化学工程与工艺的基础知识PPT课件(共87页)

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第二章化学工程与工艺的基础知识2.1化工单元操作及其分类遵循流体力学动量传递基本规律，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合等。遵循热量传递基本规律，包括加热、冷却、冷凝、制冷等。遵循质量传递基本规律，包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、膜分离。蒸发、干燥等同时遵循热量和质量传递基本规律.2.2流体的输送2.2.1一些概念一.粘度将两块面积为1m2的板浸于液体中，两板距离为1米，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的粘度为1Pa.s。不同流速的流体之间存在着阻碍其相对运动的摩擦阻力，称为内摩擦力。流体的粘度就是这种内摩擦力的表示与度量。粘性越大，流动性越差。1克/厘米·秒=1泊二.压力的表示绝对压力（绝压）：以真空(即零大气压)为基准测得的压强。表压强（表压）：当地大气压为基准测得的压强。压力表，压强表。真空度：当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值。真空表。表压＝绝对压力﹣大气压真空度＝大气压﹣绝对压力三者之间的关系三.流量与流速流量：单位时间内流过管道某一截面的流体量。①体积流量：Q，m3/s；②质量流量：G，kg/s；G=ρQ流速：单位时间内流体在流动方向上所流经的距离，也称平均流速u，m/s。流量与流速关系为：u＝Q/A质量流速：单位时间内流体流经单位截面积管道的质量。w，kg/（m2·s）。转子流量计四.层流与湍流流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re<2320时，流体的流动状态为层流。2.2.2阀门闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关，不能作调节和节流。截止阀是使用最广泛的一种阀门，它的闭合原理是，依靠阀杠压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止介质流通。截止阀可以较精确地调节流量。2.2.3流体输送机械流体输送机械：为流体提供能量的机械或装置流体输送机械在化工生产的作用：从低位输送到高位，从低压送至高压，从一处送至另一处。按输送流体的种类不同泵（液体）：离心泵、往复泵、旋转泵机（气体）：通风机、鼓风机、压缩机、真空泵按作用原理不同：离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。一.离心泵二.往复泵三.通风机四.鼓风机工作示意图五.压缩机六.真空泵罗茨真空泵六.真空泵水环真空泵七.喷射泵传热：由于温度差而引起的热量传递过程。在化工生产中作用：加热、冷却、保温推动力：温度差。温度差越大，传递的热量也越多。热流方向：高温→低温学习传热的目的：（1）分析影响传热速率的因素。（2）掌握控制传热速率的一般规律。（3）根据生产要求选择适宜的换热器2.3传热2.3.1概述2.3.2传热的基本方式一.热传导热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引起的热量传递。条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差。热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。金属固体：依靠自由电子的运动。不良导体的固体和大部分液体：依靠原子、分子碰撞而传递热量。气体：分子的不规则运动而引起的。热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式。热对流过程中往往伴有热传导。对流类型：①强制对流：流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起；②自然对流：流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起。在同一种流体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。二.对流传热热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的总结果。方向：高温→低温热辐射的电磁波波长范围在0.38～100μm，可见光和红外线范围。特点：两物体不相接触，也不需任何介质。三.热辐射实际上上述三种传热方式往往是同时出现的。三种传热方式的本质区别：热传导：静止物质内，连续存在温差热对流：流动的流体热辐射：不需要任何介质四.三种传热方式的区别2.3.3换热设备一.套管式换热器二.列管式换热器三.夹套式换热器四.沉浸式蛇管换热器                                                                          五.喷淋式蛇管换热器强化传热的途径1.增大传热面积A2.增大传热平均温度差Δtm3.增大传热系数K各种传热设备的目的2.4蒸馏蒸馏是最典型的化工单元操作之一。是分离均相液体混合物的一种方法。蒸馏分离的依据是，根据溶液中各组分沸点的差异，使各组分得以分离。