化工生产过程及流程模板.doc

第二章 化工生产过程及步骤

第一节 化工生产过程及步骤 2
第二节 化工过程关键效率指标 3
第三节 反应条件对化学平衡和反应速率影响 2
第四节 催化剂性能及使用 1
第五节 反应过程物料衡算和热量衡算
（在化工设计中讲）

关键内容：了解和掌握生产过程内容及生产工艺步骤，掌握化工过程关键效率指标及其计算，了解和掌握多种反应条件及其对化学平衡和反应速率影响，了解和掌握催化剂、催化剂性能及使用。
讲课方法：关键采取课堂讲授，利用启发式、提问式和讲解式相结合方法，并将理论和实际化工厂相结合进行讲解，同时选部分内容让学生自学。
关键和难点：生产工艺步骤、化工过程关键效率指标及其计算，反应条件及其对化学平衡和反应速率影响，催化剂性能等。

第一节 化工生产过程及步骤

一、化工生产过程
化工生产过程通常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 关键目标是使初始原料达成反应所需要状态和规格。比如固体需破碎、过筛；液体需加热或气化；有些反应物要预先脱除杂质，或配制成一定浓度。在多数主产过程中，原料预处理本身就很复杂，要用到很多物理和化学方法和技术，有些原料预处理成本占总生产成本大部分。
（2）化学反应 经过该步骤完成由原料到产物转变，是化工生产过程关键。反应温度、压力、浓度、催化剂（多数反应需要）或其它物料性质和反应设备技术水平等多种原因对产品数量和质量相关键影响，是化学工艺学研究关键内容。
化学反应类型繁多，若按反应特征分，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相态分，有均相反应和非均相反应（多相反应）；若依据是否使用催化剂来分，有催化反应和非催化反应。
实现化学反应过程设备称为反应器。工业反应器类型众多，不一样反应过程，所用反应器形式不一样。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；若按操作方法分，有间歇式、连续式和半连续式三种；若按换热情况分，有等温反应器、绝热反应器和变温反应器，换热方法有间接换热式和直接换热式。
（3）产品分离利精制 目标是获取符合规格产品；并回收、利用副产物。在多数反应过程中，因为很多原因，致使反应后产物是包含目标产物在内很多物质混合物，有时目标产物浓度甚至很低，必需对反应后混合物进行分离、提浓和精制才能得到符合规格产品。同时要回收剩下反应物，以提升原料利用率。
分离和精制方法和技术是多个多样，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，不一样生产过程能够有针对性地采取对应分离和精制方法。分离出来副产物和“三废’也应加以利用或处理。

二、化工生产工艺步骤
1工艺步骤和步骤图
原料需要经过包含物质和能量转换一系列加工，方能转变成所需产品实施这些转换需要有对应功效单元来完成，按物料加工次序将这些功效单元有机地组合起来，则构筑成工艺步骤。将原料转变成化工产品工艺步骤称为化工生产工艺步骤（或将一个过程关键设备、机泵、控制仪表、工艺管线等按其内在联络结合起来，实现从原料到产品过程所组成图）。
化工生产中工艺步骤是丰姿多彩，不一样产品生产工艺步骤当然不一样，同一产品用不一样原料来生产，工艺步骤也大不相同；有时即使原料相同，产品也相同，若采取工艺路线或加工方法不一样，在步骤上也有区分。
工艺步骤多采取图示方法来表示．称为工艺步骤图（flowsheet或process flowsheet）。
在化学工艺学教科书中关键采取工艺步骤示意图，它简明地反应出由原料到产品过程中各物料流向和经历加工步骤，从中可了解每个操作单元或设备功效和相互间关系、能量传输和利用情况、副产物和三废排放及其处理方法等关键工艺和工程知识。
2 化工生产工艺步骤组织
工艺步骤组织或合成是化工付程开发和设计中关键步骤。组织工艺步骤需要有化学、物理理论基础和工程知识，要结合生产实践，借鉴前人经验。同时，要利用推论分析、功效分析、形态分析等方法论来进行步骤设计。
推论分析法 是从“目标’出发，寻求实现此“目标’“前提”，将含有不一样功效单元进行逻辑组合，形成一个含有整体功效系统。
功效分析法 是缜密地研究每个单无基础功效和基础属性，然后组成多个能够比较方案以供选择。因为每个功效单元实施方法和设备型式通常有很多个可供选择，所以可组织出其有相同整体功效多个步骤方案。
形态分析法 是对每种可供选择方案进行正确分析和评价，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确定，标准上应包含：①是否满足所要求技术指标；②技术资料完整性和可信度；③经济指标优异性；④环境、安全和法律等。

