化工生产过程及流程模板.doc

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1、化工生产过程及流程模板61资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。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

2、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 经过该步骤完成

3、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) 或其它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

4、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

5、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, 一般有冷凝、 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, 不同生产过程能够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工艺流程和流程图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

6、仪表、 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示称为工艺流程图( flowsheet或process flowsheet) 。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

7、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, 借鉴前人的经验。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, 然后组成几个能够比较的方案以供选择。因为每个功能单元的实施方法和设备型式一般有许多种可供选择, 因而可组织出其有相同整体功能的多种流程方案。形态

8、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: 是否满足所要求的技术指标; 技术资料的完整性和可信度; 经济指标的先进性; 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, td或kta, 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

9、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能够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/hm3) , kg/hm2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, 一般要看在单位时间内, 单位体积催化剂或单

10、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/hm3, kg/hkg。二、 转化率、 选择性和收率( 产率) 化工总过程的核心是化学反应, 提高反应的转化率、 选择性和产率是提高化工过程效率的关键。1 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, 若反应物不但只有一个, 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A和B的转化率分别是式中XA、 XB分别为组分A和B的转化率; 人们常常对关键反应

11、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分, 为使其尽可能转化, 常使其它反应组分过量。对于不可逆反应, 关键组分的转化率最大为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的某反应物料量为起始量; 对于连续过程, 一般以反应器进口物料中某反应物的量为起始量。但对于采用循环流程( 见图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经过反应器的转化率, 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

12、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2选择性( selectivity) 对于复杂反应体系, 同时存在有生成目的产物的主反应和生成副产物的许多副反应, 只用转化率来衡量是不够的。因为, 尽管有的反应体系原料转化率很高, 但大多数转变成副产物, 目的产物很少, 意味着许多原料浪费了。因此需要用选择性这个指标来评价反应过释的效率。选择性系指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比, 用符号S表示, 其定义式如下选择性也可按下式计算上式中的分母是接主反应式的化学什量关系来计算的, 并

13、假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。在复杂反应体系中, 选择性是个很重要的指标, 它表示了主、 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。3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( 2-18) 中的分母系指反应器进口处混合物中的该原料量, 即新鲜原料与循环物料中该原料量之和。而对于总收率, 式( 2-18) 中分母系指新鲜原料中该原料量。4质量收率( mass yield) 质量收率的定义系指投人单位质量的

14、某原料所能生产的目的产物的质量, 即例1 乙烷脱氢生产乙烯时, 原料乙烷处理量为000kg/h, 产物中乙烷为000kg/h, 获得产物乙烯为00kg/h, 求乙烷转化率、 乙烯的选择性及收率。解: 乙烷转化率=( 8000-4000) /8000*100%=50% 乙烯的选择性=( 3200*30/28) /4000*100%=85.7% 乙烯的收率=50%*85.7%*100%=42.9%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=1924.4(kg/h)三

15、、 平衡转化率和平衡产率的计算可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率, 此时所得产物的产率为平衡产率。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) , 可是, 反应达平衡往往需要相当长的时间。随着反应的进行, 正反应速率降低, 逆反应速率升高, 因此净反应速率不断下降直到零。在实际生产中应保持高的净反应速率, 不能等待反应达平衡, 故实际转化率和产率比平衡值低。若平衡产率高, 则可获得较高的实际产率。工艺学的任务之一是经过热力学分析, 寻找提高平衡产率的有利条件, 并计算出平衡产率。在进行这些分析和计算时, 必须用到化学平衡常数, 它的定义及其应用在许多化学、 化工书刊中有论述

16、, 此处仅写出其定义式如下。对于反应若为气相反应体系, 其标准平衡常数表示式为式中 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) ;A、 B、 R、 S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 100 kPa, 过去曾定为 101.325 kPa, 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) ”, 因此组分的平衡分压单位也用atm, 标准态压力P=latm, 故平衡常数

17、的表示式则变成因此, 在查找文献和手册中的平衡常数时, 一定要注意Kp的表示式是何种形式 。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( 3 MFa以下) 和温度较高( 200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示, 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式中Pi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

18、推导出K只与温反有关, 而与压力无关, 但KP和K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的表示式为式中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 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。 平衡常数可经过实验测定, 现在许多化学、 化工手册、 文献

