2第二章化工生产过程

1、学习情境二化工生产过程工作任务掌握化工生产过程授课地点多媒体教室3-8教学方法讲授法课时6任务描述及 任务目标化工生产的工艺指标化工生产过程的动力学、热力学分析物料衡算热量衡算包含章节第二章及 十六章主要教 具、设备、 工具多媒体学习重点 及难点化工生产的工艺指标(生产能力、转化率、收率) 动力学、热力学分析物料衡算热量衡算学生学习 基础已具有无机化学，化工单元操作，物理化学,化工热力学等的学习基础，具有一定的自学能力，接受知识的能力也较强.知识点：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

2、, 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。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。转化率(con version )v慕一反应埸的转化H薩物的起始豪选择性(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。°实乐所牌的口的产物审'转化总別1耳用輯蓟的且的产療胆怡呈收率（产率，yield）收率

3、亦称为产率，是从产物角度来描述反应过程的效率。符号为 丫，其定义式 为v -耗化为目前产物的英砸物的躍 iSKStffigW收率二转化率x选择性质量收率（mass yield ）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v 目旳产堂三、热力学只涉及化学反应过程的始态、终态，不涉及中间过程，不考虑时间和速率，仅 说明过程的可能性及其进行的限度。1化学反应可行性分析吉布斯函数变化值 rGm© rGm© =（刀 rGm ）产物一（刀 rGm） 反应物一个反应的吉布斯函数变化值 rGm可以用来判断反应进行的可性。判断的依据 rGm©<0反应能

4、自发进行 rGm©=0反应达到平衡 rGm©>0反应不能自发进行说明： rGm©判别法不是绝对的，还要综合反应条件判断。2、反应系统中反应难易程度分析化学反应系统由主反应与副反应同时发生，共同构成一个化学反应系统。 理想气体（低温下的气体反应 吉布斯函数变化值 rGm© = RTlnK ©，用于判断反应进行的难易程度。 rGm© <0，K ©为一较大的数值，正反应进行的可能性较大 rGm© >0，K ©为一较小的数值，正反应进行的可能性较小所以：在同一个化学反应系统中，主、副反应在同一条

5、件下进行的相对难易程度就 可以根据厶rGm©的大小来判断。3、化学反应限度分析当厶rGm© <0，K ©为一较大的数值， K ©越大，反应进行得越完全，反应 进行的限度越大。当厶rGm© >0，K ©为一较小的数值， rGm©越小，反应进行的限度越大。4、化学反应平衡移动分析律.查得平衡移动原理当稳定平衡系统所处条件T、P、C发生变化时，平衡向着消弱这种变化的方向 移动。外界条件对平衡的影响：T升高往吸热方向移动T降低往放热方向移动卩升高往气体体积减小的方向移动P降低往气体体积增加的方向移动反应物浓度增加或生成物

6、浓度减小往右”移动反应物浓度减小或生成物浓度增加往左”移动四、动力学1、化学动力学主要为解决反应过程的如下问题提供理论依据：化学反应过程进行的机理，确定反应过程的化学反应速率与其影响因素之间的函数 关系式2、影响化学反应速率因素的分析工艺过程的速度是影响产量的关键，而过程是速度主要取决于化学反应速率。 影响因素影响速率的因素是复杂的，其中一些在已有的生产装置中不变调节 （反应器的形 状大小、材质、杂质）。另一些因素是在生产过程中通过工艺参数的调节可以达到 改变化学反应速率的目的（温度、压力、原料浓度、原料在反应区间停留的时间） 还有催化剂。3、五种反应类型的反应速率随温度改变TT 温度 京寸皮

7、血 位率影口向白勺类型亂工 * 殛 Z J ZrW !itLO s<F Jkl U壬i穴”.川姐财魂赠啡I冲”乂 即丄厶一鼻因隊!*吋”J-VJ|紬t快白勺理f t ” il：沁理幵-孤曲I"）- 琢*降屈.勺于卜冋lb:力LJB： * l-i| its白勺iU 城L* 站+.丿父他 卜弊- tollit匹毕止汩,. -i . J j n sap：.f Afttijar,. 如 乂.型迪】忡肋i* 八；內出农“：广地H迂t&_惭血丹址片股i师下M- 追刊"供®彳如中屏匕訊1说明：对于一、二、三、四种类型的反应，应在拐点附件来讨论安全生产和用升高 温度

