化工单元基础培训

1、化工单元操作基础培训化工单元操作基础培训蒸发、萃取、（反应）蒸发、萃取、（反应）建德化工二厂 张群华 编制 二一四年八月关于化工单元操作u 目前世界上有种类数以万计的化工产品，因此也就有上万种不同的化工生产过程，所有的生产过程都是由化学反应和若干的物理操作串联而成的。u 这些物理操作称为化工单元操作。u 根据单元操作所遵循的基本规律，可将单元操作分为三大类：u1.1、遵循流体动力基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等。u1.2、遵循传热基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。u1.3、遵循传质基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等。第一节

2、概述一、蒸发过程及其特点1、定义：将含有非挥发性物质的稀溶液加热沸腾使部分溶剂气化并使溶液得到浓缩的过程。2、目的：（1）浓缩溶液；（2）制取或回收纯溶剂；3、特点（1）蒸发是传热过程；（2）溶剂挥发而溶质不挥发；（3）溶剂的气化会消耗大量的热量；（4）蒸发的溶液种类不同时，所需设备和操作方式有区别；第一章第一章 蒸发操作蒸发操作 二、蒸发过程的分类1、按加热方式：直接加热和间接加热；2、按操作压强：常压蒸发、加压蒸发和减压蒸发3、按蒸发的效数：单效蒸发和多效蒸发； 单效蒸发：二次蒸汽没有被利用的蒸发； 多效蒸发：有多个蒸发器，二次蒸汽作为下一台蒸 发器的加热蒸汽被再次利用； 效数：蒸发器串联

3、的个数。4、按操作方式：间歇蒸发和连续蒸发。1、单效蒸发流程2、单效蒸发过程的计算（1）水分蒸发量的计算对溶质进行物料衡算，得：则完成液的浓度为：10wWFFw蒸发室加热室W,hF,w0D,h0F-W,w1,h1D,hc101wwFWWFFww01第二节 单效蒸发过程（2）加热蒸汽消耗量的计算 对系统进行热量衡算，得：加热蒸汽用量为：lcSQhWFWhDhFhDh10蒸发室加热室W,T,hF,w0,t0,h0D,T,hsD,T,hcF-WQLw1,t1,h1csLhhQFhhWFWhD01注：溶液的焓由实验测定，值随浓度和温度而变化。当溶液的浓缩热不大时，可用平均比热容近似计算：000tch

4、111tch 0001wcwccBw1111wcwccBW000wwccccWWBWFFwcWFFwccBW0011WWcFccWF01又因为：所以：rhhcs1rhhrQWrttFchhQttFctchWhhQtFctWcFcWhhhQtFctcWFWhDlcslWcslwcsl010010100100011意义：加热蒸汽放出的热量用于：（1）预热原料液；（2）气化水份；（3）补偿蒸发器的热损失；令 单位蒸汽消耗量，kg蒸汽/kg水；是蒸发器的一项重要的技术经济指标。WDe 当溶液在沸点下进入蒸发器时，且忽略热损失的情况下，注：由于溶液的热效应和热损失的存在，使得e大于1.1。0lQ10tt

5、 1rrWDe三、蒸发器的生产能力和生产强度1、生产能力：单位时间内蒸发的溶剂（水）量，kg/s 。2、生产强度：单位传热面积上单位时间内蒸发的溶剂 （水）量，kg/m2.s。 AWU 第三节 多效蒸发过程目的：再次利用二次蒸汽，节约能量，提高蒸发器 的经济性。一、多效蒸发的操作流程分： 1、并流法 2、逆流法 3、平流法 4、错流并流法特点：1、溶液在效间的输送不需要泵；2、有自蒸发现象；3、完成液在末效排出，热量消耗低；4、各效由于温度渐升而导致传热系数下降，生产能力降低或传热面积增加。逆流法特点：1、溶液在效间的输送需要泵；2、无自蒸发现象，产生的二次蒸汽量少；3、完成液在第一效排出，温

