化工工藝講座

大理州經(jīng)委工業(yè)知識講座

化工工藝講座何麗芳2006.8.15內(nèi)容簡介第一章前言第二章化工單元操作第三章各類化工工藝第四章化工可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略第五章

“十一五”化工發(fā)展目標(biāo)第一章前言化學(xué)工業(yè):以石化基礎(chǔ)原材料為加工對象的延伸化工、煤化工、鹽化工、生物化工及精細(xì)化工等領(lǐng)域。(1)為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要的原料保障，其質(zhì)量、數(shù)量以及價格上的相對穩(wěn)定，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定與發(fā)展至關(guān)重要；(2)肩負(fù)著為國防生產(chǎn)配套高技術(shù)材料的任務(wù)，并提供常規(guī)戰(zhàn)略物資。(3)化學(xué)工業(yè)在很大程度上滿足農(nóng)業(yè)對化肥農(nóng)藥的需要。(4)塑料和合成橡膠滲透到國民經(jīng)濟(jì)的所有部門，在材料工業(yè)中已占據(jù)主導(dǎo)地位。(5)醫(yī)藥合成不僅在數(shù)量上而且在品種和質(zhì)量上都有了較大發(fā)展?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展速度已顯著超過國民經(jīng)濟(jì)的平均發(fā)展速度，化工產(chǎn)值在國民生產(chǎn)總值中所占的比例不斷增加，化學(xué)工業(yè)已發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。1.1化工的發(fā)展概況現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)始于18世紀(jì)的法國，隨后傳人英國。19世紀(jì)，以煤為基礎(chǔ)原料的有機(jī)化學(xué)工業(yè)在德國迅速發(fā)展起來。現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展時期是在美國開始的。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，石油的開采和大規(guī)模石油煉廠的興建為石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展和化學(xué)工程技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)20年代石油化學(xué)工業(yè)的崛起推動各種單元操作的研究。

30年代以后，化學(xué)機(jī)械從純機(jī)械時代進(jìn)入以單元操作為基礎(chǔ)的化工機(jī)械時期。40年代，因戰(zhàn)爭需要，三項重大開發(fā)同時在美國出現(xiàn)：流化床催化裂化制取高級航空燃料油、丁苯橡膠的乳液聚合以及制造首批原子彈的曼哈頓工程。50年代中期提出了傳遞過程原理60年代初，新型高效催化劑的發(fā)明，新型高級裝置材料的出現(xiàn)，以及大型離心壓縮機(jī)的研究成功，開始了化工裝置大型化的進(jìn)程，把化學(xué)工業(yè)推向一個新的高度。此后，化學(xué)工業(yè)過程開發(fā)周期已能縮短至4～5年，放大倍數(shù)達(dá)500～20000倍。

20世紀(jì)70年代后，現(xiàn)代化學(xué)工程技術(shù)滲入到了各個加工領(lǐng)域，生產(chǎn)技術(shù)面貌發(fā)生了顯著變化?；瘜W(xué)工業(yè)還同時面臨來自能源、原料和環(huán)保三大方面的挑戰(zhàn)，進(jìn)入一個新的更為高級的發(fā)展階段。

在原料和能源供應(yīng)日趨緊張的條件下，化學(xué)工業(yè)正在通過技術(shù)進(jìn)步盡量減少其對原料和能源的消耗；為了滿足整個社會日益增長的能源需求，化學(xué)工業(yè)正在努力提供新的技術(shù)手段，用化學(xué)的方法為人類提供更新更多的能源；為了自身的發(fā)展，化學(xué)工業(yè)正在開辟新的原料來源，為以后的發(fā)展奠定豐富的原料基礎(chǔ)；隨著電子計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)正在進(jìn)入高度自動化的階段；一些高新技術(shù)，如激光、模擬酶的應(yīng)用，正在使化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的效率顯著提高，技術(shù)面貌發(fā)生根本性的變化；由于有了更新的技術(shù)手段，化學(xué)工業(yè)對環(huán)境的污染進(jìn)一步得到控制，并將為改善人類的生存條件做出新的貢獻(xiàn)。1.2現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)過程開發(fā)1．利用現(xiàn)有的情報資料、技術(shù)數(shù)據(jù)、同類過程的成熟經(jīng)驗、小試或模試的實驗結(jié)果和化學(xué)化工知識，把化學(xué)工業(yè)過程抽象為理論模型；2．進(jìn)行工業(yè)裝置的概念設(shè)計，并根據(jù)概念設(shè)計相似縮小為中試裝置；3．比較電子計算機(jī)的數(shù)學(xué)模擬和中試結(jié)果，反復(fù)比較，不斷修正數(shù)學(xué)模型，使其達(dá)到一定精度，用于放大設(shè)計。

