化工生產(chǎn)過(guò)程知識(shí)培訓(xùn)資料(ppt 90頁(yè)).ppt

1、第三章 化工生產(chǎn)過(guò)程基本知識(shí),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(duì)催化劑的一般要求 五、催化劑制備方法簡(jiǎn)介 第二節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)程的常用指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià) 一、轉(zhuǎn)化率、收率、產(chǎn)率 二、生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度 三、工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo) 第三節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)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(shí)例,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 1,第一節(jié) 工業(yè)催化在國(guó)計(jì)民生中的作用,一、催化劑現(xiàn)代化學(xué)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(xué)工業(yè)。 如： 無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硝酸、硫酸

2、等的生產(chǎn)。 石油加工中的催化裂化、催化重整等過(guò)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(guò)程。 生物化工中的酶催化過(guò)程。 環(huán)保催化過(guò)程等,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 2,一、催化劑現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石 催化研究的重點(diǎn)將逐漸由過(guò)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(shí)期,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 3,一、催化劑現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石 表1-1 全球催化劑市場(chǎng)用途分布,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 4,二、二十世紀(jì)工業(yè)催化的一些重大發(fā)明 表1-2 20世紀(jì)工業(yè)催化劑的重大發(fā)明,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 5,二、二十世

3、紀(jì)工業(yè)催化的一些重大發(fā)明,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 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(duì)催化劑的一般要求 五、催化劑制備方法簡(jiǎn)介,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)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(xué)反應(yīng)體系中，因加入了某種物質(zhì)而 使化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快，但該物質(zhì)的數(shù) 量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)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(yīng)速率的物質(zhì)稱為負(fù)催化劑。 催化劑能加快反應(yīng)速度的原因：改變反應(yīng)途徑，反應(yīng)活化能降低，反應(yīng)速率增大,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 8,舉例：碘化氫的分解反應(yīng)（見教材p2

4、1,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 9,催化劑的特點(diǎn),催化劑是參與了反應(yīng)的，但反應(yīng)終了時(shí)，催化劑本身未發(fā)生化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量的變化。 催化劑只能縮短達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間(即加速作用)，但不能改變平衡。 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(yīng)。 舉例：乙烯環(huán)氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。見教材p21,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 10,用于正反應(yīng)的催化劑不一定能直接應(yīng)用于逆反應(yīng)。 舉例：加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)。見教材p22 催化劑具有一定的使用周期。 催化劑的中毒和流失等使得催化劑的使用周期有限,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 11,二、催化劑的組成與性能,催化劑的分類： 按來(lái)源分為生物催化劑和非生物催化劑。 生物催

5、化劑.酶催化劑：見教材p22. 生物催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)：見教材p22 非生物催化劑：主要為工業(yè)催化劑。 工業(yè)催化劑的分類： 按催化功能分:有加氫、脫氫、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、異構(gòu)化、芳構(gòu)化、羰基化、鹵化等眾多催化劑。 按材質(zhì)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(luò)合物催化劑和生物催化劑等,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 12,按反應(yīng)機(jī)理分:有氧化還原型催化劑、酸堿催化劑等。 按催化反應(yīng)體系的物相均一性分:有均相催化劑和非均相催化劑(固體催化劑,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 13,1.催化劑的組成,1）液體催化劑（P22,液體催化劑的組成： （P22,舉例：乙醛氧化法生產(chǎn)

6、醋酸所用催化劑醋酸錳 溶液的配制,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 14,2）固體催化劑的組成 固體催化劑一般由活性組分、助催化劑、抑制劑和載體組成。 活性組分：對(duì)主反應(yīng)具有催化作用的物質(zhì)；通常是金屬或金屬氧化物，例如鐵、銅、鋁及其氧化物。 舉例：加氫所使用的鎳催化劑，其活性組分為Ni。 助催化劑：本身沒有催化性能，卻能改善催化劑性能的物質(zhì)；能夠提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。 舉例：乙烯環(huán)氧化制備還原乙烷所使用的銀催化劑，在其中加入助劑Na或K，可改善催化劑的穩(wěn)定性和耐熱性,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 15,抑制劑：抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高催化劑選擇性的物質(zhì)； 舉例:見教材p23. 載體：為催化劑的骨

