间歇式反应器ppt课件

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1、第三章 间歇式反应器第一节第一节 概述概述一、反应器类型 反应、分离、制剂构成了药品生产的主要工艺过程。原料在反应器内进行反应，通过分离等方法获得原料药，原料药经过一定的制剂工艺(如混合、造粒、干燥、压片、包衣、包装等)即成为出厂的药品。其中，反应是整个生产工艺过程的核心，而反应器则是反应过程的核心设备。 反应器的类型很多，特点不一，为便于分析研究各种反应器的性能、基本原理和工艺设计等问题，需将反应器进行科学的分类。常用的分类方法如下：按几何形状分1学习交流PPT立式搅拌反应锅立式搅拌反应锅2学习交流PPT管式反应器管式反应器3学习交流PPT卧式反应器卧式反应器4学习交流PPT塔式反应器塔式反

2、应器5学习交流PPT固定床反应器固定床反应器6学习交流PPT流化反应器流化反应器喷射反应器喷射反应器泵式反应器泵式反应器7学习交流PPT按传热方式分类间壁传热间壁传热 特点：反应物与传热剂通过间壁传热图特点：反应物与传热剂通过间壁传热图 适适用用场场合合：反反应应物物不不能能与与传传热热剂剂直直接接接接触触，温温度度控控制制较较严格。严格。 控制温度的方法：传热剂的流量、温度和压力。控制温度的方法：传热剂的流量、温度和压力。 如：夹套传热、蛇管传热、电热、列管传热等。如：夹套传热、蛇管传热、电热、列管传热等。 8学习交流PPT直接传热直接传热 特点：反应物直接与传热剂接触图特点：反应物直接与传

3、热剂接触图 适适用用场场合合：反反应应物物允允许许接接触触传传热热剂剂，要要求求快快速速升升温或降温。温或降温。 控制温度的方法：传热剂的用量及温度。控制温度的方法：传热剂的用量及温度。 如：直接蒸汽加热、直接加水冷却等。如：直接蒸汽加热、直接加水冷却等。9学习交流PPT蒸发传热蒸发传热 特特点点：靠靠蒸蒸发发性性反反应应物物或或反反应应介介质质（如如溶溶剂剂）的蒸发移除热量。的蒸发移除热量。 适用场合：在沸腾下进行的化学反应。适用场合：在沸腾下进行的化学反应。 控制温度的方法：沸点温度、气相压力。控制温度的方法：沸点温度、气相压力。 如：通过回流冷凝器除热。如：通过回流冷凝器除热。10学习交

4、流PPT绝热型绝热型 特特点点：靠靠进进料料的的显显热热及及反反应应热热维维持持一一定定的的温温度变化。度变化。 适适用用场场合合：反反应应热热不不太太大大的的情情况况下下，允允许许温温度在一定范围变化的场合。度在一定范围变化的场合。 控制温度的方法：进料的温度、流速。控制温度的方法：进料的温度、流速。 如：乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。如：乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。 当当反反应应器器内内部部不不能能设设置置传传热热构构件件时时，或或需需要要强强化化传传热热速速率率时时，常常常常采采用用外外循循环环传传热热方方式式，外外部部热交换器常用列管式或螺旋板式的。热交换器常用列管式或螺旋板

5、式的。11学习交流PPT均相：均相：无相间界面，反应速率仅与温度、浓度有关。无相间界面，反应速率仅与温度、浓度有关。 气相气相管式管式 均液相均液相锅式、管式、喷射器型锅式、管式、喷射器型非非均均相相：过过程程的的速速率率与与温温度度、浓浓度度、相相间间传传质质速速率率均均有有关关。 气气-液相液相锅式、塔式、管式锅式、塔式、管式 液液-液相液相锅式、列管式锅式、列管式 气气-固相固相沸腾床、固定床、锅式沸腾床、固定床、锅式 液液-固相固相锅式锅式 气气-液液-固相固相锅式、塔式、流化床锅式、塔式、流化床 固固-半固相半固相球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式球磨机型、螺杆型、卧式带钢球的锅式

6、按反应物相态分按反应物相态分12学习交流PPT按操作方式分按操作方式分间歇操作（也称分批操作）反应器间歇操作（也称分批操作）反应器连续操作反应器连续操作反应器半连续操作（或称半间歇操作）反应器：半连续操作（或称半间歇操作）反应器： 原原料料与与产产物物只只要要其其中中的的一一种种为为连连续续输输入入或或输输出出，而而其其余余则为分批加入或卸出的操作。则为分批加入或卸出的操作。a.常用反应器：锅式、塔式常用反应器：锅式、塔式b.操操作作特特征征：半半连连续续反反应应器器中中的的反反应应物物系系组组成成必必然然随随时时间间而而改改变，也随反应器内的位置而改变。变，也随反应器内的位置而改变。c.适用

7、场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速率。适用场合：改变连续流动物料的加料速度，可调节反应速率。13学习交流PPT第三章 间歇式反应器 二、间歇式反应器间歇式反应器1.1.间间 歇歇 操操 作作 ： 参参 与与 反反 应应 的的 物物 料料 一一 次次 性性 投投 入入 反反 应应 器器 ， 反反 应应完完毕毕后后产产物物又又一一次次性性卸卸出出的的操操作作过过程程 （或称分批操作）。（或称分批操作）。间歇反应器：用于间歇操作的反应器。间歇反应器：用于间歇操作的反应器。2.2.操操作作特特点点：反反应应器器内内的的工工艺艺参参数数（温温度度、压压力力、反反 应应物物的的浓浓度度等等）随

8、随时时间间而而变变；操操作作过过程程的的灵灵活活性性大大，便于改变工艺条件和更换产品。便于改变工艺条件和更换产品。3.3.使使用用场场合合：反反应应速速率率较较慢慢，热热效效应应较较小小，生生产产规规模模不不大大的的场场合合，以以及及多多品品种种的的生生产产和和工工艺艺条条件件变变化化复复杂杂的场合。在制药工业中应用较广。的场合。在制药工业中应用较广。 14学习交流PPT4.4.间歇式反应器的类型 从几何形式上看：常用锅式（釜式）反应器，也有用管式和塔式反应器的。 从所处理物料的相态上来看，有：15学习交流PPT* *对于气液相反应器要采用能形成液膜或鼓泡的装置；液液及液固相反应器（甚至固相）

9、要有搅拌装置；液固相反应常用塔式反应器，将固体物料做成固定床，使液体物料通过床层，因此要装液体喷淋装置。如：混酸的硝化过程即是液液非均相反应，硝化反应同时在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩大流体两相间的接触面积，通常在反应器内装有高效搅拌器，在急剧搅拌下，使液滴分散的很细，大大增加两相间的接触面积，同时由于各相内所形成的湍流而强化传质过程。16学习交流PPT 制药工业属于精细有机合成工业，其产量小、规模一般较小，因此大多采用间歇操作，所用反应器常为带搅拌装置的锅式反应器（间歇式反应器）。5.5.典型搅拌反应锅的结构 这这类类

10、设设备备的的化化工工零零部部件件国国内内已已标标准准化化，可可参参见见化化工工设设备备设设计计手手册册第一分册（材料与零部件）。第一分册（材料与零部件）。 主要由以下部分组成：主要由以下部分组成：锅的主体锅的主体 轴密封装置轴密封装置换热装置换热装置 传动装置传动装置搅拌装置搅拌装置 工艺接管工艺接管17学习交流PPT锅式反应器的特点及应用 1、特点：结结构构简简单单、加加工工方方便便、传传质质效效率率好好、温温度度分分布布均均匀匀、便便于于控控制制和和改改变变反反应应条条件件、操操作作上上灵灵活活性性较较大大，适适合合于多品种、小批量生产。于多品种、小批量生产。2、应用： 从从反反应应物物料

11、料看看：它它能能够够适适应应于于各各种种不不同同相相态态组组合合的的反反应应物料。如：均液相、非均液相、液物料。如：均液相、非均液相、液固相、气固相、气液相等液相等 从从反反应应类类型型看看：它它几几乎乎适适用用于于所所有有有有机机合合成成的的单单元元操操作作。如如：氧氧化化、还还原原、硝硝化化、磺磺化化、卤卤化化、缩缩合合、聚聚合合、烷烷化化、酰化、重氮化、偶合等。酰化、重氮化、偶合等。18学习交流PPT3、缺点：设备生产效率低，间歇操作的辅助时间有时占设备生产效率低，间歇操作的辅助时间有时占的比例较大，特别是压热釜的操作，升温和降温所占的时间的比例较大，特别是压热釜的操作，升温和降温所占的

12、时间长。若采用连续操作，由于返混效应，要求达到与间歇操作长。若采用连续操作，由于返混效应，要求达到与间歇操作相同转化率时，需要更大的反应体积。由于间歇操作劳动生相同转化率时，需要更大的反应体积。由于间歇操作劳动生产率低，大吨位产品常常需要多个反应锅同时操作。产率低，大吨位产品常常需要多个反应锅同时操作。4、结构：典型搅拌反应锅由下面几部分组成典型搅拌反应锅由下面几部分组成 锅锅的的主主体体、传传热热装装置置、搅搅拌拌装装置置、轴轴密密封封装装置置、传传动动装置、工艺接管装置、工艺接管19学习交流PPT第二节第二节 反应锅的物料衡算反应锅的物料衡算一、物料衡算的基本内容一、物料衡算的基本内容1.

