化工生產(chǎn)過程知識培訓資料

第三章化工生產(chǎn)過程基本知識第一節(jié)工業(yè)催化劑一、催化劑的基本特征二、催化劑的組成與性能三、催化劑的使用四、工業(yè)生產(chǎn)對催化劑的一般要求五、催化劑制備方法簡介第二節(jié)化工生產(chǎn)過程的常用指標與經(jīng)濟評價一、轉(zhuǎn)化率、收率、產(chǎn)率二、生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強度三、工藝技術(shù)經(jīng)濟評價指標第三節(jié)化工生產(chǎn)過程的物料衡算和能量衡算一、物料衡算二、能量衡算三、物料衡算和能量衡算實例池州學院化學與食品科學系

1第一節(jié)工業(yè)催化在國計民生中的作用

一、催化劑－現(xiàn)代化學工業(yè)的基石

90％以上的化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)出的，沒有催化劑，就不可能建立現(xiàn)代化學工業(yè)。

如：

無機化學工業(yè)中的合成氨、硝酸、硫酸等的生產(chǎn)。石油加工中的催化裂化、催化重整等過程。石油化工中醇、醛、酸、酯的生產(chǎn)。三大合成高分子材料的生產(chǎn)。煤化工與天然氣化工過程。生物化工中的酶催化過程。環(huán)保催化過程等。池州學院化學與食品科學系

2一、催化劑－現(xiàn)代化學工業(yè)的基石

催化研究的重點將逐漸由過去以獲取有用物質(zhì)為目的的“石油化工催化”轉(zhuǎn)向以消除有害物質(zhì)為目的的“環(huán)保催化”的時期。池州學院化學與食品科學系

3一、催化劑－現(xiàn)代化學工業(yè)的基石表1-1全球催化劑市場用途分布年份銷售額/億美元構(gòu)成比例/%煉油化工環(huán)保煉油化工環(huán)保19827.9111.933.5633.851.015.219849.5013.234.2735.249.015.819858.009.008.0032.036.032.019909.5011.0015.5026.430.643.0池州學院化學與食品科學系

4二、二十世紀工業(yè)催化的一些重大發(fā)明表1-220世紀工業(yè)催化劑的重大發(fā)明

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5二、二十世紀工業(yè)催化的一些重大發(fā)明

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6第二節(jié)工業(yè)催化劑

一、催化劑的基本特征二、催化劑的組成與性能三、催化劑的使用四、工業(yè)生產(chǎn)對催化劑的一般要求五、催化劑制備方法簡介池州學院化學與食品科學系

7第一節(jié)工業(yè)催化劑一、催化劑的基本特征定義：在化學反應體系中，因加入了某種物質(zhì)而使化學反應速率明顯加快，但該物質(zhì)的數(shù)量和化學性質(zhì)在反應前后不變，該物質(zhì)稱為催化劑。這種作用稱為催化作用。能明顯降低反應速率的物質(zhì)稱為負催化劑。催化劑能加快反應速度的原因：改變反應途徑，反應活化能降低，反應速率增大。池州學院化學與食品科學系

8舉例：碘化氫的分解反應（見教材p21）池州學院化學與食品科學系

9催化劑的特點①催化劑是參與了反應的，但反應終了時，催化劑本身未發(fā)生化學性質(zhì)和數(shù)量的變化。②催化劑只能縮短達到化學平衡的時間(即加速作用)，但不能改變平衡。③催化劑具有明顯的選擇性，特定的催化劑只能催化特定的反應。舉例：乙烯環(huán)氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。見教材p21池州學院化學與食品科學系

