第二章化工生产过程及流程TOC\o"1-5"\h\zHYPERLINK\l"bookmark2"\o"CurrentDocument"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。（1）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。例如固体需破碎、过筛；液体需加热或气化；有些反应物要预先脱除杂质，或配制成一定的浓度。在多数主产过程中，原料预处理本身就很复杂，要用到许多物理的和化学的方法和技术，有些原料预处理成本占总生产成本的大部分。（2）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）或其他物料的性质以及反应设备的技术水平等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、烷基化、脱基化、分解、水解、水合、偶合、聚合、缩合、酯化、磺化、硝化、卤化、重氮化等众多反应；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。实现化学反应过程的设备称为反应器。工业反应器的类型众多，不同反应过程，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等；若按操作方式分，有间歇式、连续式和半连续式三种；若按换热状况分，有等温反应器、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。（3）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。在多数反应过程中，由于诸多原因，致使反应后产物是包括目的产物在内的许多物质的混合物，有时目的产物的浓度甚至很低，必须对反应后的混合物进行分离、提浓和精制才能得到符合规格的产品。同时要回收剩余反应物，以提高原料利用率。分离和精制的方法和技术是多种多样的，通常有冷凝、吸收、吸附、冷冻、闪蒸、精馏、萃取、渗透膜分离、结晶、过滤和干燥等，不同生产过程可以有针对性地采用相应的分离和精制方法。分离出来的副产物和“三废'也应加以利用或处理。二、化工生产工艺流程1工艺流程和
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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。将原料转变成化工产品的工艺流程称为化工生产工艺流程（或将一个过程的主要设备、机泵、控制仪
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、工艺管线等按其内在联系结合起来，实现从原料到产品的过程所构成的图）。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，同一产品用不同原料来生产，工艺流程也大不相同；有时即使原料相同，产品也相同，若采用的工艺路线或加工方法不同，在流程上也有区别。工艺流程多采用图示方法来表达．称为工艺流程图(flowsheet或processflowsheet)。在化学工艺学教科书中主要采用工艺流程示意图，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。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。组织工艺流程需要有化学、物理的理论基础以及工程知识，要结合生产实践，借鉴前人的
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。同时，要运用推论分析、功能分析、形态分析等方法论来进行流程的设计。推论分析法是从“目标'出发，寻找实现此“目标'的“前提”，将具有不同功能的单元进行逻辑组合，形成一个具有整体功能的系统。功能分析法是缜密地研究每个单无的基本功能和基本属性，然后组成几个可以比较的
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以供选择。因为每个功能单元的实施方法和设备型式通常有许多种可供选择，因而可组织出其有相同整体功能的多种流程方案。形态分析法是对每种可供选择的方案进行精确的分析和评价，择优汰劣，选择其中最优方案。评价需要有判据，而判据是针对具体问题来拟定的，原则上应包括：①是否满足所要求的技术指标；②技术资料的完整性和可信度；③经济指标的先进性；④环境、安全和法律等。第二节化工过程的主要效率指标一、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,t/d或kt/a,万t/a等。化工过程有化学反应以及热量、质量和动量传递等过程，在许多设备中可能同时进行上述几种过程，需要分析各种过程各自的影响因素，然后进行综合和优化，找出最佳操作条件，使总过程速率加快，才能有效地提高设备生产能力。设备或装置在最佳条件丁可以达到的最大生产能力，称为设计能力。由于技术水平不同，同类设备或装置的设计能力可能不同，使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。（2）生产程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。生产强度指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。在分析对比催化反应器的生产强度时，通常要看在单位时间内，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。单位为kg/h?m3，kg/h?
