化工生产过程分析与组织

第二章

化工生产过程

分析与组织.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第1页!核心化学反应△G；Kp化学热力学可能性E；k化学动力学可行性顺利实现化工生产12化工生产过程分析.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第2页!第二节化工生产过程热力学分析热力学分析的任务:判别化学反应能否进行和进行的方向。2、反应限度：通过化学反应过程热效应的计算确定适宜的反应条件。通过化学平衡的原理和平衡常数的计算确定化学反应过程进行的最大限度。1、反应方向：3、反应热：.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第3页!可能性反应方向：热力学分析——反应方向热力学分析的依据:热力学第二定率判据：吉布斯函数（吉布斯自由能）△rGm<0△rGm>0△rGm=0化学反应自发进行化学反应达到平衡状态化学反应不能自发进行（逆向自发进行）.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第4页!热力学分析——反应限度反应难易程度：当△rGm<0时，Kp值很大；且△rGm越小，Kp值越大，反应越容易自发进行当△rGm>0时，Kp值很小；且△rGm越大，Kp值越小，反应越难自发进行反之，用途：在对某一生产工艺分析中，可据此判断主、副反应的难易程度，从而确定适宜的工艺条件。.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第5页!温度对化学平衡的影响根据恒压方程式：若△H＞0，即吸热反应，则＞0说明Kp值随T的升高而增大；热力学分析——化学平衡及平衡移动若△H＜0，即放热反应，则＜0说明Kp值随T的升高而减小；.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第6页!例：N2＋3H22NH3△n＝-2∴对于△n＜0（分子数减少的反应），增加体系总P，将有利于平衡向生成物的方向移动。Kp与P无关，P↑，Ky↑（)↑↓↓热力学分析——化学平衡及平衡移动.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第7页!bB+dDgG+rR增加反应物浓度或减小生成物浓度，化学平衡向正反应方向移动。增加生成物浓度或减小反应物浓度，化学平衡向逆反应方向移动。热力学分析——化学平衡及平衡移动反应物浓度对化学平衡的影响.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第8页!（1）温度T对反应速率r的影响近似的认为，温度每上升10℃，反应速率大约要变为原来的2～4倍。（范特霍夫规则）一般地，温度升高，反应速率增大。且，高温对活化能高的反应有利，低温对活化能低的反应有利。（阿伦尼乌斯经验公式：第三节化工生产过程动力学分析）.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第9页!第三节化工生产过程动力学分析（2）催化剂对反应速率r的影响未加cat加入catADDCAB③①②E非催化E催化=E1+E2+E3△EE非催化E催化－＝催化剂能改变反应路径，降低反应的活化能，加快反应速度。E↓，k↑,

