1、3 化学反应过程化工生产的核心3.1 化学反应过程的分类 按反应特性分类，有氧化、还原、加氢、脱氢、歧化、异构化、烷基化、羟基化、水解、水合、偶合等；按反应机理，分简单反应和复杂反应；按反应的方向，分可逆和不可逆反应；按反应物系的相态，分均相和非均相；是否催化反应；热效应，分吸热和放热反应；化学动力学角度分类，分单分子反应、双分子反应和个别三分子反应；零级反应、一级反应、二级反应和分数级反应；按反应过程控制的温度条件，分为等温反应过程、绝热反应过程和非绝热变温反应过程；依据压力条件，分常压、负压、加压（高压、中压、低压）反应过程；依据操作方式的不同分类，分为间歇反应过程、连续反应过程和半连续反
2、应过程；3.2 有关化学反应过程的理论 化学反应原理包括的理论体系化学反应原理包括的理论体系：1）化学热力学(chemical thermodynamics)1.判断化学反应能否发生以及进行的方向2.化学反应过程进行的最大限度3.热效应 2）化学动力学(chemical kinetics)1.化学反应过程进行的机理 2.确定化学反应速率与其影响因素的函数关系 研究工业化学反应过程，不仅要考虑微观动力学因素，还同时需要考虑设备结构、传递过程等宏观动力学因素 过程传递理论：动量传递、热量传递、质量传递。3.3 化学反应过程的主要技术指标(1)转化率：指某一反应物参加反应转化的数量占该反应物起始量的
3、百分数，用符号x表示。转化率是表示反应物反应程度的指标。同一反应，不同反应组分的转化率在数值上可能不 同。关键反应物关键反应物是反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他组分过量。%100 该反应物的起始量该反应物的起始量某一反应物的转化量某一反应物的转化量X 单程转化率单程转化率：表示反应物一次通过反应器,参加反应的某种原料量站通入反应器的反应物总量的百分数。全程转化率：新鲜原料进入到离开反应系统所达到的转化率。%100 的量的量反应器进口物料中组分反应器进口物料中组分在反应器中的转化量在反应器中的转化量组分组分AAXA%100,的量的量新鲜原料中新鲜原料中在反应器中的转化量在反应器
4、中的转化量组分组分AAXtotA(2)选择性：体系中转化成目标产物的某一反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之百分数。选择性表达了主、副反应进行程度的大小，能反映原料的利用是否合理%100 该反应物的总的转化量该反应物的总的转化量的某一反应物的量的某一反应物的量转化为目的产物转化为目的产物RSR 收率（yield）指按反应物进行量计算，生成目的产物的百分数。收率=（目的产物生成量/反应物进料量100%。收率与转化率及选择选择性的关系为：收率=转化率选择性 收率=(产品量/原料总量)（总转化量-损失量）/原料总量）转化率-损失率(3)收率收率(4)反应速率反应速率 化学反应速率化学反应速率
5、：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中进行而不同。1.1.间歇系统间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而变，故独立变量独立变量为时间时间。在间歇系统中在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反应时间内单单位反应混合物体积位反应混合物体积中反应物A的反应量或产物的生成量。即：)/(dd13smmoltnVrii在多相系统中在多相系统中，可以采用单位相界面积（两相
6、流体系统）、单位固体表面积（流固相非催化反应）、单位催化剂内表面积（流固相催化反应）或单位质量固体或催化剂（流固系统）来表示反应速率，其一般式即可表示为：间）（定义用的基准）（时组分生成的摩尔数AtnBriidd1这里的B可以是面积S或是质量W。当用于液相反应时当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可忽略反应混合物的体积变化可忽略，因此：)/(dd13smmoltcdtdnVriii对于多组分反应系统：对于多组分反应系统：MLBAMLBAMLBAMLBArrrr:或写成：或写成：dtdcdtdcdtdcdtdcMMLLBBAA1111以不同组分表示的反应速率受化学计量方程式的约束。以
7、不同组分表示的反应速率受化学计量方程式的约束。反应进度反应进度：对于：对于间歇系统间歇系统中的某反应，若反应混合物中中的某反应，若反应混合物中某组分的起始物质的量为某组分的起始物质的量为n ni0i0，反应后该组分的物质的量，反应后该组分的物质的量为为n ni i，则定义反应进度为：，则定义反应进度为：SSBBAAdndndndmolnniii0或写成：i0iiinnn则：dtdVr用反应进度表示反应速率：用反应进度表示反应速率：所有反应物和产物的反应进度都是相等的。所有反应物和产物的反应进度都是相等的。0000AAAAAAAAnnnnnnx )1(0AAAxnn转化率：转化率：组分组分A反应
8、掉的物质的量与其开始时物质的量反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。之比。当反应体积不变时：当反应体积不变时：)1(0AAAxCC用转化率表示反应速率：用转化率表示反应速率：dtdxnVdtdnVrAAAA011用转化率表示反应进度：用转化率表示反应进度：AAAxn02.2.连续系统连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置空间位置的函数。连续系统连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反