13、1.物料衡算的依据质量守恒定律。物料衡算就是依据此定律定量地对生产工艺的各个间段作物料计算。2.2.目的和意义：通过物料衡算可以得出原料、中间产物、成品、副产物及废料的质量、容积和组成，以及每一生产步骤中的损失。可以帮助设计者正确选择生产过程的流程，考虑过程中原料用量的多少以及生产的废料是否可利用等问题。 可揭示实际生产中的物料浪费情况，以作为减少废料、提高产品质量、降低消耗定额及选用回收设备等的有力依据、核算生产过程中的经济效益。为设备的工艺计算及系统的热量衡算提供必要的条件。20学习交流PPT3.3.物料衡算时应注意的问题计计算算基基准准 必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计算的基础

14、，通常是以单位时间内处理多少物料，或者是在单位时间内生成多少成品或半成品作为依据。基准的选择是按具体情况而定的：在大型的连续的设计计算中，先对设计提出生产任务，以此折算成每昼夜生产多少成品作为基准。在折算过程中可以采用年工作日为300300天或330330天( (个别场合亦有以270270天计的) )。也可以每小时生产成品量或每小时消耗原料量作为计算基准。 总之是单位时间内所处理的物料量或单位时间内所生产的产品量作为计算基准。即：kg/d kg/h kg/d kg/h 等 21学习交流PPT 间间歇歇操操作作：除除上上述述外外，最最常常用用“每每批批投投料料量量”或或“每每批批生生产产产品量产

15、品量”作为计算基准。作为计算基准。 即即 千克千克/ /批批 吨吨/ /批批 取每吨产物或原料作为计算基准，可直接求出原料消耗定额。取每吨产物或原料作为计算基准，可直接求出原料消耗定额。取每摩尔或每千摩尔的投料量作为计算基准。取每摩尔或每千摩尔的投料量作为计算基准。 究竟如何选取计算基准，视计算方便而定。究竟如何选取计算基准，视计算方便而定。 转化率、阶段收率和车间总收率转化率、阶段收率和车间总收率 在物料计算过程中，常用到这些名词及其数据。在物料计算过程中，常用到这些名词及其数据。转转化化率率指指某某一一物物料料所所参参加加包包括括主主反反应应和和副副反反应应在在内内的的化化学学转转化化过过

16、程程的的百百分分率率。以以符符号号x xA A表表示示A A组组分分（物物料料）的的转转化化率率，则：则：22学习交流PPT 转转化化率率反反映映出出原原料料通通过过反反应应器器后后产产生生化化学学变变化化的的程程度度，转转化化率率增增大大说说明明产产生生化化学学变变化化的的原原料料在在总总投投料料量量中中所所占占比比例例增大。增大。产产率率：一一般般是是指指单单程程收收率率。是是指指主主产产物物的的实实际际收收得得量量与与按按投投入入原原料料计计算算的的理理论论产产量量之之比比值值。用用百百分分率率或或分分率率表表示示，并并用符号用符号表示产率。表示产率。或或 23学习交流PPT 单单程程收

17、收率率（产产率率），反反映映出出反反应应器器的的生生产产能能力力，这这就就可可减减少少未未反反应应原原料料的的回回收收量量，并并减减少少动动力力（如如水水、电电、汽汽等等）消消耗耗，标标志志整整个个过过程程既既经经济济又又合合理理，所所以以在在生生产产中中力力求求达到最高的产率。达到最高的产率。反应器反应器不考虑不考虑或24学习交流PPT总收率和成品产量及原料消耗关系如下：总收率和成品产量及原料消耗关系如下：总收率总收率或或总收率与阶段收率之间的关系可用下式表示：总收率与阶段收率之间的关系可用下式表示：阶阶段段收收率率：也也称称各各个个工工段段的的收收率率。是是指指该该阶阶段段（工工段段）产产

18、品实际得量与理论得量的比例百分数。品实际得量与理论得量的比例百分数。25学习交流PPT 引起实际得量与理论得量差值的因素是原料的副反应、产物的进一步反应或分解，以及包括一切物理效应及机械漏损在内的消耗。 无论转化率或收率，一般是对主要物料而言，即转化率是指主要原料；收率是指主要产物。反应的选择性：是表示各种主、副反应产物中，主产物所占的百分率（或分率）。26学习交流PPT 选选择择性性反反映映出出反反应应系系统统中中主主反反应应所所占占的的百百分分比比。一一般般要要求求选选择择性性愈愈高高愈愈好好。因因选选择择性性差差，副副反反应应多多，原原料料消消耗耗量量大大，而而目目的的产产物物的的产产量

19、量低低。但但不不能能单单从从选选择择性性高高的的一一方方面面去去考考虑虑，因因选选择择性性高高，只只能能说说明明过过程程的的副副反反应应少少，并并不不意意味味着着过过程程就就一一定定经经济济合合理理。例例如如，若若通通过过反反应应器器的的原原料料只只有有很很少少一一部部分分进进行行反反应应，即即使使这这部部分分反反应应掉掉的的原原料料全全部部变变成成目目的的产产物物，其其设设备备的的利利用用率率仍仍然然很很低低，因因此此，要要确确定定合合理理的的工工艺艺参参数数，就就必必须须对对转转化化率率和和选选择择性性这这两两个个指指标标进进行行综综合合考考虑虑，要要在在较较高高转转化化率率的的前前提提下

20、考虑选择性。下考虑选择性。 以以上上三三者者之之中中只只有有两两个个是是独独立立的的，当当它它们们式式中中各各量量的的单单位位相同时：相同时： 27学习交流PPT 例例1：邻邻硝硝基基氯氯苯苯经经氨氨化化与与硫硫化化钠钠还还原原生生产产邻邻苯苯二二胺胺。已已知知工工业业邻邻硝硝基基氯氯苯苯纯纯度度为为98%，生生产产每每吨吨邻邻苯苯二二胺胺消消耗耗1800kg工工业业邻邻硝硝基基氯氯苯苯。氨氨化化工工段段收收率率为为95%。求求该该车车间间总总收率及还原工段收率。收率及还原工段收率。 解：反应式如下解：反应式如下NH2NH2NH3NO2NH2Na2SNO2Cl分子量：分子量：157.5 138

21、 108车间总收率：车间总收率：还原工段收率：还原工段收率：28学习交流PPT+ HNO3NO2+H2O 主反应主反应 例例2：在在苯苯的的混混酸酸硝硝化化生生产产硝硝基基苯苯车车间间，投投入入含含量量为为98%的的苯苯300kg，经经硝硝化化反反应应后后得得酸酸性性硝硝基基物物468kg，其其中中硝硝基基苯苯含含量量98%，二二硝硝基基苯苯含含量量0.1%，废废酸酸带带走走损损失失硝硝基基苯苯0.5kg，忽忽略略其其他他副副反反应应等等损损失失。求求硝硝化化反反应应中中苯苯的的转转化化率率、收收率率和选择性。和选择性。 解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为+2HNO3NO2NO2+2H2

22、O 副反应副反应 苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分别为苯、硝基苯和二硝基苯的分子量分别为78、123和和16829学习交流PPT4.物料衡算的基本步骤物料衡算的基本步骤画出物料流程框图，在图上写出物料名称、组成及流向，确定计算范围。收集计算所必须的基本数据原料、中间体、产物组成（规格）及物化性质。原料转化率、产物收率，包括阶段收率和车间总收率。原料间的理论配比及实际配比。反应工艺条件，如过程时间、温度、压力及过程热效应等。30学习交流PPT硫硫 酸酸质质%H2SO4 93H2O 7硝硝 酸酸质质%HNO3 96H2O 4 混酸混酸 配制釜配制釜 混混 酸酸质质%H2SO4 56HNO3 32H2

23、O 12H2O（kg）*31学习交流PPT写出主、副反应方程式。对物理过程可免去这一步。说明计算任务。如年产量、年工作日、产品纯度及确定每天生产能力。确定计算基准。如分批操作（间歇操作）可用一天或一批的量为基准，即吨/ /天、千克/ /天或吨/ /批、千克/ /批。连续生产可用吨/ /时或千克/ /时。根据生产任务及总收率确定投料量。根据已知数据进行物料衡算。把计算结果分别列成进、出物料衡算表，检查进、出量是否平衡（相等或相差不多）。在物料衡算表中尽可能包括：物料纯度、投入量的百分比、体积等。 物料衡算表形式如下：32学习交流PPT画出物料衡算图，对一个车间设计必须画出物料衡算总图。5.物料衡

24、算方程 GGinin进入系统的物料总量；GGoutout 输出系统的物料总量；GGa a系统内累积量之和。 对于间歇操作的设备，其中的累积量GGa a为零（终点时物料全部排出）物料衡算表（千克物料衡算表（千克/天）天）物料名称物料名称含量含量% 折纯量折纯量kg实际量实际量质量质量kg kmol体积体积m3物质的量比物质的量比理论理论 实际实际备注备注系统系统Ga+ G反应反应GoutGin G损耗损耗33学习交流PPT GinGout GaG损耗损耗 G反应反应说明：对于物理过程，因为系统中各组分的质量和摩尔数均不变，所以一般采用组分守恒（即对过程的某一组分作衡算）较方便，而不用总量守恒，而