第二节 化工过程关键效率指标

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产品量，或在单位时间内处理原料量。其单位为kg/h，t／d或kt／a，万t/a等。
化工过程有化学反应和热量、质量和动量传输等过程，在很多设备中可能同时进行上述多个过程，需要分析多种过程各自影响原因，然后进行综合和优化，找出最好操作条件，使总过程速率加紧，才能有效地提升设备生产能力。设备或装置在最好条件丁能够达成最大生产能力，称为设计能力。因为技术水平不一样，同类设备或装置设计能力可能不一样，使用设计能力大设备或装置能够降低投资和成本，提升生产率。
（2）生产程度为设备单位特征几何量生产能力。即设备单位体积主产能力，或单位面积生产能力。其单位为kg/h•m3），kg/h•m2等 。生产强度指标关键用于比较那些相同反应过程或物理加工过程设备或装置优劣。设备中进行过程速率高，其生产强度就高。
在分析对比催化反应器生产强度时，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取得产品量，亦即催化剂生产强度，有时也称为时空收率。单位为kg/h•m3，kg/h•kg。

二、转化率、选择性和收率（产率）
化工总过程关键是化学反应，提升反应转化率、选择性和产率是提升化工过程效率关键。
1 转化率（conversion）
转化率是指某一反应物参与反应而转化数量占该反应物起始量分率或百分率，用符号X表示。其定义式为

转化率表征原料转化程度，反应了反应进度。对于同一反应，若反应物不仅只有一个，那么，不一样反应组分转化率在数值上可能不一样。对干反应
反应物A和B转化率分别是

式中XA、XB——分别为组分A和B转化率；
大家常常对关键反应物转化率感爱好，所谓关键反应物指是反应物中价值最高组分，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，关键组分转化率最大为100％；对于可逆反应，关键组分转化率最大为其平衡转化率。
计算转化率时，反应物起始量确实定很关键。对于间歇过程，以反应开始时装人反应器某反应物料量为起始量；对于连续过程，通常以反应器进口物料中某反应物量为起始量。但对于采取循环步骤（见图2-9）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转化率，比如原料中组分A单程转化率为

式中，反应器进口物料中组分A量=新鲜原料中组分A量+循环物料中组分A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成转化率。比如，原料中组分A全程转化率为

2选择性（selectivity）
对于复杂反应体系，同时存在有生成目标产物主反应和生成副产物很多副反应，只用转化率来衡量是不够。因为，尽管有反应体系原料转化率很高，但大多数转变成副产物，目标产物极少，意味着很多原料浪费了。所以需要用选择性这个指标来评价反应过释效率。选择性系指体系中转化成目标产物某反应物量和参与全部反应而转化该反应物总量之比，用符号S表示，其定义式以下

选择性也可按下式计算

上式中分母是接主反应式化学什量关系来计算，并假设转化了全部反应物全部转变成目标产物。
在复杂反应体系中，选择性是个很关键指标，它表示了主、副反应进行程度相对大小，能确切反应原料利用是否合理。
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。和转化率相同，对于单程收率而言，式（2-18）中分母系指反应器进口处混合物中该原料量，即新鲜原料和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）
质量收率定义系指投人单位质量某原料所能生产目标产物质量，即

