化工生產(chǎn)過(guò)程及流程

1、第二章 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程第一節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程 2第二節(jié) 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo) 3第三節(jié) 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響 2第四節(jié) 催化劑的性能及使用 1第五節(jié) 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算（在化工設(shè)計(jì)中講）主要內(nèi)容：了解和掌握生產(chǎn)過(guò)程的內(nèi)容及生產(chǎn)工藝流程，掌握化工過(guò)程的主要效率指標(biāo)及其計(jì)算，了解和掌握各種反應(yīng)條件及其對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響，了解和掌握催化劑、催化劑性能及使用。授課方式：重點(diǎn)采用課堂講授，利用啟發(fā)式、提問(wèn)式與講解式相結(jié)合的方法，并將理論與實(shí)際化工廠相結(jié)合進(jìn)行講解，同時(shí)選部分內(nèi)容讓學(xué)生自學(xué)。重點(diǎn)和難點(diǎn)：生產(chǎn)工藝流程、化工過(guò)程的主要效率指標(biāo)及其計(jì)算，反應(yīng)條件及其對(duì)化

2、學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響，催化劑性能等。 第一節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程 一、化工生產(chǎn)過(guò)程化工生產(chǎn)過(guò)程一般可概括為原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)品分離及精制三大步驟。（1）原料預(yù)處理 主要目的是使初始原料達(dá)到反應(yīng)所需要的狀態(tài)和規(guī)格。例如固體需破碎、過(guò)篩；液體需加熱或氣化；有些反應(yīng)物要預(yù)先脫除雜質(zhì)，或配制成一定的濃度。在多數(shù)主產(chǎn)過(guò)程中，原料預(yù)處理本身就很復(fù)雜，要用到許多物理的和化學(xué)的方法和技術(shù)，有些原料預(yù)處理成本占總生產(chǎn)成本的大部分。（2）化學(xué)反應(yīng) 通過(guò)該步驟完成由原料到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變，是化工生產(chǎn)過(guò)程的核心。反應(yīng)溫度、壓力、濃度、催化劑（多數(shù)反應(yīng)需要）或其他物料的性質(zhì)以及反應(yīng)設(shè)備的技術(shù)水平等各種因素對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量

3、和質(zhì)量有重要影響，是化學(xué)工藝學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。化學(xué)反應(yīng)類型繁多，若按反應(yīng)特性分，有氧化、還原、加氫、脫氧、歧化、異構(gòu)化、烷基化、脫基化、分解、水解、水合、偶合、聚合、縮合、酯化、磺化、硝化、鹵化、重氮化等眾多反應(yīng)；若按反應(yīng)體系中物料的相態(tài)分，有均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)（多相反應(yīng)）；若根據(jù)是否使用催化劑來(lái)分，有催化反應(yīng)和非催化反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備稱為反應(yīng)器。工業(yè)反應(yīng)器的類型眾多，不同反應(yīng)過(guò)程，所用的反應(yīng)器形式不同。反應(yīng)器若按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分；有管式反應(yīng)器（裝填催化劑，也可是空管）、床式反應(yīng)器（裝填催化劑，有固定床、移動(dòng)床、流化床及沸騰床等）、釜式反應(yīng)器和塔式反應(yīng)器等；若按操作方式分，有間歇式、連續(xù)

4、式和半連續(xù)式三種；若按換熱狀況分，有等溫反應(yīng)器、絕熱反應(yīng)器和變溫反應(yīng)器，換熱方式有間接換熱式和直接換熱式。（3）產(chǎn)品的分離利精制 目的是獲取符合規(guī)格的產(chǎn)品；并回收、利用副產(chǎn)物。在多數(shù)反應(yīng)過(guò)程中，由于諸多原因，致使反應(yīng)后產(chǎn)物是包括目的產(chǎn)物在內(nèi)的許多物質(zhì)的混合物，有時(shí)目的產(chǎn)物的濃度甚至很低，必須對(duì)反應(yīng)后的混合物進(jìn)行分離、提濃和精制才能得到符合規(guī)格的產(chǎn)品。同時(shí)要回收剩余反應(yīng)物，以提高原料利用率。分離和精制的方法和技術(shù)是多種多樣的，通常有冷凝、吸收、吸附、冷凍、閃蒸、精餾、萃取、滲透膜分離、結(jié)晶、過(guò)濾和干燥等，不同生產(chǎn)過(guò)程可以有針對(duì)性地采用相應(yīng)的分離和精制方法。分離出來(lái)的副產(chǎn)物和“三廢也應(yīng)加以利用或處

5、理。二、化工生產(chǎn)工藝流程1工藝流程和流程圖原料需要經(jīng)過(guò)包括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換的一系列加工，方能轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)品實(shí)施這些轉(zhuǎn)換需要有相應(yīng)的功能單元來(lái)完成，按物料加工順序?qū)⑦@些功能單元有機(jī)地組合起來(lái)，則構(gòu)筑成工藝流程。將原料轉(zhuǎn)變成化工產(chǎn)品的工藝流程稱為化工生產(chǎn)工藝流程（或?qū)⒁粋€(gè)過(guò)程的主要設(shè)備、機(jī)泵、控制儀表、工藝管線等按其內(nèi)在聯(lián)系結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)從原料到產(chǎn)品的過(guò)程所構(gòu)成的圖）?；どa(chǎn)中的工藝流程是豐姿多彩的，不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程固然不同，同一產(chǎn)品用不同原料來(lái)生產(chǎn)，工藝流程也大不相同；有時(shí)即使原料相同，產(chǎn)品也相同，若采用的工藝路線或加工方法不同，在流程上也有區(qū)別。工藝流程多采用圖示方法來(lái)表達(dá)稱為工藝流程圖

6、（flowsheet或process flowsheet）。在化學(xué)工藝學(xué)教科書中主要采用工藝流程示意圖，它簡(jiǎn)明地反映出由原料到產(chǎn)品過(guò)程中各物料的流向和經(jīng)歷的加工步驟，從中可了解每個(gè)操作單元或設(shè)備的功能以及相互間的關(guān)系、能量的傳遞和利用情況、副產(chǎn)物和三廢的排放及其處理方法等重要工藝和工程知識(shí)。2 化工生產(chǎn)工藝流程的組織工藝流程的組織或合成是化工付程的開發(fā)和設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。組織工藝流程需要有化學(xué)、物理的理論基礎(chǔ)以及工程知識(shí)，要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，要運(yùn)用推論分析、功能分析、形態(tài)分析等方法論來(lái)進(jìn)行流程的設(shè)計(jì)。推論分析法 是從“目標(biāo)出發(fā)，尋找實(shí)現(xiàn)此“目標(biāo)的“前提”，將具有不同功能的單元

