化工生产基础理论.ppt

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1、化工生产基础理论化工生产基础理论 Basic Theory of Chemical Production化学工业出版社总教学目标总教学目标知识目标知识目标能力目标能力目标素质目标素质目标 化学工业出版社知识目标1.了解催化剂在工业生产中的应用、组成与了解催化剂在工业生产中的应用、组成与性能。性能。2.了解化工生产过程中常用的经济评价指了解化工生产过程中常用的经济评价指标。标。3.理解催化剂的基本特征。理解催化剂的基本特征。化学工业出版社1231.能进行物能进行物料衡算和能料衡算和能量衡算。量衡算。2.能进行经能进行经济评价指标济评价指标的计算。的计算。3.能对化工能对化工产品生产过产品生产过程

2、的工艺因程的工艺因素等进行分素等进行分析。析。能力目标能力目标化学工业出版社素质目标素质目标2.掌握正确的学习方法，熟悉化工掌握正确的学习方法，熟悉化工生产技术发展的特点，做一名适应生产技术发展的特点，做一名适应现代化工发展的人才。现代化工发展的人才。1.能分析解释社会生活中与化能分析解释社会生活中与化工生产相关的有关事件、现象，工生产相关的有关事件、现象，具备辩证唯物的思考能力。具备辩证唯物的思考能力。化学工业出版社主要内容主要内容化学工业出版社第一节工业催化剂及使用第一节工业催化剂及使用The Industrial Catalysts and Application化学工业出版社 技能目标

3、：技能目标：1.1.能对催化剂进行装填、更换、活化等操作。能对催化剂进行装填、更换、活化等操作。2.2.能根据反应特点进行催化剂的选择。能根据反应特点进行催化剂的选择。应用知识应用知识 1.催化催化剂的基剂的基本特征。本特征。2.催化剂的催化剂的种类、组成、种类、组成、使用及发展。使用及发展。3.催化剂催化剂的制备方的制备方法。法。应用知识应用知识化学工业出版社定义定义 催化剂催化剂（catalystcatalyst）在化学反应体系中，因加入了某种物质而使在化学反应体系中，因加入了某种物质而使化学反应速率发生改变，但该物质的数量和化学反应速率发生改变，但该物质的数量和化学性质在反应前后不发生变

4、化化学性质在反应前后不发生变化 。负催化剂或抑制剂负催化剂或抑制剂（negative catalyst&inhibitor negative catalyst&inhibitor）能明显降低反应速率的物质。能明显降低反应速率的物质。化学工业出版社内内 涵涵v催化剂的组成、特征与制备催化剂的组成、特征与制备(formulation(formulation、features and preparation methods of catalyst)features and preparation methods of catalyst)催化剂催化剂基本特征基本特征、催化剂、催化剂组成组成与与性能性能

5、、催化剂、催化剂的的制备方法制备方法等。等。v催化剂的使用技术催化剂的使用技术（the usage of industrial the usage of industrial catalyst catalyst）催化剂的催化剂的失活失活和和再生再生、催化剂的、催化剂的装填装填和和卸出卸出 。化学工业出版社内内 涵涵v许多类型的材料，包括金属、化合物许多类型的材料，包括金属、化合物(如金属氧如金属氧化物、硫化物、氮化物、沸石分子筛等化物、硫化物、氮化物、沸石分子筛等)、有机、有机金属配合物和酶等，都可以作为催化剂。金属配合物和酶等，都可以作为催化剂。v催化剂并非所有部分都参与反应物到产物间的催化

6、剂并非所有部分都参与反应物到产物间的转化，催化作用是催化剂活性中心对反应物分转化，催化作用是催化剂活性中心对反应物分子的激发与活化子的激发与活化 。化学工业出版社一、催化剂的基本特征一、催化剂的基本特征Basic Features of CatalystBasic Features of Catalyst化学工业出版社27 五月 202313基本特征基本特征1.催化剂只能催化剂只能改变化学反应改变化学反应的速率，缩短的速率，缩短到达平衡的时到达平衡的时间，却不能改间，却不能改变化学平衡的变化学平衡的状态，即不能状态，即不能改变平衡常数。改变平衡常数。2.催化剂只催化剂只能加速热力能加速热力学上

7、可能进学上可能进行的化学反行的化学反应，而不能应，而不能加速热力学加速热力学上不能进行上不能进行的反应。的反应。3.催催化剂化剂具有具有较强较强的选的选择性。择性。4.催催化剂化剂具有具有一定一定的使的使用寿用寿命。命。化学工业出版社二、催化剂的组成与性能二、催化剂的组成与性能 Formulation&Performance of CatalystFormulation&Performance of Catalyst化学工业出版社二、催化剂的组成与性能二、催化剂的组成与性能生物催化剂生物催化剂生物催化剂生物催化剂:即酶催化剂，是活性细胞和游离酶或固定即酶催化剂，是活性细胞和游离酶或固定化酶的总