25、且常用摩尔数守恒。对于化学反应过程有惰性组分的化学过程：因为惰性组分不发生化学反应，可采用组分守恒。参加反应的各组分：因各组分的摩尔数、质量一般均要发生变化，必须考虑组分在化学过程中质量（或摩尔数）的产生或消耗（可根据化学方程式求算物质转化的定量关系）。34学习交流PPT式中：Fi物流i的摩尔流量，物流进入系统Fi为正；离开系统为负。 xij组分j在物流i中的摩尔分数。 NS物流的总个数。 rj 组分在系统中的变化速率，产生为正；消耗为负。 i代表物流，i=1，2，3， NS j代表组分，j=0，1，2， NC35学习交流PPT当化学反应的计量系数未知或反应很复杂，生成物组分多，当化学反应的计

26、量系数未知或反应很复杂，生成物组分多，但所涉及的化学元素的种类不多时但所涉及的化学元素的种类不多时( (如：裂解、燃烧、聚合如：裂解、燃烧、聚合等等) )，可采用原子守恒的方法来进行物料衡算。，可采用原子守恒的方法来进行物料衡算。例2-1/P31（原子或元素的摩尔数守恒）（原子或元素的摩尔数守恒）mjk 元素元素k在组分在组分j中的原子个数中的原子个数36学习交流PPT二、典型过程的物料衡算 在原料药生产中，对常见的几个有机单元反应（如磺化、硝化、氯化等）已经进行了一系列的研究，各计算也比较成熟。分别讨论如下。1.磺化过程磺化剂：磺化过程所用磺化剂多为硫酸、发烟硫酸和三氧化硫。硫酸由于制造和使

27、用上的考虑，一般有两种规格，即92%93%的绿矾油和98%100%的一水合物（也可以看作是三氧化硫与水以1 1的摩尔比率组成的混合物）。如果有过量的三氧化硫存在于硫酸中，就成为发烟硫酸。 在计算时，可将前两者折算为SO3，后者也可折算成硫酸。37学习交流PPT磺磺化化反反应应方方程程式式 在在用用硫硫酸酸和和发发烟烟硫硫酸酸进进行行有有机机物物的的磺磺化化时时，可可认认为为是是硫硫酸酸或或是是硫硫酐酐为为有有效效的的成成分分，因因此此反反应应方方程程式式可表示如下：可表示如下：RHn被磺化物；被磺化物； n 被磺基所取代的氢原子数；被磺基所取代的氢原子数；R(SO3H)n磺化产物（磺酸）；磺化

28、产物（磺酸）；M1被磺化物的分子量；被磺化物的分子量； M2磺化产物的分子量；磺化产物的分子量；38学习交流PPT 在多数场合下，磺化反应的实际硫酸用量要比上式所列的理论量大得多，因采用硫酸或发烟硫酸作磺化剂时，随着反应的进行，每引进一个磺基必须消耗一个SO3，因此随着反应过程中SO3的消耗及水的生成，逐渐使硫酸的浓度降低，当降到某一程度后，磺化反应几乎不再进行。此时的硫酸浓度即为“极限浓度”。苯在373K时，磺化反应的硫酸极限浓度为81.6%。也可用含SO3的百分数来表示极限浓度，并称为磺化值。则苯的磺化值： 81.6809866.6。 值不是固定不变的，浓度和温度对值均有影响。 发烟硫酸的

29、含量是以发烟硫酸中过量的三氧化硫占发烟硫酸的质量百分率表示。39学习交流PPT 在在磺磺化化剂剂的的初初始始浓浓度度时时，值值和和磺磺化化剂剂用用量量之之间间的的关关系系可以根据物料平衡导出。可以根据物料平衡导出。采用下列符号：采用下列符号：Mc被磺化物的用量，被磺化物的用量，kg； Ms磺化剂的用量，磺化剂的用量，kg；S 以以SO3含量表示的磺化剂的质量百分浓度，含量表示的磺化剂的质量百分浓度，%；M1被磺化物分子量。被磺化物分子量。按反应方程式，在生成磺化产物上所消耗的按反应方程式，在生成磺化产物上所消耗的SO3量为：量为：过程完毕后剩余的过程完毕后剩余的SO3量为：量为：40学习交流P

30、PT废酸量：废酸量： 废废酸酸中中的的SO3含含量量应应该该等等于于，所所以以，按按反反应应前前后后的的SO3进行平衡得：进行平衡得：整理可得磺化剂用量的计算式：整理可得磺化剂用量的计算式：（P33）41学习交流PPT 在生产实际中，磺化反应往往并不进行到当硫酸浓度降低到值时才终止，这样会使磺化过程的时间持续太长，同时会发生副反应。反应终了时酸的浓度叫做废酸浓度，有时也称值。则则42学习交流PPT 例例3.苯的硫酸液相磺化剂制苯磺酸，苯的硫酸液相磺化剂制苯磺酸，值为值为64%，求磺化，求磺化反应生成反应生成1000kg苯磺酸时，至少需要苯磺酸时，至少需要98%的硫酸量（忽略副反的硫酸量（忽略副

31、反应和损失）。应和损失）。 解：反应方程式为解：反应方程式为+ H2SO4SO3H+ H2O 78 98 158 18见例见例2-2/P3443学习交流PPT 用混酸（HNO3+H2SO4）进行硝化的过程，可以用下列方程式来表示其物料平衡的关系。 RHXx HNO3yH2SO4zH2O R(NO3)X yH2SO4 (zx)H2O硝硝酸酸过过剩剩率率 大多数硝化反应的HNO3用量接近于方程式表示的理论量（这是用混酸硝化的特点之一），但有一些硝化反应，在实际生产中HNO3量则往往超过理论量较多。超过理论量的HNO3质量百分数称为“硝酸过剩率” ，用符号表示。2.硝化过程物料衡算44学习交流PPT

32、硫酸脱水值和废酸计算浓度硫酸脱水值和废酸计算浓度 有有时时候候根根据据不不同同硝硝化化过过程程所所需需的的混混酸酸硝硝化化能能力力（即即硫硫酸酸的的脱脱水水值值和和废废酸酸计计算算浓浓度度）的的要要求求，先先计计算算出所需混酸的组成，再进行混酸配制计算。出所需混酸的组成，再进行混酸配制计算。 硫硫酸酸脱脱水水值值（也也称称混混酸酸硝硝化化的的脱脱水水值值，或或简简称称脱脱水水值值）是是指指硝硝化化终终了了时时废废酸酸中中硫硫酸酸和和水水计计算算质质量量之之比比，通通常常以以符符号号D.V.S (Dehydrating Value of Sulfuric Acid）表示。）表示。45学习交流PP

33、T在硝化废酸中，在硝化废酸中，H2SO4与与H2O的质量比应为：的质量比应为： D.V.S在在一一定定程程度度上上反反映映出出硝硝化化过过程程的的难难易易程程度。脱水值愈大表示硝化反应愈难。度。脱水值愈大表示硝化反应愈难。46学习交流PPT 表2-1/P37列出一些有机物硝化时的混酸组成和脱水值及硝酸过剩率 。 设m和l分别为混酸中硫酸和硝酸的质量百分含量，为硝酸比（投料硝酸摩尔数/投料1摩尔被硝化物）。以100份混合酸为计算基准，被硝化物完全反应。l/为反应的硝酸量，为反应的硝酸量，假设被硝化物全部反应假设被硝化物全部反应。47学习交流PPT 废酸计算浓度（亦称硝化活性因数）其含义是指混酸硝

34、化废酸计算浓度（亦称硝化活性因数）其含义是指混酸硝化终了时，废酸中硫酸的计算浓度，以终了时，废酸中硫酸的计算浓度，以 m 表示。如以表示。如以100份混酸份混酸为计算基准。为计算基准。48学习交流PPT所以可得所以可得D.V.S和和m之间的关系：之间的关系：如果投料比如果投料比1，则有下述关系：，则有下述关系：49学习交流PPT混酸的组成方程式 实践证明：每一种物质在一定条件下进行硝化时，只要将脱水值维持在一定的数值，则混酸组成可以在一定范围内变动而不会明显影响硝化效果。因此，当规定了脱水值D.V.S及HNO3过剩百分率 后后，混混酸酸中中HNO3浓度(l)与H2SO4浓度(m)的关系式如下：

35、 m=kl+b （混酸组成方程式）式中： 上式是根据硝化反应的物理平衡导出的。导出过程如下：上式是根据硝化反应的物理平衡导出的。导出过程如下：50学习交流PPT令：MH被硝化物的质量，kg； M被硝化物的摩尔质量，kg/kmol； MM.A硝化过程中混酸用量，kg； l硝化混酸中硝酸的质量百分数，%； m硝化混酸中硫酸的质量百分数，%； n硝化混酸中水的质量百分数，%； HNO3的过剩百分率，%； x硝化物中被-NO2取代的H数。对HNO3作物料衡算：对H2SO4作物料衡算：51学习交流PPT化简得：(1)、(2)两式相除，并化简得： 在生产实际中，被硝化物的D.V.S往往未知，但一般可以规定