7、進(jìn)行邏輯組合，形成一個(gè)具有整體功能的系統(tǒng)。功能分析法 是縝密地研究每個(gè)單無(wú)的基本功能和基本屬性，然后組成幾個(gè)可以比較的方案以供選擇。因?yàn)槊總€(gè)功能單元的實(shí)施方法和設(shè)備型式通常有許多種可供選擇，因而可組織出其有相同整體功能的多種流程方案。形態(tài)分析法 是對(duì)每種可供選擇的方案進(jìn)行精確的分析和評(píng)價(jià)，擇優(yōu)汰劣，選擇其中最優(yōu)方案。評(píng)價(jià)需要有判據(jù)，而判據(jù)是針對(duì)具體問(wèn)題來(lái)擬定的，原則上應(yīng)包括：是否滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)；技術(shù)資料的完整性和可信度；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)性；環(huán)境、安全和法律等。第二節(jié) 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo) 一、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度（1）生產(chǎn)能力系指一個(gè)設(shè)備，一套裝置或一個(gè)工廠在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單

8、位時(shí)間內(nèi)處理的原料量。其單位為kg/h，td或kta，萬(wàn)t/a等?；み^(guò)程有化學(xué)反應(yīng)以及熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞等過(guò)程，在許多設(shè)備中可能同時(shí)進(jìn)行上述幾種過(guò)程，需要分析各種過(guò)程各自的影響因素，然后進(jìn)行綜合和優(yōu)化，找出最佳操作條件，使總過(guò)程速率加快，才能有效地提高設(shè)備生產(chǎn)能力。設(shè)備或裝置在最佳條件丁可以達(dá)到的最大生產(chǎn)能力，稱為設(shè)計(jì)能力。由于技術(shù)水平不同，同類設(shè)備或裝置的設(shè)計(jì)能力可能不同，使用設(shè)計(jì)能力大的設(shè)備或裝置能夠降低投資和成本，提高生產(chǎn)率。（2）生產(chǎn)程度為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。即設(shè)備的單位體積的主產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。其單位為kg/hm3），kg/hm2等 。生產(chǎn)強(qiáng)度指標(biāo)主要用于

9、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。在分析對(duì)比催化反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度時(shí)，通常要看在單位時(shí)間內(nèi)，單位體積催化劑或單位質(zhì)量催化劑所獲得的產(chǎn)品量，亦即催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度，有時(shí)也稱為時(shí)空收率。單位為kg/hm3，kg/hkg。二、轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率（產(chǎn)率）化工總過(guò)程的核心是化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和產(chǎn)率是提高化工過(guò)程效率的關(guān)鍵。1 轉(zhuǎn)化率（conversion） 轉(zhuǎn)化率是指某一反應(yīng)物參加反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的分率或百分率，用符號(hào)X表示。其定義式為轉(zhuǎn)化率表征原料的轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進(jìn)度。對(duì)于同一反應(yīng)，若反應(yīng)物不僅只有一個(gè)，那

10、么，不同反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率在數(shù)值上可能不同。對(duì)干反應(yīng)反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化率分別是式中XA、XB分別為組分A和B的轉(zhuǎn)化率；人們常常對(duì)關(guān)鍵反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率感興趣，所謂關(guān)鍵反應(yīng)物指的是反應(yīng)物中價(jià)值最高的組分，為使其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他反應(yīng)組分過(guò)量。對(duì)于不可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為100；對(duì)于可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為其平衡轉(zhuǎn)化率。計(jì)算轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)物起始量的確定很重要。對(duì)于間歇過(guò)程，以反應(yīng)開始時(shí)裝人反應(yīng)器的某反應(yīng)物料量為起始量；對(duì)于連續(xù)過(guò)程，一般以反應(yīng)器進(jìn)口物料中某反應(yīng)物的量為起始量。但對(duì)于采用循環(huán)流程（見圖2-9）的過(guò)程來(lái)說(shuō)，則有單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率之分。單程轉(zhuǎn)化率系指原料每次通過(guò)反應(yīng)器的

11、轉(zhuǎn)化率，例如原料中組分A的單程轉(zhuǎn)化率為式中，反應(yīng)器進(jìn)口物料中組分A的量=新鮮原料中組分A的量+循環(huán)物料中組分A的量。全程轉(zhuǎn)化率又稱總轉(zhuǎn)化率，系指新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開該系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。例如，原料中組分A的全程轉(zhuǎn)化率為2選擇性（selectivity）對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)體系，同時(shí)存在有生成目的產(chǎn)物的主反應(yīng)和生成副產(chǎn)物的許多副反應(yīng)，只用轉(zhuǎn)化率來(lái)衡量是不夠的。因?yàn)?，盡管有的反應(yīng)體系原料轉(zhuǎn)化率很高，但大多數(shù)轉(zhuǎn)變成副產(chǎn)物，目的產(chǎn)物很少，意味著許多原料浪費(fèi)了。所以需要用選擇性這個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)反應(yīng)過(guò)釋的效率。選擇性系指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比，用符號(hào)S表示，其定

12、義式如下選擇性也可按下式計(jì)算上式中的分母是接主反應(yīng)式的化學(xué)什量關(guān)系來(lái)計(jì)算的，并假設(shè)轉(zhuǎn)化了的所有反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物。在復(fù)雜反應(yīng)體系中，選擇性是個(gè)很重要的指標(biāo)，它表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的相對(duì)大小，能確切反映原料的利用是否合理。3收率（產(chǎn)率，yield）收率亦稱為產(chǎn)率，是從產(chǎn)物角度來(lái)描述反應(yīng)過(guò)程的效率。符號(hào)為Y ，其定義式為 收率=轉(zhuǎn)化率×選擇性有循環(huán)物料時(shí)，也有單程收率和總收率之分。與轉(zhuǎn)化率相似，對(duì)于單程收率而言，式（2-18）中的分母系指反應(yīng)器進(jìn)口處混合物中的該原料量，即新鮮原料與循環(huán)物料中該原料量之和。而對(duì)于總收率，式（2-18）中分母系指新鮮原料中該原料量。4質(zhì)量收率（ma