6、度较高，损失的热量多，且不利于热敏性材料的蒸发；4、传热系数均匀，保持在较高的水平。平流法特点： 溶液不在效间流动，有利于有结晶析出的情况或得到不同浓度的料液。二、多效蒸发的最佳效数蒸发过程的单位蒸汽消耗量蒸发过程的单位蒸汽消耗量最佳效数:根据设备费和操作费之和为最小来确定。效数n单效双效三效四效五效理想值10.50.330.250.2实际平均值1.10.570.40.30.27第四节 蒸发装置及其选型一、蒸发器 循环型蒸发器 非循环型（单程型）1、循环型（1）中央循环管式蒸发器优点：结构简单，操作可靠，投资少；缺点：循环速度低，传热系数低，清洗难度大。（2）悬筐式蒸发器优点：循环速度加快，清

7、洗、检修方便，传热系数高，热损失小；缺点：结构复杂，设备费用高。（3）外热式特点：u优点：便于清洗和更换，降低蒸发器的总高度，循环速度快，传热系数大；u缺点：单位面积金属耗量大，热损失大；（4）列文式优点：循环速度加快，加热管内不易结垢，增加了传热推动力；缺点：设备庞大，温差损失大；适用范围：适于处理易结晶、结垢及粘度大的溶液。（5）强制循环型 特点：循环速度大且可以 调节，但动力消耗大； 适用范围：适于处理高黏度、易结垢或有结晶析出的溶液。2、非循环型蒸发器共同点：传热效果好，加热时间短，适于热敏性材料的蒸发。（1）升膜式 传热及蒸发速度快，适用于处理大量稀溶液或易起泡的蒸发。（2）降膜式特

8、点：有利于液膜的维持和高粘度液体的蒸发。（3）刮板式蒸发器二、蒸发器的选用膜式：适用于热敏性材料；刮板型：适用于高粘度溶液；循环型：常用液体的蒸发；本章重点本章重点液液-液萃取分离的原理液萃取分离的原理萃取相平衡萃取相平衡单级萃取过程工艺计算单级萃取过程工艺计算萃取设备及操作原理萃取设备及操作原理第二章第二章 萃取操作萃取操作第一节第一节 基本概念基本概念手工洗衣服为例手工洗衣服为例 打完肥皂、揉搓后，如何将肥皂沫去除呢？打完肥皂、揉搓后，如何将肥皂沫去除呢？ 用清水多次漂洗用清水多次漂洗 经验表明：经验表明：每盆水揉搓的时间越长（即萃取越接近平衡），拧得越每盆水揉搓的时间越长（即萃取越接近平

9、衡），拧得越干（即萃取与萃余相相分离越彻底），所用漂洗次数越少（即错流干（即萃取与萃余相相分离越彻底），所用漂洗次数越少（即错流级数越少）。级数越少）。 1、萃取、萃取：在液体混合物（原料液）中加入一个与其基本不相混溶在液体混合物（原料液）中加入一个与其基本不相混溶的液体作为溶剂，造成第二相，利用原料液中各组分在两个液相的液体作为溶剂，造成第二相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离的单元操作。中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离的单元操作。亦称亦称溶剂萃取，溶剂萃取，简称简称萃取萃取或或抽提。抽提。原料液原料液，用，用F F表示；表示；选用的溶剂称为选用的溶剂

10、称为萃取剂萃取剂，以，以S S表示，要有较好的溶解选择性；表示，要有较好的溶解选择性；原料液中易溶于原料液中易溶于S S的组分，称为的组分，称为溶质溶质，以，以A A表示；表示；难溶于难溶于S S的组分称为的组分称为原溶剂（或稀释剂）原溶剂（或稀释剂），以，以B B表示表示液液萃取是分离均相液体混合物的单元操作。液液萃取是分离均相液体混合物的单元操作。2、萃取流程、萃取流程 萃取操作的基本过程如图所示。一定量萃取剂加入原料液中，形萃取操作的基本过程如图所示。一定量萃取剂加入原料液中，形成两液相，两液相因密度不同而分层：成两液相，两液相因密度不同而分层： 一层以溶剂一层以溶剂S S为主，并溶有较