例1 乙烷脱氢生产乙烯时，原料乙烷处理量为８000kg/h，产物中乙烷为４000kg/h，取得产物乙烯为３２00kg/h，求乙烷转化率、乙烯选择性及收率。
解：乙烷转化率=（8000-4000）/8000*100%=50%
乙烯选择性=（3200*30/28）/4000*100%=85.7%
乙烯收率=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、平衡转化率和平衡产率计算
可逆反应达成平衡时转化率称为平衡转化率，此时所得产物产率为平衡产率。平衡转化率和平衡产率是可逆反应所能达成极限值（最大值），不过，反应达平衡往往需要相当长时间。伴随反应进行，正反应速率降低，逆反应速率升高，所以净反应速率不停下降直到零。在实际生产中应保持高净反应速率，不能等候反应达平衡，故实际转化率和产率比平衡值低。若平衡产率高，则可取得较高实际产率。工艺学任务之一是经过热力学分析，寻求提升平衡产率有利条件，并计算出平衡产率。在进行这些分析和计算时，必需用到化学平衡常数，它定义及其应用在很多化学、化工书刊中有叙述，此处仅写出其定义式以下。
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平衡 分压（其单位和PӨ相同）（纯固体或液体取1）;
νA、νB、νR、νS分别为组分A、B、R、S在反应式中化学计 量系数；
PӨ为标准态压力。
值得注意是，现在国际上要求标难态压力PӨ为 100 kPa，过去曾定为 101.325 kPa，所以它们对应标准平衡常数值是略有区分。另外，在较早出版书刊文件中，压力单位多用“atm（标准大气压）”，所以组分平衡分压单位也用atm，标准态压力PӨ=latm，故平衡常数表示式则变成
所以，在查找文件和手册中平衡常数时，一定要注意Kp表示式是何种形式 。
理想气体Kp只是温度函数，和反应平衡体系总压和组成无关；在低压下、或压力不太高（3 MFa以下）和温度较高（200℃以L）条件下，真实气体性质靠近理想气体，此时可用理想气体平衡常数及相关平衡数据，即可忽略压力和组成影响。
在高压下，气相反应平衡常数应该用逸度商来表示，即

式中ƒA、ƒB、ƒR、ƒS——分别为反应达平衡时组分A 、B、R、S逸度。
各组分逸度和其分压关系为

式中Pi——组分i分压（其单位和PӨ相同）；
γi——组分i逸度系数，和温度、压力和组成相关。
由此可推导出

Kƒ只和温反相关，而和压力无关，但KP和Kγ和温度和压力全部相关。只有当真实气体性质靠近埋想气体时，其逸度系数靠近于1，此时Kƒ=KP，和压力无关。
若式（2-22）为理想溶液反应体系，其平衡常数Kc表示式为

式中CA 、CB、CR、Cs分别为组分A、B、R、S平衡浓度，mol/dm3（纯溶剂取1）；
CӨ为标准浓度，统一要求为 1 mol/dm3。
真实溶液反应体系平衡常数式形式和（2-29）相同，但式中各组分浓度应该用活度来替换。只有当溶液浓度很稀时，才能用式（2-29）来计算平衡常数。
平衡常数可经过试验测定，现在很多化学、化工手册、文件资料及计算机相关数据库中搜集有相当多反应体系平衡常数，或具和温度关系图表，有也给出了对应汁算公式。而且也有很多物质逸度系数或它们曲线、表格等。但查找时一定要注意适用温度、压力范围及平衡常数表示形式。
下面举两个汁算平衡转化率和平衡产率例子。
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平衡转化率为XA，则A转化 量为aXAmol。
那么平衡体系中组分A量为（a-aXA）mol、组分B量为（b-2aXA） mol和组分R量为aXAmol，体系总量为（a＋b－2aXA）mol；总压P。则各组分平衡摩尔分数y和平衡分压p分别为

所以有

依据反应温度和总压可从相关手册或文件中查得对应平衡常数Kp，上式中a和b是已知反应物起始量，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和标准态压力PӨ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平衡产率为

第三节 反应条件对化学平衡和反应速率影响

反应温度、压力、浓度、反应时间、原料纯度和配比等众多条件是影响反应平衡和速率关键原因，关系到生产过程效率。在本书其它各章中全部有具体过程影响原因分析，此处仅简述以下多个关键原因影响规律。