其中较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分）；较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。2.4.1概述实验室的蒸馏装置例如将原油蒸馏可得到汽油、煤油、柴油及重油等；将混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等；将液态空气蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。(1)通过蒸馏分离可以直接获得所需要的产品，因而蒸馏操作流程通常较为简单。(2)蒸馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用蒸馏方法进行分离。(3)蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离。(4)蒸馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的汽相还需要再冷凝液化。因此，蒸馏操作耗能较大。蒸馏过程中的节能是个值得重视的问题。2.4.2蒸馏分离的特点①按操作方式分类简单蒸馏和平衡蒸馏（闪蒸）；精馏；特殊精馏②按操作压力分类常压蒸馏；加压蒸馏；减压蒸馏③按操作是否连续分类连续蒸馏；间歇蒸馏2.4.3蒸馏方法的分类2.4.4平衡蒸馏和简单蒸馏一.简单蒸馏混合液加入蒸馏釜中，在恒定压力下加热至沸腾，使液体不断汽化，产生的蒸汽经冷凝后作为顶部产物。馏出液通常是按不同组成范围分罐收集的。最终将釜液一次排出。故此简单蒸馏是一个不稳定过程。 简单蒸馏只能使混合液部分地分离，故只适用于沸点相差较大而分离要求不高的场合，或者作为初步加工，粗略地分离多组分混合液。简单蒸馏装置示意图　平衡蒸馏又称为闪蒸，是一连续稳定过程，原料经节流阀骤然减压到规定压力，部分料液迅速汽化，汽液两相在分离器中分开，得到易挥发组分浓度较高的顶部产品与易挥发组分浓度较低的底部产品。  平衡蒸馏为稳定连续过程，不能得到高纯产物，常用于只需粗略分离的物料，在石油炼制及石油裂解分离的过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏。  　二.平衡蒸馏（闪蒸）平衡蒸馏装置示意图2.4.5精馏原理和流程为了达到更好的分离效果，可以将简单蒸馏进行多次组合。液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度的难挥发组分；汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为高纯度的易挥发组分。2.4.6精馏原理和流程多次部分气化和多次部分冷凝流程的不足：（1）需多个冷却器及加热器，设备费高，流程复杂（2）需大量冷却剂及加热剂，能耗高，操作费高（3）中间馏分多，最终产品极少。工程上解决办法：有回流的多次部分气化、冷凝——精馏采用设备：精馏塔精馏原理示意图一.板式精馏塔塔为一圆形筒体，塔内设多层塔板，塔板上设有气、液两相通道。塔板具有多种不同型式，分别称之为不同的板式塔，在生产中得到广泛的应用。混合物的气、液两相在塔内逆向流动，气相从下至上流动，液相依靠重力自上向下流动，在塔板上接触进行传质。两相在塔内各板逐级接触中，使两相的组成发生阶跃式的变化，故称板式塔为逐级接触设备。一.板式精馏塔筛板塔结构示意图泡罩塔气液交换示意图填料精馏塔塔内装有大比表面和高空隙率的填料。当回流液或料液进入时，将填料表面润湿，液体在填料表面展为液膜，流下时又汇成液滴，当流到另一填料时，又重展成新的液膜。二.填料塔填料塔结构示意图精馏塔操作注意事项连续精馏操作流程间歇精馏操作流程没有连续进料，只有连续溜出。2.4.7特殊精馏某些时候，普通精馏达不到分离的目的时，采用一些特殊精馏：（1）共沸精馏（恒沸精馏）（2）萃取精馏、加盐精馏（3）加压（减压）精馏共沸精馏（恒沸精馏）萃取精馏加盐精馏加压、减压精馏塔顶压力高于大气压力下操作的精馏过程叫加压精馏。加压精馏常用于被分离混合物的沸点较低的情况，如在常温、常压下很何物为气态的物料。减压精馏，就是借助降低系统压力，使混合液的泡点下降，在较低压力下沸腾，以达到降低精馏操作的温度。减压精馏适用于离沸点物质的混合物，以及在高温下精馏回引起物料的聚合或分解变质的混合物。2.5气体吸收使气体混合物和适当液体接触，气体中的一个或几个组分溶解于液体中，不能溶解的组分仍保留在气相中，于是混合气体得到了分离。这种利用各组分在液体中溶解度的差异使气体中不同组份分离的操作称为吸收（absorption）。所用液体称为吸收剂（或溶剂）。气体中能被溶解的组分称为溶质（solute）或吸收质。不被溶解的组分成为惰性气体（inertgas）或载体。2.5.1基本概念2.5.2气体吸收操作的应用（１）气体混合物的分离（２）气体净化（３）制取溶液用吸收操作来进行气体混合物的分离，必须解决下述三方面的问题：（1）选择合适的溶剂。（2）提供传质设备以实现气液两相的接触，使溶质从气相转移至液相。（3）溶剂的再生。2.5.3气体吸收的分类  物理吸收：溶质不与溶剂发生明显的化学反应。化学吸收：溶质与溶剂发生明显的化学反应。单组分吸收：混合气中只有一个组分被吸收。多组分吸收：混合气体中有两个或多个组分被吸收。等温吸收：在吸收的过程中，温度变化很小。非等温吸收：吸收过程中温度发生显著地变化。