11、多的溶质，称为为主，并溶有较多的溶质，称为萃取相萃取相，以，以E E表示表示； 另一层以原溶剂（稀释剂）另一层以原溶剂（稀释剂）B B为主，且含有未被萃取完的溶质，称为主，且含有未被萃取完的溶质，称 为为萃余相萃余相，以，以R R表示表示。 由上可知，萃取操作并未有得到纯净的组分，而是新的混合液：由上可知，萃取操作并未有得到纯净的组分，而是新的混合液：萃取相萃取相E E和萃余相和萃余相R R。为了得到产品。为了得到产品A A，并回收溶剂以供循环使用，尚需，并回收溶剂以供循环使用，尚需对这两相分别进行分离。通常采用对这两相分别进行分离。通常采用蒸馏或蒸发蒸馏或蒸发的方法，有时也可采用的方法，有时

12、也可采用结晶等其它方法。脱除溶剂后的萃取相和萃余相分别称为结晶等其它方法。脱除溶剂后的萃取相和萃余相分别称为萃取液萃取液和和萃萃余液余液，以，以 和和 表示。表示。ER原原料料液液 萃萃取取剂剂S S A+B 萃萃取取液液E 萃萃取取相相E A(大大量量),B(少少量量) S+A+B S 萃萃余余相相R B+A+S 萃萃余余液液R B(大大量量),A(少少量量)单级萃取流程单级萃取流程 萃取操作过程由混合、分层、萃取相分离、萃余相分离等一系列萃取操作过程由混合、分层、萃取相分离、萃余相分离等一系列步骤共同完成。步骤共同完成。3、萃取剂的选择、萃取剂的选择要求：要求： 1 1、对溶质溶解性大、对

13、溶质溶解性大 2 2、选择性好、选择性好 3 3、B B与与S S互溶度越小越好互溶度越小越好 4 4、萃取剂易于回收、萃取剂易于回收 5 5、萃取相与萃余相密度差异大、萃取相与萃余相密度差异大4.萃取的分类萃取的分类按组分数目分按组分数目分多组元体系：原料液中有两个以上组分或溶剂为多组元体系：原料液中有两个以上组分或溶剂为两种不互溶的溶剂两种不互溶的溶剂三元体系：原料液中含有两个组分，溶剂为单溶剂三元体系：原料液中含有两个组分，溶剂为单溶剂按有无化学反应分按有无化学反应分物理萃取：萃取过程中，萃取剂与原料液中的有物理萃取：萃取过程中，萃取剂与原料液中的有关组分不发生化学反应关组分不发生化学反

14、应化学萃取化学萃取本章主要讨论三元体系的物理萃取。本章主要讨论三元体系的物理萃取。（3 3） 原料液中需分离的组分是热敏性物质。原料液中需分离的组分是热敏性物质。这种物料蒸馏时易于分这种物料蒸馏时易于分解、聚合或发生其它变化。解、聚合或发生其它变化。 （4 4）高沸点有机物的分离。）高沸点有机物的分离。用萃取方法代替技术很高的真空蒸馏、分用萃取方法代替技术很高的真空蒸馏、分子蒸馏，可降低能量消耗。子蒸馏，可降低能量消耗。（1 1） 原料液中各组分间的相对挥发度接近于原料液中各组分间的相对挥发度接近于1 1或形成恒沸物。或形成恒沸物。若采用若采用蒸馏方法不能分离或很不经济；蒸馏方法不能分离或很不

15、经济；（2 2）原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分。）原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分。若采用蒸馏方若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化，能耗较大；法须将大量稀释剂汽化，能耗较大； 一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。4、萃取操作的应用、萃取操作的应用 第二节第二节 萃取操作的基本原理萃取操作的基本原理一、组成的表示方法一、组成的表示方法1 1、三角形坐标图、三角形坐标图 如图所示，如图所示，其中以等腰直角其中以等腰直角三角形坐标图最三角形坐标图最为常用。为常用。等边三角形坐标图等边三角形坐标图非等腰直角三角形坐标图非等腰直角三角形

