化学反应器理论

机电工业

FLOTU


炼油工业 石化工业 冶金工业 建材工业 制药工业 能源工业


汽车工业 家电工业 航空航天工业 计算机等信息产业 机械工业



——自下而上自组装的方法： 物质在分子水平进行重组 ——创造了世界上最大的工业 产业之一 ——以数学、物理，化学，生 物学为基础； 我们可以在规模上有后发优势！
80 60 40 20 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Time on stream（hr）
PX生产最大化
FLOTU
催化剂 是否硅改性 芳烃总选择性 苯 甲苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 PX/X
1 否 70.0 10.7 30.6 6.1 13.1 5.7 24.6
2 是 41.7 5.2 15.7 18.6 0.4 0.1 97.0
3 否 75.7 5.7 21.2 8.6 18.3 8.3 24.3
4 是 64.7 4.2 22.2 25.1 2.3 0.7 89.4
不同基板作用力下的两种生长机理及对CNT结构的影响 碳-基板作用强
FLOTU
催化剂-基板作用强
CNT apply 10-30 GPa tensile, without flow influence on tip Tip growth
大尺度下观察的CO2问题
FLOTU
论文、专利与产能关系
FLOTU
Carbon nanotube Production and pulications Number or ton,
10
4
10
3
Journal paper
45% Patent 60%
18%
10
2
Production capacity 60%
课程目标
FLOTU
反应工程学什么？知识、技能、思维方法？ 课程目标：反应器分析与设计并重，结合实际、 结合工艺、拓宽思路、引导创新。 内容：多相流反应工程、能源、大化工、材料 等 授课方法：讲课与讨论、设计、专题调研相结 合，研讨当前反应工程的发展及一些方向性、 热点性问题。 成绩：平时作业（３０％）＋专题报告（4０ ％）＋课程开卷考试（3０％）
多级结构反应器放大
外表面 尺寸2
体积 尺寸3
反应、流动、传递的放大
自然界中的自组装多级结构
FLOTU
自然界中多级结构与自组装制造
FLOTU
现代化工业企业-以大为美
FLOTU
FLOTU
China
现代化生活就是高能耗、多排CO2 ！中国、印度怎么办？
全球煤及石油储量
FLOTU
FLOTU
10
1
FLOTU
10
0
=
10
-1
10
-2
1940
1960
1980
2000
Year
00
10
1
Ann. Growth rate, % China PX 20 World PX 8
三烯 三苯
Polimeri Europa
0.1
中国化学工业的发展

GDP & Profit, Trillion Yuan

化学工业GDP12万亿元，世 界最大化工产业，完全依 赖石油。 我国资源95%为煤，我国仅 产50%的三烯、三苯，PX为 单一进口量最大产品。
Layer 3: Reactor Design
Layer 4: Process Design
Layer 5: Complex Wide Optimization
Technology Delivered
离散尺度下反应与传递问题
8CH3OH
• • • • •
ZSM-5
CH3
CH3
＋8H2O ＋3H2－311 KJ/mol FLOTU
多相反应过程工程化的层次
工业装置 工业试验
10-1 ~ 101 m 10-9 ~ 10-7 10-2 ~ 100
中试
10-2 ~ 10-1
小试
催化剂
FLOTU 微反
10-3 ~ 10-2
10-6 ~ 10-3
6、工程化
5、工程放大
4、流动区域及接触
3、聚团结构
2、催化剂
1、量子输运与反应
• 完整研发周期越来越长 • 如何缩短周期？是否可行？

FLOTU
越来综合性越强
反应器的发展历程
年代 产品 反应器类型 -3000 ?? 酿酒、制墨 间歇釜、燃烧火焰 105 中 蔡伦，造纸术 间歇釜 FLOTU 900？中 火药 间歇釜，颗粒技术 1100 意 近代大学教育 逻辑概念方法：唯理性 1300 中 流水线陶瓷制造 流程技术，焙烧窑 1860 德 柏林大学, 洪堡:研究创新之地 系统科研方法 1886 德 淀兰染料（BASF)、ASPIN(BAYER) 化学合成釜 1913 德 哈伯－博施法合成氨（BASF） 固定床催化反应器 1922 德 Winkler 煤气化炉 流化床反应器 1927 德 Bergim-pier 煤液化工艺开发 三相流化床反应器 1931 德 丁苯橡胶、氯丁橡胶投产 高分子反应器 1930 美 大学的服务功能 更广泛的社会服务 1936 美 FCC技术，石油化工起点 流化床反应再生 1940 英 Florey青霉素提取，人均寿命＋10年 生化反应器 1950 美 高纯硅提取 CVD反应器 1962 美 人工合成分子筛催化剂 催化反应器 1970 俄 周期变流向SO2氧化 动态反应器 近代 燃料电池、高分子材料、光电材料、药物缓释、组织工程、微型反应器、生物 芯片 应怎样定义? 产品、服务？ 微反应器 对人类生存、文明、人类健康、工业进步的贡献,创造新之重要 问题：为何中国人发明了火药，而西方出现热兵器时代？
环境与安全
一切涉及原子、分子变换、重组的过程设备为反应器
国际化学工业
FLOTU

大约1000家主要公司及无数小公司，生产大约7万种产品， 近4万亿美元的产值。 经合组织：化工是GDP最大的工业产业，在中国，第一。 四大化工公司：BASF,中国石化、Dow Chemicals, SABIC、 Du pond, Bayer 均从基础起步，强调研发及自我创新
ZSM-5纳米结构晶面选择性高产PX
FLOTU
B轴Leabharlann Baidu孔 道方向
C轴直孔 道Z形孔 道交替方 向
Shen K. et al, JMC, 2013, JACS, 2013
ZSM-5 MTA结果
100
FLOTU
NK-38 B NK-38 BD D A AC C
Coversion, aromatics yield, %
2005 2010
10 1990
1
1995
2000
Year
化学转化过程 -选择与设计
资源与能源 煤 石油 天然气 无机盐 生物质 各种材料 。。。 经济性
FLOTU
•过程总体成 本最低
过程要求
•最大转化率 •最大收率 •最大选择性 •易于放大 •高通量 •低压降 •易取热
反 应 器
•固有安全性
产品： 燃料 化学品 合成材料 医药 材料 电子产品 。。。。