13、ss yield）質(zhì)量收率的定義系指投人單位質(zhì)量的某原料所能生產(chǎn)的目的產(chǎn)物的質(zhì)量，即例1 乙烷脫氫生產(chǎn)乙烯時(shí)，原料乙烷處理量為000kg/h，產(chǎn)物中乙烷為000kg/h，獲得產(chǎn)物乙烯為00kg/h，求乙烷轉(zhuǎn)化率、乙烯的選擇性及收率。解：乙烷轉(zhuǎn)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(chǎn)丙烯時(shí)，原料丙烷處理量為3000kg/h，丙烷單程轉(zhuǎn)化率為70%，丙烯選擇性為96%，求丙烯產(chǎn)量。解：丙烯產(chǎn)量=3000*70%*96%*42/44=1924

14、.4(kg/h)三、平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率的計(jì)算可逆反應(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。平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率是可逆反應(yīng)所能達(dá)到的極限值（最大值），但是，反應(yīng)達(dá)平衡往往需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。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。在進(jìn)行這些分析和計(jì)算時(shí)，必須用到化學(xué)平衡常數(shù)，它的定義及其應(yīng)用在許多化學(xué)、化工書刊中有論述，此處僅寫出其定

15、義式如下。對(duì)于反應(yīng)若為氣相反應(yīng)體系，其標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)表達(dá)式為式中 pA、 pB、 pR、 pS分別為反應(yīng)物組分A、 B和產(chǎn)物R、 S的平衡 分壓（其單位與P相同）（純固體或液體取1）;A、B、R、S分別為組分A、B、R、S在反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì) 量系數(shù)；P為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力。值得注意的是，現(xiàn)在國(guó)際上規(guī)定標(biāo)難態(tài)壓力P為 100 kPa，過(guò)去曾定為 101.325 kPa，因此它們對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)值是略有區(qū)別的。另外，在較早出版的書刊文獻(xiàn)中，壓力單位多用“atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）”，所以組分的平衡分壓?jiǎn)挝灰灿胊tm，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力P=latm，故平衡常數(shù)的表達(dá)式則變成因此，在查找文獻(xiàn)和手冊(cè)中的平衡常數(shù)時(shí)，一定要注意

16、Kp的表達(dá)式是何種形式 。理想氣體的Kp只是溫度的函數(shù)，與反應(yīng)平衡體系的總壓和組成無(wú)關(guān)；在低壓下、或壓力不太高（3 MFa以下）和溫度較高（200以L）的條件下，真實(shí)氣體的性質(zhì)接近理想氣體，此時(shí)可用理想氣體的平衡常數(shù)及有關(guān)平衡數(shù)據(jù)，即可忽略壓力與組成的影響。在高壓下，氣相反應(yīng)平衡常數(shù)應(yīng)該用逸度商來(lái)表達(dá)，即式中A、B、R、S分別為反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)組分A 、B、R、S的逸度。各組分的逸度與其分壓的關(guān)系為式中Pi組分i的分壓（其單位與P相同）； i組分i的逸度系數(shù)，與溫度、壓力和組成有關(guān)。由此可推導(dǎo)出K只與溫反有關(guān)，而與壓力無(wú)關(guān)，但KP和K與溫度和壓力均有關(guān)。只有當(dāng)真實(shí)氣體性質(zhì)接近埋想氣體時(shí)，其逸度系數(shù)

17、接近于1，此時(shí)K=KP，與壓力無(wú)關(guān)。若式（2-22）為理想溶液反應(yīng)體系，其平衡常數(shù)Kc的表達(dá)式為式中CA 、CB、CR、Cs分別為組分A、B、R、S的平衡濃度，mol/dm3（純?nèi)軇┤?）； C為標(biāo)準(zhǔn)濃度，統(tǒng)一規(guī)定為 1 mol/dm3。真實(shí)溶液反應(yīng)體系的平衡常數(shù)式形式與（2-29）相似，但式中各組分濃度應(yīng)該用活度來(lái)代替。只有當(dāng)溶液濃度很稀時(shí)，才能用式（2-29）來(lái)計(jì)算平衡常數(shù)。 平衡常數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，現(xiàn)在許多化學(xué)、化工手冊(cè)、文獻(xiàn)資料及計(jì)算機(jī)有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中收集有相當(dāng)多反應(yīng)體系的平衡常數(shù)，或具與溫度的關(guān)系圖表，有的也給出了相應(yīng)的汁算公式。而且也有許多物質(zhì)的逸度系數(shù)或它們的曲線、表格等。但查找時(shí)一

18、定要注意適用的溫度、壓力范圍及平衡常數(shù)的表達(dá)形式。下面舉兩個(gè)汁算平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率的例子。例3 設(shè)某氣相反應(yīng)為 A 2B R，反應(yīng)前組分 A有amol，組分B有bmol，無(wú)組分R，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)組分A的平衡轉(zhuǎn)化率為XA，則A的轉(zhuǎn)化 量為aXAmol。那么平衡體系中組分A的量為（a-aXA）mol、組分B的量為（b-2aXA） mol和組分R的量為aXAmol，體系總量為（ab2aXA）mol；總壓P。則各組分的平衡摩爾分?jǐn)?shù)y和平衡分壓p分別為所以有根據(jù)反應(yīng)溫度和總壓可從有關(guān)手冊(cè)或文獻(xiàn)中查得對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)Kp，上式中a和b是已知的反應(yīng)物起始量，由此可計(jì)算出XA，繼而可算出平衡組成。應(yīng)注意，上式中

