1、3 化學(xué)反應(yīng)過程,化工生產(chǎn)的核心,1,3.1 化學(xué)反應(yīng)過程的分類,按反應(yīng)特性分類，有氧化、還原 、加氫、脫氫、歧化、異構(gòu)化、烷基化、羥基化、水解、水合、偶合等； 按反應(yīng)機(jī)理，分簡(jiǎn)單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)； 按反應(yīng)的方向，分可逆和不可逆反應(yīng)； 按反應(yīng)物系的相態(tài)，分均相和非均相； 是否催化反應(yīng)； 熱效應(yīng)，分吸熱和放熱反應(yīng)； 化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分類，分單分子反應(yīng)、雙分子反應(yīng)和個(gè)別三分子反應(yīng)；零級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng)和分?jǐn)?shù)級(jí)反應(yīng)；,2,按反應(yīng)過程控制的溫度條件，分為等溫反應(yīng)過程、絕熱反應(yīng)過程和非絕熱變溫反應(yīng)過程； 依據(jù)壓力條件，分常壓、負(fù)壓、加壓（高壓、中壓、低壓）反應(yīng)過程； 依據(jù)操作方式的不同分類，分為間歇

2、反應(yīng)過程、連續(xù)反應(yīng)過程和半連續(xù)反應(yīng)過程；,3,3.2 有關(guān)化學(xué)反應(yīng)過程的理論,化學(xué)反應(yīng)原理包括的理論體系： 1）化學(xué)熱力學(xué)(chemical thermodynamics) 1.判斷化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生以及進(jìn)行的方向 2.化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行的最大限度 3.熱效應(yīng),4,2）化學(xué)動(dòng)力學(xué)(chemical kinetics) 1.化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行的機(jī)理 2.確定化學(xué)反應(yīng)速率與其影響因素的函數(shù)關(guān)系 研究工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程，不僅要考慮微觀動(dòng)力學(xué)因素，還同時(shí)需要考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、傳遞過程等宏觀動(dòng)力學(xué)因素 過程傳遞理論：動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞。,5,3.3 化學(xué)反應(yīng)過程的主要技術(shù)指標(biāo),(1) 轉(zhuǎn)化率：指某一反應(yīng)物

3、參加反應(yīng)轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的百分?jǐn)?shù)，用符號(hào)x表示。 轉(zhuǎn)化率是表示反應(yīng)物反應(yīng)程度的指標(biāo)。 同一反應(yīng)，不同反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率在數(shù)值上可能不 同。 關(guān)鍵反應(yīng)物是反應(yīng)物中價(jià)值最高的組分，為使其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他組分過量。,6,單程轉(zhuǎn)化率：表示反應(yīng)物一次通過反應(yīng)器,參加反應(yīng)的某種原料量站通入反應(yīng)器的反應(yīng)物總量的百分?jǐn)?shù)。 全程轉(zhuǎn)化率：新鮮原料進(jìn)入到離開反應(yīng)系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。,7,(2) 選擇性：體系中轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物的某一反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之百分?jǐn)?shù)。 選擇性表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的大小，能反映原料的利用是否合理,8,收率（yield）指按反應(yīng)物進(jìn)行量計(jì)算，生成目的產(chǎn)物的百

4、分?jǐn)?shù)。 收率=（目的產(chǎn)物生成量/反應(yīng)物進(jìn)料量100%。 收率與轉(zhuǎn)化率及選擇性的關(guān)系為：收率=轉(zhuǎn)化率選擇性 收率=(產(chǎn)品量/原料總量)（總轉(zhuǎn)化量-損失量）/原料總量）轉(zhuǎn)化率-損失率,(3) 收率,9,(4) 反應(yīng)速率,化學(xué)反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位反應(yīng)混合物體積中反應(yīng)物的反應(yīng)量或產(chǎn)物的生成量。其表示方法因反應(yīng)在間歇或連續(xù)系統(tǒng)中進(jìn)行而不同。,1. 間歇系統(tǒng)：反應(yīng)物一次加入反應(yīng)器，經(jīng)歷一定的反應(yīng)時(shí)間達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率后，產(chǎn)物一次卸出，生產(chǎn)是分批進(jìn)行的。若攪拌系統(tǒng)效果良好，則反應(yīng)物系的組成，溫度，壓力等參數(shù)在每一瞬間都是一致的，但隨反應(yīng)的進(jìn)行，其值隨時(shí)間而變，故獨(dú)立變量為時(shí)間。,在間歇系統(tǒng)中，反應(yīng)速率可

5、以表示為單位反應(yīng)時(shí)間內(nèi)單位反應(yīng)混合物體積中反應(yīng)物A的反應(yīng)量或產(chǎn)物的生成量。即：,10,在多相系統(tǒng)中，可以采用單位相界面積（兩相流體系統(tǒng)）、單位固體表面積（流固相非催化反應(yīng)）、單位催化劑內(nèi)表面積（流固相催化反應(yīng)）或單位質(zhì)量固體或催化劑（流固系統(tǒng)）來表示反應(yīng)速率，其一般式即可表示為：,這里的B可以是面積S或是質(zhì)量W。,當(dāng)用于液相反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)過程中反應(yīng)混合物的體積變化可忽略，因此：,11,對(duì)于多組分反應(yīng)系統(tǒng)：,有：,或?qū)懗桑?以不同組分表示的反應(yīng)速率受化學(xué)計(jì)量方程式的約束。,12,反應(yīng)進(jìn)度：對(duì)于間歇系統(tǒng)中的某反應(yīng)，若反應(yīng)混合物中某組分的起始物質(zhì)的量為ni0，反應(yīng)后該組分的物質(zhì)的量為ni，則定義反應(yīng)進(jìn)