7、架。載體的主要作用是承載活性組分和助催化劑，是負(fù)載活性組分和助催化劑的骨架。 載體的主要作用:見教材p23,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 16,補(bǔ)充：固體催化劑,一、固體催化劑的作用 催化劑是能夠加速化學(xué)反應(yīng)速率而本身能復(fù)原的物質(zhì)。 催化劑有下列性質(zhì)： 1. 產(chǎn)生中間產(chǎn)物，改變反應(yīng)途徑，因而降低反應(yīng)活化能和加速反應(yīng)速率； 2. 不能改變平衡狀態(tài)和反應(yīng)熱； 3. 必然同時(shí)加速正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率； 4. 具有選擇性，使化學(xué)反應(yīng)朝著期望的方向進(jìn)行，抑制不需要的副反應(yīng),池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 17,固體催化劑,二、固體催化劑的物理性質(zhì) 1.內(nèi)表面積 固體催化劑內(nèi)含有大小不等的孔道，形成巨大的內(nèi)表面積。

8、顆粒的外表面積和內(nèi)表面積相比很小，一般忽略不計(jì)。催化反應(yīng)在內(nèi)表面上進(jìn)行。 以比表面積 表征固體催化劑的內(nèi)表面積。 2.孔容和孔隙率 1）孔容 孔容是指每克催化劑內(nèi)部所占孔道的體積，記作 Vg cm3 / g,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 18,固體催化劑,2）孔隙率 孔隙率是催化劑顆粒的孔容積和顆粒的體積之比。式中 為表觀密度（假密度），是以顆粒體積計(jì)算的密度,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 19,固體催化劑,3.孔徑及其分布 催化劑中孔道的大小、形狀和長(zhǎng)度都是不均一的，催化劑孔道半徑可分成三類： 1）微孔，孔半徑為1nm左右； 2）中孔，孔半徑為125nm左右； 3）大孔，孔半徑大于25nm的孔。 載

9、體的作用是作為催化劑的骨架，同時(shí)提供催化劑的內(nèi)表面積。催化劑顆粒的內(nèi)表面積是何等的巨大,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 20,固體催化劑,設(shè)有氣固相催化反應(yīng)： 反應(yīng)步驟如下： 1.外擴(kuò)散：A和B從氣相主體到達(dá)顆粒外表面； 2.內(nèi)擴(kuò)散：A和B從顆粒外表面進(jìn)入顆粒內(nèi)部； 3.化學(xué)反應(yīng)： 1）化學(xué)吸附：A和B被活性位吸附，成為吸附態(tài)A和B； 2）表面反應(yīng)：吸附態(tài)A和B起反應(yīng)，生成吸附態(tài)C和D； 3）脫附：吸附態(tài)C和D脫附成自由的C和D,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 21,4. 內(nèi)擴(kuò)散: C和D從顆粒內(nèi)部到達(dá)顆粒外表面; 5.外擴(kuò)散：C和D從顆粒顆粒外表面到達(dá)氣相主體； 化學(xué)吸附、表面反應(yīng)和脫附三步是串聯(lián)的，構(gòu)

10、成了催化反應(yīng)過(guò)程。按照上述三步獲得的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，稱之為催化反應(yīng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)，或者催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué),外表面,內(nèi)表面,1.外擴(kuò)散,2.內(nèi)擴(kuò)散,3.化學(xué)反應(yīng)： （1）（2）（3,吸附,反應(yīng),脫附,氣固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)是化學(xué)吸附理論,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 23,2.工業(yè)催化劑的性能指標(biāo),指1g催化劑所具有的表面積，m2/g。 比表面積的大小影響催化劑的活性和催化反應(yīng)的速率。性能優(yōu)良的催化劑必須有足夠大的比表面積，以提供更多的活性中心。 各種催化劑的比表面積的大小不等。 比表面積的測(cè)定方法有：一般用BET法和色譜法,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 24,1）比表面,指在給定的溫度、壓力和