19、總壓P與標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力P的單位應(yīng)相同。對(duì)于本例，每轉(zhuǎn)化 lmol反應(yīng)物 A生成1mol產(chǎn)物R，則產(chǎn)物R相對(duì)于原料A的平衡產(chǎn)率為然而，每轉(zhuǎn)化 2 mol反應(yīng)物 B生咸 1mol產(chǎn)物 R，則產(chǎn)物 R相對(duì)于原料B的平衡產(chǎn)率為第三節(jié) 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響 反應(yīng)溫度、壓力、濃度、反應(yīng)時(shí)間、原料的純度和配比等眾多條件是影響反應(yīng)平衡和速率的重要因素，關(guān)系到生產(chǎn)過(guò)程的效率。在本書其他各章中均有具體過(guò)程的影響因素分析，此處僅簡(jiǎn)述以下幾個(gè)重要因素的影響規(guī)律。一、溫度的影晌1 溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響 對(duì)于不可逆反應(yīng)不需考慮化學(xué)平衡，而對(duì)于可逆反應(yīng)，其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為對(duì)于吸熱反應(yīng)，H0，K值隨著溫度升高

20、而增大，有利于反應(yīng)，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增加；對(duì)于放熱反應(yīng)，HO，K值隨著溫度生高而減小，平衡產(chǎn)率降低。故只有降低溫度才能使平衡產(chǎn)率增高。2 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響 反應(yīng)速率系指單位時(shí)間、單位體積某反應(yīng)物組分的消耗量，或某產(chǎn)物的生成量。反應(yīng)速率方程通?？捎脻舛鹊膬绾瘮?shù)形式表示，例如對(duì)于反應(yīng)由上式可知，k總是隨溫度的升高而增加的（有極少數(shù)例外者），反應(yīng)溫度每升高10，反應(yīng)速率常數(shù)增大2-4倍在低溫范圍增加的倍數(shù)比高溫范圍大些，活化能大的反應(yīng)其速率隨溫度升高而增長(zhǎng)更快些。對(duì)干不可逆反應(yīng)，逆反應(yīng)速率忽略不計(jì)，故產(chǎn)物生成速率總是隨溫度的升高而加快；對(duì)于可逆反應(yīng)而言，正、逆反應(yīng)速率之差即為產(chǎn)物生成的凈速率。溫度

21、升高時(shí)。正、逆反應(yīng)速率常數(shù)都增大，所以正、逆反應(yīng)速率都提高，凈速率是否增加呢？經(jīng)過(guò)對(duì)速率方程式的分析得知：對(duì)于吸熱的可逆反應(yīng)，凈速率r總是隨著溫度的升高而增高的；而對(duì)于放熱的可逆反應(yīng)，凈速率r隨溫度變化有三種可能性，即當(dāng)溫度較低時(shí)，凈反應(yīng)速率隨溫度的升高而增高；當(dāng)溫度超過(guò)某一值后，凈反應(yīng)速率開始隨著溫度的升高而下降。凈速率有一個(gè)極大值，此極大值對(duì)應(yīng)的溫度稱為最佳反應(yīng)溫度，亦稱最適宜反應(yīng)溫度。凈速率隨溫度的變化如圖2-10曲線所示。二、濃度的影響根據(jù)反應(yīng)平衡移動(dòng)原理，反應(yīng)物濃度越高，越有利于平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng)。當(dāng)有多種反應(yīng)物參加反應(yīng)對(duì)，往往使價(jià)廉易得的反應(yīng)物過(guò)量，從而可以使價(jià)貴或難得的反應(yīng)物更多

22、地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，提高其利用率。從反應(yīng)速率式（2-32）可知，反應(yīng)物濃度愈高，反應(yīng)速率愈快。一般在反應(yīng)初期，反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物逐浙消耗，反應(yīng)速率逐漸下降。提高溶液濃度的方法有：對(duì)于液相反應(yīng)，采用能提高反應(yīng)物溶解度的溶劑，或者在反應(yīng)中蒸發(fā)或冷凍部分溶劑等；對(duì)于氣相反應(yīng)，可適當(dāng)壓縮或降低惰性物的含量等。對(duì)于可逆反應(yīng)，反應(yīng)物濃度與其平衡濃度之差是反應(yīng)的推動(dòng)力，此推動(dòng)力愈大則反應(yīng)速率愈高。所以，在反應(yīng)過(guò)程中不斷從反應(yīng)區(qū)域取出生成物，使反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡，既保持了高速率，又使平衡不斷向產(chǎn)物方向移動(dòng)，這對(duì)于受平衡限制的反應(yīng)，是握高產(chǎn)率的有效方法之一。近年來(lái)，反應(yīng)-精餾、反應(yīng)-膜分離、反

23、應(yīng)-吸附（或吸收）等新技術(shù)、新過(guò)程應(yīng)運(yùn)而生，這些過(guò)程使反應(yīng)與分離一體化，產(chǎn)物一旦生成，立刻被移出反應(yīng)區(qū)，因而反應(yīng)始終是遠(yuǎn)離平衡的。三、壓力的影響一般來(lái)說(shuō)，壓力對(duì)液相和固相反應(yīng)的平衡影響較小。氣體的體積受壓力影響大，故壓力對(duì)有氣相物質(zhì)參加的反應(yīng)平衡影響很大，其規(guī)律為：對(duì)分子數(shù)增加的反應(yīng)，降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率；對(duì)分子數(shù)減少的反應(yīng)，壓力升高，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增大；對(duì)分子數(shù)沒(méi)育變化的反應(yīng)，壓力對(duì)平衡產(chǎn)率無(wú)影響。在一定的壓力范圍內(nèi)，加壓可減小氣體反應(yīng)體積，且對(duì)加快反應(yīng)速率有一定好處，但效果有限，壓力過(guò)高，能耗增大，對(duì)設(shè)備要求高，反而不經(jīng)濟(jì)。惰性氣體的存在，可降低反應(yīng)物的分壓，對(duì)反應(yīng)速率不利，但有利于分

24、子數(shù)增加的反應(yīng)的平衡。四、停留時(shí)間的影響停留時(shí)間是指物料從進(jìn)入設(shè)備到離開設(shè)備所需要的時(shí)間，若有催化劑存在指物料與催化劑的接觸時(shí)間，單位用秒（S）表示。一般停留時(shí)間越長(zhǎng)，原料轉(zhuǎn)化率越高，產(chǎn)物的選擇性越低，設(shè)備的生產(chǎn)能力越小，空速越??；反之亦然。五、空速的影響空速為停留時(shí)間的倒數(shù)，一般空速越大，停留時(shí)間越短，原料轉(zhuǎn)化率越低，產(chǎn)物的選擇性越高，設(shè)備的生產(chǎn)能力越大；反之亦然。六、原料配比的影響七、原料純度的影響八、催化劑的影響 第四節(jié) 催化劑的性能及使用 據(jù)統(tǒng)汁，當(dāng)今90的化學(xué)工業(yè)中均包含有催化（catalysis）過(guò)程，催化劑（catalyst）在化工主產(chǎn)中占有相當(dāng)重要的地位，其作用主要體現(xiàn)在以下幾