10④用于正反應應的催化劑劑不一定能能直接應用用于逆反應應。舉例：加氫氫反應和脫脫氫反應。。見教材p22⑤催化劑具有有一定的使使用周期。。催化劑的中中毒和流失失等使得催催化劑的使使用周期有有限。池州學院化化學與食品品科學系11二、催化劑劑的組成與與性能催化劑的分分類：按來源分為為生物催化劑劑和非生物催化化劑。生物催化劑劑.酶催化劑：：見教材p22.生物催催化劑劑的優(yōu)優(yōu)缺點點：見見教材材p22非生物物催化化劑：：主要要為工工業(yè)催催化劑劑。工業(yè)催催化劑劑的分分類：：按催化功功能分:有加氫氫、脫脫氫、、氧化化、裂裂化、、水合合、聚聚合、、烷基基化、、異構(gòu)構(gòu)化、、芳構(gòu)構(gòu)化、、羰基基化、、鹵化化等眾眾多催催化劑劑。按材質(zhì)分:有金屬屬催化化劑、、氧化化物催催化劑劑、硫硫化物物催化化劑、、酸催催化劑劑、堿堿催化化劑、、絡合合物催催化劑劑和生生物催催化劑劑等。。池州學學院化化學與與食品品科學學系12按反應機機理分:有氧化化還原原型催催化劑劑、酸酸堿催催化劑劑等。。按催化反反應體體系的的物相相均一性性分:有均相相催化化劑和和非均均相催催化劑劑(固體催催化劑劑)。池州學學院化化學與與食品品科學學系131.催化劑劑的組組成（1）液體體催化化劑（（P22）液體催化劑酸催化劑：堿催化劑：金屬配合物催化劑：液體催催化劑劑的組組成：：（P22）舉例：：乙醛醛氧化化法生生產(chǎn)醋醋酸所所用催催化劑劑醋酸酸錳溶液的的配制制。池州學學院化化學與與食品品科學學系14（2）固體體催化化劑的的組成成固體催催化劑劑一般般由活性組組分、、助催催化劑劑、抑抑制劑劑和載體組成。。活性組組分：：對主主反應應具有有催化化作用用的物物質(zhì)；；通常是是金屬屬或金金屬氧氧化物物，例例如鐵鐵、銅銅、鋁鋁及其其氧化化物。。舉例：：加氫氫所使使用的的鎳催催化劑劑，其其活性性組分分為Ni。助催化化劑：：本身身沒有有催化化性能能，卻卻能改改善催催化劑劑性能能的物物質(zhì)；；能夠提提高催催化劑劑的活活性、、選擇擇性和和穩(wěn)定定性。。舉例：：乙烯烯環(huán)氧氧化制制備還還原乙乙烷所所使用用的銀銀催化化劑，，在其其中加加入助助劑Na或K，可改改善催催化劑劑的穩(wěn)穩(wěn)定性性和耐耐熱性性。池州學學院化化學與與食品品科學學系15抑制劑劑：抑抑制副副反應應的發(fā)發(fā)生，，提高高催化化劑選選擇性性的物物質(zhì)；；舉例:見教材材p23.載體：：為催催化劑劑的骨骨架。。載體的的主要要作用用是承承載活活性組組分和和助催催化劑劑，是是負載載活性性組分分和助助催化化劑的的骨架架。載體的的主要要作用用:見教材材p23池州學學院化化學與與食品品科學學系16補充：：固體體催化化劑一、固固體催催化劑劑的作作用催化劑劑是能能夠加加速化化學反反應速速率而而本身身能復復原的的物質(zhì)質(zhì)。催化劑劑有下下列性性質(zhì)：：1.產(chǎn)生中中間產(chǎn)產(chǎn)物，，改變變反應應途徑徑，因因而降降低反反應活活化能能和加加速反反應速速率；；2.不能改改變平平衡狀狀態(tài)和和反應應熱；；3.必然同同時加加速正正反應應和逆逆反應應的速速率；；4.具有選選擇性性，使使化學學反應應朝著著期望望的方方向進進行，，抑制制不需需要的的副反反應。。池州學學院化化學與與食品品科學學系17固體催催化劑劑二、固固體催催化劑劑的物物理性性質(zhì)1.內(nèi)表面面積固體催催化劑劑內(nèi)含含有大大小不不等的的孔道道，形形成巨巨大的的內(nèi)表表面積積。顆顆粒的的外表表面積積和內(nèi)內(nèi)表面面積相相比很很小，，一般般忽略略不計計。催催化反反應在在內(nèi)表表面上上進行行。以比表表面積積表表征固固體催催化劑劑的內(nèi)內(nèi)表面面積。。2.孔容和和孔隙隙率1）孔容容孔容是是指每每克催催化劑劑內(nèi)部部所占占孔道道的體體積，，記作作Vgcm3/g。池州學學院化化學與與食品品科學學系18固體催催化劑劑2）孔隙隙率孔隙率率是催催化劑劑顆粒粒的孔孔容積積和顆顆粒的的體積積之比比。式式中為為表表觀密密度（（假密密度）），是是以顆顆粒體體積計計算的的密度度。池州學學院化化學與與食品品科學學系19固體催催化劑劑3.孔徑及及其分分布催化劑劑中孔孔道的的大小小、形形狀和和長度度都是是不均均一的的，催催化劑劑孔道道半徑徑可分分成三三類：：1）微孔孔，孔孔半徑徑為1nm左右；；2）中孔孔，孔孔半徑徑為1～25nm左右；；3）大孔孔，孔孔半徑徑大于于25nm的孔。。載體的的作用用是作作為催催化劑劑的骨骨架，，同時時提供供催化化劑的的內(nèi)表表面積積。催催化劑劑顆粒粒的內(nèi)內(nèi)表面面積是是何等等的巨巨大。。池州學學院化化學與與食品品科學學系20固體催催化劑劑設(shè)有氣氣－固固相催催化反反應：：反應步步驟如如下：：1.外擴散散：A和B從氣相相主體體到達達顆粒粒外表表面；；2.內(nèi)擴散散：A和B從顆粒粒外表表面進進入顆顆粒內(nèi)內(nèi)部；；3.化學反反應：：1）化學學吸附附：A和B被活性性位吸吸附，，成為為吸附附態(tài)A和B；2）表面面反應應：吸吸附態(tài)態(tài)A和B起反應應，生生成吸吸附態(tài)態(tài)C和D；3）脫附附：吸吸附態(tài)態(tài)C和D脫附成成自由由的C和D。池州學學院化化學與與食品品科學學系214.