化学反应工程课件：第一章 化反绪论.ppt

1、中国石油大学（华东）化学工程学院李春义工科楼A437；电话：0532-8698 1862，132 2532 4293；邮箱：1.化学反应工程的定义和研究目的2.化学反应工程与其它学科之间的关系3.学习化学反应工程的重要意义v1956年v荷兰Amsterdamv化学工程方面的国际学术会议vKrevelen教授提出了 Chemical Reaction EngineeringChemical Reaction Engineeringv在上个世纪的前五十年，化学工程关注的对象是物理过程，如流体的流动、传热、吸收、萃取、蒸馏和干燥等。v没有指导反应器开发的一般性方法。v石油工业，确切地说是炼油工业的繁

2、荣，促进了化学反应工程的发展。HisenseSDTV中国石油大学（华东）开发的大庆炼化12万吨年两段提升管催化裂解多产丙烯TMP装置宜宾五粮液酒厂现存明代的地穴式曲酒发酵窖v工业规模v反应器开发v工程活动设计操作 反应器优化化工过程：物理过程和化学过程v生产有用的化工产品v消除有害的污染物化学反应物理处理原料产品循环物理处理原子分子催化剂反应器过程工厂系统化学反应颗粒内传递三传分离设备经济、市场多个工厂流体力学、放大动力学模型反应器模型过程模型优化工厂模型优化系统优化从微观到宏观的集成技术链催化剂设计表面科学均相反应聚合物先进材料生产生物化学生物医学反应动力学多相反应器反应器放大过程集成与优化

3、环境安全化学反应工程CRE与化学反应工程有关的成熟的与新兴的技术化学反应工程基础科学工程科学化学动力学热力学数学传质传热流体流动CRE is the unique area of chemical engineering that integrates fundamentals of reaction and kinetic phenomena including catalysis with transport processes in the important areas of reactor design, scale-up, and commercial operation.v化学反

4、应的基本规律v催化作用化学催化剂：加快化学反应速率，本身不被明显消耗的物质。原理：降低了反应的活化能。不能改变化学反应的平衡。InitialstateFinalstateWithoutcatalystWithcatalystReaction pathEnergy化学Pictorial comparison of ZSM-5 zeolite desilication by tetraalkylammonium hydroxides and sodium hydroxide for improving the performance of benzene alkylation with ethyl

5、ene in liquid phase*.S. Abell, A. Bonilla, J. Prez-Ramrez. Mesoporous ZSM-5 zeolite catalysts prepared by desilication with organic hydroxides and comparison with NaOH leaching. Applied Catalysis A: General, 2009, 364: 191-198.v活性v选择性v寿命催化剂的关键性质：Introduction: Heterogeneous catalysis. Chemical Review

6、s, 1995, 95(3): 475-476.Heterogeneous catalysis is crucial to chemical technology. In the absence of the catalysts, the chemical transformation would either not occur or would take place with lower efficiencies or slower rates.The study of heterogeneous catalysis dates back to the early 1800s. Micha

7、el Faraday was one of the first scientists to examine the ability of platinum to facilitate oxidation reactions.* Michael Faraday (1791-1867 )：著名的英国化学家和物理学家，电解定律的创始人，电磁感应现象的发现者。13岁为生计所迫到书店去谋生，22岁(1813年)将所听的英国皇家学院著名化学家Humphry Davy教授4次4个多小时的演讲整理成了386页的书送给了Davy教授而得到赏识，成为了Davy教授的助手，从此步入了科学的店堂。Humphry Da

8、vy (1778-1829)2014年9月16日下午，92岁高龄的国家科技最高奖获得主吴良镛一手拄着拐杖，在工作人员的搀扶下，一步步缓缓走上人民大会堂报告台，坚持站着35分钟为首都新入学的6000多名研究生讲完了以志存高远 身体力行为题的报告，但放眼台下，大批后排学生一片片倒下，趴在桌上睡去。化学一段提升管一段提升管二段提升管二段提升管油气去分馏系统油气去分馏系统新鲜原料新鲜原料喷嘴喷嘴循环油循环油或汽油或汽油再生剂再生剂再生剂再生剂循环循环油或油或汽油汽油待生剂待生剂预提升预提升介质介质预提升预提升介质介质再生器沉降器提升管烟气 产物汽提蒸汽主风再生器反应器高低并列TSRFCCIV催化裂化催

9、化剂的技术进步，推动了反应器技术的发展。动力学化学反应速率：)(2,2ABBBAArrVdtdNrVdtdNrBA单位时间、单位反应器有效体积着眼组分摩尔数的变化量。动力学：.,),(BAiiACCTxxfr反应速率与其影响因素之间定量关系的科学，为动力学。丁烯催化裂解制丙烯： C4H8C3H6丁烯的裂解速率与丁烯浓度之间关系为，这样，从动力学的角度讲，丁烯的浓度越高越有利于其裂解。84848412HCHCHCKCkCr热力学两方面重要信息：平衡常数和反应热全景截面内表面外表面小分子烷烃脱氢平衡转化率与温度关系曲线（根据热力学数据绘制）*Zhentao Wu, Irfan M. D. Hati

10、m, Benjamin F. K. Kingsbury, Ejiro Gbenedio, K.Li. A novel inorganic hollow fiber membrane reactor for catalytic dehydrogenation of propane. AIChE Journal, 2009, 55(9): 2389-2398.丙烷脱氢是可逆的强吸热反应（Ho=124kJ/mol)。UOP公司的OleflexTM在550oC进行，反应过程补充H2以减缓生焦，可将反应周期延长到7h。Wu等利用非对称Al2O3管式反应器，内部“手指”状孔道中负载Pt，外衬PdAg透H2

