3、4工艺过程及参数

第3讲工艺过程分析与组织一个化学反应过程能否进行、能否应用于生产实际主要应从化学平衡、反应速度等方面分析，判断其是否具有可能性和现实性。,3.1化学反应平衡分析3.1.1化学反应可能性分析（1）依据热力学第二定律：即热功转化方向“热不能自动从低温物体传到高温物体”；“第二类永动机不存在”；“隔离物系中，自发过程向着熵增大的方向进行”。（2）目的判断反应进行可能性、各反应难易程度、寻找合适工艺条件、了解反应极限（3）方法利用反应前后G的正、负号G0自发，G=0平衡，G0不能,3.1.2反应难易程度的比较当反应能自发进行时，其难易程度要视平衡常数Kp而定（气均相或有气相参加的反应）：Kp=-G0/RT，当G00时，Kp较大，反应容易进行；当G00时，Kp较小，反应不易进行；当G0=0时，Kp=1，反应不易进行。,3.1.3反应限度分析一般地，任何反应过程都不可能进行完全，存在平衡，平衡状态是反应进行限度。反应的限度用平衡转化率X*表示，X*越大则反应限度越大，反之则反。,3.1.4反应平衡的移动化学反应平衡是暂时的，是有条件的。当外界条件T、P、组成等发生变化时，旧的平衡就被打破，反应进行直到在新条件重新建立平衡，即平衡移动。平衡移动原理：当平衡所处条件变化时，则反应向着消弱这种变化的方向移动。即:温度升高时，反应向着吸热方向移动压力升高，反应向着分子数减少的方向移动反应物浓度升高，向着生成产物的方向移动反之则反。,3.2.化学反应速度分析3.2.1影响化学反应速度的因素（1）化学反应速度（速率）rA：单位时间单位反应体积内某一反应物或生成物的改变量（2）影响因素温度、浓度（压力）其中：阿罗尼乌斯公式k=e-E/RT3.2.2温度的影响活化能反映温度对速度影响的敏感程度3.2.3催化剂的影响改变了反应的活化能E,3.3工业催化剂3.3.1催化剂的作用和特征(1)催化剂的作用化工生产80%以上的反应过程用到催化剂催化剂:能改变反应速度而反应前后的量和化学性质均不改变的物质加速反应的为正催化剂,反之为负催化剂催化剂改变了反应的活化能E。活化能反映了温度对反应速度影响的敏感程度催化剂的作用即改变了反应途径，降低了活化能。,（2）催化剂的基本特征参加了反应，但前后数量和化性未变缩短到达平衡的时间，而不改变平衡状态催化剂具有选择性（3）催化反应的分类分为均相和非均相催化反应两类,3.3.3固体催化剂的构成按形态，工业催化剂可分液体催化剂和固体催化剂两类，而固体催化剂应用最为广泛（1）固体催化剂的构成活性组分：起催化剂作用的物质助催化剂：本身无催化作用，但可提高催化剂的活性、选择性和稳定性的物质载体：负载活性组分和助催化剂的物质还包括抑制剂,3.3.4工业生产对催化剂的要求（1）要求活性高选择性好抗毒性好热稳定性好机械强度好。热稳定性和机械强度即强度（2）催化剂的性能指标比表面积即1g催化剂具有的总表面积活性催化剂改变反应速度的能力，表示用比活性单位表面积上的反应速度常数转化率一定温度、配比、反应时间下转化率空时收率单位时间、单位体积的催化剂上生成的目的产物的量,选择性表示催化剂促使反应向着所要求的方向进行的能力，用主产率表示催化剂的强度、形状和密度催化剂强度指催化剂耐压、耐磨和抗冲击能力催化剂形状催化剂颗粒形状，用形状系数表示催化剂密度包括真密度、颗粒密度和堆密度催化剂的寿命指催化剂从开始使用到经过再生也难以恢复其活性为止的时间。,3.3.5催化剂的使用（1）活化使新制备催化剂的活性和选择性提高到正常水平的操作过程。最常用的还原方法是空气氧气高温煅烧法和升温还原法（2）活性衰退原因中毒由反应物带入的物质造成的活性衰退分临时和永久中毒。对应物质称催化剂毒物积碳指反应中因深度裂解或因聚合而生成的物质覆盖了催化剂的活性表面而使活性衰退化学结构改变指由于再结晶、熔结、分散和松弛等引起化学结构的改变而使活性衰退组成改变损失组分发生反应或被反应物带走,（3）再生采用物理和化学方法使催化剂恢复活性的过程。催化剂活性的衰减分可逆和不可逆两类。能经再生而恢复活性的属可逆的，称暂时失活；否则不可逆，称永久失活（4）催化剂使用注意事项防空气防毒物严控温度减条件波动催化剂装填均匀催化剂活性的保持升温,3.4影响反应过程因素分析化工生产过程的中心环节是化学反应（1）反应过程优化目标优质、高产、低耗、安全，即高的转化率、好的选择性、低的消耗、安全生产（2）因素分析讨论时，以其他条件不变温度温度与平衡：放热，TK温度与速度：Tk温度与催化剂：活性温度范围内则，温度条件应综合考虑，寻的最佳操作温度,压力压力与平衡：分子数增多，P左移压力与速度：除0级反应，P速度压力与设备能力：P生产能力压力与消耗：P能耗、材耗、安全要求则，压力条件应综合考虑，寻的最佳操作压力原料配比理想配比：按化学计量系数原料配比与平衡：原料浓度右移原料配比与速度：原料浓度速度原料配比与分离：过量物的分离回收则，原料配比在爆炸限范围内，综合考虑,停留时间又接触时间，与空速反相关。