化工基礎知識課件

1、第2章 化工基礎知識8/9/20221化學工藝學 第2章【教學目標】通過本章的學習，掌握化學熱力學相關的基礎知識；掌握化學反應速率、化學平衡的概念及影響因素；了解催化劑的特點、作用機理以及在工業(yè)中的使用；掌握化工生產(chǎn)的基本概念。 8/9/20222化學工藝學 第2章2.1 化學熱力學基礎 2.2 化學反應速率和化學平衡2.3 工業(yè)催化劑2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/20223化學工藝學 第2章2.1 化學熱力學基礎2.1.1 熱力學第一定律1.基本概念（1）體系與環(huán)境根據(jù)研究問題的需要，人為地選取一定范圍內的物質作為研究對象 ，稱之為體系；體系之外并與體系有密切聯(lián)系的其余部分物質或空間稱為

2、環(huán)境，根據(jù)體系與環(huán)境之間的有無物質和能量的交換，體系又分為 敞開體系、封閉體系、孤立體系。狀態(tài)函數(shù)：用來說明、確定體系所處狀態(tài)的宏觀物理量，包括質量、溫度、壓力、體積、密度等。狀態(tài)函數(shù)的變化與過程的途徑無關。（2）過程與途徑定溫過程、定壓過程、定容過程、絕熱過程、循環(huán)過程8/9/20224化學工藝學 第2章2.1 化學熱力學基礎 （3）熱量與功量熱量（Q）指體系與環(huán)境之間因存在溫差而引起的能量傳遞形式。體系吸熱，Q為正值；體系放熱，Q為負值。功量（W）是體系和環(huán)境之間除熱之外的其它能量傳遞形式。體系對環(huán)境做功，W為正值；環(huán)境對體系做功，W為負值。熱或功不是狀態(tài)參數(shù)。只有系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，才可

3、能有熱量和功的傳遞。（4）內能內能，又叫熱力學能，它是指儲存于體系內部一切能量的總和。任意系統(tǒng)處于確定狀態(tài)時，系統(tǒng)的內能具有單一確定值；內能的改變量只由始態(tài)和終態(tài)決定，而與過程的途徑無關，它是狀態(tài)函數(shù)。 8/9/20225化學工藝學 第2章2.1 化學熱力學基礎2.熱力學第一定律（1）表述方式：能量可以從一種形式轉化為另一種形式，但轉化過程中能量的總和不變。 第一類永動機不可能制成。（2）數(shù)學表達式 8/9/20226化學工藝學 第2章2.1 化學熱力學基礎2.1.2 化學反應熱的計算1.定容反應熱2.定壓反應熱 即化學反應的恒壓熱效應等于過程的焓變。3.熱化學方程式（1）熱化學反應方程式的寫

4、法： 或8/9/20227化學工藝學 第2章2.1 化學熱力學基礎（2）注意事項應注明反應的溫度和壓力 應注明反應物和生成物的物理狀態(tài) 化學計量系數(shù)，可以是整數(shù)也可以是分數(shù)。同一化學反應的計量系數(shù)不同，其反應的熱效應值也不相同。 在可逆反應中，正逆反應的焓變的絕對值相等，其正負號相反。4.標準摩爾生成焓（1）在標準壓力和指定溫度下，由最穩(wěn)定的單質反應生成1某物質，其過程的標準焓變，稱為該物質在該溫度下的標準摩爾生成焓。用 表示，單位是kJ/mol。（2）由標準摩爾生成焓計算反應的熱效應：先從熱力學數(shù)據(jù)表中查出反應各物質的標準生成焓，再由 計算反應的熱效應。8/9/20228化學工藝學 第2章2