25、方面。（1）提高反應(yīng)速率和選擇性。有許多反應(yīng)，雖然在熱力學(xué)上是可能進(jìn)行的，但反應(yīng)速率太慢或選擇性太低，不具有實(shí)用價(jià)值，一旦發(fā)明和使用催化劑，則可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，為人類生產(chǎn)出重要的化工產(chǎn)品。例如，近代化學(xué)工業(yè)的起點(diǎn)合成氨工業(yè)，就是以催化作用為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。近年來(lái)合成氨催化劑性能得到不斷改善，提高了氨產(chǎn)率，有些催化劑可以在不降低產(chǎn)率的前提下，將操作壓力降低，使噸氨能耗大為降低；再如乙烯與氧反應(yīng)，如果不用催化劑乙烯會(huì)完全氧化生成 CO2和 H2O，毫元應(yīng)用意義。當(dāng)采用了銀催化劑后，則促使乙烯選釋性地氧化生成環(huán)氧乙烷，它可用于制造乙二醇、合成纖維等許多實(shí)用產(chǎn)品。（2）改進(jìn)操作條件。采用或改進(jìn)催化劑可以降

26、低反應(yīng)溫度和操作莊力、可以提高化學(xué)加工過(guò)程的效率。例如，乙烯聚合反應(yīng)若以有機(jī)過(guò)氧化物為引發(fā)劑，要在200-300及100300MPa下進(jìn)行，采用烷基鋁-四氧化鈦絡(luò)合物催化劑后，反應(yīng)只需在85-100及2MPa下進(jìn)行，條件十分溫和。（3）催化劑有助于開發(fā)新的反應(yīng)過(guò)程，發(fā)展新的化工技術(shù)。工業(yè)上一個(gè)成功的例子是甲醇羰基化合成醋酸的過(guò)程。工業(yè)醋酸原先是由乙醛氧化法生產(chǎn)，原料價(jià)貴，生產(chǎn)成本高。在20世紀(jì) 60年代，德國(guó) BASF公司借助鈷絡(luò)合物催化劑，開發(fā)出以甲醇和CO羰基化合成醋酸的新反應(yīng)過(guò)程和工藝；美國(guó)孟山都公司于70年代又開發(fā)出鐒絡(luò)合物催化劑，使該反應(yīng)的條件更溫和，醋酸收卒高達(dá)99，成為當(dāng)今生產(chǎn)醋

27、酸的先進(jìn)工藝。（4）催化劑在能源開發(fā)和消除污染中可發(fā)揮重要作用。前已述及催化劑在石油、天然氣和煤的綜合利用中的重要作用，借助催化劑從這些自然資源出發(fā)生產(chǎn)出數(shù)量更多、質(zhì)量更好的二次能源；一些新能源的開發(fā)也需要催化劑，例如光分解水獲取氫能源，其關(guān)鍵是催化劑。在請(qǐng)除污染物的諸方法中，催化法是具有巨大潛力的一種。例如，汽車尾氣的催化凈化；有機(jī)廢氣的催化燃燒；廢水的生物催化凈化和光催化分解等等。一、催化劑的基本特征在一個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)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)在反應(yīng)前后的數(shù)量和化學(xué)性質(zhì)不變，稱這種物質(zhì)為催化劑。催化劑的作用是它能與反應(yīng)物生成不穩(wěn)定中間化合物，改變了反應(yīng)途徑，活化能得以

28、降低。由阿累尼烏斯公式可知，活化能降低可使反應(yīng)速率常數(shù)增大，從而加速了反應(yīng)。有些反應(yīng)所產(chǎn)生的某種產(chǎn)物也會(huì)使反應(yīng)迅速加快，這種現(xiàn)象稱為自催化作用。能明顯降低反應(yīng)速率的物質(zhì)稱為負(fù)催化劑或阻化劑。工業(yè)上用得最多的是加快反應(yīng)速率的催化劑，以下閘述的內(nèi)容僅與此類催化劑有關(guān)。催化劑有以下三個(gè)基本特征。（1）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。因此催化劑在生產(chǎn)過(guò)程中可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用。（2）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。即是悅，當(dāng)反應(yīng)體系的始末狀態(tài)相同時(shí)，無(wú)論有無(wú)催化劑存在，該反應(yīng)的自由能變化、熱效應(yīng)、平衡常數(shù)和平衡轉(zhuǎn)化率均相同。由此

29、特征可知：催化劑不能使熱力學(xué)上不可能進(jìn)行的反應(yīng)發(fā)生；催化劑是以同樣的倍率提高正、逆反應(yīng)速率的，能加速正反應(yīng)速率的催化劑，也必然能加速逆反應(yīng)。（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(yīng)。催化劑的這一特性在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域中起了非常重要的作用，國(guó)為有機(jī)反應(yīng)體系往往同時(shí)存在許多反應(yīng)，選用合適的催化劑，可使反應(yīng)向需要的方向進(jìn)行。二、催化劑的分類按催化反應(yīng)體系的物相均一性分：有均相催化劑和非均相催化劑；按反應(yīng)類別分：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；按反應(yīng)機(jī)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。

30、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。金屬催化劑、氧化物催化劑和硫化物催化劑等是固體催化劑，它們是當(dāng)前使用最多最廣泛的催化劑，在石油煉制、有機(jī)化工、精細(xì)化工、無(wú)機(jī)化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中廣泛采用。 三、工業(yè)催化劑使用中的有關(guān)問(wèn)題在采用催化劑的化工生產(chǎn)中，正確地選擇并使用催化劑是個(gè)非常重要的問(wèn)題，關(guān)系到生產(chǎn)效率和效益。通常對(duì)工業(yè)催化劑的以下幾種性能有一定的要求。1 工業(yè)催化劑的使用性能指標(biāo)（l）活性 系指在給定的溫度、壓力和反應(yīng)物流量（或空間速度）下，催化劑使原料轉(zhuǎn)化的能力?；钚栽礁邉t原料的轉(zhuǎn)化率愈高?；蛘咴谵D(zhuǎn)化率及其他條件相同時(shí)，催化劑活性愈高則需要的反應(yīng)溫