36、其废酸组成，则：（推倒过程见教材P38） 52学习交流PPT上式即规定了废酸组成时，混酸组成必须遵循的规律。 (3)、(4)式只能用来确定硝化混酸中硝酸与硫酸间的含量关系，不能最终确定硝化混酸的组成。有实际意义的混酸组成只可在一定范围内，选择混酸组成时，应考虑以下原则：在原料酸所能配出的范围内；尽量节省H2SO4用量（在满足脱水值的前提下）；尽量少生成多硝基化合物（不能过量太多）。 53学习交流PPT硝化混酸组成的图解法硝化混酸组成的图解法 为了最后确定硝化混酸的组成，采用直角三角座标来处理HNO3 、H2SO4、H2O三组分之间的关系（有时也采用等边三角座标）。如图2-1/P39 采用直角三

37、角座标除了具有等边三角座标的特性之外，还具有以下优点：容易读取图内各点组成；绘制容易，可按自己所需的座标绘制；对组分含量精确度要求不一致时，可采用不等腰直角三角座标，将含量精度要求高的组分放在较长一边。54学习交流PPT 直线 代表混酸组成方程式。则硝化混酸的组成应该是在 线上的一点。在生产实践中往往是采用两种或两种以上的不同组成的酸（其中之一可以是水）来进行配制硝化混酸的。如果两种组成酸的组成在图2-1中分别用点g、h来表示，那么用它们来配制成的混酸必定是在 线上的任一点o，o点的位置决定于g、h两原料酸的配比大小，它们的关系是：Mg、Mh 分别代表原料酸分别代表原料酸g、h的投料量的投料量

38、以上方程式为混和方程以上方程式为混和方程 55学习交流PPT 由由于于最最后后配配制制的的混混酸酸既既要要服服从从m=kl+b(或或m=kl+b)，又又要符合混和方程，因此，要符合混和方程，因此，o点必在两直线的交点。点必在两直线的交点。 在在确确定定了了混混酸酸的的组组成成之之后后，即即可可利利用用式式2-5/P37算算出出混混酸的投料量酸的投料量MM.A。 MM.A=Mg+Mh 故原料酸故原料酸g，h的投料量相应地为：的投料量相应地为：例2-3/P39 56学习交流PPT 作作业业：甲甲苯苯硝硝化化反反应应D.V.S = 2.3，硝硝酸酸比比=1，酸酸油油比比=2.5（混混酸酸与与有有机机

39、物物之之比比）。计计算算硝硝化化废废酸的酸的m值及所用混酸的组成。值及所用混酸的组成。 作作业业：对对蒽蒽醌醌间间歇歇硝硝化化过过程程进进行行物物料料衡衡算算。已已知知被被硝硝化化物物为为BB酸酸(苯苯甲甲酰酰苯苯甲甲酸酸)缩缩合合、稀稀释释后后的的混混合合物物料料，每每批批投投料料中中含含蒽蒽醌醌318kg，BB酸酸等等杂杂质质14.5kg，H2SO4 1437.5kg，H2O 349kg。加加入入97.5%的的浓浓硝硝酸酸进进行行硝硝化化，硝硝酸酸比比为为4.5。硝硝化化终终点点时时硝硝基基物物粗粗硝硝基基蒽蒽醌醌中中含含二二硝硝基基蒽蒽醌醌23%，未未反反应应蒽蒽醌醌2%。57学习交流P

40、PTkg质质%AQ杂质杂质H2SO4H2O31814.51437.5349-计计M1100kg质质%HNO3H2O-97.52.5计计M2100浓硝酸浓硝酸蒽醌混料蒽醌混料硝基物硝基物废酸硝化硝化kg质质%AQNO2AQ(NO2)AQ-232计计M3100物料衡算框图物料衡算框图杂质杂质M4：14.5kgkg质质%H2SO4HNO3H2O-计计M510058学习交流PPT3.氯化过程的物料衡算 氯化反应的显著特点是串联反应，因此，在氯化生产过程中，首先考虑的不是氯化剂的用量，而是一氯化物及多氯化物的相对生成量。 在工业上常用氯化剂为Cl2，也可用SO2Cl2(硫酰二氯，在惰性有机溶剂中进行时使

41、用，反应温和，但价太高)；在水介质中进行时，还可用盐酸加氧化剂（如：H2O2、NaClO、 NaClO3 等）；在气相高温氯化时，可用HCl(g)加空气。 59学习交流PPT 许多有机化合物的氯化过程可用下列一般方程式表示之： RHn+nCl2RCln+nHCl 氯化时得到一氯、二氯及三氯化合物，其数量间的比率，可根据化学动力学定律来决定。令：CA0拟氯化原料的原始浓度，mol分数； Cx氯化物的浓度，mol分数； Cy二氯化物的浓度，mol分数； C氯的浓度；反应时间； n反应级数(以氯为准)；k1，k2分别为一氯化和二氯化的反应速度常数。60学习交流PPT 由于生成氯化物的反应具有相同的级

42、数，而且是顺序进行的（串联反应），则：两式相除：两式相除： 解此微分方程式，并取相应的边界条件后得：解此微分方程式，并取相应的边界条件后得：61学习交流PPT令：令：CH=CA0Cx 未反应原料的浓度未反应原料的浓度 CM=Cx Cy 一氯化物的浓度一氯化物的浓度则未反应物料的浓度与一氯化物浓度之关系：则未反应物料的浓度与一氯化物浓度之关系：二氯化物的浓度应为：二氯化物的浓度应为：反应液中一氯化物可能达到的最大浓度应为：反应液中一氯化物可能达到的最大浓度应为： 在在不不同同的的操操作作条条件件下下，k2/k1值值不不同同，比比值值越越小小，越有利于主反应的进行。越有利于主反应的进行。62学习交

43、流PPT磺化反应器磺化反应器 适适用用于于低低粘粘度度、低低温温液液体体烃烃类类的的均均相相和和非非均均相相磺磺化化器器。锅锅体体为为铸铸铁铁材材料料，采采用用上上出出料料形形式式，即即出出料料管管从从锅锅盖盖接接管管伸伸至至反反应应器器底底部部，由由压压缩缩空空气气或或氮氮气气将将锅锅内内物物料料压出。压出。低粘度液相磺化器低粘度液相磺化器63学习交流PPT适于粘稠物料磺化器适于粘稠物料磺化器64学习交流PPT双膜磺化器双膜磺化器65学习交流PPT苯气相磺化反应锅苯气相磺化反应锅 半半分分批批操操作作形形式式的的磺磺化化锅锅，先先将将磺磺化化剂剂92.5%的的硫硫酸酸投投入入反反应应锅锅，然

44、然后后将将加加热热至至155以以上上的的气气相相苯苯连连续续通通入入反反应应锅锅，至至反反应应终终点点放放料料。通通入入过过量量的的苯苯和和带带出出水水经经冷冷凝凝冷冷却却、中中和和回回收收，循循环套用。环套用。 磺磺化化锅锅顶顶部部为为捕捕集集器器，立立式式圆圆桶桶形形，上上部部为为椭椭圆圆形形封封头头，下下部为锥形底，其材质为铸铁。部为锥形底，其材质为铸铁。66学习交流PPT硝化反应器硝化反应器混酸硝化液相反应器混酸硝化液相反应器环形硝化器环形硝化器 硝硝化化器器的的右右侧侧为为带带有有夹夹套套和和多多层层顺顺轮轮的的推推进进式式搅搅拌拌器器，左左侧侧是是列列管管式式热热交交换换器器，物物

45、料料由由右右侧侧进进入入反反应应器器后后，经经搅搅拌拌混混合合，均均匀匀反反应应，产产生生的的反反应应热热由由大大量量通通过过左左侧侧循循环环冷冷却却后后的的冷冷物物料料带带走走。这这种种形形式式的的反反应应器器传传热热、传传质质效效果果都都好好。常常用用于于连连续续操操作作，间间歇歇操操作作一一般般用用搪玻璃锅式反应器。搪玻璃锅式反应器。67学习交流PPT氯化反应器氯化反应器铸铁反应锅铸铁反应锅 它它具具有有加加热热和和冷冷却却用用的的钢钢质质夹夹套套，内内设设推推进进式式搅搅拌拌器器。主主要要适适用用于于固固体体物物料料在在惰惰性性溶溶剂剂或或稀稀释释剂剂等等介介质质中中进进行行的的氯氯化

46、化反反应应及及粘粘稠稠物物料料和和有有悬悬浮浮颗颗粒粒存存在在时时的的场合。场合。 在在这这类类系系统统的的氯氯化化器器中中，将将通通氯氯鼓鼓泡泡器器做做成成多多孔孔管管的的形形式式是是不不合合理理的的，因因为为它它们们的的小小孔孔可可能能被被粘粘稠稠的的物物料料和和小小粒粒子子堵堵塞塞，用用下端出口为喇叭形的多根竖管。下端出口为喇叭形的多根竖管。68学习交流PPT沸腾氯化塔沸腾氯化塔10987653421112 1 此此种种形形式式反反应应器器，由由于于塔塔内内填填有有铁铁环环，既既起起催催化化剂剂作作用用，又又能能使使气气液液接接触触面面积积很很大大，且且在在沸沸腾腾温温度度下下反反应应，

