化工基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、第2章 化工基礎(chǔ)知識(shí)8/9/20221化學(xué)工藝學(xué) 第2章【教學(xué)目標(biāo)】通過本章的學(xué)習(xí)，掌握化學(xué)熱力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的概念及影響因素；了解催化劑的特點(diǎn)、作用機(jī)理以及在工業(yè)中的使用；掌握化工生產(chǎn)的基本概念。 8/9/20222化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ) 2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡2.3 工業(yè)催化劑2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/20223化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)2.1.1 熱力學(xué)第一定律1.基本概念（1）體系與環(huán)境根據(jù)研究問題的需要，人為地選取一定范圍內(nèi)的物質(zhì)作為研究對(duì)象 ，稱之為體系；體系之外并與體系有密切聯(lián)系的其余部分物質(zhì)或空間稱為

2、環(huán)境，根據(jù)體系與環(huán)境之間的有無物質(zhì)和能量的交換，體系又分為 敞開體系、封閉體系、孤立體系。狀態(tài)函數(shù)：用來說明、確定體系所處狀態(tài)的宏觀物理量，包括質(zhì)量、溫度、壓力、體積、密度等。狀態(tài)函數(shù)的變化與過程的途徑無關(guān)。（2）過程與途徑定溫過程、定壓過程、定容過程、絕熱過程、循環(huán)過程8/9/20224化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ) （3）熱量與功量熱量（Q）指體系與環(huán)境之間因存在溫差而引起的能量傳遞形式。體系吸熱，Q為正值；體系放熱，Q為負(fù)值。功量（W）是體系和環(huán)境之間除熱之外的其它能量傳遞形式。體系對(duì)環(huán)境做功，W為正值；環(huán)境對(duì)體系做功，W為負(fù)值。熱或功不是狀態(tài)參數(shù)。只有系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，才可

3、能有熱量和功的傳遞。（4）內(nèi)能內(nèi)能，又叫熱力學(xué)能，它是指儲(chǔ)存于體系內(nèi)部一切能量的總和。任意系統(tǒng)處于確定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)能具有單一確定值；內(nèi)能的改變量只由始態(tài)和終態(tài)決定，而與過程的途徑無關(guān)，它是狀態(tài)函數(shù)。 8/9/20225化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)2.熱力學(xué)第一定律（1）表述方式：能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但轉(zhuǎn)化過程中能量的總和不變。 第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成。（2）數(shù)學(xué)表達(dá)式 8/9/20226化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)2.1.2 化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算1.定容反應(yīng)熱2.定壓反應(yīng)熱 即化學(xué)反應(yīng)的恒壓熱效應(yīng)等于過程的焓變。3.熱化學(xué)方程式（1）熱化學(xué)反應(yīng)方程式的寫

4、法： 或8/9/20227化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)（2）注意事項(xiàng)應(yīng)注明反應(yīng)的溫度和壓力 應(yīng)注明反應(yīng)物和生成物的物理狀態(tài) 化學(xué)計(jì)量系數(shù)，可以是整數(shù)也可以是分?jǐn)?shù)。同一化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量系數(shù)不同，其反應(yīng)的熱效應(yīng)值也不相同。 在可逆反應(yīng)中，正逆反應(yīng)的焓變的絕對(duì)值相等，其正負(fù)號(hào)相反。4.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓（1）在標(biāo)準(zhǔn)壓力和指定溫度下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)反應(yīng)生成1某物質(zhì)，其過程的標(biāo)準(zhǔn)焓變，稱為該物質(zhì)在該溫度下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。用 表示，單位是kJ/mol。（2）由標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算反應(yīng)的熱效應(yīng)：先從熱力學(xué)數(shù)據(jù)表中查出反應(yīng)各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓，再由 計(jì)算反應(yīng)的熱效應(yīng)。8/9/20228化學(xué)工藝學(xué) 第2章2

5、.1 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)5.標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓（1）標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1物質(zhì)完全燃燒時(shí)所放出的熱量，通常稱為燃燒焓，用 表示 ，單位單位是kJ/mol。（2）由標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓計(jì)算反應(yīng)的熱效應(yīng)：6.離子標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓（1）在指定溫度及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成溶于大量水的1離子時(shí)的熱效應(yīng)稱為離子標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，用 表示，并規(guī)定氫離子的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為零。（2）由離子標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓數(shù)據(jù)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)熱 ： 其中，離子標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓數(shù)據(jù)可查有關(guān)數(shù)據(jù) 8/9/20229化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡 2.2.1 化學(xué)反應(yīng)速率1.化學(xué)反應(yīng)速率理論（1）有效碰撞理論發(fā)生反應(yīng)的碰撞是有效

