《化工工藝學(xué)》教案第章反應(yīng)過程和過程優(yōu)化

1、第三章反應(yīng)過程和過程優(yōu)化第一節(jié)反應(yīng)過程化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程包括物理過程和化學(xué)反應(yīng)過程，其中化學(xué)反應(yīng)過程往往是生產(chǎn)過程關(guān)鍵。反應(yīng)過程進(jìn)行的條件對(duì)原料的預(yù)處理提出了一定的要求，反應(yīng)進(jìn)行的結(jié)果決定了反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純?nèi)蝿?wù)和未反應(yīng)物的回收利用。一個(gè)產(chǎn)品的反應(yīng)過程的改變將引起整個(gè)生產(chǎn)流程的改變。因此，反應(yīng)過程是化工生產(chǎn)全局中起關(guān)鍵作用的部分。化學(xué)反應(yīng)過程的分類1按化學(xué)反應(yīng)的特性分類按照反應(yīng)機(jī)理的不同，可以將化學(xué)反應(yīng)分為簡(jiǎn)單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)兩大類。同一

2、組反應(yīng)物只生成一種特定生成物的反應(yīng)叫簡(jiǎn)單反應(yīng)，它不存在反應(yīng)選擇性問題。復(fù)雜反應(yīng)是指由一組特定反應(yīng)物同時(shí)或接續(xù)進(jìn)行幾個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)過程。復(fù)雜反應(yīng)的形式很多，主要有平行反應(yīng)、連串反應(yīng)、平行一連串反應(yīng)和共軛反應(yīng)等。根據(jù)反應(yīng)的可逆與否，化學(xué)反應(yīng)可分為可逆反應(yīng)和不可逆反應(yīng)兩類。不可逆反應(yīng)能進(jìn)行到底，反應(yīng)物幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物?？赡娣磻?yīng)則受化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)只能進(jìn)行到一定程度，反應(yīng)產(chǎn)物需要分離和提純，未反應(yīng)物應(yīng)該回收和循環(huán)使用。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)的角度，可

3、按反應(yīng)分子數(shù)和反應(yīng)級(jí)數(shù)區(qū)分化學(xué)反應(yīng)。有單分子反應(yīng)、雙分子反應(yīng)和個(gè)別的三分子反應(yīng)；有零級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng)和分?jǐn)?shù)級(jí)反應(yīng)等。根據(jù)反應(yīng)過程的熱效應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)可分為吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)兩大類。由于兩類反應(yīng)熱特性不同，所以，反應(yīng)過程要求的溫度條件完全不同，使用的反應(yīng)器類型也不同。按反應(yīng)物系的相態(tài)，可將化學(xué)反應(yīng)分為均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)。前者指反應(yīng)組分(包括反應(yīng)物、產(chǎn)物和催化劑)在反應(yīng)過程中始終處于同一相態(tài)的反應(yīng)；后者是指反應(yīng)組分在反左過程中處于

4、兩相或三相狀態(tài)的反應(yīng)。2按反應(yīng)過程進(jìn)行的條件分類按照過程的溫度條件可將反應(yīng)過程劃分為等溫過程、絕熱過程和非絕熱變溫過程。由于反應(yīng)過程總是伴隨著一定的熱量變化，并且反應(yīng)器和外界常有熱交換和熱損失，所以嚴(yán)格等溫過程和絕熱過程都是不存在的。如果裝置在保溫良好的情況下操作，那么過程接近絕熱。在某些場(chǎng)合，又分為低溫、常溫和高溫過程。就壓力狀況可將反應(yīng)過程分為常壓、負(fù)壓和加壓過程。加壓過程根據(jù)壓力的高低又分高壓、中壓和低壓過程。根據(jù)操作方式的不同，

