化学工艺共性知识

2.化学工艺的共性知识化学工艺学2.1化学工业原料资源及其加工利用无机化学矿及其加工利用无机化学矿——无机化合物和冶炼金属盐矿、硫矿、磷矿、锰矿、铁矿、锌矿磷矿是生产磷肥、磷酸、单质磷、磷化物和磷酸盐的原料。磷肥由酸法（硫酸）、热法生产。

2.1化学工业原料资源及其加工利用

石油及其加工利用

石油的组成

石油是一种有气味的棕黑色或黄褐色粘稠状液体，密度与组成有关，相对密度0.75－1.0,

沸点从常温~500度以上，主要含碳、氢元素。石油组成：

烃类——饱和烃、环烷烃、芳香烃非烃类——除C，H外，还有杂原子，硫化物、氮化物、含氧化合物胶质和沥青——Tb>500℃的稠环环烷烃2.1化学工业原料资源及其加工利用石油的常压蒸馏和减压蒸馏

常、减压蒸馏流程有三类：燃料型燃料－润滑油型燃料－化工－润滑油型(化工厂采用)

2.1化学工业原料资源及其加工利用2.1化学工业原料资源及其加工利用馏分油的化学加工（二次加工）催化重整：Ptcat,△石脑油，烃类分子重排，得芳烃，汽油催化裂化：cat,△重质油，大分子烃→汽油，柴油催化加氢裂化:cat,H2,△重质油,加氢,裂化→煤油,柴油烃类热裂解:不用cat,△700-900℃，乙烷,丙烷,石脑油→三烯,三苯2.1化学工业原料资源及其加工利用天然气:天然气主成份：甲烷，干气：甲烷含量高于90％的天然气湿气：C2-C4烷烃含量在15~20％或以上的天然气加工利用:(1)制氢气和合成氨；(2)制燃料；(3)制化工产品；(4)湿气深冷分离得乙烯、丙烯；2.1化学工业原料资源及其加工利用煤及其加工利用

煤是由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成。

煤的加工路线

煤干馏（高温干馏和低温干馏）：在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程。煤气化：合成气，合成氨、甲醇煤液化：汽油、煤油、柴油2.1化学工业原料资源及其加工利用2.1化学工业原料资源及其加工利用生物质及其加工利用

农林牧副渔业的产品及其废弃物（壳、芯、秆、糖、楂）等生物质，通过化学或生物化学方法可以转变为基础化学品或中间产品，如葡萄糖、乳酸再生资源的开发利用

工农业和生活废料在原则上都可以回收处理，是治理污染、保护环境的有效措施之一。空气和水

2.2化工生产过程及流程化工生产过程分三步：原理预处理——固体破碎、溶解，液体加热或气化化学反应——由原料到产物的转变，氧化、加氢、异构化产品分离及精制——冷凝、吸附、吸收、过滤、干燥2.2化工生产过程及流程工艺流程和流程图

化工生产工艺流程：原料转变成化工产品的工艺流程。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。2.2化工生产过程及流程工艺流程图（flowsheet）图示法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。

推论分析法：找达目标的前提流程组织功能分析法：研究每个单元的功能,属性形态分析法：对可供选择的方案,精确分析和评价2.3化工过程的主要效率指标

生产能力和生产强度

生产能力——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等。设计能力——最大生产能力

生产强度——设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其单位为kg/(h·m3)，kg/(h·m2)，t/(d·m3)。

时空收率——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。2.3化工过程的主要效率指标化学反应的效率——合成效率原子经济性AE

环境因子E

2.3化工过程的主要效率指标

转化率、选择性和收率（产率）转化率X

不同反应组分的转化率不同。间歇过程，以反应开始时装入反应器的某反应物料量为起始量；连续过程，以反应器进口物料中某反应物的量为起始量。2.3化工过程的主要效率指标

单程转化率--原料每次通过反应器的转化率全程转化率(总转化率)--新鲜原料进入反应系统到离开该系统所达到的转化率。循环

反应产品新鲜原料2.3化工过程的主要效率指标选择性S

对于复杂体系，同时存在着生成目的产物的主反应和生成副产物的副反应，只用转化率来衡量是不够的。有的反应体系原料转化率很高，但大多数转变成副产物，目的产物就少了。

2.3化工过程的主要效率指标2.3化工过程的主要效率指标

Y＝S·X＝选择性·转化率一次收率＝选择性·一次转化率总收率＝选择性·总转化率2.3化工过程的主要效率指标

讨论：无副反应，S＝l，收率与转化率相等。有副反应,S＜1，选择性高的前提下转化率尽量高通常使转化率提高的反应条件往往会使选择性降低，反之，在选择性高的条件下转化率却很低。不能单纯追求高转化率或高选择性，而要兼顾两者，使目的产物的收率最高。2.3化工过程的主要效率指标

质量收率Ym注意：①指标含义混淆不清的现象

25％A转化成B，是收率而不是转化率②质量收率可以大于100％③当原料有几种，或产物有几种时，要指明是对哪一种原料的转化率，哪一种原料，哪一种产品的选择性、收率。2.3化工过程的主要效率指标平衡转化率和平衡产率的计算

平衡转化率：可逆反应达到平衡时的转化率。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）。本课程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。2.3化工过程的主要效率指标2.3化工过程的主要效率指标2.3化工过程的主要效率指标2.3化工过程的主要效率指标2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响

温度的影响温度对化学平衡的影响吸热反应，ΔH＞0，K值随温度升高而增大；放热反应，ΔH＜0,K值随温度升高而减小，平衡产率降低。2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响温度对反应速率的影响

