化学工艺学电子教案第二章

化学工艺学电子教案——第二章化工生产过程及流程2化工生产过程及流程2.1化工生产过程及工艺流程2.2化工过程的主要技术指标2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响2.4催化剂的性能及使用2.5反应过程的物料衡算和热量衡算2.1化工生产过程及工艺流程2.1.1化工生产过程化工生产过程一般可概括为原料预处理、化学反应和产品分离及精制三大步骤。（1）原料预处理主要目的是使初始原料达到反应所需要的状态和规格。（2）化学反应通过该步骤完成由原料到产物的转变，是化工生产过程的核心。（3）产品的分离利精制目的是获取符合规格的产品；并回收、利用副产物。2.1.2化工生产工艺流程原料需要经过包括物质和能量转换的一系列加工，方能转变成所需产品实施这些转换需要有相应的功能单元来完成，按物料加工顺序将这些功能单元有机地组合起来，则构筑成工艺流程。将原料转变成化工产品的工艺流程称为化工生产工艺流程。2.2化工过程的主要技术指标2.2.1生产能力和生产强度（1）生产能力系指一个设备，一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其单位为kg/h，t／d或kt／a，万t/a等。（2）生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力。即设备的单位体积的主产能力，或单位面积的生产能力。其单位为kg/h•m3，kg/h•m2等。2.2.2转化率、选择性和收率（产率）化工总过程的核心是化学反应，提高反应的转化率、选择性和产率是提高化工过程效率的关键。⑴转化率（conversion）反应物A和B的转化率分别是：有反应如下：⑵选择性（selectivity）选择性系指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比，用符号S表示。⑶收率（产率，yield）收率亦称为产率，是从产物角度来描述反应过程的效率。符号为Y，其定义式为收率=转化率×选择性⑷质量收率（massyield）质量收率的定义系指投人单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量，即例1乙烷脱氢生产乙烯时，原料乙烷处理量为８000kg/h，产物中乙烷为４000kg/h，获得产物乙烯为３２00kg/h，求乙烷转化率、乙烯的选择性及收率。解：乙烷转化率=（8000-4000）/8000*100%=50%乙烯的选择性=（3200*30/28）/4000*100%=85.7%乙烯的收率=50%*85.7%*100%=42.9%例2丙烷脱氢生产丙烯时，原料丙烷处理量为3000kg/h，丙烷单程转化率为70%，丙烯选择性为96%，求丙烯产量。解：丙烯产量=3000*70%*96%*42/44=1924.4(kg/h)2.2.3平衡转化率和平衡产率的计算可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率，此时所得产物的产率为平衡产率。在实际生产中应保持高的净反应速率，不能等待反应达平衡，故实际转化率和产率比平衡值低。若平衡产率高，则可获得较高的实际产率。工艺学的任务之一是通过热力学分析，寻找提高平衡产率的有利条件，并计算出平衡产率。对于反应:气相反应体系，其标准平衡常数表达式为:在高压下，气相反应平衡常数应该用逸度商来表达，即各组分的逸度与其分压的关系为由此可推导出若为理想溶液反应体系，其平衡常数Kc的表达式为:例3设某气相反应为A＋2B→R，反应前组分A有amol，组分B有bmol，无组分R，反应达平衡时组分A的平衡转化率为XA，则A的转化量为aXAmol。解:各组分的平衡摩尔分数y和平衡分压p分别为所以有对于本例，每转化lmol反应物A生成1mol产物R，则产物R相对于原料A的平衡产率为:然而，每转化2mol反应物B生咸1mol产物R，则产物R相对于原料B的平衡产率为:2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应温度、压力、浓度、反应时间、原料的纯度和配比等众多条件是影响反应平衡和速率的重要因素，关系到生产过程的效率。在本书其他各章中均有具体过程的影响因素分析，此处仅简述以下几个重要因素的影响规律。2.3.1温度的影响⑴温度对化学平衡的影响对于不可逆反应不需考虑化学平衡，而对于可逆反应，其平衡常数与温度的关系为:对于吸热反应，ΔHӨ＞0，K值随着温度升高而增大，有利于反应，产物的平衡产率增加；对于放热反应，ΔHӨ＜O，K值随着温度生高而减小，平衡产率降低。故只有降低温度才能使平衡产率增高。⑵温度对反应速率的影响反应速率系指单位时间、单位体积某反应物组分的消耗量，或某产物的生成量。反应速率方程通常可用浓度的幂函数形式表示，例如对于反应:2.3.2浓度的影响根据反应平衡移动原理，反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动。当有多种反应物参加反应对，往往使价廉易得的反应物过量，从而可以使价贵或难得的反应物更多地转化为产物，提高其利用率。反应物浓度愈高，反应速率愈快。一般在反应初期，反应物浓度高，反应速率大，随着反应的进行，反应物逐浙消耗，反应速率逐渐下降。对于可逆反应，反应物浓度与其平衡浓度之差是反应的推动力此推动力愈大则反应速率愈高。所以，在反应过程中不断从反应区域取出生成物，使反应远离平衡，既保持了高速率，又使平衡不断向产物方向移动，这对于受平衡限制的反应，是握高产率的有效方法之一。近年来，反应-精馏、反应-膜分离、反应-吸附（或吸收）等新技术、新过程应运而生，这些过程使反应与分离一体化，产物一旦生成，立刻被移出反应区，因而反应始终是远离平衡的。2.3.3压力的影响一般来说，压力对液相和固相反应的平衡影响较小。