人口与合成氨、青霉素关系
FLOTU
对人类贡献最大的化工技术
用化学反应为人类创造价值
实验室的3p原则： 平台 专利 论文
FLOTU
Robert Langer：43岁美国三院院士， 有史以来工程领域被引次数最多的人
化学工程的历史





FLOTU 1900 年起，单元操作，主要以单相流动、分离为主，很少催化，不 着重于数学，化学+设备。煤化工为主 1957年反应工程：动力学、传递、流体力学，化学+数学，石油化工 1960年 传递过程，现代化工时代，三传一反 1960年分子筛催化剂，纳米材料等 1980年微型反应器、电池、燃料电池等分布式应用 1990年纳米技术，CVD反应器等与电子工业结合 课程结构体系无重大变化，但内容由传统化工走向现代化工：怎样 定义目前的化工及反应工程？ 三大支柱：流体力学、传递、反应 两个层面：介面(颗粒，固体表面)对流体的作用与影响 化学与化工相互结合？这世界在变，而我们没有 应用技术抽象成科学时, 我们会失去什么?
10 8 6 4 2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
GDP 27% Profit 27%
FLOTU
• • •
利用煤生产三烯、三苯？ 过程中的环境、水问题？ 小分子产品大规模生产问 题及环境控制？
2004 2006 2008 2010 Year
大尺度下观察的化工问题
FLOTU
FLOTU
9,733.1
1,106.3 627.3 19,920.3 3,505.4
化学工程在发生着革命性的变化:越来越向着基础, 不依靠经验, 创新是第一位的.
FLOTU
• • • •
仅19 % 的引用为学术研究论文 只有 0.3% 是化学工程学科的学术论文。 只有20% 以下的教授有一年以上工业经验； 化工教授少于 15% 的论文发表在化工杂志上
Base growth
42
550 mm 超长碳纳米管
FLOTU
无缺陷超长碳纳米管
FLOTU
•
•
高 TOF ~105 s-1
高 WHSV ~ 107
•
•
低缺陷 10-9
高纯度原料
Wei et al, ACS Nano，2013
离散条件下的传递问题
FLOTU
FLOTU
Adv. Mater. 2010, 22(16):1867; Chem. Mater. 2010, 22:1294.
化学反应器理论
FLOTU 第一章、绪
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章
第七章
论 反应动力学 催化剂上反应传递现象 催化剂失活 反应器选择性 多功能反应器 反应器设计
化学反应器理论
第一章 绪论
魏飞, 王铁峰 助教：王琪 清华大学化工系 Wf-dce@tsinghua.edu.cn www.flotu.org/homepage/~weifei


自上而下的方法： ——以物理学为基础、结构 性能关系为基础；
——物质在复杂程度、形貌、 结构等发生变化 创造的后发劣势？


FLOTU
石油化工基础
C2 production , Mt/a
10
3
World
10
2
Ann. growth rate % 1940-1973 26 1980-2012 4.5 China 1960-2012 15
FLOTU 利润 (百万美 元) 7,628.7
14,366.9 4,556.1 2,450.4 24,398.2
87
95 105 108 113
77
137 133 116 118
中国移动通信集团公司
中国中铁股份有限公司 中国铁建股份有限公司 中国建设银行 中国人寿保险(集团)公司
76,673.3
69,973.3 67,414.1 67,081.4 64,634.5
化工能干什么？
交 叉

与 信 息
与生
物交
叉
FLOTU
化工以优势 学科为依托
与生态环境交叉
材料
叉
与新
源
与
交叉
能
交
FLOTU
FLOTU
chemkin
反应工程的尺度
FLOTU
化工过程的多尺度问题
Layer 1: Molecular Insight
FLOTU
Layer 2: Kinetic Models
46
碳纳米管的可视化
FLOTU
Adv. Mater. 2010, 22(16):1867; Nature Comm. 2013, 1727, doi: 10.1038/ncomms2736
毫米级碳纳米管可视化
FLOTU
0.349 mN 110 GPa
1mm 1mm
2.41吨甲醇/吨PX，产生氢气，与煤气化结合， 可增产12%甲醇，2.11吨甲醇/吨PX 甲醇芳构化反应比烯烃快数量级，强放热反应 结焦失活、水热及金属流失变性失活 可进行芳构化的元素：Pt,Ir,Ru, Mo, Zn,Cu, Ga, Ag等 甲醇芳构、再生为高温强水热条件，平推流反应 器可增加芳构化收率
500强中的化工企业
FLOTU
国际炼油企业
FLOTU
中国公司排名
2011 2010
排名 排名 5 6 7 60 77 7 10 8 112 87 公司名称 (中英文) 中国石油化工集团公司 中国石油天然气集团公司 国家电网公司 鸿海科技集团 中国工商银行
营业收入
(百万美元) 273,421.9 240,192.4 226,294 95,190.5 80,501.3

化学工程与工艺核心课程的基本框架
FLOTU
化工过程集成（工艺）
分 离 工 程 化工热力学 反 应 工 程 传递过程原理
四大化学、数学、物理学、生物学
化工生产过程及流程
化工生产工艺流程组织—— 推论分析法 FLOTU
反应器
分离与再循环
换热网络 公用工程 环境、安全 资源、生态
制造业
过程工业