反应速率：单位时间、单位体积某反应物组分的消耗量，或某产物的生成量。反应速率常数k=Ae(-E/RT)A总是随温度升高而增加（有极少数例外），反应温度每升高10℃，K增大2～4倍。

E大的反应其速率随温度升高而增长更快些。正、逆反应速率之差即为产物生成的净速率。

2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响对不可逆反应:逆反应速率忽略不计，产物生成速率随温度的升高而加快；对可逆吸热反应:净速率随着温度的升高而增高。对可逆放热反应:净速率随温度变化有三种可能性。存在最佳反应温度。2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响浓度的影响

根据反应平衡移动原理，反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动。当有多种反应物参加反应时，往往使价廉易得的反应物过量，从而可以使价贵或难得的反应物更多地转化为产物，提高其利用率。

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。对气相反应的影响要考虑。2.5催化剂的性能及使用作用：提高反应速率和选择性改进操作条件有助于开发新的反应过程消除污染，开发能源2.5催化剂的性能及使用催化剂的定义

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，但该物质在反应前后的数量和化学性质不变。催化剂的三个基本特征催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。催化剂只能缩短达到化学平衡的时问，但不能改变平衡。催化剂有选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应

2.5催化剂的性能及使用催化剂的分类按物相均一性分：均相催化剂、非均相催化剂按反应类别分：加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化等按反应机理分：氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；按使用条件下物态分：金属、氧化物、硫化物、酸、碱、络合物和生物催化剂等2.6反应过程的物料衡算和热量衡算2.6.1衡算意义与用途

进行方案比较，参数值确定的基本方法化工设计的基础通过衡算，找出生产的薄弱环节，工艺参数值是否合理，提出生产的方向，提供设计数据。

2.6反应过程的物料衡算和热量衡算

2.6.2衡算的依据：（1）物料衡算的依据——质量守恒定律进入系统的质量＝从系统出来的质量＋积累的质量对连续稳定过程，系统中无积累的质量,

进入系统的质量＝从系统出来的质量（2）热量衡算的依据——能量守恒定律

热力学第一定律ΔU=Q-WΔU为内能变化；

Q为系统与环境交换的热量(规定由环境向系统传热，Q取+；系统向环境传热时，Q取-)W为系统与环境交换的功(规定由环境向系统作功,W取+；系统向环境作功时，W取-）功包括体积功（膨胀功）和非体积功,化学反应一般不作非体积功

在封闭系统，无物料输入和输出，体积不变，不作体积功。即

封闭反应体系的热量衡算方程：Qv=ΔU稳态流动恒压反应体系的热量衡算方程：

Qp=ΔH＝Hout

－Hin

适于进、出系统的压力变化不大，忽略压降、恒压绝热反应器：Qp=0，Hout

＝Hin

焓与状态有关，规定物质的基态为：温度是298.15K、压力是101.325kPa（现为100kPa）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纯单质的焓为“零’。

Eg.石墨和金刚石为单质碳，石墨稳态，基态下焓为零;金刚石是非稳态，基态下焓为1.897KJ／mol。任意状态的焓为

第一项是基态下元素转变成该物质的生成焓变（或标准生成热）；第二项是该物质由298K恒压变温到温度T的显焓变，n为物质的量

热量衡算注意：确定衡算对象选定物料衡算基准。热量衡算之前，先物料衡算求出各物料的量，有时物、热衡算式要联立求解，均应有同一物料衡算基准。确定温度基准。各种焓值均与状态有关，多数反应过程在恒压下进行，一般多以298K（或273K）为基准温度。注意物质的相态。同一物质在相变前后是有焓变的。

化学反应过程中焓变：化学反应一般在非标准状态下进行，其总焓变：

ΔH＝∑Hout

－∑Hin

＝ΔH1

＋△H2＋∑ΔHR*+ΔH3

＋△H4

相变过程的焓变焓变反应的焓变显焓变2.6.3衡算的一般步骤画出工艺流程示意图所有物流均画出，表示数量、组成、温度、压力写出化学反应方程式所有主副反应方程式，配平；标上转化率、收率(选择性)、物质相态、反应热效应选择衡算基准列出平衡式进行计算汇总平衡表

选择衡算基准?物料衡算基准：哪一物流、数量、时间单位热量衡算基准：温度——取反应热效应指定（298°k）相态——反应热效应所在反应式中规定的各物质的相态

A(g)+B(l)→C(l)+D(g)ΔH°298=-115KJ/mol

对A—选气相基准相态B—选液相

C—选液相D—选气相举例说明（讲解例题1）

2.6.4一般反应过程的物料衡算直接求算物料衡算方法

原子平衡利用联系物进行计算（1）直接求算法利用生产任务和给定的工艺指标(转化率、收率)，根据化学计量关系，直接进行推算,工艺设计中常用条件:知道所有的主副反应及工艺指标。

例2（2）原子平衡法特别适用于反应很复杂，无法准确写出主副反应方程式，由已知原料和反应产物组成，根据化学反应中原子的种类和数量不变的原理，列出原子平衡关系进行衡算。产物组成应是全分析的，比较可靠。例3见教材P39例2－5(3)利用联系物计算法

由已知的原料和产物组成，根据惰性物质在反应前后，其数量不变的原理，并利用化学计量关系进行计算.

例42.6.5一般反应过程的热量衡算任务：交换的热量、载热体（冷却剂）用量常压反应过程Qp=△H例5见教材P44例2－62.6.6特殊反应过程的物料和