31、度愈低。工業(yè)催化劑應(yīng)有足夠高的活性。一般用原料的轉(zhuǎn)化率來(lái)表示催化劑的活性。（2）選擇性 系指反應(yīng)所消耗的原料中有多少轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物。選擇性愈高，生產(chǎn)單位量目的產(chǎn)物的原料消耗定額愈低，也愈有利于產(chǎn)物的后處理，故工業(yè)催化劑的選擇性應(yīng)較高。當(dāng)催化劑的活性與選擇性難以兩全其美時(shí)，著反應(yīng)原料昂貴或產(chǎn)物分離很困難，宜選用選擇性高的催化劑；若原料價(jià)廉易得或產(chǎn)物易分離，則可選用活性高的催化劑。一般用產(chǎn)物的選擇性來(lái)表示催化劑的選擇性。（3）壽命 系指其使用期限的長(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，有的催化劑使用壽命可達(dá)數(shù)年，有的則只能使用數(shù)月。雖

32、然理論上催化劑在反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量不變，可以反復(fù)使用，但實(shí)際上當(dāng)生產(chǎn)運(yùn)行一定時(shí)間后，催化劑性能會(huì)衰退，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量均達(dá)不到要求的指標(biāo)，此時(shí)，俚化劑的使用壽俞結(jié)束，應(yīng)該更換催化劑。催化劑的壽命受以下幾方面性能影響?；瘜W(xué)穩(wěn)定性。系指催化劑的化學(xué)組成和化合狀態(tài)在使用條件下發(fā)生變化的難易。在一定的溫度、壓力和反應(yīng)組分長(zhǎng)期作用下，有些催化劑的化學(xué)組成可能流失，有的化合狀態(tài)變化，都會(huì)使催化劑的活性和選擇性下降。熱穩(wěn)定性。系指催化劑在反應(yīng)條件下對(duì)熱砍壞的耐受力、在熱的作用下，催化劑中的一些物質(zhì)的晶型可能轉(zhuǎn)變；微晶逐漸燒結(jié)；絡(luò)合物分解；生物菌種和酶死亡等，這些變化導(dǎo)致催化劑性能衰退。機(jī)械穩(wěn)定性。系指

33、固體催化劑在反應(yīng)條件下的強(qiáng)度是否足夠。若反應(yīng)中固體催化劑易破裂或粉化，使反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)狀況惡化，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生堵塞，迫使生產(chǎn)非正常停工，經(jīng)濟(jì)損失重大。耐毒性。系指催化劑對(duì)有毒物質(zhì)的抵抗力或耐受力。多數(shù)催化劑容易受到一些物質(zhì)的毒害，中毒后的催化劑活性和選擇性顯著降低或完全失去，縮短了它的使用壽命。常見的毒物有砷、硫、氯的化合物及鉛等重金屬，不同催化劑的毒物是不同的。在有些反應(yīng)中，特意加人某種物質(zhì)去毒害催化劑中促進(jìn)副反應(yīng)的活性中心，從而提高了選擇性。（4）其他 如廉價(jià)、易得、無(wú)毒、易分離等。2 催化劑的活化許多固體催化劑在出售時(shí)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

34、應(yīng)前對(duì)其進(jìn)行活化，使其轉(zhuǎn)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(yīng)該嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)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(bào)廢，經(jīng)濟(jì)損失巨大。3催化劑的失活和再生引起催化劑失活的原因較多，對(duì)于絡(luò)合催化劑而言，主要是超溫，大多數(shù)配合物在250以上就分解而失括；對(duì)于生物催化劑而言，過(guò)熱、化學(xué)物質(zhì)和雜菌的污染、PH值失調(diào)等均是矢活的原因；對(duì)于固體催化劑而言，其失活原因主要有：超溫過(guò)熱，使催化劑表面發(fā)生燒結(jié)，晶型轉(zhuǎn)變或物相轉(zhuǎn)變；原料氣中混有毒物雜質(zhì)，使催

35、化劑中毒；有污垢覆蓋催化劑表面。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)原料中除主毒物后，催化劑可逐漸恢復(fù)活性。永久性中毒則是不可逆的，不能再生。催化劑積碳可通過(guò)燒碳再生。但無(wú)論是暫時(shí)性中毒后的再生還是積碳后的再生，均會(huì)引起催化劑結(jié)構(gòu)的損傷，致使活性下降。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制操作條件，采用結(jié)構(gòu)合理的反應(yīng)器，使反應(yīng)溫度在催化劑最佳使用溫度范圍內(nèi)合理地分布，防止超溫；反應(yīng)原料中的毒物雜質(zhì)應(yīng)該預(yù)充加以脫除，使毒物含量低于催化劑耐受值以下；在有析碳反應(yīng)的體系中，應(yīng)采用有利于防止析碳的反應(yīng)條件，并選用抗碳性能高的催化劑。4催化劑的運(yùn)輸、貯存和裝卸催化劑一般價(jià)格較貴，要注意保護(hù)。在運(yùn)輸和貯藏

36、中應(yīng)防上其受污染和破壞；固體催化劑在裝填于反應(yīng)器中時(shí)，要防止污染和破裂。裝填要均勻，避免出現(xiàn)“架橋”規(guī)象，以防止反應(yīng)工況惡化。許多催化劑使用后在停工卸出之前，需要進(jìn)行鈍化處理，尤其是金屬催化劑一定要經(jīng)過(guò)低含氧量的氣體鈍化后，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(shè)備。 第五節(jié) 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算（在化工設(shè)計(jì)中講）物料衡算和熱量衡算是化學(xué)工藝的基礎(chǔ)之一，通過(guò)物料、熱量衡算，計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程的原料消耗指標(biāo)、熱負(fù)荷和產(chǎn)品產(chǎn)率等，為設(shè)計(jì)和選擇反應(yīng)器和其他設(shè)備的尺寸、類型及臺(tái)數(shù)提供定量依據(jù)；可以核查生產(chǎn)過(guò)程中各物料量及有關(guān)數(shù)據(jù)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

