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二章 化工工艺基础 2.1 原料资源及其加工
2.1.1.1 主要无机化学矿
盐矿,硫矿,磷矿,钾盐矿,铝土矿,硼矿,锰矿,钛矿,锌矿,钡矿,天然沸石,硅藻土等.2.1.1.2 磷矿和硫铁矿的加工
磷矿是生产磷肥,磷酸,单质磷,磷化物和磷酸盐的原料.85%以上的磷矿用于制造磷肥,生
产磷肥的方法有两大类: 酸法 用硫酸或硝酸等无机酸来处理磷矿石,最常用的是硫酸.热法 利用高温分解磷矿石,并进一步制成可被农作物吸收的磷酸盐.硫铁矿用于制造硫酸,生产硫酸的过程主要有以下步骤: 2.1.2 石油及其加工
石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展.基本有机化工,高分子化工,精细化工及氮肥工业等的产品中大约有90%来源于石油和天然气.90%左右的有机化工产品上有原料可归结为三烯(乙烯,丙烯,丁二烯),三苯(苯,甲苯,二甲苯),乙炔,萘和甲醇.三烯主要由石油制取,三苯,萘和甲醇可由石油,天然气和煤制取.2.1.2.1 石油的组成
石油是一种有气味的棕黑色或黄褐色粘稠状液体,相对密度大约在0.75~1.0.石油是由分子量不同,组成和结构不同,数量众多的化合物构成的混合物,其中化合物的沸点从常温到500℃以上均有.石油中的化合物可以分为烃类,非烃类以及胶质和沥青三大类.烃类化合物在石油中占绝大部分,约几万种.其中链式饱和烃含量最多,有正构烷烃和异构烷烃,在石油中约占50~70%(质量).环烷烃含量仅次于链烷烃,具饱和环状结构.芳香烃具有不饱和环状结构,有单环的苯系芳烃,双环的萘及其衍生物和联苯系芳烃,以及稠环芳烃.以上烃类化合物都是有机化工的基本原料,石油中几乎没有烯烃和炔烃这两类化合物,它们确是石油化工的重要原料.非烃化合物中有硫化物,氮化物,含氧化合物和金属有机化合物.它们的含量虽然很低,但对石油加工过程以及石油产品的性质有很大影响, 有的还使催化剂中毒,有的腐蚀管道和设备,有的使用时污染环境等,所以石油加工时均需要脱硫,脱氮,脱金属预先将其除去和回收利用.胶质和沥青质主要存在于渣油中,多为相对分子质量很大的稠环环烷烃,稠环芳香烃和含S,N等杂原子的环状化合物.2.1.2.2 油品的概念
根据沸程的不同,将油品分类
石脑油(轻汽油)50-140℃
汽油 140-200℃
航空煤油 140-230℃
煤油 180-310℃
柴油 260-350℃
润滑油 350-520℃
重,渣油 >520℃(1)汽油
汽油主要来源于常减压蒸馏得到直馏汽油和催化裂化重整得到催化汽油.辛烷值是汽油质量主要的评价指标,是汽油在内燃机中燃烧时,抗爆震性能的指标.辛烷值越大,抗爆震性能愈高,汽油的质量也愈好,测定方法有研究法(RON),马达法(MON).将异辛烷规定为100,正庚烷为0,两者以不同比例混合,制成标准汽油.将待测汽油与标准汽油相比较,若两者在标准汽油机中抗爆性能相同,则待测汽油的辛烷值就是同测标准汽油中异辛烷的百分含量.(2)柴油
十六烷值是评定柴油发火性能(自燃性)的指标,指在单缸发动机中,当试验油料的自燃性和十六烷与2-甲基萘某一混合物的自燃性能相同时,待测油料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的体积百分数相同.馏程闪点:评定柴油蒸发性能的指标,主要是50%和90%的馏出温度凝点:在规定的实验条件下,试样开始失去流动性的温度冷滤点:通过过滤器的流量每分钟不足20ml时的最高温度柴油标号的依据是柴油的凝固点,根据使用时的气温选用不同标号.5#: 8℃以上
0#: 8℃至4℃
-10#: 4℃至-5℃
-20#:-5℃至-14℃
-35#:-14℃至-29℃
-50#:-29℃至-44℃
2.1.2.3 石油的加工
为了充分利用宝贵的石油资源,对石油进行一次加工和二次加工,在生产燃料油的同时还制取各类化工原料.(1)石油的一次加工