6、碰撞，大部分不發(fā)生反應(yīng)的碰撞是彈性碰撞 要發(fā)生有效碰撞 ，反應(yīng)物分子必須具有足夠的能量，碰撞時(shí)要有合適的方向在其它條件相同時(shí)，活化能越低的反應(yīng)其反應(yīng)速率就越大，活化能越高的反應(yīng)其反應(yīng)速率就越小。（2）過度狀態(tài)理論化學(xué)反應(yīng)是在碰撞中先形成一種活化配合物過渡狀態(tài)，然后活化配合物分解為產(chǎn)物形成活化配合物是快步驟；活化配合物分解成產(chǎn)物則是慢步驟，它控制整個(gè)反應(yīng)的速率活化配合物能量高，高出反應(yīng)物和生成物的部分即為活化能8/9/202210化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.化學(xué)反應(yīng)速率的表述方法化學(xué)反應(yīng)速率通常是指在一定條件下某反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的速率，通常用單位時(shí)間間隔內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示化學(xué)反

7、應(yīng)的速率。 例如，對(duì)于恒壓反應(yīng)，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，平均速率是瞬時(shí)速率是 ，或此時(shí)，當(dāng)i代表反應(yīng)物時(shí)，應(yīng)相應(yīng)取負(fù)號(hào)。2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡 8/9/202211化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡3.化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素（1）濃度基元反應(yīng)及其反應(yīng)速率方程基元反應(yīng)（簡單反應(yīng)）：反應(yīng)物經(jīng)過一步反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)樯晌锏姆磻?yīng)基元反應(yīng)的速率方程質(zhì)量作用定律：在恒溫下，基元反應(yīng)的速率正比于各反應(yīng)物濃度冪的乘積，各濃度冪中的指數(shù)等于基元反應(yīng)方程式中各相應(yīng)反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)。 即對(duì)于方程 有非基元反應(yīng)非基元反應(yīng)（復(fù)雜反應(yīng) ）：由反應(yīng)物通過若干個(gè)基元反應(yīng)才轉(zhuǎn)變?yōu)樯晌飳?duì)于復(fù)雜反應(yīng)，質(zhì)量作用定

8、律只適合于其中每一步的反應(yīng)，而不適合于總的反應(yīng)。質(zhì)量作用定律只適用于氣體或溶液參加的均相反應(yīng)，而不適用于固體與氣體或溶液之間的非均相反應(yīng)。8/9/202212化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡反應(yīng)分子數(shù)與反應(yīng)級(jí)數(shù)參加基元反應(yīng)的分子數(shù)目稱為反應(yīng)分子數(shù)。已知的反應(yīng)分子數(shù)只有1、2和3。 在具有反應(yīng)物濃度冪乘積形式的速率方程中，各反應(yīng)物濃度冪中的指數(shù)，稱為反應(yīng)級(jí)數(shù)；所有反應(yīng)物的級(jí)數(shù)之和，稱為該反應(yīng)的總級(jí)數(shù)。級(jí)數(shù)及總級(jí)數(shù)的值都由實(shí)驗(yàn)確定，與化學(xué)計(jì)量數(shù)無關(guān)。（2）溫度隨著溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)速率迅速增大。對(duì)一般反應(yīng)，在反應(yīng)物濃度壓力相同的情況下，溫度每升高10，反應(yīng)速率要增大到約24倍（范

9、特霍夫經(jīng)驗(yàn)規(guī)則）。阿侖尼烏斯公式 8/9/202213化學(xué)工藝學(xué) 第2章（3）催化劑催化劑能加快化學(xué)反應(yīng)速率，也能減緩化學(xué)反應(yīng)速率 催化劑雖然在化學(xué)反應(yīng)前后其組成、數(shù)量、性質(zhì)都不發(fā)生變化，但是實(shí)際上參與了化學(xué)反應(yīng)的過程 催化劑的催化作用具有選擇性（4）影響多相反應(yīng)速率的因素多相反應(yīng)的步驟： 氣體反應(yīng)物從氣相向固體（催化劑）表面擴(kuò)散；反應(yīng)物被固體表面吸附；吸附的反應(yīng)物在固體表面上進(jìn)行表面反應(yīng)；產(chǎn)物從固體表面脫附；脫附的產(chǎn)物擴(kuò)散到氣相中去。最慢的一步將是控制步驟，整個(gè)反應(yīng)的快慢將由它決定。 2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡8/9/202214化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡2.2.2

