化工单元操作.ppt

方埠化工厂 化工工艺操作培训 方埠化工厂 第一章绪论 1 化工工艺的定义化工工艺即化工技术或化学生产技术也叫化工生产技术 指将原料物主要经过化学反应转变为产品的方法和过程 包括实现这一转变的全部措施 具体到实际应用中又可概括为化工生产 将煤 石油 天然气 矿石 水 空气等经过一系列化学变化或化学处理手段 改变其性质状态 组成 得到目的产物的过程 而如何实现和组织这一过程 即是化工生产 工艺 的基本任务 方埠化工厂 2 化工生产的基本任务研究化工生产的基本过程和反应原理确认化工生产的工艺流程和最佳工艺条件 生产中运用的主要设备的构造 工作原理及强化生产的方法 方埠化工厂 第二章化工生产与单元操作 1 化工单元操作一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干个化学反应实现的 尽管化工产品千差万别 生产工艺多种多样 但这些产品的生产过程所包含的物理过程并不是很多 而且是相似的 比如 流涕输送不论用来输送何种物料 其目的都是将流体从一个设备输送至另一个设备 加热与冷却的目的都是得到需要的操作温度 分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合物等 因此把这些包含在不同化工产品生产过程中 发生同样物理变化 遵循共同的物理学规律 使用相似设备 具有相同功能的基本物理操作 称为单元操作 方埠化工厂 化工生产与单元操作 2 单元操作 UnitOperation 单元操作按其遵循的基本规律分类 1 遵循流体动力学基本规律的单元操作 包括流体输送 沉降 过滤 固体流态化等 2 遵循热量传递基本规律的单元操作 包括加热 冷却 冷凝 蒸发等 3 遵循质量传递基本规律的单元操作 包括蒸馏 吸收 萃取 结晶 干燥 膜分离等 方埠化工厂 化工生产与单元操作 内容 方向 3单元操作的内容与方向 方埠化工厂 第三章流体流动 流体流动规律是化工原理课程的重要基础 主要原因有以下三个方面 1 流动阻力及流量计算 2 流动对传热 传质及化学反应的影响 3 流体的混合效果 方埠化工厂 1 1 1重要概念 一 密度定义 单位体积流体的质量称为密度 公式 式中 流体的密度 kg m3 m 流体的质量 kg V 流体的体积 m3 在研究流体流动时 若压力与温度变化不大时 则可认为液体的密度为常数 密度为常数的流体称为不可压缩流体 严格说来 真实流体都是可压缩流体 不可压缩流体只是在研究流体流动时 对于密度变化较小的真实流体的一种简化 本章中如不加说明均指不可压缩流体 方埠化工厂 1 1 1重要概念 二 气体密度一般来说气体是可压缩的 称为可压缩流体 但是 在压力和温度变化率很小的情况下 也可将气体当作不可压缩流体来处理 当气体的压力不太高 温度又不太低时 可近似按理想气体状态方程来计算密度 由计算p 气体的绝对压强 kPa或kN m2 M 气体的摩尔质量 kg kmol T 气体的绝对温度 K R 气体常数 8 314kJ kmolK 方埠化工厂 1 1 2流体的静压强 一 静压强流体垂直作用于单位面积上的力 称为压强 或称为静压强 其表达式为式中p 流体的静压强 Pa FV 垂直作用于流体表面上的力 N A 作用面的面积 m2 方埠化工厂 1 1 2流体的静压强 二 静压强的单位1 按压强的定义 压强是单位面积上的压力 其单位应为Pa 也称为帕斯卡 其105倍称为巴 bar 即1bar 105Pa 常用单位有 Pa KPa Mpa 2 直接以液柱高表示 mH2O cmCCl4 mmHg等 3 以大气压强表示 atm 物理大气压 at 工程大气压 1atm 1 013 105Pa 10 33mH2O 760mmHg1at 9 81 104Pa 10mH2O 