第三章精細(xì)化工單元操作過程與設(shè)備

第三章精細(xì)化工單元操作過程與設(shè)備第一頁，共40頁。第三章精細(xì)化工單元操作

過程與設(shè)備

一、本章基本要求1.通過本章的學(xué)習(xí)，復(fù)習(xí)以前所學(xué)的有關(guān)化工設(shè)備方面的知識(shí)，明確精細(xì)化工常用操作及設(shè)備。2.掌握精細(xì)化工對(duì)生產(chǎn)工藝的要求及對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的設(shè)備的要求。3.掌握反應(yīng)設(shè)備的分類。4.掌握塔式反應(yīng)器和床類反應(yīng)器的種類、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。5.了解精細(xì)化工生產(chǎn)中的分離操作及設(shè)備。二、教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：1.精細(xì)化工對(duì)生產(chǎn)工藝的要求及對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的設(shè)備的要求。2.塔式反應(yīng)器和床類反應(yīng)器的種類、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。難點(diǎn)：如何進(jìn)行生產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備的選擇。第二頁，共40頁。

由于精細(xì)化工產(chǎn)品種類繁多，其生產(chǎn)工藝千差萬別，所采用的工藝單元操作過程有所不同，對(duì)設(shè)備的要求也各有差異。

第三頁，共40頁。精細(xì)化工操作：

原料預(yù)處理單元反應(yīng)產(chǎn)物后處理產(chǎn)品提純、粉碎干燥、熔化溶解、蒸發(fā)汽化、加熱冷卻

蒸留、精留吸收、吸附萃取、結(jié)晶冷凝、過濾干燥第四頁，共40頁。增塑劑生產(chǎn)工藝——DBP間歇式生產(chǎn)工藝?yán)淠セ蛩峄钚蕴勘紧〈即妓卜形锎妓蛛x水丁醇中和純堿液分離水活性炭脫醇?jí)簽V成品稀醇脫水回收醇脫色水洗第五頁，共40頁。精細(xì)化工對(duì)生產(chǎn)工藝的要求：

在能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品要求的前提下，工藝簡(jiǎn)單、流程簡(jiǎn)短、條件不苛刻、操作方便、生產(chǎn)成本低、原料來源廣泛。

對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的設(shè)備要求：

滿足生產(chǎn)工藝要求、安全可靠性高、使用耐久性好、經(jīng)濟(jì)合理性佳。生產(chǎn)工藝能否順利實(shí)現(xiàn)，與設(shè)備的型式、結(jié)構(gòu)、尺寸以及操作條件等因素均密切相關(guān)。

第六頁，共40頁。3.1物料的輸送

精細(xì)化工生產(chǎn)過程中涉及的物料形態(tài)常常是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種。實(shí)現(xiàn)物料輸送的設(shè)備種類有很多，一般可分為：液體輸送設(shè)備、固體輸送設(shè)備和氣體輸送設(shè)備三類。第七頁，共40頁。3.1.1液體物料的輸送

液體物料形態(tài)種類很多。由于其粘性大小、腐蝕性強(qiáng)弱不同，液體中可能懸浮固體和氣體顆粒，溫度、壓強(qiáng)也有高有低等等，因此液體輸送中可選用的設(shè)備種類很多。精化生產(chǎn)中輸送液體最常用的設(shè)備還是泵。

第八頁，共40頁。泵是實(shí)現(xiàn)液體輸送或增壓的機(jī)械。

泵的主要作用是輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。泵通常按工作原理分為：①容積式泵，如往復(fù)泵、回轉(zhuǎn)泵、柱塞泵、齒輪泵、蠕動(dòng)泵、滑片泵等；②動(dòng)力式泵，如離心泵、軸流泵、旋渦泵等；③其他類型泵，如射流泵、水錘泵、電磁泵、氣體升液泵等。