11、反應(yīng)物流量(或空間速度)下，催化劑使原料轉(zhuǎn)化的能力。 判斷催化劑性能的重要標(biāo)志，工業(yè)上有下列表達(dá)方式： （1）給定溫度（壓力）下完成原料的轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率 越高，活性越高； （2）完成給定的轉(zhuǎn)化率所需的溫度。溫度越低，活性 越高； （3）完成給定的轉(zhuǎn)化率所需的空速。空速越大，活性 越高,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 25,2）活性,催化劑中具有催化活性的部位。 如: 催化劑表面的酸、堿中心； 原子簇（Clusters）等,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 26,3）活性位,4）選擇性 指反應(yīng)所消耗的原料中有多少轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物,S(選擇性) =（轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物所消耗的某反應(yīng)物的量/某反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的總量） 100

12、。 如：反應(yīng) A B + C 設(shè)A的起始的物質(zhì)的量為NA0, 反應(yīng)后剩余的物質(zhì)的量為NA, 反應(yīng)后B的生成量為NB，則目的產(chǎn)物B的選擇性SB為 SB = NB / （NA0 NA） 100,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 27,指催化劑使用期限的長(zhǎng)短。壽命的表征是生 產(chǎn)單位量產(chǎn)品所消耗的催化劑量，或在滿足生產(chǎn) 要求的技術(shù)水平上催化劑能使用的時(shí)間長(zhǎng)短。 影響催化劑使用壽命的因素:見教材p24 a.化學(xué)穩(wěn)定性 b.熱穩(wěn)定性 c.機(jī)械穩(wěn)定性 d.耐毒性等,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 28,5）壽命,催化劑的作用,體現(xiàn)為： （1）提高反應(yīng)速率和選擇性。 （2）改進(jìn)操作條件。 （3）催化劑有助于開發(fā)新的反應(yīng)過(guò)程

13、，發(fā)展新的化工技術(shù)。 （4）催化劑在能源開發(fā)和消除污染中可發(fā)揮重要作用,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 29,三、催化劑使用,固體催化劑中的活性組分通常以氧化物、氫氧化物或者鹽的形態(tài)存在，它們沒有催化活性。活化就是將它們轉(zhuǎn)化成具有催化作用的活性形態(tài)。固體催化劑在使用前先要活化，催化劑經(jīng)活化后才有活性。 活化方法：氧化、還原、硫化、酸化等。 一般，活化在活化爐、反應(yīng)器中進(jìn)行，催化劑經(jīng)活化后可正常使用,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 30,1）活化,超溫過(guò)熱、原料氣中混有毒物雜質(zhì)，有污垢覆蓋催化劑表面，都會(huì)導(dǎo)致催化劑失活。 失活原因： （a）化學(xué)因素 （b）超溫過(guò)熱 （c）機(jī)械原因,催化劑的結(jié)焦：見p25,催

14、化劑的中毒：見p25,催化劑的受熱失活：見p25,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 31,2）失活,催化劑中毒有暫時(shí)性和永久性兩種情況。暫時(shí)性中毒是可逆的，當(dāng)原料中除去毒物，催化劑可逐漸恢復(fù)活性，永久性中毒則是不可逆的，不可再生。 催化劑的再生方法：燒焦再生。p26,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 32,3）再生,四、工業(yè)生產(chǎn)對(duì)催化劑的一般要求,適當(dāng)高的活性； 活性溫度要低；（一般催化劑在一定的溫度范圍內(nèi)具有較高的活性） 較好的選擇性； 機(jī)械強(qiáng)度高，在使用過(guò)程中受震動(dòng)或摩擦后破碎少； 抗毒性能好； 耐熱性好； 壽命長(zhǎng)； 價(jià)格低廉，原料易得，具有良好的流體力學(xué)性能,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 33,五、催化劑制

15、備方法,固體催化劑最常用的催化劑制備方法有浸漬法、沉淀法、共混合法、溶膠凝膠法、離子交換法和熔融法。 1.沉淀法 在充分?jǐn)嚢璧臈l件下，向含有催化劑各組分的溶液中加入沉淀劑，生成沉淀物。沉淀物經(jīng)分離、洗滌除去有害離子，然后干燥、煅燒制得催化劑,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 34,沉淀劑 應(yīng)選擇沉淀后容易分解、揮發(fā)和較易洗滌干凈的沉淀劑，如氨水、尿素、碳酸銨等銨鹽、碳酸鈉等碳酸鹽、氫氧化鈉等堿金屬鹽類，這樣才能制備出純度較高的催化劑。 另外，形成的沉淀物應(yīng)便于過(guò)濾和洗滌，避免形成非晶型沉淀。同時(shí)，沉淀物的溶解度愈小愈好，這樣沉淀反應(yīng)完全，可減少原料的浪費(fèi)。 沉淀方法 單組分沉淀法、多組分沉淀法、均勻沉

