化工生產(chǎn)過程分析與組織

化工生產(chǎn)過程分析與組織第1頁/共28頁核心化學反應△G；Kp化學熱力學可能性E；k化學動力學可行性順利實現(xiàn)化工生產(chǎn)12化工生產(chǎn)過程分析第2頁/共28頁第二節(jié)化工生產(chǎn)過程熱力學分析熱力學分析的任務:判別化學反應能否進行和進行的方向。2、反應限度：通過化學反應過程熱效應的計算確定適宜的反應條件。通過化學平衡的原理和平衡常數(shù)的計算確定化學反應過程進行的最大限度。1、反應方向：3、反應熱：第3頁/共28頁可能性反應方向：熱力學分析——反應方向熱力學分析的依據(jù):熱力學第二定率判據(jù)：吉布斯函數(shù)（吉布斯自由能）△rGm<0△rGm>0△rGm=0化學反應自發(fā)進行化學反應達到平衡狀態(tài)化學反應不能自發(fā)進行（逆向自發(fā)進行）第4頁/共28頁熱力學分析——反應限度bB+dDgG+rR對于理想氣體在恒溫恒壓下反應：當反應達到平衡狀態(tài)時：Pi-組分i的分壓Po=101.3kPaKp為化學反應平衡常數(shù)，其值越大，說明反應達到平衡時，體系中產(chǎn)物的量越大，原料的量越少。第5頁/共28頁熱力學分析——反應限度反應難易程度：當△rGm<0時，Kp值很大；且△rGm越小，Kp值越大，反應越容易自發(fā)進行當△rGm>0時，Kp值很??；且△rGm越大，Kp值越小，反應越難自發(fā)進行反之，用途：在對某一生產(chǎn)工藝分析中，可據(jù)此判斷主、副反應的難易程度，從而確定適宜的工藝條件。第6頁/共28頁產(chǎn)物的平衡濃度c產(chǎn)物*反應物的平衡轉(zhuǎn)化率X*——極限濃度——極限轉(zhuǎn)化率熱力學分析——反應限度反應限度當△rGm<0時，Kp值很大；且Kp值越大，反應進行的限度越大。當△rGm>0時，Kp值很??；且Kp值越小，反應進行的限度越小。反之，——化學平衡同理，定性定量第7頁/共28頁溫度對化學平衡的影響根據(jù)恒壓方程式：若△H＞0，即吸熱反應，則＞0說明Kp值隨T的升高而增大；熱力學分析——化學平衡及平衡移動若△H＜0，即放熱反應，則＜0說明Kp值隨T的升高而減??；第8頁/共28頁熱力學分析——化學平衡及平衡移動壓力對化學平衡的影響yi-i組分的摩爾分率當△n＜0時，當△n＞0時，當△n=0時，bB+dDgG+rR△n=g+r-(b+d)Ky與壓力無關P↑，Ky↑（平衡向生成物的方向移動）P↑，Ky

↓

（平衡向反應物的方向移動）第9頁/共28頁例：N2＋3H22NH3△n＝-2∴對于△n＜0（分子數(shù)減少的反應），增加體系總P，將有利于平衡向生成物的方向移動。Kp與P無關，P↑，Ky↑（)↑↓↓熱力學分析——化學平衡及平衡移動第10頁/共28頁例：C2H5OHC2H4＋H2O△n＝1∴對于△n＞0（分子數(shù)增大的反應），增加體系總P，將有利于平衡向反應物的方向移動。Kp與P無關，P↑，Ky

↓

（)↑↓↓熱力學分析——化學平衡及平衡移動第11頁/共28頁bB+dDgG+rR增加反應物濃度或減小生成物濃度，化學平衡向正反應方向移動。增加生成物濃度或減小反應物濃度，化學平衡向逆反應方向移動。熱力學分析——化學平衡及平衡移動反應物濃度對化學平衡的影響第12頁/共28頁化學反應速率：單位時間內(nèi)某一種反應物或生成物濃度的改變量bB+dDgG+rR第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析化學反應速率方程基元反應非基元反應動力學分析的任務:化學反應達到限度所需要的時間阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式第13頁/共28頁（1）溫度T對反應速率r的影響近似的認為，溫度每上升10℃，反應速率大約要變?yōu)樵瓉淼?～4倍。（范特霍夫規(guī)則）一般地，溫度升高，反應速率增大。且，高溫對活化能高的反應有利，低溫對活化能低的反應有利。（阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式：第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析）第14頁/共28頁rTrTrTrTrT①②③④⑤常見的5類反應的反應速率隨溫度的變化情況。第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析第15頁/共28頁第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析（2）催化劑對反應速率r的影響未加cat加入catADDCAB③①②E非催化E催化=E1+E2+E3△EE非催化E催化－＝催化劑能改變反應路徑，降低反應的活化能，加快反應速度。E↓，k↑,

