化工生产过程及流程

1、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

2、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。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）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。1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 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。众多，不同反应过程

3、，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、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。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。在多数格的产品。同时要回收剩余反应物，以提高原料利用率。二、化工生产工艺流程 1（或将一个过程的主要设的图。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，同一产品用线或加工方法不同，在流程上也有区别。2工艺流程多采用图示方法来表达 称为工艺流程图（flowsheet 或 proces

4、s flowshee。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 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 形态分析法 第二节 化工过程的主要效率指标一、生产能力和生产强度生产能力单位时间内处理的原料量。其单位为kg/h，tdkta，万t/a3v1.0 可编辑可修改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。生产程

5、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， kg/hkg/h2等 时空收率。单位为 kg/hkg。二、转化率、选择性和收率（产率）的关键。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ABXA、XB分别为组分AB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4v1.0 可编辑可修

6、改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 但对于采用循环流程（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 的全程转化率为选择性（selectivity）量之比，用符号S选择性也可按下式计算5v1.0 可编辑可修改转变成目的产物。在复杂反应体系

7、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。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，式量之和。而对于总收率，式中分母系指新鲜原料中该原料量。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1解：乙烷转化率=（8000-4000）/8000*100%=50%乙烯的选择性=（3200*30/28）/4000*100%=% 乙烯的收率=50%*%*100%

8、=%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=(kg/h)6v1.0 可编辑可修改三、平衡转化率和平衡产率的计算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 p、 p、 p、 p分别为反应物组分、 B和产物、 S的平衡分压ABRS（其单位与P相同（纯固体或液体取1;ABRSABRS量系数；P 为标准态压力。值得注意的是，现在国际上规定标难态压力P100 kPa，过去曾定为 kP

9、a们对应的标准平衡常数值是略有区别的（标准大气压，标准态压力 达式则变成7v1.0 可编辑可修改因此，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（3 MFa 以下（200以 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 、 、 、 分别为反应达平衡时组分A 、B、R、S 的逸度。ABRS各组分的逸度与其分压的关系为式中P组分i的分压（其单位与P相同；i组分i 的逸度系数，与温度、压力和组成有关。由此可推导出K 只

10、与温反有关，而与压力无关，但 K 和 K 与温度和压力均有关。只有当真实气体性质P接近埋想气体时，其逸度系数接近于1，此时K=K ，与压力无关。P若式（2-22）为理想溶液反应体系，其平衡常数Kc 的表达式为8v1.0 可编辑可修改式中C 、C、C、Cs分别为组分AB、Smol/d（纯溶剂取1；ABRC 为标准浓度，统一规定为 1 mol/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、化工手册、文献资料及计算机有关数据库中收集有相当多反应体系的平衡常数

11、下面举两个汁算平衡转化率和平衡产率的例子。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R，反应达平衡时组分A的平衡转化率为X，则A的转化 量为aXmol。AAA（a-aXA）molB（b-2aX） molRA的量为aX mol，体系总量为 ；总压。则各组分的平衡摩尔分数y 和平衡AA分压 p 分别为所以有根据反应温度和总压可从有关手册或文献中查得对应的平衡常数Ka和bXPA态压力P 的单位应相同。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9v1.0 可编辑可修改为然而，每转化 2 molB1molR

12、，则产物 RB为10v1.0 可编辑可修改第三节 反应条件对化学平衡和反应速率的影响此处仅简述以下几个重要因素的影响规律。一、温度的影晌温度对化学平衡的影响 平衡常数与温度的关系为对于吸热反应，H0，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，HO，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。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11v1.0 可编辑可修改k总是随温度的升高而增加的（有极少数例外者，反应温度每升高2-4对干不可逆反应

