1、第第2章章 精細(xì)化工工藝基本理論精細(xì)化工工藝基本理論2.1 2.1 精細(xì)化工過程開發(fā)與放大精細(xì)化工過程開發(fā)與放大2.2 2.2 精細(xì)化工計(jì)量學(xué)精細(xì)化工計(jì)量學(xué)2.3 2.3 精細(xì)化工反應(yīng)器精細(xì)化工反應(yīng)器教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)：化工過程效率指標(biāo)；化工過程效率指標(biāo)； 反應(yīng)器的要求與選型原則。反應(yīng)器的要求與選型原則。教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)：反應(yīng)器選型原則反應(yīng)器選型原則2.1 精細(xì)化工的技術(shù)開發(fā)精細(xì)化工的技術(shù)開發(fā) 文獻(xiàn)和市場調(diào)研文獻(xiàn)和市場調(diào)研選擇研究課題選擇研究課題 實(shí)驗(yàn)方案制定實(shí)驗(yàn)方案制定 實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn)室小試 擴(kuò)大試驗(yàn)擴(kuò)大試驗(yàn) 工業(yè)化設(shè)計(jì)、成本核算工業(yè)化設(shè)計(jì)、成本核算 工業(yè)化生產(chǎn)工業(yè)化生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)步驟

2、圖示精細(xì)化學(xué)品開發(fā)步驟圖示2-1新方案新方案的提出的提出實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室研究研究基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)探索實(shí)驗(yàn)探索情報(bào)收集情報(bào)收集分析研究分析研究中試中試設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)與施工施工工業(yè)化工業(yè)化生產(chǎn)生產(chǎn)初步評價(jià)初步評價(jià)概念設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)建立模型建立模型經(jīng)濟(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價(jià)評價(jià)大型冷模大型冷模實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 模型修改模型修改2.2 化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量學(xué)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量學(xué)n反應(yīng)物的摩爾比反應(yīng)物的摩爾比n限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物n過量百分?jǐn)?shù)過量百分?jǐn)?shù)n轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率n選擇性選擇性n理論收率理論收率n質(zhì)量收率質(zhì)量收率n原料消耗定額原料消耗定額n單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率XA-轉(zhuǎn)化率表征

3、原料的轉(zhuǎn)化率表征原料的轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進(jìn)度。轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進(jìn)度。選擇性選擇性S-它表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)它表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)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(chǎn)物)B，C，D等（副產(chǎn)物）YSX轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率的關(guān)系轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率的關(guān)系化工過程的主要效率指標(biāo)化工過程的主要效率指標(biāo)該反應(yīng)物的起始量某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量X該反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化總量應(yīng)物的量轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的某反S該反應(yīng)物的起始量反應(yīng)物的量轉(zhuǎn)化為目的的產(chǎn)物的某Y轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率XA選擇性選擇性S理論收率理論收率YpAP(主產(chǎn)物)B，C，D等（副產(chǎn)物）,100%A rA inA outAA inA in

4、nnnXnn,100%PA inA outanpSnn,100%100%PPPA inA inannpYpnnaYSX轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率的關(guān)系轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率的關(guān)系化工過程的主要效率指標(biāo)化工過程的主要效率指標(biāo)原料消耗定額原料消耗定額 每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品需要消耗的各種原料的量（噸或千克）每生產(chǎn)一噸產(chǎn)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(yīng)物來說，它實(shí)際上就是質(zhì)對主要反應(yīng)物來說，它實(shí)際上就是質(zhì)量收率的倒數(shù)。量收率的倒數(shù)。NH2H2SO4NH2SO3H+質(zhì)量質(zhì)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(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率(X單單)和總轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率(X總總) ， 反應(yīng)物反應(yīng)物A輸入和輸出反應(yīng)器的物質(zhì)的量輸入和輸出反應(yīng)器的物質(zhì)的量 ， 反應(yīng)物反應(yīng)物A輸入和輸出全過程的物質(zhì)的量輸入和輸出全過程的物質(zhì)的量X單單nA,inRnA,outRnA,inR100X總總nA,inSnA,outSnA,inS100nA,outRnA,inRnA,outSnsA,inS的量反應(yīng)器進(jìn)口物料中組分在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化量組分AAXA的量新鮮原料中組分在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化量組分AAXtotA,9例：在苯一氯化制氯苯時(shí)，為了減少副產(chǎn)二氯苯的生

