1章 催化反应工程任务

CaH：3OiCH4
,
niCC44 H, C8 阳4离, 子C树40脂分离O
C CH3 CH 3
(MTBE)
CH 2 CH 2
CH CH
加氢
CH 2 CH 2
氧化
银催化剂
CH CH
（微量） CH CH H 2 H2C CH2 H2
O
H2C CH 2 CH CH H2O
O
Batch Reactor
❖ 连续操作：易自动化，质量稳，连续操作，流动复杂化
❖ 半连续操作：特殊工艺要求
➢ 按反应器除热方式分类
T 0C
❖ 绝热式
L
❖ 间壁换热式
❖ 自热式
L
L
❖ 冷激式 ❖ 相变式
T℃
L
T℃
➢ 按反应物相态分类
t (hr)
非催化反应
催化反应
均相反应
大部分气相反应 快速反应（燃烧等）
大部分液相反应
胶体反应 酶和微生物反应
催化反应工程的结构
反应器计算
理想反应器： 间歇、CSTR、PF
非理想反应器
多相流动 传递现象 催化反应器
催化过程
反应模型 动力学 单颗粒行为
工程学(Engineering)的任务需要定量计算. 虽然化工厂中反应器的投资占总投资比例较小 但要求的计算精度却很高,因为它是决定总资, 总能耗的关键 (如换热面积计算精度要求小于反应器)
总费用
对反应器转化率,选择性的计算精度要求更高
设备投 资费
能耗费
研究方法
钢管直径
小型热态实验(化学) 必要的冷态实验(物理)
建立 数模
中试
反应速率方程
物料衡算 热பைடு நூலகம்衡算
化学反 应工程
大型装置设计
南 充 炼 厂
装 置
FCC
风机
Hydrotreating Unit
Reformer Reactors in Series
非均相反应
煤燃烧，矿石焙烧 气－液吸收反应 炼铁，湿法冶金
合成氨，硝酸，硫酸 炼油，合成材料单体
按固相(催化剂)运动方式分类 固定床 (催化剂寿命长) 移动床 (催化剂寿命为中等) 流化床 (催化剂寿命短)
按反应器外型分类 釜式 管式 塔式
* 反应用于净化原料
60-1000c CH 3
CH 3
1 nm
1 micron
10 mm
10 m
1 km
10,000 km
化学工程的发展历程
1901 英 G.E.的Davis«化学工程手册发表»提出单元操作 1913 德 哈伯－博施法高压合成氨技术产业化 1920 美 MIT成立第一个化工系，W.K.刘易斯任系主任 1922 德 Winkler 炉流化床煤气化炉 1931 丁苯橡胶、氯丁橡胶投产 1940 美国FCC炼油开发成功，成为石油化工的起点 1957 欧洲第一届反应工程会议，提出反应工程概念 1990 “生态化工”概念提出,Eco-Chemical Engineering
. 催化反应工程任务
在工业反应器内实施(分子水平的)化学反应 时,出现的种种工程问题,均属反应工程问题
为把实验室发现的化学反应可靠地移植到 工业生产中去, 需确定其反应参数,并按予期的生产能力 设计反应器的形状,大小和操作方式
催化反应式数量＞ ＞非催化反应式的数量 特别是有机反应 气相催化反应
(如合成氨,水煤气变换, 合成甲醇,天然气化工, 环氧乙烷, 苯乙烯,有机化工,石油化工)
How Does A Fuel Cell Work ?
50
Fuel
(H2)
Waste Heat
Electrons
H+
Electrons
Oxygen (Air)
CATHODE
ANODE
Electrolyte
Waste Heat
Water
Catalyst
Anode: 2H2
4H+ + 4e-
Cathode: O2+ 4H+ + 4e-
Insight
Layer 3: Reactor Design
Layer 4: Process Design
Layer 5: Complex Wide Optimization
Technology Delivered
Chemical Engineering: Different scales operate under different rules
N2 + 3H2 2NH3
原料净化
反应器
依据催化剂的要求 N2中脱H2O,脱CO2 H2 中脱S,脱O2
动力车间
Utility
分离
依据反应产品 组成来设计
化工生产大型化促使反应工程学诞生
乙烯由单台 30万吨/年 45 化肥单台 30万吨/年 炼油单台 1000万吨/年
60万吨/年
总费用
要节省投资降低单耗就必须优化设计,优化的前 提是单元操作(包括反应器)的数学模型
Side View of Reformer Reactors
45万吨/年乙烯裂解球罐
Spherical Reactor
Three Spherical Reactors
Spherical Reactors Connected in Series
化学反应过程分类
➢ 按操作方式分类
❖ 间歇操作：停留时间均一，批量小，多样化，非定常态
2H2O
A fuel cell reacts H2 and O2 to produce electricity & water
It operates with zeroemissions & at high efficiency
For practical applications, many single fuel cells are assembled into one “stack” to produce high voltage & power (a single cell produces ~130 w at ~0.6 V)
从“从1化19学9000分年0离始年工，始，“化学分离工程”研究
程”研究使单 元操作概念日
使单元操作概念日渐成熟
渐从成1熟957年始，“化学反应工程”研究日渐成熟，
使“逐级放大”→“数模放大” 从1900年始，近代化工厂出现(合成氨、纯
缄、染料为代表) 从1945年始，石油化工崛起
20世纪末起 天然气化工、煤化工、 生物化工 并行发展
釜式反应器
Cutaway View of CSTR
Batch Reactor Stirring Apparatus
* 用于汽车尾气凈化(Monolith催化剂)
高压聚乙烯：1000~2000 atm，低密度，10万吨/年
Fixed Bed Reactor
Fixed Bed Reactor
工业催化 高温 均相催化剂 硫酸,氢氟酸等
固体催化剂 过渡金属元素 生物催化 室温 固定酶催化剂 氧化硅,氧化铝等
均相催化(胆汁) 生物催化活化能＜ ＜工业催化
反应工程的尺度
Knowledge Flow in
Technology Delivery
Layer 1: Molecular
Layer 2: Kinetic Models
Fluidized Catalytic Cracker
Efficiency, %
从油到车轮的效率
35 30 25 20
将来 15 10
现在 5 0
烃类 甲醇
内燃机 氢燃料电池 燃料电池
Source: Fuel Choices for Fuel Cell Vehicles, API 1999
UOP 3349-28