1.3化工行業(yè)簡單分類

1、無機(jī)化學(xué)工業(yè)（1）基本無機(jī)化學(xué)工業(yè):無機(jī)酸（HCl、H2SO4、HNO3）；氨和銨鹽（合成氨、液態(tài)氨、氨水、銨鹽）；氯堿（純Na2CO3、NaHCO3、燒堿NaOH、鉀堿KOH,K2CO3）；無機(jī)鹽；工業(yè)氣體（O2、N2、H2、CO2）等。（2）非金屬元素及其無機(jī)化合物：鹵素、H、O等（3）電化學(xué)工業(yè)：電解、電鍍（4）金屬元素的無機(jī)化學(xué)工業(yè)（5）電熱工業(yè)、高溫制品工業(yè)：高溫電爐；電石（CaC）；Ca(CN)2；人造超硬度材料的生產(chǎn)；人造寶石、合成寶石；人造石墨。（6）硅酸鹽工業(yè)

2、有機(jī)化學(xué)工業(yè):

有機(jī)化合物；脂肪；碳環(huán)化合物、脂環(huán)化合物；芳香化合物；雜環(huán)化合物；元素化合物；含同位素化合物；天然有機(jī)化合物3、高分子化合物:（1）合成樹脂與塑料;（2)橡膠;（3)橡膠

4、生物化工（1）纖維素質(zhì)的化學(xué)加工：木材、纖維素、植物纖維水解。（2）制藥：抗菌素、激素、磺胺類等（3）釀造：葡萄酒、啤酒等（4）其他：生物能源、生物材料、有機(jī)酸、氨基酸、功能食品添加劑第二章化工單元操作化工生產(chǎn)過程是由許多個化工單元操作串聯(lián)而成的，根據(jù)其所遵循的基本規(guī)律，

可將單元操作劃分為三大類，即：遵循流體動力基本規(guī)律的單元操作

包括流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化等。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。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。2.1流體輸送流體輸送操作必須采用可為流體提高能量的輸送設(shè)備，以便克服輸送沿程的機(jī)械能損失、提高位能、提高流體的壓強。輸送液體的設(shè)備離心泵（化工生產(chǎn)中最常見）正位移泵(往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式)）通風(fēng)機(jī)輸送氣體的設(shè)備鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)。則按其所產(chǎn)生的壓強的高低工作原理:依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，使流體在離心力的作用下獲得能量提高壓強，具有較高壓強的流體從流體輸送設(shè)備的排出口進(jìn)入排出管道，被輸送到所需場所。泵與風(fēng)機(jī)

計量泵

離心風(fēng)機(jī)2.2非均相物系的分離

均相：物系各處均勻且無相界面，如混合氣體和溶液。非均相：物系內(nèi)部有個開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有差別（如：懸浮液、乳濁液及泡沫液以及含塵氣體、含霧氣體等）。分散相：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)（分散于流體中德固體顆粒、液滴或氣泡）連續(xù)相：包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體（如：氣態(tài)非均相物系的氣體、液態(tài)非均相物系中的連續(xù)液體）該過程目的：收集分散物質(zhì)，凈化分散介質(zhì)，環(huán)境保護(hù)2.2.1重力沉降在某種力場中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對運動而實現(xiàn)分離的操作過程。其設(shè)備有：

降塵室含塵氣體進(jìn)入降塵室后，因流道截面積擴(kuò)大而速度減慢，只要顆粒能夠在氣體通過沉降室的時間內(nèi)降至室底，便可從氣流中分離出來。沉降槽用來提高懸浮液濃度并同時得到澄清液體的重力沉降設(shè)備。需要處理的懸浮料漿在槽內(nèi)靜置足夠長的時間后，增濃的沉渣由槽底排出，清夜則由槽上部排出管抽出。2.2.2離心沉降離心沉降

依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程（兩相密度差較小、顆粒粒度較細(xì)的非均相物系）得2.2.3過濾過濾

以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實現(xiàn)固、液分離的操作。過濾操作采用的多孔物質(zhì)稱為過濾介質(zhì)，所處理的懸浮液稱為濾漿或料漿，通過多孔通道的液體稱為濾液，被截留的固體物質(zhì)稱為濾餅或濾渣

過濾介質(zhì)①織物介質(zhì)：即棉、毛、麻或各種合成材料制成的織物，也稱為濾布。②粒狀介質(zhì)：細(xì)紗、木炭、碎石等。③多孔固體介質(zhì)（一般要能夠再生的才行）：多孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等。

過濾原理

過濾設(shè)備——壓濾機(jī)