一、温度影晌
1 温度对化学平衡影响 对于不可逆反应不需考虑化学平衡，而对于可逆反应，其平衡常数和温度关系为

对于吸热反应，ΔHӨ＞0，K值伴随温度升高而增大，有利于反应，产物平衡产率增加；
对于放热反应，ΔHӨ＜O，K值伴随温度生高而减小，平衡产率降低。故只有降低温度才能使平衡产率增高。
2 温度对反应速率影响 反应速率系指单位时间、单位体积某反应物组分消耗量，或某产物生成量。反应速率方程通常可用浓度幂函数形式表示，比如对于反应

由上式可知，k总是随温度升高而增加（有极少数例外者），反应温度每升高10℃，反应速率常数增大2-4倍在低温范围增加倍数比高温范围大些，活化能大反应其速率随温度升高而增加愈加快些。
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升高而加紧；对于可逆反应而言，正、逆反应速率之差即为产物生成净速率。温度升高时。正、逆反应速率常数全部增大，所以正、逆反应速率全部提升，净速率是否增加呢？经过对速率方程式分析得悉：对于吸热可逆反应，净速率r总是伴随温度升高而增高；而对于放热可逆反应，净速率r随温度改变有三种可能性，即

当温度较低时，净反应速率随温度升高而增高；当温度超出某一值后，净反应速率开始伴随温度升高而下降。净速率有一个极大值，此极大值对应温度称为最好反应温度，亦称最适宜反应温度。净速率随温度改变图2-10曲线所表示。

二、浓度影响
依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。当有多个反应物参与反应对，往往使价廉易得反应物过量，从而能够使价贵或难得反应物更多地转化为产物，提升其利用率。从反应速率式（2-32）可知，反应物浓度愈高，反应速率愈快。通常在反应早期，反应物浓度高，反应速率大，伴随反应进行，反应物逐浙消耗，反应速率逐步下降。
提升溶液浓度方法有：对于液相反应，采取能提升反应物溶解度溶剂，或在反应中蒸发或冷冻部分溶剂等；对于气相反应，可合适压缩或降低惰性物含量等。
对于可逆反应，反应物浓度和其平衡浓度之差是反应推进力，此推进力愈大则反应速率愈高。所以，在反应过程中不停从反应区域取出生成物，使反应远离平衡，既保持了高速率，又使平衡不停向产物方向移动，这对于受平衡限制反应，是握高产率有效方法之一。多年来，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，这些过程使反应和分离一体化，产物一旦生成，立即被移出反应区，所以反应一直是远离平衡。

三、压力影响
通常来说，压力对液相和固相反应平衡影响较小。气体体积受压力影响大，故压力对有气相物质参与反应平衡影响很大，其规律为：
①对分子数增加反应，降低压力能够提升平衡产率；
②对分子数降低反应，压力升高，产物平衡产率增大；
③对分子数没育改变反应，压力对平衡产率无影响。
在一定压力范围内，加压可减小气体反应体积，且对加紧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。
惰性气体存在，可降低反应物分压，对反应速率不利，但有利于分子数增加反应平衡。

四、停留时间影响
停留时间是指物料从进入设备到离开设备所需要时间，若有催化剂存在指物料和催化剂接触时间，单位用秒（S）表示。
通常停留时间越长，原料转化率越高，产物选择性越低，设备生产能力越小，空速越小；反之亦然。