5、.1 化學熱力學基礎5.標準摩爾燃燒焓（1）標準摩爾燃燒焓是指在標準狀態(tài)下1物質完全燃燒時所放出的熱量，通常稱為燃燒焓，用 表示 ，單位單位是kJ/mol。（2）由標準摩爾燃燒焓計算反應的熱效應：6.離子標準摩爾生成焓（1）在指定溫度及標準狀態(tài)下，由穩(wěn)定單質生成溶于大量水的1離子時的熱效應稱為離子標準摩爾生成焓，用 表示，并規(guī)定氫離子的標準摩爾生成焓為零。（2）由離子標準摩爾生成焓數(shù)據(jù)計算化學反應熱 ： 其中，離子標準摩爾生成焓數(shù)據(jù)可查有關數(shù)據(jù) 8/9/20229化學工藝學 第2章2.2 化學反應速率和化學平衡 2.2.1 化學反應速率1.化學反應速率理論（1）有效碰撞理論發(fā)生反應的碰撞是有效

6、碰撞，大部分不發(fā)生反應的碰撞是彈性碰撞 要發(fā)生有效碰撞 ，反應物分子必須具有足夠的能量，碰撞時要有合適的方向在其它條件相同時，活化能越低的反應其反應速率就越大，活化能越高的反應其反應速率就越小。（2）過度狀態(tài)理論化學反應是在碰撞中先形成一種活化配合物過渡狀態(tài)，然后活化配合物分解為產(chǎn)物形成活化配合物是快步驟；活化配合物分解成產(chǎn)物則是慢步驟，它控制整個反應的速率活化配合物能量高，高出反應物和生成物的部分即為活化能8/9/202210化學工藝學 第2章2.化學反應速率的表述方法化學反應速率通常是指在一定條件下某反應物轉變?yōu)楫a(chǎn)物的速率，通常用單位時間間隔內反應物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示化學反

7、應的速率。 例如，對于恒壓反應，在一定的時間間隔內，平均速率是瞬時速率是 ，或此時，當i代表反應物時，應相應取負號。2.2 化學反應速率和化學平衡 8/9/202211化學工藝學 第2章2.2 化學反應速率和化學平衡3.化學反應速率的影響因素（1）濃度基元反應及其反應速率方程基元反應（簡單反應）：反應物經(jīng)過一步反應直接轉變?yōu)樯晌锏姆磻磻乃俾史匠藤|量作用定律：在恒溫下，基元反應的速率正比于各反應物濃度冪的乘積，各濃度冪中的指數(shù)等于基元反應方程式中各相應反應物的化學計量數(shù)。 即對于方程 有非基元反應非基元反應（復雜反應 ）：由反應物通過若干個基元反應才轉變?yōu)樯晌飳τ趶碗s反應，質量作用定

8、律只適合于其中每一步的反應，而不適合于總的反應。質量作用定律只適用于氣體或溶液參加的均相反應，而不適用于固體與氣體或溶液之間的非均相反應。8/9/202212化學工藝學 第2章2.2 化學反應速率和化學平衡反應分子數(shù)與反應級數(shù)參加基元反應的分子數(shù)目稱為反應分子數(shù)。已知的反應分子數(shù)只有1、2和3。 在具有反應物濃度冪乘積形式的速率方程中，各反應物濃度冪中的指數(shù)，稱為反應級數(shù)；所有反應物的級數(shù)之和，稱為該反應的總級數(shù)。級數(shù)及總級數(shù)的值都由實驗確定，與化學計量數(shù)無關。（2）溫度隨著溫度的升高，化學反應速率迅速增大。對一般反應，在反應物濃度壓力相同的情況下，溫度每升高10，反應速率要增大到約24倍（范

9、特霍夫經(jīng)驗規(guī)則）。阿侖尼烏斯公式 8/9/202213化學工藝學 第2章（3）催化劑催化劑能加快化學反應速率，也能減緩化學反應速率 催化劑雖然在化學反應前后其組成、數(shù)量、性質都不發(fā)生變化，但是實際上參與了化學反應的過程 催化劑的催化作用具有選擇性（4）影響多相反應速率的因素多相反應的步驟： 氣體反應物從氣相向固體（催化劑）表面擴散；反應物被固體表面吸附；吸附的反應物在固體表面上進行表面反應；產(chǎn)物從固體表面脫附；脫附的產(chǎn)物擴散到氣相中去。最慢的一步將是控制步驟，整個反應的快慢將由它決定。 2.2 化學反應速率和化學平衡8/9/202214化學工藝學 第2章2.2 化學反應速率和化學平衡2.2.2