懸浮液從框右上角的通道1（位于框內(nèi)）進(jìn)入濾框，固體顆粒被截留在框內(nèi)形成濾餅，濾液穿過濾餅和濾布到達(dá)兩側(cè)的板，經(jīng)板面從板的左下角旋塞排出。待框內(nèi)充滿濾餅，即停止過濾。如果濾餅需要洗滌，先關(guān)閉洗滌板下方的旋塞，洗液從洗板左上角的通道2（位于框內(nèi)）進(jìn)入，依次穿過濾布、濾餅、濾布，到達(dá)非洗滌板，從其下角的旋塞排出。如果將非洗滌板編號為1、框為2、洗滌板為3，則板框的組合方式服從1—2—3—2——1—2—3之規(guī)律。組裝之后的過濾和洗滌原理如圖所示。2.3傳熱傳熱：指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，其方式有3種：傳導(dǎo)、對流、輻射。換熱器：（按用途）：加熱、冷卻、蒸發(fā)、再沸、冷凝、分凝（按方法）：間壁式（夾套式、蛇管式、噴淋式、套管式）、混合式（氣體冷卻、蒸汽冷凝）及蓄熱式（耐熱材料），列管式主要特點：冷熱兩種流體間的熱交換，是依靠熱流體和冷流體直接接觸和混合過程實現(xiàn)的。廢蒸汽熱水冷水混合式換熱器

空調(diào)的制冷循環(huán)、太陽能供熱設(shè)備、熱管式換熱器等均屬此類。

蓄熱式換熱器高溫流體蓄熱體低溫流體中間載熱體式換熱器此類換熱過程廣泛應(yīng)用于核能工業(yè)、冷凍技術(shù)及工廠余熱利用

2.4蒸發(fā)蒸發(fā)：使含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液沸騰氣化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作。其中，加熱蒸汽稱為生蒸汽，蒸出的蒸汽稱為二次蒸汽。2.5蒸餾（應(yīng)用于均相物系）原理：將液體混合物部分氣化，利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同使各組分得以分離。輕組分：沸點低的組分為易揮發(fā)組分重組分：沸點高的組分為難揮發(fā)組分餾出液：蒸出冷凝液釜殘液：蒸出后剩余的混合液傳質(zhì)過程（分離操作）：物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程。其中，蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作。按操作流程：間歇、連續(xù)蒸餾(主要)按蒸餾方式：簡單蒸餾、平衡蒸餾（閃蒸）、精餾（最廣泛）和特殊精餾。按操作壓強：常壓、加壓或減壓

1、分類：板式塔：泡罩塔、浮閥塔、篩板塔。填料塔：塔內(nèi)充填一定高度的填料。2、塔板的作用：氣液兩相傳質(zhì)，傳熱的場所。3、篩板塔中n層板上的操作情況

（二）精餾塔鞍環(huán)填料階梯環(huán)填料鮑爾環(huán)填料2.5.1精餾流程C簡化流程由于溫度較高的蒸汽與溫度低的X3確接觸，使液體部分氣化，蒸汽自身被冷凝，省去了中間加熱器與冷凝器。將每一中間產(chǎn)品返回到下一級中，不僅可以提高產(chǎn)品的收率；而且是過程必不可少的條件。回流是保證精餾過程能連續(xù)穩(wěn)定操作的必不可少的條件。再沸器是保證精餾過程連續(xù)穩(wěn)定操作的必不可少的條件。xFx2x1y1x3y2y3

y3(或xD)y1冷凝器分離器加熱器簡單蒸餾流程蒸汽原料液冷卻水冷凝器蒸餾釜收集器萃取精餾1-萃取精餾塔2-萃取劑回收段3-苯回收塔4-冷凝器1342苯+環(huán)己烷脫溶劑基頂產(chǎn)品循環(huán)糠醛補充糠醛脫溶劑基底部產(chǎn)品恒沸精餾原料和苯酒精和水

1-恒沸精餾塔2-苯回收塔3-乙醇回收塔4-全凝器5-分層器123445無水乙醇水吸收：使混合氣體與適當(dāng)?shù)囊后w接觸，氣體中的一個或幾個組分便溶解于該液體內(nèi)而形成溶液，不能溶解的組分則保留在氣相中,即利用各組分溶解度不同而實現(xiàn)分離氣體混合物的操作。

溶質(zhì)：能夠溶解的組分

溶劑：即吸收劑，用來溶解氣體的液體

溶液：即吸收液，吸收操作所得到的液體吸收尾氣：排出的氣體吸收操作的意義：（1）原料氣的凈化。（2）有用組分回收。（3）制備有用溶液。（4）廢氣治理。2.6吸收吸收塔混合氣體溶液尾氣吸收劑