19、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示形式。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( ab2aXA) mol; 总压P

20、。则各组分的平衡摩尔分数y和平衡分压p分别为因此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 lmol反应物 A生成1mol产物R, 则产物R相对于原料A的平衡产率为然而, 每转化 2 mol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

21、其它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。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。反应速率方程一般可用浓度的幂函数形式表示, 例如对于反应由上式可知, k总是随温度的升高而增加的( 有极少数例外者) ,

22、 反应温度每升高10, 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, 因此正、 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, 净反应速率开始随

23、着温度的升高而下降。净速率有一个极大值, 此极大值对应的温度称为最佳反应温度, 亦称最适宜反应温度。净速率随温度的变化如图2-10曲线所示。二、 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对, 往往使价廉易得的反应物过量, 从而能够使价贵或难得的反应物更多地转化为产物, 提高其利用率。从反应速率式( 2-32) 可知, 反应物浓度愈高, 反应速率愈快。一般在反应初期, 反应物浓度高, 反应速率大, 随着反应的进行, 反应物逐浙消耗, 反应速率逐渐下降。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

24、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。对于可逆反应, 反应物浓度与其平衡浓度之差是反应的推动力, 此推动力愈大则反应速率愈高。因此, 在反应过程中不断从反应区域取出生成物, 使反应远离平衡, 既保持了高速率, 又使平衡不断向产物方向移动, 这对于受平衡限制的反应, 是握高产率的有效方法之一。近年来, 反应-精馏、 反应-膜分离、 反应-吸附( 或吸收) 等新技术、 新过程应运而生, 这些过程使反应与分离一体化, 产物一旦生成, 马上被移出反应区, 因而反应始终是远离平衡的。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,

25、 故压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大, 其规律为: 对分子数增加的反应, 降低压力能够提高平衡产率; 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。在一定的压力范围内, 加压可减小气体反应体积, 且对加快反应速率有一定好处, 但效果有限, 压力过高, 能耗增大, 对设备要求高, 反而不经济。惰性气体的存在, 可降低反应物的分压, 对反应速率不利, 但有利于分子数增加的反应的平衡。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, 若有催化剂存在指物料与催化剂的接触时间, 单位用秒( S) 表示。一般停留时间越长

26、, 原料转化率越高, 产物的选择性越低, 设备的生产能力越小, 空速越小; 反之亦然。五、 空速的影响空速为停留时间的倒数, 一般空速越大, 停留时间越短, 原料转化率越低, 产物的选择性越高, 设备的生产能力越大; 反之亦然。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的化学工业中均包含有催化( catalysis) 过程, 催化剂( catalyst) 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。( 1) 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, 但反应速率太慢或选择性太低, 不具有实用

27、价值, 一旦创造和使用催化剂, 则可实现工业化, 为人类生产出重要的化工产品。例如, 近代化学工业的起点合成氨工业, 就是以催化作用为基础建立起来的。近年来合成氨催化剂性能得到不断改进, 提高了氨产率, 有些催化剂能够在不降低产率的前提下, 将操作压力降低, 使吨氨能耗大为降低; 再如乙烯与氧反应, 如果不用催化剂乙烯会完全氧化生成 CO2和 H2O, 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乙烷, 它可用于制造乙二醇、 合成纤维等许多实用产品。( 2) 改进操作条件。采用或改进催化剂能够降低反应温度和操作庄力、 能够提高化学加工过程的效率。例如, 乙烯聚合反应若以有

28、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。( 3) 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甲醇羰基化合成醋酸的过程。工业醋酸原先是由乙醛氧化法生产, 原料价贵, 生产成本高。在20世纪 60年代, 德国 BASF公司借助钴络合物催化剂, 开发出以甲醇和CO羰基化合成醋酸的新反应过程和工艺; 美国孟山都公司于70年代又开发出铹络合物催化剂, 使该反应的条件更温和, 醋酸收卒高达99, 成为当今生产醋酸的先进工艺。( 4) 催化剂在能源开发和消