16、坐标图等腰直角三角形坐标图等腰直角三角形坐标图 三角形坐标图通常三角形坐标图通常说明 在三角形坐标图中，在三角形坐标图中，ABAB边以边以A A的的质量分数作质量分数作为标度为标度，BSBS边以边以B B的质量分数作为标度，的质量分数作为标度，SASA边以边以S S的质量分数作为标度。的质量分数作为标度。 顶点分别代表一个纯组分顶点分别代表一个纯组分，即顶点，即顶点A A表示纯表示纯溶质溶质A A，顶点顶点B B表示纯原溶剂（稀释剂）表示纯原溶剂（稀释剂）B B，顶点顶点S S表示纯萃取剂表示纯萃取剂S S。 任意边上的任一点代表一个二元混合物系，任意边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分

17、的组成为零。第三组分的组成为零。例如例如ABAB边上的边上的E E点，表示由点，表示由A A、B B组成的二元混合物系，由图可读得：组成的二元混合物系，由图可读得：A A的组成为的组成为0.400.40，则，则B B的组成为（的组成为（1.00.401.00.40）= 0.60= 0.60，S S的组成为零。的组成为零。 三角形坐标图内任一点代表一个三元混三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。合物系。例如例如M M点即表示由点即表示由A A、B B、S S三个三个组分组成的混合物系。其组成可按下法组分组成的混合物系。其组成可按下法确定：过物系点确定：过物系点M M分别作对边的平行线分别作对

18、边的平行线EDED、HGHG、KFKF，则由点则由点E E、G G、K K可直接读得可直接读得A A、B B、S S的组成分别为：的组成分别为：x xA A=0.4=0.4、x xB B=0.3=0.3、x xS S=0.3=0.3； 在诸三角形坐标图中，等腰直角三角形在诸三角形坐标图中，等腰直角三角形坐标图可直接在普通直角坐标纸上进行坐标图可直接在普通直角坐标纸上进行标绘，且读数较为方便，故目前多采用标绘，且读数较为方便，故目前多采用等腰直角三角形坐标图。等腰直角三角形坐标图。 2 2、杠杆原理、杠杆原理 数量关系：和点与差点的量之间的关系符合杠杆原理，即数量关系：和点与差点的量之间的关系符

19、合杠杆原理，即AAAAMRAAAAMEAAAAREyxyzREMEmmyxzxREMRmmyzzxMEMRmm 根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定和点；若已知和点和根据杠杆规则，若已知两个差点，则可确定和点；若已知和点和一个差点，则可确定另一个差点。一个差点，则可确定另一个差点。根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物系分为以下三种情况：根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元物系分为以下三种情况： 溶质溶质A A可完全溶于可完全溶于B B及及S S，但，但B B与与S S不互溶；不互溶； 溶质溶质A A可完全溶于可完全溶于B B及及S S，但，但B B与与S S部分互溶；部分互溶； 溶质溶

20、质A A可完全溶于可完全溶于B B，但，但A A与与S S及及B B与与S S部分互溶。部分互溶。 习惯上，将、两种情况的物系称为习惯上，将、两种情况的物系称为第第类物系，类物系，而将而将情况的物系称为情况的物系称为第第类物系。类物系。 在萃取操作中，第在萃取操作中，第类物系较为常见，以下主要讨论这类物类物系较为常见，以下主要讨论这类物系的相平衡关系。系的相平衡关系。二、液二、液-液相平衡关系在三角形相图上的表示液相平衡关系在三角形相图上的表示（1 1） B B与与S S部分互溶时部分互溶时溶解度曲线以内的区域为溶解度曲线以内的区域为两相两相区区，以外的区域为，以外的区域为均相区均相区。萃取操