10、 化學(xué)平衡1.基本概念（1）可逆反應(yīng)個(gè)化學(xué)平衡可逆反應(yīng)是指在同一條件下既能向正方向進(jìn)行又能向逆方向進(jìn)行的反應(yīng)。 用“ ”化學(xué)平衡是指當(dāng)正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率相等時(shí)，體系所處的狀態(tài)：各物質(zhì)的分壓力和濃度不再改變?；瘜W(xué)平衡反映了某一反應(yīng)在一定的條件下所能進(jìn)行的最大程度。（2）化學(xué)平衡常數(shù)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)， 、 是一常數(shù)，這個(gè)常數(shù)稱為化學(xué)平衡常數(shù)，用Kc和Kp分別表示。 化學(xué)平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)。化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式要與一個(gè)特定的化學(xué)反應(yīng)方程式相對(duì)應(yīng)。8/9/202215化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡（3）多重平衡規(guī)則如果某個(gè)反應(yīng)可以表示為兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)的綜合，則總反應(yīng)的平衡常數(shù)等于

11、個(gè)反應(yīng)平衡常數(shù)的乘積。 平衡常數(shù)可以通過熱力學(xué)理論計(jì)算得到，也可以通過實(shí)驗(yàn)測定。 （4）平衡轉(zhuǎn)化率反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)物在反應(yīng)中已轉(zhuǎn)化的量相對(duì)于該反應(yīng)物初始用量的比率。用 表示（瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率用 表示）反應(yīng)前后體積不變，平衡轉(zhuǎn)化率又可表示為： 8/9/202216化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.2 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡2. 影響化學(xué)平衡的因素平衡移動(dòng)原理：改變平衡系統(tǒng)的條件之一，平衡就向能減弱這個(gè)改變的方向移動(dòng)。（1）濃度其它條件不變 ，增加反應(yīng)物的濃度或減少生成物的濃度， 使 平衡向正方向移動(dòng)（2）溫度吸熱反應(yīng)：T向增加生成物方向移動(dòng)；T向增加反應(yīng)物方向移動(dòng)； 放熱反應(yīng)：T向增加反應(yīng)物方向移動(dòng)；T向增加生

12、成物方向移動(dòng)；（3）壓力改變反應(yīng)系統(tǒng)的總壓力：對(duì)反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量有變化的反應(yīng)有影響 改變反應(yīng)系統(tǒng)中某成分的分壓：單獨(dú)改變某成分的分壓，等同于改變?cè)摻M分氣體的濃度 系統(tǒng)中無關(guān)氣體的引入 （4）催化劑等倍的增大正、逆反應(yīng)的速率，增大反應(yīng)速率，不改變化學(xué)平衡8/9/202217化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.3 工業(yè)催化劑2.3.1 概述催化劑是一種能改變化學(xué)反應(yīng)速率，而自身的組成、質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)。應(yīng)用催化劑是提高反應(yīng)速率和控制反應(yīng)方向較為有效的方法。2.3.2 催化劑特點(diǎn)1.催化劑的特點(diǎn)（1）參與反應(yīng)，改變路徑，降低活化能（2）不改變化學(xué)平衡，提高反應(yīng)速率（3）選擇性（4）具有一

13、定活化溫度，具有高效性2.催化劑作用機(jī)理催化劑與反應(yīng)物分子形成了不穩(wěn)定的中間化合物或活化配合物 發(fā)生了物理或化學(xué)的吸附作用，從而改變化學(xué)反應(yīng)途徑，催化作用示意圖8/9/202218化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.3 工業(yè)催化劑3.催化作用的類型（1）化學(xué)催化（2）生物催化在生物體內(nèi)，酶與反應(yīng)物生成中間產(chǎn)物，然后分解出新物質(zhì)的復(fù)雜生化過程。酶的催化作用：極其鮮明的專一性；非常高效8/9/202219化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.3.3 工業(yè)催化劑1.工業(yè)生產(chǎn)對(duì)催化劑的要求（1）活性催化劑改變化學(xué)反應(yīng)速率的能力，是衡量催化劑催化作用大小的重要指標(biāo)之一常用表示活性的方法工業(yè)實(shí)驗(yàn)：比活性，即催化反應(yīng)速率常數(shù)與催化劑表面