735mmHg 方埠化工厂 1 1 2流体的静压强 三 静压强的表示方法绝对压强 ata 以绝对真空为基准量得的压强 表压强 atg 以大气压强为基准量得的压强 真空度表压强以大气压为起点计算 所以有正负 负表压强就称为真空度 其相互关系如下图所示 注意符号 atm 物理大气压 at 工程大气压 ata 绝对压强 atg 表压强 方埠化工厂 1 2 1流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量称为流量 若流体量用体积来计算 称为体积流量 以Vs表示 其单位为m3 s 若流体量用质量来计算 则称为质量流量 以ws表示 其单位为kg s 体积流量与质量流量的关系为 ws Vs 式中 流体的密度 kg m3 注意 流量是一种瞬时的特性 不是一段时间的累计量 方埠化工厂 1 2 2流速 单位时间内流体在流动方向上所流经的距离称为流速 以u表示 其单位为m s 流体流过管路时 在管路任一截面上各点的流速沿管径而变化 即在管截面中心处流速最大 越靠近管壁流速就越小 在管壁处的流速为零 流体在管截面上各点的流速分布规律较为复杂 在工程中为简便起见 流速通常采用整个管截面上的平均流速 即用流量相等的原则来计算平均流速 其表达式为 式中A 与流动方向相垂直的管路截面积 m2 流量与流速的关系为 ws Vs uA 方埠化工厂 1 2 2流速 由于气体的体积流量随温度和压强而变化 因而气体的流速亦随之而变 因此采用质量流速就较为方便 质量流速即单位时间内流体流过管路截面积的质量 以G表示 其表达式为 式中G 质量流速 亦称质量通量 kg m2s 方埠化工厂 1 2 3管路直径的估算及选择 一般管路的截面均为圆形 若以d表示管路内径 则于是 所以流体输送管路的直径可根据流量及流速进行计算 所以选择的u越小 则d越大 那么对于相同的流量 所用的材料就越多 所以材料费 检修费等基建费也会相应增加 相反 选择的u越大 则d就越小 材料费等费用会减少 但由于流体在管路中流动的阻力与u成正比 所以阻力损失会增大 即操作费用就会增加 所以应综合考虑 使两项费用之和最小 通常流体流动允许压强降 水24 5kpa 100m管空气5 1kpa 100m管可以此来衡量所选择的管径是否合适 对于长距离与大流量输送流体 d应按前述的经济核算原则进行选择 而对于车间内部 通常管道较短 也不太粗 这时可根据经验来选择d 一般液体流速为0 5 3m s 气体为10 30m s 蒸汽为20 50m s 方埠化工厂 某些流体在管路中常用流速范围 方埠化工厂 第四章流体输送机械 一 为什么要流体输送机械 化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品 由于工艺需要常需将流体由低处送至高处 由低压设备送至高压设备 或者克服管道阻力由一车间 某地 水平地送至另一车间 另一地 为了达到这些目的 必须对流体作功以提高流体能量 完成输送任务 这就需要流体输送机械 方埠化工厂 二 为什么要用不同结构和特性的输送机械 这是因为化工厂中输送的流体种类繁多 1 流体种类有强腐蚀性的 高粘度的 含有固体悬浮物的 易挥发的 易燃易爆的以及有毒的等等 2 温度和压强又有高低之分 3 不同生产过程所需提供的流量和压头又各异 所以需要有各种结构和特性的输送机械 三 化工流体输送机械分类一般可分为四类 即离心式 往复式 旋转式和流体动力作用式 这四种类型机械均有国产产品 且大多数已成为系列化产品 方埠化工厂 2 1 1离心泵的工作原理 在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时 在叶轮中心处形成真空 泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通 