化學工藝學電子教案--第二章

1、化學工藝學電子教案第二章,化工生產過程及流程,2 化工生產過程及流程,2.1 化工生產過程及流程 2.2 化工過程的主要效率指標 2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響 2.4 催化劑的性能及使用 2.5 反應過程的物料衡算和熱量衡算,2.1 化工生產過程及流程,2.1.1 化工生產過程 化工生產過程一般可概括為原料預處理、化學反應和產 品分離及精制三大步驟。 （1）原料預處理 主要目的是使初始原料達到反應所需 要的狀態(tài)和規(guī)格。 （2）化學反應 通過該步驟完成由原料到產物的轉變， 是化工生產過程的核心。 （3）產品的分離利精制 目的是獲取符合規(guī)格的產品； 并回收、利用副產物。,2.1 化工

2、生產過程及流程,2.1.2 化工生產工藝流程 原料需要經過包括物質和能量轉換的一系列加 工，方能轉變成所需產品實施這些轉換需要有相應 的功能單元來完成，按物料加工順序將這些功能單 元有機地組合起來，則構筑成工藝流程。將原料轉 變成化工產品的工藝流程稱為化工生產工藝流程。,2.2 化工過程的主要效率指標,2.2.1 生產能力和生產強度 （1）生產能力系指一個設備，一套裝置或一 個工廠在單位時間內生產的產品量，或在單位時 間內處理的原料量。其單位為kg/h，td或kt a，萬t/a等。 （2）生產程度為設備的單位特征幾何量的生 產能力。即設備的單位體積的主產能力，或單位 面積的生產能力。其單位為k

3、g/hm3，kg/hm2 等 。,2.2 化工過程的主要效率指標,2.2.2 轉化率、選擇性和收率（產率） 化工總過程的核心是化學反應，提高反應的轉化 率、選擇性和產率是提高化工過程效率的關鍵。 轉化率（conversion）,2.2 化工過程的主要效率指標,反應物A和B的轉化率分別是：,有反應如下：,2.2 化工過程的主要效率指標,選擇性（selectivity） 選擇性系指體系中轉化成目的產物的某反應物 量與參加所有反應而轉化的該反應物總量之比，用 符號S表示。,2.2 化工過程的主要效率指標,收率亦稱為產率，是從產物角度來描述反應過 收率（產率，yield） 程的效率。符號為Y ，其定義

4、式為,收率=轉化率選擇性,2.2 化工過程的主要效率指標,質量收率（mass yield） 質量收率的定義系指投人單位質量的某原料 所能生產的目的產物的質量，即,2.2 化工過程的主要效率指標,例1 乙烷脫氫生產乙烯時，原料乙烷處理量為000kg/h， 產物中乙烷為000kg/h，獲得產物乙烯為00kg/h，求乙 烷轉化率、乙烯的選擇性及收率。 解：乙烷轉化率=（8000-4000）/8000*100%=50% 乙烯的選擇性=（3200*30/28）/4000*100%=85.7% 乙烯的收率=50%*85.7%*100%=42.9% 例2 丙烷脫氫生產丙烯時，原料丙烷處理量為3000kg/h

5、， 丙烷單程轉化率為70%，丙烯選擇性為96%，求丙烯產量。 解：丙烯產量=3000*70%*96%*42/44=1924.4(kg/h),2.2 化工過程的主要效率指標,2.2.3 平衡轉化率和平衡產率的計算 可逆反應達到平衡時的轉化率稱為平衡轉化 率，此時所得產物的產率為平衡產率。在實際生 產中應保持高的凈反應速率，不能等待反應達平 衡，故實際轉化率和產率比平衡值低。若平衡產 率高，則可獲得較高的實際產率。工藝學的任務 之一是通過熱力學分析，尋找提高平衡產率的有 利條件，并計算出平衡產率。,2.2 化工過程的主要效率指標,對于反應:,氣相反應體系，其標準平衡常數表達式為:,2.2 化工過程

6、的主要效率指標,在高壓下，氣相反應平衡常數應該用逸度商來 表達，即,各組分的逸度與其分壓的關系為,由此可推導出,2.2 化工過程的主要效率指標,若為理想溶液反應體系，其平衡常數Kc的表達 式為:,例3 設某氣相反應為 A 2B R，反應前組分 A有amol，組分B有bmol，無組分R，反應達平衡時組分A的平衡轉化率為XA，則A的轉化 量為aXAmol。,2.2 化工過程的主要效率指標,解:各組分的平衡摩爾分數y和平衡分壓p分別為,所以有,2.2 化工過程的主要效率指標,對于本例，每轉化 lmol反應物 A生成1mol產物R，則 產物R相對于原料A的平衡產率為: 然而，每轉化 2 mol反應物

