《化工工艺学》教案第3章 反应过程和过程优化[精选].doc

第三章 反应过程和过程优化 第一节反应过程 化学工业生产过程包括物理过程和化学反应过程，其中化学反应过程往往是生产过程关键。反应过程进行的条件对原料的预处理提出了一定的要求，反应进行的结果决定了反应产物的分离与提纯任务和未反应物的回收利用。一个产品的反应过程的改变将引起整个生产流程的改变。因此，反应过程是化工生产全局中起关键作用的部分。 化学反应过程的分类 1．按化学反应的特性分类 按照反应机理的不同，可以将化学反应分为简单反应和复杂反应两大类。 同一组反应物只生成一种特定生成物的反应叫简单反应，它不存在反应选择性问题。 复杂反应是指由一组特定反应物同时或接续进行几个反应的反应过程。复杂反应的形式很多，主要有平行反应、连串反应、平行一连串反应和共轭反应等。 根据反应的可逆与否，化学反应可分为可逆反应和不可逆反应两类。不可逆反应能进行 到底，反应物几乎全部转变为产物。可逆反应则受化学平衡的限制，反应只能进行到一定程度，反应产物需要分离和提纯，未反应物应该回收和循环使用。 从化学动力学的角度，可按反应分子数和反应级数区分化学反应。有单分子反应、双分子反应和个别的三分子反应；有零级反应、一级反应、二级反应和分数级反应等。 根据反应过程的热效应，化学反应可分为吸热反应和放热反应两大类。由于两类反应热特性不同，所以，反应过程要求的温度条件完全不同，使用的反应器类型也不同。 按反应物系的相态，可将化学反应分为均相反应和非均相反应。前者指反应组分(包括反应物、产物和催化剂)在反应过程中始终处于同一相态的反应；后者是指反应组分在反左过程中处于两相或三相状态的反应。 2．按反应过程进行的条件分类 ． 按照过程的温度条件可将反应过程划分为等温过程、绝热过程和非绝热变温过程。由于反应过程总是伴随着一定的热量变化，并且反应器和外界常有热交换和热损失，所以严格等温过程和绝热过程都是不存在的。如果装置在保温良好的情况下操作，那么过程接近绝热。在某些场合，又分为低温、常温和高温过程。 就压力状况可将反应过程分为常压、负压和加压过程。加压过程根据压力的高低又分高压、中压和低压过程。 根据操作方式的不同，化学反应过程可分为间歇过程、连续过程和半连续过程。这是分类方法中最常用和最重要的一种。 第二节反应器的基本研究 在工业上，实现化学反应的装置称为反应器。化学反应器是化工生产的核心设备，通专 应满足下列要求： (1)反应器要有足够的反应体积，以保证反应物在反应器中有充分的反应时间，达到短 定的转化率和产品质量指标： (2)反应器的结构要保证反应物之间，反应物与催化剂之间的良好接触。 (3)反应器要保证及时有效地输入或引出热量，以使反应过程在最适宜的操作温度T 进行。 (4)反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力，以保证反应过程安全可靠，经济耐用． (5)反应器要尽量做到易操作、易控制、易制造、易安装、易维护检修。 反应器类型和选型原则 1．反应器类型 由于化学反应种类繁多，性质各异，化学反应器的一个特点是具有相差甚远的构型和尺 寸，如窑炉、锅炉、釜、塔、混合器、高炉、回转窑，甚至简单的管子。实现化学反应为其 共同点，但特殊性的考虑十分重要。虽难以获得准确的分类方法，但可从影响反应的几个最 重要方面大致区分。 按反应中的物相分类，可示意为 按物料流动状态分类，示意为 按操作方式分类，可示意为 按传热特征分类示意为 第八节反应的工艺参数与流程 一、主要工艺参数的确定 在确定了反应器的构型后，还必须正确选择反应器的主要工艺参数，才能使反应器i 作达到理想的技术经济指标。反应器的主要工艺参数包括反应温度或温度序列、反应压 反应物进口组成和空速。这些参数的确定和优化组合，通常需经过系统的工艺试验探j 来，或利用反应动力学模型作多种方案计算，再在工艺试验中加以检验。 1．温度 反应温度是反应工艺的十分重要的参数，确定反应温度，一般考虑下述因素。 (1)反应方程和化学平衡。温度对平衡常数的影响可用Vaflt Hoff方程表示。 式中△H。为标准反应热。例如对放热反应可在反应初期离平衡点较远时，采用高温以提高目的反应速度，到反应中后期接近平衡时，应降低温度以提高平衡转化率，实际上，许多反应连很快，对于放热反应来说，反应过程的温度要害是及时移出反应热，以使反应在一个适量的温度范围内进行。相对来说，需要加热的反应好控制一些。 而吸热反应温度升高使平衡常数增大，平衡转化率提高，应始终保持高温。但亦受多jII 它因素的制约。 l (2)反应特性。Anhenius方程表达了反应速度与温度之间