1、第第2章章 精細化工工藝基本理論精細化工工藝基本理論2.1 2.1 精細化工過程開發與放大精細化工過程開發與放大2.2 2.2 精細化工計量學精細化工計量學2.3 2.3 精細化工反應器精細化工反應器教學重點：教學重點：化工過程效率指標；化工過程效率指標； 反應器的要求與選型原則。反應器的要求與選型原則。教學難點：教學難點：反應器選型原則反應器選型原則2.1 精細化工的技術開發精細化工的技術開發 文獻和市場調研文獻和市場調研選擇研究課題選擇研究課題 實驗方案制定實驗方案制定 實驗室小試實驗室小試 擴大試驗擴大試驗 工業化設計、成本核算工業化設計、成本核算 工業化生產工業化生產精細化學品開發步驟

2、圖示精細化學品開發步驟圖示2-1新方案新方案的提出的提出實驗室實驗室研究研究基礎理論基礎理論實驗探索實驗探索情報收集情報收集分析研究分析研究中試中試設計與設計與施工施工工業化工業化生產生產初步評價初步評價概念設計概念設計建立模型建立模型經濟技術經濟技術評價評價大型冷模大型冷模實驗實驗 模型修改模型修改2.2 化學反應的計量學化學反應的計量學n反應物的摩爾比反應物的摩爾比n限制反應物和過量反應物限制反應物和過量反應物n過量百分數過量百分數n轉化率轉化率n選擇性選擇性n理論收率理論收率n質量收率質量收率n原料消耗定額原料消耗定額n單程轉化率和總轉化率單程轉化率和總轉化率轉化率轉化率XA-轉化率表征

3、原料的轉化率表征原料的轉化程度，反映了反應進度。轉化程度，反映了反應進度。選擇性選擇性S-它表達了主、副反應進它表達了主、副反應進行程度的相對大小行程度的相對大小理論收率理論收率Yp-AP(主產物)B，C，D等（副產物）YSX轉化率、選擇性、理論收率的關系轉化率、選擇性、理論收率的關系化工過程的主要效率指標化工過程的主要效率指標該反應物的起始量某一反應物的轉化量X該反應物的轉化總量應物的量轉化為目的產物的某反S該反應物的起始量反應物的量轉化為目的的產物的某Y轉化率轉化率XA選擇性選擇性S理論收率理論收率YpAP(主產物)B，C，D等（副產物）,100%A rA inA outAA inA in

4、nnnXnn,100%PA inA outanpSnn,100%100%PPPA inA inannpYpnnaYSX轉化率、選擇性、理論收率的關系轉化率、選擇性、理論收率的關系化工過程的主要效率指標化工過程的主要效率指標原料消耗定額原料消耗定額 每生產一噸產品需要消耗的各種原料的量（噸或千克）每生產一噸產品需要消耗的各種原料的量（噸或千克）叫做叫做原料消耗定額原料消耗定額。對主要反應物來說，它實際上就是質對主要反應物來說，它實際上就是質量收率的倒數。量收率的倒數。NH2H2SO4NH2SO3H+質量質量 100kg 163.5kg純度純度 99 98相對分子量相對分子量 93 231.2例：

5、例：苯胺的消耗定額苯胺的消耗定額10099%/163.598%0.618t618kg單程轉化率單程轉化率(X單單)和總轉化率和總轉化率(X總總) ， 反應物反應物A輸入和輸出反應器的物質的量輸入和輸出反應器的物質的量 ， 反應物反應物A輸入和輸出全過程的物質的量輸入和輸出全過程的物質的量X單單nA,inRnA,outRnA,inR100X總總nA,inSnA,outSnA,inS100nA,outRnA,inRnA,outSnsA,inS的量反應器進口物料中組分在反應器中的轉化量組分AAXA的量新鮮原料中組分在反應器中的轉化量組分AAXtotA,9例：在苯一氯化制氯苯時，為了減少副產二氯苯的生