內(nèi)擴散散:C和D從顆粒粒內(nèi)部部到達達顆粒粒外表表面;5.外擴散散：C和D從顆粒粒顆粒粒外表表面到到達氣氣相主主體；；化學吸吸附、、表面面反應應和脫脫附三三步是是串聯(lián)聯(lián)的，，構(gòu)成成了催催化反反應過過程。。按照照上述述三步步獲得得的催催化反反應動動力學學，稱稱之為為催化化反應應化學學動力力學，，或者者催化化反應應本征征動力力學。。外表面面內(nèi)表面面1.外擴散散2.內(nèi)擴散散3.化學反反應：：（1）（2）（3）吸附反應脫附氣固相相催化化反應應本征征動力力學的的理論論基礎(chǔ)礎(chǔ)是化化學吸吸附理理論。。池州學學院化化學與與食品品科學學系232.工業(yè)催催化劑劑的性性能指指標指1g催化劑劑所具具有的的表面面積，，m2/g。比表面面積的的大小小影響響催化化劑的的活性性和催催化反反應的的速率率。性性能優(yōu)優(yōu)良的的催化化劑必必須有有足夠夠大的的比表表面積積，以以提供供更多多的活活性中中心。。各種催催化劑劑的比比表面面積的的大小小不等等。比表面面積的的測定定方法法有：：一般用用BET法和色譜法法。池州學學院化化學與與食品品科學學系24（1）比表表面指在給給定的的溫度度、壓壓力和和反應應物流流量(或空間間速度度)下，催催化劑劑使原原料轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化的的能力力。判斷催催化劑劑性能能的重重要標標志，，工業(yè)業(yè)上有有下列列表達達方式式：（1）給定定溫度度（壓壓力））下完完成原原料的的轉(zhuǎn)化化率。。轉(zhuǎn)化化率越高，，活性性越高高；（2）完成成給定定的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率所需需的溫溫度。。溫度度越低低，活活性越高；；（3）完成成給定定的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率所需需的空空速。?？账偎僭酱蟠?，活活性越高；；池州學學院化化學與與食品品科學學系25（2）活性性催化劑劑中具具有催催化活活性的的部位位。如:催化劑劑表面面的酸酸、堿堿中心心；原子簇簇（Clusters）等。。池州州學學院院化化學學與與食食品品科科學學系系26（3）活活性性位位（4）選選擇擇性性指反反應應所所消消耗耗的的原原料料中中有有多多少少轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為目目的的產(chǎn)產(chǎn)物物。。S(選擇擇性性)％=（轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為目目的的產(chǎn)產(chǎn)物物所所消消耗耗的的某某反反應應物物的的量量/某反反應應物物轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化的的總總量量））×100％。。如：：反反應應A→B+C設(shè)A的起起始始的的物物質(zhì)質(zhì)的的量量為為NA0,反應應后后剩剩余余的的物物質(zhì)質(zhì)的的量量為為NA,反應應后后B的生生成成量量為為NB，則則目目的的產(chǎn)產(chǎn)物物B的選選擇擇性性SB為SB=NB/（NA0－NA）×100%池州州學學院院化化學學與與食食品品科科學學系系27指催催化化劑劑使使用用期期限限的的長長短短。。壽壽命命的的表表征征是是生生產(chǎn)單單位位量量產(chǎn)產(chǎn)品品所所消消耗耗的的催催化化劑劑量量，，或或在在滿滿足足生生產(chǎn)產(chǎn)要要求求的的技技術(shù)術(shù)水水平平上上催催化化劑劑能能使使用用的的時時間間長長短短。。影響響催催化化劑劑使使用用壽壽命命的的因因素素:見教教材材p24a.化學學穩(wěn)穩(wěn)定定性性b.熱穩(wěn)穩(wěn)定定性性c.機械械穩(wěn)穩(wěn)定定性性d.耐毒毒性性等等。。池州州學學院院化化學學與與食食品品科科學學系系28（5）壽壽命命催化化劑劑的的作作用用體現(xiàn)現(xiàn)為為：：（1）提提高高反反應應速速率率和和選選擇擇性性。。（2）改改進進操操作作條條件件。。（3）催催化化劑劑有有助助于于開開發(fā)發(fā)新新的的反反應應過過程程，，發(fā)發(fā)展展新新的的化化工工技技術(shù)術(shù)。。（4）催化劑劑在能源源開發(fā)和和消除污污染中可可發(fā)揮重重要作用用。池州學院院化學與與食品科科學系29三、催化化劑使用用固體催化化劑中的的活性組組分通常常以氧化化物、氫氫氧化物物或者鹽鹽的形態(tài)態(tài)存在，，它們沒沒有催化化活性。。活化就就是將它它們轉(zhuǎn)化化成具有有催化作作用的活活性形態(tài)態(tài)。固體體催化劑劑在使用用前先要要活化，，催化劑劑經(jīng)活化化后才有有活性。。活化方法法：氧化化、還原原、硫化化、酸化化等。一般，活活化在活活化爐、、反應器器中進行行，催化化劑經(jīng)活活化后可可正常使使用。池州學院院化學與與食品科科學系30（1）活化超溫過熱熱、原料料氣中混混有毒物物雜質(zhì)，，有污垢垢覆蓋催催化劑表表面，都都會導致致催化劑劑失活。。失活原因因：（a）化學因因素（b）超溫過過熱（c）機械原原因催化劑的的結(jié)焦：：見p25催化劑的的中毒：：見p25催化劑的的受熱失失活：見見p25池州學院院化學與與食品科科學系31（2）失活催化劑中中毒有暫暫時性和和永久性性兩種情情況。