8、称。具有能在常温常压下反应、反应速度快、化酶的总称。具有能在常温常压下反应、反应速度快、催化作用专一、选择性高等优点，但是不耐热，易受某催化作用专一、选择性高等优点，但是不耐热，易受某些化学物质及杂菌的破坏而失活，稳定性差，寿命短，些化学物质及杂菌的破坏而失活，稳定性差，寿命短，对温度及对温度及PHPH值范围要求较高。值范围要求较高。化学工业出版社钯催化剂钯催化剂雷尼镍催化剂雷尼镍催化剂煤制天然气甲烷化催化剂煤制天然气甲烷化催化剂高浓度高浓度CO气体抗毒脱氧剂气体抗毒脱氧剂 非生物催化剂非生物催化剂化学工业出版社二、催化剂的组成与性能二、催化剂的组成与性能（1 1）液体催化剂的组成）液体催化剂

9、的组成 液体催化剂分为酸碱型催化剂和金属配液体催化剂分为酸碱型催化剂和金属配合物催化剂。酸催化剂包括合物催化剂。酸催化剂包括HClHCl、H H2 2SOSO4.4.有机酸等；有机酸等；碱催化剂主要包括有机胺等。金属配合物催化剂碱催化剂主要包括有机胺等。金属配合物催化剂包括过渡金属配合物、电子受体配合物、过渡金包括过渡金属配合物、电子受体配合物、过渡金属及典型金属的配合物等。属及典型金属的配合物等。化学工业出版社催化剂的主要成分，起催化作催化剂的主要成分，起催化作用的根本性物质。用的根本性物质。能够提高活性组分的活性和选择能够提高活性组分的活性和选择性，改善催化剂的耐热、抗毒、性，改善催化剂的

10、耐热、抗毒、机械强度和寿命等性能机械强度和寿命等性能。催化剂的骨架催化剂的骨架。活性组分活性组分 助催化剂助催化剂 载体载体固体固体催化催化剂剂（2）固体催化剂）固体催化剂化学工业出版社（1 1）催化剂的活性）催化剂的活性 指催化剂改变化学反应速率的能力。是开发新型催指催化剂改变化学反应速率的能力。是开发新型催化剂和改进催化剂性能的主要目标之一。化剂和改进催化剂性能的主要目标之一。（2 2）催化剂的选择性）催化剂的选择性 指在催化反应过程中反应所消耗的原料转化为目的指在催化反应过程中反应所消耗的原料转化为目的产物的能力。选择性是催化剂的重要特性之一产物的能力。选择性是催化剂的重要特性之一,催化

11、剂催化剂选择性越高说明得到目的产物的比率就越高。选择性越高说明得到目的产物的比率就越高。2.工业催化剂的性能指标工业催化剂的性能指标化学工业出版社（3 3）比表面）比表面通常把通常把1g1g催化剂所具有的表面积称为该催化剂的比表面积，单位催化剂所具有的表面积称为该催化剂的比表面积，单位m m2 2/g/g。（4 4）催化剂的稳定性）催化剂的稳定性(寿命寿命)指催化剂在反应条件下维持一定活性和选择件水平的时间指催化剂在反应条件下维持一定活性和选择件水平的时间(单程寿单程寿命命)，或者加上每次下降后经再生而又恢复到许可水平的累计时间，或者加上每次下降后经再生而又恢复到许可水平的累计时间(总寿命总寿

12、命)，是衡量催化剂的活性和选择性随时间变化情况的指标。，是衡量催化剂的活性和选择性随时间变化情况的指标。a a热稳定性热稳定性 催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。b b化学稳定性化学稳定性 催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下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程度发生变化的难易程度 c c机械稳定性机械稳定性 固体催化剂颗粒有抵抗摩擦、冲击、重力的固体催化剂颗粒有抵抗摩擦、冲击、重力的作用以及耐受温度、相变应力的能力。作用以及耐受温度、相变应力的能力。d d耐毒性耐毒性 即催化剂对有毒物质的抵抗力。即催化剂对有毒物质的抵抗力。2.工业催

