化工單元操作課件

1、化工單元操作PPT課件1、關(guān)于化工單元操作 目前世界上有種類數(shù)以萬計(jì)的化工產(chǎn)品，因此也就有上萬種不同的化工生產(chǎn)過程，所有的生產(chǎn)過程都是由化學(xué)反應(yīng)和若干的物理操作串聯(lián)而成的。 這些物理操作稱為化工單元操作。 根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，可將單元操作分為三大類：化工單元操作PPT課件1、化工單元操作 1.1、遵循流體動(dòng)力基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化等。 1.2、遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。 1.3、遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，包括蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥、膜分離等?；卧僮鱌PT課件2.1 2.1 概述概述 （3 3）流體輸送機(jī)械

2、的分類）流體輸送機(jī)械的分類 動(dòng)力式（葉輪式）：包括離心式、軸流式；動(dòng)力式（葉輪式）：包括離心式、軸流式； 容積式（正位容積式（正位 移式）：包括往復(fù)式，旋轉(zhuǎn)式；移式）：包括往復(fù)式，旋轉(zhuǎn)式； 其他類型：如噴射式等。其他類型：如噴射式等。化工單元操作PPT課件.2離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線化工單元操作PPT課件.2離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線 由圖可見： 一般離心泵揚(yáng)程 隨流量 的增大而下降（ 很小時(shí)可能例外）。當(dāng) =0時(shí)，由圖可知 也只能達(dá)到一定數(shù)值，這是離心泵的一個(gè)重要特性； 軸功率 隨流量增大而增加，當(dāng) 時(shí)， 最小。這要求離心泵在啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出

3、口閥門，以減小啟動(dòng)功率，保護(hù)電動(dòng)機(jī)免因超載而受損； 曲線有極值點(diǎn)（最大值），在此點(diǎn)下操作效率最高,能量損失最小。與此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量稱為額定流量。泵的銘牌上即標(biāo)注額定值，泵在管路上操作時(shí)，應(yīng)在此點(diǎn)附近操作，一般不應(yīng)低于92% 。 HQH0QNQQQNmax化工單元操作PPT課件.2離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線 （5）轉(zhuǎn)速n對(duì)特性曲線的影響 泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測得，實(shí)際使用時(shí)會(huì)遇 到n改變的情況，若n變化 20%，可認(rèn)為液體離開葉輪時(shí) 的速度三角形相似， 不變,泵的效率不變(等效率)，則： 2v22qcun2e22Hu cn3veaPq Hnv2v1qnqn2e2e1Hn

4、Hn 321aaPnPn 上式稱為離心泵的比例定律, n變化xA；反之將混合蒸汽冷卻到露點(diǎn)以下使之部分冷凝必有xByB。上述兩種情況所得到的氣液組成均滿足: 部分汽化及部分冷凝均可使混合物得到一定程度的分離，它們均是籍混合物中各組分揮發(fā)性的差異而達(dá)到分離的目的，這就是蒸餾及精餾分離的依據(jù)。 BABAxxyy化工單元操作PPT課件3.1蒸餾概述工業(yè)蒸餾過程 平衡蒸餾（閃蒸） 平衡蒸餾又稱閃蒸，系連續(xù)定態(tài)過程，其流程如下圖。 化工單元操作PPT課件3.3.1平衡蒸餾過程的數(shù)學(xué)描述過程的數(shù)學(xué)描述 蒸餾過程的數(shù)學(xué)描述不外為物料衡算式、熱量衡算式及反映具體過程特征的方程，現(xiàn)分述如下。 物料衡算式：對(duì)連續(xù)

5、定態(tài)過程做物料衡算可得 總物料衡算： 易揮發(fā)組分的物料衡算： 兩式聯(lián)立可得 WDFWxDyFxFxyxxFDF化工單元操作PPT課件3.3.1平衡蒸餾兩式聯(lián)立式中： F,xF加料流率，kmol/s及料液組成摩爾分?jǐn)?shù)； D,y氣相產(chǎn)物流率，kmol/s及組成摩爾分?jǐn)?shù)； W,x液相產(chǎn)物流率，kmol/s及組成摩爾分?jǐn)?shù)。xyxxFDF化工單元操作PPT課件3.1蒸餾概述精餾操作的費(fèi)用和操作壓強(qiáng) 蒸餾和精餾都是通過氣化、冷凝達(dá)到分離提濃的目的的。液體加熱氣化需要耗熱，氣相冷凝則需要提供冷卻量，因此，蒸餾和精餾都是能耗很高的單元操作，采用何種措施達(dá)到節(jié)能降耗是精餾過程研究的重要任務(wù)。此外，蒸餾過程中的液