47、靠靠苯苯的的气气化化从从反反应应器器内内移移除除大大量量的的反反应应热热，所所以以反反应应速速度度快快、传传质质、传传热热效效果果都都好好，生生产产能能力力大大，上上述述反反应应器器年年产氯化苯能力达万吨以上。产氯化苯能力达万吨以上。1酸水排放口；酸水排放口；2新鲜苯进口；新鲜苯进口；3回流苯进口；回流苯进口；4氯气进料管；氯气进料管； 5炉条；炉条； 6铁环；铁环； 7温度计口；温度计口； 8人孔；人孔； 9挡板；挡板；10气体出口；气体出口； 11人孔；人孔； 12人孔人孔69学习交流PPT第三节 锅式（容积式）反应器的工艺计算 设备工艺计算的任务：确定生产过程中所有设备的数量、容积及主要

48、尺寸。 计算间歇式反应器的台数和容积，需知下列数据：每昼夜所处理物料的量Vd(m3/d)，由生产任务、年工作日来定，也可由物料衡算得知；生产过程的持续时间（也称生产周期或操作周期，包括反应时间1和辅助过程时间2）。1指装料完毕后，开始反应至到达一定转化率时所需时间。一般由实验确定，也可求算，但较烦，在间歇操作时，将其视为已知条件。70学习交流PPT1在一定条件下由动力学方程式计算：或或2辅助时间，包括装料、升温、冷却、卸料、检辅助时间，包括装料、升温、冷却、卸料、检 查、清洗等时间。查、清洗等时间。MA反应物反应物A的量，的量，mol；VP设备的有效容积（反应物料的体积），设备的有效容积（反应

49、物料的体积），m3；xA反应物反应物A的转化率，的转化率，CA0反应物反应物A的初始浓度，的初始浓度，mol/m3；rA以以A物质表示的反应速度，物质表示的反应速度，mol/m3s。 一一般般反反应应机机理理未未知知，则则rA的的表表达达式式无无法法得得知知，1也无法计算。也无法计算。71学习交流PPT 由于转化率确定后，在一定的反应条件（T、P、C、催化剂、传质情况等）下， 1一定，因此如何使2值最小，就可缩短生产时间，以提高设备的生产能力。在实际设计和生产中，操作周期的确定有时还需考虑生产的组织、管理上的方便。 设备的装料系数=VP/Va Va 设备的名义容积，m3。 反应器的容积要比反应

50、物料的体积大，以保证反应物料上面留有一定的空间。 在不同的场合下，对值要求不同，一般根据实际生产经验确定。 72学习交流PPTa.不带搅拌或搅拌缓慢的反应锅 =0.800.85b.带搅拌的反应锅 =0.700.80c.易起泡和沸腾下操作的设备 =0.400.60d.贮罐和计量罐（液面平静） =0.850.90一、间歇式反应器容积和个数的计算一、间歇式反应器容积和个数的计算 通过物料衡算，已经知道每昼夜所处理物料的容积Vd，因此，根据给定每台设备的有效容积(VPVa)可以算出每昼夜的操作批数为：73学习交流PPT每台设备一昼夜应该操作的批数为： 因此，需用的设备台数为因此，需用的设备台数为nP：

51、 如何选取如何选取nP与与Va，应从劳动生产率和降低设备，应从劳动生产率和降低设备投资方面考虑。投资方面考虑。 74学习交流PPT 实际上，往往由于设备的检修及其他原因，不能一批接一批的生产，或由于计算出的nP不是整数，需取整，所以应考虑设备的后备系数（），计算出的设备台数nP与实际安装的设备台数n往往不同（n nP ）。75学习交流PPT二、间歇反应过程设备间的平衡 又称多工序间的设备平衡。在进行间歇过程设备的工艺计算时，还必须重视设备的平衡问题。 对辅助过程设备或者是对几个操作时要求严格划清批号的设备，不能仅仅根据每种设备每昼夜处理的物料量来确定它们的大小和台数，因为这样就忽赂了主要设备与

52、辅助设备之间的关系，常常会导致设备的不平衡。在考虑设备平衡问题时，通常是使各种设备每昼夜的操作批数相等，或者辅助设备台数是主要过程设备值的整数倍，使辅助操作设备的台数多些，以适应主要操作设备。76学习交流PPT 在特殊场合，也可在设备之间安置中间贮罐。 这样有利于生产的组织、管理及产品的质量检查。不同批号的物料不会相混。一般使： =1=2=3 例例. 邻邻硝硝基基氯氯苯苯连连续续氨氨化化，然然后后采采用用分分批批操操作作法法用用Na2S还还原原邻邻硝硝基基苯苯胺胺制制取取邻邻苯苯二二胺胺。每每小小时时氨氨化化出出料料为为0.83m3，还还原原工工序序操操作作周周期期为为7小小时时（不不算算受受

53、料料的的时时间间）。求求算算需需用用还还原原锅锅的的个个数数与与容容积积。设设备备装装料料系系数数取取0.75。77学习交流PPT 解解：因因前前一一道道工工序序为为连连续续操操作作，至至少少用用两两个个还还原原锅锅交交替替进进行行受受料料与与反反应应。今今还还原原操操作作周周期期为为7小小时时，可可取取受受料料时时间间8小小时时，安安排排每每个个班班做做一一次次还还原原操操作作，则则每每一一批批料料的的总总操操作作周周期期（包包括括受受料料时时间间）为为16小小时时。于是需要设备的总体积为：于是需要设备的总体积为： 可取可取2只锅，每只锅的容积为：只锅，每只锅的容积为：78学习交流PPT 例

54、例.西西维维因因农农药药（杀杀虫虫剂剂）中中试试车车间间取取得得以以下下数数据据：用用200升升搪搪瓷瓷锅锅做做试试验验，每每批批操操作作可可得得西西维维因因成成品品12.5kg，操操作作周周期期为为17小小时时。今今需需设设计计年年产产1000吨吨的的西西维维因因车车间间，求求算算需需用用搪搪瓷瓷锅的数量与容积。年工作日取锅的数量与容积。年工作日取300天。天。 解：每台锅每天操作批数：解：每台锅每天操作批数：每天生产西维因数量：每天生产西维因数量：需要设备总容积：需要设备总容积：取取Va为为10m3的最大搪瓷锅的最大搪瓷锅4台。台。79学习交流PPT 例例. 2萘萘酚酚车车间间的的磺磺化化

55、工工段段有有四四道道工工序序：磺磺化化、水水解解、吹吹萘萘及及中中和和。现现有有铸铸铁铁磺磺化化锅锅的的规规格格2，2.5，及及3m3三三种种。试试设设计计各各工工序序的的设设备备容容积积与与数数量量。已已知知各工序的各工序的Vd、及及如下表：如下表：工工 序序Vd（m3）（h）磺磺 化化水水 解解吹吹 萘萘中中 和和20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.60 解解： （1）先作磺化工序的计算）先作磺化工序的计算 取三种不同容积的磺化锅分别计算：取三种不同容积的磺化锅分别计算：80学习交流PPTVa= 2m3 时时81学习交流PPT 再取再取V

56、a=2.5m3与与3.0m3作同样计算，结果列于下作同样计算，结果列于下表中：表中：Va(m3)npn%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.38322442044 比较三种方案，选用比较三种方案，选用2个个2.5m3的磺化锅较为符合的磺化锅较为符合设计任务。设计任务。（2）水解及其他工序的计算）水解及其他工序的计算 取水解工序取水解工序=10，82学习交流PPT取取 n =1水解锅容积水解锅容积 同样方法计算吹萘及中和两个工序，将各工序计同样方法计算吹萘及中和两个工序，将各工序计算结果列于下表：算结果列于下表：工序工序Vdnpn%Va磺化磺化水

57、解水解吹萘吹萘中和中和2021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.082123206060440.80.850.60.62.52.55.01983学习交流PPT作业1.硝化混酸配制过程的物科衡算。已知混酸组成为H2SO4 46%(质量百分比，下同）、HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料为92.5的工业硫酸、98的硝酸及含H2SO4 69%的硝化废酸。试通过物科衡算确定配制1000kg混酸时各原料的用量。为简化计算。设原料中除水外的其他杂质可忽略不计。2.年产600吨H酸(100计)，已知年工作日300天，按1吨H酸为基准，各反应器内物

58、料量为Mkg，密度kg/m3，操作周期h,装料系数具体数据如下表：现有磺化锅规格三种：2m3，2.5m3，3m3。试求各反应器的容积与数量。84学习交流PPT85学习交流PPT第四节 锅式反应器的热量衡算 所有工艺过程（物理过程、化学工程），总伴随着能量（热能、机械能、电能等）的变化。为了保证生产的顺利进行，须对其做定量计算，而热量衡算是基本的手段。(P43)目的：通过热量衡算可确定加热方式（夹套、蛇管、还是引出反应器外换热），选择传热剂（蒸汽、热水、冷水等）。计算传热剂用量，为其他工程（如：供汽、供水等）提供设计依据。86学习交流PPT计算由设备传递的能量，了解反应器传热效率，热损失情况，为

