第2章精细化工工艺基本理论

1、第第2章章 精细化工工艺基本理论精细化工工艺基本理论2.1 2.1 精细化工过程开发与放大精细化工过程开发与放大2.2 2.2 精细化工计量学精细化工计量学2.3 2.3 精细化工反应器精细化工反应器教学重点：教学重点：化工过程效率指标；化工过程效率指标； 反应器的要求与选型原则。反应器的要求与选型原则。教学难点：教学难点：反应器选型原则反应器选型原则2.1 精细化工的技术开发精细化工的技术开发 文献和市场调研文献和市场调研选择研究课题选择研究课题 实验方案制定实验方案制定 实验室小试实验室小试 扩大试验扩大试验 工业化设计、成本核算工业化设计、成本核算 工业化生产工业化生产精细化学品开发步骤

2、图示精细化学品开发步骤图示2-1新方案新方案的提出的提出实验室实验室研究研究基础理论基础理论实验探索实验探索情报收集情报收集分析研究分析研究中试中试设计与设计与施工施工工业化工业化生产生产初步评价初步评价概念设计概念设计建立模型建立模型经济技术经济技术评价评价大型冷模大型冷模实验实验 模型修改模型修改2.2 化学反应的计量学化学反应的计量学n反应物的摩尔比反应物的摩尔比n限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物n过量百分数过量百分数n转化率转化率n选择性选择性n理论收率理论收率n质量收率质量收率n原料消耗定额原料消耗定额n单程转化率和总转化率单程转化率和总转化率转化率转化率XA-转化率表征

3、原料的转化率表征原料的转化程度，反映了反应进度。转化程度，反映了反应进度。选择性选择性S-它表达了主、副反应进它表达了主、副反应进行程度的相对大小行程度的相对大小理论收率理论收率Yp-AP(主产物)B，C，D等（副产物）YSX转化率、选择性、理论收率的关系转化率、选择性、理论收率的关系化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标该反应物的起始量某一反应物的转化量X该反应物的转化总量应物的量转化为目的产物的某反S该反应物的起始量反应物的量转化为目的的产物的某Y转化率转化率XA选择性选择性S理论收率理论收率YpAP(主产物)B，C，D等（副产物）,100%A rA inA outAA inA in

4、nnnXnn,100%PA inA outanpSnn,100%100%PPPA inA inannpYpnnaYSX转化率、选择性、理论收率的关系转化率、选择性、理论收率的关系化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标原料消耗定额原料消耗定额 每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量（吨或千克）每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量（吨或千克）叫做叫做原料消耗定额原料消耗定额。对主要反应物来说，它实际上就是质对主要反应物来说，它实际上就是质量收率的倒数。量收率的倒数。NH2H2SO4NH2SO3H+质量质量 100kg 163.5kg纯度纯度 99 98相对分子量相对分子量 93 231.2例：

5、例：苯胺的消耗定额苯胺的消耗定额10099%/163.598%0.618t618kg单程转化率单程转化率(X单单)和总转化率和总转化率(X总总) ， 反应物反应物A输入和输出反应器的物质的量输入和输出反应器的物质的量 ， 反应物反应物A输入和输出全过程的物质的量输入和输出全过程的物质的量X单单nA,inRnA,outRnA,inR100X总总nA,inSnA,outSnA,inS100nA,outRnA,inRnA,outSnsA,inS的量反应器进口物料中组分在反应器中的转化量组分AAXA的量新鲜原料中组分在反应器中的转化量组分AAXtotA,9例：在苯一氯化制氯苯时，为了减少副产二氯苯的生

6、成量，每例：在苯一氯化制氯苯时，为了减少副产二氯苯的生成量，每100mol苯用苯用40mol氯，反应产物中含氯，反应产物中含38mol氯苯，氯苯，1mol二氯苯，还有二氯苯，还有61mol未反应的苯，未反应的苯，经分离后可回收经分离后可回收60mol苯，损失苯，损失1mol苯，如下图所示：苯，如下图所示：C6H6100反应器分离器C6H6 61 C6H6 1C6H5Cl 38 C6H5Cl 38C6H4Cl2 1 C6H4Cl2 1%00.95%44.97%50.97%00.95%100601001138%44.97%100611001138%50.97%1006010061100%00.39

7、%10010061100 或或生成氯苯的总收率生成氯苯的总收率生成氯苯的选择性生成氯苯的选择性苯的总转化率苯的总转化率苯的单程转化率苯的单程转化率一、反应器要求及特点一、反应器要求及特点化学反应器在化学反应器在结构和材料结构和材料上必须满足以下要求：上必须满足以下要求：（1）对反应物料（特别是非均相的气液反应物、液液反应物、）对反应物料（特别是非均相的气液反应物、液液反应物、气固反应物、液固反应物、气液固三相反应物）提供良好的气固反应物、液固反应物、气液固三相反应物）提供良好的传质传质条件，便于控制反应物系的浓度分布，以利于反应的顺条件，便于控制反应物系的浓度分布，以利于反应的顺利进行；利进行

8、；（2）对反应物料（特别是强放热或强吸热的反应物系）提供）对反应物料（特别是强放热或强吸热的反应物系）提供良好的良好的传热传热条件，便于热效应的移除或供给，以利于反应物条件，便于热效应的移除或供给，以利于反应物系的温度控制；系的温度控制；（3）在反应的温度、压力和介质条件下，具有良好的）在反应的温度、压力和介质条件下，具有良好的力学强力学强度度和和耐腐蚀耐腐蚀性能；性能；（4）能适应反应器的）能适应反应器的操作方式操作方式（间歇操作或连续操作）。（间歇操作或连续操作）。2.3 化学反应器化学反应器图图2-2图图2-3 管式反应器管式反应器30m30m3 3催化磁力反应釜设计图催化磁力反应釜设计