13、化剂的性能指标工业催化剂的性能指标化学工业出版社三、催化剂制备方法简介三、催化剂制备方法简介 Preparation Methods of CatalystPreparation Methods of Catalyst化学工业出版社1.沉淀法沉淀法是最常用的催化剂制备方法。是最常用的催化剂制备方法。金属金属盐水盐水溶液溶液固固体体沉沉淀淀过过滤滤沉淀剂沉淀剂洗洗涤涤干干燥燥培培烧烧粉粉碎碎催催化化剂剂化学工业出版社 是将一种或几种活性组分载于载体上的技术。是将一种或几种活性组分载于载体上的技术。将载体浸泡于含有活性组分的溶液中，金属盐类溶液吸将载体浸泡于含有活性组分的溶液中，金属盐类溶液吸附或

14、贮存在载体毛细管中，除去过剩的溶液，经干燥、燃附或贮存在载体毛细管中，除去过剩的溶液，经干燥、燃烧和活化，可制得催化剂产品。烧和活化，可制得催化剂产品。是制造多组分工业催化剂最简便的方法。是制造多组分工业催化剂最简便的方法。将粉末细粒状的两种或两种以上催化剂在球磨机或碾子上将粉末细粒状的两种或两种以上催化剂在球磨机或碾子上经机械混合后，再经干燥、焙烧和还原等操作制得的产品。经机械混合后，再经干燥、焙烧和还原等操作制得的产品。2.浸渍法浸渍法3.混合法混合法三、催化剂制备方法简介三、催化剂制备方法简介化学工业出版社四、工业生产对催化剂的一般要求四、工业生产对催化剂的一般要求 General Re

15、quirements of Catalyst in the General Requirements of Catalyst in the Industrial ProductionIndustrial Production化学工业出版社一般要求一般要求1.具具有有较较高高活活性性 2.较较好的好的选择选择性和性和稳定稳定性性3.催化催化剂的形剂的形貌与大貌与大小，必小，必须与相须与相应的反应的反应过程应过程相适应相适应 4.机机械强械强度要度要高高5.抗抗毒毒性性能能好好6.耐耐热热性性好好7.使使用用寿寿命命长长化学工业出版社五、工业催化剂的使用五、工业催化剂的使用The Usage of

16、 Industrial CatalystThe Usage of Industrial Catalyst化学工业出版社1.1.活化活化（1 1）活化方法各异）活化方法各异（2 2）温度控制非常重要）温度控制非常重要2.2.催化剂的失活催化剂的失活（1 1）物理因素）物理因素（2 2）化学因素）化学因素3.3.催化剂的再生催化剂的再生4.4.工业固体催化剂的使用工业固体催化剂的使用（1 1）固体催化剂的装填）固体催化剂的装填（2 2）固体催化剂的卸出）固体催化剂的卸出 化学工业出版社第二节化工生产过程常用经济评价指标General Economic Evaluating Indicators i

17、n the Chemical Production Process化学工业出版社 技能目标：技能目标：v 1.1.能进行转化率、选择性和收率等的计算；能进行转化率、选择性和收率等的计算；v 2.2.能进行生产强度、生产能力等计算；能进行生产强度、生产能力等计算；应用知识应用知识 1.转化转化率、选择率、选择性和收率；性和收率；2.生产强度、生产强度、生产能力等；生产能力等；3.消耗定消耗定额等。额等。应用知识应用知识化学工业出版社主要内容主要内容一、转化率、选择性和收率一、转化率、选择性和收率Conversion rate,Selectivity and Yield三、工艺技术经济评价指标三、

18、工艺技术经济评价指标Technical and Economic Evaluating Indicators二、生产能力与生产强度二、生产能力与生产强度 Production Capacity&Production Intensity化学工业出版社一、转化率、选择性和收率一、转化率、选择性和收率 1.1.转化率转化率 参加化学反应的某种原料量占通入反应体系的该种参加化学反应的某种原料量占通入反应体系的该种 原原料总量的百分率。料总量的百分率。（1 1）单程转化率）单程转化率 参加反应的原料量占通入反应器原料总量的百分率。参加反应的原料量占通入反应器原料总量的百分率。（2 2）总转化率）总转化率

19、 参加反应的原料量占通入反应体系原料总量的百分数。参加反应的原料量占通入反应体系原料总量的百分数。（3 3）平衡转化率）平衡转化率 指某一化学反应达到平衡状态时，转化为目的产物的指某一化学反应达到平衡状态时，转化为目的产物的 原原料占该种原料量的百分比。料占该种原料量的百分比。化学工业出版社 2.2.选择性选择性100%选择性选择性 =实际所得的目的产物量以某种反应原料的转化总量计算得到的目的产物理论量生成目的产物的某反应物的量该反应物的总转化量100%=一、转化率、选择性和收率一、转化率、选择性和收率化学工业出版社3.3.收率收率（1 1）单程收率）单程收率 单程收率单程收率=生成目的产物所