59、改进设备或设备设计提供依据。计算传热面积，以确定换热设备的工艺尺寸。分析研究工程设计和生产操作中热量利用是否经济合理。热量衡算方法和步骤： (1)明确衡算目的。如通过热量衡算确定某设备或装置的热负荷、加热剂或冷却剂的消耗量等数据。87学习交流PPT (2)明确衡算对象。划定衡算范围，并绘出热量衡算示意图。为计算方便，常结合物料衡算结果，将进出衡算范围的各股物料的数量、组成和温度等数据标在热量衡算示意图中。 (3)收集与热量衡算有关的热力学数据，如定压比热、相变热、反应热等。 (4)选定衡算基准。 (5)列出热量平衡方程式，进行热量衡算。 (6)编制热量平衡表。 热量衡算是以物料衡算为基础的，而

60、它又是设备工艺计算的基础，当物料衡算，生产工艺流程草图结束后，即可进行热量衡算了。 88学习交流PPT一、设备的热量平衡式一、设备的热量平衡式 热量衡算的依据：能量守恒定律。过程的热量平衡由下式表示(内能、动能、势能的变化量可以忽略且无轴功)： Q1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6式中：Q1物料带入设备的热量，kJ； Q2加热剂或冷却剂与系统交换的热量（加热为+，冷却为），kJ； Q3过程的热效应，kJ；（包括物理过程，化学过程。放热为正，吸热为负） Q4各物料流出设备时带走的热量， kJ； Q5加热设备各部件所消耗的热量， kJ； Q6设备向四周散失的热量， kJ。89学习交流PPT

61、 热热平平衡衡方方程程中中的的Q1、Q4和和Q5可可通通过过物物料料或或设设备备显显热热、物物料料的的相相变变潜潜热热等等计计算算，Q6可可通通过过热热损损失失公公式式计计算算，而而Q3对对于于磺磺化化、硝硝化化过过程程来来说说就就显显得得复复杂杂一一些些，不不仅仅要要计计算算化化学学反反应应本本身身热热效效应应，而而且且要要计计算算由由于于反反应剂消耗造成的浓度变化热效应，即按下式计算：应剂消耗造成的浓度变化热效应，即按下式计算：Q3 = Qr + Qp 在设计过程中，需求得在设计过程中，需求得Q2，因此，必须通过已知，因此，必须通过已知数据求取其他各项热量。数据求取其他各项热量。90学习交

62、流PPT1、Q1、 Q4的求算的求算 最重要的问题是：对各物料的热量都必须建立在同一基准温度上。基准温度的选取 为了方便计算，一般以273K为基准温度，以液态为基准物态。 注注意意：CP随随T的的变变化化，CP需需求求算算，否否则则会会造造成成较较大大的的误误差差，T的的变变化化范范围围不不大大时时，可可查查表表知知；还还要要注注意意各物料的相变热。各物料的相变热。91学习交流PPT2、Q5、Q6的计算的计算（“化工原理”已作介绍） 对于连续操作设备，在稳定操作的条件下： Q5=0； 有保温且在室内时，反应锅的散热很小，可忽略，即Q6=0； 但当壁面温度较高或散热面积较大时，必须计算，主要是求

63、算传热膜系数。（见P44）空气作自然对流 式中：TW壁面温度，K。92学习交流PPT空气沿壁面作强制对流 空气流速 u5m/s时 =6.2+4.19u W/m2 K 空气流速 u 5m/s时 =7.79u0.79 W/m2 K 当壁温高于500K时，还须考虑热辐射，即中应包括辐射。 W/m2 K T大气温度，大气温度， K；C辐射系数，辐射系数， W/m2 K4 绝绝对对黑黑体体C=5.77 ；铁铁体体5.35；氧氧化化过过的的铁铁4.23 ；粗表面铜；粗表面铜4.19；粗糙表面铝；粗糙表面铝0.41。93学习交流PPT3、Q3过程热效应的计算 求取Q2的关键在于求取Q3，重点讲。二、过程热效

64、应二、过程热效应 化学过程的热效应，包括：化学反应热和各物料由于化学反应或其它原因而引起的浓度变化或状态变化的热效应（如：溶解热、稀释热、蒸发热、熔融热等）。 在一些场合，这些热效应是同时发生的，如：硝化过程，随HNO3消耗，产生H2O，同时稀释酸，产生稀释热。94学习交流PPT1、化学热效应 化学热效应qr是表示各物质在某一定温度T，互相发生化学作用时放出或吸收的热量，在恒压下，qr=H，H为状态函数，所以H与过程的途径无关，从而使qr与过程途径无关，只与始态和终态有关，其计算可用Hess定律，通过各物质的生成热和燃烧热求得。（1） （2） 自看，见P45-46 （3）同时用燃烧热及生成热求

65、反应热 有一些物质的生成热在手册中查不到，前人未做这一工作，如：大多数的有机化合物，但它们的qC已经测得，可查到，则如何利用其qC来求取其qf呢？也可由Hess 定律来推导，如：苯磺化生成苯磺酸的反应热计算。 95学习交流PPT qf(C6H5SO3H)+ qc(C6H5SO3H)=(qf)产物，(qc)元素) (燃烧产物) 若等式右边采用各元素的燃烧热之和，则元素的燃烧热见表2-2/P46。 各元素烧燃产物即该元素与氧元素在常态下的最稳定化合物（注意需乘以元素的原子个数）。优点：可不写出反应方程式即可计算。 元素燃烧热的单位：kJ/mol原子C H O Sqf(C6H5SO3H) qf(CO

66、2) qf(H2O) qf(SO2) 96学习交流PPT（4）有机物燃烧热的估算 由于有机物种类繁多，有好多有机物的燃烧热不可能直接从手册中查到，因此，可进行估算（误差一般较小，在工程上是允许的）。估算方法有：卡拉奇（khracsh）法 只记住公式及每个符号所代表的意义即可。 qc=109.07n+(k) kJ/mol式中：n化合物在燃烧时的电子转移数； 卡拉奇假设化合物在燃烧时，将C和H的成键电子均转移给了氧原子，所以n的值等于“燃烧氧原子数2”。 109.07每个电子（每摩尔电子）转移释放出的热量（kJ）； k分子中同样取代基的数目； 取代基和键的校正值 见表2-3/P48 。 例2-4/

67、P4797学习交流PPT理查德（Richard）法 （自己看）式中：a、b常数，与化合物的结构有关，见表2-4/P51 x化合物燃烧时所需的氧原子数（燃烧产物为 CO2、H2O、N2、HX、SO2等） n燃时电子转移数目a、b的基数为：（正烷烃的a、b值） a b液态 23.86 218.05 （液态、固态化合物均以此为准）气态 23.02 219.72 （气态化合物的计算基准）说明：计算时以上表值分别作为计算基准及在a,b值中分别加上基数的1个a值，1个b值。分子中有支链或在环结构上有取代基时，应加支链值，但只加一次，（在基数值的基础上加）。98学习交流PPT分子中含有两个或两个以上相同基团

68、时，则用该基团的a值乘以该基团的个数，但b值仍以一个计算，但正烷烃取代基与支链取代基同。分子中含有几个不同的基团，其相应的a、b值应计入基本方程中，有时一个基团（复杂）又可看作两个基团的总和时，应选择复杂基团的a、b值，或取表中排列较后基团的数字。如：甲酰胺（HC-NH2）可看作醛和酰胺，但只取酰胺值，以免重复。 脲型（ ）和二缩脲型（ ）的基团则例外，二者均看作含有两个酰胺基团，而后者还需加一个胺基基团。适用于含氮化合物。对于有机碱与无机酸生成的盐，其燃烧热为：有机碱的燃烧热加无机酸的燃烧热再加生成盐的校正值（-67.41）。99学习交流PPT无机酸的燃烧热 qc酸=(qc)元素qf酸 对于

69、某些含氧原子的基团，除了加上表中所列该基团a、b值，如果由于取代生成NN或CN键时，还应加上肼或胺的校正值，如H2NNO3，可看作含有伯胺基团，也含有硝基胺基团，如酰胺、肼、酰肼、偶氮、偶氮氧、胍、四氮杂茂、硝基酰胺、亚硝胺等。ArN=NAr，除用偶氮基、芳香环的基本数据外，必须加上两伯胺基。例2-5、例2-6/P55100学习交流PPT（5 5）中和热 一些有机盐或有机碱类化合物的生成热和燃烧热均没法查得，涉及到这些物质的反应热计算时，只能求助于对应的有机酸或有机碱的中和热数据。 中和热效应是一种特定类型的反应热效应。 对于强酸与强碱的中和过程，中和热效应一般为56.9kJ/mol； 有弱酸

70、或弱碱参与的过程，中和热一般比较小，且反应不同，值不同。以下是一些重要有机酸或碱的中和热。101学习交流PPT芳族磺酸的中和热（可用此来求得磺酸盐的生成热) 其性质与无机强酸（HCl、H2SO4、HNO3）类似，其中和热效应几乎相同。因而磺酸的中和热（与表2-5/P56中的碱反应时）可近似用无机酸的中和热代替。 按Hess定律，磺酸生成热和磺酸金属盐类的生成热关系：qf.Mqf.Sqf.Bqf.H2O+qN 式中：qf.M 磺酸金属盐的生成热，kJ/mol qf.S 磺酸生成热，kJ/mol (可用燃烧热计算，P46式qf+ qc=(qc)元素) qf.B 盐的生成热，kJ/mol qf.H2