6、體沸騰溫度和蒸汽冷凝溫度均與操作壓強(qiáng)有關(guān)，故工業(yè)蒸餾的操作壓強(qiáng)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。加壓精餾可使冷凝溫度提高以避免使用費(fèi)用很高的冷凝器或者在常壓下為氣態(tài)混合物（如烷、烴類混合物），沸點(diǎn)很低，需加壓使其成液態(tài)后才能精餾分離；減壓精餾可使沸點(diǎn)降低以避免使用高溫載熱體，沸點(diǎn)高且又是熱敏性混合物精餾宜用減壓精餾；除上述情況外以外一般用常壓精餾。 化工單元操作PPT課件3.4.1精餾過程精餾原理 簡單蒸餾及平衡蒸餾只能使液體混合物得到有限的的分離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)的要求。如何利用兩組分揮發(fā)度的差異實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高純度的分離，是我們在本節(jié)要討論的基本內(nèi)容。 精餾操作 前已述及可以反復(fù)進(jìn)行多次部分汽化，部分冷凝可以

7、實(shí)現(xiàn)高純度的分離。從理論上說，可以用多次重復(fù)蒸餾的方法來達(dá)到所要求的分離純度。 多次蒸餾可用的方法有:多次簡單蒸餾 、多次平衡蒸餾 、多次平衡級(jí)。前兩種操作復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)高，不是很經(jīng)濟(jì)。 化工單元操作PPT課件3.4.1精餾過程板式塔中的精餾過程可以詳見下圖。化工單元操作PPT課件3.5.2 回流比的選擇適宜回流比的選擇化工單元操作PPT課件3.5.2 回流比的選擇適宜回流比的選擇 最適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)衡算來決定，即按照操作費(fèi)用與設(shè)備折舊費(fèi)用之和為最小的原則來確定，它是介于全回流與最小回流比之間的某個(gè)值。通常適宜回流比可取最小回流比的（ ）倍，即 近年，由于能源緊張，其倍數(shù)有降低的趨勢，甚至

8、可小至1.05倍。至于回流比對(duì)精餾操作的影響將在操作型問題定性分析中討論 2.01.1min)0 . 21 . 1 (RR 化工單元操作PPT課件4.1 概述概述（1）蒸發(fā)操作的目的 獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品 或半成品。 脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)， 隨后加以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采 用蒸發(fā)，結(jié)晶的聯(lián)合操作以獲得固體 溶質(zhì)。 除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑。（2）蒸發(fā)的流程 化工單元操作PPT課件4.1 概述概述（3）加熱蒸汽和二次蒸汽 蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常為水蒸氣，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸氣。為了區(qū)別，將加熱的蒸汽稱為加熱蒸汽，而由溶液蒸發(fā)

9、出來的蒸汽稱之為二次蒸汽。（4）分類 按蒸發(fā)操作空間的壓力可分為：常壓，加壓，或者減壓（真空）蒸發(fā)。 按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。 化工單元操作PPT課件4.1 概述概述（5）蒸發(fā)操作的特點(diǎn) 沸點(diǎn)升高 蒸發(fā)的物料是溶有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液。由拉烏爾定律可知：在相同溫度下，其蒸汽壓純?nèi)軇┑臑榈?，因此，在相同的壓力下，溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。故當(dāng)加熱蒸汽溫一定時(shí)，蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫差就比蒸發(fā)純?nèi)軇r(shí)來得小，而溶液的濃度越大，這種影響就越顯著。 節(jié)約能源 物料的工藝特性 本章的重點(diǎn)就是研究上述問題，同時(shí)還考慮從二次蒸汽中分離夾帶液沫的問題。 化工單元操作PPT課件4.2 單效蒸發(fā)

10、單效蒸發(fā) 4.2.1 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算 對(duì)于單效蒸發(fā)，在給定的生產(chǎn)任務(wù)和確定了操作條件以后，通常需要計(jì)算以下的這些內(nèi)容： 水分的蒸發(fā)量； 熱蒸汽消耗量； 發(fā)器的傳熱面積。 要解決以上問題，我們可應(yīng)用物料衡算方程，熱量衡算方程和傳熱速率方程來解決。 化工單元操作PPT課件4.2.1 單效蒸發(fā)的計(jì)算單效蒸發(fā)的計(jì)算（1）物料衡算 溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個(gè)定態(tài)過程，單位時(shí)間進(jìn)入和離開蒸發(fā)器的量相等，即wWFFw)(0)1 (0wwFWWFFww0水分蒸發(fā)量： 完成液的濃度： 化工單元操作PPT課件4.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失 蒸發(fā)器中的傳熱溫差等于

