化工基础知识课件

1、第2章 化工基础知识8/9/20221化学工艺学 第2章【教学目标】通过本章的学习，掌握化学热力学相关的基础知识；掌握化学反应速率、化学平衡的概念及影响因素；了解催化剂的特点、作用机理以及在工业中的使用；掌握化工生产的基本概念。 8/9/20222化学工艺学 第2章2.1 化学热力学基础 2.2 化学反应速率和化学平衡2.3 工业催化剂2.4 化工生产的基本概念8/9/20223化学工艺学 第2章2.1 化学热力学基础2.1.1 热力学第一定律1.基本概念（1）体系与环境根据研究问题的需要，人为地选取一定范围内的物质作为研究对象 ，称之为体系；体系之外并与体系有密切联系的其余部分物质或空间称为

2、环境，根据体系与环境之间的有无物质和能量的交换，体系又分为 敞开体系、封闭体系、孤立体系。状态函数：用来说明、确定体系所处状态的宏观物理量，包括质量、温度、压力、体积、密度等。状态函数的变化与过程的途径无关。（2）过程与途径定温过程、定压过程、定容过程、绝热过程、循环过程8/9/20224化学工艺学 第2章2.1 化学热力学基础 （3）热量与功量热量（Q）指体系与环境之间因存在温差而引起的能量传递形式。体系吸热，Q为正值；体系放热，Q为负值。功量（W）是体系和环境之间除热之外的其它能量传递形式。体系对环境做功，W为正值；环境对体系做功，W为负值。热或功不是状态参数。只有系统状态发生变化时，才可

3、能有热量和功的传递。（4）内能内能，又叫热力学能，它是指储存于体系内部一切能量的总和。任意系统处于确定状态时，系统的内能具有单一确定值；内能的改变量只由始态和终态决定，而与过程的途径无关，它是状态函数。 8/9/20225化学工艺学 第2章2.1 化学热力学基础2.热力学第一定律（1）表述方式：能量可以从一种形式转化为另一种形式，但转化过程中能量的总和不变。 第一类永动机不可能制成。（2）数学表达式 8/9/20226化学工艺学 第2章2.1 化学热力学基础2.1.2 化学反应热的计算1.定容反应热2.定压反应热 即化学反应的恒压热效应等于过程的焓变。3.热化学方程式（1）热化学反应方程式的写

4、法： 或8/9/20227化学工艺学 第2章2.1 化学热力学基础（2）注意事项应注明反应的温度和压力 应注明反应物和生成物的物理状态 化学计量系数，可以是整数也可以是分数。同一化学反应的计量系数不同，其反应的热效应值也不相同。 在可逆反应中，正逆反应的焓变的绝对值相等，其正负号相反。4.标准摩尔生成焓（1）在标准压力和指定温度下，由最稳定的单质反应生成1某物质，其过程的标准焓变，称为该物质在该温度下的标准摩尔生成焓。用 表示，单位是kJ/mol。（2）由标准摩尔生成焓计算反应的热效应：先从热力学数据表中查出反应各物质的标准生成焓，再由 计算反应的热效应。8/9/20228化学工艺学 第2章2

5、.1 化学热力学基础5.标准摩尔燃烧焓（1）标准摩尔燃烧焓是指在标准状态下1物质完全燃烧时所放出的热量，通常称为燃烧焓，用 表示 ，单位单位是kJ/mol。（2）由标准摩尔燃烧焓计算反应的热效应：6.离子标准摩尔生成焓（1）在指定温度及标准状态下，由稳定单质生成溶于大量水的1离子时的热效应称为离子标准摩尔生成焓，用 表示，并规定氢离子的标准摩尔生成焓为零。（2）由离子标准摩尔生成焓数据计算化学反应热 ： 其中，离子标准摩尔生成焓数据可查有关数据 8/9/20229化学工艺学 第2章2.2 化学反应速率和化学平衡 2.2.1 化学反应速率1.化学反应速率理论（1）有效碰撞理论发生反应的碰撞是有效

6、碰撞，大部分不发生反应的碰撞是弹性碰撞 要发生有效碰撞 ，反应物分子必须具有足够的能量，碰撞时要有合适的方向在其它条件相同时，活化能越低的反应其反应速率就越大，活化能越高的反应其反应速率就越小。（2）过度状态理论化学反应是在碰撞中先形成一种活化配合物过渡状态，然后活化配合物分解为产物形成活化配合物是快步骤；活化配合物分解成产物则是慢步骤，它控制整个反应的速率活化配合物能量高，高出反应物和生成物的部分即为活化能8/9/202210化学工艺学 第2章2.化学反应速率的表述方法化学反应速率通常是指在一定条件下某反应物转变为产物的速率，通常用单位时间间隔内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示化学反