吸收塔平面圖2.7萃取

萃取操作的原理萃?。悍蛛x液體（或固體）混合物的一種單元操作，即選擇一種溶劑使混合物中易分離的組分溶解于其中，其余組分則不溶或少溶而獲得分離。亦稱溶劑萃取，簡稱萃取或抽提。萃取劑:選用的溶劑，以S表示；溶質(zhì):原料液中易溶于S的組分，以A表示；原溶劑（或稀釋劑）:難溶于S的組分,以B表示。將一定量萃取劑加入原料液中，然后加以攪拌使原料液與萃取劑充分混合，溶質(zhì)通過相界面由原料液向萃取劑中擴(kuò)散，所以萃取操作與精餾、吸收等過程一樣，也屬于兩相間的傳質(zhì)過程。攪拌停止后，兩液相因密度不同而分層：一層以溶劑S為主，并溶有較多的溶質(zhì)，稱為萃取相，以E表示；另一層以原溶劑（稀釋劑）B為主，且含有未被萃取完的溶質(zhì)，稱為萃余相，以R表示。若溶劑S和B為部分互溶，則萃取相中還含有少量的B，萃余相中亦含有少量的S。

一般地，在下列情況下采用萃取方法更為有利。

（1）原料液中各組分間的沸點非常接近，也即組分間的相對揮發(fā)度接近于1，若采用蒸餾方法很不經(jīng)濟(jì)；（2）料液在蒸餾時形成恒沸物，用普通蒸餾方法不能達(dá)到所需的純度；（3）原料液中需分離的組分含量很低且為難揮發(fā)組分，若采用蒸餾方法須將大量稀釋劑汽化，能耗較大；（4）原料液中需分離的組分是熱敏性物質(zhì)，蒸餾時易于分解、聚合或發(fā)生其它變化。萃取設(shè)備萃取設(shè)備的工業(yè)應(yīng)用實例萃取設(shè)備的類型很多。按萃取設(shè)備的構(gòu)造特點大體上可以分為三類：一是單件組合式；二是塔式；三式離心式。

萃取設(shè)備

生產(chǎn)能力/m3/(m2·h)理論級數(shù)或級效率或理論級當(dāng)量高度典型應(yīng)用混合－澄清器噴淋塔填料塔篩板塔轉(zhuǎn)盤塔離心萃取器變動范圍大15～756～453～63～604～9575％～95％he=3~6mhe=1.5~6m對HT＝100～300mm時微30％

3.4～12.5級潤滑油工藝，核燃料加工用氨水從NaOH中萃取NaC1回收苯酚糠醛處理潤滑油工藝廢水中脫酚

萃取設(shè)備一、混合清澄器混合清澄器是一種組合式萃取設(shè)備，每一級均由一混合器與一澄清器組成二、塔式萃取設(shè)備三、離心式萃取設(shè)備2.8干燥

2.8.1固體去濕方法和干燥過程物料的去濕方法（1）機(jī)械去濕

物料帶水較多時，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)入干燥劑內(nèi)；（3）供熱干燥工業(yè)干燥操作多是用熱空氣或其它高溫氣體為介質(zhì)，使之掠過物料表面，介質(zhì)向物料供熱并帶走汽化的濕分，此種干燥常稱為對流干燥，是本章討論的主要內(nèi)容；2.8.2對流干燥流程及經(jīng)濟(jì)性(1)干燥過程的傳熱、傳質(zhì)

傳熱傳質(zhì)方向從氣相到固體從固體到氣相推動力溫度差水汽分壓差(2)干燥過程進(jìn)行的必要條件①濕物料表面水汽壓力大于干燥介質(zhì)水汽分壓；②干燥介質(zhì)將汽化的水汽及時帶走。

2.8.3干燥設(shè)備1干燥器的分類按操作壓強分：常壓干燥器、真空干燥器；按操作壓強分：常壓干燥器、真空干燥器；按操作壓強分：常壓干燥器、真空干燥器；按操作壓強分：常壓干燥器、真空干燥器；一、箱式干燥器優(yōu)點：構(gòu)造簡單、制造容易、適應(yīng)性強。缺點：干燥不均勻，干燥時間長，勞動強度大，操作條件差。適用于干燥粒狀、片狀和膏狀物料，批量小、干燥程度要求高、不允許粉碎的脆性物料，以及隨時需要改變風(fēng)量、溫度和濕度等干燥條件的情況。二、帶式干燥器帶式干燥器是使用環(huán)帶作為輸送物料的干燥器。運輸帶通常用帆布、橡膠、金屬絲網(wǎng)制成，以金屬絲網(wǎng)居多。濕物料進(jìn)口干燥產(chǎn)品熱空氣廢氣三、氣流干燥器濕物料氣流式干燥系統(tǒng)干燥管干物料旋風(fēng)分離器蒸汽冷凝水冷空氣熱空氣板式換熱器廢氣風(fēng)機(jī)四、沸騰床干燥器（流化床干燥）a.單室流化床