20、耗的某种反应物量生成目的产物所耗的某种反应物量输入到反应器的某反应物的量输入到反应器的某反应物的量100%（2 2）单程质量收率）单程质量收率 单程质量收率单程质量收率=生成目的产物的质量生成目的产物的质量投入反应器的某种原料的质量投入反应器的某种原料的质量100%一、转化率、选择性和收率一、转化率、选择性和收率化学工业出版社v一、转化率、选择性和收率一、转化率、选择性和收率v v 4.4.转化率、选择性和单程收率间的关系转化率、选择性和单程收率间的关系单程转化率单程转化率选择性选择性=单程收率单程收率化学工业出版社二、生产能力与生产强度二、生产能力与生产强度 1.生产能力生产能力 指一定时间

21、内直接参与企业生产过程的固定资产，指一定时间内直接参与企业生产过程的固定资产，在一定的工艺组织管理及技术条件下，所能生产在一定的工艺组织管理及技术条件下，所能生产规定等级的产品或加工处理一定数量原材料的能规定等级的产品或加工处理一定数量原材料的能力。力。两种表示方法两种表示方法：(1)(1)在单位时间在单位时间(年、日、小时、分等年、日、小时、分等)内生产的内生产的产品数量，用单位产品数量，用单位kg/hkg/h、t/dt/d或或kt/akt/a来表示来表示(2)(2)以加工原料的处理量来表示以加工原料的处理量来表示化学工业出版社二、生产能力与生产强度二、生产能力与生产强度 2.生产强度生产强

22、度 指设备的单位容积或单位面积指设备的单位容积或单位面积(或底面积或底面积)在单位时间内得到产物的数量，单位为在单位时间内得到产物的数量，单位为kg/(hm3),t/(dm3)或或kg/(hm2),t/(dm2)。化学工业出版社三、工艺技术经济评价指标三、工艺技术经济评价指标Technical and Economic Evaluating IndicatorsTechnical and Economic Evaluating Indicators化学工业出版社三、工艺技术经济评价指标三、工艺技术经济评价指标 1.原料消耗定额原料消耗定额(1)(1)理论消耗定额理论消耗定额 将初始物料转化为具

23、有一定纯度要求的将初始物料转化为具有一定纯度要求的最终产品，按化学反应方程式的化学计量为基础计算的消耗最终产品，按化学反应方程式的化学计量为基础计算的消耗定额，用定额，用“A A理理”表示表示 。(2)(2)实际消耗定额实际消耗定额 按实际生产中所消耗的原料量为基础计算按实际生产中所消耗的原料量为基础计算的消耗定额，用的消耗定额，用“A A实实”表示。表示。（A理理/A实）实）100%=原料利用率原料利用率=1-原料损失率原料损失率2.公用工程的消耗定额公用工程的消耗定额公用工程是指化工生产必不可少的供水、供热、冷冻、供电公用工程是指化工生产必不可少的供水、供热、冷冻、供电和供气等。和供气等。

24、化学工业出版社第三节第三节 化工生产过程化工生产过程物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算Mass Balance and Heat Balance of Chemical ProcessMass Balance and Heat Balance of Chemical Process化学工业出版社应用知识：应用知识：1.1.物料衡算、能量衡算的概念及作用；物料衡算、能量衡算的概念及作用；2.2.能量衡算、物料衡算的分类方法；能量衡算、物料衡算的分类方法；3.3.质量守恒定律原理；质量守恒定律原理；4.4.能量守恒定律原理。能量守恒定律原理。技能目标：技能目标：1.1.能够熟练进行化工生产过程的

25、物料衡算；能够熟练进行化工生产过程的物料衡算；2.2.能够熟练进行化工生产过程的能量衡算。能够熟练进行化工生产过程的能量衡算。化学工业出版社主要内容主要内容二、能量衡算二、能量衡算 Energy Accounting or Energy Balance一、物料衡算一、物料衡算Mass Balance化学工业出版社 1.1.物料衡算的理论基础物料衡算的理论基础 质量守恒定律质量守恒定律 2.2.物料衡算的范围物料衡算的范围 物料衡算针对的体系可以人为选定物料衡算针对的体系可以人为选定 3.3.物料衡算基本方程式物料衡算基本方程式 输入物料的总质量输入物料的总质量=输出物料的质量输出物料的质量+系