五、空速影响
空速为停留时间倒数，通常空速越大，停留时间越短，原料转化率越低，产物选择性越高，设备生产能力越大；反之亦然。

六、原料配比影响

七、原料纯度影响

八、催化剂影响

第四节 催化剂性能及使用

据统汁，当今90％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关键地位，其作用关键表现在以下几方面。
（1）提升反应速率和选择性。有很多反应，即使在热力学上是可能进行，但反应速率太慢或选择性太低，不含有实用价值，一旦发明和使用催化剂，则可实现工业化，为人类生产出关键化工产品。
比如，近代化学工业起点合成氨工业，就是以催化作用为基础建立起来。多年来合成氨催化剂性能得到不停改善，提升了氨产率，有些催化剂能够在不降低产率前提下，将操作压力降低，使吨氨能耗大为降低；再如乙烯和氧反应，假如不用催化剂乙烯会完全氧化生成 CO2和 H2O，毫元应用意义。当采取了银催化剂后，则促进乙烯选释性地氧化生成环氧乙烷，它可用于制造乙二醇、合成纤维等很多实用产品。
（2）改善操作条件。采取或改善催化剂能够降低反应温度和操作庄力、能够提升化学加工过程效率。
比如，乙烯聚合反应若以有机过氧化物为引发剂，要在200-300℃及100～300MPa下进行，采取烷基铝-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）催化剂有利于开发新反应过程，发展新化工技术。工业上一个成功例子是甲醇羰基化合成醋酸过程。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企业借助钴络合物催化剂，开发出以甲醇和CO羰基化合成醋酸新反应过程和工艺；美国孟山全部企业于70年代又开发出铹络合物催化剂，使该反应条件更温和，醋酸收卒高达99％，成为当今生产醋酸优异工艺。
（4）催化剂在能源开发和消除污染中可发挥关键作用。前已述及催化剂在石油、天然气和煤综合利用中关键作用，借助催化剂从这些自然资源出发生产出数量更多、质量愈加好二次能源；部分新能源开发也需要催化剂，比如光分解水获取氢能源，其关键是催化剂。
在请除污染物诸方法中，催化法是含有巨大潜力一个。比如，汽车尾气催化净化；有机废气催化燃烧；废水生物催化净化和光催化分解等等。

一、催化剂基础特征
在一个反应系统中因加入了某种物质而使化学反应速率显著加紧，但该物质在反应前后数量和化学性质不变，称这种物质为催化剂。催化剂作用是它能和反应物生成不稳定中间化合物，改变了反应路径，活化能得以降低。由阿累尼乌斯公式可知，活化能降低可使反应速率常数增大，从而加速了反应。
有些反应所产生某种产物也会使反应快速加紧，这种现象称为自催化作用。能显著降低反应速率物质称为负催化剂或阻化剂。工业上用得最多是加紧反应速率催化剂，以下闸述内容仅和这类催化剂相关。
催化剂有以下三个基础特征。
（1）催化剂是参与了反应，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量改变。所以催化剂在生产过程中能够在较长时间内使用。
（2）催化剂只能缩短达成化学平衡时间（即加速作用），但不能改变平衡。即是悦，当反应体系始末状态相同时，不管有没有催化剂存在，该反应自由能改变、热效应、平衡常数和平衡转化率均相同。由此特征可知：①催化剂不能使热力学上不可能进行反应发生；②催化剂是以一样倍率提升正、逆反应速率，能加速正反应速率催化剂，也肯定能加速逆反应。
（3）催化剂含有显著选择性，特定催化剂只能催化特定反应。催化剂这一特征在有机化学反应领域中起了很关键作用，国为有机反应体系往往同时存在很多反应，选择适宜催化剂，可使反应向需要方向进行。

二、催化剂分类
按催化反应体系物相均一性分：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；
按反应机理分：有氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；
按使用条件下物态分：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，它们是目前使用最多最广泛催化剂，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取。