29、除污染中可发挥重要作用。前已述及催化剂在石油、 天然气和煤的综合利用中的重要作用, 借助催化剂从这些自然资源出发生产出数量更多、 质量更好的二次能源; 一些新能源的开发也需要催化剂, 例如光分解水获取氢能源, 其关键是催化剂。在请除污染物的诸方法中, 催化法是具有巨大潜力的一种。例如, 汽车尾气的催化净化; 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, 但该物质在反应前后的数量和化学性质不变, 称这种物质为催化剂。催化剂的作用是它能与反应物生成不稳定中间化合物, 改变了反应途径, 活化能得以降低。由阿

30、累尼乌斯公式可知, 活化能降低可使反应速率常数增大, 从而加速了反应。有些反应所产生的某种产物也会使反应迅速加快, 这种现象称为自催化作用。能明显降低反应速率的物质称为负催化剂或阻化剂。工业上用得最多的是加快反应速率的催化剂, 以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。( 1) 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。因此催化剂在生产过程中能够在较长时间内使用。( 2) 催化剂只能缩短达到化学平衡的时间( 即加速作用) , 但不能改变平衡。即是悦, 当反应体系的始末状态相同时, 无论有无催化剂存在, 该反应的自由能变化、 热效应、 平衡常

31、数和平衡转化率均相同。由此特征可知: 催化剂不能使热力学上不可能进行的反应发生; 催化剂是以同样的倍率提高正、 逆反应速率的, 能加速正反应速率的催化剂, 也必然能加速逆反应。( 3) 催化剂具有明显的选择性, 特定的催化剂只能催化特定的反应。催化剂的这一特性在有机化学反应领域中起了非常重要的作用, 国为有机反应体系往往同时存在许多反应, 选用合适的催化剂, 可使反应向需要的方向进行。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、 烷基化、 异构化、 芳构化、 羰基化、 卤化等众多催化剂; 按反应

32、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。金属催化剂、 氧化物催化剂和硫化物催化剂等是固体催化剂, 它们是当前使用最多最广泛的催化剂, 在石油炼制、 有机化工、 精细化工、 无机化工、 环境保护等领域中广泛采用。 三、 工业催化剂使用中的有关问题在采用催化剂的化工生产中, 正确地选择并使用催化剂是个非常重要的问题, 关系到生产效率和效益。一般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

33、间速度) 下, 催化剂使原料转化的能力。活性越高则原料的转化率愈高。或者在转化率及其它条件相同时, 催化剂活性愈高则需要的反应温度愈低。工业催化剂应有足够高的活性。一般用原料的转化率来表示催化剂的活性。( 2) 选择性 系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。选择性愈高, 生产单位量目的产物的原料消耗定额愈低, 也愈有利于产物的后处理, 故工业催化剂的选择性应较高。当催化剂的活性与选择性难以两全其美时, 著反应原料昂贵或产物分离很困难, 宜选用选择性高的催化剂; 若原料价廉易得或产物易分离, 则可选用活性高的催化剂。一般用产物的选择性来表示催化剂的选择性。( 3) 寿命 系指其使用期限的长

34、短, 寿命的表征是生产单位量产品所消耗的催化剂量, 或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短, 有的催化剂使用寿命可达数年, 有的则只能使用数月。虽然理论上催化剂在反应前后化学性质和数量不变, 能够重复使用, 但实际上当生产运行一定时间后, 催化剂性能会衰退, 导致产品产量和质量均达不到要求的指标, 此时, 俚化剂的使用寿俞结束, 应该更换催化剂。催化剂的寿命受以下几方面性能影响。化学稳定性。系指催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下发生变化的难易。在一定的温度、 压力和反应组分长期作用下, 有些催化剂的化学组成可能流失, 有的化合状态变化, 都会使催化剂的活性和选择性下降。热稳定性

35、。系指催化剂在反应条件下对热砍坏的耐受力、 在热的作用下, 催化剂中的一些物质的晶型可能转变; 微晶逐渐烧结; 络合物分解; 生物菌种和酶死亡等, 这些变化导致催化剂性能衰退。机械稳定性。系指固体催化剂在反应条件下的强度是否足够。若反应中固体催化剂易破裂或粉化, 使反应器内流体流动状况恶化, 严重时发生堵塞, 迫使生产非正常停工, 经济损失重大。耐毒性。系指催化剂对有毒物质的抵抗力或耐受力。多数催化剂容易受到一些物质的毒害, 中毒后的催化剂活性和选择性显著降低或完全失去, 缩短了它的使用寿命。常见的毒物有砷、 硫、 氯的化合物及铅等重金属, 不同催化剂的毒物是不同的。在有些反应中, 特意加人某