6、成量，每例：在苯一氯化制氯苯時，為了減少副產二氯苯的生成量，每100mol苯用苯用40mol氯，反應產物中含氯，反應產物中含38mol氯苯，氯苯，1mol二氯苯，還有二氯苯，還有61mol未反應的苯，未反應的苯，經分離后可回收經分離后可回收60mol苯，損失苯，損失1mol苯，如下圖所示：苯，如下圖所示：C6H6100反應器分離器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 或或生成氯苯的總收率生成氯苯的總收率生成氯苯的選擇性生成氯苯的選擇性苯的總轉化率苯的總轉化率苯的單程轉化率苯的單程轉化率一、反應器要求及特點一、反應器要求及特點化學反應器在化學反應器在結構和材料結構和材料上必須滿足以下要求：上必須滿足以下要求：（1）對反應物料（特別是非均相的氣液反應物、液液反應物、）對反應物料（特別是非均相的氣液反應物、液液反應物、氣固反應物、液固反應物、氣液固三相反應物）提供良好的氣固反應物、液固反應物、氣液固三相反應物）提供良好的傳質傳質條件，便于控制反應物系的濃度分布，以利于反應的順條件，便于控制反應物系的濃度分布，以利于反應的順利進行；利進行

8、；（2）對反應物料（特別是強放熱或強吸熱的反應物系）提供）對反應物料（特別是強放熱或強吸熱的反應物系）提供良好的良好的傳熱傳熱條件，便于熱效應的移除或供給，以利于反應物條件，便于熱效應的移除或供給，以利于反應物系的溫度控制；系的溫度控制；（3）在反應的溫度、壓力和介質條件下，具有良好的）在反應的溫度、壓力和介質條件下，具有良好的力學強力學強度度和和耐腐蝕耐腐蝕性能；性能；（4）能適應反應器的）能適應反應器的操作方式操作方式（間歇操作或連續操作）。（間歇操作或連續操作）。2.3 化學反應器化學反應器圖圖2-2圖圖2-3 管式反應器管式反應器30m30m3 3催化磁力反應釜設計圖催化磁力反應釜設計

9、圖型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例適用場合及應用舉例立式立式攪拌攪拌鍋鍋2-4a標準型標準型,帶橢圓底或折帶橢圓底或折邊球形底邊球形底在液體介質內進行的各種反應在液體介質內進行的各種反應2-4b帶錐形底帶錐形底結晶形產物或需靜止分層的產物結晶形產物或需靜止分層的產物2-4c半球形底半球形底壓熱反應壓熱反應,如氨化、水解等加壓下的反應如氨化、水解等加壓下的反應圖圖2-4雙槳式（單槳式）雙槳式（單槳式） 框錨式框錨式 葉片葉片錨式錨式直葉渦輪直葉渦輪框式框式單螺帶單螺帶螺桿螺桿 雙螺帶雙螺帶 各種攪拌器形式各種攪拌器形式圖圖2-5型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例

10、適用場合及應用舉例臥式臥式反應反應鍋鍋2-6a臥式圓筒內設攪拌臥式圓筒內設攪拌帶固體沉淀物的反應，如帶固體沉淀物的反應，如-氯蒽醌的氨化氯蒽醌的氨化2-6b圓筒形，內設鋼球或圓筒形，內設鋼球或磁球，筒體旋轉磁球，筒體旋轉需要不斷粉碎結塊固體的場合，用于固體需要不斷粉碎結塊固體的場合，用于固體縮合反應等縮合反應等圖圖2-6型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例適用場合及應用舉例管式管式反應反應器器1-3a水平管式水平管式氣相或均液相反應，如水解反應等氣相或均液相反應，如水解反應等1-3b垂直排管垂直排管氣液相反應，帶懸浮固體的液固或氣液氣液相反應，帶懸浮固體的液固或氣液固反應，如液相