暫暫時性中中毒是可可逆的，，當原料料中除去去毒物，，催化劑劑可逐漸漸恢復活活性，永永久性中中毒則是是不可逆逆的，不不可再生生。催化劑的的再生方方法：燒燒焦再生生。p26池州學院院化學與與食品科科學系32（3）再生四、工業(yè)業(yè)生產(chǎn)對對催化劑劑的一般般要求①適當高的的活性；；②活性溫溫度要低低；（一一般催化化劑在一一定的溫溫度范圍圍內(nèi)具有有較高的的活性））③較好的的選擇性性；④機械強強度高，，在使用用過程中中受震動動或摩擦擦后破碎碎少；⑤抗毒性性能好；；⑥耐熱性性好；⑦壽命長長；⑧價格低低廉，原原料易得得，具有有良好的的流體力力學性能能。池州學院院化學與與食品科科學系33五、催化化劑制備備方法固體催化化劑最常常用的催催化劑制制備方法法有浸漬法、沉淀法、共混合法法、溶膠膠－凝膠膠法、離子交換換法和熔融法。1.沉淀法在充分攪攪拌的條條件下，，向含有有催化劑劑各組分分的溶液液中加入入沉淀劑劑，生成成沉淀物物。沉淀淀物經(jīng)分分離、洗洗滌除去去有害離離子，然然后干燥燥、煅燒燒制得催催化劑。。池州學院院化學與與食品科科學系34沉淀劑應選擇沉沉淀后容容易分解解、揮發(fā)發(fā)和較易易洗滌干干凈的沉沉淀劑，，如氨水水、尿素素、碳酸酸銨等銨鹽、碳酸鈉鈉等碳酸鹽、氫氧化化鈉等堿金屬鹽鹽類，這樣樣才能制制備出純純度較高高的催化化劑。另外，形形成的沉沉淀物應應便于過過濾和洗洗滌，避避免形成成非晶型型沉淀。。同時，，沉淀物物的溶解解度愈小小愈好，，這樣沉沉淀反應應完全，，可減少少原料的的浪費。。沉淀方法法單組分沉沉淀法、、多組分分沉淀法法、均勻沉淀淀法和超超均勻共共沉淀法法等。池州學院院化學與與食品科科學系352.浸漬法將載體放放在含有有活性組組分的水水溶液中中浸泡，，使活性性組分吸吸附在載載體上。?；蛘哓撠撦d組分分以蒸氣氣相方式式浸漬于于載體中中。如一一次浸漬漬達不到到規(guī)定的的吸附量量，可在在干燥后后再浸。。如要將幾幾種活性性組分按按一定比比例浸漬漬到載體體上去，，常采用用多次浸浸漬的辦辦法池州學院院化學與與食品科科學系36催化劑載體催化劑活性組分浸漬干燥焙燒負載型催化劑浸漬法工藝流程程：池州學院院化學與與食品科科學系37等體積浸浸漬法、、過量浸浸漬法、、多次浸浸漬法、、流化噴噴灑浸漬漬法和蒸蒸發(fā)浸漬漬法等。。浸漬方法法：浸漬方法法的優(yōu)點點：催化劑的的活性組組分利用用率高，，用量少少。因為為活性組組分大多多僅分布布在載體體的表面面，這對對貴金屬屬催化劑劑有為重重要。同同時，浸浸漬法的的操作工工藝相對對較為簡簡單，制制備步驟驟也較少少。池州學院院化學與與食品科科學系383.混合法將催化劑劑的各個個組分作作成漿狀狀，經(jīng)過過充分的的混合(如在混煉煉機中)后成型、、干燥、、煅燒而而得。其原理就就是將組組成催化化劑的各各組分以以粉狀粒粒子的形形態(tài)，在在球磨機機或碾合合機內(nèi)邊邊磨細、、邊混合合，使各各組分粒粒子之間間盡可能能均勻分分散，保保證催化化劑主劑劑與助劑劑及載體體的充分分混合，，然后制制成催化化劑?；旌戏ㄊ鞘枪I(yè)上上制造多多組分催催化劑最最簡單的的方法。。池州學院院化學與與食品科科學系39（a）干混合合法將催化劑劑活性組組分、助助催化劑劑、載體體、膠粘粘劑、造造孔劑等等放在混混合器中中，在干干的狀態(tài)態(tài)下混合合均勻，，然后成成型、干干燥、焙焙燒，即即可制得得催化劑劑。（b）濕混合合法活性組分分往往以以沉淀鹽鹽或氫氧氧化物的的形式，，加上助助催化劑劑、載體體、膠粘粘劑等進進行濕式式碾合，，然后進進行擠條條、干燥燥、焙燒燒，即可可制得催催化劑。。混合方法法池州學院院化學與與食品科科學系40優(yōu)點：方方法簡單單，生產(chǎn)產(chǎn)量大，，成本低低；缺點：催催化劑的的活性、、熱穩(wěn)定定性都較較差?；旌戏ǖ牡膬?yōu)缺點點池州學院院化學與與食品科科學系41(4)溶膠－凝凝膠法在膠體化化學中，，被分散散的膠體體粒子稱稱為分散相，粒子所所在的介介質(zhì)稱為為分散介質(zhì)質(zhì)（溶劑劑），當分散散相顆粒粒大小在在1-100nm范圍內(nèi)形形成的溶溶液稱為為膠體溶液液，簡稱為為溶膠。在一定條條件下，，溶膠中中的膠體體粒子會會互相凝凝結(jié)而生生成凝膠膠沉淀，，這種凝凝膠沉淀淀是一種種含有較較多溶劑劑，體積積龐大的的非晶體體沉淀，，經(jīng)脫出出溶劑后后，便可可得到三三維立體體網(wǎng)狀結(jié)結(jié)構(gòu)的多多孔、大大表面的的固體，，這是溶溶膠－凝凝膠法制制備催化化劑的基基礎(chǔ)。池州學院院化學與與食品科科學系42基本原理理：將這種凝凝結(jié)的膠膠體經(jīng)過過熟化、、洗滌、、干燥、、焙燒，，即可制制成催化化劑。溶溶膠－凝凝膠法特特別適合合于用于于制備大大比表面面積催化化劑和載載體。溶膠的制制備大體體上有兩兩種方法法：（a）分散法：：它是利用用膠體磨磨、氣流流粉碎、、超聲波波、電弧弧等方法法，把較較大的顆顆粒分散散成膠體體粒子制制成溶膠膠；（b）凝聚法：：它是將由由分子、、離子、、原子組組成的細細小質(zhì)點點凝聚成成膠體粒粒子制成成溶膠。。凝聚法有有物理凝聚聚和化學凝聚聚，物理凝聚聚是通過溶溶液驟冷冷或飽和和蒸汽減減小溶解解度生成成膠體溶溶液；化學凝聚聚是通過水水解、復復分解等等化學反反應生成成膠體溶溶液。