36、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。( 4) 其它 如廉价、 易得、 无毒、 易分离等。2 催化剂的活化许多固体催化剂在出售时的状态一般是较稳定的, 但这种稳定状态不具有催化性能, 催化剂使用厂必须在反应前对其进行活化, 使其转化成具有活性的状态。不同类型的催化剂要用不同的活化方法, 有还原, 氧化、 硫化、 酸化、 热处理等等, 每种活化方法均有各自的活化条件和操作要求, 应该严格按照操作规程进行活化, 才能保证催化剂发挥良好的作用。如果活化操作失误, 轻则使催化剂性能下降, 重则使催化剂报废, 经济损失巨大。3催化剂的失活和再生引起催化剂失活的原因较多, 对于络合

37、催化剂而言, 主要是超温, 大多数配合物在250以上就分解而失括; 对于生物催化剂而言, 过热、 化学物质和杂菌的污染、 PH值失调等均是矢活的原因; 对于固体催化剂而言, 其失活原因主要有: 超温过热, 使催化剂表面发生烧结, 晶型转变或物相转变; 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。催化剂积碳可经过烧碳再生。但无论是暂时性中毒后的再生还是积碳后的再生, 均会引起催化剂结构的损伤, 致使活性下降。因此, 应严格控制操作条件, 采用

38、结构合理的反应器, 使反应温度在催化剂最佳使用温度范围内合理地分布, 防止超温; 反应原料中的毒物杂质应该预充加以脱除, 使毒物含量低于催化剂耐受值以下; 在有析碳反应的体系中, 应采用有利于防止析碳的反应条件, 并选用抗碳性能高的催化剂。4催化剂的运输、 贮存和装卸催化剂一般价格较贵, 要注意保护。在运输和贮藏中应防上其受污染和破坏; 固体催化剂在装填于反应器中时, 要防止污染和破裂。装填要均匀, 避免出现”架桥”规象, 以防止反应工况恶化。许多催化剂使用后在停工卸出之前, 需要进行钝化处理, 特别是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后, 才能暴露于空气, 否刚遇空气剧烈氧化自燃, 烧坏

39、催化剂和设备。 第五节 反应过程的物料衡算和热量衡算( 在化工设计中讲) 物料衡算和热量衡算是化学工艺的基础之一, 经过物料、 热量衡算, 计算生产过程的原料消耗指标、 热负荷和产品产率等, 为设计和选择反应器和其它设备的尺寸、 类型及台数提供定量依据; 能够核查生产过程中各物料量及有关数据是否正常, 有否泄漏, 热量回收、 利用水平和热损失的大小, 从而查出生产上的薄弱环节和限制部位, 为改进操作和进行系统的最优化提供依据。在化工原理课程中已学过除反应过程以外的化工单元操作过程的物料、 热量衡算, 因此本节只涉及反应过程的物料、 热量衡算。一、 反应过程的物料衡算1 物料衡算基本方程式物料衡

40、算总是围绕一个特定范围来进行的, 可称此范围为衡算系统。衡算系统能够是一个总厂, 一个分厂或车间, 一套袋置, 一个设备, 甚至一个节点等等。物料衡算的理论依据是质量守恒定律, 按此定律写出衡算系统的物料衡算通式为2 间歇操作过程的物料衡算间歇操作属批量生产, 即一次投料到反应器内进行反应, 反应完成后一次出料, 然后再进行第二批生产。其特点是在反应过程中浓度等参数随咐间而变化。分批投料和分批出料也属于间歇操作。间歇操作过程的物料衡算是以每批生产时间为基准, 输人物料量为每批投入的所有物料质量的总和( 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

41、( 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它机械损失。3 稳定流动过程的物抖衡算生产中绝大多数化工过程力连续式操作, 设备或装置可连续运行很长时间, 除了开工和停工阶段外, 在绝大多数时间内是处于稳定状态的流动过程。物料不断地流进和流出系统。其特点是系统中各点的参数例如温度、 压力、 浓度和流量等不随时间而变化, 系统中没有积累。当然, 设备内不同点或截面的参数可相同, 也可不同。稳定流动过程的物料衡算式为对于无化学反应过程, 诸如混合、 蒸馏、 干燥等也可用物质的量来进行衡算。对于化学反应过程, 输