16、淀法和超均勻共沉淀法等,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 35,2.浸漬法 將載體放在含有活性組分的水溶液中浸泡，使活性組分吸附在載體上?；蛘哓?fù)載組分以蒸氣相方式浸漬于載體中。如一次浸漬達(dá)不到規(guī)定的吸附量，可在干燥后再浸。 如要將幾種活性組分按一定比例浸漬到載體上去，常采用多次浸漬的辦法,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 36,浸漬法工藝流程,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 37,等體積浸漬法、過(guò)量浸漬法、多次浸漬法、流化噴灑浸漬法和蒸發(fā)浸漬法等,浸漬方法,浸漬方法的優(yōu)點(diǎn),催化劑的活性組分利用率高，用量少。因?yàn)榛钚越M分大多僅分布在載體的表面，這對(duì)貴金屬催化劑有為重要。同時(shí)，浸漬法的操作工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，制備步驟也較

17、少,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 38,3.混合法 將催化劑的各個(gè)組分作成漿狀，經(jīng)過(guò)充分的混合(如在混煉機(jī)中)后成型、干燥、煅燒而得。 其原理就是將組成催化劑的各組分以粉狀粒子的形態(tài)，在球磨機(jī)或碾合機(jī)內(nèi)邊磨細(xì)、邊混合，使各組分粒子之間盡可能均勻分散，保證催化劑主劑與助劑及載體的充分混合，然后制成催化劑。 混合法是工業(yè)上制造多組分催化劑最簡(jiǎn)單的方法,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 39,a）干混合法 將催化劑活性組分、助催化劑、載體、膠粘劑、造孔劑等放在混合器中，在干的狀態(tài)下混合均勻，然后成型、干燥、焙燒，即可制得催化劑。 （b）濕混合法 活性組分往往以沉淀鹽或氫氧化物的形式，加上助催化劑、載體、膠粘劑等

18、進(jìn)行濕式碾合，然后進(jìn)行擠條、干燥、焙燒，即可制得催化劑,混合方法,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 40,優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)量大，成本低； 缺點(diǎn)：催化劑的活性、熱穩(wěn)定性都較差,混合法的優(yōu)缺點(diǎn),池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 41,4) 溶膠凝膠法,在膠體化學(xué)中，被分散的膠體粒子稱為分散相，粒子所在的介質(zhì)稱為分散介質(zhì)（溶劑），當(dāng)分散相顆粒大小在1-100nm范圍內(nèi)形成的溶液稱為膠體溶液，簡(jiǎn)稱為溶膠。 在一定條件下，溶膠中的膠體粒子會(huì)互相凝結(jié)而生成凝膠沉淀，這種凝膠沉淀是一種含有較多溶劑，體積龐大的非晶體沉淀，經(jīng)脫出溶劑后，便可得到三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔、大表面的固體，這是溶膠凝膠法制備催化劑的基礎(chǔ),池州學(xué)院

19、化學(xué)與食品科學(xué)系 42,基本原理,將這種凝結(jié)的膠體經(jīng)過(guò)熟化、洗滌、干燥、焙燒，即可制成催化劑。溶膠凝膠法特別適合于用于制備大比表面積催化劑和載體,溶膠的制備大體上有兩種方法： （a）分散法：它是利用膠體磨、氣流粉碎、超聲波、電弧等方法，把較大的顆粒分散成膠體粒子制成溶膠； （b）凝聚法：它是將由分子、離子、原子組成的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)凝聚成膠體粒子制成溶膠。 凝聚法有物理凝聚和化學(xué)凝聚，物理凝聚是通過(guò)溶液驟冷或飽和蒸汽減小溶解度生成膠體溶液；化學(xué)凝聚是通過(guò)水解、復(fù)分解等化學(xué)反應(yīng)生成膠體溶液。工業(yè)上大多采用化學(xué)凝聚法制備膠體溶液,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 44,膠體溶液常用的制備方法,膠體溶液制備 膠凝