三、工业催化剂使用中相关问题
在采取催化剂化工生产中，正确地选择并使用催化剂是个很关键问题，关系到生产效率和效益。通常对工业催化剂以下多个性能有一定要求。
1 工业催化剂使用性能指标
（l）活性 系指在给定温度、压力和反应物流量（或空间速度）下，催化剂使原料转化能力。活性越高则原料转化率愈高。或在转化率及其它条件相同时，催化剂活性愈高则需要反应温度愈低。工业催化剂应有足够高活性。通常见原料转化率来表示催化剂活性。
（2）选择性 系指反应所消耗原料中有多少转化为目标产物。选择性愈高，生产单位量目标产物原料消耗定额愈低，也愈有利于产物后处理，故工业催化剂选择性应较高。当催化剂活性和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，宜选择选择性高催化剂；若原料价廉易得或产物易分离，则可选择活性高催化剂。通常见产物选择性来表示催化剂选择性。
（3）寿命 系指其使用期限长短，寿命表征是生产单位量产品所消耗催化剂量，或在满足生产要求技术水平上催化剂能使用时间长短，有催化剂使用寿命可达数年，有则只能使用数月。即使理论上催化剂在反应前后化学性质和数量不变，能够反复使用，但实际受骗生产运行一定时间后，催化剂性能会衰退，造成产品产量和质量均达不到要求指标，此时，俚化剂使用寿俞结束，应该更换催化剂。催化剂寿命受以下几方面性能影响。
①化学稳定性。系指催化剂化学组成和化合状态在使用条件下发生改变难易。在一定温度、压力和反应组分长久作用下，有些催化剂化学组成可能流失，有化合状态改变，全部会使催化剂活性和选择性下降。
②热稳定性。系指催化剂在反应条件下对热砍坏耐受力、在热作用下，催化剂中部分物质晶型可能转变；微晶逐步烧结；络合物分解；生物菌种和酶死亡等，这些改变造成催化剂性能衰退。
③机械稳定性。系指固体催化剂在反应条件下强度是否足够。若反应中固体催化剂易破裂或粉化，使反应器内流体流动情况恶化，严重时发生堵塞，迫使生产非正常停工，经济损失重大。
④耐毒性。系指催化剂对有毒物质抵御力或耐受力。多数催化剂轻易受到部分物质毒害，中毒后催化剂活性和选择性显著降低或完全失去，缩短了它使用寿命。常见毒物有砷、硫、氯化合物及铅等重金属，不一样催化剂毒物是不一样。在有些反应中，特意加人某种物质去毒害催化剂中促进副反应活性中心，从而提升了选择性。
（4）其它 如廉价、易得、无毒、易分离等。
2 催化剂活化
很多固体催化剂在出售时状态通常是较稳定，但这种稳定状态不含有催化性能，催化剂使用厂必需在反应前对其进行活化，使其转化成含有活性状态。不一样类型催化剂要用不一样活化方法，有还原，氧化、硫化、酸化、热处理等等，每种活化方法全部有各自活化条件和操作要求，应该严格根据操作规程进行活化，才能确保催化剂发挥良好作用。假如活化操作失误，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催化剂失活和再生
引发催化剂失活原因较多，对于络合催化剂而言，关键是超温，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、化学物质和杂菌污染、PH值失调等均是矢活原因；对于固体催化剂而言，其失活原因关键有：
①超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；
②原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒；
③有污垢覆盖催化剂表面。
催化剂中毒有临时性和永久性两种情况。
临时性中毒是可逆，当原料中除主毒物后，催化剂可逐步恢复活性。
永久性中毒则是不可逆，不能再生。
催化剂积碳可经过烧碳再生。但不管是临时性中毒后再生还是积碳后再生，均会引发催化剂结构损伤，致使活性下降。
所以，应严格控制操作条件，采取结构合理反应器，使反应温度在催化剂最好使用温度范围内合理地分布，预防超温；反应原料中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；在有析碳反应体系中，应采取有利于预防析碳反应条件，并选择抗碳性能高催化剂。
4催化剂运输、贮存和装卸
催化剂通常价格较贵，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，要预防污染和破裂。装填要均匀，避免出现“架桥”规象，以预防反应工况恶化。很多催化剂使用后在停工卸出之前，需要进行钝化处理，尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量气体钝化后，才能暴露于空气，否刚遇空气猛烈氧化自燃，烧坏催化剂和设备。

第五节 反应过程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基础之一，经过物料、热量衡算，计算生产过程原料消耗指标、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相关数据是否正常，有否泄漏，热量回收、利用水平和热损失大小，从而查出生产上微弱步骤和限制部位，为改善操作和进行系统最优化提供依据。在化工原理课程中已学过除反应过程以外化工单元操作过程物料、热量衡算，所以本节只包含反应过程物料、热量衡算。

