化學(xué)工藝學(xué)電子教案--第二章

1、化學(xué)工藝學(xué)電子教案第二章,化工生產(chǎn)過(guò)程及流程,2 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程,2.1 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程 2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo) 2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響 2.4 催化劑的性能及使用 2.5 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算,2.1 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程,2.1.1 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。 （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。 （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。,2.1 化工

2、生產(chǎn)過(guò)程及流程,2.1.2 化工生產(chǎn)工藝流程 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。,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),2.2.1 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，或在單位時(shí) 間內(nèi)處理的原料量。其單位為kg/h，td或kt a，萬(wàn)t/a等。 （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k

3、g/hm3，kg/hm2 等 。,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),2.2.2 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。 轉(zhuǎn)化率（conversion）,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化率分別是：,有反應(yīng)如下：,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),選擇性（selectivity） 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。,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),收率亦稱為產(chǎn)率，是從產(chǎn)物角度來(lái)描述反應(yīng)過(guò) 收率（產(chǎn)率，yield） 程的效率。符號(hào)為Y ，其定義

4、式為,收率=轉(zhuǎn)化率選擇性,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),質(zhì)量收率（mass 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,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),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

5、， 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=1924.4(kg/h),2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),2.2.3 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。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。,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),對(duì)于反應(yīng):,氣相反應(yīng)體系，其標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)表達(dá)式為:,2.2 化工過(guò)程

6、的主要效率指標(biāo),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,各組分的逸度與其分壓的關(guān)系為,由此可推導(dǎo)出,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),若為理想溶液反應(yīng)體系，其平衡常數(shù)Kc的表達(dá) 式為:,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。,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),解:各組分的平衡摩爾分?jǐn)?shù)y和平衡分壓p分別為,所以有,2.2 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),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

7、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:,2.3 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(shū)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。,2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,2.3.1 溫度的影響 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

8、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。,2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響, 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):,2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,2.3.2 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)物更多地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，提高 其利用率。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

9、，反應(yīng)物逐浙消耗，反 應(yīng)速率逐漸下降。 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。,2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,2.3.3 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

10、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。,2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,2.3.4 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(kāi)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。,2.3 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,2.3.5 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

11、 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。 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(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)在以下幾方面: （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(kāi)發(fā)新的反應(yīng)過(guò)程，發(fā)展新的化工技術(shù); （4）催化劑在能源開(kāi)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(gè)基本特征: （1）催化

12、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; （2）催化劑只能縮短達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)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(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。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。,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(guān)問(wèn)題 工業(yè)催化劑的使用性能指標(biāo) 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。活性越高則原料的 轉(zhuǎn)化率愈高。 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。,2.4 催化劑的性能及使用,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。 催化劑的壽命影響因素：化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、 機(jī)械 穩(wěn)定

14、性、耐毒性。 其他 如廉價(jià)、易得、無(wú)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(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。,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(duì)于絡(luò)合催化劑而言，主 要

15、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(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

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(shè)備。,2.5 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算,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)。,2.5 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算,2.5.1 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 物料衡算基本方程式 間歇操作過(guò)程的物料衡算 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，輸出物料量為 該批卸出的所有物料質(zhì)量的總和，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。,2.5 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算,穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的物