20、熟化 洗滌 干燥 焙燒,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 45,制備流程,優(yōu)點(diǎn)： （1）可制高均勻、高比表面積的催化材料； （2）較容易控制孔徑和孔徑分布； （3）較容易控制催化活性組分的組成； 缺點(diǎn)： （1）制備溶膠常用金屬有機(jī)物，價(jià)格較貴； （2）制備工藝復(fù)雜； （3）影響膠凝的因素較多，操作控制較嚴(yán)格,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 46,溶膠凝膠法的優(yōu)缺點(diǎn),5） 離子交換法,利用離子交換反應(yīng)作為催化劑制備主要工序的方法稱為離子交換法。 其原理是采用離子交換劑作為載體，引入陽(yáng)離子活性組分而制成一種高分散、大比表面、均勻分布的金屬離子催化劑或負(fù)載型金屬催化劑。 在離子交換法中，關(guān)鍵工藝是離子交換劑的制備

21、。通常的離子交換劑有：無(wú)機(jī)離子交換劑、有機(jī)強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂、有機(jī)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂等,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 47,6）熱熔融法,熱熔融法是制備某些催化劑較特殊的方法。適合于少數(shù)必須經(jīng)熔煉過(guò)程的催化劑。 特點(diǎn)： 在熔融溫度下，催化劑各個(gè)組分熔煉成為均勻分布的混合物固溶體晶格間的高度分散狀態(tài)。同時(shí)，催化劑具有高的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、壽命和特殊的活性,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 48,第三節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)程的常用指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),一、轉(zhuǎn)化率、收率、產(chǎn)率 二、生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度 三、工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo),池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 49,一、轉(zhuǎn)化率、收率、產(chǎn)率,給定的反應(yīng)組分轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的量和加入量之比。

22、 X(轉(zhuǎn)化率) =（發(fā)生了反應(yīng)的反應(yīng)物的量/起始的反應(yīng)物的量） 100 如：反應(yīng) A B + C 設(shè)A的起始物質(zhì)的量為NA0， 反應(yīng)后剩余的物質(zhì)的量為NA, 則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率XA為 XA = （NA0 NA）/ NA0 100,1、轉(zhuǎn)化率,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 50,當(dāng)物料有循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)化率又分為單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率。 (1)單程轉(zhuǎn)化率 以反應(yīng)器為研究對(duì)象，參加反應(yīng)的原料量占通入反應(yīng)器原料總量的百分?jǐn)?shù)。 (2)總轉(zhuǎn)化率 以包括循環(huán)系統(tǒng)在內(nèi)的反應(yīng)器、分離設(shè)備的反應(yīng)體系為研究對(duì)象，參加反應(yīng)的原料量占進(jìn)入反應(yīng)體系總原料量的百分?jǐn)?shù)。 單程轉(zhuǎn)化率較低，總轉(zhuǎn)化率較高。 見教材p28,池州學(xué)院化學(xué)與食品

23、科學(xué)系 51,3)平衡轉(zhuǎn)化率 指某一化學(xué)反應(yīng)到達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的某種原料量占該原料起始量的百分?jǐn)?shù)。它是轉(zhuǎn)化率的最高極限值,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 52,2.產(chǎn)率,Y(產(chǎn)率) =（生成的目的產(chǎn)物的量/某反應(yīng)物的起始量） 100 如：反應(yīng) A B + C 設(shè)A的起始的物質(zhì)的量為NA0, 反應(yīng)后B的生成量為NB，C的生成量為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(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 53,產(chǎn)率也就是收率，收率有單程收率及總收率之分。 單程收率：目的產(chǎn)物的理論產(chǎn)量以通人反應(yīng)器的某種原料

24、量為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算的理論產(chǎn)率； 總收率：各工序收率的乘積,收率等于轉(zhuǎn)化率與選擇性的乘積。 可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的轉(zhuǎn)化率稱為平衡轉(zhuǎn)化率，此時(shí)所得產(chǎn)物的產(chǎn)率為平衡產(chǎn)率,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 54,隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率降低，逆反應(yīng)速率升高，所以凈反應(yīng)速率不斷下降直到零。 在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)保持高的凈反應(yīng)速率，不能等待反應(yīng)達(dá)平衡，故實(shí)際轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率比平衡值低。若平衡產(chǎn)率高，則可獲得較高的實(shí)際產(chǎn)率。 工藝學(xué)的任務(wù)之一是通過(guò)熱力學(xué)分析，尋找提高平衡產(chǎn)率的有利條件，并計(jì)算出平衡產(chǎn)率,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 55,二、生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度,化工過(guò)程的主要效率指標(biāo) 生產(chǎn)能力： 指一個(gè)設(shè)備、一套裝置或一個(gè)工廠在單