26、统内积累系统内积累 的物料质量的物料质量+系统损耗的物料质量系统损耗的物料质量 或或 (mi)(mi)入入=(mi)=(mi)出出+(mi)+(mi)积累积累+(mi+(mi）损耗损耗 一、物料衡算一、物料衡算化学工业出版社一、物料衡算一、物料衡算4.4.物料衡算的基本步骤物料衡算的基本步骤 （1 1）画出物料衡算示意图，确定衡算范围）画出物料衡算示意图，确定衡算范围 （2 2）写出化学反应式）写出化学反应式 （3 3）确定物料衡算任务）确定物料衡算任务 （4 4）收集、整理计算数据）收集、整理计算数据 （5 5）确定合适的计算基准）确定合适的计算基准 （6 6）列出方程组，求解）列出方程组，

27、求解 （7 7）整理、核对计算结果）整理、核对计算结果 化学工业出版社化学过程化学过程物理过程物理过程5.物料衡算物料衡算计算方法计算方法除了建立总物料衡算式外，除了建立总物料衡算式外，还可以对每一种组分分别还可以对每一种组分分别建立物料衡算式。建立物料衡算式。建立物料衡算式的方法必须考虑化学建立物料衡算式的方法必须考虑化学反应中生成和消耗的物料量。有直接反应中生成和消耗的物料量。有直接计算法、衡算联系物法、终点衡算法。计算法、衡算联系物法、终点衡算法。一、物料衡算一、物料衡算化学工业出版社示例示例1 1 甲烷气蒸汽转化过程的物料衡算甲烷气蒸汽转化过程的物料衡算某石化企业甲烷蒸汽转化车间，在装

28、有催化剂的管式转化器某石化企业甲烷蒸汽转化车间，在装有催化剂的管式转化器中进行甲烷转化反应。甲烷蒸汽转化的反应式为：中进行甲烷转化反应。甲烷蒸汽转化的反应式为：CHCH4 4+H+H2 2O=CO+3HO=CO+3H2 2 （3-43-4）CHCH4 4+CO+CO2 2=2CO+2H=2CO+2H2 2 （3-53-5）CO+HCO+H2 2O=COO=CO2 2+H+H2 2 （3-63-6）水蒸气与甲烷的物质的量比为水蒸气与甲烷的物质的量比为2.52.5，甲烷的转化率为，甲烷的转化率为75%75%，蒸汽转化温度为蒸汽转化温度为500500，离开转化器的混合气体中，离开转化器的混合气体中C

29、OCO和和COCO2 2之之比以反应比以反应(3-6)(3-6)达到化学平衡时的比率确定。已知达到化学平衡时的比率确定。已知500500时，时，式式(3-6)(3-6)的平衡常数为的平衡常数为0.83330.8333。若每小时通入的甲烷为。若每小时通入的甲烷为1kmol1kmol，求反应后气体混合物的组成。，求反应后气体混合物的组成。化学工业出版社管式反应器管式反应器CH4，1kmol/h1kmol/hH2O(g),2.5kmol/h2.5kmol/hCHCH4 4,0.25,0.25 kmol/hkmol/hH H2 2O(g),nO(g),nH2OH2O出出 kmol/hkmol/hCO,

30、nCO,nCOCO kmol/h kmol/hCOCO2 2,n,nCO2CO2kmol/hkmol/hH H2 2,n,nH2H2kmol/hkmol/h1 1画出物料衡算流程图画出物料衡算流程图2.2.确定计算基准确定计算基准 以以1kmol/h甲烷甲烷 作计算基准。作计算基准。进入转化器的进入转化器的H2O(g)量量=12.5=2.5 kmol/h 离开转化器的甲烷量离开转化器的甲烷量=1（1-0.75）=0.25 kmol/h化学工业出版社3.3.物料衡算物料衡算（1）碳元素平衡）碳元素平衡 nCH4入入=nCO+nCO2+nCH4出出 即即 1=nCO+nCO2+0.25 nCO+n

31、CO2=0.75 (1)（2）氧元素平衡）氧元素平衡 nH2O入入=nCO+2nCO2+nH2O出出 2.5=nCO+2nCO2+nH2O出出 (2)（3）氢元素平衡）氢元素平衡 4 nCH4入入+2 nH2O入入=4 nCH4出出+2nH2O出出+2nH2 14+2.52=0.254+2nH2O出出+2nH2 4=nH2O出出+nH2 （3）xzxwxyxx=0.8333求解得：求解得：nHnH2O O出出 =1.5 kmol/h nCO=0.5 kmol/h=1.5 kmol/h nCO=0.5 kmol/hnCOnCO2=0.25 kmol/h nH=0.25 kmol/h nH2=2.