一、反应过程物料衡算
1 物料衡算基础方程式
物料衡算总是围绕一个特定范围来进行，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。物料衡算理论依据是质量守恒定律，按此定律写出衡算系统物料衡算通式为

2 间歇操作过程物料衡算
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改变。分批投料和分批出料也属于间歇操作。
间歇操作过程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全部物料质量总和（包含反应物、溶剂、充人气体、催化剂等），输出物料量为该批卸出全部物料质量总和（包含目标产物、副产物，剩下反应物、抽出气体、溶剂、催化剂等），投入料总量和卸出料总量之差为残余在反应器内物料量及其它机械损失。
3 稳定流动过程物抖衡算
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流动过程。物料不停地流进和流出系统。其特点是系统中各点参数比如温度、压力、浓度和流量等不随时间而改变，系统中没有积累。当然，设备内不一样点或截面参数可相同，也可不一样。稳定流动过程物料衡算式为

对于无化学反应过程，诸如混合、蒸馏、干燥等也可用物质量来进行衡算。对于化学反应过程，输入物料总物质量则不一定等于输出物料总物质量。对其中某个组分i衡算式可写为

因为上式中均为组分i量，分子量相同，故也能够用物质量来进行组分变i衡算；惰性物质不参与反应，若在进，出物料中数量不变，常见来作联络物料进行衡算，使汁算简化。
另外，在通常化学反应中，原子本身不发生改变，故可用元素原子物质量来做衡算。能够不包含化学反应式中化学计量关系，故对于复杂反应体系计算是很方便。
对于稳定流动过程，有

4物料衡算步骤
化工生产很多过程是比较复杂，在对其做物料衡算时应该按一定步骤来进行，才能给出清楚计算过程和正确结果、通常遵照以下步骤。
第一步，绘出步骤方框图，方便选定衡算系统。图形表示方法宜简单，但代表内容要正确，进、出物料不能有任何遗漏，不然衡算会造咸错误。
第二步写出化学反应方程式并配平之。假如反应过于复杂，或反应不太明确写不出反应式，此时应用上述原子衡算法来迸行计算，无须写反应式。
第三步，选定衡算基准。衡算基准是为进行物料衡算所选择起始物理量，包含物料名称、数量和单位，衡算结果得到其它物料量均是相对于该基准面言。衡算基准选择以计算方便为标准，能够选择和衡算系统相关任何一股物料或其中某个组分一定量作为基准。比如，能够选择一定量原料或产品（1kg ，100kg ，1mol，1m3等）为基难，也可选择卑位时间（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，基准选择合适，能够使计算大为简化。
第四步，搜集或计算必需多种数据，要注意数据适用范围和条件。
第五步，设未知数，列方程式组，联立求解。有多个未知数则应列出多个独立方程式，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、物料量百分比等等。
第六步，计算和查对。
第七步，汇报计算结果。通常将己知及计算结果列成物料收支平衡表，表格能够有不一样形式，但要全方面反应输入及输出多种物料和包含组分绝对量和相对含量。
5 反应过程物斜衡算举例

进反应器气体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物质量和摩尔分数列于下表

最终，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）输入量和输出量不变，可不考虑，所以衡算图可表示为

因为系统中有两个反应，组分也较多，为简便起见，拟用元素原子平衡法来进行物料衡算。即

二、反应过程热量衡算
1封闭系统反应过程热量衡算
对于化学反应体系，其宏观动能和位能改变相对于反应热效应和传热量而言是极小，能够忽略不计。通常包含到能量形式是内能、功和热，它们关系遵从下式

式中ΔU为内能改变；Q为系统和环境交换热量（要求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为系统和环境交换功（要求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稳态流动反应过程热量衡算
绝大多数化工生产过程全部是连续操作，有物料输入和输出，属于开口系统。对于一个设备或一套装置来说，进、出系统压力改变不大（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恒压过程，在该系统内无能量积累，输入该系统能量为输入物料内能Uin和环境传人热量Qp之和（ 假如热量由系统传给环境，Qp应取负号，故也可放在输入端）；输出该系统能量为输出物料内能Uout 和系统对外作功之和（假如是环境对系统作功， 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，所以上式可写成

