化學反應工程的開發方法重點第1頁/共21頁第2頁/共21頁反應過程開發中應重視的若干問題

當我們在開發一個新反應過程時，當我們在設計一個新反應裝備時，當我們在改造一個已投產的反應過程時，當我們在強化一個已投產的反應裝備時，要定性與定量地考慮以下十個問題：第3頁/共21頁（一）化學熱力學－－各類化學反應的平衡問題化學平衡：反應的平衡常數？反應的平衡轉化率？

低壓下－－理想溶液（氣體）－－單一反應高壓下－－非理想溶液（氣體）－－單一反應低壓下－－理想溶液（氣體）－－復合反應高壓下－－非理想溶液（氣體）－－復合反應判斷反應的方向與限度!判斷反應過程的可行性!第4頁/共21頁舉例：CO＋2H2CH3OHCO2＋3H2

CH3OH＋H2O摩爾數減少的可逆放熱反應，定性：必須高壓下進行，低溫下有利平衡。定量：計算KP、ym*!高壓，非理想性－－如何對理想體系的修正（狀態方程）復合反應－－如何確定獨立反應與獨立反應組分數。第5頁/共21頁舉例：CH4＋H2OCO+3H2CH4＋2H2OCO2＋4H2摩爾數增加的可逆吸熱反應，定性：必須低壓，高溫下進行定量：選取獨立反應與獨立反應組分第6頁/共21頁（二）化學動力學－－催化劑開發、動力學研究催化劑開發：用不用催化劑？用何種類型催化劑？催化劑的活性組份，助催化劑，載體？催化劑的制備方法？舉例：合成甲醇80年代前鋅鉻催化劑

80年代后銅基催化劑甲烷蒸汽轉化鎳基催化劑第7頁/共21頁動力學研究：反應速率的溫度效應－－活化能E

反應速率的濃度效應－－反應級數n

在等溫管式反應器中研究本征動力學在內循環無梯度反應器中研究宏觀動力學舉例：合成甲醇由實驗得出冪指數型與雙曲型動力學方程

甲烷蒸汽轉化由實驗得出動力學方程第8頁/共21頁（三）反應器選型－－PFR？CSTR？選取何種反應器：間歇反應或連續反應？平推流或全混流？非理想流動反應器的停留時間分布。舉例：合成甲醇平推流固定床反應器（三相淤漿床反應器是新研究開發的方向）甲烷蒸汽轉化外加熱管式爐（平推流固定床）第9頁/共21頁（四）傳熱與反應之間的關系微觀：催化劑粒內與粒外的傳熱問題宏觀：放熱與供熱反應熱的回收與利用舉例：合成甲醇（微觀）催化劑顆粒等溫（宏觀）移走反應熱使過程接近最佳溫度曲線反應熱的有效利用和床層的徑向導熱甲烷蒸汽轉化（微觀）催化劑顆粒非等溫（宏觀）燃燒一部分天然氣供給反應熱每一根爐管受熱均勻問題，燃燒熱量的優化使用。第10頁/共21頁（五）傳質與反應之間的關系微觀：催化劑顆粒粒內、粒外有效因子宏觀：反應器尺度上的混和和返混舉例：合成甲醇（微觀）粒內傳質影響宏觀速率甲烷蒸汽轉化（微觀）粒內、粒外傳質嚴重影響宏觀動力學

第11頁/共21頁（六）流體流動與反應之間的關系反應器內流體的均布問題反應器減低阻力問題舉例：合成甲醇軸向流動反應器徑向流動反應器甲烷蒸汽轉化幾百根爐管的氣體均布問題。第12頁/共21頁（七）復合反應體系的選擇率與收率瞬時選擇率與平均選擇率單程收率與總收率舉例：合成甲醇銅基催化劑收率＞鋅鉻催化劑收率合成二甲醚漿態床收率＞固定床收率如何根據主副反應的活化能來選擇反應溫度？如何根據主副反應的級數來選擇反應器？第13頁/共21頁（八）反應器的材質耐高溫？耐高壓？耐腐蝕？舉例：合成甲醇內冷式甲醇合成塔－－高溫處不承受高壓高壓處不承受高溫甲烷蒸汽轉化頂燒（側燒、底燒）爐爐管材料

25Cr20Ni特種合金材料。第14頁/共21頁（九）操作條件優化溫度？壓力？組分濃度？空速？溫度－－可逆放熱反應的最佳溫度曲線舉例：合成甲醇均溫型反應器甲烷蒸汽轉化高溫型反應器壓力－－能量最優化舉例：合成甲醇等壓合成甲烷蒸汽轉化2.0～3.0MPa第15頁/共21頁組分濃度－－由原料路線決定舉例：合成甲醇煤或天然氣為原料甲烷蒸汽轉化水碳比空速－－追求產量還是追求長運轉周期舉例：合成甲醇冷管型塔20000h-1，管殼型塔8000h-1

第16頁/共21頁CSTR與PFR的操作穩定性。操作靈敏性與反應操作參數的控制舉例：合成甲醇管殼型甲醇合成塔的最大移熱溫差，最小冷卻介質溫度與最大管徑限制。控制靈敏點溫度與床層熱點溫度及熱點位置。

操作負荷適應性

（十）反應器的穩定性,操作靈敏性,操作適應性第17頁/共21頁反應過程的開發方法反應過程反應熱力學計算小型熱模大型冷模

催化劑

操作條件本征動力學宏觀動力學反應器型式數學模型

中試工業示范裝置工程參數第18頁/共21頁