5、化學(xué)反應(yīng)過程可分為間歇過程、連續(xù)過程和半連續(xù)過程。這是分類方法中最常用和最重要的一種。第二節(jié)反應(yīng)器的基本研究在工業(yè)上，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的裝置稱為反應(yīng)器。化學(xué)反應(yīng)器是化工生產(chǎn)的核心設(shè)備，通專應(yīng)滿足下列要求：(1)反應(yīng)器要有足夠的反應(yīng)體積，以保證反應(yīng)物在反應(yīng)器中有充分的反應(yīng)時(shí)間，達(dá)到短定的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)：(2)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)要保證反應(yīng)物之間，反應(yīng)物與催化劑之間的良好接觸。(3)反應(yīng)器要保證及時(shí)有效地輸入或引出熱量，以使反應(yīng)過程在最適宜的操作

6、溫度T進(jìn)行。多反應(yīng)連很快，對(duì)于放熱反應(yīng)來說，反應(yīng)過程的溫度要害是及時(shí)移出反應(yīng)熱，以使反應(yīng)在一個(gè)適量的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。相對(duì)來說，需要加熱的反應(yīng)好控制一些。而吸熱反應(yīng)溫度升高使平衡常數(shù)增大，平衡轉(zhuǎn)化率提高，應(yīng)始終保持高溫。但亦受多jII它因素的制約。l(2)反應(yīng)特性。Anhenius方程表達(dá)了反應(yīng)速度與溫度之間的定量關(guān)系。由上式可見，溫度愈高，反應(yīng)速度愈快。但是，工業(yè)上經(jīng)常遇見的反應(yīng)大多數(shù)伴有各硎平行、串聯(lián)或平串聯(lián)副反應(yīng)，這時(shí)，就不能片面追

7、求高溫反應(yīng)速率大，而要根據(jù)主、副反剜活化能的相對(duì)大小來選擇溫度：自由基聚合反應(yīng)則以引發(fā)劑的活化溫度為反應(yīng)溫度。l(3)溫度的限制條件：對(duì)于一些反應(yīng)過程，溫度越高越有利，或者溫度越低越有利。叫一如對(duì)主反應(yīng)是可逆吸熱反應(yīng)，且主反應(yīng)的活化能高于副反應(yīng)的活化能的過程，溫度越高越有利。相反，若主反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，且主反應(yīng)活化能低于副反應(yīng)的活化能，則應(yīng)盡可能矧用低溫，這時(shí)適宜的溫度就處于某種限制條件的邊界處。這些限制條件可能是：催化劑使用溫度范圍

8、的限制；材質(zhì)使用溫度范圍的限制；反皇z和產(chǎn)物的分解，或物態(tài)變化溫度的限制；反應(yīng)壓力的限制；加熱和吸熱工藝方案的限制以殳愛備的條件等等?，F(xiàn)將工業(yè)上若干常用反應(yīng)模式的適宜溫度序列列于表3—11。表3—11若干反應(yīng)模式的適宜溫度序列反應(yīng)模式反應(yīng)特性溫度序列備注A—，PA一PA—SE3EI，E2EJE3E】E2E2ElE3低溫先低后高先高后低(高初始溫度)l2A—P—’SE2EJEjE2先低后高高溫A—，PA—SEIE2E2EI高溫低溫A—，M

9、—叫34●S1s2ElE2E3E4E1E4ElE2，E3E4高溫低溫先低后高先高后低M為中間產(chǎn)品2壓力反應(yīng)壓力的選擇，一般考慮下述因素。(1)反應(yīng)方程和化學(xué)平衡。對(duì)于分子數(shù)增加的反應(yīng)，壓力增加將使平衡轉(zhuǎn)化率下降，而對(duì)于分子數(shù)減少的反應(yīng)，壓力增加將使平衡轉(zhuǎn)化率增加。(2)反應(yīng)速度。對(duì)于氣相反應(yīng)，濃度和壓力近似成正比關(guān)系，因此壓力增高，反應(yīng)速度加快一對(duì)于氣液相反應(yīng)和氣液固三相反應(yīng)，增加壓力能增加氣相組分在液相中的溶解度，對(duì)提高反應(yīng)速率也是有