r↑>.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第10页!（3）反应体系中各物质的浓度C对反应速率r的影响反应初期：C反应物高，反应速率越快；随着反应的进行，C反应物↓，r↓；对于可逆反应，反应的推动力＝C反应物－C反应物*（推动力越大，反应速率越大）不断从反应体系中移出生成物，提高C反应物，有利于平衡向生成物的方向移动。结论第三节化工生产过程动力学分析（液相反应）.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第11页!温度压力停留时间工艺条件原料配比第四节化工生产过程影响因素分析.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第12页!影响因素分析——系统总压P1、加压有利于反应前后分子数减少的反应；∴立足于系统——实现系统最优7、加压操作，危险系数增加。6、加压操作，使能耗增加；5、加压操作，对设备要求高，设备造价高；4、当装置一定时，加压可以提高生产能力；3、当处理量一定时，加压使设备容积减小；2、加压可提高反应物的分压（浓度）加快反应速率；.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第13页!影响因素——空间速度、停留时间1、空间速度SV定义：单位时间内，在单位cat体积上通过的反应物的体积流量（标态下）[Nm3/（h·m3cat）]－Nm3/h－m32、停留时间τ－m3/h－m3（标准状态下）（操作条件下）SV大，SV小，τ短，X小；X高；τ长，副反应增加，收率下降。结论.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第14页!作业：2、影响一个化学反应的化学平衡的因素有哪些？这些因素的变化是如何影响平衡移动的？1、如何判别一个化学反应进行的方向？如何比较若干个化学反应的难易程度？如何确定一个化学反应能够进行的最大限度？3、影响化学反应速率的因素有哪些？它们是如何影响的？4、化工生产过程中应如何选择合适的温度、压力、原料配比、停留时间及空间速度？选做：（下节课提问）.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第15页!热力学分析——反应限度bB+dDgG+rR对于理想气体在恒温恒压下反应：当反应达到平衡状态时：Pi-组分i的分压Po=101.3kPaKp为化学反应平衡常数，其值越大，说明反应达到平衡时，体系中产物的量越大，原料的量越少。.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第16页!产物的平衡浓度c产物*反应物的平衡转化率X*——极限浓度——极限转化率热力学分析——反应限度反应限度当△rGm<0时，Kp值很大；且Kp值越大，反应进行的限度越大。当△rGm>0时，Kp值很小；且Kp值越小，反应进行的限度越小。反之，——化学平衡同理，定性定量.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第17页!热力学分析——化学平衡及平衡移动压力对化学平衡的影响yi-i组分的摩尔分率当△n＜0时，当△n＞0时，当△n=0时，bB+dDgG+rR△n=g+r-(b+d)Ky与压力无关P↑，Ky↑（平衡向生成物的方向移动）P↑，Ky

↓

（平衡向反应物的方向移动）.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第18页!例：C2H5OHC2H4＋H2O△n＝1∴对于△n＞0（分子数增大的反应），增加体系总P，将有利于平衡向反应物的方向移动。Kp与P无关，P↑，Ky

↓

（)↑↓↓热力学分析——化学平衡及平衡移动.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第19页!化学反应速率：单位时间内某一种反应物或生成物浓度的改变量bB+dDgG+rR第三节化工生产过程动力学分析化学反应速率方程基元反应非基元反应动力学分析的任务:化学反应达到限度所需要的时间阿伦尼乌斯经验公式.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第20页!rTrTrTrTrT①②③④⑤常见的5类反应的反应速率随温度的变化情况。第三节化工生产过程动力学分析.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第21页!例：2HIH2+I2经测定：E非催化=184.23kJ/molE催化=104.68kJ/mol△E＝E非催化－E催化＝79.55kJ/mol设T=573K，根据阿伦尼乌斯方程：第三节化工生产过程动力学分析加入催化剂后，反应速率明显提高！.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第22页!（4）压力P对反应速率r的影响（气相反应）C反应物↑反应速率r↑反应能耗大，对设备要求高，不经济。P↑P↑惰性气体的存在，p反应物↓r↓有利于△n＞0的反应的平衡向正方向移动（不利于反应速率）第三节化工生产过程动力学分析动力学上不利热力学上有利.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第23页!影响因素分析——反应温度T1、T的范围升高T更有利于活化能E高的反应；而由于cat的存在，一般主反应的E是最低的。因此，升高T，虽有利于主反应的进行，但更有利于副反应的进行。3、T↑X↑收率Y↓4、T的升高，受设备材质的限制。反应温度要在催化剂的活性温度范围内（T～cat）2、T的选择（T～E）T↑↑，副反应增加，主反应的S↓，X↑↑，（T～X、S、Y）（T～材料）.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第24页!影响因素分析——原料配比1、理论比——反应方程式的化学计量关系；3、r=kCBbCDd2、提高一种反应物的浓度C，可以提高另一种反应物的转化率X；指数＝0，r与该反应物浓度无关；指数＞0，r随该反应物的浓度增加而增加4、提高某种原料配比时，（加大某种原料用量）该物质的X单会下降；因此，反应中要对这部分过量的，未参加反应的物质循环使用。以提高X总。5、对于爆炸性混合物，应首要考虑使它们的配比在爆炸极限范围以外。.themegallery.化工生产过程分析与组织共27页，您现在浏览的是第25页!例：气固相催