10、 化學平衡1.基本概念（1）可逆反應個化學平衡可逆反應是指在同一條件下既能向正方向進行又能向逆方向進行的反應。 用“ ”化學平衡是指當正反應和逆反應的速率相等時，體系所處的狀態(tài)：各物質的分壓力和濃度不再改變?；瘜W平衡反映了某一反應在一定的條件下所能進行的最大程度。（2）化學平衡常數(shù)當反應達到平衡時， 、 是一常數(shù)，這個常數(shù)稱為化學平衡常數(shù)，用Kc和Kp分別表示。 化學平衡常數(shù)僅與溫度有關?；瘜W平衡常數(shù)的表達式要與一個特定的化學反應方程式相對應。8/9/202215化學工藝學 第2章2.2 化學反應速率和化學平衡（3）多重平衡規(guī)則如果某個反應可以表示為兩個或多個反應的綜合，則總反應的平衡常數(shù)等于

11、個反應平衡常數(shù)的乘積。 平衡常數(shù)可以通過熱力學理論計算得到，也可以通過實驗測定。 （4）平衡轉化率反應達到平衡時反應物在反應中已轉化的量相對于該反應物初始用量的比率。用 表示（瞬時轉化率用 表示）反應前后體積不變，平衡轉化率又可表示為： 8/9/202216化學工藝學 第2章2.2 化學反應速率和化學平衡2. 影響化學平衡的因素平衡移動原理：改變平衡系統(tǒng)的條件之一，平衡就向能減弱這個改變的方向移動。（1）濃度其它條件不變 ，增加反應物的濃度或減少生成物的濃度， 使 平衡向正方向移動（2）溫度吸熱反應：T向增加生成物方向移動；T向增加反應物方向移動； 放熱反應：T向增加反應物方向移動；T向增加生

12、成物方向移動；（3）壓力改變反應系統(tǒng)的總壓力：對反應前后氣體物質的量有變化的反應有影響 改變反應系統(tǒng)中某成分的分壓：單獨改變某成分的分壓，等同于改變該組分氣體的濃度 系統(tǒng)中無關氣體的引入 （4）催化劑等倍的增大正、逆反應的速率，增大反應速率，不改變化學平衡8/9/202217化學工藝學 第2章2.3 工業(yè)催化劑2.3.1 概述催化劑是一種能改變化學反應速率，而自身的組成、質量和化學性質在反應前后保持不變的物質。應用催化劑是提高反應速率和控制反應方向較為有效的方法。2.3.2 催化劑特點1.催化劑的特點（1）參與反應，改變路徑，降低活化能（2）不改變化學平衡，提高反應速率（3）選擇性（4）具有一

13、定活化溫度，具有高效性2.催化劑作用機理催化劑與反應物分子形成了不穩(wěn)定的中間化合物或活化配合物 發(fā)生了物理或化學的吸附作用，從而改變化學反應途徑，催化作用示意圖8/9/202218化學工藝學 第2章2.3 工業(yè)催化劑3.催化作用的類型（1）化學催化（2）生物催化在生物體內，酶與反應物生成中間產(chǎn)物，然后分解出新物質的復雜生化過程。酶的催化作用：極其鮮明的專一性；非常高效8/9/202219化學工藝學 第2章2.3.3 工業(yè)催化劑1.工業(yè)生產(chǎn)對催化劑的要求（1）活性催化劑改變化學反應速率的能力，是衡量催化劑催化作用大小的重要指標之一常用表示活性的方法工業(yè)實驗：比活性，即催化反應速率常數(shù)與催化劑表面