21、作只萃取操作只能在两相区内能在两相区内进行进行 A B S B、S 部分互溶时 R(B层层) E(S 层层)B多多S少少S多多B少少P临界混溶点（褶点）A+A+A溶溶解解度度曲曲线线MRE辅助线共轭线（联结线）1.1.萃取过程中的相平衡关系萃取过程中的相平衡关系三、影响萃取操作的主要因素三、影响萃取操作的主要因素 1 1、萃取剂的选择、萃取剂的选择 影响萃取操作的主要因素有物系的性质、设备的结构及操作条影响萃取操作的主要因素有物系的性质、设备的结构及操作条件三方面。前已介绍过操作条件及塔设备的影响，现介绍其它方面。件三方面。前已介绍过操作条件及塔设备的影响，现介绍其它方面。（1 1）萃取剂的选

22、择性）萃取剂的选择性（2）萃取剂）萃取剂S与稀释剂与稀释剂B的互溶度的互溶度（3）萃取剂的可回收性）萃取剂的可回收性（4）萃取剂的物理、化学性质：）萃取剂的物理、化学性质：密度、界面张力、黏度、化学性质与其它密度、界面张力、黏度、化学性质与其它2 2、萃取操作的温度、萃取操作的温度3 3、萃取剂的用量、萃取剂的用量4 4、萃取塔的操作、萃取塔的操作 通常物系的通常物系的温度升高温度升高，溶质在溶剂中的，溶质在溶剂中的溶解度增大溶解度增大，反之减小。温度升高，反之减小。温度升高，分层区面积减小，不利于萃取分离的进行。分层区面积减小，不利于萃取分离的进行。 若原料液与萃取剂在混合器中充分接触进行传

23、质，然后分层得到若原料液与萃取剂在混合器中充分接触进行传质，然后分层得到互成平衡的萃取相互成平衡的萃取相E E和萃余相和萃余相R R，这样的过程就成为一个理论级。，这样的过程就成为一个理论级。理论级：理论级：工业上的萃取流程有工业上的萃取流程有单级萃取单级萃取多级逆流萃取多级逆流萃取多级错流萃取多级错流萃取第二节第二节 单级萃取过程的图解计算单级萃取过程的图解计算多级错流萃取多级错流萃取二、多级萃取流程二、多级萃取流程 多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程第三节第三节 萃取设备萃取设备一、萃取设备的要求和分类一、萃取设备的要求和分类1.基本要求基本要求传质面积大传质面积大 相对流动快相对流动快2.

24、分类分类按两相的接触方式分按两相的接触方式分逐级接触式萃取设备逐级接触式萃取设备微分接触式萃取设备微分接触式萃取设备微分接触式萃取设备微分接触式萃取设备无外加能量萃取设备无外加能量萃取设备有外加能量萃取设备有外加能量萃取设备根据设备结构的特点和形状分根据设备结构的特点和形状分组件式萃取设备组件式萃取设备塔式萃取设备塔式萃取设备优点：优点：处理量大，级效率高。处理量大，级效率高。结构简单，容易放大和结构简单，容易放大和 操作。操作。运转稳定可靠。运转稳定可靠。易实现多级连续操作。易实现多级连续操作。缺点：缺点：占地面积大。占地面积大。由于动力搅拌装置及级间的由于动力搅拌装置及级间的物料输送设备，

25、设备费及操作物料输送设备，设备费及操作费较高。费较高。二、萃取设备的主要类型二、萃取设备的主要类型三级逆流混合三级逆流混合- -澄清萃取设备澄清萃取设备2.2.萃取塔萃取塔（1 1）喷洒塔喷洒塔优点：优点： 结构简单，塔体内除各流股物结构简单，塔体内除各流股物料进出的连接管和分散装置外，别料进出的连接管和分散装置外，别无其它内部构件。无其它内部构件。缺点：缺点：轴向返混严重，传质效率极低。轴向返混严重，传质效率极低。适于仅需一、二个理论级的场合。适于仅需一、二个理论级的场合。（2 2）填料萃取塔）填料萃取塔 填料萃取塔的结构与气填料萃取塔的结构与气- -液传质液传质过程所用填料塔结构一样。过程