一次加工方法为常压蒸馏和减压蒸馏,是利用原油中各组分沸点的差别进行分离.常压蒸馏和减压蒸馏均为没有化学反应的传质,传热物理过程,以加工得到各种油品为主要目的.大型石油化工联合企业中的炼油厂蒸馏装置多采用燃料-化工-润滑油型流程,见图2-1所示.原油由输油泵1打入换热器2与蒸馏产品换热得到预热,然后进入脱盐罐3脱除盐和水分,再经另一换热器与蒸馏产品换热.到加热炉4升温至370℃后送入常压蒸馏塔5,塔顶馏出C1～C4烷烃和低沸程的汽油馏分(亦称为石脑油),塔侧由上至下分别引出不同沸程的馏分,汽提塔7的作用是将各侧线产品中的轻馏分吹出,送回塔5中,以免影响各馏分的性质(如轻柴油的闪点).常压塔出来的石脑油含有C5～C10烷烃和环烷烃及少量轻芳烃,轻石脑油的沸程为30～150℃,重石脑油的沸程为150～220℃,石脑油是汽油和催化重整的原料.煤油沸程175～275℃,含C9～C16烃类,煤油作喷气式飞机和拖拉机的燃料.轻柴油沸程200～300℃,含C15～C18烃类.沸程更高一些的馏分是重柴油,国外称之为瓦斯油(gas oil).塔底流出的常压重油也称为拔顶原油,沸点高于350℃,其中大部分是瓦斯油和润滑油成分,但如果继续在常压下分离,则需将其加热至400℃以上,这会导致重油馏分中大分子化合物发生分解和缩合反应,产生许多气体和焦炭,降低油品产率和质量,结焦堵塞而缩短设备的生产周期.因此需要减压以降低沸点,才能继续进行蒸馏.常压重油经另一加热炉加热,温度限制在400℃以下,然后进入减压蒸馏塔9,由塔顶真空系统造成负压,塔底压力8kPa,塔顶低于4kPa.通过减压蒸馏可以从常压重油中蒸出正常沸点低于550℃的馏分,由减压塔不同高度塔板处可分别取出不同沸程馏分油,其中减压柴油(亦称减压瓦斯油)的量很多.这些馏分油可制取润滑油,也可作裂化原料.塔底减压渣油的正常沸点高于550℃,原油中大部分胶质,沥青质都留于其中,有机硫化物,有机氮化物和有机金属化合物含量高.减压渣油可作化工原料,锅炉燃料,焦化原料,或经加工后生产高粘度润滑油和沥青.(2)石油的二次加工
石油的一次加工只能将原油切割成几个馏分,为了生产更多的燃料和化工原料,需要对各个馏分油进行二次加工.主要的几种加工过程为: 催化重整(catalytic reforming)催化裂化(catalytic cracking)
催化加氢裂化(catalytic hydrocracking)
烃类热裂解(pyrolysis of hybrocarbons)催化重整 在含铂的催化剂作用下加热汽油馏分,使其中的烃类分子重新排列形成新分子的工艺过程.原料油:石脑油 当以生产高辛烷值汽油为目的时,采用80～180℃的馏分,以生产芳烃为主要目的时,采用60～140℃的馏分.产物: 提供高辛烷值汽油,苯,甲苯,二甲苯等芳烃原料,以及液化气和溶剂油,并副产氢气.在催化重整过程中,主要发生环烷烃脱氢,烷烃脱氢环化等生成芳烃的反应,此外还有烷烃的异构化和加氢裂化等反应.加氢裂化反应会降低芳烃收率,应尽量加以抑制.重整催化剂由活性组分(铂),助催化剂和酸性载体(如经HCl处理的Al2O3)组成.现在发展到铂-铼双金属催化剂,还有以铂为主的多金属催化剂,已经使芳烃总收率由原来的30%～50%提高到50%以上.裂化 在催化剂作用下加热重质馏分油,使大分子烃类化合物裂化的过程原料油: 直馏柴油 减压柴油 重柴油 焦化馏分油(碳数多在18以上)反应条件:450～530℃ 0.1～0.3 MPa 催化剂为微球形,颗粒直径10～100μm,目前采用高活性的分子筛催化剂,添加少量稀土氧化物的分子筛催化剂性能更好.产物: 高质量汽油(产率30%～60%)并副产柴油(产率≤40%,其中的烷基苯和烷基萘,可以提取出来作为化工原料)锅炉燃油,液化气和气体等产品催化裂化装置曾使用过固定床和移动床两种型式,当今均采用流化床型式,分子筛催化剂的活性很高,反应时间只需1～4秒,宜于采用直径小的提升管反应器,管内流体呈平推流状,返混少,停留时间又短,因而汽油产率很高.催化裂化装置都包括两个主要设备,即反应器(包括反应部分和沉降部分)和再生器.根据两者相对位置来分,有等高并列式,高低并列式(错列式)和同轴式三种.