13、，逆反应速率忽略不计，故产物生成速率总是随温度的升高而加快；对 r净速率r当温度较低时，净反应速率随温度的升高而增高；当温度超过某一值后，净反应速率开 亦称最适宜反应温度。净速率随温度的变化如图2-10二、浓度的影响可知，反应物浓度愈高，反应速率愈快。 率逐渐下降。提高溶液浓度的方法有：对于液相反应，采用能提高反应物溶解度的溶剂，或者在反应中蒸发或冷冻部分溶剂等；对于气相反应，可适当压缩或降低惰性物的含量等。12（或吸收）等新技术、新过程应运而生，这 三、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：对分子数

14、增加的反应，降低压力可以提高平衡产率；对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大；对分子数没育变化的反应，压力对平衡产率无影响。果有限，压力过高，能耗增大，对设备要求高，反而不经济。的平衡。四、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剂的接触时间，单位用秒表示。越小；反之亦然。五、空速的影响性越高，设备的生产能力越大；反之亦然。13六、原料配比的影响七、原料纯度的影响八、催化剂的影响第四节 催化剂的性能及使用据统汁，当今 90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。提高反应速率和选择性。有许多反应，虽然在热力学上是可能进行的，但反应速生产出重要的

15、化工产品。生成 CO 和 H O，毫元应用意义。当采用了银催化剂后，则促使乙烯选释性地氧化生成环氧22乙烷，它可用于制造乙二醇、合成纤维等许多实用产品。改进操作条件加工过程的效率。例如，乙烯聚合反应若以有机过氧化物为引发剂，要在200-300及 100300MPa 下进行，采用烷基铝-四氧化钛络合物催化剂后，反应只需在 85-100及 2MPa 下进行，条件十分温和。催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术。工业上一个成功的例子是 2060BASFCO70 年代又开发出铹络合物催化剂，使该反应的99，成为当今生产醋酸的先进工艺。14催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。前已述及催化

16、剂在石油、天然剂。有机废气的催化燃烧；废水的生物催化净化和光催化分解等等。一、催化剂的基本特征在一个反应系统中因加入了某种物质而使化学反应速率明显加快催化剂应速率常数增大，从而加速了反应。负催化剂或阻化剂下闸述的内容仅与此类催化剂有关。催化剂有以下三个基本特征。化。因此催化剂在生产过程中可以在较长时间内使用。催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用。即是悦，常速逆反应。，特定的催化剂只能催化特定的反应。催化剂的这一特 选用合适的催化剂，可使反应向需要的方向进行。15二、催化剂的分类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；按反应类别分：有加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、

17、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化等众多催化剂；按反应机理分：有氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；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。三、工业催化剂使用中的有关问题产效率和效益。通常对工业催化剂的以下几种性能有一定的要求。1 工业催化剂的使用性能指标（l）活性 系指在给定的温度、压力和反应物流量（或空间速度）选择性 寿命 16响。化学稳定性化，都会使催化剂的活性和选择性下降。热稳定性致催化剂性能衰退。机械稳定性耐毒性加人某种物质去毒害催化剂中促进副反应的活性中心，从而提高了选择性。其他 2 催化剂的活化催化剂的失活和再

18、生250 PH 值失调等均主要有：超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；17原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒；有污垢覆盖催化剂表面。催化剂中毒有暂时性和永久性两种情况。暂时性中毒是可逆的，当原料中除主毒物后，催化剂可逐渐恢复活性。永久性中毒则是不可逆的，不能再生。起催化剂结构的损伤，致使活性下降。催化剂的运输、贮存和装卸第五节 反应过程的物料衡算和热量衡算（在化工设计中讲）一、反应过程的物料衡算18v1.0 可编辑可修改物料衡算基本方程式是质量守恒定律，按此定律写出衡算系统的物料衡算通式为间歇操作过程的物料衡算属于间歇操作。间歇操作过程的物料衡算是以每批生产时间为基准质量的总和

