化工单元操作ppt课件

.,化工单元操作在生产中的应用,.,绪论,.,0.1化工生产与单元操作,1.化工生产过程,.,0.1化工（制药）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；,.,0.1化工（制药）生产与单元操作,研究内容,研究方向,3单元操作的研究内容与方向：,.,0.2单位制与单位换算,一、基本单位与导出单位基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便原则规定单位；导出单位：由有关基本单位组合而成。单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。,.,0.2单位制与单位换算,基本单位：长度（厘米cm），质量（克g），时间（秒s）,物理单位制CGS制,基本单位：长度（米），重量或力（千克力kgf），时间（秒）,工程单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,二、常用单位制,.,三、单位换算,物理量的单位换算,换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数（见附录二中）,经验公式的单位换算,经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。,0.2单位制与单位换算,.,0.3物料衡算与能量衡算,一、物料衡算,1、画出流程示意图，标出物料流向与流量、组成等；,物料衡算的步骤,2、用虚线划出衡算范围；,3、定出衡算基准；,4、列出衡算式并求解。,.,二、能量衡算,机械能、热量、电能、磁能、化学能、原子能等统称能量，化工生产中常以热量为主，下面以热量衡算为例说明能量衡算过程。,注意：作热量衡算时，由于焓是相对值，与温度基准有关，故应说明基准温度。习惯上选0为基温，并规定0时液态的焓为零。,0.3物料衡算与能量衡算,.,0.4化工原理课程的两条主线,1、传递过程（从物理本质上说又下列三种）(1)动量传递过程（单相或多相流动）；(2)热量传递过程传热(3)质量传递过程传质上表所列各单元操作皆归属传递过程，于是，传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。三传一反构成各种工艺制造过程，三传又有彼此类似的规律可以合在一起研究，形成传递过程这门学科，是单元操作在理论方面的深入发展,.,0.4化工原理课程的两条主线,2、研究方法论必要性化工原理是一门工程学科，对一些过程作出如实的、逼真的数学描述几乎是不可能的。采用直接的数学描述和方程求解的方法将是十分困难的。因此，探求合理的研究方法是发展这门工程学科的重要方面。(1)试验研究方法（经验方法）优点、不足(2)数学模型方法（半理论半经验方法）必要性、广泛被应用,.,0.5化工原理课程所回答的问题,（1）如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求（2）如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。（3）如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。当然，当生产提出新的要求而需要工程技术人员发展新的单元操作时，已有的单元操作发展的历史将对如何根据一个物理或物理化学的原理发展一个有效的过程，如何调动有利的并克服不利的工程因素发展一种新设备，提供有用的借鉴。,.,离心泵,.,换热器,.,旋风分离器,.,填料塔,.,板式塔,.,第一章流体流动,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,.,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。,.,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)。,.,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。,.,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=1.013105Pa=10.33mH2O=760mmHg1at=9.81104Pa=10mH2O=735mmHg,.,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。,.,1.1.3流体静力学基本方程,流体静力学基本方程是描述静止流体内部，流体在压力和重力作用下的平衡规律。当流体质量一定时，其重力可认为不变，而压力会随高度变化而变化。所以实质上是描述静止流体内部压强的变化规律。p2=p1+g(Z1-Z2)(2)p=p0+gh(3),.,1.1.3流体静力学基本方程,重点讨论：1.方程应用条件：静止，连续，同一流体。静止-受力平衡连续-能够积分同一流体-密度一定2.当p0一定时，静止流体中任一点的压力与流体密度和所处高度h有关。所以同一高度处静压力相等。3.当表面压强p0变化时，内部压强p也发生同样大小的变化。4.由p=p0+gh可得：h=P表/g这就是用流体高度表示压强单位的计量依据。从公式可知，密度会有影响，因此必须注明流体的名称。静力学基本方程主要应用于压强，压强差，液面等方面的测量。U型测压管、U型压差计、微差压差计、玻璃管液面计和液封高度的确定均可以此计算。