37、查出生產(chǎn)上的薄弱環(huán)節(jié)和限制部位，為改善操作和進(jìn)行系統(tǒng)的最優(yōu)化提供依據(jù)。在化工原理課程中已學(xué)過(guò)除反應(yīng)過(guò)程以外的化工單元操作過(guò)程的物料、熱量衡算，所以本節(jié)只涉及反應(yīng)過(guò)程的物料、熱量衡算。一、反應(yīng)過(guò)程的物料衡算1 物料衡算基本方程式物料衡算總是圍繞一個(gè)特定范圍來(lái)進(jìn)行的，可稱此范圍為衡算系統(tǒng)。衡算系統(tǒng)可以是一個(gè)總廠，一個(gè)分廠或車間，一套袋置，一個(gè)設(shè)備，甚至一個(gè)節(jié)點(diǎn)等等。物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，按此定律寫出衡算系統(tǒng)的物料衡算通式為2 間歇操作過(guò)程的物料衡算間歇操作屬批量生產(chǎn)，即一次投料到反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完成后一次出料，然后再進(jìn)行第二批生產(chǎn)。其特點(diǎn)是在反應(yīng)過(guò)程中濃度等參數(shù)隨咐間而變化。分批

38、投料和分批出料也屬于間歇操作。間歇操作過(guò)程的物料衡算是以每批生產(chǎn)時(shí)間為基準(zhǔn)，輸人物料量為每批投入的所有物料質(zhì)量的總和（包括反應(yīng)物、溶劑、充人的氣體、催化劑等），輸出物料量為該批卸出的所有物料質(zhì)量的總和（包括目的產(chǎn)物、副產(chǎn)物，剩余反應(yīng)物、抽出的氣體、溶劑、催化劑等），投入料總量與卸出料總量之差為殘存在反應(yīng)器內(nèi)的物料量及其他機(jī)械損失。3 穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的物抖衡算生產(chǎn)中絕大多數(shù)化工過(guò)程力連續(xù)式操作，設(shè)備或裝置可連續(xù)運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，除了開工和停工階段外，在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)是處于穩(wěn)定狀態(tài)的流動(dòng)過(guò)程。物料不斷地流進(jìn)和流出系統(tǒng)。其特點(diǎn)是系統(tǒng)中各點(diǎn)的參數(shù)例如溫度、壓力、濃度和流量等不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)中沒(méi)有積累。當(dāng)

39、然，設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)或截面的參數(shù)可相同，也可不同。穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的物料衡算式為對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，諸如混合、蒸餾、干燥等也可用物質(zhì)的量來(lái)進(jìn)行衡算。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，輸入物料的總的物質(zhì)的量則不一定等于輸出物料的總的物質(zhì)的量。對(duì)其中某個(gè)組分i的衡算式可寫為 因?yàn)樯鲜街芯鶠榻M分i的量，分子量相同，故也可以用物質(zhì)的量來(lái)進(jìn)行組分變i的衡算；惰性物質(zhì)不參加反應(yīng)，若在進(jìn)，出物料中數(shù)量不變，常用來(lái)作聯(lián)系物料進(jìn)行衡算，使汁算簡(jiǎn)化。另外，在一般化學(xué)反應(yīng)中，原子本身不發(fā)生變化，故可用元素的原子的物質(zhì)的量來(lái)做衡算?？梢圆簧婕盎瘜W(xué)反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，故對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)體系的計(jì)算是很方便的。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，有4物料衡算步驟化

40、工生產(chǎn)的許多過(guò)程是比較復(fù)雜的，在對(duì)其做物料衡算時(shí)應(yīng)該按一定步驟來(lái)進(jìn)行，才能給出清晰的計(jì)算過(guò)程和正確的結(jié)果、通常遵循以下步驟。第一步，繪出流程的方框圖，以便選定衡算系統(tǒng)。圖形表達(dá)方式宜簡(jiǎn)單，但代表的內(nèi)容要準(zhǔn)確，進(jìn)、出物料不能有任何遺漏，否則衡算會(huì)造咸錯(cuò)誤。第二步寫出化學(xué)反應(yīng)方程式并配平之。如果反應(yīng)過(guò)于復(fù)雜，或反應(yīng)不太明確寫不出反應(yīng)式，此時(shí)應(yīng)用上述的原子衡算法來(lái)迸行計(jì)算，不必寫反應(yīng)式。第三步，選定衡算基準(zhǔn)。衡算基準(zhǔn)是為進(jìn)行物料衡算所選擇的起始物理量，包括物料名稱、數(shù)量和單位，衡算結(jié)果得到的其他物料量均是相對(duì)于該基準(zhǔn)面言的。衡算基準(zhǔn)的選擇以計(jì)算方便為原則，可以選取與衡算系統(tǒng)相關(guān)的任何一股物料或其中某

41、個(gè)組分的一定量作為基準(zhǔn)。例如，可以選取一定量的原料或產(chǎn)品（1kg ，100kg ，1mol，1m3等）為基難，也可選取卑位時(shí)間（1h 、1min、1s等）為基準(zhǔn)。用單位量原料為基準(zhǔn)，便于計(jì)算產(chǎn)率；用單位時(shí)間為基準(zhǔn)，便于計(jì)算消耗指標(biāo)和設(shè)備生產(chǎn)能力。選擇衡算基準(zhǔn)是個(gè)技巧問(wèn)題，在計(jì)算中要重視訓(xùn)練，基準(zhǔn)選擇恰當(dāng)，可以使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。第四步，收集或計(jì)算必要的各種數(shù)據(jù)，要注意數(shù)據(jù)的適用范圍和條件。第五步，設(shè)未知數(shù)，列方程式組，聯(lián)立求解。有幾個(gè)未知數(shù)則應(yīng)列出幾個(gè)獨(dú)立的方程式，這些方程式除物料衡算式外，有時(shí)尚需其他關(guān)系式，諸如組成關(guān)系約束式、化學(xué)平衡約束式、相平衡約束式、物料量比例等等。第六步，計(jì)算和核對(duì)。第

