化学反应工程的开发方法

1、化学反应工程的开发方法化学反应工程的开发方法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反应过程开发中应重视的若干问题反应过程开发中应重视的若干问题 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的反应过程时，当我们在改造一个已投产的反应过程时， 当我们在强化一个已投产的反应装备时，当我们在强化一个已投产的反应装备时，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：（一）化学热力学各类化学反应的平衡问题（一）化学热力学各类化学反应的平衡问题化学平衡：反应的平衡常数

2、？化学平衡：反应的平衡常数？ 反应的平衡转化率？反应的平衡转化率？ 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）复合反应判断反应的方向与限度判断反应的方向与限度! !判断反应过程的可行性判断反应过程的可行性! !举例：举例：CO2H2 CH3OH CO23H2 CH3OHH2O摩尔数减少的可逆放热反应，摩尔数减少的可逆放热反应，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

3、利平衡。定量：计算定量：计算KP、ym*!高压，非理想性如何对理想体系的修正高压，非理想性如何对理想体系的修正 （状态方程）（状态方程）复合反应如何确定独立反应与独立反应组分数。复合反应如何确定独立反应与独立反应组分数。举例：举例：CH4H2O CO+3H2 CH42H2O CO24H2摩尔数增加的可逆吸热反应，摩尔数增加的可逆吸热反应，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（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

4、化剂？用何种类型催化剂？ 催化剂的活性组份，助催化剂，载体？催化剂的活性组份，助催化剂，载体？ 催化剂的制备方法？催化剂的制备方法？举例：举例：合成甲醇合成甲醇 8080年代前锌铬催化剂年代前锌铬催化剂 8080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动力学研究：反应速率的温度效应活化能动力学研究：反应速率的温度效应活化能E E 反应速率的浓度效应反应级数反应速率的浓度效应反应级数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

5、实验得出幂指数型与双曲型动力学方程由实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 由实验得出动力学方程由实验得出动力学方程（三）（三） 反应器选型反应器选型PFR？CSTR？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？ 非理想流动反应器的停留时间分布。非理想流动反应器的停留时间分布。 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的方向）（三相淤浆床反应器是新研究开发的方向）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）（四）（四

6、） 传热与反应之间的关系传热与反应之间的关系微观：催化剂粒内与粒外的传热问题微观：催化剂粒内与粒外的传热问题宏观：放热与供热宏观：放热与供热 反应热的回收与利用反应热的回收与利用举例：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）移走反应热使过程接近最佳温度曲线（宏观）移走反应热使过程接近最佳温度曲线 反应热的有效利用和床层的径向导热反应热的有效利用和床层的径向导热甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 （微观）催化剂颗粒非等温（微观）催化剂颗粒非等温 （宏观）燃烧一部分天然气供给反应热（宏观）燃烧一部分天然气供给反应热 每一根炉管受热均匀问题，燃每一根炉管受热均匀问题，燃

7、烧热量的优化使用。烧热量的优化使用。 （五）（五） 传质与反应之间的关系传质与反应之间的关系微观：催化剂颗粒粒内、粒外有效因子微观：催化剂颗粒粒内、粒外有效因子宏观：反应器尺度上的混和和返混宏观：反应器尺度上的混和和返混举例：举例：合成甲醇合成甲醇 （微观）粒内传质影响宏观速率（微观）粒内传质影响宏观速率甲烷蒸汽转化（微观）粒内、粒外传质严重影响宏观动力学甲烷蒸汽转化（微观）粒内、粒外传质严重影响宏观动力学 （六）（六） 流体流动与反应之间的关系流体流动与反应之间的关系反应器内流体的均布问题反应器内流体的均布问题反应器减低阻力问题反应器减低阻力问题举例：举例：合成甲醇合成甲醇 轴向流动反应器轴

8、向流动反应器 径向流动反应器径向流动反应器甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 几百根炉管的气体均布问题。几百根炉管的气体均布问题。（七）（七） 复合反应体系的选择率与收率复合反应体系的选择率与收率瞬时选择率与平均选择率瞬时选择率与平均选择率单程收率与总收率单程收率与总收率举例：举例：合成甲醇合成甲醇 铜基催化剂收率铜基催化剂收率锌铬催化剂收率锌铬催化剂收率合成二甲醚合成二甲醚 浆态床收率浆态床收率固定床收率固定床收率如何根据主副反应的活化能来选择反应温度？如何根据主副反应的活化能来选择反应温度？如何根据主副反应的级数来选择反应器？如何根据主副反应的级数来选择反应器？（八）反应器的材质（八）反应器的材质耐

9、耐高温？耐高压？耐腐蚀？高温？耐高压？耐腐蚀？举例：举例：合成甲醇合成甲醇 内冷式甲醇合成塔高温处不承受高压内冷式甲醇合成塔高温处不承受高压 高压处不承受高温高压处不承受高温甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 顶烧（侧烧、底烧）炉炉管材料顶烧（侧烧、底烧）炉炉管材料 25Cr20Ni 特种合金材料。特种合金材料。 （九）操作条件优化（九）操作条件优化温度？压力？组分浓度？空速？温度？压力？组分浓度？空速？温度可逆放热反应的最佳温度曲线温度可逆放热反应的最佳温度曲线举例：合成甲醇举例：合成甲醇 均温型反应器均温型反应器甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 高温型反应器高温型反应器压力能量最优化压力能量最优化举例：合成

10、甲醇举例：合成甲醇 等压合成等压合成甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 2.03.0 MPa组分浓度由原料路线决定组分浓度由原料路线决定举例：合成甲醇举例：合成甲醇 煤或天然气为原料煤或天然气为原料甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化 水碳比水碳比空速追求产量还是追求长运转周期空速追求产量还是追求长运转周期举例：合成甲醇举例：合成甲醇 冷管型塔冷管型塔20000h20000h-1-1，管壳型塔，管壳型塔8000h8000h-1-1 CSTR与与PFR的操作稳定性。的操作稳定性。操作灵敏性与反应操作参数的控制操作灵敏性与反应操作参数的控制举例：举例：合成甲醇合成甲醇 管壳型甲醇合成塔的最大管壳型甲醇合成塔的最大移移热温差，最小冷却热温差，最小冷却 介质温度与最大管径限制。介质温度与最大管径限制。 控制灵敏点温度与床层热点温度及热点位置。控制灵敏点温度与床层热点温度及热点位置。 操作负荷适应性操作负荷适应性 （十）（十） 反应器的稳定性反应器的稳定性, ,操作灵敏性操作灵敏性, ,操作适应性操作适应性反应过程的开发方法反应过程的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 中中 试试 工业