工工業(yè)上大大多采用用化學凝凝聚法制制備膠體體溶液。。池州學院院化學與與食品科科學系44膠體溶液液常用的的制備方方法膠體溶液液制備→膠凝→熟化→洗滌→干燥→焙燒池州學院院化學與與食品科科學系45制備流程程優(yōu)點：（1）可制高高均勻、、高比表表面積的的催化材材料；（2）較容易易控制孔孔徑和孔孔徑分布布；（3）較容易易控制催催化活性性組分的的組成；；缺點：（1）制備溶溶膠常用用金屬有有機物，，價格較較貴；（2）制備工工藝復雜雜；（3）影響膠膠凝的因因素較多多，操作作控制較較嚴格。。池州學院院化學與與食品科科學系46溶膠－凝凝膠法的的優(yōu)缺點點（5）離子子交換法法利用離子子交換反反應作為為催化劑劑制備主主要工序序的方法法稱為離子交換換法。其原理是是采用離離子交換換劑作為為載體，，引入陽離子活活性組分分而制成一一種高分分散、大大比表面面、均勻勻分布的的金屬離離子催化化劑或負負載型金金屬催化化劑。在離子交交換法中中，關(guān)鍵鍵工藝是是離子交交換劑的的制備。。通常的的離子交交換劑有有：無機機離子交交換劑、、有機強強酸性陽陽離子交交換樹脂脂、有機機強堿性性陰離子子交換樹樹脂等。。池州學院院化學與與食品科科學系47（6）熱熔融融法熱熔融法法是制備備某些催催化劑較較特殊的的方法。。適合于于少數(shù)必必須經(jīng)熔熔煉過程程的催化化劑。特點：在熔融溫溫度下，，催化劑劑各個組組分熔煉煉成為均均勻分布布的混合合物－固固溶體－－晶格間間的高度度分散狀狀態(tài)。同同時，催催化劑具具有高的的強度、、熱穩(wěn)定定性、壽壽命和特特殊的活活性。池州學院院化學與與食品科科學系48第三節(jié)化化工工生產(chǎn)過過程的常常用指標標與經(jīng)濟濟評價一、轉(zhuǎn)化化率、收收率、產(chǎn)產(chǎn)率二、生產(chǎn)產(chǎn)能力與與生產(chǎn)強強度三、工藝藝技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟評價價指標池州學院院化學與與食品科科學系49一、轉(zhuǎn)化化率、收收率、產(chǎn)產(chǎn)率給定的反反應組分分轉(zhuǎn)化成成產(chǎn)物的的量和加加入量之之比。X(轉(zhuǎn)化率)％=（發(fā)生了了反應的的反應物物的量/起始的反反應物的的量）×100％如：反應應A→B+C設(shè)A的起始物物質(zhì)的量量為NA0，反應后剩剩余的物物質(zhì)的量量為NA,則反應物物A的轉(zhuǎn)化率率XA為XA=（NA0－NA）/NA0×100%1、轉(zhuǎn)化率率池州學院院化學與與食品科科學系50當物料有有循環(huán)時時，轉(zhuǎn)化化率又分分為單程轉(zhuǎn)化化率和總轉(zhuǎn)化率率。(1)單程轉(zhuǎn)化化率以反應器器為研究究對象，，參加反反應的原原料量占占通入反反應器原原料總量量的百分分數(shù)。(2)總轉(zhuǎn)化率率以包括循循環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)在內(nèi)的的反應器器、分離離設(shè)備的的反應體體系為研研究對象象，參加加反應的的原料量量占進入入反應體體系總原原料量的的百分數(shù)數(shù)。單程轉(zhuǎn)化化率較低低，總轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率較較高。見教材p28。池州學院院化學與與食品科科學系51(3)平衡轉(zhuǎn)化化率指某一化化學反應應到達化化學平衡衡狀態(tài)時時轉(zhuǎn)化為為目的產(chǎn)產(chǎn)物的某某種原料料量占該該原料起起始量的的百分數(shù)數(shù)。它是是轉(zhuǎn)化率率的最高高極限值值。池州學院院化學與與食品科科學系522.產(chǎn)率Y(產(chǎn)率)％=（生成的的目的產(chǎn)產(chǎn)物的量量/某反應物物的起始始量）×100％如：反應應A→→B+C設(shè)A的起始的的物質(zhì)的的量為NA0,反應后B的生成量量為NB，C的生成量量為NC，則產(chǎn)物B的產(chǎn)率YB為:YB=NB/NA0.100%產(chǎn)物C的產(chǎn)率YC為:YC=NC/NA0.100%池州學院院化學與與食品科科學系53產(chǎn)率也就就是收率率，收率率有單程收率率及總收率之分。單程收率率：目的產(chǎn)產(chǎn)物的理理論產(chǎn)量量以通人人反應器器的某種種原料量量為基礎(chǔ)礎(chǔ)來計算算的理論論產(chǎn)率；；總收率：各工序序收率的的乘積。。收率等于于轉(zhuǎn)化率率與選擇擇性的乘乘積?？赡娣磻獞_到平平衡時的的轉(zhuǎn)化率率稱為平平衡轉(zhuǎn)化化率，此此時所得得產(chǎn)物的的產(chǎn)率為為平衡產(chǎn)產(chǎn)率。池州學院院化學與與食品科科學系54隨著反應應的進行行，正反反應速率率降低，，逆反應應速率升升高，所所以凈反反應速率率不斷下下降直到到零。在實際生生產(chǎn)中應應保持高高的凈反反應速率率，不能能等待反反應達平平衡，故故實際轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率和和產(chǎn)率比比平衡值值低。