裂化反应非常复杂,主要有大分子烷烃的碳-碳链断裂生成较小分子的烷烃和烯烃;直链烷烃脱氢生成烯烃和氢;正烷烃异构化为异烷烃;支链烷烃脱氢环化生成芳烃;环烷烃脱氢生成芳烃;烯烃脱氢环化或聚合结焦;芳烃脱氢缩合结焦等等.催化剂存在及高氢压下,加热重质油使其发生各类加氢和裂化反应.原料油:减压柴油 重柴油 减压渣油工艺:高压法和中压法.高压法的操作压力高于10 MPa,反应温度370～450℃;中压法压力5～10 MPa,反应温度370～380℃.催化剂分为两类,即Ni,Mo,W,Co的非贵金属氧化物和Pt,Pd氧化物,均用硅酸铝加分子筛或氧化铝为载体.非贵金属氧化物催化剂要先进行硫化预处理才具有催化活性,而贵金属氧化物催化剂则应进行还原活化才有活性.加氢裂化反应器是气(H2),液(油),固(催化剂)三相反应器,有滴流床(或涓流床)型反应器,属于催化剂不动的固定床;也有催化剂细颗粒在油中悬浮作相对运动的膨胀床流化态反应器.产物: 油品安定性好 航空煤油 柴油 汽油加氢裂化过程中发生的反应类型主要有:大分子烷烃加氢裂解成较小分子烷烃;环烷烃加氢开环生成链烷烃;芳烃加氢生成环烷烃;有机含硫化合物加氢生成烷烃和硫化氢;有机含氮化合物加氢生成烷烃和氨;有机含氧化合物加氢生成烃和水;有机金属化合物加氢分解释出金属及烃类.加氢裂化可以使产品中不饱和烃及重芳烃含量显著减少,提高了油品安定性.还使硫,氮,氧和重金属等从烃类化合物中分解脱除,提高了油品质量.大量氢气可以抑制脱氢缩合反应,产品油中不含焦油,催化剂上也不结焦.热裂解(第三章 详细讲解)将烃类加热到750~900℃使其发生裂解原料油:乙烷 丙烷 石脑油产物: 乙烯 丙烯 丁烯 丁二烯 三苯等芳烃 其他化工原料 石油的二次加工还有烷基化,异构化,焦化等,可获得高辛烷值汽油和化工原料.从石油经一次和二次加工获取燃料和化工原料的主要途径可归纳于图2-6.2.1.3 天然气及其加工
天然气的主要成分是甲烷,甲烷含量高于90%的天然气称为干气,C2～C4烷烃含量≥15%～20%的天然气称为湿气,有的天然气与石油共生(油田伴生气).煤矿中吸附在煤上的甲烷称为煤层气(瓦斯气),储量很大,作为一种有竞争力的天然气资源已受到世人的关注.现在对煤层气的利用率只有7%~8%.在高纬度的冻土带和深度不到2000m的海底还有一种天然气水合物,是由甲烷与水组成的笼形化合物,目前尚未得到利用.天然气是一种清洁能源,它的加工利用主要有以下几方面: 制氢气和合成氨
经合成气路线制燃料和化工产品
直接催化转化成化工产品
热裂解制化工产品
甲烷的氯化,硝化,氨氧化和硫化
湿气中C2～C4烷烃的利用 2.1.4 煤及其加工
煤(coal)由含碳,氢的多种结构的大分子有机物和少量硅,铝,铁,钙,镁的无机矿物质组成.由于成煤过程的程度
不同分为泥煤,褐煤,烟煤和无烟煤.H% O%含量顺序泥煤>褐煤 > 烟煤>无烟煤.煤化工范畴内加工路线主要有以下几种.高温干馏(炼焦)低温干馏煤气化
煤液化(直接液化 间接液化)乙醇的生产 将含淀粉的谷类,薯类,植物果实经蒸煮糊化,加水冷却至60℃,加入淀粉酶使淀 粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖,再加入酵母使之发酵则转变成乙醇(食用酒精).丙二醇的生产 1 1,3-丙二醇(PDO)是生产聚对苯二甲酸丙二酯(PPT)的原料.PDO可以由环氧乙烷与CO来合成,也可用丙烯腈来生产,最近颇受重视的是生化法,即运用重组DNA技术培育出的微生物将可发酵的碳源生物质转化成PDO,生产成本亦可降低.美国杜邦公司和Genencor公司正在利用这一技术进行用葡萄糖一步生产PDO的中试规模试验,预计到2002年上半年可能达到市场开发阶段.2.2 化工生产过程及流程