空速停留时间转化率选择性能力则，空速应综合考虑转化率、产率、收率,3.5工艺过程组织分析3.5.1工艺操作(1)化工生产的操作:反应、分离和提纯、混合、调节温度、调节压力，即三传一反(2)工艺操作方式分为:间歇、连续和半间歇3.5.2工艺过程组成（1）化工工序：物理工序和化学工序（2）化工过程：从原料到最终的产品，包括原材料准备、反应过程、产品分离提纯、综合利用、后加工、三废处理等工序,3.5.3工艺流程工艺流程原料到产品所经历的全过程工艺流程图工艺流程的图解形式，分为三类（1）生产工艺流程图（2）物料流程图（3）带控制点的工艺流程图,第四讲化工过程参数化工过程指原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的过程，它是由化学反应过和一系列的单元操作过组成的系统。对化工过程，衡量反应效果的优劣常用转化率、收率等技术参数；而衡量整个过程的经济性则可采用消耗定额等经济指标；影响过程运行状态的物理量温度、压力流量等称为工艺参数即工艺指标。,一、技术参数1.转化率（XA）转化率指某反应物A转化掉的量占反应前总量的百分率，XA=（反应物A转化掉的量/反应前A总量）%转化率对反应物而言；不同的反应物转化率不同；反应程度不同数值不同；操作方式不同计算的物料基准不同。对连续式操作过程，若反应物存在循环，则分为单程转化率和全程转化率。,（1）单程转化率(XA，单)某反应物一次通过反应器的转化率。单程转化率是以反应器为研究对象，即反应器内反应物A转化掉的量占反应前输入反应器内总量的百分数。（2）全程转化率(XA，全)全程转化率也称总转化率，指新鲜反应物A进入反应循环系统到离开所达到的转化率；全程转化率是以整个循环系统为研究对象，即循环系统内反应物A转化掉的量占反应前输入循环系统内总量的百分数。,举例：乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯的流程如图：已知新鲜乙炔的流量为600Kg/h，混合乙炔的流量为5000Kg/h，反应后分离出的乙炔流量为4450Kg/h，循环乙炔的流量为4400Kg/h，弛放乙炔的流量为50Kg/h。计算乙炔的单程转化率和全程转化率。,新鲜乙炔,混合器,反应器,分离器,产品P,弛放乙炔,分流器,待循环料S,循环乙炔,FF,MF,RP,解：对反应器，XA，单=（5000-4400）/5000=11%对于循环系统，XA，全=（600-50）/600=91.67%,2.选择性（SA）和产率（YP）选择性和产率，都表示主反应的选择性；选择性指某反应物A转化为主产物的量与转化的总量之比，SA=（反应物A转化为主产物的量/转化的总量）%产率指主产物的实际产量与按反应物A转化总量计算的理论产量之比，YP=（主产物实际产量/转化总量的理论产量）%对同一反应物，选择性与产率数值相等。,3.收率（ZP）收率指主产物的实际产量与按反应物A反应前总量计算的理论产量之比，ZP=（主产物实际产量/反应前总量的理论产量）%或，ZP=（某产物转化主产物的量/反应前总量）%对连续式操作过程，若反应物存在循环，则分为单程收率和总收率。分别以反应器和以循环系统为对象，且对同一反应物，总收率大于单程收率。当混合物的组成难定时，用质量收率。,举例：有一年产1500t的苯乙烯脱氢装置,C6H5C2H5C6H5C2H3+H2C6H5C2H5C6H6+C2H4在650操作，苯乙烯产率为90%,收率为40%,苯产率为10%。求每小时出装置的物料组成。解：苯乙烯的产量1500 x1000/7200/104=2kmol/h按反应式得，实际转化为苯乙烯的乙苯的量为2kmol/h，得到的量为2kmol/h，由收率定义，乙苯加入量：2/40%=5kmol/h,又按产率的定义，由苯乙烯产率90%得，乙苯转化总量2/90%=2.22kmol/h，则，乙苯未转化量5-2.22=2.78kmol/h乙苯的转化率为2.22/5=44.4%由苯产率为10%得，转化为苯的乙苯的量为2.2210%=0.222kmol/h反应得到苯和乙烯的量均为0.222kmol/h则出反应器的物料总量：2.78+2+2+0.222+0.222=7.224kmol/h则组成：,二、经济参数1.生产能力和处理能力生产能力指一台设备、一套装置或一个工厂在单位时间生产的产品量，Kg/h、t/d、kt/a；处理能力即加工能力，指一台设备、一套装置或一个工厂在单位时间加工或处理的原料量，Kg/h、t/d、kt/a。,2.生产强度生产强度指单位体积或单位面积的设备在单位时间内生产的产品量或加工处理的原料量，Kg/hm3、t/dm3、kt/am3；对于gs相催化反应器，生产强度常用空时收率表示，指单位时间内单位体积或单位质量的催化剂所得到的产品量，Kg/（hm3）3.消耗定额消耗定额指生产单位产品所消耗的原料及原材料的量，Kg/t、t/t；原料消耗定额分理论和实际消耗定额，两者之比称原料的利用率。,三、工艺参数工艺参数即工艺指标，影响过程运行状态，最佳工艺参数可得好的技术和经济参数。1.温度影响反应过程的平衡和速度。对不可逆反应，只考虑后者；可逆反应，要考虑两者。反应速度常数与温度关系k=Aexp（-E/RT），Tk，且活化能E越大k变化越大。理想气体的可逆反应，平衡常数与温度关系lgK=-H0R/(2.303RT)，则放热，TK吸热TK。对可逆放热存在TOPT。温度选择考虑平衡和速度，兼催化剂活性等,2.压力一般，压力对速度影响：P