若若平衡產(chǎn)產(chǎn)率高，，則可獲獲得較高高的實際際產(chǎn)率。。工藝學的的任務之之一是通通過熱力力學分析析，尋找找提高平平衡產(chǎn)率率的有利利條件，，并計算算出平衡衡產(chǎn)率。。池州學院院化學與與食品科科學系55二、生產(chǎn)產(chǎn)能力與與生產(chǎn)強強度化工過程程的主要要效率指指標生產(chǎn)能力力：指一個設(shè)設(shè)備、一一套裝置置或一個個工廠在在單位時時間內(nèi)生生產(chǎn)的產(chǎn)產(chǎn)品量，，或在單單位時間間內(nèi)處理理的原料料量。生產(chǎn)能力力分為設(shè)計能力力、查定能力力、現(xiàn)有能力力。見教材p29.生產(chǎn)強度度：為設(shè)備的的單位特征征幾何量量的生產(chǎn)能能力。即即設(shè)備的的單位體體積的生生產(chǎn)能力力，或單單位面積積的生產(chǎn)產(chǎn)能力。。用于比比較那些些相同反反應過程程或物理理加工過過程的設(shè)設(shè)備或裝裝置的優(yōu)優(yōu)劣。設(shè)設(shè)備中進進行的過過程速率率高，其其生產(chǎn)強強度就高高。三、工藝藝技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟評價價指標消耗定額額：指生產(chǎn)單單位產(chǎn)品品所消耗耗的各種種原料及及輔助材材料的數(shù)數(shù)量。1.原料消耗耗定額分為理論論消耗定定額和實實際消耗耗定額理論消耗耗定額(Ai)：按化學反反應方程程式的化化學計量量為基基礎(chǔ)計算算的消耗耗定額。。實際消耗耗定額(At)：按生產(chǎn)中中實際消消耗的原原料量為為基礎(chǔ)礎(chǔ)計算的的消耗定定額。At>Ai原因:見教材p302.公用工程程的消耗耗定額公用工程程指的是是化工生生產(chǎn)必不不可少的的供水、、供熱、、供電、、供氣、、供冷等等。工業(yè)用水水：分為為工藝用用水和非非工藝用用水工藝用水水：非工藝用用水：供熱供熱載體體：水蒸蒸氣（﹤200℃℃）、導熱油油（200℃℃～350℃℃）、熔鹽混混合物（（﹥350℃℃）低溫冷卻卻冷卻介質(zhì)質(zhì)：低溫水（（使用溫溫度﹥5℃）；鹽水（0℃～15℃，NaCl溶液；0℃～45℃，NaCl溶液；有機物等等。補充：空速（VS）指反應氣氣體在單單位時間間內(nèi)通過過給定體體積催化化劑的氣氣體的體體積數(shù)。。即：GHVS=cm3/(cm3.h)；或指反應應液體在在單位時時間內(nèi)通通過給定定體積（（或質(zhì)量量）催化化劑的液液體的體體積數(shù)（（或質(zhì)量量）。即即：LHVS=ml/(ml.h)。池州學院院化學與與食品科科學系61轉(zhuǎn)換頻率率在給定溫溫度、壓壓力、反反應物比比率以及及一定的的反應程程度下，，單位時時間內(nèi)，，單位活活性位上上發(fā)生的的反應過過程（基基元步驟驟，基元元反應））次數(shù)，，稱為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頻率率。能準確反反映催化化劑的活活性，但但測定其其值很困困難。思考題1：有一反反應為A→B+C，反應前前投入的的A為1.0mol，某一時時刻測得得反應體體系中各各物質(zhì)的的量如下下：A＝0.2mol,B=0.7mol,C=0.1mol。計算此時時（1）A的轉(zhuǎn)化率率？（2）B和C的選擇性性？（3）B和C的產(chǎn)率？？思考題2：有一苯加加氫生產(chǎn)產(chǎn)環(huán)己烷烷年產(chǎn)3萬噸的反反應器內(nèi)內(nèi)，裝Pt/Al2O3催化劑2.0m3，若催化化劑的堆堆積密度度為0.66g/cm3,計算其時時空產(chǎn)率率(一年按300天計算，，分別按按單位體體積和單單位重量量催化劑劑計算)。第三節(jié)化化工生產(chǎn)產(chǎn)過程的的物料衡衡算和能能量衡算算一、物料料衡算二、能量量衡算三、物料料衡算和和能量衡衡算實例例一、物料料衡算1.衡算基本本方程物料衡算算基本方方程式：：∑(mi)入=∑∑(mi)出+∑(mi)積+∑(mi)損物料衡算算是以質(zhì)質(zhì)量守恒恒定律為為基礎(chǔ)的的物料平平衡計算算。式中：∑(mi)入-輸入物料料總和∑(mi)出-輸出物料料總和∑(mi)積-積累物料料量∑(mi)損-系統(tǒng)損耗耗的物料料質(zhì)量（1）連續(xù)操操作過程程的物料料衡算系統(tǒng)內(nèi)部部無積累累物料∑(mi)入=∑∑(mi)出+∑(mi)損若連續(xù)操操作系統(tǒng)統(tǒng)無物料料損耗∑(mi)入=∑∑(mi)出2、整個系系統(tǒng)的物物料衡算算（2）間歇操操作過程程的物料料衡算按照下式式：∑(mi)入=∑∑(mi)出計算每一一批進入入和排出出的物料料量(3).系統(tǒng)物料料衡算的的方法和和步驟①畫出物料料衡算示示意圖；；某甲烷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化反應應的物料料衡算圖圖②寫出主主、副化化學反應應方程式式并配平平；如：甲烷烷的蒸氣氣轉(zhuǎn)化反反應：CH4+H2O==CO+3H2CH4+CO2==2CO+2H2CO+H2O==CO2+H2反應器CH40.25kmol/hH2Oxkmol/hCO