第九頁，共40頁。

射流泵水錘泵電磁泵第十頁，共40頁。泵除按工作原理分類外，還可按其他方法分類和命名。例如：

●按驅(qū)動(dòng)方法可分為電動(dòng)泵和水輪泵等；

●按結(jié)構(gòu)可分為單級(jí)泵和多級(jí)泵；

●按用途可分為鍋爐給水泵和計(jì)量泵等；

●按輸送液體的性質(zhì)可分為水泵、油泵和泥漿泵等。第十一頁，共40頁。3.1.2固體物料的輸送固體物料的形態(tài)多樣，包括粉末狀、顆粒狀、大粒狀、塊狀等等，對(duì)于不同形態(tài)的固體物料應(yīng)采用不同的輸送方式及設(shè)備。常見的固體物料輸送設(shè)備見講義。

第十二頁，共40頁。3.1.3氣體物料的輸送

輸送和壓縮氣體物料的設(shè)備統(tǒng)稱為氣體壓送機(jī)械。按其出口壓力可分為：

●通風(fēng)機(jī)(終壓小于1.47×104Pa表壓)，

●鼓風(fēng)機(jī)(終壓為1.47×104Pa～2.94×104Pa表壓)，

●壓縮機(jī)(終壓大于2.94×104Pa表壓)。第十三頁，共40頁。鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)第十四頁，共40頁。真空泵：旋片式真空泵水環(huán)真空泵第十五頁，共40頁。3.2物料的反應(yīng)

精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)涉及的化學(xué)反應(yīng)很多，但反應(yīng)的過程基本上是在反應(yīng)器內(nèi)完成的，因此反應(yīng)器是核心的設(shè)備。正確選擇反應(yīng)設(shè)備的形式、結(jié)構(gòu)尺寸、確定最適宜的反應(yīng)溫度、濃度和物料流動(dòng)狀態(tài)是精細(xì)化工生產(chǎn)能否達(dá)到工藝要求的關(guān)鍵，是保證主產(chǎn)品的生成、分離提純和減少污染的關(guān)鍵。第十六頁，共40頁。3.2.1反應(yīng)設(shè)備分類

●按幾何結(jié)構(gòu)形式的不同，反應(yīng)器可分為釜式、管式和塔式等類型。

●按操作方法的不同，反應(yīng)器可分為間歇式、半間歇式和連續(xù)式幾種。

●按體系的相態(tài)，化學(xué)反應(yīng)可分為均相和非均相反應(yīng)。

●按吸熱放熱要求，反應(yīng)器可分為等溫反應(yīng)器、不等溫反應(yīng)器和絕熱反應(yīng)器三種。

第十七頁，共40頁。3.2.2反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式及操作方式

決定設(shè)備構(gòu)造的因素主要有：物料的聚集狀態(tài)和混合物的稠度、混合的強(qiáng)度、操作溫度和壓力、熱效應(yīng)和傳熱強(qiáng)度以及物料的化學(xué)性質(zhì)等。最主要的影響因素:傳熱強(qiáng)度和混合強(qiáng)度。

第十八頁，共40頁。釜式反應(yīng)器

大量用于氣-液、液-液和液-固相反應(yīng)過程。常為圓筒形，容積可大可小，多帶有夾套、蛇管或列管等表面?zhèn)鳠針?gòu)件；附有長溫度計(jì)或熱電偶；能承受3×105～4×105Pa壓力;反應(yīng)罐內(nèi)常裝有攪拌器。釜式反應(yīng)器動(dòng)畫第十九頁，共40頁。攪拌器

①漿式、錨式和框式攪拌器②渦輪式攪拌器③螺旋漿式攪拌器④螺帶式攪拌器⑤消泡漿式攪拌器

（具體見講義及“液體攪拌4-1-1”）適用于低、中粘度的有槳式、渦輪式、旋槳式等。適用于高粘度的有大葉片、低轉(zhuǎn)速攪拌器，如錨式、框式、螺帶式、螺桿式等。第二十頁，共40頁。管式反應(yīng)器

:傳熱面積大、耐壓高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便。

:適用于氣相及均液相反應(yīng)、氣液相反應(yīng)、有懸浮固體或催化劑存在時(shí)的液固和氣液固反應(yīng)。在強(qiáng)放熱反應(yīng)和高壓反應(yīng)時(shí)，有釜式反應(yīng)器不具備的優(yōu)勢(shì)。特別適用于高壓反應(yīng)、混合物為氣體的反應(yīng)體系特點(diǎn)應(yīng)用第二十一頁，共40頁。塔式反應(yīng)器