11、膜，实现在反应过程中及时分离H2，打破在低温反应条件下平衡的限制，提高转化率和丙烯的选择性。BaCOxFeyZrzO3-(BCFZ, x+y+z=1) hollow fiber membrane obtained by spinning.Schematic drawing of the reactor set-up and an incorporated multi-step BCFZ hollow fiber with five active zones for ODP.Impact of oxygen supply via a BCFZ hollow fiber member on the

12、 catalytic propane dehydrogenation.Oliver Czuprat, Steffen Werth, Jrgen Caro, Thomas Schiestel. Oxidative dehydrogenation of propane in a perovskite membrane reactor with multi-step oxygen insertion. AIChE Journal, 2010, 56(9): 2390-2396.v甲烷水蒸汽重整是目前制合成气或制氢的主要途径。v甲烷部分氧化路线，从反应的角度看有利于节能，但空分成本高。v甲烷二氧化碳重

13、整是减少了二氧化碳的排放还是增加了二氧化碳排放？CH4制合成气的反应路线CH4+H2O CO+3H2+206kJ/mol甲烷水蒸汽重整CH4+1/2O2 CO+2H2-36kJ/mol甲烷部分氧化CH4+CO2 2CO+2H2+261kJ/mol甲烷二氧化碳重整CO+H2O CO2+H2-42.1kJ/mol一氧化碳水汽变换透氧膜空分反应耦合过程设想热力学两方面重要信息：平衡常数和反应热热力学两方面重要信息：平衡常数和反应热高温水蒸汽乙苯苯乙烯反应器加热炉高温水蒸汽乙苯苯乙烯反应器加热炉空气空气氧化催化剂脱氢催化剂C2H5C2H3+H2 打破平衡 提供热量 减少蒸汽，节约能量数学v 代数方程v

14、 微分方程v 偏微分方程v 积分方程v 微分积分方程数学模型v 结合实验，建立模型v 利用模型，进行模拟二维模型环状微元体)dzzCC(u )rdr(AA2)drrCC(rdzD)drr(AAer2从z面进入微元的量从zdz面离开微元的量从r面进入微元的量从rdr面离开微元的量微元内反应的量AuC)rdr( 2rCD)rdz(Aer2)r()rdrdz(AB2数学物料衡算能量衡算动力学模型传递模型流动模型参数模型采用数值解法，求解方程组。Crank-Nicholson法差分格式传质v反应物的外扩散v反应物的内扩散v反应物的吸附v表面反应v产物脱附v产物的内扩散v产物的外扩散气固相催化反应过程x

15、xxinoutAsC0LDistance along poreNo reaction at endof poreElementary section传热v化学反应都有热效应。v传热大的方面不仅关系到反应器类型的选择，而且关系到整个反应器的温度控制方案；小的方面，关系到催化剂颗粒内部温度的控制。v催化剂颗粒与主流体间、催化剂颗粒内都存在着温度梯度。放热反应，催化剂颗粒内比外表面温度高，反应速率快。吸热反应，催化剂内部温度比外表面低，反应速率慢。流体流动对反应器内流体流动认识肤浅，是造成反应器预测或设计不确定性的主要原因。InputOutputReactorFlow patternKinetics

16、: Chemical, mass and heat transfer流体流动催化裂化或催化裂解循环流化床反应器，巧妙地将吸热的反应过程与放热的催化剂烧焦再生过程组合在一起，具有诸多的优点；但是，其气固接触效率不高，径向催化剂分布不均匀也是显而易见的。剂油比剂油比8.58.57.07.05.05.0收率, wt%干气LPG丙烯汽油柴油重油焦炭2.9035.4015.3632.0612.199.078.383.0732.2914.2630.5913.1612.558.343.1530.3513.3126.6318.1213. 598.17流体流动气固接触效率与气速和固体流通量关系曲线*R. J.

17、Dry, I. N. Christensen, C. C. White. Gas-solids contact efficiency in a high-velocity fluidized bed. Powder Technology, 1987, 52: 243-250. v 在催化裂化中，提高一次通过的原料转化率和目的产品的选择性，是过程节能和提高经济性的关键因素。v 在TMP技术中，回炼的轻组分以分子形式分散，能否高收率、高选择性转化成丙烯，决定性因素在于气固接触是否充分。重油轻组分TMP流体流动不同流化床轴向固体浓度分布*H.Y. Zhu, J. Zhu. Gas-solids fl

18、ow structure in a novel circulating-turbulent fluidized bed. AIChE J., 2008, 54(5): 1213-1223.*X.B. Qi,H.Y. Zhu, J. Zhu. Demarcation of a new circulating turbulent fluidization regime. AIChE J., 2009, 55(3): 594-611.v 在重油催化裂化或催化裂解中，为强化催化反应，剂油比和催化剂的流化密度，是提高重油转化率和目的产品选择性至关重要的因素。v 在催化裂化或催化裂解的高密度循环流化床（HDCFB）中，提升管反应器内催化剂浓度沿轴向呈下高上低分布。v Zhu等*,*提出的循环湍流流化床可有效改善催化剂沿轴向的浓度分布状况。v 指导进行科学研究。 举例：在MTO中对乙烷生成的认识。v 指导反应器的科学设计、操作和优化工作。 举例：在催化裂化中是否采用干气作为预提升介质，在TMP技术开发过程中发现的干气过高问题的解决。CH3OHTime on stream, sC2H6C2H4Time on stream, sC2H4CH3OH