2.2.1 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.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.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.化学反应 通过该步骤完成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.产品的分离和精制 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.2.2.2 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,按物料加工顺序将各功能单元有机地组合起来,则构筑成工艺流程.工艺流程多采用图示方法来表达,称为工艺流程图(flow sheet或proce 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其处理方法等重要工艺和工程知识.化工生产工艺流程的组织
工艺流程的组织或合成是化工过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.该方法可用“洋葱”模型表示(图2-7).功能分析法是缜密地研究每个单元的基本功能和基本属性,然后组成几个可以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通常有许多种可供选择,因而可组织出具有相同整体功能的多种流程方案.应选择哪种方案呢 这就需要用形态分析法来进行评判和选择.形态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:是否满足所要求的技术指标;经济指标的先进性;环境,安全和法律;技术资料的完整性和可信度.这三种工艺流程的组织方法也是今后学习和分析每一个工艺流程的基本方法.(1)丙烯液相水合制异丙醇许多化工原料是昂贵的,制造成本很高,因此,提高原料利用率是关键的问题.组织的工艺流程是否能解决此问题,可反映流程的优劣.在20 MPa和200～300℃及硅钨酸催化剂水溶液中进行,该工艺异丙醇选择性为98%～99%,但尚有30%～40%的丙烯未反应,丙烯是价贵的原料,若直接排放既浪费又污染环境.如何提高丙烯原料的利用率 将未反应的反应物从产物中分离出来,再返回反应器是一个有效的方法,这样就需采用循环流程.工业上采用的流程见图2-8所示.这类工艺流程中除未反应的反应物返回反应器,其它一些物料如溶液,催化剂,溶剂等返回反应器也属于循环.主要优点:能显著地提高原料利用率,减少系统排放量,也减少了对环境的污染.缺点: 循环体系中惰性物质和其它杂质会逐渐积累,对反应速率和产品产率有影响,必需定期排出这些物质以避免积累.(2)丙烯腈生产过程中分离与精制流程的选择
对于副反应较多的生产过程,如何经济有效地进行产品的分离和精制,回收副产物,以满足产品的高回收率和高纯度的技术指标是工艺流程组织的关键.以丙烯和氨气氧化生产丙烯腈,反应后混合物中除产物丙烯腈外,尚有副产物氢氰酸,乙腈及少量未反应的NH3和丙烯,需要从反应后混合物中将丙烯腈分离出来,副产物氢氰酸是很有用的化工原料,应分离出来加以利用.在该流程中,如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物 一般是用精馏方法来分离.因此按照分离顺序可组织出两种流程供选择: 其一是将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中蒸发出来,冷凝后再逐个精馏分离;但丙烯腈的沸点(77.3℃)与乙腈沸点(81.6℃)相近,普通精馏方法难于将它们分离,不易满足产品的高回收率和高纯度的技术指标,且处理过程复杂.其二是采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来,乙腈留在水溶液中,然后再分离丙烯腈和HCN.乙腈与水完全互溶,而丙烯腈在水中的溶解度很小,若用大量水作萃取剂,可增大两者的相对挥发度,使精馏分离变得很容易.显而易见,第二种流程优于第一种流程,在工业上广泛采用.该流程见图2-7所示,在萃取塔的塔顶蒸出丙烯腈-氢氰酸-水三元共沸物,经冷却冷凝分为水相和油相两层,水相流回塔中,油相含有80%以上的丙烯腈,10%左右的氢氰酸,其余为水和微量杂质,它们的沸点相差很大,普通精馏方法即可分离.乙腈水溶液由塔底流出,送去回收和精制乙腈.该流程可获得纯度很高的聚合级丙烯腈,回收率也高,且处理过程较简单.(3)合理利用能量
