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第二章化工生产过程及流程第一节化工生产过程及流程2第二节化工过程的主要效率指标3第三节反应条件对化学平衡和反应速率的影响2第四节催化剂的性能及使用1第五节反应过程的物料衡算和热量衡算（在化工设计中讲）主要内容：了解和掌握生产过程的内容及生产工艺流程，掌握化工过程的主要效率指标及其计算，了解和掌握各种反应条件及其对化学平衡和反应速率的影响，了解和掌握催化剂、催化剂性能及使用。授课方式：重点采用课堂讲授，利用启发式、提问式与讲解式相结合的方法，并将理论与实际化工厂相结合进行讲解，同时选部分内容让学生自学。重点和难点：生产工艺流程、化工过程的主要效率指标及其计算，反应条件及其对化学平衡和反应速率的影响，催化剂性能等。第一节化工生产过程及流程一、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。例如固体需破碎、过筛；液体需加热或气化；有些反应物要预先脱除杂质，或配制成一定的浓度。在多数主产过程中，原料预处理本身就很复杂，要用到许多物理的和化学的方法和技术，有些原料预处理成本占总生产成本的大部分。（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。反应温度、压力、浓度、催化剂（多数反应需要）或其他物料的性质以及反应设备的技术水平等各种因素对产品的数量和质量有重要影响，是化学工艺学研究的重点内容。化学反应类型繁多，若按反应特性分，有氧化、还原、加氢、脱氧、歧化、异构化、烷基化、脱基化、分解、水解、水合、偶合、聚合、缩合、酯化、磺化、硝化、卤化、重氮化等众多反应；若按反应体系中物料的相态分，有均相反应和非均相反应（多相反应）；若根据是否使用催化剂来分，有催化反应和非催化反应。实现化学反应过程的设备称为反应器。工业反应器的类型众多，不同反应过程，所用的反应器形式不同。反应器若按结构特点分；有管式反应器（装填催化剂，也可是空管）、床式反应器（装填催化剂，有固定床、移动床、流化床及沸腾床等）、釜式反应器和塔式反应器等；若按操作方式分，有间歇式、连续式和半连续式三种；若按换热状况分，有等温反应器、绝热反应器和变温反应器，换热方式有间接换热式和直接换热式。（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。在多数反应过程中，由于诸多原因，致使反应后产物是包括目的产物在内的许多物质的混合物，有时目的产物的浓度甚至很低，必须对反应后的混合物进行分离、提浓和精制才能得到符合规格的产品。同时要回收剩余反应物，以提高原料利用率。分离和精制的方法和技术是多种多样的，通常有冷凝、吸收、吸附、冷冻、闪蒸、精馏、萃取、渗透膜分离、结晶、过滤和干燥等，不同生产过程可以有针对性地采用相应的分离和精制方法。分离出来的副产物和“三废’也应加以利用或处理。二、化工生产工艺流程1工艺流程和流程图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（或将一个过程的主要设备、机泵、控制仪表、工艺管线等按其内在联系结合起来，实现从原料到产品的过程所构成的图）。化工生产中的工艺流程是丰姿多彩的，不同产品的生产工艺流程固然不同，同一产品用不同原料来生产，工艺流程也大不相同；有时即使原料相同，产品也相同，若采用的工艺路线或加工方法不同，在流程上也有区别。工艺流程多采用图示方法来表达．称为工艺流程图（flowsheet或processflowsheet）。在化学工艺学教科书中主要采用工艺流程示意图，它简明地反映出由原料到产品过程中各物料的流向和经历的加工步骤，从中可了解每个操作单元或设备的功能以及相互间的关系、能量的传递和利用情况、副产物和三废的排放及其处理方法等重要工艺和工程知识。2化工生产工艺流程的组织工艺流程的组织或合成是化工付程的开发和设计中的重要环节。组织工艺流程需要有化学、物理的理论基础以及工程知识，要结合生产实践，借鉴前人的经验。同时，要运用推论分析、功能分析、形态分析等方法论来进行流程的设计。推论分析法是从“目标’出发，寻找实现此“目标’的“前提”，将具有不同功能的单元进行逻辑组合，形成一个具有整体功能的系统。功能分析法是缜密地研究每个单无的基本功能和基本属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择。因为每个功能单元的实施方法和设备型式通常有许多种可供选择，因而可组织出其有相同整体功能的多种流程方案。形态分析法是对每种可供选择的方案进行精确的分析和评价，择优汰劣，选择其中最优方案。评价需要有判据，而判据是针对具体问题来拟定的，原则上应包括：①是否满足所要求的技术指标；②技术资料的完整性和可信度；③经济指标的先进性；④环境、安全和法律等。第二节化工过程的主要效率指标一、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。化工过程有化学反应以及热量、质量和动量传递等过程，在许多设备中可能同时进行上述几种过程，需要分析各种过程各自的影响因素，然后进行综合和优化，找出最佳操作条件，使总过程速率加快，才能有效地提高设备生产能力。设备或装置在最佳条件丁可以达到的最大生产能力，称为设计能力。由于技术水平不同，同类设备或装置的设计能力可能不同，使用设计能力大的设备或装置能够降低投资和成本，提高生产率。（2）生产程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。