8、的方法来加快反应速率是有意义的。而接近于极点的温度应视为过高或不安全 温度。五、物料衡算1物料衡算基本方程式物料衡算是以质量守恒定律为基础的物料平衡计算。输入物料的总质量=输出物料的总质量+系统内积累的物料质量+系统损耗的物料 质量2 整个系统的物料衡算连续操作过程的物料衡算对于连续稳流操作过程，由于操作条件不随时间而变，系统内无物料积累3.系统物料衡算的方法和步骤 画出物料衡算示意图 写出主、副化学反应方程式并配平 确定物料衡算的任务 收集资料数据 选定计算基准 列方程组、联立求解 核对和整理计算结果(1) 单元操作设备 (如蒸发、蒸馏、吸收等)可以建立三个物料衡算总物料衡算戎F=D+W式：

9、-汀肿町订八! XR组分物料衡算式Fm = D叫十W_r哮因为进料量等于馏出物和釜液量之和，所以上列三个衡算式并不是完全独立的，其中的一个物料衡算式可以由另外两个组合得到。也就是说对于由两组分组成的体系，物料衡算式总数为三个，而独立的物料衡算式只有两个。由此可以得出：独立的物料衡算式与组分数是相等的，物料衡算式的总数比组分数多一个。(2) 单元反应设备即发生化学反应的设备。发生化学反应的设备与纯粹的物理过程的单元操作设备所建立的物料衡算方法有所不同，现以一氧化碳变换反应为例。?例：邻二甲苯空气氧化制苯酐，已知邻二甲苯的转化率为70%，氧的用量为理论用量的150%，邻二甲苯投料量为250Kg/h

10、，试进行物料衡算。C8H10+3O2=C8H4O3+3H2O解:以每小时为计算基准进料：邻二甲苯流量=250/106=2.358(kmol/h)氧流量=2.358X 70% X 3 X 150%=7.43 (kmol/h)=237.76(Kg/h)氮流量=7.43 X 0.79/0.21=27.95 (kmol/h)=782.63 (Kg/h)出料： 苯酐流量=2.358X 70% X 148=244.29(Kg/h)水流量=2.358X 70% X 3 X 18 =89.13 (Kg/h)氧流量=(7.43- 2.358X 70% X 3) X 32=79.36 (Kg/h)氮流量 27.9

11、5 (kmol/h)=782.63 (Kg/h)未反应的邻二甲苯流量=250(1-70%)=75(Kg/h)物料衡算表： 组分输入物料(Kg/h)输出物料(Kg/h)邻二甲苯2507502237.7679.36N2782.63782.63苯酐244.29H2O89.13合计1270.41270.4六、热量衡算(Energy Acco unting or Energy Bala nee )1 稳流体系热量衡算通式能量衡算就是按照能量守恒原理研究过程中能量传递和转化的数量关系。化工生产中最具代表性的是稳流过程，其能量衡算的基本依据是稳流体系热 力学第一定律表达式，亦即能量衡算通式： H+gA h+

12、1/2A u2= Q+Ws若体系与环境之间无轴功交换，体系的宏观动能和宏观位能可以忽 略不计，则上式变成： H=Q2 能量衡算的方法与步骤(1) 画出流程示意图并根据计算要求确定衡算体系(2) 选定物料衡算和能量衡算基准(3) 根据具体计算要求收集有关数据(4) 列出物料平衡方程和能量平衡方程并计算求解(5) 校核检验教学设计、组织实施、时间安排：一、复习有关速率、化学平衡的相关的知识设问引出化工生产的工艺指标？10mi n二、多媒体讲解1、 生产能力、生产强度30mi n教师先提问、学生回答并总结出生产能力的概念2、 转化率、选择性及收率30mi n先由教师给学生展示转化率的定义；再由学生自学教材内容；最后学生和教 师一同归纳出转化率的计算公式 ；进而进出选择性和收率的相关知识3、 化工生产过程热力学、动力学分析40mi n教师用多媒体讲解化学反应可能性及难易程度分析，由学生归纳出热力学分 析原理。接着展示、讲解生