)已投產(chǎn)的反應(yīng)過程時(shí)，當(dāng)我們在強(qiáng)化一個(gè)已投產(chǎn)的反應(yīng)裝備時(shí)，要定性與定量地考慮以下十個(gè)問題：第3頁/共21頁（一）化學(xué)熱力學(xué)－－各類化學(xué)反應(yīng)的平衡問題化學(xué)平衡：反應(yīng)的平衡常數(shù)？反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率？

低壓下－－理想溶液（氣體）－－單一反應(yīng)高壓下－－非理想溶液（氣體）－－單一反應(yīng)低壓下－－理想溶液（氣體）－－復(fù)合反應(yīng)高壓下－－非理想溶液（氣體）－－復(fù)合反應(yīng)判斷反應(yīng)的方向與限度!判斷反應(yīng)過程的可行性!第4頁/共21頁舉例：CO＋2H2CH3OHCO2＋3H2

CH3OH＋H2O摩爾數(shù)減少的可逆放熱反應(yīng)，定性：必須高壓下進(jìn)行，低溫下有利平衡。定量：計(jì)算KP、ym*!高壓，非理想性－－如何對(duì)理想體系的修正（狀態(tài)方程）復(fù)合反應(yīng)－－如何確定獨(dú)立反應(yīng)與獨(dú)立反應(yīng)組分?jǐn)?shù)。第5頁/共21頁舉例：CH4＋H2OCO+3H2CH4＋2H2OCO2＋4H2摩爾數(shù)增加的可逆吸熱反應(yīng)，定性：必須低壓，高溫下進(jìn)行定量：選取獨(dú)立反應(yīng)與獨(dú)立反應(yīng)組分第6頁/共21頁（二）化學(xué)動(dòng)力學(xué)－－催化劑開發(fā)、動(dòng)力學(xué)研究催化劑開發(fā)：用不用催化劑？用何種類型催化劑？催化劑的活性組份，助催化劑，載體？催化劑的制備方法？舉例：合成甲醇80年代前鋅鉻催化劑

80年代后銅基催化劑甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化鎳基催化劑第7頁/共21頁動(dòng)力學(xué)研究：反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)－－活化能E

反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)－－反應(yīng)級(jí)數(shù)n

在等溫管式反應(yīng)器中研究本征動(dòng)力學(xué)在內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)器中研究宏觀動(dòng)力學(xué)舉例：合成甲醇由實(shí)驗(yàn)得出冪指數(shù)型與雙曲型動(dòng)力學(xué)方程

甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化由實(shí)驗(yàn)得出動(dòng)力學(xué)方程第8頁/共21頁（三）反應(yīng)器選型－－PFR？CSTR？選取何種反應(yīng)器：間歇反應(yīng)或連續(xù)反應(yīng)？平推流或全混流？非理想流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布。舉例：合成甲醇平推流固定床反應(yīng)器（三相淤漿床反應(yīng)器是新研究開發(fā)的方向）甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化外加熱管式爐（平推流固定床）第9頁/共21頁（四）傳熱與反應(yīng)之間的關(guān)系微觀：催化劑粒內(nèi)與粒外的傳熱問題宏觀：放熱與供熱反應(yīng)熱的回收與利用舉例：合成甲醇（微觀）催化劑顆粒等溫（宏觀）移走反應(yīng)熱使過程接近最佳溫度曲線反應(yīng)熱的有效利用和床層的徑向?qū)峒淄檎羝D(zhuǎn)化（微觀）催化劑顆粒非等溫（宏觀）燃燒一部分天然氣供給反應(yīng)熱每一根爐管受熱均勻問題，燃燒熱量的優(yōu)化使用。第10頁/共21頁（五）傳質(zhì)與反應(yīng)之間的關(guān)系微觀：催化劑顆粒粒內(nèi)、粒外有效因子宏觀：反應(yīng)器尺度上的混和和返混舉例：合成甲醇（微觀）粒內(nèi)傳質(zhì)影響宏觀速率甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化（微觀）粒內(nèi)、粒外傳質(zhì)嚴(yán)重影響宏觀動(dòng)力學(xué)

第11頁/共21頁（六）流體流動(dòng)與反應(yīng)之間的關(guān)系反應(yīng)器內(nèi)流體的均布問題反應(yīng)器減低阻力問題舉例：合成甲醇軸向流動(dòng)反應(yīng)器徑向流動(dòng)反應(yīng)器甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化幾百根爐管的氣體均布問題。第12頁/共21頁（七）復(fù)合反應(yīng)體系的選擇率與收率瞬時(shí)選擇率與平均選擇率單程收率與總收率舉例：合成甲醇銅基催化劑收率＞鋅鉻催化劑收率合成二甲醚漿態(tài)床收率＞固定床收率如何根據(jù)主副反應(yīng)的活化能來選擇反應(yīng)溫度？如何根據(jù)主副反應(yīng)的級(jí)數(shù)來選擇反應(yīng)器？第13頁/共21頁（八）反應(yīng)器的材質(zhì)耐高溫？耐高壓？耐腐蝕？舉例：合成甲醇內(nèi)冷式甲醇合成塔－－高溫處不承受高壓高壓處不承受高溫甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化頂燒（側(cè)燒、底燒）爐爐管材料

25Cr20Ni特種合金材料。第14頁/共21頁（九）操作條件優(yōu)化溫度？壓力？組分濃度？空速？溫度－－可逆放熱反應(yīng)的最佳溫度曲線舉例：合成甲醇均溫型反應(yīng)器甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化高溫型反應(yīng)器壓力－－能量最優(yōu)化舉例：合成甲醇等壓合成甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化2.0～3.0MPa第15頁/共21頁組分濃度－－由原料路線決定舉例：合成甲醇煤或天然氣為原料甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化水碳比空速－－追求產(chǎn)量還是追求長運(yùn)轉(zhuǎn)周期舉例：合成甲醇冷管型塔20000h-1，管殼型塔8000h-1

第16頁/共21頁CSTR與PFR的操作穩(wěn)定性。操作靈敏性與反應(yīng)操作參數(shù)的控制舉例：合成甲醇管殼型甲醇合成塔的最大移熱溫差，最小冷卻介質(zhì)溫度與最大管徑限制。控制靈敏點(diǎn)溫度與床層熱點(diǎn)溫度及熱點(diǎn)位置。

操作負(fù)荷適應(yīng)性

（十）反應(yīng)器的穩(wěn)定性,操作靈敏性,操作適應(yīng)性第17頁/共21頁反應(yīng)過程的開發(fā)方法反應(yīng)過程反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算小型熱模大型冷模

催化劑

操作條件本征動(dòng)力學(xué)宏觀動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器型式數(shù)學(xué)模型

中試工業(yè)示范裝置工程參數(shù)第18頁/共21頁