14、積的比值 8/9/202220化學(xué)工藝學(xué) 第2章（2）選擇性（3）穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性和抗毒穩(wěn)定性）（4）壽命催化劑從其開始使用起，其使用活性隨時(shí)間的變化，分為成熟期、活性穩(wěn)定期和衰老期。催化劑使用到經(jīng)再生后也難以恢復(fù)活性為止的時(shí)間，稱為壽命。（5）強(qiáng)度、比表面積密度2.3 工業(yè)催化劑8/9/202221化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.3 工業(yè)催化劑2.工業(yè)催化劑的類型（1）工業(yè)催化劑就其形態(tài)分類有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)(常用)（2）固體催化劑按各組分功能分類：主催化劑：提供活性成分，高度選擇性；助催化劑：含量少，不具有或稍有催化活性，能改善主催化劑的活性、選擇性、壽命、抗毒性載體：稀釋主催化劑，擴(kuò)大反應(yīng)表面；作

15、催化劑的骨架，導(dǎo)熱8/9/202222化學(xué)工藝學(xué) 第2章3.工業(yè)催化劑的使用（1）預(yù)處理（活化）（2）使用原料氣的凈化嚴(yán)格按照工藝條件操作8/9/202223化學(xué)工藝學(xué) 第2章（3）催化劑活性的保持催化劑交換法等溫操作的反應(yīng)器連續(xù)等溫操作法多系列（多臺(tái)）反應(yīng)裝置，按溫度操作級(jí)別 依次加入上一級(jí)瀉出的催化劑升溫操作法固定床反應(yīng)器，隨著空時(shí)產(chǎn)量下降相應(yīng)提高反應(yīng)溫度8/9/202224化學(xué)工藝學(xué) 第2章（4）催化劑的失活與再生失活失活的原因：催化劑因中毒、炭沉積覆蓋在活性表面、高溫過熱 、活性 組分改變和損失 分為臨時(shí)性失活、永久性失活再生再生是恢復(fù)催化劑活性的加工過程 再生方法因催化劑性質(zhì)、失活原

16、因和毒物性質(zhì)的不同而不同。 2.3 工業(yè)催化劑8/9/202225化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.4 化工生產(chǎn)的基本概念2.4.1 基本概念1.化工原料按生產(chǎn)順序按物質(zhì)來源2.成品、半成品、副產(chǎn)品3.生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度4.產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率5.勞動(dòng)生產(chǎn)率8/9/202226化學(xué)工藝學(xué) 第2章6.物料衡算和能量衡算（1）物料衡算物料平衡的計(jì)算，基于質(zhì)量守恒定律物料衡算的范圍可以是生產(chǎn)過程中的某一步驟、也可以是一組設(shè)備、某一設(shè)備或設(shè)備的一部分通過物料衡算可以計(jì)算出原料的消耗量、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)量，以及“三廢”的生成量（2）能量衡算基于能量守恒定律 能量可以同進(jìn)入設(shè)備的物料一起輸入和隨物料一起輸出，或者是分別輸入或

17、輸出 能量衡算在化工設(shè)計(jì)、化工生產(chǎn)中很重要 2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/202227化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.4.2 化工單元過程與操作1.化工單元過程也叫化工單元反應(yīng)，是指具有共同的化學(xué)變化特點(diǎn)的基本過程?；卧^程主要包括氧化、還原、氫化、脫氫、水解、水合、脫水、硝化、鹵化、胺化、磺化、烷基化、酯化、堿溶、脫烷基、聚合、縮聚、催化等2.化工單元操作是指在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中具有共同的物理變化特點(diǎn)的基本操作，是以物理方法為主，包括流體流動(dòng)過程、傳熱過程、傳質(zhì)過程、熱力過程、機(jī)械過程五個(gè)方面。2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/202228化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.4.3 工藝程序結(jié)構(gòu)1.工藝程序結(jié)構(gòu)在化工工藝中，把原料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的路線，叫工藝程序，它是一種相互關(guān)聯(lián)的操作的邏輯聯(lián)接，是一個(gè)由子系統(tǒng)（工藝設(shè)備）組成的系統(tǒng)。工藝程序基本步驟實(shí)際工藝系統(tǒng)比較復(fù)雜 盡可能將中間產(chǎn)物和副產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫漠a(chǎn)品使廢物排放達(dá)標(biāo)2.4 化工生產(chǎn)的基本概念8/9/202229化學(xué)工藝學(xué) 第2章2.4 化工生產(chǎn)的基本概念2.化工過程的流程（1）間歇過程及連續(xù)過程間歇過程是間歇地將原料送入設(shè)備，完成了某一階段的反應(yīng)后，卸出成品或半成品，然后更換新原料，重復(fù)上訴過程連續(xù)過程是在一套設(shè)備中，操作經(jīng)常晝夜不斷地進(jìn)行，即連續(xù)地在同一時(shí)間內(nèi)不斷地送入原料，不斷地卸