6、成量，每例：在苯一氯化制氯苯時(shí)，為了減少副產(chǎn)二氯苯的生成量，每100mol苯用苯用40mol氯，反應(yīng)產(chǎn)物中含氯，反應(yīng)產(chǎn)物中含38mol氯苯，氯苯，1mol二氯苯，還有二氯苯，還有61mol未反應(yīng)的苯，未反應(yīng)的苯，經(jīng)分離后可回收經(jīng)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(yīng)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(zhuǎn)化率苯的總轉(zhuǎn)化率苯的單程轉(zhuǎn)化率苯的單程轉(zhuǎn)化率一、反應(yīng)器要求及特點(diǎn)一、反應(yīng)器要求及特點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)器在化學(xué)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)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(yīng)物料（特別是非均相的氣液反應(yīng)物、液液反應(yīng)物、）對反應(yīng)物料（特別是非均相的氣液反應(yīng)物、液液反應(yīng)物、氣固反應(yīng)物、液固反應(yīng)物、氣液固三相反應(yīng)物）提供良好的氣固反應(yīng)物、液固反應(yīng)物、氣液固三相反應(yīng)物）提供良好的傳質(zhì)傳質(zhì)條件，便于控制反應(yīng)物系的濃度分布，以利于反應(yīng)的順條件，便于控制反應(yīng)物系的濃度分布，以利于反應(yīng)的順利進(jìn)行；利進(jìn)行

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

9、圖型式型式圖號(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例適用場合及應(yīng)用舉例立式立式攪拌攪拌鍋鍋2-4a標(biāo)準(zhǔn)型標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)內(nèi)進(jìn)行的各種反應(yīng)在液體介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的各種反應(yīng)2-4b帶錐形底帶錐形底結(jié)晶形產(chǎn)物或需靜止分層的產(chǎn)物結(jié)晶形產(chǎn)物或需靜止分層的產(chǎn)物2-4c半球形底半球形底壓熱反應(yīng)壓熱反應(yīng),如氨化、水解等加壓下的反應(yīng)如氨化、水解等加壓下的反應(yīng)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(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例

10、適用場合及應(yīng)用舉例臥式臥式反應(yīng)反應(yīng)鍋鍋2-6a臥式圓筒內(nèi)設(shè)攪拌臥式圓筒內(nèi)設(shè)攪拌帶固體沉淀物的反應(yīng)，如帶固體沉淀物的反應(yīng)，如-氯蒽醌的氨化氯蒽醌的氨化2-6b圓筒形，內(nèi)設(shè)鋼球或圓筒形，內(nèi)設(shè)鋼球或磁球，筒體旋轉(zhuǎn)磁球，筒體旋轉(zhuǎn)需要不斷粉碎結(jié)塊固體的場合，用于固體需要不斷粉碎結(jié)塊固體的場合，用于固體縮合反應(yīng)等縮合反應(yīng)等圖圖2-6型式型式圖號(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例適用場合及應(yīng)用舉例管式管式反應(yīng)反應(yīng)器器1-3a水平管式水平管式氣相或均液相反應(yīng)，如水解反應(yīng)等氣相或均液相反應(yīng)，如水解反應(yīng)等1-3b垂直排管垂直排管氣液相反應(yīng)，帶懸浮固體的液固或氣液氣液相反應(yīng)，帶懸浮固體的液固或氣液固反應(yīng)，如液相

11、催化加氫還原固反應(yīng)，如液相催化加氫還原1-3c環(huán)形管內(nèi)設(shè)攪拌器環(huán)形管內(nèi)設(shè)攪拌器非均液相反應(yīng)，如芳烴液相氧化或烷基非均液相反應(yīng)，如芳烴液相氧化或烷基化反應(yīng)。化反應(yīng)。d型式型式圖號(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例適用場合及應(yīng)用舉例管式管式反應(yīng)反應(yīng)器器2-7a水平管式水平管式氣相或均液相反應(yīng)，如水解反應(yīng)等氣相或均液相反應(yīng)，如水解反應(yīng)等2-7b垂直排管垂直排管氣液相反應(yīng)，帶懸浮固體的液固或氣液氣液相反應(yīng)，帶懸浮固體的液固或氣液固反應(yīng)，如液相催化加氫還原固反應(yīng)，如液相催化加氫還原2-7c環(huán)形管內(nèi)設(shè)攪拌器環(huán)形管內(nèi)設(shè)攪拌器非均液相反應(yīng)，如芳烴液相氧化或烷基非均液相反應(yīng)，如芳烴液相氧化或烷基化反應(yīng)?；?/p>