19、（包括反应物、溶剂、充人的气体、催化剂等，输出物料量为该批卸出的所有物料质量的总和（包括目的产物、副产物，剩余反应物、抽出的气体、溶剂、催化剂等，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。稳定流动过程的物抖衡算i19v1.0 可编辑可修改因为上式中均为组分i 的量，分子量相同，故也可以用物质的量来进行组分变i 的衡算；惰性物质不参加反应，若在进，出物料中数量不变，常用来作联系物料进行衡算，使汁算简化。算。可以不涉及化学反应式中的化学计量关系，故对于复杂反应体系的计算是很方便的。对于稳定流动过程，有物料衡算步骤给出清晰的计算过程和正确的结果、通常遵循以下步骤。要准确，进、

20、出物料不能有任何遗漏，否则衡算会造咸错误。式，此时应用上述的原子衡算法来迸行计算，不必写反应式。 ，100kg ，1mol，1m3等）为基难，也可选取卑位时间 、1min1s 等）20v1.0 可编辑可修改视训练，基准选择恰当，可以使计算大为简化。第四步，收集或计算必要的各种数据，要注意数据的适用范围和条件。第六步，计算和核对。形式，但要全面反映输入及输出的各种物料和包含的组分的绝对量和相对含量。反应过程物斜衡算举例21v1.0 可编辑可修改22v1.0 可编辑可修改进反应器的气体MF 由新鲜原料FF 和循环气RC23v1.0 可编辑可修改流中各组分的物质的量和摩尔分数列于下表最后，围绕总系统

21、做物料衡算，输入物料是新鲜原料气F，输出物料是产物P）排放气W，吸收剂（水）的输入量与输出量不变，可不考虑，所以衡算图可表示为衡算。即二、反应过程的热量衡算封闭系统反应过程的热量衡算对于化学反应体系，其宏观动能和位能的变化相对于反应热效应和传热量而言是极小的，可以忽略不计。通常涉及到的能量形式是内能、功和热，它们的关系遵从下式式中U 为内能变化； 为系统与环境交换的热量（ 取正号；而由系统向环境传热时，Q取负号W（时，W。稳态流动反应过程的热量衡算24v1.0 可编辑可修改个（即相对总压而言，压降可忽略不什，可输入该系统的能量为输入物料的内能U 和环境传人的热量Q（ 如果热量由系统传给环inp

22、境Q应取负号，故也可放在输入端；输出该系统的能量为输出物料的内能U和系统对pout外作的功之和（如果是环境对系统作功， W 符号应取负号，故仍可放在输出端算式为大多数反应过程不作非体积功，所以上式可写成馏塔等。对于稳态流动系统，始态的焓 H 为输入的所有物料的焓之和，终态的焓 H 为输出物inout料的焓之和。图 2-11 表示了一个稳态流动反应过程的热量衡算方框图。如果反应器与环境无热交换，Q 等于零，称之为绝热反应器，输入物料的总焓等子输出p25v1.0 可编辑可修改p口及器内各截面的温度均不相同。K压力是 kPa（现为 100 kPa）以及物质处于最稳定物相的状态。并规定处于基态的元素或

23、根据以上规定，可知每种物质在任意状态的焓为上式的等号右边第一项是在基态由元索转变成该物质的生成焓变（或标准生成热298K 恒压变温到温度T可写为在许多物理化学手册、化工工艺手册和化工设计有关文献收集有许多生成热、熔融热、蒸发热和热容等数据，供查阅和利用。在做热量衡算时应注意以下几点：项和输出项。选定物料衡算基准物、热衡算方程式要联立求解，均应有同一物料衡算基准。确定温度基准298 K（273 K）为基准温度。注意物质的相态态。化学反应过程中涉及的焓变化学反应过程一般在非标准状态下进行，涉及的焓变类型较多，见图 2-12。图中 T 、126v1.0 可编辑可修改Tppp 为标准温度、压力。因为焓是状态函数，21200与变化途径无关，所以可写出非标准状态下反应过程的总焓变为上式中涉及到的焓变有三类，分述如下。（1）相变过程的烩变 这是在温度、压力和组成不变的条件下，物质由一种相态转变反应的焓变 。放热反应的乙 0，反之，吸热反