气体的体积受压力影响大，故压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大，其规律为：①对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率；②对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大；③对分子数没育变化的反应，压力对平衡产率无影响。2.3.4停留时间的影响停留时间是指物料从进入设备到离开设备所需要的时间，若有催化剂存在指物料与催化剂的接触时间单位用秒（S）表示。一般停留时间越长，原料转化率越高，产物的选择性越低，设备的生产能力越小，空速越小；反之亦然。2.3.5空速的影响空速为停留时间的倒数，一般空速越大，停留时间越短，原料转化率越低，产物的选择性越高，设备的生产能力越大；反之亦然。2.3.6原料配比的影响2.3.7原料纯度的影响2.3.8催化剂的影响2.4催化剂的性能及使用据统汁，当今90％的化学工业中均包含有催化（catalysis）过程，催化剂（catalyst）在化工主产中占有相当重要的地位，其作用主要体现在以下几方面:（1）提高反应速率和选择性;（2）改进操作条件;（3）催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术;（4）催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。2.4.1催化剂的基本特征催化剂有以下三个基本特征:（1）催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化;（2）催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速用），但不能改变平衡;（3）催化剂具有明显的选择性2.4.2催化剂的分类⑴按催化反应体系的物相均一性分：有均相催化剂和非均相催化剂；⑵按反应类别分：有加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化等众多催化剂；⑶按反应机理分：有氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；⑷按使用条件下的物态分：有金属催化剂。氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂等。2.4.3工业催化剂使用中的有关问题⑴工业催化剂的使用性能指标①活性系指在给定的温度、压力和反应物流量（或空间速度）下，催化剂使原料转化的能力。活性越高则原料的转化率愈高。②选择性系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。选择性愈高，生产单位量目的产物的原料消耗定额愈低，也愈有利于产物的后处理，故工业催化剂的选择性应较高。③寿命系指其使用期限的长短，寿命的表征是生产单位量产品所消耗的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短，有的催化剂使用寿命可达数年有的则只能使用数月。催化剂的寿命影响因素：化学稳定性、热稳定性、机械稳定性、耐毒性。④其他如廉价、易得、无毒、易分离等。⑵催化剂的活化许多固体催化剂在出售时的状态一般是较稳定的，但这种稳定状态不具有催化性能，催化剂使用厂必须在反应前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态。不同类型的催化剂要用不同的活化方法，有还原，氧化、硫化、酸化、热处理等等，每种活化方法均有各自的活化条件和操作要求，应该严格按照操作规程进行活化，才能保证催化剂发挥良好的作用。如果活化操作失误，轻则使催化剂性能下降，重则使催化剂报废，经济损失巨大。⑶催化剂的失活和再生引起催化剂失活的原因较多，对于络合催化剂而言，主要是超温，大多数配合物在250℃以上就分解而失括；对于生物催化剂而言，过热、化学物质和杂菌的污染、PH值失调等均是矢活的原因；对于固体催化剂而言，其失活原因主要有：①超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；②原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒；③有污垢覆盖催化剂表面。⑷催化剂的运输、贮存和装卸催化剂一般价格较贵，要注意保护。在运输和贮藏中应防上其受污染和破坏；固体催化剂在装填于反应器中时，要防止污染和破裂。装填要均匀，避免出现“架桥”规象，以防止反应工况恶化。许多催化剂使用后在停工卸出之前，需要进行钝化处理，尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后，才能暴露于空气，否刚遇空气剧烈氧化自燃，烧坏催化剂和设备。2.5反应过程的物料衡算和热量衡算物料衡算和热量衡算是化学工艺的基础之一，通过物料、热量衡算，计算生产过程的原料消耗指标、热负荷和产品产率等，为设计和选择反应器和其他设备的尺寸、类型及台数提供定量依据；可以核查生产过程中各物料量及有关数据是否正常，有否泄漏，热量回收、利用水平和热损失的大小，从而查出生产上的薄弱环节和限制部位，为改善操作和进行系统的最优化提供依据。2.5.1反应过程的物料衡算⑴物料衡算基本方程式⑵间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算是以每批生产时间为基准，输人物料量为每批投入的所有物料质量的总和，输出物料量为该批卸出的所有物料质量的总和，投入料总量与卸出料总量之差为残存在反应器内的物料量及其他机械损失。⑶稳定流动过程的物料衡算稳定流动过程的物料衡算式为:⑷物料衡算步骤①绘出流程的方框图，以便选定衡算系统。②写出化学反应方程式并配平之。③选定衡算基准。④收集或计算必要的各种数据⑤设未知数，列方程式组，联立求解。⑥计算和核对。⑦报告计算结果。2.5.2反应过程的热量衡算⑴封闭系统反应过程的热量衡算⑵稳态流动反应过程的热量衡算⑶化学反应过程中涉及的焓变式中涉及到的焓变有三类①相变过程的焓变②反应的焓变③显焓变