另一端则浸没在输送的液体内 在液面压力 常为大气压 与泵内压力 负压 的压差作用下 液体经吸入管路进入泵内 只要叶轮的转动不停 离心泵便不断地吸入和排出液体 由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送液体 故名离心泵 方埠化工厂 离心泵 方埠化工厂 2 1 2离心泵的工作原理 离心泵若在启动前未充满液体 则泵内存在空气 由于空气密度很小 所产生的离心力也很小 吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内 虽启动离心泵 但不能输送液体 这种现象就称为 气缚 所以离心泵启动前必须向壳体内灌满液体 在吸入管底部安装带滤网的底阀 底阀为止逆阀 防止启动前灌入的液体从泵内漏失 滤网防止固体物质进入泵内 靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀 供调节流量时使用 方埠化工厂 液体物理性质对离心泵特性的影响 1 密度的影响由离心泵的基本方程式可知 离心泵的压头 流量均与液体的密度无关 所以效率也不随液体的密度而改变 但轴功率会随着液体密度而变化 2 粘度的影响所输送的液体粘度越大 泵内能量损失越多 泵的压头 流量都要减小 效率下降 而轴功率则要增大 方埠化工厂 离心泵的工作点与流量调节 一 工作点离心泵的特性曲线是泵本身固有的特性 它与外界使用情况无关 但是 一旦泵被安排在一定的管路系统中工作时 其实际工作情况就不仅与离心泵本身的特性有关 而且还取决于管路的工作特性 所以 要选好和用好离心泵 就还要同时考虑到管路的特性 在特定管路中输送液体时 管路所需压头He随着流量Qe的平方而变化 将此关系绘在坐标纸上即为相应管路特性曲线 方埠化工厂 离心泵的工作点与流量调节 若将离心泵的特性曲线与其所在管路特性曲线绘于同一坐标纸上 如上图所示 此两线交点M称为泵的工作点 选泵时 要求工作点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求 又正好是离心泵所提供的 即Q Qe H He 方埠化工厂 离心泵的工作点与流量调节 二 流量调节1 改变阀门的开度改变离心泵出口管线上的阀门开关 其实质是改变管路特性曲线 如图所示 当阀门关小时 管路的局部阻力加大 管路特性曲线变陡 工作点由M移至M1 流量由QM减小到QM1 当阀门开大时 管路阻力减小 管路特性曲线变得平坦一些 工作点移至M2 流量加大到QM2 用阀门调节流量迅速方便 且流量可以连续变化 适合化工连续生产的特点 所以应用十分广泛 缺点是阀门关小时 阻力损失加大 能量消耗增多 不很经济 方埠化工厂 离心泵的工作点与流量调节 2 改变泵的转速改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线 泵原来转速为n 工作点为M 如下图所示 若把泵的转速提高到n1 泵的特性曲线H Q往上移 工作点由M移至M1 流量由QM加大到QM1 若把泵的转速降至n2 工作点移至M2 流量降至QM2 这种调节方法需要变速装置或价格昂贵的变速原动机 且难以做到连续调节流量 故化工生产中很少采用 方埠化工厂 离心泵的安装高度 一 汽蚀现象在如图所示的管路中 在液面0 0与泵进口附近截面1 1之间无外加能量 液体靠压强差流动 因此 提高泵的安装位置 叶轮进口处的压强可能降至被输送液体的饱和蒸汽压 引起液体部分汽化 方埠化工厂 汽蚀现象 实际上 泵中压强最低处位于叶轮内缘叶片的背面 当泵的安装位置高至一定距离 首先在该处发生汽化并产生汽泡 含汽泡的液体进入叶轮后 因压强升高 汽泡立即凝聚 汽泡的消失产生局部真空 