適用于氣液相逆流操作反應(yīng)。①鼓泡塔

②填料塔

③板式塔

④噴霧塔

分類：第二十二頁，共40頁。鼓泡塔

圓柱形塔體內(nèi)設(shè)擋板及鼓泡器構(gòu)成鼓泡塔式反應(yīng)器，液體物料從塔頂加入，從底部流出；氣體物料從塔底部通入，分散成氣泡沿液層上升，從塔頂排出。適用于氣一液相反應(yīng)及氣一固三相反應(yīng)，是生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的氣液反應(yīng)設(shè)備。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易控制和維修；不同的選材可以適用于腐蝕性的反應(yīng)物料；用于高壓操作也很方便。第二十三頁，共40頁。填料塔

塔內(nèi)部有填充物，填充物可為圓環(huán)、螺旋環(huán)或馬鞍環(huán)等，是廣泛使用的氣體吸收設(shè)備。填料塔適宜于處理氣體物料量大而液體物料量小的過程。板式塔

塔體內(nèi)部有塔板結(jié)構(gòu)，可采用篩板或泡罩板，在每塊塔板上，氣體分散于液體中，故氣體為分散相，液體為連續(xù)相。適用于氣液相逆流操作的反應(yīng)和要求伴隨蒸餾的化學(xué)反應(yīng)。

噴霧塔

噴霧塔系將液體分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相。塔體內(nèi)部可有攪拌裝置或脈沖振動(dòng)裝置，適用于氣液、液液、液固等非均相反應(yīng)、氣液相進(jìn)行的快速反應(yīng)及要求伴隨萃取的化學(xué)反應(yīng)。

第二十四頁，共40頁。床類反應(yīng)器

①固定床反應(yīng)器②移動(dòng)床反應(yīng)器③流化床反應(yīng)器

流化狀態(tài)動(dòng)畫第二十五頁，共40頁。懸浮液的分離

使固體顆粒與液體相分離的操作。

懸浮液的分離分為過濾和沉降兩類。

第二十六頁，共40頁。影響過濾操作的因素——物料性質(zhì)、過濾介質(zhì)和過濾條件?！裎锪现械墓腆w顆粒具有不同的幾何形狀的影響；●懸浮液中固體顆粒的粒徑的影響；●懸浮液的粘度、密度及固液間密度差的影響。

物料性質(zhì)的影響：第二十七頁，共40頁。粘度的影響：料液粘度愈大，物料的過濾速度愈慢。解決辦法：●提高懸浮液溫度；●加入絮凝劑或凈化劑或助濾劑。第二十八頁，共40頁。物料的蒸發(fā)

將含有非揮發(fā)性溶質(zhì)和揮發(fā)性溶劑組成的溶液進(jìn)行濃縮的過程稱為蒸發(fā)。是精細(xì)化工生產(chǎn)常用的溶液濃縮方式。

按操作溫度可將蒸發(fā)分為在沸點(diǎn)溫度下的沸騰蒸發(fā)和低于沸點(diǎn)溫度下的自然蒸發(fā)兩大類。

蒸發(fā)操作可以在常壓、加壓或減壓下的條件下進(jìn)行。

蒸發(fā)操作的流程根據(jù)對(duì)蒸汽的利用方法，可分為單效蒸發(fā)流程和多效蒸發(fā)流程兩大類。蒸發(fā)流程第二十九頁，共40頁。單效蒸發(fā)流程

單效蒸發(fā)流程不再利用溶液蒸發(fā)時(shí)所產(chǎn)生的二次蒸汽，使用的設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少，但熱能利用率相對(duì)較低，比較適用于規(guī)模不太大的精細(xì)化工生產(chǎn)。

多效蒸發(fā)流程

為了降低能源消耗，可將生產(chǎn)中產(chǎn)出的二次蒸汽加以利用，依次作為下一蒸發(fā)器的加熱蒸汽。一個(gè)蒸發(fā)器稱為一效蒸發(fā)器，多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)可構(gòu)成多效蒸發(fā)器。常用的為2-4效多效蒸發(fā)器。第三十頁，共40頁。蒸發(fā)設(shè)備