71、O 水的生成热，kJ/mol qN中和热，kJ/mol102学习交流PPT芳香族羧酸的中和热 属弱酸类，其中和热与许多因素有关：芳族上取代基种类（性质）芳族上取代基种类（性质）取代基位置取代基位置取代基个数取代基个数 等等（主要影响电离度）（主要影响电离度） 见表见表2-6/P57 有了中和热数据即可通过上述方法求取羧酸盐有了中和热数据即可通过上述方法求取羧酸盐的生成热。的生成热。103学习交流PPT酚类的中和热酚类的中和热 在在芳芳烃烃核核上上的的-OH，按按其其化化学学性性质质来来说说，相相当当于于一一种种弱弱酸酸，其其中中和和热热的的值值主主要要取取决决于于芳芳核核上上有有无无其它取代基

72、。其它取代基。 在在羟羟基基的的邻邻位位或或对对位位上上有有-Cl和和-NO2存存在在，能能增增加加（酚酚类类化化合合物物）羟羟基基的的酸酸性性（即即电电离离度度增增加加），则中和热值较大。则中和热值较大。 间间位位取取代代基基对对其其酸酸性性影影响响不不大大，对对中中和和热热值值影影响不大。响不大。 芳芳族族上上若若有有一一类类取取代代基基时时（-OH、-CH3）能能减减低低羟羟基基的的酸酸性性，并并减减少少其其中中和和热热。（在在邻邻、对对位位时时影影响响大大）。芳芳族族的的稠稠环环种种类类对对羟羟基基的的中中和和热热影影响响最最大，使中和热大大下降。大，使中和热大大下降。见表见表2-7/

73、P57104学习交流PPT2、浓度变化热效应 在药物生产过程中常常遇到组分的混和、稀释和浓缩问题，这些过程往往有热效应产生。其中有一些热效应的值很大，决不可忽视，如：硝化过程中硫酸被稀释的热效应。（1 1）常用酸类的浓度变化热）常用酸类的浓度变化热 硫酸的浓度变化热 a.利用利用SOSO3 3在水中的积分溶解热求硫酸浓度变化热在水中的积分溶解热求硫酸浓度变化热 积分溶解热：1mol或1kg纯物质在一定温度、一定压力下溶于溶剂生成该温度下的一定浓度溶液时过程的热效应，简称溶解热。（放热为正，吸热为负） 105学习交流PPTSO3在水中的积分溶解热可由博脱式计算。博脱式：博脱式：qP+式中：式中：

74、s 以以SO3含量计的硫酸浓度（质量百分率）；含量计的硫酸浓度（质量百分率）；（受温度影响较大，如（受温度影响较大，如P58，图，图2-3）106学习交流PPT博脱式的曲线图，见图2-4/P59图图2-4 SO3溶于水的积分溶解热线图溶于水的积分溶解热线图107学习交流PPT 利用SO3的积分溶解热可计算两种以上不同浓度的硫酸混和配制混酸的热效应。例如：SO3含量为s1的G1kg硫酸与SO3含量为s2的G2kg H2SO4，配成另一种浓度为s的硫酸，其热效应可用Hess定律计算。G1（ ）+G2（） G（qP2） QPqp qP1 SO3，H2O108学习交流PPT混和酸总量混和酸总量 G=G

75、1+G2两种酸配制成混和酸的热效应为：两种酸配制成混和酸的热效应为： Qp=GnqpG1n1qp1G2n2qp2式中：式中：Qp酸的混和热效应，酸的混和热效应，kJn、n1、n2分别为混和酸、s1硫酸、s2硫酸中 水的含量（包括与SO3结合的水） （质量百分率）109学习交流PPT例例：用用95%H2SO4与与20%发发烟烟硫硫酸酸混混合合配配制制100%的的H2SO4100kg，设混和温度为，设混和温度为25，求混和热效应。，求混和热效应。解：首先作物料衡算，求两种酸用量解：首先作物料衡算，求两种酸用量令：令：X为为95% H2SO4的用量的用量kg Y为为20%发烟发烟H2SO4的用量的用

76、量kg以以SO3量作物料衡算：量作物料衡算： Xkg 95% H2SO4 中中SO3：（：（0.95 ）X= 0.776XYkg 20%发烟酸发烟酸SO3：（：（0.2+0.80 ）Y= 0.853Y100kg 100%H2SO4中中SO3：（：（1.0 ）100 = 81.63110学习交流PPT则：则： 解得解得X=47.2kg Y=52.8kg95%H2SO4中中 s1=0.776（ SO3质质 量量 分分 数数 ）n1=0.224 qP1 20%发烟酸中发烟酸中 s2=0.853 n2=0.147 qP2100% H2SO4中中 s=0.8163 n=0.1837 qP利用博脱式分别计

77、算利用博脱式分别计算 qP1 qP2 qP 得：得：qP1=4299.91 kJ/kgH2O ； qP2=5649.93 kJ/kgH2O qP=4951.45 kJ/kgH2O则：则：QP=1000.18374951.4547.20.2244299.9152.80.1475649.93=1542.07kJ（放热）（放热） 111学习交流PPTb.利用酸的无限稀释热求酸的浓度变化热利用酸的无限稀释热求酸的浓度变化热 在恒温过程中，将一定浓度的酸和水稀释至酸的浓度接近于零时，所放出的热量为无限稀释热。 恒温过程中，在现有的溶液中加入其中之一的组分(溶剂)所产生的热效应称为“稀释热”，这一组分一般

78、都是指水。根据赫斯定律，不同浓度的溶解热之差值，即为由一浓度稀释到另一浓度时的“稀释热”。当加入的溶剂(一般是水)量无限大时，此时的热效应称为“无限稀释热”。 如果在双组分溶液中加入微量的其中之一组分(溶质)，此时溶液的浓度仅起微量的改变，其热效应称为“微分溶解热”。设加入的是溶剂，则称为“微分稀释热”。 112学习交流PPT1kg一定浓度的硫酸的无限稀释热可用下式求算：qd=766.2kJ/kg酸酸式中：式中：n硫酸中水的质量百分数（不包括硫酸中水的质量百分数（不包括H2SO4中中 的结合水）的结合水） 也可利用硫酸的无限稀释热来求算两种不同浓也可利用硫酸的无限稀释热来求算两种不同浓度的硫酸

79、混和过程中形成混和酸的热效应。度的硫酸混和过程中形成混和酸的热效应。113学习交流PPT根据Hess定律： 混合热效应QP= Gqd+ Gqd Gqd kJ （qdqdqd的单位均为kJ/kg酸）硝酸的浓度变化热a.利利用用HNOHNO3 3在在水水中中的的积积分分溶溶解解热热计计算算HNOHNO3 3的的浓浓度变化热度变化热由下式计算： qP= kJ/kmol HNO3 式中：w溶解1 mol HNO3 的水的mol数114学习交流PPT可由下式估算：可由下式估算：qd=464.7式中：式中：n硝酸中水的质量百分数（不包括结合水）硝酸中水的质量百分数（不包括结合水）%kJ/kg 酸酸盐酸的浓

80、度变化热盐酸的浓度变化热a.利用利用HClHCl（g g）的积分溶解热计算的积分溶解热计算可由下式估算：可由下式估算：qP=式中：式中：w溶解溶解1mol HCl（g）的水量（的水量（mol）b.利用盐酸的无限稀释热计算利用盐酸的无限稀释热计算 不同浓度盐酸的无限稀释热见表不同浓度盐酸的无限稀释热见表2-8/P60+22500 kJ/kmol HClb.利用利用HNOHNO3 3的无限稀释热计算的无限稀释热计算HNOHNO3 3的浓度变化热的浓度变化热 115学习交流PPT硝化混酸的浓度变化热硝化混酸的浓度变化热 通常用各组分酸的无限稀释热求取。通常用各组分酸的无限稀释热求取。 1kg硝化混酸

81、的无限稀释热可用下式求取：硝化混酸的无限稀释热可用下式求取： qd=式式中中：qd1每每kg含含水水量量与与混混酸酸中中水水量量相相同同的的硫硫酸酸的的无无限限稀稀释释热，热， kJ/kg H2SO4； qd2每每kg含含水水量量与与混混酸酸中中水水量量相相同同的的硝硝酸酸的的无无限限稀稀释释热热 kJ/kg HNO3； （其值可由前面述及的估算式计算）（其值可由前面述及的估算式计算） x混混酸酸中中硫硫酸酸的的质质量量百百分分数数与与硫硫酸酸和和硝硝酸酸的的质质量量百百分数之和的比值。分数之和的比值。 116学习交流PPT（2）常用碱类的浓度变化热）常用碱类的浓度变化热 图图2-6、图图2-