11、催化加氫還原固反應，如液相催化加氫還原1-3c環形管內設攪拌器環形管內設攪拌器非均液相反應，如芳烴液相氧化或烷基非均液相反應，如芳烴液相氧化或烷基化反應。化反應。d型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例適用場合及應用舉例管式管式反應反應器器2-7a水平管式水平管式氣相或均液相反應，如水解反應等氣相或均液相反應，如水解反應等2-7b垂直排管垂直排管氣液相反應，帶懸浮固體的液固或氣液氣液相反應，帶懸浮固體的液固或氣液固反應，如液相催化加氫還原固反應，如液相催化加氫還原2-7c環形管內設攪拌器環形管內設攪拌器非均液相反應，如芳烴液相氧化或烷基非均液相反應，如芳烴液相氧化或烷基化反應。化反

12、應。2-7d水平管帶螺桿攪拌器水平管帶螺桿攪拌器粘稠物料與半固體物料的反應粘稠物料與半固體物料的反應圖圖2-7 管式反應器管式反應器型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例適用場合及應用舉例塔式塔式反應反應器器2-8a圓柱形塔體內設擋板圓柱形塔體內設擋板及鼓泡器及鼓泡器氣液相反應，汽液固三相反應，如芳烴液相氣液相反應，汽液固三相反應，如芳烴液相氧化及烴化反應硝基物加氫還原氧化及烴化反應硝基物加氫還原2-8b塔內部有填充物塔內部有填充物氣體的化學吸收苯的沸騰氯化制氯苯氣體的化學吸收苯的沸騰氯化制氯苯2-8c塔體內部有塔板結構塔體內部有塔板結構氣液相逆流操作的反應，要求伴隨蒸餾的化氣液相

13、逆流操作的反應，要求伴隨蒸餾的化學反應，如酯化反應及異丙苯氧化反應學反應，如酯化反應及異丙苯氧化反應2-8d塔體內部有攪拌裝置塔體內部有攪拌裝置或脈沖振動裝置或脈沖振動裝置氣液、液液、液固等均相反應及要求伴隨萃氣液、液液、液固等均相反應及要求伴隨萃取的化學反應，如硝化廢酸的萃取取的化學反應，如硝化廢酸的萃取圖圖2-8型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例適用場合及應用舉例固定固定床反床反應器應器1-5a單簡體內裝催化劑單簡體內裝催化劑 氣固、液固、氣液固相催化反應如硝氣固、液固、氣液固相催化反應如硝基物氣相加氫還原及液相加氫還原基物氣相加氫還原及液相加氫還原1-5b列管式，管內裝催

14、化列管式，管內裝催化劑劑反應熱較大的快速氣固相催化反應，如芳反應熱較大的快速氣固相催化反應，如芳烴的氣相催化氧化烴的氣相催化氧化型式型式圖號圖號結構特點結構特點適用場合及應用舉例適用場合及應用舉例固定固定床反床反應器應器2-9a單簡體內裝催化劑單簡體內裝催化劑 氣固、液固、氣液固相催化反應如硝氣固、液固、氣液固相催化反應如硝基物氣相加氫還原及液相加氫還原基物氣相加氫還原及液相加氫還原2-9b列管式，管內裝催化列管式，管內裝催化劑劑反應熱較大的快速氣固相催化反應，如芳反應熱較大的快速氣固相催化反應，如芳烴的氣相催化氧化烴的氣相催化氧化圖圖2-9流化床反應器流化床反應器 2-10圓筒形，催化劑靠氣速圓筒形，催化劑靠氣速或液速呈流化狀態或液速呈流化狀態放熱量較大的氣固相或氣液放熱量較大的氣固相或氣液固相催化反應，如芳烴的氧固相催化反應，如芳烴的氧化、硝基物催化加氫還原化、硝基物催化加氫還原噴射型反應器噴射型反應器2-11類似噴射器結構類似噴射器結構氣液、液液相快速反應，例氣液、液液相快速反應，例如某些中和及酯化反應、氣如某些中和及酯化反應、氣體的化學吸收體的化學吸收泵式反應器泵式反應器2-12類似水環泵或透平泵結類似水環泵或透平泵結構構液相、氣液相等快速反應如液相、氣液相等快速反應如烷基苯的磺化反應等。烷基苯的磺化反應等。圖圖2-11圖圖2-12圖圖2-10圖圖2-13（1）反