9、图型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例适用场合及应用举例立式立式搅拌搅拌锅锅2-4a标准型标准型,带椭圆底或折带椭圆底或折边球形底边球形底在液体介质内进行的各种反应在液体介质内进行的各种反应2-4b带锥形底带锥形底结晶形产物或需静止分层的产物结晶形产物或需静止分层的产物2-4c半球形底半球形底压热反应压热反应,如氨化、水解等加压下的反应如氨化、水解等加压下的反应图图2-4双桨式（单桨式）双桨式（单桨式） 框锚式框锚式 叶片叶片锚式锚式直叶涡轮直叶涡轮框式框式单螺带单螺带螺杆螺杆 双螺带双螺带 各种搅拌器形式各种搅拌器形式图图2-5型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例

10、适用场合及应用举例卧式卧式反应反应锅锅2-6a卧式圆筒内设搅拌卧式圆筒内设搅拌带固体沉淀物的反应，如带固体沉淀物的反应，如-氯蒽醌的氨化氯蒽醌的氨化2-6b圆筒形，内设钢球或圆筒形，内设钢球或磁球，筒体旋转磁球，筒体旋转需要不断粉碎结块固体的场合，用于固体需要不断粉碎结块固体的场合，用于固体缩合反应等缩合反应等图图2-6型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例适用场合及应用举例管式管式反应反应器器1-3a水平管式水平管式气相或均液相反应，如水解反应等气相或均液相反应，如水解反应等1-3b垂直排管垂直排管气液相反应，带悬浮固体的液固或气液气液相反应，带悬浮固体的液固或气液固反应，如液相

11、催化加氢还原固反应，如液相催化加氢还原1-3c环形管内设搅拌器环形管内设搅拌器非均液相反应，如芳烃液相氧化或烷基非均液相反应，如芳烃液相氧化或烷基化反应。化反应。d型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例适用场合及应用举例管式管式反应反应器器2-7a水平管式水平管式气相或均液相反应，如水解反应等气相或均液相反应，如水解反应等2-7b垂直排管垂直排管气液相反应，带悬浮固体的液固或气液气液相反应，带悬浮固体的液固或气液固反应，如液相催化加氢还原固反应，如液相催化加氢还原2-7c环形管内设搅拌器环形管内设搅拌器非均液相反应，如芳烃液相氧化或烷基非均液相反应，如芳烃液相氧化或烷基化反应。化反

12、应。2-7d水平管带螺杆搅拌器水平管带螺杆搅拌器粘稠物料与半固体物料的反应粘稠物料与半固体物料的反应图图2-7 管式反应器管式反应器型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例适用场合及应用举例塔式塔式反应反应器器2-8a圆柱形塔体内设挡板圆柱形塔体内设挡板及鼓泡器及鼓泡器气液相反应，汽液固三相反应，如芳烃液相气液相反应，汽液固三相反应，如芳烃液相氧化及烃化反应硝基物加氢还原氧化及烃化反应硝基物加氢还原2-8b塔内部有填充物塔内部有填充物气体的化学吸收苯的沸腾氯化制氯苯气体的化学吸收苯的沸腾氯化制氯苯2-8c塔体内部有塔板结构塔体内部有塔板结构气液相逆流操作的反应，要求伴随蒸馏的化气液相

13、逆流操作的反应，要求伴随蒸馏的化学反应，如酯化反应及异丙苯氧化反应学反应，如酯化反应及异丙苯氧化反应2-8d塔体内部有搅拌装置塔体内部有搅拌装置或脉冲振动装置或脉冲振动装置气液、液液、液固等均相反应及要求伴随萃气液、液液、液固等均相反应及要求伴随萃取的化学反应，如硝化废酸的萃取取的化学反应，如硝化废酸的萃取图图2-8型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例适用场合及应用举例固定固定床反床反应器应器1-5a单简体内装催化剂单简体内装催化剂 气固、液固、气液固相催化反应如硝气固、液固、气液固相催化反应如硝基物气相加氢还原及液相加氢还原基物气相加氢还原及液相加氢还原1-5b列管式，管内装催

14、化列管式，管内装催化剂剂反应热较大的快速气固相催化反应，如芳反应热较大的快速气固相催化反应，如芳烃的气相催化氧化烃的气相催化氧化型式型式图号图号结构特点结构特点适用场合及应用举例适用场合及应用举例固定固定床反床反应器应器2-9a单简体内装催化剂单简体内装催化剂 气固、液固、气液固相催化反应如硝气固、液固、气液固相催化反应如硝基物气相加氢还原及液相加氢还原基物气相加氢还原及液相加氢还原2-9b列管式，管内装催化列管式，管内装催化剂剂反应热较大的快速气固相催化反应，如芳反应热较大的快速气固相催化反应，如芳烃的气相催化氧化烃的气相催化氧化图图2-9流化床反应器流化床反应器 2-10圆筒形，催化剂靠气速圆筒形，催化剂靠气速或液速呈流化状态或液速呈流化状态放热量较大的气固相或气液放热量较大的气固相或气液固相催化反应，如芳烃的氧固相催化反应，如芳烃的氧化、硝基物催化加氢还原化、硝基物催化加氢还原喷射型反应器喷射型反应器2-11类似喷射器结构类似喷射器结构气液、液液相快速反应，例气液、液液相快速反应，例如某些中和及酯化反应、气如某些中和及酯化反应、气体的化学吸收体的化学吸收泵式反应器泵式反应器2-12类似水环泵或透平泵结类似水环泵或透平泵结构构液相、气液相等快速反应如液相、气液相等快速反应如烷基苯的磺化反应等。烷基苯的磺化反应等。图图2-11图图2-12图图2-10图图2-13（1）反