6、度為：,或?qū)懗桑?則：,用反應(yīng)進(jìn)度表示反應(yīng)速率：,所有反應(yīng)物和產(chǎn)物的反應(yīng)進(jìn)度都是相等的。,13,轉(zhuǎn)化率：組分A反應(yīng)掉的物質(zhì)的量與其開始時(shí)物質(zhì)的量nA，0之比。,當(dāng)反應(yīng)體積不變時(shí)：,用轉(zhuǎn)化率表示反應(yīng)速率：,用轉(zhuǎn)化率表示反應(yīng)進(jìn)度：,14,2. 連續(xù)系統(tǒng)：反應(yīng)物和產(chǎn)物在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)處于連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到定態(tài)后，物料在反應(yīng)器內(nèi)沒有積累，系統(tǒng)中的濃度、溫度等參數(shù)在一定位置處是定值，即不隨時(shí)間而變化，但在反應(yīng)器中不同位置這些參數(shù)是不同的。因此，對(duì)連續(xù)系統(tǒng)，物系中各參數(shù)是空間位置的函數(shù)。,連續(xù)系統(tǒng)中反應(yīng)速率可以表示為單位反應(yīng)體積中某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流量的變化。即：,對(duì)于均相反應(yīng)，反應(yīng)體積指反應(yīng)混合物

7、在反應(yīng)器中所占據(jù)的體積；對(duì)于氣-固相催化反應(yīng)，反應(yīng)體積指反應(yīng)器中催化劑床層的體積。,15,化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式,也可以表示為單位反應(yīng)表面積上某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流量的變化。即：,還可以表示為單位質(zhì)量固體（或催化劑）上某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流量的變化。即：,16,三、均相反應(yīng)與非均相反應(yīng),均相反應(yīng)：反應(yīng)僅在單一的相內(nèi)發(fā)生。均相反應(yīng)的速率取絕于反應(yīng)物的溫度和濃度。,非均相反應(yīng)：至少需要兩個(gè)相的存在，反應(yīng)在兩個(gè)相的界面上發(fā)生。非均相體系的化學(xué)反應(yīng)速率與兩相之間的接觸情況有關(guān)。,17,3.4 催化劑的性能及使用,催化劑是化工技術(shù)的核心， 80%化學(xué)工業(yè)過程（石油加工、傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)、食品工業(yè)、建材工

8、業(yè)、精細(xì)化學(xué)品工業(yè)、環(huán)保產(chǎn)業(yè)等）是采用催化過程來實(shí)現(xiàn)的。催化劑的銷售額在100-200億美元。與催化劑相關(guān)的工藝設(shè)備銷售收入可達(dá)數(shù)千億美元 3.4.1 催化劑在化學(xué)工業(yè)中的作用 提高反應(yīng)速率和選擇性 改變操作條件 有助于開發(fā)新的反應(yīng)過程 能源開發(fā)、治理污染,18,3.4.2 催化劑的基本特征,催化劑本身在化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量均未發(fā)生變化 催化劑縮短達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間，不能改變平衡 催化劑具有明顯的選擇性，特定的催化劑只能催化特定的反應(yīng),19,按催化反應(yīng)系統(tǒng)物相的均一性進(jìn)行分類,3.4.3 催化劑的分類,20,催化劑對(duì)可能進(jìn)行的特定反應(yīng)的選擇催化作用,按反應(yīng)類型進(jìn)行分類,21,按反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行

9、分類,22,酸堿型及氧化還原型催化反應(yīng)比較,23,催化劑的表示方法,通常： 1、用“/” 來區(qū)分載體與活性組分 如：Ru/Al2O3，Pt/Al2O3，Pd/SiO2 Au/C 2、用“-”來區(qū)分各活性組分及助劑 Pt-Sn/Al2O3，F(xiàn)e-AL2O3-K2O,24,3.4.4 催化劑的性能指標(biāo),催化劑的活性 催化劑的選擇性 催化劑的壽命 催化劑的穩(wěn)定性,25,催化劑的活性,26,催化劑的選擇性,選擇性（S%）,選擇性因素（選擇度）,27,催化劑的穩(wěn)定性,化學(xué)穩(wěn)定性,熱穩(wěn)定性,耐毒穩(wěn)定性,機(jī)械穩(wěn)定性,28,3.4.5 工業(yè)催化劑的使用,工業(yè)催化劑是指具有工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際意義，可以用于大規(guī)模生產(chǎn)過程的催化劑。 一種好的工業(yè)催化劑應(yīng)具有適宜的活性、高選擇性和長(zhǎng)壽命。 工業(yè)催