42、入物料的总的物质的量则不一定等于输出物料的总的物质的量。对其中某个组分i的衡算式可写为 因为上式中均为组分i的量, 分子量相同, 故也能够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, 常见来作联系物料进行衡算, 使汁算简化。另外, 在一般化学反应中, 原子本身不发生变化, 故可用元素的原子的物质的量来做衡算。能够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4物料衡算步骤化工生产的许多过程是比较复杂的, 在对其做物料衡算时应该按一定步骤来进行, 才能给出清晰的计算过程和正确的结果、 一般遵循以下步骤。第一步

43、, 绘出流程的方框图, 以便选定衡算系统。图形表示方式宜简单, 但代表的内容要准确, 进、 出物料不能有任何遗漏, 否则衡算会造咸错误。第二步写出化学反应方程式并配平之。如果反应过于复杂, 或反应不太明确写不出反应式, 此时应用上述的原子衡算法来迸行计算, 不必写反应式。第三步, 选定衡算基准。衡算基准是为进行物料衡算所选择的起始物理量, 包括物料名称、 数量和单位, 衡算结果得到的其它物料量均是相对于该基准面言的。衡算基准的选择以计算方便为原则, 能够选取与衡算系统相关的任何一股物料或其中某个组分的一定量作为基准。例如, 能够选取一定量的原料或产品( 1kg , 100kg , 1mol,

44、1m3等) 为基难, 也可选取卑位时间( 1h 、 1min、 1s等) 为基准。用单位量原料为基准, 便于计算产率; 用单位时间为基准, 便于计算消耗指标和设备生产能力。选择衡算基准是个技巧问题, 在计算中要重视训练, 基准选择恰当, 能够使计算大为简化。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。第五步, 设未知数, 列方程式组, 联立求解。有几个未知数则应列出几个独立的方程式, 这些方程式除物料衡算式外, 有时尚需其它关系式, 诸如组成关系约束式、 化学平衡约束式、 相平衡约束式、 物料量比例等等。第六步, 计算和核对。第七步, 报告计算结果。一般将己知及计算结果列

45、成物料收支平衡表, 表格能够有不同形式, 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。5 反应过程物斜衡算举例 进反应器的气体MF由新鲜原料FF和循环气RC组成, 混合过程无化学反应, 该三股物流中各组分的物质的量和摩尔分数列于下表最后, 围绕总系统做物料衡算, 输入物料是新鲜原料气( FF) , 输出物料是产物( P) 和排放气( W) , 吸收剂( 水) 的输入量与输出量不变, 可不考虑, 因此衡算图可表示为因为系统中有两个反应, 组分也较多, 为简便起见, 拟用元素的原子平衡法来进行物料衡算。即二、 反应过程的热量衡算1封闭系统反应过程的热量衡算对于化学反应体系, 其

46、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, 能够忽略不计。一般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; Q为系统与环境交换的热量( 规定由环境向系统传热时, Q取正号; 而由系统向环境传热时, Q取负号) ; W为系统与环境交换的功( 规定由环境向系统作功时, W取负号; 而由系统向环境作功时, w取正号) 。2稳态流动反应过程的热量衡算绝大多数化工生产过程都是连续操作的, 有物料的输入和输出, 属于开口系统。对于一个设备或一套装置来说, 进、 出系统的压力变化不大( 即相对总压而言, 压降可忽略不什) , 可认为是恒压过程。稳态流动反应过程就是一类最常见的恒压过程, 在该系统内无能量积累, 输入该系统的能量为输入物料的内能Uin和环境传人的热量Qp之和( 如果热量由系统传给环境, Qp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Uout 和系统对外作的功之和( 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) 。其能量衡算式为大多数反应过程不作非体积功, 因此上式可写成此式也适用于宏观动能变化和位能变化可忽略不计的传热、 传质过程, 如热交换器, 蒸馏塔等。对于稳态流动系统, 始态的焓Hin为输入的所有物料的焓之和, 终态的焓Hout为输出物料的焓之和。图2-11表示了一个稳态流动反应过程的热