7、应的速率。 例如，对于恒压反应，在一定的时间间隔内，平均速率是瞬时速率是 ，或此时，当i代表反应物时，应相应取负号。2.2 化学反应速率和化学平衡 8/9/202211化学工艺学 第2章2.2 化学反应速率和化学平衡3.化学反应速率的影响因素（1）浓度基元反应及其反应速率方程基元反应（简单反应）：反应物经过一步反应直接转变为生成物的反应基元反应的速率方程质量作用定律：在恒温下，基元反应的速率正比于各反应物浓度幂的乘积，各浓度幂中的指数等于基元反应方程式中各相应反应物的化学计量数。 即对于方程 有非基元反应非基元反应（复杂反应 ）：由反应物通过若干个基元反应才转变为生成物对于复杂反应，质量作用定

8、律只适合于其中每一步的反应，而不适合于总的反应。质量作用定律只适用于气体或溶液参加的均相反应，而不适用于固体与气体或溶液之间的非均相反应。8/9/202212化学工艺学 第2章2.2 化学反应速率和化学平衡反应分子数与反应级数参加基元反应的分子数目称为反应分子数。已知的反应分子数只有1、2和3。 在具有反应物浓度幂乘积形式的速率方程中，各反应物浓度幂中的指数，称为反应级数；所有反应物的级数之和，称为该反应的总级数。级数及总级数的值都由实验确定，与化学计量数无关。（2）温度随着温度的升高，化学反应速率迅速增大。对一般反应，在反应物浓度压力相同的情况下，温度每升高10，反应速率要增大到约24倍（范

9、特霍夫经验规则）。阿仑尼乌斯公式 8/9/202213化学工艺学 第2章（3）催化剂催化剂能加快化学反应速率，也能减缓化学反应速率 催化剂虽然在化学反应前后其组成、数量、性质都不发生变化，但是实际上参与了化学反应的过程 催化剂的催化作用具有选择性（4）影响多相反应速率的因素多相反应的步骤： 气体反应物从气相向固体（催化剂）表面扩散；反应物被固体表面吸附；吸附的反应物在固体表面上进行表面反应；产物从固体表面脱附；脱附的产物扩散到气相中去。最慢的一步将是控制步骤，整个反应的快慢将由它决定。 2.2 化学反应速率和化学平衡8/9/202214化学工艺学 第2章2.2 化学反应速率和化学平衡2.2.2

10、 化学平衡1.基本概念（1）可逆反应个化学平衡可逆反应是指在同一条件下既能向正方向进行又能向逆方向进行的反应。 用“ ”化学平衡是指当正反应和逆反应的速率相等时，体系所处的状态：各物质的分压力和浓度不再改变。化学平衡反映了某一反应在一定的条件下所能进行的最大程度。（2）化学平衡常数当反应达到平衡时， 、 是一常数，这个常数称为化学平衡常数，用Kc和Kp分别表示。 化学平衡常数仅与温度有关。化学平衡常数的表达式要与一个特定的化学反应方程式相对应。8/9/202215化学工艺学 第2章2.2 化学反应速率和化学平衡（3）多重平衡规则如果某个反应可以表示为两个或多个反应的综合，则总反应的平衡常数等于

11、个反应平衡常数的乘积。 平衡常数可以通过热力学理论计算得到，也可以通过实验测定。 （4）平衡转化率反应达到平衡时反应物在反应中已转化的量相对于该反应物初始用量的比率。用 表示（瞬时转化率用 表示）反应前后体积不变，平衡转化率又可表示为： 8/9/202216化学工艺学 第2章2.2 化学反应速率和化学平衡2. 影响化学平衡的因素平衡移动原理：改变平衡系统的条件之一，平衡就向能减弱这个改变的方向移动。（1）浓度其它条件不变 ，增加反应物的浓度或减少生成物的浓度， 使 平衡向正方向移动（2）温度吸热反应：T向增加生成物方向移动；T向增加反应物方向移动； 放热反应：T向增加反应物方向移动；T向增加生

12、成物方向移动；（3）压力改变反应系统的总压力：对反应前后气体物质的量有变化的反应有影响 改变反应系统中某成分的分压：单独改变某成分的分压，等同于改变该组分气体的浓度 系统中无关气体的引入 （4）催化剂等倍的增大正、逆反应的速率，增大反应速率，不改变化学平衡8/9/202217化学工艺学 第2章2.3 工业催化剂2.3.1 概述催化剂是一种能改变化学反应速率，而自身的组成、质量和化学性质在反应前后保持不变的物质。应用催化剂是提高反应速率和控制反应方向较为有效的方法。2.3.2 催化剂特点1.催化剂的特点（1）参与反应，改变路径，降低活化能（2）不改变化学平衡，提高反应速率（3）选择性（4）具有一