9、中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即：应物或产物的摩尔流量的变化。即：)/(dd3R,smmolVqrini对于对于均相反应均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积；，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积；对于对于气气-固相催化反应固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。化学反应速率的表示方式)/(dd2,smmolSqrini)/(dd,skgmolWqrini三、均相反应与非均相反应均相反应均相反应：反应仅在单一的相内发生。：反应仅在单一的相内发生。均相反应的速率取均相反应的速率取绝于反应物
10、的温度和浓度。绝于反应物的温度和浓度。非均相反应非均相反应：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界面上发生。面上发生。非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触情况有关。情况有关。3.4 催化剂的性能及使用 催化剂是化工技术的核心，80%化学工业过程（石油加工、传统化学工业、食品工业、建材工业、精细化学品工业、环保产业等）是采用催化过程来实现的。催化剂的销售额在100-200亿美元。与催化剂相关的工艺设备销售收入可达数千亿美元3.4.1 催化剂在化学工业中的作用 提高反应速率和选择性 改变操作条件 有助于开发新的反应
11、过程 能源开发、治理污染3.4.2 催化剂的基本特征 催化剂本身在化学反应中化学性质和数量均未发生变化 催化剂缩短达到化学平衡的时间，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酶催化反应同时酶催化反应同时具有均相和非均具有均相和非均相反应的性质。相反应的性质。非均相催化反应是非均相催化反应是指反应物和催化剂指反应物和催化剂居于不同相态的反居于不同相态的反应。应。均相催化反应是指均相催化反应是指反应物和催化剂居反应物和催化剂居于同一相态中的反于同一相态中的反应。应。按催化反应系统物相的均一性进行分类按催化反应系统物相的均一性进行分类3.4.3 催化剂的分类催化剂的分类催
12、化剂对可能进行的特定反应的选择催化作用催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作用按反应类型进行分类按反应类型进行分类反应类型常用催化剂加氢Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63-脱氢Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt氧化V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2羰基化Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pph3聚合CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3卤化AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2裂解SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性
13、白土水合H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂烷基化，异构化H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛按反应机理进行分类按反应机理进行分类酸碱型催化反应酸碱型催化反应 酸碱型催化反应的反应机酸碱型催化反应的反应机理可认为是催化剂与反应物分理可认为是催化剂与反应物分子之间通过电子对的授受而配子之间通过电子对的授受而配位，或者发生强烈极化，形成位，或者发生强烈极化，形成离子型活性中间物种进行的催离子型活性中间物种进行的催化反应。化反应。氧化还原型催化反应氧化还原型催化反应 氧化还原型催化反应机理可氧化还原型催化反应机理可认为是催化剂与反应物分子间认为
14、是催化剂与反应物分子间通过单个电子转移，形成活性通过单个电子转移，形成活性中间物种进行催化反应。中间物种进行催化反应。酸碱型及氧化还原型催化反应比较酸碱型及氧化还原型催化反应比较比较项目酸碱型催化反应氧化还原型催化反应催化剂与反应物之间作用电子对的接受或电荷密度的分布发生变化单个电子转移反应物化学变化非均裂或极化均裂生成活性中间物种自旋饱和的物种（离子型物种）自旋不饱和的物种（自由基型物种）催化剂自旋饱和分子或固体物质自旋不饱和分子或固体物质催化剂举例酸，碱，盐，氧化物，分子筛过渡金属，过渡金属氧（硫）化物，过渡金属盐，金属有机络合物反应举例裂解，水合，脂化，烷基化，歧化，异构化加氢，脱氢，氧
15、化，氨氧化催化剂的表示方法通常：1、用“/”来区分载体与活性组分 如：Ru/Al2O3，Pt/Al2O3，Pd/SiO2 Au/C 2、用“-”来区分各活性组分及助剂 Pt-Sn/Al2O3，Fe-AL2O3-K2O3.4.4 催化剂的性能指标 催化剂的活性活性 催化剂的选择性选择性 催化剂的寿命寿命 催化剂的稳定性稳定性催化剂的活性催化剂的活性3转化率表示法转化率表示法CA%=反应物A转化掉的量/流经催化床层进料中反应物A的总量100%1SgmPASPAVPAmrSrrVhmmolSdtdnSdtdnrhLmolVdtdnVdtdnrhgmolmdtdnmdtdnr121111反应速率表示法
16、反应速率表示法2)()(pfkRcfkr反应速度常数表示法反应速度常数表示法催化剂的选择性催化剂的选择性选择性（选择性（S%S%）选择性因素（选择度）选择性因素（选择度）催化剂的稳定性催化剂的稳定性化学稳定性化学稳定性热稳定性热稳定性耐毒稳定性耐毒稳定性机械稳定性机械稳定性3.4.5 工业催化剂的使用工业催化剂的使用 工业催化剂是指具有工业生产实际意义，可以用于大规模生产过程的催化剂。一种好的工业催化剂应具有适宜的活性、高选择性和长寿命。工业催化剂的活性、选择性和寿命除决定于催化剂的组成结构外，与操作条件也有很大关系。这些条件包括原料的纯度、生产负荷、操作温度和压力等。因此，在选择或研制催化剂时要充分考虑到操作条件的影响，并选择适宜的配套装置和工艺流程。此外，催化剂的价格也是要考虑的。3.5 反应器的基本类型谢谢观看！2020
