05-第三章-化工生产过程分析与组织-1

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mol: g/mol:
C2H6
1 30
参加反应的原料量： 3000
C2H4 + H2 11
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a
得到的产物量：
b
1980
通入反应器的原料量：5000
c (4667kg/h)
令：按3000kg/h的乙烷转化量计算应得的乙烯量为a；
生成1980kg/h的乙烯所消耗的乙烷量为b；
按5000kg/h的乙烷通入量计算应得的乙烯量为c。
a
3000 28 30
2800kg
/
h
；b
1980 30 28
2121kg / h
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例４、输入5000kg/h乙烷裂解制乙烯， 乙烷的单程转化率为60％，乙烯产量为 1980kg/h，分离后将未反应的乙烷全部 返回裂解炉裂解，求此过程的乙烯总收 率和总质量收率。
rR+sS（目的产物）√
副产物1 × 副产物2×
×
副产物n×
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（二）选择性Ｓ
指体系中转化为目的产物的某反应物量与 该反应物的转化总量之比，用Ｓ表示。
S
转化为目的产物的某反应物的量 该反应物的转化总量
100％
S
实际所得的目的产物量 按某反应物的转化总量计算应得的目的产物理论量
第二章 化工生产过程分析与组织
第一节 化工生产工艺指标
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１、从化工生产过程的产出的角度： 生产能力
２、从化工生产过程的投入的角度： 消耗定额
３、从化工生产过程来看： 化工生产过程的核心 —— 化学反应
化学反应的效果 —— 化工生产的“三率”
乙烷在反应体系中的转化量 新鲜物料中乙烷的量
100%
5000 1500 100% 5000
3500 100% 5000
70%
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书例 2.1.2
假设每小时流经各物料线的物料中所含乙炔的量为： mA＝600kg，mB＝5000kg，mC＝4450kg， mD＝4400kg，mE＝50kg。 则单程转化率：[(5000-4450)/5000] ×100％＝11％， 而总转化率：[(600-50)/600] ×100％＝91.67％。
100％
Ｓ表示主副反应进行程度的相对大小。
S也是评价工业催化剂性能优劣的重要指标。
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转化 选择 率X 性S
收率Y Y=X·S
简单反应： S＝1，Y=X，转化率越高收率越高 复杂反应： S＜1，
一般，希望S↑→X↑ 但，通常X↑ → S↓
率。
某组分在反应器中的转化量
X单 反应器进口物料中该组分的量 100%
2、总转化率 X总
以包括循环系统在内的反应器、分离设 备的反应体系为研究对象，参加反应的原料 量占进入反应体系总原料量的百分数称为总 转化率。
某组分在反应体系中的转化量 X总 新鲜物料中该组分的量 100%
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Y总
新鲜原料中该反应物的量
100%
总质量收率
实际所得的产物的量 新鲜原料量中某种反应物的量
100%
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例3、通入5000kg/h的乙烷进行裂解制乙烯，
反应掉的乙烷量为3000kg/h，得到的乙烯量
为1980kg/h，求反应的转化率和选择性以及
rR+sS
反应物中组分Ａ的转化率：
XA
组分A的转化量 组分A的起始量
100%
反应物中组分Ｂ的转化率：
XB
组分B的转化量 组分B的起始量
100%
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D 循环
E （放空）
原料等
AB
新鲜 原料
反应器
X单
C 分离器
解：乙烷循环量=5000-5000×60%=2000kg/h
补充新鲜乙烷量=5000-2000=3000kg/h
Y单
2121 100% 5000
42.4%
Y总
2121 100% 3000
70.7%
总质量收率 1980 100% 66% 3000
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S
＝
y
产品量 催化剂的体积 反应
时间
[kg产品/(m3cat·h)]
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三、消耗定额——投入
原料消耗定额
公用工程消耗定额：水、电、气等
消耗定额＝原料量（公用工程耗用量） 产品量
例6、输入裂解反应器的乙烷为5000kg/h，参 加反应的乙烷量为3000kg/h，未反应的乙烷 量的5％损失掉了，其余全部循环裂解，最终 得到乙烯1980kg/h，求乙烷的消耗定额。
消耗定额 5000- 5000- 3000 95% 1.57kg乙烷/ kg乙烯
1980
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本小节总结
一、化工生产的“三
率１”、转化率Ｘ—— 单程转化率
总转化率
２、选择性Ｓ
平衡转化率
３、收率Ｙ—— 单程收率 质量收率 总收率
X总
粗产品
F
X单
mB mC mB
100%
X总
mA mE mA
100%
单程转化率
总转化率
注：m为原料中某一组分的量。
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1、单程转化率 X单
以反应器为研究对象，参加反应的原料量
占通入反应器原料总量的百分数称为单程转化
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例5：乙烯氧化生成环氧乙烷， 进料：乙烯15mol，氧气7mol, 出料：乙烯13 mol,氧气4.76mol, 试计算乙烯的转化率X，环氧乙烷的 收率S及选择性S。
主反应：C2H4＋0.5O2→C2H4O 副反应：C2H4＋3O2→2CO2＋2H2O
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（三）收率Ｙ