82、7、表表2-9、表表2-10/P61（不不同同温温度度时）中列出了一些碱类积分溶解热时）中列出了一些碱类积分溶解热 。 例：例：2-7/P60 例例2-8/P62左式左式的列线图的列线图P60图图2-5x=117学习交流PPT三、典型过程的热效应三、典型过程的热效应1、磺化过程的热效应 假定伴随磺化反应而发生的各种物理过程热效应中，主要是磺化剂的浓度变化热。磺化过程的热效应Q3为： Q3=Qr+Qp式中：Qr磺化反应热，kJ ； QP磺化剂的浓度变化热，kJ磺化反应方程式若表示为： RHX+XSO3 R(SO3H)X其反应热为：qr=qf,产物 qf,反应物 Xqf,so3 kJ/mol 11

83、8学习交流PPT 上式中，磺化剂浓度变化热的计算： 相当于从磺化剂中分离出一部分SO3（其量等于磺化反应所需的SO3量）的热效应。直接求困难，可用下列途经计算。 设分离出全部SO3需吸热QS 其中一部分SO3用于生成磺酸，另一部分未起反应。 反应完毕后未反应的SO3，重溶入水中，放出Q的热量。则：SO3的分离热为：Qp= Q QS 设原有含SO3为s%的硫酸100kg119学习交流PPTP64120学习交流PPT其中：磺化值 L = 上式中的各项热可用上式中的各项热可用H2SO4的积分溶解热去求。的积分溶解热去求。Qp=(100s)qP= Q=(100s)q QS =(100s) qS q、q

84、S可用博脱式求（可用博脱式求（kJ/kgH2O）则：则： qP = q qS例例2-10/P64 Q3=Qr+Qp注意：注意：q、qS为为 1kg H2O中溶解中溶解SO3的溶解热的溶解热 发烟酸中的发烟酸中的H2O为结合水为结合水反应用去的反应用去的SO3量量主反应主反应副反应副反应Qr121学习交流PPT2.硝化过程的反应热 硝硝化化反反应应都都为为较较强强的的放放热热反反应应，在在混混酸酸硝硝化化时时混混酸酸中中的的硫硫酸酸被被反反应应生生成成的的水水稀稀释释，有有热热量量放放出出，其其热热量量约约相相当当于于反反应应热热的的7.5%10%，随随不不同同的的硝硝化化过过程程略略有有区区别

85、别。由由于于放放热热量量大大，反反应应速速度度快快，且且反反应应温温度度低低，所所以以一一般般的的硝硝化化过过程程都都必必须须冷冷却却移移除除热热量量，设设备备的吸热及热损失亦往往可以忽略。的吸热及热损失亦往往可以忽略。 硝化过程的热效应是反应热与混酸组成变化热之硝化过程的热效应是反应热与混酸组成变化热之和：和： Q3=Qr+Qp RHX+XHNO3 R(NO2)X+XH2O qr=qf,硝基物硝基物+ qf,H2Oqf,被硝化物被硝化物xqf,H2O GA反应物反应物A的量（的量（kg） MAA的摩尔质量（的摩尔质量（g/mol）qr122学习交流PPT设原有硝化剂为MMA kg 则： MM

86、A(混酸) M废酸（废酸） M1（反应用HNO3） MMAM1（剩余混酸）这里的这里的Qp包括包括 根据根据Hess定律：定律： 用无限稀释热计算用无限稀释热计算 （P66）123学习交流PPT例例2-11/P56a、先求化学反应热、先求化学反应热Qrb、求过程中物理变化的、求过程中物理变化的Qp则则 ：124学习交流PPT3 3、氯化过程的热效应、氯化过程的热效应 氯化反应氯化反应 ：RHn+nCl2RCln+nHCl qr=qf,产物产物 qf,反应物反应物+nqf,HClnqf,Cl2 qr= qf,产物产物- qf,反应物反应物+92.36 kJ/mol n氯化时被氯化时被-Cl取代的

87、取代的H原子数原子数 用用上上式式分分别别算算出出一一氯氯化化反反应应热热qr1，二二氯氯化化反反应应热热qr2，三氯化反应热，三氯化反应热qr3。则：总反应热则：总反应热 或或式中：式中：m1,m2,m3分别为一氧化物、二氯化物、三分别为一氧化物、二氯化物、三 氯化物的生成量，氯化物的生成量，kg M1,M2,M3分别为它们的摩尔质量分别为它们的摩尔质量 g/mol125学习交流PPT 实际生产中，氯化反应生成的HCl(g)，要不断排出反应器，且用水或稀碱液吸收。 氯化氢溶解于水中时所放出的热量qpHCl可以用经验式求算： qpHCl=1999.2h657.3h2 kJ/kgHCl P68式

88、中：h一定温度下溶解于1kg水中的HCl的kg 数。 (HCl在水中的溶解度) 也可用HCl(g)在水中的积分溶解热求算： kJ/kmol HCl w溶解溶解1molHCl的水的的水的mol数数 /P59（239）126学习交流PPT h与溶解温度及HCl的分压有关，h也可通过经验式求算： h=0.611-0.0032(T-273)p0.15 kJ/kgH2O式中：T溶解温度，K； pHCl在气体混合物中的分压力，PaHCl被水吸收时所放出的总热量：M盐酸的质量，盐酸的质量，kg C盐酸的浓度，盐酸的浓度，%。 上上述述求求出出各各项项热热量量后后，即即可可根根据据热热量量衡衡算算式式求求取取

89、Q2。127学习交流PPT第五节 锅式反应器的传热 由上节方法求得Q2值后，可借助于传热基本方程式(Q=KAtm)来确定反应锅所需的传热面积。 但必须注意：化学反应热与物料浓度成比例。在反应开始阶段，反应物浓度高，单位时间的反应热大，随反应的进行，反应物浓度不断下降，则单位时间的反应热效应逐渐降低，到反应后期，单位时间的热效应就很小，因此随反应的进行有一个热量分布有问题。 显然，如果在传热基本方程式中用过程总时间内总的热效应Q2是不合适的。 128学习交流PPT tm的计算方法在恒温阶段用对数平均值求取。对升温和降温过程tm的求算要相对复杂一些。(tm ) 传传热热系系数数K：对对于于锅锅式式

90、反反应应器器的的传传热热装装置置，常常用用夹夹套套或或蛇蛇管管，其其K值值可可直直接接从从有有关关手手册册(化化工工工工艺艺设设计计手手册册)上上查查到到。计计算算出出传传热热系系数数后后，一一般般需需对对K进行核算。进行核算。129学习交流PPT一、热量分布 设在反应锅中进行下列过程： AX 其热效应为qr； 总热效应为Qr， kJ。 下面导出反应热Qr与反应时间之间的关系式。 对上述单分子反应，有下列动力学方程式：式中：C0原料的最初浓度， molL C产物在时的浓度，molL k反应速率常数，s-1 时间， s130学习交流PPT 当反应进行时，从开始至时的反应热效应为Qr ，则： Qr

91、=qrVpC=qrVp C0(1ek)Vp反应器的有效容积，L 当反应终了时，总反应热效应为Qr： Qr= qrVpC0(1ek ) 或或 C=C0(1ek) 二式相除的，二式相除的，Qr= Qr例例2-12/P69对于二级反应：对于二级反应：Ca反应物反应物A的初始浓度的初始浓度; Cb反应物反应物B的初始浓度的初始浓度131学习交流PPT积分得：积分得： 当当=0，C=0时，时， 则：则： 则过程在则过程在时的热效应为：时的热效应为：Qr=qrVpC ；Qr= qrVpC0132学习交流PPT例例2-13/P70如果二级反应的反应物料是等摩尔加料及等摩尔进行反应时：如果二级反应的反应物料是

92、等摩尔加料及等摩尔进行反应时：积分上式：积分上式： 当当=0，C=0，代入上式得，代入上式得，C = 则：则： 或或 反应开始至反应开始至时的反应热为：时的反应热为：133学习交流PPT二、传热系数的计算 （自学） 例2-14/P74 （自学） 至至k时总反应热：时总反应热： 两式相除，得：两式相除，得： 134学习交流PPT作业：1某厂用水吸收HCl尾气，已知尾气中HCl体积含量为15%，总压为0.105MPa，操作温度为30。求：用1吨水吸收HCl量及吸收过程的热效应。2.某混酸硝化制以硝基甲苯，混酸组成为H2SO4 56%，HNO3 26%，H2O18%，硝酸与甲苯的摩尔比为1.03（投

93、料比）。计算完全硝化1000kg甲苯时的混酸投料量、废酸总量及组成；硝化过程的热效应。已知一硝化反应的热效应为33.24.18kg/mol。3.已知硝化反应化学反应热qr=133.3kJ/mol。今用435kg的混酸（含HNO3 47%，H2SO449%，H2O4%）和氯苯进行硝化反应生成503kg的 硝 基 氯 苯 ， 废 酸 291kg（ 含 HNO31%，H2SO473.2%，H2O 25.8%）。 求此硝化反应的热效应。Cl+HNO3ClNO2135学习交流PPT作业1.在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，其工艺流程如图所示，试对该过程进行物料衡算。已知每批操作的投料量力： 甲苯1000kg，纯度99.9(质量百分比。下问)：浓硫酸1100kg，纯度98；甲苯的转化率为98%、生成对甲苯磺酸的选择性为82%，生成邻甲苯磺酸的选样性为9.2，生成间甲苯磺酸的选择性为8.8%；物料中的水约90经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。136学习交流PPTTHE ENDThanks137学习交流PPT