7、B生咸 1mol產物 R，則產 物 R相對于原料B的平衡產率為:,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響,反應溫度、壓力、濃度、反應時間、原料的純 度和配比等眾多條件是影響反應平衡和速率的重要 因素，關系到生產過程的效率。在本書其他各章中 均有具體過程的影響因素分析，此處僅簡述以下幾 個重要因素的影響規(guī)律。,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響,2.3.1 溫度的影響 溫度對化學平衡的影響 對于不可逆反應不需考慮化 學平衡，而對于可逆反應，其平衡常數與溫度的關系為: 對于吸熱反應，H0，K值隨著溫度升高而增大， 有利于反應，產物的平衡產率增加； 對于放熱反應，HO，K值隨著溫度生高而

8、減小， 平衡產率降低。故只有降低溫度才能使平衡產率增高。,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響, 溫度對反應速率的影響 反應速率系指單位時間、單 位體積某反應物組分的消耗量，或某產物的生成量。反應速 率方程通?？捎脻舛鹊膬绾瘮敌问奖硎荆鐚τ诜磻?,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響,2.3.2 濃度的影響 根據反應平衡移動原理，反應物濃度越高，越有利于平衡向產 物方向移動。當有多種反應物參加反應對，往往使價廉易得的反應 物過量，從而可以使價貴或難得的反應物更多地轉化為產物，提高 其利用率。反應物濃度愈高，反應速率愈快。一般在反應初期，反 應物濃度高，反應速率大，隨著反應的進行

9、，反應物逐浙消耗，反 應速率逐漸下降。 對于可逆反應，反應物濃度與其平衡濃度之差是反應的推動力 此推動力愈大則反應速率愈高。所以，在反應過程中不斷從反應區(qū) 域取出生成物，使反應遠離平衡，既保持了高速率，又使平衡不斷 向產物方向移動，這對于受平衡限制的反應，是握高產率的有效方 法之一。近年來，反應-精餾、反應-膜分離、反應-吸附（或吸收） 等新技術、新過程應運而生，這些過程使反應與分離一體化，產物 一旦生成，立刻被移出反應區(qū)，因而反應始終是遠離平衡的。,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響,2.3.3 壓力的影響 一般來說，壓力對液相和固相反應的平衡影響較小。 氣體的體積受壓力影響大，故壓

10、力對有氣相物質參加的反 應平衡影響很大，其規(guī)律為： 對分子數增加的反應，降低壓力可以提高平衡產率； 對分子數減少的反應，壓力升高，產物的平衡產率 增大； 對分子數沒育變化的反應，壓力對平衡產率無影響。,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響,2.3.4 停留時間的影響 停留時間是指物料從進入設備到離開設備所需要 的時間，若有催化劑存在指物料與催化劑的接觸時間 單位用秒（S）表示。 一般停留時間越長，原料轉化率越高，產物的選 擇性越低，設備的生產能力越小，空速越??；反之亦 然。,2.3 反應條件對化學平衡和反應速率的影響,2.3.5 空速的影響 空速為停留時間的倒數，一般空速越大，停留時間越

11、 短，原料轉化率越低，產物的選擇性越高，設備的生產能 力越大；反之亦然。 2.3.6 原料配比的影響 2.3.7 原料純度的影響 2.3.8 催化劑的影響,2.4 催化劑的性能及使用,據統(tǒng)汁，當今90的化學工業(yè)中均包含有催化（catalysis） 過程，催化劑（catalyst）在化工主產中占有相當重要的地位， 其作用主要體現在以下幾方面: （1）提高反應速率和選擇性; （2）改進操作條件; （3）催化劑有助于開發(fā)新的反應過程，發(fā)展新的化工技術; （4）催化劑在能源開發(fā)和消除污染中可發(fā)揮重要作用。,2.4 催化劑的性能及使用,2.4.1 催化劑的基本特征 催化劑有以下三個基本特征: （1）催化