26、所用填料塔结构一样。优点：优点：结构简单，操作方便。结构简单，操作方便。适用于处理腐蚀性物料。适用于处理腐蚀性物料。缺点：缺点：传质效率低。传质效率低。不适合处理有固体悬浮物的料液不适合处理有固体悬浮物的料液适于适于理论级小于理论级小于3 3，处理量较小的场合。，处理量较小的场合。（3 3）筛板萃取塔）筛板萃取塔优点：优点：表面更新好。表面更新好。限制了轴向的返混。限制了轴向的返混。塔结构简单、价格低廉。塔结构简单、价格低廉。缺点：缺点： 级效率不太高级效率不太高适于适于所需理论级数较少、处理量较大，所需理论级数较少、处理量较大，而且物系具有腐蚀性的场合。而且物系具有腐蚀性的场合。化化学学反反

27、应应工工程程学学第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 化学动力学基础化学动力学基础第三章第三章 均相反应过程均相反应过程第四章第四章 非等温过程与热量传递非等温过程与热量传递第五章第五章 非理想流动非理想流动第六章第六章 气固催化反应过程气固催化反应过程* *第七章第七章 其它非均相反应器其它非均相反应器* *第八章第八章 生化反应工程基础生化反应工程基础第三章 化工操作-反应基础u一、反应过程分类：由于化学反应种类多，形式多样，一、反应过程分类：由于化学反应种类多，形式多样，根据反应的不同特性进行分类：根据反应的不同特性进行分类： 见下表：见下表：u二、反应器的分类二、反应器的分类 由于反应种

28、类繁多、形态各异，那么反应器的种类也由于反应种类繁多、形态各异，那么反应器的种类也是多种多样的。见下表：是多种多样的。见下表：第一节第一节 反应过程和反应器的分类反应过程和反应器的分类分类特征分类特征反应过程类型反应过程类型1、反应特征、反应特征1、简单反应；、简单反应；2、复杂反应（平行、串联、混合反应）、复杂反应（平行、串联、混合反应）2、热力学特征、热力学特征不可逆反应（放热反应、吸热反应）不可逆反应（放热反应、吸热反应）可逆反应（放热反应、吸热反应）恒容反应、变容反应可逆反应（放热反应、吸热反应）恒容反应、变容反应3、相态特征、相态特征均相反应（气相、液相等）均相反应（气相、液相等）非

29、均相反应（气非均相反应（气-液、气液、气-固、气固、气-液液-固等）固等）4、时间特征、时间特征1、稳态、稳态2、非稳态、非稳态5、反应床特征、反应床特征1、容积反应过程，在一定容积中发生，如均相反应等；、容积反应过程，在一定容积中发生，如均相反应等；2、表面反应过程，如催化反应、表面反应过程，如催化反应6、控制步骤、控制步骤1、化学动力学控制；、化学动力学控制；2、外扩散控制；、外扩散控制；3、内扩散控制；、内扩散控制；4、吸附或脱附控制。、吸附或脱附控制。管式釜式GGLGL板式塔LLGG填料塔GLL鼓泡塔LGGL喷雾塔列管式固定床GGGG流化床GGSS移动床LGGL滴流床分类特征分类特征反

30、应器分类反应器分类1 1、操作特征、操作特征间歇式（封闭体系）半连续式（流动体系）连续式（流间歇式（封闭体系）半连续式（流动体系）连续式（流动体系）动体系）2 2、结构特征、结构特征釜式管式鼓泡塔式固定床流化床移动床釜式管式鼓泡塔式固定床流化床移动床迴迴转筒转筒式喷嘴式螺旋压挤式式喷嘴式螺旋压挤式3 3、催化剂运动、催化剂运动状况状况固定床式移动床式流化床式固定床式移动床式流化床式4 4、换热状况、换热状况绝热式内部换热式中间换热式绝热式内部换热式中间换热式5 5、时间特征、时间特征稳态非稳态稳态非稳态6 6、相态特征、相态特征均相：气相（管式）、液相（釜式）；非均相：气均相：气相（管式）、液