14、積的比值 8/9/202220化學工藝學 第2章（2）選擇性（3）穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性和抗毒穩(wěn)定性）（4）壽命催化劑從其開始使用起，其使用活性隨時間的變化，分為成熟期、活性穩(wěn)定期和衰老期。催化劑使用到經(jīng)再生后也難以恢復活性為止的時間，稱為壽命。（5）強度、比表面積密度2.3 工業(yè)催化劑8/9/202221化學工藝學 第2章2.3 工業(yè)催化劑2.工業(yè)催化劑的類型（1）工業(yè)催化劑就其形態(tài)分類有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)(常用)（2）固體催化劑按各組分功能分類：主催化劑：提供活性成分，高度選擇性；助催化劑：含量少，不具有或稍有催化活性，能改善主催化劑的活性、選擇性、壽命、抗毒性載體：稀釋主催化劑，擴大反應表面；作

15、催化劑的骨架，導熱8/9/202222化學工藝學 第2章3.工業(yè)催化劑的使用（1）預處理（活化）（2）使用原料氣的凈化嚴格按照工藝條件操作8/9/202223化學工藝學 第2章（3）催化劑活性的保持催化劑交換法等溫操作的反應器連續(xù)等溫操作法多系列（多臺）反應裝置，按溫度操作級別 依次加入上一級瀉出的催化劑升溫操作法固定床反應器，隨著空時產(chǎn)量下降相應提高反應溫度8/9/202224化學工藝學 第2章（4）催化劑的失活與再生失活失活的原因：催化劑因中毒、炭沉積覆蓋在活性表面、高溫過熱 、活性 組分改變和損失 分為臨時性失活、永久性失活再生再生是恢復催化劑活性的加工過程 再生方法因催化劑性質、失活原

16、因和毒物性質的不同而不同。 2.3 工業(yè)催化劑8/9/202225化學工藝學 第2章2.4 化工生產(chǎn)的基本概念2.4.1 基本概念1.化工原料按生產(chǎn)順序按物質來源2.成品、半成品、副產(chǎn)品3.生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度4.產(chǎn)率和轉化率5.勞動生產(chǎn)率8/9/202226化學工藝學 第2章6.物料衡算和能量衡算（1）物料衡算物料平衡的計算，基于質量守恒定律物料衡算的范圍可以是生產(chǎn)過程中的某一步驟、也可以是一組設備、某一設備或設備的一部分通過物料衡算可以計算出原料的消耗量、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)量，以及“三廢”的生成量（2）能量衡算基于能量守恒定律 能量可以同進入設備的物料一起輸入和隨物料一起輸出，或者是分別輸入或

17、輸出 能量衡算在化工設計、化工生產(chǎn)中很重要 2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/202227化學工藝學 第2章2.4.2 化工單元過程與操作1.化工單元過程也叫化工單元反應，是指具有共同的化學變化特點的基本過程?；卧^程主要包括氧化、還原、氫化、脫氫、水解、水合、脫水、硝化、鹵化、胺化、磺化、烷基化、酯化、堿溶、脫烷基、聚合、縮聚、催化等2.化工單元操作是指在化學工業(yè)生產(chǎn)中具有共同的物理變化特點的基本操作，是以物理方法為主，包括流體流動過程、傳熱過程、傳質過程、熱力過程、機械過程五個方面。2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/202228化學工藝學 第2章2.4.3 工藝程序結構1.工藝程序結構在化工工藝中，把原料轉變?yōu)楫a(chǎn)品的路線，叫工藝程序，它是一種相互關聯(lián)的操作的邏輯聯(lián)接，是一個由子系統(tǒng)（工藝設備）組成的系統(tǒng)。工藝程序基本步驟實際工藝系統(tǒng)比較復雜 盡可能將中間產(chǎn)物和副產(chǎn)品轉變?yōu)橛杏玫漠a(chǎn)品使廢物排放達標2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/202229化學工藝學 第2章2.4 化工生產(chǎn)的基本概念2.化工過程的流程（1）間歇過程及連續(xù)過程間歇過程是間歇地將原料送入設備，完成了某一階段的反應后，卸出成品或半成品，然后更換新原料，重復上訴過程連續(xù)過程是在一套設備中，操作經(jīng)常晝夜不斷地進行，即連續(xù)地在同一時間內不斷地送入原料，不斷地卸