13、定活化温度，具有高效性2.催化剂作用机理催化剂与反应物分子形成了不稳定的中间化合物或活化配合物 发生了物理或化学的吸附作用，从而改变化学反应途径，催化作用示意图8/9/202218化学工艺学 第2章2.3 工业催化剂3.催化作用的类型（1）化学催化（2）生物催化在生物体内，酶与反应物生成中间产物，然后分解出新物质的复杂生化过程。酶的催化作用：极其鲜明的专一性；非常高效8/9/202219化学工艺学 第2章2.3.3 工业催化剂1.工业生产对催化剂的要求（1）活性催化剂改变化学反应速率的能力，是衡量催化剂催化作用大小的重要指标之一常用表示活性的方法工业实验：比活性，即催化反应速率常数与催化剂表面

14、积的比值 8/9/202220化学工艺学 第2章（2）选择性（3）稳定性（热稳定性和抗毒稳定性）（4）寿命催化剂从其开始使用起，其使用活性随时间的变化，分为成熟期、活性稳定期和衰老期。催化剂使用到经再生后也难以恢复活性为止的时间，称为寿命。（5）强度、比表面积密度2.3 工业催化剂8/9/202221化学工艺学 第2章2.3 工业催化剂2.工业催化剂的类型（1）工业催化剂就其形态分类有气态、液态和固态(常用)（2）固体催化剂按各组分功能分类：主催化剂：提供活性成分，高度选择性；助催化剂：含量少，不具有或稍有催化活性，能改善主催化剂的活性、选择性、寿命、抗毒性载体：稀释主催化剂，扩大反应表面；作

15、催化剂的骨架，导热8/9/202222化学工艺学 第2章3.工业催化剂的使用（1）预处理（活化）（2）使用原料气的净化严格按照工艺条件操作8/9/202223化学工艺学 第2章（3）催化剂活性的保持催化剂交换法等温操作的反应器连续等温操作法多系列（多台）反应装置，按温度操作级别 依次加入上一级泻出的催化剂升温操作法固定床反应器，随着空时产量下降相应提高反应温度8/9/202224化学工艺学 第2章（4）催化剂的失活与再生失活失活的原因：催化剂因中毒、炭沉积覆盖在活性表面、高温过热 、活性 组分改变和损失 分为临时性失活、永久性失活再生再生是恢复催化剂活性的加工过程 再生方法因催化剂性质、失活原

16、因和毒物性质的不同而不同。 2.3 工业催化剂8/9/202225化学工艺学 第2章2.4 化工生产的基本概念2.4.1 基本概念1.化工原料按生产顺序按物质来源2.成品、半成品、副产品3.生产能力和生产强度4.产率和转化率5.劳动生产率8/9/202226化学工艺学 第2章6.物料衡算和能量衡算（1）物料衡算物料平衡的计算，基于质量守恒定律物料衡算的范围可以是生产过程中的某一步骤、也可以是一组设备、某一设备或设备的一部分通过物料衡算可以计算出原料的消耗量、产品和副产品的产量，以及“三废”的生成量（2）能量衡算基于能量守恒定律 能量可以同进入设备的物料一起输入和随物料一起输出，或者是分别输入或

17、输出 能量衡算在化工设计、化工生产中很重要 2.4 化工生产的基本概念8/9/202227化学工艺学 第2章2.4.2 化工单元过程与操作1.化工单元过程也叫化工单元反应，是指具有共同的化学变化特点的基本过程。化工单元过程主要包括氧化、还原、氢化、脱氢、水解、水合、脱水、硝化、卤化、胺化、磺化、烷基化、酯化、碱溶、脱烷基、聚合、缩聚、催化等2.化工单元操作是指在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作，是以物理方法为主，包括流体流动过程、传热过程、传质过程、热力过程、机械过程五个方面。2.4 化工生产的基本概念8/9/202228化学工艺学 第2章2.4.3 工艺程序结构1.工艺程序结构在化工工艺中，把原料转变为产品的路线，叫工艺程序，它是一种相互关联的操作的逻辑联接，是一个由子系统（工艺设备）组成的系统。工艺程序基本步骤实际工艺系统比较复杂 尽可能将中间产物和副产品转变为有用的产品使废物排放达标2.4 化工生产的基本概念8/9/202229化学工艺学 第2章2.4 化工生产的基本概念2.化工过程的流程（1）间歇过程及连续过程间歇过程是间歇地将原料送入设备，完成了某一阶段的反应后，卸出成品或半成品，然后更换新原料，重复上诉过程连续过程是在一套设备中，操作经常昼夜不断地进行，即连续地在同一时间内不断地送入原料，不断地卸