在组织工艺流程时,不仅要考虑高产出,高质量的问题,还要考虑合理地利用能,回收能,尽可能利用物料所带的显热,使之在离开系统时接近环境温度,以免热量损失到环境中.对于放热反应,应该安排回收和利用反应热的设备.对于吸热反应,其供热热源的余热也应加以利用.根据热能不同的温位,合理地安排相应的回收利用设备,高温位的热能,例如700℃以上高温反应后的工艺气,应先引入废热锅炉,利用高温热能产生高压蒸汽,可作为动力能源驱动发电机,压缩机,泵等.降温后的工艺气可进入热交换器去加热其它物料,然后进入温度较低的后处理单元;中等温位的热能多通过热交换器来加以利用,还可以通过热泵或吸收式制冷机来利用热量;低温位的热能可用于锅炉给水的预热,蒸馏塔的再沸器加热等.2.3 化工过程的主要效率指标
2.3.1 生产能力和生产强度
(1)生产能力
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处理的原料量 单位 千克/时(kg/h)吨 /天(t/d)
万吨/年(10kt/a)
设计能力:设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力(2)生产强度
设备的单位体积(或面积)的生产能力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.单位: kg/h m3,t/d m3 kg/h m2,t/d m2
时空收率:在分析对比催化反应器的生产强度时,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获得的产品量,亦即催化剂的生产强度,时空收率.单位为(kg/h m3cat.),(kg/h kgcat.).(3)有效生产周期
开工因子=全年开工生产天数/365
开工因子通常在0.9左右,开工因子大意味着停工检修带来的损失小,即设备先进可靠,催化剂寿命长.2.3.2 化学反应的效率——合成效率
(1)原子经济性(atom ecnomy)原子经济性AE定义为: Pi:目的产物分子中各类原子数
Fj:反应原料中各类原子数
M:相应各类原子的相对质量
(2)环境因子 由荷兰化学家Sheldon提出,定义为: E=废物质量/目标产物质量
上述指标从本质上反映了其合成工艺是否最大限度地利用了资源,避免了废物的产生和由此而带来的环境污染.2.3.3 转化率 选择性 收率
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
转化率表征原料的转化程度,反映了反应进度.关键反应物的转化率: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.对于间歇过程,以反应开始时装入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.对于采用循环流程,则有单程转化率和全程转化率之分.从产物角度来描述反应过程的效率,无副反应的体系,S=1,故收率在数值上等于转化率,转化率越高则收率越高;有副反应的体系,S0,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,ΔH0
k总是随温度的升高而增加
不可逆反应,产物生成速率随温度的升高而加快 可逆吸热反应,净速率随温度的升高而增高
可逆放热反应,在最佳反应温度下净反应速率最大 2.4.2 浓度的影响
反应物浓度越高,越有利于平衡向产物方向移动 使廉价易得的反应物过量,提高价贵 难得反应物的利用率
反应物浓度愈高,反应速率愈快 2.4.3 压力的影响
1,压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大
分子数增加的反应,降低压力可以提高平衡产率
分子数减少的反应,提高压力可以提高平衡产率
分子数不变的反应,压力对平衡产率无影响
2,一定的压力范围内加压,对加快反应速率有一定好处,但压力过高,反而不经济