r↑>第16頁/共28頁例：2HIH2+I2經(jīng)測定：E非催化=184.23kJ/molE催化=104.68kJ/mol△E＝E非催化－E催化＝79.55kJ/mol設T=573K，根據(jù)阿倫尼烏斯方程：第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析加入催化劑后，反應速率明顯提高！第17頁/共28頁（3）反應體系中各物質(zhì)的濃度C對反應速率r的影響反應初期：C反應物高，反應速率越快；隨著反應的進行，C反應物↓，r↓；對于可逆反應，反應的推動力＝C反應物－C反應物*（推動力越大，反應速率越大）不斷從反應體系中移出生成物，提高C反應物，有利于平衡向生成物的方向移動。結(jié)論第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析（液相反應）第18頁/共28頁（4）壓力P對反應速率r的影響（氣相反應）C反應物↑反應速率r↑反應能耗大，對設備要求高，不經(jīng)濟。P↑P↑惰性氣體的存在，p反應物↓r↓有利于△n＞0的反應的平衡向正方向移動（不利于反應速率）第三節(jié)化工生產(chǎn)過程動力學分析動力學上不利熱力學上有利第19頁/共28頁溫度壓力停留時間工藝條件原料配比第四節(jié)化工生產(chǎn)過程影響因素分析第20頁/共28頁影響因素分析——反應溫度T1、T的范圍升高T更有利于活化能E高的反應；而由于cat的存在，一般主反應的E是最低的。因此，升高T，雖有利于主反應的進行，但更有利于副反應的進行。3、T↑X↑收率Y↓4、T的升高，受設備材質(zhì)的限制。反應溫度要在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)（T～cat）2、T的選擇（T～E）T↑↑，副反應增加，主反應的S↓，X↑↑，（T～X、S、Y）（T～材料）第21頁/共28頁影響因素分析——系統(tǒng)總壓P1、加壓有利于反應前后分子數(shù)減少的反應；∴立足于系統(tǒng)——實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)7、加壓操作，危險系數(shù)增加。6、加壓操作，使能耗增加；5、加壓操作，對設備要求高，設備造價高；4、當裝置一定時，加壓可以提高生產(chǎn)能力；3、當處理量一定時，加壓使設備容積減?。?、加壓可提高反應物的分壓（濃度）加快反應速率；第22頁/共28頁影響因素分析——原料配比1、理論比——反應方程式的化學計量關系；3、r=kCBbCDd2、提高一種反應物的濃度C，可以提高另一種反應物的轉(zhuǎn)化率X；指數(shù)＝0，r與該反應物濃度無關；指數(shù)＞0，r隨該反應物的濃度增加而增加4、提高某種原料配比時，（加大某種原料用量）該物質(zhì)的X單會下降；因此，反應中要對這部分過量的，未參加反應的物質(zhì)循環(huán)使用。以提高X總。5、對于爆炸性混合物，應首要考慮使它們的配比在爆炸極限范圍以外。第23頁/共28頁影響因素——空間速度、停留時間1、空間速度SV定義：單位時間內(nèi)，在單位cat體積上通過的反應物的體積流量（標態(tài)下）[Nm3/（h·m3cat）]－Nm3/h－m32、停留時間τ－m3/h－m3（標準狀態(tài)下）（操作條件下）SV大，SV小，τ短，X小；X高；τ長，副反應增加，收率下降。結(jié)論第24頁/共28頁例：氣固相催化反應生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的管式反應器，反應混合物進料為8900Nm3/h，T=513K，P＝1MPa，Vcat=1.95m3。求SV，τ解：[Nm3/（h·m3cat）]影響因素——空間速度、停留時間第25頁/共28頁作業(yè)：2、影響一個化學反應的化學平衡的因素有哪些？這些因素的變化是如何影響平衡移動的？1、如何判別一個化學反