31、相（釜式）；非均相：气-液（釜式液（釜式、塔式）液、塔式）液-液（釜式、塔式），气液（釜式、塔式），气-固（固定床、流化床、移固（固定床、流化床、移动床），液动床），液-固（釜式、塔式等）固固（釜式、塔式等）固-固（固（迴迴转式），气转式），气-液液-固固（固定床、流化床）（固定床、流化床）u 根据反应组分的进、出料的方式，将反应器操作分根据反应组分的进、出料的方式，将反应器操作分为间歇操作、连续操作和半连续操作三种方式。为间歇操作、连续操作和半连续操作三种方式。第二节第二节 操作方式操作方式 气半连续 气 气 气 流动系统 气连续 液 气 液 流动系统 间歇 封闭系统 第三节第三节 化学反应

32、的转化率和收率化学反应的转化率和收率u 化学反应可以分为简单反应和复杂反应两类：化学反应可以分为简单反应和复杂反应两类：u简单反应简单反应（单一）：是由一个反应方程式所描述的反应（单一）：是由一个反应方程式所描述的反应；反应只有一个过程。；反应只有一个过程。u复杂反应复杂反应（复合）：是由二个及以上反应方程式描述的（复合）：是由二个及以上反应方程式描述的反应；又可以分为反应；又可以分为平行反应、连串反应和并列反应平行反应、连串反应和并列反应等。等。u一、反应进度一、反应进度u 化学反应中任一组分的反应量与其化学计量系数之化学反应中任一组分的反应量与其化学计量系数之称为反应进度称为反应进度。22

33、313gg(g). 122NHNH以合成氨为例： （ ）（ ）（）223g3g2(g). 2NHNH或： （ ）（ ）（）0BnnBB-=2000(N )nnnnnn213222233（N ）（H ）（H ）（NH ）（NH ）以（ ）式为例：反应进度：反应进度：2000(N )nn,nn3 ,nn222233（N ）（H ）（H ）（NH ）（NH ）或者写成：化学计量系数：化学计量系数：i i对反应物定义为对反应物定义为“-”-”，对反应产物定义为，对反应产物定义为“+”+”，则，则0 0。 应用反应进度应用反应进度便可描述一个化学反应的进行程度。便可描述一个化学反应的进行程度。已知已知便

34、能计算出各反应组分的反应变化量。便能计算出各反应组分的反应变化量。u二、转化率二、转化率X：参加反应的某一物质消耗的百分率。：参加反应的某一物质消耗的百分率。或：转化为目的产物和副产物的量占进入反应器的反应物或：转化为目的产物和副产物的量占进入反应器的反应物量的分数。量的分数。转化率：转化率： X=某一反应物的转化量某一反应物的转化量该反应物的原始量该反应物的原始量=n nA0A0-n-nA An nA0A0 转化率是针对反应物而言的，收率是针对产物而转化率是针对反应物而言的，收率是针对产物而言的，而只有在复合反应中才要考虑选择性。言的，而只有在复合反应中才要考虑选择性。反应器反应器循环流循环

35、流新鲜物料新鲜物料出料循环反应器循环反应器此时所考虑的转化率有两种情况：此时所考虑的转化率有两种情况：单程转化率：以进口物料为基准所计算的转化率；单程转化率：以进口物料为基准所计算的转化率；全程转化率：以新鲜原料为基准所计算的转化率。全程转化率：以新鲜原料为基准所计算的转化率。 因为循环提高了反应物料的转化率，所以全程转化率大于单程因为循环提高了反应物料的转化率，所以全程转化率大于单程转化率。转化率。u三、收率三、收率Y Y与选择性与选择性S Su1 1、收率、收率Y Y：转化为目的产物的反应关键组分的量占进入转化为目的产物的反应关键组分的量占进入反应器的反应物量的分数。反应器的反应物量的分数