42、七步，報(bào)告計(jì)算結(jié)果。通常將己知及計(jì)算結(jié)果列成物料收支平衡表，表格可以有不同形式，但要全面反映輸入及輸出的各種物料和包含的組分的絕對(duì)量和相對(duì)含量。5 反應(yīng)過(guò)程物斜衡算舉例 進(jìn)反應(yīng)器的氣體MF由新鮮原料FF和循環(huán)氣RC組成，混合過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)，該三股物流中各組分的物質(zhì)的量和摩爾分?jǐn)?shù)列于下表最后，圍繞總系統(tǒng)做物料衡算，輸入物料是新鮮原料氣（FF），輸出物料是產(chǎn)物（P）和排放氣（W），吸收劑（水）的輸入量與輸出量不變，可不考慮，所以衡算圖可表示為因?yàn)橄到y(tǒng)中有兩個(gè)反應(yīng)，組分也較多，為簡(jiǎn)便起見，擬用元素的原子平衡法來(lái)進(jìn)行物料衡算。即二、反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算1封閉系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算對(duì)于化學(xué)反應(yīng)體系，其宏觀

43、動(dòng)能和位能的變化相對(duì)于反應(yīng)熱效應(yīng)和傳熱量而言是極小的，可以忽略不計(jì)。通常涉及到的能量形式是內(nèi)能、功和熱，它們的關(guān)系遵從下式式中U為內(nèi)能變化；Q為系統(tǒng)與環(huán)境交換的熱量（規(guī)定由環(huán)境向系統(tǒng)傳熱時(shí)，Q取正號(hào)；而由系統(tǒng)向環(huán)境傳熱時(shí)，Q取負(fù)號(hào)）；W為系統(tǒng)與環(huán)境交換的功（規(guī)定由環(huán)境向系統(tǒng)作功時(shí)，W取負(fù)號(hào)；而由系統(tǒng)向環(huán)境作功時(shí)，w取正號(hào)）。2穩(wěn)態(tài)流動(dòng)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算絕大多數(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程都是連續(xù)操作的，有物料的輸入和輸出，屬于開口系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)設(shè)備或一套裝置來(lái)說(shuō)，進(jìn)、出系統(tǒng)的壓力變化不大（即相對(duì)總壓而言，壓降可忽略不什），可認(rèn)為是恒壓過(guò)程。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)反應(yīng)過(guò)程就是一類最常見的恒壓過(guò)程，在該系統(tǒng)內(nèi)無(wú)能量積累，輸入該

44、系統(tǒng)的能量為輸入物料的內(nèi)能Uin和環(huán)境傳人的熱量Qp之和（ 如果熱量由系統(tǒng)傳給環(huán)境，Qp應(yīng)取負(fù)號(hào)，故也可放在輸入端）；輸出該系統(tǒng)的能量為輸出物料的內(nèi)能Uout 和系統(tǒng)對(duì)外作的功之和（如果是環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作功， W符號(hào)應(yīng)取負(fù)號(hào)，故仍可放在輸出端）。其能量衡算式為大多數(shù)反應(yīng)過(guò)程不作非體積功，所以上式可寫成此式也適用于宏觀動(dòng)能變化和位能變化可忽略不計(jì)的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，如熱交換器，蒸餾塔等。對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，始態(tài)的焓Hin為輸入的所有物料的焓之和，終態(tài)的焓Hout為輸出物料的焓之和。圖2-11表示了一個(gè)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算方框圖。如果反應(yīng)器與環(huán)境無(wú)熱交換，Qp等于零，稱之為絕熱反應(yīng)器，輸入物料的總焓

45、等子輸出物料的總焓；Qp不等于零的反應(yīng)器有等溫反應(yīng)器和變溫反應(yīng)器。等溫反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)及出口溫度相同，人口溫度嚴(yán)格地說(shuō)也應(yīng)相同，在生產(chǎn)中可以有一些差別。而變溫反應(yīng)器的人口、出口及器內(nèi)各截面的溫度均不相同。由于內(nèi)能絕對(duì)值難以測(cè)定，因此焓的絕對(duì)值也難測(cè)定。但是，由一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)的焓變是可測(cè)定的。因?yàn)殪逝c狀態(tài)有關(guān)，現(xiàn)在科學(xué)界統(tǒng)一規(guī)定物質(zhì)的基態(tài)為：溫度是298.15 K、壓力是 101.325 kPa（現(xiàn)為100 kPa）以及物質(zhì)處于最穩(wěn)定物相的狀態(tài)。并規(guī)定處于基態(tài)的元素或純單質(zhì)的焓為“零。根據(jù)以上規(guī)定，可知每種物質(zhì)在任意狀態(tài)的焓為上式的等號(hào)右邊第一項(xiàng)是在基態(tài)由元索轉(zhuǎn)變成該物質(zhì)的生成焓變（或標(biāo)準(zhǔn)

46、生成熱），第二項(xiàng)是該物質(zhì)由298K恒壓變溫到溫度T的顯焓變，n為物質(zhì)的量。由此，式（2-50）可寫為在許多物理化學(xué)手冊(cè)、化工工藝手冊(cè)和化工設(shè)計(jì)有關(guān)文獻(xiàn)收集有許多生成熱、熔融熱、蒸發(fā)熱和熱容等數(shù)據(jù)，供查閱和利用。在做熱量衡算時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：首先要確定衡算對(duì)象。即明確系統(tǒng)及其周圍環(huán)境的范圍，從而明確物料和熱量的輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)。選定物料衡算基準(zhǔn)。進(jìn)行熱量衡算之前，一般要進(jìn)行物料衡算求出各物料的量，有時(shí)物、熱衡算方程式要聯(lián)立求解，均應(yīng)有同一物料衡算基準(zhǔn)。確定溫度基準(zhǔn)。各種焓值均與狀態(tài)有關(guān)，多數(shù)反應(yīng)過(guò)程在恒壓下進(jìn)行，溫度對(duì)焓值影響很大，許多文獻(xiàn)資料、手冊(cè)的圖表、公式中給出的各種焓值和其他熱力學(xué)數(shù)據(jù)均有其溫度基準(zhǔn)，一般多以 298 K（或273 K）為基準(zhǔn)溫度。注意物質(zhì)的相態(tài)。同一物質(zhì)在相變前后是有焓變的，計(jì)算時(shí)一定要清楚物質(zhì)所處的相態(tài)。3化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中涉及的焓變化學(xué)反應(yīng)過(guò)程一般在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行，涉及的焓變