此式也适适用于宏观动能改变和位能改变可忽略不计传热、传质过程，如热交换器，蒸馏塔等。
对于稳态流动系统，始态焓Hin为输入全部物料焓之和，终态焓Hout为输出物料焓之和。图2-11表示了一个稳态流动反应过程热量衡算方框图。

假如反应器和环境无热交换，Qp等于零，称之为绝热反应器，输入物料总焓等子输出物料总焓；Qp不等于零反应器有等温反应器和变温反应器。等温反应器内各点及出口温度相同，人口温度严格地说也应相同，在生产中能够有部分差异。而变温反应器人口、出口及器内各截面温度均不相同。
因为内能绝对值难以测定，所以焓绝对值也难测定。不过，由一个状态改变到另一个状态焓变是可测定。因为焓和状态相关，现在科学界统一要求物质基态为：温度是298.15 K、压力是 101.325 kPa（现为100 kPa）和物质处于最稳定物相状态。并要求处于基态元素或纯单质焓为“零’。
依据以上要求，可知每种物质在任意状态焓为

上式等号右边第一项是在基态由元索转变成该物质生成焓变（或标准生成热），第二项是该物质由298K恒压变温到温度T显焓变，n为物质量。由此，式（2-50）可写为
在很多物理化学手册、化工工艺手册和化工设计相关文件搜集有很多生成热、熔融热、蒸发烧和热容等数据，供查阅和利用。
在做热量衡算时应注意以下几点：
①首先要确定衡算对象。即明确系统及其周围环境范围，从而明确物料和热量输入项和输出项。
②选定物料衡算基准。进行热量衡算之前，通常要进行物料衡算求出各物料量，有时物、热衡算方程式要联立求解，均应有同一物料衡算基准。
③确定温度基准。多种焓值均和状态相关，多数反应过程在恒压下进行，温度对焓值影响很大，很多文件资料、手册图表、公式中给出多种焓值和其它热力学数据全部有其温度基准，通常多以 298 K（或273 K）为基准温度。
④注意物质相态。同一物质在相变前后是有焓变，计算时一定要清楚物质所处相态。
3化学反应过程中包含焓变
化学反应过程通常在非标准状态下进行，包含焓变类型较多，见图2-12。图中T1、T2和p1、p2分别为任意状态下温度和压力，T0、p0为标准温度、压力。因为焓是状态函数，和改变路径无关，所以可写出非标准状态下反应过程总焓变为

上式中包含到焓变有三类，分述以下。
（1）相变过程烩变 这是在温度、压力和组成不变条件下，物质由一个相态转变为另一个相态而引发焓变。相态发生改变时系统和环境交换热量称为相变热，在数值上等于相变过程焓变。诸如蒸发烧、熔融热、溶解热，升华热、晶形转变热等即属于相变热，在很多化学化工文件和手册中有多种物质相变热，也可用试验测定。应注意，在不一样温度、压力下，同种物质相变热数值是不一样，用公式计算时还应注意其适用范围和单位。

（2）反应焓变 这是在相同始、末温度和压力条件下，由反应物转变为产物而且不做非体积功过程焓变。此时系统所吸收或放出热量称为反应热，在数值上等于反应过程焓变（ΔHR）。放热反应乙ΔHR＜0，反之，吸热反应ΔHR＞0。反应热单位通常为kj/mol。应注意同一反应在不一样温度反应热是不一样，但压力对反应热影响较小。依据式（2-53）可求出实际反应条件下反应热。标准反应热（ΔHRӨ）可在很多化学、化工文件资料和手册中查到。另外还能够用物质标准生成焓变（数值上等于标准生成热）来计算标准反应热

标准生成热定义为：在标准状态（298K和101.325kPa）下，由最稳定纯净单质生成单位量最稳定某物质焓变，单位为kj/mol。
（3）显焓变 只有温度、压力改变而无相变和化学改变过程焓变，称为显焓变。该改变过程中系统和环境交换热称为显热，在数值上等于显焓