周围液体以高速涌向汽泡中心 造成冲击和振动 尤其是当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时 众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击着叶片 另外汽泡中还可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用 泵在这种状态下长期运转 将会导致叶片的过早损坏 这种现象称为泵的汽蚀 离心泵在产生汽蚀条件下运转 泵体振动并发出噪音 流量 扬程和效率都明显下降 严重时甚至吸不上液体 为了避免汽蚀现象 泵的安装位置不能太高 以保证叶轮中各处的压强高于液体的饱和蒸汽压 方埠化工厂 气体输送机械 气体输送机械的结构和原理与液体输送机械大体相同 但是气体具有可压缩性和比液体小得多的密度 约为液体密度的千分之一左右 从而使气体输送具有某些不同于液体输送的特点 气体输送机械根据它所能产生的进 出口压强差或压强比 称为压缩比 进行如下分类 1 通风机 出口压强不大于1 47 104Pa 表压 压缩比为1 1 15 2 鼓风机 出口压强为 1 47 29 4 104Pa 表压 压缩比小于4 3 压缩机 出口压强为29 4 104Pa 表压 以上 压缩比大于4 4 真空泵 用于减压 出口压力为1大气压 其压缩比由真空度决定 此外 气体输送机械按其机构与工作原理又可分为离心式 往复式 旋转式和流体作用式 方埠化工厂 第五章机械分离和固体流态化 方埠化工厂 3 1概述 混合物可以分为两大类 凡物系内部各处物料性质均匀 且不存在相界面者 称为均相混合物 凡物系内部有隔开两相的界面存在 且界面两侧物料性质截然不同者 称为非均相混合物或非均相物系 非均相物系中 处于分散状态的物质 如悬浮液中的固体颗粒 乳浊液中的液滴 泡沫液中的气泡 称为分散相或分散物质 包围着分散物质的流体 则称为连续相或分散介质 由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质 工业上一般采用机械方法将两相进行分离 工业上分离非均相混合物的目的是 方埠化工厂 1 回收有价值的分散物质例如从某些类型干燥器出来的气体及从结晶机出来的晶浆中都带有一定量的固体颗粒 必须回收这些悬浮的颗粒作为产品 2 净化分散介质以满足后继生产工艺的要求例如某些催化反应的原料气中夹带有会影响催化剂活性的杂质 因此 在气体进入反应器之前 必须除去其中尘粒状的杂质 3 环境保护和安全生产为了保护人类生态环境 要求排放的废气或废液浓度达到排放标准 很多含碳物质及金属细粉与空气形成爆炸物 必须除去这些物质以消除隐患 方埠化工厂 3 2 1离心分离设备 方埠化工厂 3 3流体通过颗粒床层的流动 3 3 2过滤及过滤基本方程一 概述过滤操作如图所示 实现过滤操作的外力可以是重力 压强差或惯性离心力 1 过滤方式工业上过滤基本方式有两种 深层过滤和滤饼过滤 在深层过滤操作中 颗粒尺寸比过滤介质孔径小 颗粒附着在孔道壁面上 过滤在过滤介质内部进行 滤饼过滤中 固体颗粒被截留在过滤介质表面上 形成一颗粒层 称为滤饼 方埠化工厂 3 3 3过滤设备 1 板框压滤机 方埠化工厂 第六章传热 方埠化工厂 1 1概述 传热是由于温度差引起的能量的转移 又称热量传递过程 根据热力学第二定律 凡是存在温度差就必然导致热量自发的从高温处向低温处传递 因此传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种传递现象 在化工生产中 传递过程的应用更是十分广泛 在化学工业中几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作 