32、5 kmol/h=2.5 kmol/h化学工业出版社4.4.列出物料衡算表列出物料衡算表化学工业出版社示例示例2 2 粗甲醇预精馏塔的物料衡算粗甲醇预精馏塔的物料衡算 某石化企业年产某石化企业年产5050万吨万吨/年精甲醇，年精甲醇，已知从合成已知从合成单元来的粗甲醇中：甲醇单元来的粗甲醇中：甲醇86.3%86.3%，低沸点杂质，低沸点杂质3.6%3.6%，杂醇烷烃，杂醇烷烃1.1%1.1%，高碳烷烃，高碳烷烃0.31%0.31%，水份，水份8.68%8.68%，试计算每年需要的粗甲醇量。，试计算每年需要的粗甲醇量。化学工业出版社1 1画出物料衡算流程图画出物料衡算流程图化学工业出版社2.2.

33、选定计算基准选定计算基准 以以1 1小时处理的粗甲醇量为计算基准小时处理的粗甲醇量为计算基准3 3物料衡算物料衡算（1 1）进入体系物料量）进入体系物料量 a.a.粗甲醇量粗甲醇量 以一年生产以一年生产330330天计算，生产过程中无泄漏，则天计算，生产过程中无泄漏，则1 1小时处理小时处理粗甲醇的量为：粗甲醇的量为：其中：其中：甲醇甲醇 杂醇烷烃杂醇烷烃 高碳烷烃高碳烷烃 化学工业出版社其中：其中：低沸点杂质低沸点杂质 水水 b.b.碱液量碱液量 每吨粗甲醇消耗每吨粗甲醇消耗20%20%的碱液大约为的碱液大约为3.73kg,3.73kg,则每小则每小时带入烧碱量：时带入烧碱量：同时随碱液带入

34、的水量：同时随碱液带入的水量：c.c.萃取水量萃取水量 萃取水量按进料量的萃取水量按进料量的20%20%计算：计算：化学工业出版社(2)(2)离开体系的物料量离开体系的物料量 a.a.塔顶馏出物塔顶馏出物 2633.468kg/h2633.468kg/h b.b.塔底排出预后物塔底排出预后物 73150-2633.468+54.57+218.27=73150-2633.468+54.57+218.27=70789.44kg/h70789.44kg/h其中：其中：甲醇甲醇 63128.4kg/h63128.4kg/h 高碳烷烃高碳烷烃 226.765kg/h226.765kg/h 杂醇烷烃杂醇烷

35、烃 804.65kg/h804.65kg/h 总水总水 6290.9+218.27+14630=211396290.9+218.27+14630=21139化学工业出版社4.4.物料衡算平衡表物料衡算平衡表化学工业出版社示例示例3 3 乙苯硝化过程的物料衡算乙苯硝化过程的物料衡算 某一化工企业年产某一化工企业年产300300吨对硝基乙苯，采用间歇法吨对硝基乙苯，采用间歇法生产，原料乙苯纯度为生产，原料乙苯纯度为9595，混酸组成为：，混酸组成为：HNOHNO3 3 32 32，H H2 2SOSO4 4 56 56，H H2 20 120 12。粗乙苯与混酸质量比。粗乙苯与混酸质量比1 1：1

36、.8851.885。对硝基乙苯收率为。对硝基乙苯收率为50%50%，硝化产物为硝基乙苯，硝化产物为硝基乙苯的混合物，对位：邻位：间位产物的比例为的混合物，对位：邻位：间位产物的比例为0.50.5：0.440.44：0.060.06。配制混酸所用的原料。配制混酸所用的原料H H2 2SOSO4 4 93 93，HNOHNO3 3 9696及及H H2 20 0，假设转化率为，假设转化率为100100。试计算消耗的各种。试计算消耗的各种原料量。原料量。化学工业出版社1.1.画出物料衡算流程图画出物料衡算流程图乙苯，乙苯，x xkg 杂质杂质配酸配酸硝化硝化分离分离对硝基乙苯，对硝基乙苯，y y1

37、1kg邻硝基乙苯，邻硝基乙苯，y y2 2kg间硝基乙苯，间硝基乙苯，y y3 3kgHNOHNO3 3，G G2 2 kgH H2 2SOSO4 4，M M2 2kgH H2 2O O，Z Z2 2 kg废酸废酸HNOHNO3 3，G G1 1kgH H2 2SOSO4 4，M M1 1kgH H2 2O O，Z Z1 1 kg2.2.确定计算基准确定计算基准 以每天生产对硝基甲苯的质量为计算基准以每天生产对硝基甲苯的质量为计算基准化学工业出版社3 3物料衡算物料衡算（1 1）进入体系物料量）进入体系物料量a.a.原料乙苯原料乙苯每天生产的对硝基乙苯每天生产的对硝基乙苯 纯乙苯纯乙苯 原料乙