36、。收率：收率：Y=生成反应产物所消耗的关键组分量生成反应产物所消耗的关键组分量关键组分的起始量关键组分的起始量= =ARn nR R-n-nR0R0n nAOAO 收率表示了原料的有效利用程度，收率表示了原料的有效利用程度，Y越大说明原料的关键组分有越大说明原料的关键组分有效利用程度高，也即相同条件下，目的产物多。收率的大小不仅与效利用程度高，也即相同条件下，目的产物多。收率的大小不仅与反应物本性有关，还与反应器型式以及操作方式有关。反应物本性有关，还与反应器型式以及操作方式有关。u2、选择性、选择性Su 生成目的产物消耗关键组分的量占已转化的关键组分生成目的产物消耗关键组分的量占已转化的关键

37、组分量的分数。量的分数。选择性：选择性：S=S=生成目的产物所消耗的关键组分量生成目的产物所消耗的关键组分量已转化的关键组分量已转化的关键组分量=A AR Rn nR R-n-nR0R0nA0-nA公式中：公式中：n nA0A0、 n nB0B0为反应物初始浓度；为反应物初始浓度；n nA A、n nB B、n nR R为物系为物系的瞬时浓度。的瞬时浓度。X=某一反应物的转化量某一反应物的转化量该反应物的原始量该反应物的原始量选择性：选择性：S=S=生成目的产物所消耗的关键组分量生成目的产物所消耗的关键组分量已转化的关键组分量已转化的关键组分量收率：收率：Y=生成反应产物所消耗的关键组分量生成

38、反应产物所消耗的关键组分量关键组分的起始量关键组分的起始量转化率：转化率：YS.X 三者之间的关系三者之间的关系u注意：对于带有反应物循环的反应系统进行物料计算时注意：对于带有反应物循环的反应系统进行物料计算时，引入单程转化率和全程转化率的概念。，引入单程转化率和全程转化率的概念。u单程转化率：以新鲜气体和循环气体的混合物作为计算单程转化率：以新鲜气体和循环气体的混合物作为计算基准，则称为单程转化率。基准，则称为单程转化率。u只以新鲜反应物为计算基准，则称全程转化率（总转化只以新鲜反应物为计算基准，则称全程转化率（总转化率）。一般全程转化率大于单程转化率；全程收率大于率）。一般全程转化率大于单

39、程转化率；全程收率大于单程收率。单程收率。u如：反应 A+BR新鲜气反应器分离器产物循环气MNPQ单程转化率（NP两点间）xA=组分A的转化量新鲜气和循环气中组分A的量全程转化率（MQ两点间）X XA A= =组分A的转化量新鲜气中组分A的量u例题例题1 1：合成聚乙烯所用的单体氯乙烯，多是由乙炔和：合成聚乙烯所用的单体氯乙烯，多是由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到，反应式为：氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到，反应式为：u C C2 2H H2 2+HClCH+HClCH2 2=CHCl=CHCl 由于乙炔价格高于氯化氢，通常使用的原料混合气中氯由于乙炔价格高于氯化氢，通常使用的原料混合气中

40、氯化氢是过量的，设其过量化氢是过量的，设其过量10%10%。若反应器出口气体中氯。若反应器出口气体中氯乙烯含量为乙烯含量为90%90%（摩尔分数），试分别计算乙炔的转化（摩尔分数），试分别计算乙炔的转化率和氯化氢的转化率。率和氯化氢的转化率。u解：氯化氢与乙炔的化学计量系数比为解：氯化氢与乙炔的化学计量系数比为1 1，但由于氯化，但由于氯化氢是过量氢是过量10%10%，因此原料气中乙炔与氯化氢的物质的量，因此原料气中乙炔与氯化氢的物质的量比为比为1:1.11:1.1。当进入反应器的乙炔为。当进入反应器的乙炔为1mol1mol时，设反应了时，设反应了xmolxmol，u则：则：组成反应器进口反应器出口C2H211-xHCl1.11.1-xCH2=CHCl0 x总计2.12.1-xu题目给出的反应器出口中氯乙烯含量为题目给出的反应器出口中氯乙烯含量为90%90%，则：，则：由转化率定义可知：由转化率定义可知：x2.1-x= =0.9解之得：解之得：x=0.9947mol由于以由于以1mol1mol乙炔为计算基准