,.,1.2流体在管内的流动,化工生产中的流体极大多数在密闭的管道或设备中流动，本节主要讨论流体在管内流动的规律，即讨论流体在流动过程中，流体所具有的位能、静压能和动能是如何变化的规律。从而为解决流体流动这一单元操作中出现的工程问题打下基础。流体流动应服从一般的守恒原理：质量守恒和能量守恒。从这些守恒原理可得到反映流体流动规律的基本方程式连续性方程式（质量守恒）柏努利方程式（能量守恒）这是两个非常重要的方程式，请大家注意。,.,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。,.,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,.,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。,.,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0.53m/s，气体为1030m/s，蒸汽为2050m/s。,.,某些流体在管路中常用流速范围,.,1.2.4连续性方程,设流体在管道中作连续稳定流动，从截面2-2流出，若在管道两截面之间流体无漏损，根据质量守恒定律，从截面1-1进入的流体质量流量ws1应等于从2-2截面流出的流体质量流量ws2，即ws1=ws2因为ws=uA，所以u1A11=u2A22此关系可推广到管道的任一截面，即ws=u1A11=u2A22=uA=常数上式称为连续性方程。若流体不可压缩，=常数，则上式可简化为Vs=u1A1=u2A2=uA=常数,.,1.2.4连续性方程,由此可知，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比，截面积越大流速越小，反之亦然。管道截面大多为圆形，故连续性方程又可改写为:由上式可知，管内不同截面流速之比与其相应管径的平方成反比。,.,1.2.5柏努利方程,在上图所示的稳定流动系统中，流体从1-1截面流入，从2-2截面流出。流体本身所具有的能量有以下几种形式：1.位能相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所作的功，即位能=mgZ位能的单位mgZ=kgm=Nm=J2动能质量为m、流速为u的流体所具有的动能为动能=动能的单位,.,1.2.5柏努利方程,3静压能设质量为m、体积为V1的流体通过如图所示的1-1截面时，把该流体推进此截面所流经的距离为V1/A1，则流体带进系统的静压能为：输入静压能=p1A1V1/A1=p1V1静压能的单位4内能单位质量流体的内能以U表示，质量为m的流体所具有的内能为：内能=mU内能的单位除此之外，能量也可以其它途径进入流体，它们是：（1）热单位质量流体通过时吸热或放热，以Qe表示，质量为m的流体吸收或放出的热量为：热量=mQe热量的单位（2）功单位质量流体获得的能量以We表示，质量为m的流体接受的功为：功=mWe功的单位流体接受外功为正，向外界作功则为负。,.,1.2.5柏努利方程,流体通过截面1-1输入的总能量用下标1标明，经过截面2-2输出的总能量用下标2标明，则对此流动系统的总能量衡算为：设单位质量流体在流动时因克服流动阻力而损失的能量为hf，其单位为J/kg。于是上式成为,.,1.2.5柏努利方程,若流体流动时不产生流动阻力，则流体的能量损失hf=0，这种流体称为理想流体。实际上这种流体并不存在。但这种设想可以使流体流动问题的处理变得简单，对于理想流体流动，又没有外功加入，即hf=0，We=0时，上式可简化为：此式即为柏努利方程。,.,1.3流体在管内的流动阻力,流体流动中的作用力（1）体积力（质量力）与流体的质量成正比，对于均质的流体也与流体的体积成正比。如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种体积力，Fmg。（2）表面力与流体的表面积成正比。若取流体中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分为：垂直与表面的力P，称为压力。单位面积上所受的压力称为压强p。平行于表面的力F，称为剪力（切力）。单位面积上所受的剪力称为应力。,.,1.3.1牛顿粘性定律,式中：流体的粘度，Pa.s（N.s/m2）;法向速度梯度，1/s。根据牛顿粘性定律，对一定，;，流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。流体粘性越大，其流动性就越小。,.,1.3.1牛顿粘性定律,流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为SI制：Pa.sCGS制：cP（厘泊）1Pa.S=10P=1000cP运动粘度SI制的单位为m2/s粘度又称为动力粘度。,.,的变化规律,液体：f（t），与压强p无关，温度t，气体：p40atm时f（t）与p无关，温度t，0，流体无粘性（理想流体，图1-5，实际不存在）,.,的变化规律,服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体（大多数如水、空气），本章主要研究牛顿型流体的流动规律，,.,1.3.2流动类型与雷诺数,雷诺实验流体流动存在着两种截然不同的流型。在前一种流型中，流体质点作直线运动，即流体分层运动，层次分明，彼此互不混杂，故才能使着色线流保持着线形。这种流型被称为层流或滞流。在后一种流型中流体在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向作随机的脉动，正是这种混乱运动使着色线抖动、弯曲以至断裂冲散。