38、苯原料乙苯 带入反应器的杂质带入反应器的杂质 1478.6-1404.6=74kg1478.6-1404.6=74kgb.b.混酸混酸混酸混酸 1478.61.885=2787.2kg1478.61.885=2787.2kg纯硝酸纯硝酸 32%2787.2=891.9kg32%2787.2=891.9kg96%96%的硝酸的硝酸 891.9/0.96=929.1kg891.9/0.96=929.1kg纯硫酸纯硫酸 56%2787.2=1560.8kg56%2787.2=1560.8kg93%93%硫酸硫酸 1560.8/0.93=1678.3kg1560.8/0.93=1678.3kg加入水加

39、入水 2787.2-929.1-1678.3=179.8kg2787.2-929.1-1678.3=179.8kg化学工业出版社（2 2）出反应体系的物料量）出反应体系的物料量硝化产物硝化产物 其中：对硝基乙苯其中：对硝基乙苯 1999.90.5=1000kg1999.90.5=1000kg邻硝基乙苯邻硝基乙苯 1999.90.44=880kg1999.90.44=880kg间硝基乙苯间硝基乙苯 1999.90.06=120kg1999.90.06=120kg废酸量废酸量其中：其中：已反应硝酸已反应硝酸 生成水生成水 剩余硝酸剩余硝酸 891.9-833.5=58.4kg891.9-833.5

40、=58.4kg 硫酸硫酸 1678.3kg1678.3kg 水水 334.5+238.1=572.6kg334.5+238.1=572.6kg 废酸总量废酸总量 58.4+1678.3+572.6=2309.3kg 58.4+1678.3+572.6=2309.3kg 化学工业出版社4.4.列出物料衡算表列出物料衡算表化学工业出版社二、能量衡算二、能量衡算 1.1.能量衡算的依据能量衡算的依据 稳流体系稳流体系的能量平衡方程：的能量平衡方程：H H+g+gz z+1/2+1/2u u2=2=Q Q+W WS S 若体系与环境之间无轴功交换，体系的动能若体系与环境之间无轴功交换，体系的动能 与位

41、能变化可以忽略不计，上式可以变成：与位能变化可以忽略不计，上式可以变成：H H=Q Q化学工业出版社12345（1）确）确定衡算定衡算体系体系（2）选定能量衡）选定能量衡算计算基准算计算基准 一一般以般以298.15K为为基准温度基准温度（3）收）收集、整理集、整理有关数据有关数据（4）列出物）列出物料平衡方程和料平衡方程和能量平衡方程能量平衡方程并计算求解并计算求解 2.能量衡算的方法和步骤能量衡算的方法和步骤（5）结果校验）结果校验 化学工业出版社示例示例4 4：甲烷气蒸汽转化过程的能量衡算：甲烷气蒸汽转化过程的能量衡算以示例以示例1 1甲烷蒸汽转化为例。甲烷蒸汽转化为例。1.1.画出物料

42、流向及变化示意图画出物料流向及变化示意图管式反应器管式反应器CH4，1kmol/hH H2 2O(g),2.5kmol/hO(g),2.5kmol/hCHCH4 4，0.25kmol/h0.25kmol/hH H2 2O(g)O(g)，1.50 kmol/h1.50 kmol/hCOCO，0.50 kmol/h0.50 kmol/hCOCO2 2，0.25 kmol/h0.25 kmol/hH H2 2，2.5 kmol/h2.5 kmol/h化学工业出版社2.2.确定基准确定基准 以以2525为基准温度。为基准温度。3.3.列出能量衡算方程列出能量衡算方程 假设系统保温良好，假设系统保温良好

43、，Q Q损损=0=0，根据题意，转化过程中需，根据题意，转化过程中需向转化器提供的热量为：向转化器提供的热量为：Q=HQ=H其中其中H=HH=Hi i出出-H-Hi i入入H Hi i=n=ni iHHFiFi+n+ni iC CP P25-500t=n25-500t=ni i(H(HFiFi+C+CP P25-500t)25-500t)化学工业出版社4.4.查取手册得到有关热力学数据查取手册得到有关热力学数据 各组分的标准生成焓各组分的标准生成焓H HFiFi和和2525500500间的平均间的平均摩尔定压热容摩尔定压热容C CP P,m m见下表：见下表：化学工业出版社5.5.计算计算 H

44、 Hi i入入=-51689-2.5225214=-614724kJ/h=-51689-2.5225214=-614724kJ/h H Hi i出出=-0.2551689-1.5225214-0.596260-=-0.2551689-1.5225214-0.596260-0.25372273+2.513913=-159 kJ/h0.25372273+2.513913=-159 kJ/h H=-457159+614724=157565 kJ/h H=-457159+614724=157565 kJ/h 因此，因此，Q=157565 kJ/hQ=157565 kJ/h 如热量损失按如热量损失按5%