对于复杂的化学反应，一般不单纯追求高 转化率Ｘ或高选择性Ｓ，而要兼顾两者，
使目的产物的收率Ｙ最高。 Y=X·S
１、单程收率 （反应器生产能力）
Y单＝
转
化为目的产物的某反应物的量 该反应物的起始量
由上式解得：S=0.752 （3）Y＝主反应所消耗的乙烯÷乙烯的投入量
Y＝(2mol × 0.752)÷15mol=0.100
或Y＝ X ·S=0.100
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二、生产能力和生产强度——产出
1、生产能力 （总生产能力）
100％
Y单＝
按
实际所得到的目的产物量 通入反应器的原料量计算应得的产物量
100％
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２、质量收率
质量收率
得到的目的产物的量 输入反应器的某种原料量
100%
３、总收率 ——有物料循环系统的
转化为目的产物的某种反应物的量
循环 系统
原料的利用率增加
X总↑ 副反应增多
分离系统的动力消耗↑
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通常，人们比较关心反应物中某一种关
键组分（底物）的转化率。为了使反应物中
关键组分尽可能多的转化（即充分反应），
其余反应物可过量。
对于不可逆反应：Ｘ关键
100%
对于可逆反应：Ｘ关键
Ｘ*
平衡转化率
（极限值、最大值）
（热力学平衡点）
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3、平衡转化率 X*
平衡转化率是指某一化学反应在一定条 件下，反应到达平衡状态时某种原料的转 化量与输入反应器的该种反应物总量的比 率。
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一、 “三率”——化学反应的效果
（一）转化率Ｘ ——表征原料的转化程度
指某一反应物参加反应而转化的数量占该 反应物起始量的百分率，用符号Ｘ表示。
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量 100%
aA+bB
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Free templ定条件下， 通入装置的乙烷为5000kg/h，裂解气中所 含乙烷经分离后返回反应器进行裂解，最 终分析裂解气中含乙烷1500kg/h/，求乙烷 通过裂解装置的总转化率。
解：
X乙烷，总
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2、生产强度 （单位生产能力）
生产强度为设备的单位特征几何尺寸的 生产能力，单位为kg／(h·m3)，t/(d·m3)，或 kg／(h·m2)、t／(d·m2)等。它主要用于比较那 些相同反应过程或物理加工过程的设备装置的 优劣。
在分析对比催化反应器的生产强度时， 常要看在单位时间内，单位体积催化剂所获得 的产品量，亦即催化剂的生产强度，有时也称 为空时收率，单位为kg／(h·m3)， kg／(h·kg)。
乙烯的单程收率。
解：
（1）转化率
3000
X乙烷
100% 5000
60%
（2）选择性
（3）单程收率
S 2121 100% 70.7% 3000
Y 2121100% 42.4% 5000
S 1980 100% 70.7% 2800
Y 1980 100% 42.4% 4667
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是指一个设备、一套装置或一个工厂在单 位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的 原料量,其单位为kg/h或kt/a等。
（1）以产品量表示
30万t/a乙烯装置——化学反应为主的过程
（2）以加工原料量表示
60万t/a炼油装置——非化学反应为主的过程
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例1、乙烷裂解生产乙烯，在一定条件下，
通入反应器的乙烷为5000kg/h，裂解气中
含未反应的乙烷为2000kg/h，求乙烷的单
程转化率。
解：X 乙 烷,单
乙烷在裂解反应器中的转化量 反应器进口物料中乙烷的量
100%
5000 2000 100% 5000
3000 100% 5000
60% 乙烷的单程转化率为６0％
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设计能力——在企业新建、扩建或进行重 大技术改造后，在设计任务书或有关技术 文件中所规定的生产能力。
核定能力——用于：确定生产规模，编制 长期计划，采用方案调整、组织管理或技 术条件等的改变时，重新调整或核定的能 力
现有能力——用于：编制年度生产计划， 确定生产指标
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解：主：C2H4＋0.5O2→C2H4O
副：C2H4＋3O2→2CO2＋2H2O
（1）X=(15mol－13mol) ÷ 15mol=0.133
（2）主反应所消耗的乙烯量＝转化的乙烯量×S 副反应所消耗的乙烯量＝转化的乙烯量×（1－S） 从氧气的消耗量来看： 2mol ×S ×0.5+2mol ×(1－S) ×3=7mol－4.76mol
60mol
60mol
二、生产能力、生产强度
三、消耗定额
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作业1、
+ Cl2
100mol 40mol
Cl
Cl
+ HCl +
38mol
1mol
Cl + 61mol
回收
试求该反应苯的单程转化率和总转化率。
？mol
苯 100mol
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X*
平衡时某种反应物转化量 输入反应器的该种反应物总量
100%
最高转化率 平衡转化率 理论值
参考标准
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XA表征原料中A 组分的转化程度
aA+bB
aA+bB aA+bB
aA+bB
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…… …… ……