25、位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時(shí)間內(nèi)處理的原料量。 生產(chǎn)能力分為設(shè)計(jì)能力、查定能力、現(xiàn)有能力。 見教材p29,生產(chǎn)強(qiáng)度： 為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。用于比較那些相同反應(yīng)過(guò)程或物理加工過(guò)程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。設(shè)備中進(jìn)行的過(guò)程速率高，其生產(chǎn)強(qiáng)度就高,三、工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo),消耗定額：指生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的各種原料及輔助材料的數(shù)量。 1.原料消耗定額 分為理論消耗定額和實(shí)際消耗定額 理論消耗定額(Ai)：按化學(xué)反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量為 基礎(chǔ)計(jì)算的消耗定額。 實(shí)際消耗定額(At) ：按生產(chǎn)中實(shí)際消耗的原料量為基 礎(chǔ)計(jì)算的消耗定額。 At Ai

26、原因:見教材p30,2.公用工程的消耗定額 公用工程指的是化工生產(chǎn)必不可少的供水、供熱、供電、供氣、供冷等。 工業(yè)用水：分為工藝用水和非工藝用水 工藝用水： 非工藝用水： 供熱 供熱載體：水蒸氣（200）、導(dǎo)熱油（200 350 ）、熔鹽混合物（350,低溫冷卻 冷卻介質(zhì)： 低溫水（使用溫度5）； 鹽水（0 15，NaCl溶液； 0 45，NaCl溶液； 有機(jī)物等,補(bǔ)充： 空速（VS） 指反應(yīng)氣體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定體積催化劑的氣體的體積數(shù)。即：GHVS= cm3/(cm3. h)； 或指反應(yīng)液體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定體積（或質(zhì)量）催化劑的液體的體積數(shù)（或質(zhì)量）。即：LHVS= ml/(ml.

27、h,池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系 61,轉(zhuǎn)換頻率 在給定溫度、壓力、反應(yīng)物比率以及一定的反應(yīng)程度下，單位時(shí)間內(nèi)，單位活性位上發(fā)生的反應(yīng)過(guò)程（基元步驟，基元反應(yīng)）次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換頻率。 能準(zhǔn)確反映催化劑的活性，但測(cè)定其值很困難,思考題1：有一反應(yīng)為 A B + C，反應(yīng)前投入的A為1.0mol，某一時(shí)刻測(cè)得反應(yīng)體系中各物質(zhì)的量如下：A0.2mol, B=0.7mol, C=0.1mol。 計(jì)算此時(shí)（1）A 的轉(zhuǎn)化率？ （2）B 和C 的選擇性？ （3）B 和C 的產(chǎn)率,思考題2：有一苯加氫生產(chǎn)環(huán)己烷年產(chǎn)3萬(wàn)噸的反應(yīng)器內(nèi)，裝Pt/Al2O3 催化劑2.0m3，若催化劑的堆積密度為0.66g/cm3, 計(jì)

28、算其時(shí)空產(chǎn)率(一年按300天計(jì)算，分別按單位體積和單位重量催化劑計(jì)算,第三節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)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(shí)例,一、物料衡算,1.衡算基本方程 物料衡算基本方程式： (mi )入 = (mi )出 + (mi )積 + (mi )損,物料衡算是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的物料平衡計(jì)算,式中： (mi )入 - 輸入物料總和 (mi )出 - 輸出物料總和 (mi )積 -積累物料量 (mi )損 -系統(tǒng)損耗的物料質(zhì)量,1）連續(xù)操作過(guò)程的物料衡算 系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)積累物料 (mi )入 = (mi )出 + (mi )損 若連續(xù)操作系統(tǒng)無(wú)物料損耗 (m