11、 ，當(dāng)加熱蒸汽的溫度 一定（如用47k kN/m2（絕壓）的水蒸氣作為加熱蒸汽， ），若蒸發(fā)室的壓力為1atm而蒸發(fā)的又是水（其沸點(diǎn) ）而不是溶液，此時(shí)的傳熱溫差最大，用 表示： mt)(0tT 0T1500T100TTt501001500TTTt 如果蒸發(fā)的是30%的NaOH水溶液，在常壓下其沸點(diǎn)是高于100。若其沸點(diǎn) ，則有效傳熱溫差 ， 比 所減小的值，稱為傳熱溫度差損失，簡稱溫度差損失，用 表示 120t301201500tTttTt化工單元操作PPT課件4.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失TttTTTtt)()(00T傳熱溫差損失TtTtt溶液沸點(diǎn)有效傳熱溫差溫度

12、差損失的原因 ： 溶液沸點(diǎn)的升高。這是由于溶液蒸汽壓較純?nèi)軇ㄋ┰谕粶囟认碌恼羝麎簽榈?，致使溶液的沸點(diǎn)比純?nèi)軇ㄋ└撸?蒸發(fā)器中靜壓頭的影響以及流體流過加熱管是產(chǎn)生的摩擦阻力，都導(dǎo)致溶液沸點(diǎn)的進(jìn)一步上升。 化工單元操作PPT課件（1）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則）溶液的沸點(diǎn)升高和杜林規(guī)則 如圖7-22為不同濃度NaOH水溶液的沸點(diǎn)與對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)下純水的沸點(diǎn)的關(guān)系，由圖可以看出，當(dāng)NaOH水溶液濃度為零時(shí)，它的沸點(diǎn)線為一條 對(duì)角線，即水的沸點(diǎn)線，其它濃度下溶液的沸點(diǎn)線大致為一組平行直線。 45化工單元操作PPT課件（2）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對(duì)溶液沸點(diǎn)的影響）液柱靜壓頭和加熱管內(nèi)摩擦損失對(duì)溶

13、液沸點(diǎn)的影響液柱靜壓強(qiáng)引起的溶液溫度升高： )()51( ptgLpt所以沸騰液體的平均溫度為 ： )(ptt 在大多數(shù)教材中，液柱內(nèi)部的平均壓力取的是液面壓力和液柱底部壓力的平均值，即 GLpp21m)()51( ptgLpt化工單元操作PPT課件4.2.2 蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失蒸發(fā)設(shè)備中的溫度差損失（3）因蒸汽流動(dòng)阻力引起的溫度差損失 在多效蒸發(fā)中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加熱室的過程中，為克服管道阻力使其壓強(qiáng)降低，二次蒸汽的溫度也相應(yīng)的降低，由此引起的溫度差損失為 。 總的溫度差損失 蒸發(fā)過程的傳熱溫度差（有效溫度差）： )(00ptTtTt化工單元操作PPT課件4.3 多效蒸發(fā)

14、多效蒸發(fā) 利用二次蒸汽的潛熱 利用冷凝水的顯熱（如預(yù)熱原料液)7.3.1 7.3.1 多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率） 第一效： ，1kg生蒸汽在第一效中可產(chǎn)生1kg的二次蒸汽，將此1kg二次蒸（ ）引入第二效又可蒸發(fā)1kg水，即 11WD1WD 1W第二效： ，1kg生蒸汽在雙效中的總蒸發(fā)量 ， 所以依次類推： 三效 ， 效 DWW12DWWW2213DWnnDW2DW化工單元操作PPT課件4.3.1多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）多效蒸發(fā)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性（利用率）minWDmaxDW效數(shù) 單效 雙效 三效 四效 五效 1.10.570.910.17

15、52.53.333.70 但實(shí)際上，由于熱損失，溫度差損失等原因，單位蒸汽消耗量不可能達(dá)到如此經(jīng)濟(jì)的程度，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最大的 的值大致如下：DW /化工單元操作PPT課件4.3.2 多效蒸發(fā)流程多效蒸發(fā)流程 多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見的有：并流： 溶液與蒸汽的流向相同，稱并流，也稱為順流。逆流： 溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。錯(cuò)流： 溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。平流： 每一效都加入原料液的方法。 下面以三效為例加以說明： （1）并流流程（圖7-14） 蒸汽流動(dòng)方向： 123 溶液流動(dòng)方向： 123 化工單元操作PPT課件（1）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強(qiáng)度）