45、5%计算，每小时提供的热量是：计算，每小时提供的热量是：Q=157565Q=157565化学工业出版社27 五月 202366应用知识与技能目标应用知识与技能目标 应用知识：应用知识：1.1.物理因素对化学反应的影响。物理因素对化学反应的影响。2.2.各种工艺因素对化学反应的影响各种工艺因素对化学反应的影响。技能目标：技能目标：1.1.能对化学过程进行热力学分析；能对化学过程进行热力学分析；2.2.能对化学反应进行动力学分析；能对化学反应进行动力学分析；3.3.能运用所学知识对生产过程进行工能运用所学知识对生产过程进行工艺分析。艺分析。化学工业出版社第四节第四节 影响化学反应过程的因素影响化学

46、反应过程的因素Influencing Factors in the Chemical Influencing Factors in the Chemical Reaction ProcessReaction Process化学工业出版社1 12 23 34 4一、物理因素分析一、物理因素分析Physical factors二、热力学分析二、热力学分析Thermodynamic Analysis三、动力三、动力学分析学分析Kinetic Analysis四、工艺参数的确定四、工艺参数的确定Selection of Technological Conditions主要内容主要内容 化学工业出版社1

47、.原料的影响原料的影响(1)原料的纯度原料的纯度与杂质与杂质(2)原料的配比原料的配比2.反应时间反应时间的影响的影响4.反应物浓反应物浓度的影响度的影响5.反应压力反应压力的影响的影响 一、物理因素分析一、物理因素分析3.空间速度空间速度与接触时间与接触时间的影响的影响化学工业出版社 二、热力学分析二、热力学分析1.化学反应可行性分析化学反应可行性分析(G)T,p 0，反，反应不能自发进行应不能自发进行(G)T,p0，反，反应处于平衡状态应处于平衡状态2.化学反应平衡移动分析化学反应平衡移动分析(1)温度温度 吸热反应，吸热反应，温度升高，反应向生温度升高，反应向生成物方向移动。放热成物方向

48、移动。放热反应，反应，H 0，温，温度下降，平衡向反应度下降，平衡向反应物方向移动，物方向移动，(2)压力压力 压力升压力升高，反应平衡向高，反应平衡向分子数减少的方分子数减少的方向移动向移动(3)反应物组成反应物组成化学工业出版社三、动力学分析三、动力学分析 1.1.温度对化学反应速率的影响温度对化学反应速率的影响图图3-5 反应速率与温度的关系反应速率与温度的关系2.催化剂对反应速率的影响催化剂对反应速率的影响 催化剂是提高反应速率的一种最常用、也是很有效的办法催化剂是提高反应速率的一种最常用、也是很有效的办法 。化学工业出版社四、工艺参数的确定四、工艺参数的确定 1.1.温度的确定温度的

49、确定 (1)(1)温度与化学反应速率的角度考虑温度与化学反应速率的角度考虑 (2)(2)温度变化对催化剂性能和使用影响的角度考虑温度变化对催化剂性能和使用影响的角度考虑 (3)(3)温度对反应效果影响的角度来考虑温度对反应效果影响的角度来考虑 (4)(4)温度对设备材质等因素约束的角度来考虑温度对设备材质等因素约束的角度来考虑2.2.压力的确定压力的确定 (1)(1)催化剂性能的角度考虑催化剂性能的角度考虑 (2)(2)化学平衡的角度考虑化学平衡的角度考虑 (3)(3)生产安全角度考虑生产安全角度考虑化学工业出版社四、工艺参数的确定四、工艺参数的确定 3.原料配比的确定原料配比的确定 (1)(

50、1)从化学平衡的角度从化学平衡的角度 (2)(2)安全生产安全生产 4.停留时间的确定停留时间的确定 (1)(1)适当的转化率适当的转化率(或选择性等或选择性等)所需的时间所需的时间 (2)(2)催化剂的性能催化剂的性能化学工业出版社案例案例1：吸热反应过程影响因素分析：吸热反应过程影响因素分析-乙苯脱氢乙苯脱氢一、基本原理一、基本原理化学工业出版社1.1.反应温度反应温度 工业生产上，适宜的温度为工业生产上，适宜的温度为600600左右。左右。2.2.反应压力反应压力 降低压力有利于脱氢反应。总压则采用略高于常压以克服降低压力有利于脱氢反应。总压则采用略高于常压以克服系统阻力，同时为了维持低