化工生产中对传热的要求通常有以下两种情况 一种是强化传热 比如各种换热设备中的传热 另一种是削弱传热过程 如设备和管道的保温 学习传热的目的主要是能够分析影响传热速率的因素 掌握控制热量传递速率的一般规律 以便根据生产要求来强化或削弱热量的传递 正确地计算和选择适宜的传热设备和保温措施 方埠化工厂 1 2换热器的类型 列管式换热器a 固定管板式结构简单 造价低廉但由于壳程不易清洗和检修 因此壳方流体应是较洁净且不易起垢的b U型管换热器结构简单 重量轻 适用于高温和高压的场合 其主要缺点是管内清洗比较困难 因此管内流体必须洁净 管板的利用率较差 c 浮头式换热器优点 可以补偿热膨胀 便于清洗和检修 缺点 结构复杂 金属耗量较多 造价较高 方埠化工厂 换热器 方埠化工厂 1 3换热器的类型 板式换热器 1 夹套式换热器广泛应用于反应过程的加热和冷却 结构简单 但其加热面受容器壁面限制 总传热系数也不高 可在釜内安装搅拌器以提高总传热系数 也可在釜内部安装蛇管以补充传热面的不足 板式换热器优点 由于流体在板片间流动湍动程度高 而且板片又薄 故总传热系数K大 板片间隙小 一般为4 6mm 结构紧凑 金属耗量可减少一半以上 具有可拆结构 可根据需要调整板片数目以增减传热面积 操作灵活性大 检修清洗也很方便 缺点 允许操作的压强和温度比较低 通常操作压强不超过2MPa 压强过高易渗漏 操作温度受垫片材料的耐热性限制 一般不超过250 方埠化工厂 1 4列管式换热器的选用 列管式换热器选用时应注意的问题 1 冷 热流体流动通道的选择在列管式换热器内 冷 热流体流动通道可根据以下原则进行选择 1 不洁净和易结垢的液体宜走管程 因为管内清洗方便 2 腐蚀性的流体宜走管程 以免管束和壳体同时受腐蚀 3 压强高的流体宜走管内 以免壳体承受压力 方埠化工厂 1 5列管式换热器的选用 4 饱和蒸汽宜走壳程 因为饱和蒸汽比较清净 对流传热系数与流速无关且冷凝液易排出 5 被冷却的液体宜走壳程 便于散热 6 若两流体温差较大 对于刚性结构的换热器 宜将对流传热系数大的流体通入壳程 可减少热应力 7 流量小而粘度大的液体一般宜走壳程 因在壳程Re 100即可达到湍流 但这不是绝对 如流动阻力损失允许 将这种流体通入管内并采用多管程结构 反而能得到更多的对流传热系数 方埠化工厂 第七章蒸馏 方埠化工厂 1 1概述 蒸馏时分离液体混合物的典型单元操作 这种操作是利用液体混合物中各组份挥发度不同的特性实现分离的目的 例如 加热乙醇水溶液 使之部分汽化 由于乙醇的沸点较水低 即其挥发度较水高 故汽化出来的蒸汽中 乙醇的组成 即浓度 必然比原来溶液的要高 若将汽化的蒸汽全部冷凝 则可得到乙醇含量较高的冷凝液 从而使乙醇和水得到初步分离 通常 将沸点低的组分称为易挥发组分 沸点高的组分称为难挥发组分 多次进行部分气化或部分冷凝以后 最终可以在气相中得到较纯的易挥发组分 而在液相中得到较纯的难挥发组分 这就叫精馏 方埠化工厂 二 蒸馏的分类1 间歇蒸馏和连续蒸馏 2 简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏和特殊精馏 3 常压蒸馏 加压蒸馏 减压蒸馏 4 双组份蒸馏 多组份蒸馏 方埠化工厂 1 2简单蒸馏和平衡蒸馏异同点 共同 料液经一次汽化冷凝 只能是液体混合物得到初步分离不同 简单蒸馏是间歇不稳定操作平衡蒸馏是连续稳定操作若汽化率相同 简单蒸馏较平衡蒸馏可获得更好的分离效果 及流出液组成更高 方埠化工厂 1 3简单蒸馏和平衡蒸馏异同点 1 3 1平衡蒸馏 闪蒸 平衡蒸馏 闪蒸 是一种单级蒸馏操作 既可以间歇又可以连续进行上图所示为连续操作的平衡蒸馏装置 平衡蒸馏计算所应用的基本关系是物料衡算 热量衡算和汽液平衡关系 物料衡算 