蒸發(fā)器是蒸發(fā)操作單元的主要設(shè)備。生產(chǎn)中使用的蒸發(fā)器的類型很多，按溶液的流動(dòng)方式主要分為單程型和循環(huán)多程型兩大類。

蒸發(fā)器分類單程型蒸發(fā)器(薄膜蒸發(fā)器)長管型

圓筒型

刮膜板型

離心型

循環(huán)多程型蒸發(fā)器

中央循環(huán)管式蒸發(fā)器

懸框式蒸發(fā)器

外加熱式蒸發(fā)器

列文式蒸發(fā)器

強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器

標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器降膜蒸發(fā)器升膜蒸發(fā)器式刮板蒸發(fā)器第三十一頁，共40頁。3.5物料的結(jié)晶

結(jié)晶是溶質(zhì)以晶體狀態(tài)從溶液中析出的過程。第三十二頁，共40頁。影響結(jié)晶的因素：影響因素：溶液組成、溶劑性質(zhì)、pH值、溶液的過飽和度及過冷度、攪拌速度、溫度等等（直接或間接地影響著晶體的形狀、大小、顏色、純度、產(chǎn)量等）。結(jié)晶的過程主要分為兩個(gè)階段，即晶核的形成和晶核的成長，兩者常常是同時(shí)進(jìn)行的。第三十三頁，共40頁。制備過飽和溶液的方法

●冷卻法——自然冷卻、間壁冷卻、接觸冷卻

●蒸發(fā)法——常壓、加壓、減壓蒸發(fā)●真空蒸發(fā)冷卻法——溶劑在真空的條件下迅速蒸發(fā)而后絕熱冷卻

●鹽析法——加入一些物質(zhì)(鹽析劑)

●化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶法——調(diào)節(jié)溶液pH值或加入反應(yīng)試劑

第三十四頁，共40頁。3.5.1結(jié)晶設(shè)備

主要部件：●熱交換裝置——改變料液的溫度●機(jī)械攪拌裝置——獲得大小均勻的晶體設(shè)備材質(zhì)：常用不銹鋼或玻璃材質(zhì)，以保證結(jié)晶器內(nèi)壁的光滑度，使晶體不易粘壁并易于清洗。

冷卻結(jié)晶器蒸發(fā)結(jié)晶器真空式結(jié)晶器噴霧結(jié)晶器

主要類型第三十五頁，共40頁。3.6

物料的干燥

——加熱的條件下，利用熱能除去固體物料中溶劑的操作過程。

除濕方法：●機(jī)械法——采用壓濾、抽吸、過濾和離心分離等方法除去濕分，只適用于不需要將水分完全除去的場(chǎng)合?！窕瘜W(xué)去濕法——用石灰、硫酸、無水氯化鈣等吸濕性物料除去濕(水)分，但這種方法費(fèi)用高、操作麻煩，只適用于小批量固體物料去濕或除去氣體中的水分。第三十六頁，共40頁?！窀稍锓ǔ凉褫^為完全、規(guī)模靈活、干燥器投資和維修費(fèi)用小、便于操作，生產(chǎn)中常常與機(jī)械去濕法結(jié)合使用，可達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的目的。干燥方式傳導(dǎo)干燥

對(duì)流干燥

輻射干燥

介電加熱干燥

第三十七頁，共40頁。

●傳導(dǎo)干燥是熱能通過傳熱壁面以熱傳導(dǎo)的方式加熱物料，并以干燥介質(zhì)或真空泵帶走產(chǎn)生的蒸汽。設(shè)備可用烘房、滾筒干燥器等。

●對(duì)流干燥是使干燥介質(zhì)直接與濕物料接觸，并向物料表面供熱，產(chǎn)生的蒸汽由干燥介質(zhì)帶走。干燥設(shè)備可用氣流干燥器、流化床干燥器、噴霧干燥器等。

●輻射干燥是以輻射器產(chǎn)生輻射，并以電磁波形式達(dá)到濕物