3,惰性气体的存在,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
2.5 催化剂的性能及使用 前言: 提高反应速率和选择性
改进操作条件
催化剂有助于开发新的反应过程,发展新 的化工技术 催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用 2.5.1催化剂的基本特征
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
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
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 2.5.2催化剂的分类
按催化反应体系的物相均一性 均相催化剂 非均相催化剂
按反应类别加氢,脱氢,氧化,裂化,水合,聚合,烷基化,异构化,芳构化,羰基化,卤化 按反应机理氧化还原型催化剂,酸碱催化剂
按使用条件下的物态 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 2.5.3.1 工业催化剂的使用性能 a)活性
b)选择性 c)寿命
寿命的影响因素 化学稳定性 热稳定性
力学性能稳定性 耐毒性
2.5.3.2 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.2.5.3.3 催化剂的失活 失活原因: 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
再生:暂时性中毒是可逆的,当原料中除去毒物后,催化剂可逐渐恢复活性 永久性中毒则是不可逆的.催化剂积碳可通过烧碳再生
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
2.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础
前言: 物料衡算和热量衡算的意义:化学工艺的基础之一,通过物,热衡算,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;可以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,为改善操作和进行系统的最优化提供依据.2.6.1 反应过程的物料衡算
输入物料的总质量 = 输出物料的总质量 + 系统内积累的物料质量
间歇过程:以每批生产时间为基准
输入物料量 每批投入的所有物料质量的总和(包括反应物,溶剂,充入的气体,催化剂等)输出物料量 该批卸出的所有物料质量的总和(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
稳定流动过程的物料衡算:系统中各点的参数(温度,压力,浓度和流量等)不随时间而变化,系统中没有积累
输入系统的物料总质量 = 输出系统的物料总质量 组分衡算 ∑mi)入 =(∑mi)出+Δ mi
原子衡算 输入物料中所有原子的摩尔数之和 = 输出物料中所有原子的摩尔数之和
步骤: 绘出流程的方框图,以便选定衡算系统 写出化学反应方程式并配平
选定衡算基准,以计算方便为原则 收集或计算必要的各种数据
设未知数,列方程式 组,联立求解 计算和核对 报告计算结果
2.6.2 反应过程的热量衡算 稳态流动反应过程的热量衡算
稳态流动反应过程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= 输入物料的内能U in + 环境传入的热量QP 输出该系统的能量= 输出物料的内能U out + 系统对外作的功 W U in+ QP = U out + W 首先要确定衡算对象,即明确系统及其周围环境的范围
选定物料衡算基准,物,热衡算方程式要联立求解,均应有同一物料衡算基准 确定温度基准,多以298 K(或273K)为基准温度;注意物质的相态,计算相应的焓变.