2.5.4吸收操作的流程 煤气生产中的苯回收流程图2.5.5吸收设备——吸收塔填料塔板式塔2.6化学反应工程化工生产过程的核心是反应。实现化学转化的过程，其中除化学反应外，还包含多种物理现象，如动量传递、热量传递和质量传递等。2.6.1化学反应过程的任务和内容化工生产过程一般包括下列步骤：反应过程原料成品分离2.6.2化学反应的操作方式（1）是一个非定态反应过程。反应器内物料组成随时间而变。（2）没有物料流入，也没有物料流出，因此不存在物料流动。（3）整个反应过程都是在恒容下进行的。（4）反应器几乎都是釜式反应器。（5）适用于品种多、批量小的产品。如医药工业。一.分批(或称间歇)式操作原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从反应器中流出。所有反应器均可采用连续操作。二.连续式操作（1）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及温度都不随时间变化，但随位置而变。（2）连续反应器适用于大规模生产。它产品质量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改变产品品种十分困难。二.连续式操作工艺指标的自动化控制三.分批（或称半连续）式操作原料与产物只要其中有一种为连续流入或流出，而其余则为分批加入或卸出，这样的操作方式——半连续操作。6.6.3反应器的型式特征：反应器高度与直径相当或稍高。釜内设有搅拌装置和挡板。常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。适用于液相均相反应、气液反应、液液反应、液固反应、气液固三相反应。一.釜式反应器多级串联釜式反应器特征：长度>>管径。内部是空的，不设置任何构件。多用于均相反应。如油脂或脂肪酸加氢生产高碳醇，裂解反应。二.管式反应器二.管式反应器三.塔式反应器特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。      适用于两种流体相反应的过程。如气液反、液液反应。特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。可以是催化剂，也可以是固体反应物。        适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。四.固定床反应器特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。适用于气固，液固，气液固反应。五.流化床反应器特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒成逆流接触。适用：催化剂需要连续再生的催化反、固相加工反应。六.移动床反应器2.7化工过程控制任何化工产品的生产过程，都是由各种单元设备，如反应器、热交换器、精馏塔、吸收塔、蒸发器、泵、贮槽等，有选择地以某种合理的方式相互连接组成的。生产过程的总目标是利用一定形式的能量、以最经济的方式使一定种类的原料转变为需要的产品。压力过高是危险的！1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检测和疹断控制目标1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检和疹断不要将碳氢化合物排入大气控制目标1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检测和疹断泵运转过程中，物流中断会损坏泵控制目标1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检和疹断保持产品流量稳定控制目标1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检和疹断调整加热量控制液相产品质量控制目标1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检和诊断使用最经济的加热蒸汽量控制目标timeUA1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检和诊断计算和绘制关键参数曲线控制目标1.安全2.环境保护3.设备保护4.稳定操作5.产品质量6.增加利润7.检和疹断所有七个指标都应该满足，否则将是一个不合格的控制，也是危险的！控制目标冷却水测温仪表我可以动流量控制阀吗？人工控制2.7.2化工过程控制的原理常规仪表控制检测元件、就地显示仪表、控制阀安装在现场。在控制室进行变量的显示、计算，发出控制命令。计算机控制检测元件、就地显示仪表、控制阀安装在现场控制室计算机控制台在控制室进行变量的显示、计算，发出控制命令2.7.3计算机控制系统直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于工业过程控制较普遍的一种方式。计算机通过输入通道采集被控参数，按照预定的控制规律进行运算后发出控制信号，通过输出通道直接控制执行器，进行生产过程的控制。一.直接数字控制系统二.集散控制系统集散控制系统又称分布式型控制系统DCS（DistributedControlSystem），采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上而下分为综合信息管理级、集中操作监控级、分散过程控制级，形成分级分布式控制。二.集散控制系统