生产强度指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。在分析对比催化反应器的生产强度时，通常要看在单位时间内，单位体积催化剂或单位质量催化剂所获得的产品量，亦即催化剂的生产强度，有时也称为时空收率。单位为kg/h•m3，kg/h•kg。二、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。1转化率（conversion）转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的分率或百分率，用符号X表示。其定义式为转化率表征原料的转化程度，反映了反应进度。对于同一反应，若反应物不仅只有一个，那么，不同反应组分的转化率在数值上可能不同。对干反应反应物A和B的转化率分别是式中XA、XB——分别为组分A和B的转化率；人们常常对关键反应物的转化率感兴趣，所谓关键反应物指的是反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。对于不可逆反应，关键组分的转化率最大为100％；对于可逆反应，关键组分的转化率最大为其平衡转化率。计算转化率时，反应物起始量的确定很重要。对于间歇过程，以反应开始时装人反应器的某反应物料量为起始量；对于连续过程，一般以反应器进口物料中某反应物的量为起始量。但对于采用循环流程（见图2-9）的过程来说，则有单程转化率和全程转化率之分。单程转化率系指原料每次通过反应器的转化率，例如原料中组分A的单程转化率为式中，反应器进口物料中组分A的量=新鲜原料中组分A的量+循环物料中组分A的量。全程转化率又称总转化率，系指新鲜原料进入反应系统到离开该系统所达到的转化率。例如，原料中组分A的全程转化率为2选择性（selectivity）对于复杂反应体系，同时存在有生成目的产物的主反应和生成副产物的许多副反应，只用转化率来衡量是不够的。因为，尽管有的反应体系原料转化率很高，但大多数转变成副产物，目的产物很少，意味着许多原料浪费了。所以需要用选择性这个指标来评价反应过释的效率。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，其定义式如下选择性也可按下式计算上式中的分母是接主反应式的化学什量关系来计算的，并假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。在复杂反应体系中，选择性是个很重要的指标，它表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。3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×选择性有循环物料时，也有单程收率和总收率之分。与转化率相似，对于单程收率而言，式（2-18）中的分母系指反应器进口处混合物中的该原料量，即新鲜原料与循环物料中该原料量之和。而对于总收率，式（2-18）中分母系指新鲜原料中该原料量。4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)三、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。平衡转化率和平衡产率是可逆反应所能达到的极限值（最大值），但是，反应达平衡往往需要相当长的时间。随着反应的进行，正反应速率降低，逆反应速率升高，所以净反应速率不断下降直到零。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。在进行这些分析和计算时，必须用到化学平衡常数，它的定义及其应用在许多化学、化工书刊中有论述，此处仅写出其定义式如下。对于反应若为气相反应体系，其标准平衡常数表达式为式中pA、pB、pR、pS分别为反应物组分A、B和产物R、S的平衡分压（其单位与PӨ相同）（纯固体或液体取1）;νA、νB、νR、νS分别为组分A、B、R、S在反应式中的化学计量系数；PӨ为标准态压力。值得注意的是，现在国际上规定标难态压力PӨ为100kPa，过去曾定为101.325kPa，因此它们对应的标准平衡常数值是略有区别的。另外，在较早出版的书刊文献中，压力单位多用“atm（标准大气压）”，所以组分的平衡分压单位也用atm，标准态压力PӨ=latm，故平衡常数的表达式则变成因此，在查找文献和手册中的平衡常数时，一定要注意Kp的表达式是何种形式。理想气体的Kp只是温度的函数，与反应平衡体系的总压和组成无关；在低压下、或压力不太高（3MFa以下）和温度较高（200℃以L）的条件下，真实气体的性质接近理想气体，此时可用理想气体的平衡常数及有关平衡数据，即可忽略压力与组成的影响。在高压下，气相反应平衡常数应该用逸度商来表达，即式中ƒA、ƒB、ƒR、ƒS——分别为反应达平衡时组分A、B、R、S的逸度。各组分的逸度与其分压的关系为式中Pi——组分i的分压（其单位与PӨ相同）；γi——组分i的逸度系数，与温度、压力和组成有关。由此可推导出Kƒ只与温反有关，而与压力无关，但KP和Kγ与温度和压力均有关。只有当真实气体性质接近埋想气体时，其逸度系数接近于1，此时Kƒ=KP，与压力无关。若式（2-22）为理想溶液反应体系，其平衡常数Kc的表达式为式中CA、CB、CR、Cs分别为组分A、B、R、S的平衡浓度，mol/dm3（纯溶剂取1）；CӨ为标准浓度，统一规定为1mol/dm3。真实溶液反应体系的平衡常数式形式与（2-29）相似，但式中各组分浓度应该用活度来代替。只有当溶液浓度很稀时，才能用式（2-29）来计算平衡常数。平衡常数可通过实验测定，现在许多化学、化工