这种流型称为湍流或紊流。不同的流型对流体中的质量、热量传递将产生不同的影响。为此，工程设计上需事先判定流型。对管内流动而言，实验表明流动的几何尺寸（管径d）、流动的平均速度u以及流体性质（密度和粘度）对流型的转变有影响。雷诺发现，可以将这些影响因素综合成一个无因次数群du/作为流型的判据，此数群被称为雷诺数，以符号Re表示。,.,1.3.2流动类型与雷诺数,雷诺指出：（1）当Re2000时，必定出现层流，此为层流区；（2）当20004000时，则微小的扰动就可以触发流型的转变，因而一般情况下总出现湍流。根据Re的数值将流动划为三个区：层流区、过渡区及湍流区，但只有两种流型。过渡区不是一种过渡的流型，它只表示在此区内可能出现层流也可能出现湍流，需视外界扰动而定。,.,流体在圆管内的速度分布,理论分析和实验都已证明，层流时的速度沿管径按抛物线规律分布，如图所示，截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度umax的0.5倍。,.,流体在圆管内的速度分布,湍流时的速度分布目前还不能完全利用理论推导求得。经实验方法得出湍流时圆管内速度分布曲线如图所示。此时速度分布曲线不再是严格的抛物线，曲线顶部区域比较平坦，Re数值越大，曲线顶部的区域就越广阔平坦，但靠管壁处的速度骤然下降，曲线较陡。截面上各点速度的平均值u近似等于0.82umax。即使湍流时，管壁处的流体速度也等于零，而靠近管壁的流体仍作层流流动，这一流体薄层称层流底层。管内流速越大，层流底层就越薄，流体粘度越大，层流底层就越厚。湍流主体与层流底层之间存在着过渡层。,.,1.3.3流体流动的阻力损失,管路系统主要由直管和管件组成，无论直管或管件都对流动有一定的阻力，消耗一定的机械能。直管造成的机械能损失称为直管阻力损失，管件造成的机械能损失称为局部阻力损失。在运用柏努利方程时，先分别计算直管阻力与局部阻力损失的数值，然后进行加和。,.,层流时直管阻力损失计算,流体在均匀直管中作稳定流动时，由柏努利方程可知，流体的能量损失为：对于均匀直管u1=u2，水平管路Z1=Z2，故只要测出两截面上的静压能，就可以知道两截面间的能量损失。而层流时的能量损失可从理论推导得出：,.,层流时直管阻力损失计算,哈根泊谡叶公式则能量损失为：将上式改写为直管能量损失计算的一般方程式：上式即为层流直管阻力损失计算的公式。其中称为摩擦系数，层流时=64/Re。,令,则,.,湍流时直管阻力计算,而湍流时，引起阻力的原因不只是内摩擦力，所以不再服从牛顿粘性定律。因而湍流时直管阻力损失计算公式不能用理论推导得到，要用实验方法得到。对均匀直管：上式即为层流时直管阻力损失计算公式，对于湍流其中/d称为相对粗糙度。实验结果可表示为与Re和/d的关系如下图所示。对光滑管及无严重腐蚀的工业管道，该图误差范围约在10%。,.,摩擦系数与Re及相对粗糙度的关系,.,1）摩擦系数与Re的关系,在图上有四个不同的区域：（1）层流区Re2000,与管壁粗糙度无关,和Re准数呈直线下降关系。其表达式为=64/Re。（2）过渡区2000Re精馏段操作线方程-.,.,5.6间歇蒸馏,间歇蒸馏流程图,.,5.6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。,.,5.7板式塔,5.7.1塔板结构,.,5.7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38mm.目前大孔径（1225mm）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。,.,第七章干燥,.,7.1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。,.,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。,.,7.1.1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。常用的固体去湿方法大致有以下两种：1.机械去湿通过用沉降、过滤或离心分离等机械方式除去固体物料中湿分的方法称为去湿。这方法多用于处理含液量大的物料，适于初步去湿，能耗较低。2.干燥通过向湿物料供热使湿分汽化，同时带走所产生蒸汽的去湿方法称为干燥。工业生产中往往将两种方法联合起来操作，即先用比较经济的机械方法尽可能除去湿物料中大部分湿分，然后再利用干燥方法继续除湿，以获得湿分符合规定的产品。,.,7.1.1固体物料的去湿方法,通常，干燥可按下列分类:(1)按操作压强分为常压干燥和真空干燥。真空干燥适于处理热敏性及易氧化的物料，或要求成品中含湿量低的场合。(2)按操作方式分为连续操作和间歇操作。连续操作具有生产能力大、产品质量均匀、热效率高以及劳动条件好等优点、间歇操作适用于处理小批量、多品种要求干燥时间较长的物料。(3)按传热方式可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥以及由上述两种或多种组合的联合干燥。,.,7.1.2对流干燥的方法,典型的对流干燥工艺流程见图7-1,.,7.1.2对流干燥的方法,对流干燥过程中，物料表面温度i低于气相主体温度t，因此热量以对流方式从气相传递到固体表面，再由表面向内部传递，这是个传热过程；固体表面处水气压Pi高于气相主体中水气分压,因此水气由固体表面向气相扩散，这是一个传质过程。可见对流干燥过程是传质和传热同时进行的过程，见图7-2。,.,7.1