12、劑是參與了反應的，但反應終了時，催化劑本 身未發(fā)生化學性質和數量的變化; （2）催化劑只能縮短達到化學平衡的時間（即加速用）， 但不能改變平衡; （3）催化劑具有明顯的選擇性,2.4 催化劑的性能及使用,2.4.2 催化劑的分類 按催化反應體系的物相均一性分：有均相催化劑和非均 相催化劑； 按反應類別分：有加氫、脫氫、氧化、裂化、水合、聚 合、烷基化、異構化、芳構化、羰基化、鹵化等眾多催化劑； 按反應機理分：有氧化還原型催化劑、酸堿催化劑等； 按使用條件下的物態(tài)分：有金屬催化劑。氧化物催化劑、 硫化物催化劑、酸催化劑、堿催化劑、絡合物催化劑和生物 催化劑等。,2.4 催化劑的性能及使用,2.4

13、.3 工業(yè)催化劑使用中的有關問題 工業(yè)催化劑的使用性能指標 活性 系指在給定的溫度、壓力和反應物流量（或空 間速度）下，催化劑使原料轉化的能力?；钚栽礁邉t原料的 轉化率愈高。 選擇性 系指反應所消耗的原料中有多少轉化為目的 產物。選擇性愈高，生產單位量目的產物的原料消耗定額愈 低，也愈有利于產物的后處理，故工業(yè)催化劑的選擇性應較 高。,2.4 催化劑的性能及使用,壽命 系指其使用期限的長短，壽命的表征是生產單 位量產品所消耗的催化劑量，或在滿足生產要求的技術水平 上催化劑能使用的時間長短，有的催化劑使用壽命可達數年 有的則只能使用數月。 催化劑的壽命影響因素：化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、 機械 穩(wěn)定

14、性、耐毒性。 其他 如廉價、易得、無毒、易分離等。,2.4 催化劑的性能及使用, 催化劑的活化 許多固體催化劑在出售時的狀態(tài)一般是較穩(wěn)定的，但這 種穩(wěn)定狀態(tài)不具有催化性能，催化劑使用廠必須在反應前對 其進行活化，使其轉化成具有活性的狀態(tài)。不同類型的催化 劑要用不同的活化方法，有還原，氧化、硫化、酸化、熱處 理等等，每種活化方法均有各自的活化條件和操作要求，應 該嚴格按照操作規(guī)程進行活化，才能保證催化劑發(fā)揮良好的 作用。如果活化操作失誤，輕則使催化劑性能下降，重則使 催化劑報廢，經濟損失巨大。,2.4 催化劑的性能及使用, 催化劑的失活和再生 引起催化劑失活的原因較多，對于絡合催化劑而言，主 要

15、是超溫，大多數配合物在250以上就分解而失括；對于 生物催化劑而言，過熱、化學物質和雜菌的污染、PH值失 調等均是矢活的原因；對于固體催化劑而言，其失活原因主 要有： 超溫過熱，使催化劑表面發(fā)生燒結，晶型轉變或物相 轉變； 原料氣中混有毒物雜質，使催化劑中毒； 有污垢覆蓋催化劑表面。,2.4 催化劑的性能及使用,催化劑的運輸、貯存和裝卸 催化劑一般價格較貴，要注意保護。在運輸和貯藏中應 防上其受污染和破壞；固體催化劑在裝填于反應器中時，要 防止污染和破裂。裝填要均勻，避免出現“架橋”規(guī)象，以防 止反應工況惡化。許多催化劑使用后在停工卸出之前，需要 進行鈍化處理，尤其是金屬催化劑一定要經過低含氧

16、量的氣 體鈍化后，才能暴露于空氣，否剛遇空氣劇烈氧化自燃，燒 壞催化劑和設備。,2.5 反應過程的物料衡算和熱量衡算,物料衡算和熱量衡算是化學工藝的基礎之一，通過物 料、熱量衡算，計算生產過程的原料消耗指標、熱負荷和 產品產率等，為設計和選擇反應器和其他設備的尺寸、類 型及臺數提供定量依據；可以核查生產過程中各物料量及 有關數據是否正常，有否泄漏，熱量回收、利用水平和熱 損失的大小，從而查出生產上的薄弱環(huán)節(jié)和限制部位，為 改善操作和進行系統(tǒng)的最優(yōu)化提供依據。,2.5 反應過程的物料衡算和熱量衡算,2.5.1 反應過程的物料衡算 物料衡算基本方程式 間歇操作過程的物料衡算 間歇操作過程的物料衡算是以每批生產時間為基準，輸 人物料量為每批投入的所有物料質量的總和，輸出物料量為 該批卸出的所有物料質量的總和，投入料總量與卸出料總量 之差為殘存在反應器內的物料量及其他機械損失。,2.5 反應過程的物料衡算和熱量衡算,穩(wěn)定流動過程的物