ykmol/hCO2

zkmol/hH2

wkmol/hCH41kmol/hH2O2.5kmol/h③確定物料料衡算的的任務；；明確物料料衡算中中哪些是是已知的的，哪些些是未知知的，明明確計算算任務。。④收集資資料數(shù)據(jù)據(jù)；A、B、C、⑤選定計計算基準準；選擇基準準的原則則是盡量量使計算算簡化，，⑥列方程式式、聯(lián)立立求解；；分析數(shù)量量之間的的關(guān)系，，列出獨獨立數(shù)學學關(guān)聯(lián)式式計算。。⑦核對和和整理計計算結(jié)果果3.子系統(tǒng)的的物料衡衡算(1)物理過程程對于物理理過程，，還可以以按每種種組分分分別建立立該組分分的物料料衡算式式。對于需要要進行物物料衡算算的子系系統(tǒng)，除除了確定定總的物料衡算算式外，，還需要要確定獨立的物料衡算算式的個個數(shù)。精餾塔WxwDxdFxf物料衡算算式：總物料衡衡算式F=D+WA組分物料料衡算式式:FxfA＝DxdA+WxwAB組分物料料衡算式式:FxfB＝DxdB+WxwB舉例：雙雙組分精精餾系統(tǒng)統(tǒng)問：上述述衡算式式之間是是否獨立立？為什什么？獨立物料料衡算式式有幾個個？為什什么？能得出何何結(jié)論？？獨立物料料衡算式式為2個。結(jié)論：獨立物料料衡算式式與組分分數(shù)相等等，物料料衡算式式的總總是比組組分數(shù)多多一個。。問：上述述衡算式式之間是是否獨立立？為什什么？獨立物料料衡算式式有幾個個？為什什么？能得出何何結(jié)論？？(2)化學反反應過過程碳（Gcf)燃燒爐爐氣（nco、nco2、no2）氧（Vo2f)化學反反應：：C+O2==CO2C+1/2O2==CO物料衡衡算式式：C物料衡衡算式式:nc＝nco+nco2O物料衡衡算式式:no2=0.5nco+nco2總物料料衡算算式nc+2no2=2nco+3nco2問：獨獨立物物料衡衡算式式有幾幾個？？能得得出何何結(jié)論論？獨立物物料衡衡算式式為2個。結(jié)論：：獨立物物料衡衡算式式與參參與化化學反反應的的元素素種類類相等等。問：獨獨立物物料衡衡算式式有幾幾個？？能得得出何何結(jié)論論？二、能能量衡衡算⊿H+g⊿⊿h+1/2u2=Q+Ws若體系系與環(huán)環(huán)境之之間無無軸功功交換換，體體系的的宏觀觀動能能和宏宏觀內(nèi)內(nèi)能可可忽略略。⊿H=Q1.穩(wěn)流體體系能能量衡衡算通通式熱量衡衡算式式:∑QI=∑Qo+Qs∑QI-隨物料料進入入系統(tǒng)統(tǒng)的熱熱量∑Qo-隨物料料離開開系統(tǒng)統(tǒng)的總總熱Qs-向系統(tǒng)統(tǒng)周圍圍散的的熱量量(1).畫出流流程示示意圖圖并根根據(jù)計計算要要求確確定衡衡算體體系；；(2).選定物物料衡衡算和和能量量衡算算基準準；(3).根據(jù)具具體計計算要要求收收集有有關(guān)數(shù)數(shù)據(jù)；；(4).列出物物料平平衡方方程和和能量量平衡衡方程程并計計算求求解；；(5).校核檢檢驗2.能量衡衡算的的方法法與步步驟例1：甲烷在在裝有有催化化劑的的管式式轉(zhuǎn)化化器中中進行行的蒸蒸氣轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化，，反應應方程程式為為：CH4+H2O==CO+3H2CH4+CO2==2CO+2H2CO+H2O==CO2+H2（*）在進入入轉(zhuǎn)化化器時時，水水蒸氣氣和甲甲烷的的摩爾爾比為為2.5，甲烷烷的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率為75％，蒸蒸氣的的轉(zhuǎn)化化溫度度為500℃，離開開轉(zhuǎn)換換器的的混合合氣體體中CO與CO2之比以以（*)達到化化學平平衡時時的比比率確確定[500℃時，反反應（（*）的平平衡常常數(shù)Ky≈0.8333]。求①每小小時通通入1KMOL甲烷時時反應應后的的氣體體混合合物組組成；；②設(shè)設(shè)進料料與出出料溫溫度均均為500℃℃，為保保持反反應溫溫度的的恒定定，求求供熱熱速率率。三、物物料衡衡算和和能量量衡算算實例例解：見P34-P36反應器CH40.25kmol/hH2Oxkmol/hCO