16、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力和蒸發(fā)強(qiáng)度 真空蒸發(fā)：提高生產(chǎn)強(qiáng)度（ ）的途徑之一是增大傳熱溫差 ，提高加熱蒸汽的溫度或是降低溶液的沸點(diǎn)均可增加 。加熱蒸汽的溫度（及相應(yīng)壓強(qiáng)）受鍋爐額定壓強(qiáng)的限制，因此，在許多情況下，需要采用真空蒸發(fā)以降低溶液免遭破壞，并可利用工廠中低溫的水蒸氣作為熱源。tKAQutt 缺點(diǎn)：但是，溶液沸點(diǎn)的降低使粘度增大，傳熱系數(shù)有所降低，此外，為維持真空操作須添加真空設(shè)備費(fèi)用和一定量的動(dòng)力費(fèi)，這也是它的缺點(diǎn)。 提高 ： 提高 的另一措施是提高 ，而 的主要取決于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，操作方式和溶液的物理性質(zhì)。合理的設(shè)計(jì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)以建立良好的溶液循環(huán)流動(dòng)及時(shí)排除加熱室中不凝性氣體，經(jīng)常清除污垢等均

17、可提高 。 KKKK化工單元操作PPT課件4.3.3 多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強(qiáng)度和效數(shù)的限制多效蒸發(fā)的生產(chǎn)能力、蒸發(fā)強(qiáng)度和效數(shù)的限制 由于 可以看出，蒸發(fā)設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度取決于 和 ，因此要提高 ，必須提高 和 。 （2）多效蒸發(fā)效數(shù)的限制 前面我們講過，效數(shù)增多，設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度降低，而加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)性提高，因此，必須合理選擇效數(shù)以便設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最少。這是一個(gè)優(yōu)化問題。 （3）多效蒸發(fā)計(jì)算 描述多效蒸發(fā)過程的參數(shù)很多，但各類參數(shù)之間受到一些基本方程的約束，這些基本方程可分為：物料衡算式，熱量衡算式，傳熱速率式及物性函數(shù)式（如水蒸氣性質(zhì)，物料熱焓及沸點(diǎn)上升等）。 rtKArQuKKtt化工單

18、元操作PPT課件（1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器 垂直短管式（圖7-2） 化工單元操作PPT課件（1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器 熱式加熱室與蒸發(fā)室分開（圖7-3） 化工單元操作PPT課件（1 1）循環(huán)型蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器 循環(huán)蒸發(fā)器（圖7-4） 化工單元操作PPT課件4.4.2 蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù) （1）蒸發(fā)器的熱阻分析 蒸發(fā)器的傳熱熱阻可由下式計(jì)算 管外蒸汽冷凝熱阻 一般很小，但須注意及時(shí)排除加熱室中不凝性氣體，否則不凝性氣體在加熱室內(nèi)不斷積累，將使此項(xiàng)熱阻明顯增加； 管壁熱阻 一般可以忽略； 21111iRaK11a化工單元操作PPT課件4.4.2 蒸發(fā)器的傳熱系

19、數(shù)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù) 管內(nèi)壁液一側(cè)的垢層熱阻 取決于溶液的性質(zhì)及管內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)狀況。降低垢層熱阻的方法是定期清理加熱管，加快流體的循環(huán)速度，或加入微量阻垢劑以延緩形成垢層；在處理有結(jié)晶析出的物料時(shí)可加入少量晶種，使結(jié)晶盡可能地在溶液的主體中，而不是在加熱面上析出； 管內(nèi)沸騰給熱阻 主要決定于沸騰液體的流動(dòng)情況。（2）管內(nèi)汽液兩相流動(dòng)形式（3）管內(nèi)沸騰給熱iR21化工單元操作PPT課件 5、傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 加熱或冷卻 換熱 強(qiáng)化傳熱過程 保溫 削弱傳熱過程 化工單元操作PPT課件傳熱的三種基本方式 1).熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另

20、一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沒有物質(zhì)的宏觀位移化工單元操作PPT課件 2).對(duì)流對(duì)流 自然對(duì)流 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移的熱量傳遞過程 強(qiáng)制對(duì)流化工單元操作PPT課件 3).熱輻射熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。 能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化特點(diǎn) 不需要任何物質(zhì)作媒介 化工單元操作PPT課件 1）套管換熱器 2）列管換熱器 傳熱面為內(nèi)管壁的表面 傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積 四、熱載體及其選擇 加熱劑：加熱劑：熱水、飽和水蒸氣、礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等。 冷卻劑：冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等 冷卻溫度30C 水； 加熱溫度180C 飽和水蒸氣 化工單元操作PPT課件 式中： K總傳熱系數(shù)，W/(m2.)或W/(m2.K)； Q傳熱速率，W或J/s； A總傳熱面積，m2； tm兩流體的平均溫差，或K。總傳熱速率方程： 化工單元操作PPT課件6.1.1 固體去濕方法和干燥過程 物料的去濕方法物料的去濕方法（1）機(jī)械去濕 物料帶水較多時(shí)，可先用離心過濾等機(jī)械分離方法以除去大量的水； （2）吸附去濕 用某種平衡水汽分壓很低的干燥劑（如CaCl2、硅膠等）與濕物料并存，使物料種的水分相繼經(jīng)氣相而轉(zhuǎn)入干燥