12、應(yīng)。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(yīng)粘稠物料與半固體物料的反應(yīng)圖圖2-7 管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器型式型式圖號(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例適用場合及應(yīng)用舉例塔式塔式反應(yīng)反應(yīng)器器2-8a圓柱形塔體內(nèi)設(shè)擋板圓柱形塔體內(nèi)設(shè)擋板及鼓泡器及鼓泡器氣液相反應(yīng)，汽液固三相反應(yīng)，如芳烴液相氣液相反應(yīng)，汽液固三相反應(yīng)，如芳烴液相氧化及烴化反應(yīng)硝基物加氫還原氧化及烴化反應(yīng)硝基物加氫還原2-8b塔內(nèi)部有填充物塔內(nèi)部有填充物氣體的化學(xué)吸收苯的沸騰氯化制氯苯氣體的化學(xué)吸收苯的沸騰氯化制氯苯2-8c塔體內(nèi)部有塔板結(jié)構(gòu)塔體內(nèi)部有塔板結(jié)構(gòu)氣液相逆流操作的反應(yīng)，要求伴隨蒸餾的化氣液相

13、逆流操作的反應(yīng)，要求伴隨蒸餾的化學(xué)反應(yīng)，如酯化反應(yīng)及異丙苯氧化反應(yīng)學(xué)反應(yīng)，如酯化反應(yīng)及異丙苯氧化反應(yīng)2-8d塔體內(nèi)部有攪拌裝置塔體內(nèi)部有攪拌裝置或脈沖振動(dòng)裝置或脈沖振動(dòng)裝置氣液、液液、液固等均相反應(yīng)及要求伴隨萃氣液、液液、液固等均相反應(yīng)及要求伴隨萃取的化學(xué)反應(yīng)，如硝化廢酸的萃取取的化學(xué)反應(yīng)，如硝化廢酸的萃取圖圖2-8型式型式圖號(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例適用場合及應(yīng)用舉例固定固定床反床反應(yīng)器應(yīng)器1-5a單簡體內(nèi)裝催化劑單簡體內(nèi)裝催化劑 氣固、液固、氣液固相催化反應(yīng)如硝氣固、液固、氣液固相催化反應(yīng)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(nèi)裝催

14、化列管式，管內(nèi)裝催化劑劑反應(yīng)熱較大的快速氣固相催化反應(yīng)，如芳反應(yīng)熱較大的快速氣固相催化反應(yīng)，如芳烴的氣相催化氧化烴的氣相催化氧化型式型式圖號(hào)圖號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適用場合及應(yīng)用舉例適用場合及應(yīng)用舉例固定固定床反床反應(yīng)器應(yīng)器2-9a單簡體內(nèi)裝催化劑單簡體內(nèi)裝催化劑 氣固、液固、氣液固相催化反應(yīng)如硝氣固、液固、氣液固相催化反應(yīng)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(nèi)裝催化列管式，管內(nèi)裝催化劑劑反應(yīng)熱較大的快速氣固相催化反應(yīng)，如芳反應(yīng)熱較大的快速氣固相催化反應(yīng)，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(yīng)器流化床反應(yīng)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(tài)或液速呈流化狀態(tài)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(yīng)，如芳烴的氧固相催化反應(yīng)，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(yīng)器噴射型反應(yīng)器2-11類似噴射器結(jié)構(gòu)類似噴射器結(jié)構(gòu)氣液、液液相快速反應(yīng)，例氣液、液液相快速反應(yīng)，例如某些中和及酯化反應(yīng)、氣如某些中和及酯化反應(yīng)、氣體的化學(xué)吸收體的化學(xué)吸收泵式反應(yīng)器泵式反應(yīng)器2-12類似水環(huán)泵或透平泵結(jié)類似水環(huán)泵或透平泵結(jié)構(gòu)構(gòu)液相、氣液相等快速反應(yīng)如液相、氣液相等快速反應(yīng)如烷基苯的磺化反應(yīng)等。烷基苯的磺化反應(yīng)等。圖圖2-11圖圖2-12圖圖2-10圖圖2-13（1）反