29、i )入 = (mi )出,2、整個(gè)系統(tǒng)的物料衡算,2）間歇操作過(guò)程的物料衡算 按照下式： (mi )入 = (mi )出 計(jì)算每一批進(jìn)入和排出的物料量,3).系統(tǒng)物料衡算的方法和步驟,畫出物料衡算示意圖； 某甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)的物料衡算圖 寫出主、副化學(xué)反應(yīng)方程式并配平； 如：甲烷的蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)： CH4+H2O=CO+3H2 CH4+CO2=2CO+2H2 CO+H2O=CO2+H2,確定物料衡算的任務(wù)； 明確物料衡算中哪些是已知的，哪些是未知的，明確計(jì)算任務(wù)。 收集資料數(shù)據(jù)； A、 B、 C、 選定計(jì)算基準(zhǔn)； 選擇基準(zhǔn)的原則是盡量使計(jì)算簡(jiǎn)化,列方程式、聯(lián)立求解； 分析數(shù)量之間的關(guān)系，列出獨(dú)立數(shù)

30、學(xué)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。 核對(duì)和整理計(jì)算結(jié)果,3.子系統(tǒng)的物料衡算,1)物理過(guò)程 對(duì)于物理過(guò)程，還可以按每種組分分別建立該組分的物料衡算式,對(duì)于需要進(jìn)行物料衡算的子系統(tǒng)，除了確定總的 物料衡算式外，還需要確定獨(dú)立的物料衡算式的個(gè)數(shù),物料衡算式： 總物料衡算式 F=D+W A組分物料衡算式: FxfADxdA+WxwA B組分物料衡算式: FxfBDxdB+WxwB,舉例：雙組分精餾系統(tǒng),問：上述衡算式之間是否獨(dú)立？為什么？ 獨(dú)立物料衡算式有幾個(gè)？為什么？ 能得出何結(jié)論,獨(dú)立物料衡算式為2個(gè)。 結(jié)論：獨(dú)立物料衡算式與組分?jǐn)?shù)相等，物料衡算 式的總是比組分?jǐn)?shù)多一個(gè),問：上述衡算式之間是否獨(dú)立？為什么？ 獨(dú)立物

31、料衡算式有幾個(gè)？為什么？ 能得出何結(jié)論,2)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,化學(xué)反應(yīng)： C+O2=CO2 C+1/2O2=CO,物料衡算式： C物料衡算式: ncnco+nco2 O物料衡算式: no2=0.5nco+nco2 總物料衡算式 nc+2no2=2nco+3nco2,問：獨(dú)立物料衡算式有幾個(gè)？能得出何結(jié)論,獨(dú)立物料衡算式為2個(gè)。 結(jié)論：獨(dú)立物料衡算式與參與化學(xué)反應(yīng)的元素種類相等,問：獨(dú)立物料衡算式有幾個(gè)？能得出何結(jié)論,二、能量衡算,H+g h+1/2u2=Q+Ws 若體系與環(huán)境之間無(wú)軸功交換，體系的宏觀動(dòng)能和宏觀內(nèi)能可忽略。 H = Q,1.穩(wěn)流體系能量衡算通式,熱量衡算式: QI=Qo +Qs Q

32、I - 隨物料進(jìn)入系統(tǒng)的熱量 Qo - 隨物料離開系統(tǒng)的總熱 Qs- 向系統(tǒng)周圍散的熱量,1).畫出流程示意圖并根據(jù)計(jì)算要求確定衡算體系； (2).選定物料衡算和能量衡算基準(zhǔn)； (3).根據(jù)具體計(jì)算要求收集有關(guān)數(shù)據(jù)； (4).列出物料平衡方程和能量平衡方程并計(jì)算求解； (5).校核檢驗(yàn),2.能量衡算的方法與步驟,例1：甲烷在裝有催化劑的管式轉(zhuǎn)化器中進(jìn)行的蒸氣轉(zhuǎn)化，反應(yīng)方程式為： CH4+H2O=CO+3H2 CH4+CO2=2CO+2H2 CO+H2O=CO2+H2 （ *） 在進(jìn)入轉(zhuǎn)化器時(shí)，水蒸氣和甲烷的摩爾比為2.5，甲烷的轉(zhuǎn)化率為75，蒸氣的轉(zhuǎn)化溫度為500，離開轉(zhuǎn)換器的混合氣體中CO與CO2之比以（*