ykmol/hCO2

zkmol/hH2

wkmol/hCH41kmol/hH2O2.5kmol/h例2：由電解解食鹽鹽水得得稀堿堿液1000kg，其組組成為為：NaOH10%、NaCl10%，在蒸蒸發(fā)器器內(nèi)蒸蒸發(fā)濃濃縮到到濃堿堿液，，并有有大部部分食食鹽自自溶液液中析析出，，測得得濃堿堿液的的組成成為：：NaOH50%、NaCl12%,求蒸發(fā)發(fā)的水水量、、析出出的食食鹽量量及濃濃堿液液量。。蒸發(fā)器器稀堿液

濃堿液解：衡衡算范范圍－－蒸發(fā)發(fā)器衡算基基準－－以1000kg進料對總物物料衡衡算：：對NaOH物料衡衡算：：對NaCl物料衡衡算：：(1)(2)(3)聯(lián)立公公式（（1）、（（2）、（（3）得：：物料衡衡算時時注意意：（1）圈出出衡算算范圍圍，確確定衡衡算對對象，，把穿穿越系系統(tǒng)邊邊界的的物料料流股股逐項項列出出。（2）確定定衡算算的基基準：：間歇歇過程程以一一次（（或一一批））投料料為基基準；；連續(xù)續(xù)過程程以單單位時時間（（1s、1h、1min）為基基準。。例3：求當輸輸出鹽鹽水濃濃度降降為x=1％時所所需的的時間間θ＝？M=2000kg10%的鹽水水解：任任一時時刻桶桶內(nèi)的的鹽水水濃度度為x，鹽含含量為為2000x在dθ時間內(nèi)內(nèi)：對鹽水水桶作作物料料衡算算：總結(jié)：：物料衡衡算：：物質(zhì)質(zhì)守衡衡定律律輸入物物料量量的總總和＝＝輸出出物料料量的的總和和＋累累積的的物料料量注意（1）衡算的的范圍圍（2）衡算算的基基準：：連續(xù)續(xù)操作作以單單位時時間，，間歇歇操作作以一一批操操作2·能量衡衡算：：能量量守衡衡定律律能量衡衡算最最常見見的是是熱量量衡算算，熱熱量衡衡算時時焓的的基準準必須須注意意統(tǒng)一一，另另外注注意有有時須須考慮慮熱損損失。。復習思思考題題1、什么么是平平衡轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率？可逆反反應達達到平平衡時時的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率稱為為平衡衡轉(zhuǎn)化化率，，此時所所得產(chǎn)產(chǎn)物的的產(chǎn)率率為平平衡產(chǎn)產(chǎn)率。。平衡轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率和平平衡產(chǎn)產(chǎn)率是是可逆逆反應應所能能達到到的極極限值值(最大值值)，但是是，反反應達達平衡衡往往往需要要相當當長的的時間間。隨隨著反反應的的進行行，正正反應應速率率降低低，逆逆反應應速率率升高高，所所以凈凈反應應速率率不斷斷下降降直到到零。。在實際際生產(chǎn)產(chǎn)中應應保持持高的的凈反反應速速率，，不能能等待待反應應達平平衡，，故實際轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率和產(chǎn)產(chǎn)率比比平衡衡值低低。若平平衡產(chǎn)產(chǎn)率高高，則則可獲獲得較較高的的實際際產(chǎn)率率。工藝學學的任任務之之一是是通過過熱力力學分分析，，尋找找提高高平衡衡產(chǎn)率率的有有利條條件，，并計計算出出平衡衡產(chǎn)率率。2、什么么是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率、選選擇性性、收收率？？轉(zhuǎn)化率率是指某某一反反應物物參加加反應應而轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化的的數(shù)量量占該該反應應物起起始量量的分分率或或百分分率，，用符符號X表示。。其定定義式式為轉(zhuǎn)化率率表征征原料料的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化程程度，，反映映了反反應進進度。。選擇性性系指體體系中中轉(zhuǎn)化化成目目的產(chǎn)產(chǎn)物的的某反反應物物量與與參加加所有有反應應而轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化的的該反反應物物總量量之比比。用用符號號S表示，，其定定義式式如下下在復雜雜反應應體系系中，，選擇擇性是是個很很重要要的指指標，，它表表達了了主、、副反反應進進行程程度的的相對對大小小，能確切切反映映原料料的利利用是是否合合理。。9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。04:34:5004:34:5004:3412/29/20224:34:50AM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。12月月-2204:34:5004:34Dec-2229-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。04:34:5004:34:5004:34