F D WFxF DxD Wxw令 液化率 方埠化工厂 1 3简单蒸馏和平衡蒸馏异同点 1 3 2简单蒸馏 微分蒸馏 方埠化工厂 1 4精馏原理 采用设备 筛板塔 方埠化工厂 精馏原理 板式精馏塔 方埠化工厂 1 5间歇蒸馏 间歇蒸馏流程图 方埠化工厂 间歇蒸馏 间歇蒸馏与连续蒸馏不同点 1 原料在操作前一次加入釜中 釜液中轻组分浓度随着操作的进行而不断降低 待釜液组成降至规定值后一次排出 因此 各层板上气液相的浓度也相应地随时在改变 所以间歇蒸馏属于非稳态操作 2 间歇蒸馏只有精馏段没有提馏段 间歇蒸馏可以按两种方式进行 1 保持馏出液浓度恒定而相应地不断改变回流比 1 保持回流比恒定 而馏出液组成逐渐降低 方埠化工厂 1 6板式塔 1 6 1塔板结构 方埠化工厂 1 7板式塔 1 气相通道塔板上均匀地开有一定数量供气相自下而上流动的通道 气相通道的形式很多 对塔板性能的影响极大 各种形式的塔板主要区别就在于气相通道的形式不同 结构最简单的气相通道为筛孔 如图中所示 筛孔的直径通常是3 8mm 目前大孔径 12 25mm 筛板也得到相当普遍的应用 2 溢流堰在每层塔板的出口端通常装有溢流堰 weir 板上的液层高度主要由溢流堰决定 最常见的溢流堰为弓形平直堰 起高度为hw 长度为lw 如图中所示 3 降液管降液管 downcomer 是液体自上层塔板流到本层塔板的通道 液体经上层板的浆液灌流下 横向经过塔板 翻越溢流堰 进入本层塔板的降液管载流向下层塔板 为充分利用塔板的面积 降液管一般为弓形 降液管的下端离下层塔板应有一定高度 图中所示h0 使液体能通畅流出 为防止气相窜入降液管中 h0应小于堰高hw 方埠化工厂 第八章干燥 方埠化工厂 1 1基本概念 在化工 食品 制药 纺织 采矿 农产品加工等行业 常常需要将湿固体物料中的湿分除去 以便于运输 贮藏或达到生产规定的含湿率要求 除湿的方法很多 常用的有 1 机械分离法即通过压榨 过滤和离心分离等方法去湿 这是一种耗能较少 较为经济的去湿方法 但湿分的除去不完全 2 吸附脱水法即用固体吸附剂 如氯化钙 硅胶等吸去物料中所含的水分 这种方法去除的水分量很少 且成本较高 3 干燥法即利用热能 使湿物料中的湿分气化而去湿的方法 干燥法耗能较大 工业上往往将机械分离法与干燥法联合起来除湿 即先用机械方法尽可能除去湿物料中的大部分湿分 然后在利用干燥方法继续除湿 方埠化工厂 1 1物料中含水量的表示方法 1 湿基含水量湿物料中所含水分的质量分率称为湿物料的湿基含水量 湿物料中水分的质量 湿物料总质量2 干基含水量不含水分的物料通常称为绝对干料 湿物料中的水分的质量与绝对干料质量之比 称为湿物料的干基含水量 X 湿物料中的水分的质量 湿物料中绝对干料质量两者的关系为X X X 方埠化工厂 1 2干燥的分类 按照热能供给湿物料的方式 干燥可分为 1 传导干燥热能通过传热壁面以传导方式传给物料 产生的湿分蒸汽被气相 又称干燥介 质 带走 或用真空泵排走 例如纸制品可以铺在热滚筒上进行干燥 2 对流干燥使干燥介质直接与湿物料接触 热能以对流方式加入物料 产生的蒸汽被干燥介质带走 3 辐射干燥由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物体的表面 为物料吸收而重新变为热能 从而使湿分气化 例如用红外线干燥法将自行车表面油漆烘干 4 介电加热干燥将需要干燥电解质物料置于高频电场中 电能在潮湿的电介质中变为热能 可以使液体很快升温气化 这种加热过程发生在物料内部 故干燥速率较快 例如微波干燥食品 方埠化工厂 1 3固体物料的去湿方法 化工生产为了使固体物料便于加工 运输和贮存 需要除去其中的水或其他溶剂 称为湿分 简称去湿 药品的含水量太高会影响保质期等 常用的固体去湿方