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平衡常数表达式为式中PA、pB、pR、ps分别为反应物组分A、B和产物R、S的平衡分压（其单位与P?相同）（纯固体或液体取1）;v、v、v、v分别为组分A、B、R、S在反应式中的化学计量系数；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P?为100kPa,过去曾定为101.325kPa，因此它们对应的标准平衡常数值是略有区别的。另外，在较早出版的书刊文献中，压力单位多用“atm（标准大气压）”所以组分的平衡分压单位也用atm，标准态压力P?=latm，故平衡常数的表达式则变成(2-24)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、或压力不太高（3MFa以下）和温度较高（200C以L）的条件下，真实气体的性质接近理想气体，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？a、？b、？r、？s――分别为反应达平衡时组分A、B、R、S的逸度各组分的逸度与其分压的关系为£—丫肌式中Pi――组分i的分压（其单位与P?相同）；yi――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?只与温反有关，而与压力无关，但Kp和Ky与温度和压力均有关。只有当真实气体性质接近埋想气体时，其逸度系数接近于1,此时K?=Kp，与压力无关若式（2-22）为理想溶液反应体系，其平衡常数Kc的表达式为W严仏潜严式中Ca、Cb、Cr、Cs分别为组分A、B、R、S的平衡浓度，mol/dm3（纯溶剂取1）；C?为标准浓度，统一规定为1mol/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，或具与温度的关系图表，有的也给出了相应的汁算公式。而且也有许多物质的逸度系数或它们的曲线、表格等。但查找时一定要注意适用的温度、压力范围及平衡常数的表达形式。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，无组分R,反应达平衡时组分A的平衡转化率为Xa，则A的转化量为aXAmol。那么平衡体系中组分A的量为（a-aXA）mol、组分B的量为（b-2aXA）mol和组分R的量为aXAmol，体系总量为（a+b—2aXA）mol;总压P。则各组分的平衡摩尔分数y和平衡分压p分别为5a=一+b—2aXA）;pfP旳-（b-2aX\）/（a+A—2a.XA）;处=.vbp+b-2^Xa）;f>n-mp所以有k二力Mpl二3R/力\厂（M泸）尿创2\赢护丿二抚X含（◎〒占一2°Xa尸他］T"（a~aXA）（b~2aX^®I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Kp，上式中a和b是已知的反应物起始量，由此可计算出Xa，继而可算出平衡组成。应注意，上式中总压P与标准态压力P?的单位应相同。对于本例，每转化Imol反应物A生成1mol产物R，则产物R相对于原料A的平衡产率为然而，每转化2mol反应物B生咸1mol产物R,则产物R相对于原料B的平衡产率为例1合成氮反应式为0-5N2+一已知録料气只有H与岛尔工的摩尔比为3/I.JI算在700K和3D/MFU下.合成反应怵热的平衡组成.乎橱转化嘩和平衡产率°从文厭中茂痔该反应在700K时的K/-0^00»48t标准态压力为100kPa(SfJG.lMPa),又青得在700K和364MH1下各组分的逸度系数廿别为:y(H2)-1.10sy(Nz)=1ASir(NHj)-0.90根攜式(Z28)求得K厂石而岭而nF・72设反应前有Jmol的％打WJH23moU若反应达半術时生成曲mol的NH蛰则剩余曲N?有｛1-0,5。》mol,剩余也有(3-]-5e=QJMPat由此町求出丹二1・IH2将此價带人以上齐组分的平絢摩尔分数公式，可计尊岀y(NH3)=4L95%;^(啊0-14.51崎,(Ih)=43.54%ft平翔转化率为A(N2)=(0.5X1.182)/1=0.591=59.1%或X(H3)=(1.5XMH2)/3=0.591-59J%因为麻料屮的氢拭比正好等卩化学卄量比，所U两奔的转化率相聲口乂因X副反应，选择性为爲故NHs的平衡产車即等于59”1邹=第三节反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应温度、压力、浓度、反应时间、原料的纯度和配比等众多条件是影响反应平衡和速率的重要因素，关系到生产过程的效率。在本书其他各章中均有具体过程的影响因素分析，此处仅简述以下几个重要因素的影响规律。一、温度的影晌1温度对化学平衡的影响对于不可逆反应不需考虑化学平衡，而对于可逆反应，其平衡常数与温度的关系为_AHe.2.303KT式中K——平衡常数;AHe-标摩反应熔差;r—n体希数苗T——反应温度.C——积分澤数。对于吸热反应，△H?>0，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，△H?V0，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2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耗量，或某产物的生成量。反应速率方程通常可用浓度的幕函数形式表示,例如对于反应其反宓速率方稈为义为所有反府绢分浓席为1时的反血速率*5、CnUn——分别代我组分A.B和D的瞬时浓厦；g口b和an——分*1代表正反应相对于组分A.B和D的反应级数*忖阳和和——分别杷表逆反应相瑞于组分仏H和L〉的反应级数口反应灼总级数抄”人+s+s十伴丸+曲+卩。(233)反应速里満数与温度的关系见阿累尼乌斯方程，即4=Acxp(-E/RD(2-34)式中k—反应速率常数匚A——抬前園子或频率因子*E——反应活化能；K——气T——反应温度’由上式可知，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10C,反应速率常数增大2-4倍在低温范围增加的倍数比高温范围大些，活化能大的反应其速率随温度升高而增长更快些。对干不可逆反应，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；对于可逆反应而言，正、逆反应速率之差即为产物生成的净速率。温度升高时。正、逆反应速率常数都增大，所以正、逆反应速率都提高，净速率是否增加呢？经过对速率方程式的分析得知：对于吸热的可逆反应，净速率r总是随着温度的升高而增高的；而对于放热的可逆反应，净速率r随温度变化有三种可能性，即
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