化學工業(yè)與化學工程1.3

1、Foundations of Chemical Engineering-Chemical Industry & Chemical Engineering,1.3化工過程與單元操作 1.4化工過程開發(fā)簡介 1.5化工數(shù)據(jù),化工過程簡介,描述從原料開始，經(jīng)過一系列按一定順序并相互銜接的單元操作和反應(yīng)過程，生產(chǎn)合格產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程稱為工藝流程。 工藝流程一般用圖示方法來表達，稱為工藝流程圖,化工過程簡介,化工生產(chǎn)過程的技術(shù)文件 （1）工藝流程圖 （2）操作規(guī)程或操作手冊 內(nèi)容：裝置概述；產(chǎn)品、原料規(guī)格，原料消耗及能源消耗；反應(yīng)機理及影響因素；物料平衡；工藝流程敘述；停、開車規(guī)程；異?，F(xiàn)象與事故處理

2、；設(shè)備、儀表、電氣狀況；安全消防規(guī)程；防凍防凝；三廢處理；特殊操作； （3）工藝卡片 （4）停、開車方案與停、開車時間表；生產(chǎn)統(tǒng)計表；技術(shù)經(jīng)濟分析材料等。,化工過程簡介,三個主要步驟 原料處理。為了使原料符合進行化學反應(yīng)所要求的狀態(tài)和規(guī)格，根據(jù)具體情況，不同的原料需要經(jīng)過凈化、提濃、混合、乳化或粉碎等多種不同的預(yù)處理。 化學反應(yīng)。是生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過預(yù)處理的原料，在一定的溫度、壓力等條件下進行反應(yīng)，以達到所要求的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和收率。反應(yīng)類型是多樣的，可以是氧化、還原、復分解、磺化、異構(gòu)化、聚合、焙燒等。通過化學反應(yīng)，獲得目的產(chǎn)物或其混合物。 產(chǎn)品精制。將由化學反應(yīng)得到的混合物進行分離，除去副產(chǎn)

3、物或雜質(zhì)，以獲得符合組成規(guī)格的產(chǎn)品。,化工單元操作,化工單元操作,單元操作就是指化工及其相近工業(yè)生產(chǎn)中常見且遵循共同規(guī)律和具有共同作用的基本操作,化工單元操作,按操作目的劃分，單元操作可分為： 流體的輸送； 物料的混合； 物料的加熱或冷卻； 均相混合物的分離； 非均相混合物的分離,化工單元操作,按操作所遵循的規(guī)律和所起到的物理作用，單元操作分為： 動量傳遞過程遵循流體力學基本規(guī)律。包括流體輸送、攪拌、沉降、過濾和離心分離等。 熱量傳遞過程遵循熱交換基本規(guī)律。包括傳導、輻射和對流傳熱、熱交換、蒸發(fā)等。 質(zhì)量傳遞過程遵循傳質(zhì)基本規(guī)律。包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、結(jié)晶、干燥、離子交換和膜分離等。,熱

4、量 傳遞,動量 傳遞,質(zhì)量 傳遞,吸收 萃取 吸附,流態(tài)化 噴霧干燥,氣體液化 液體氣化,精餾、結(jié)晶,流體輸送、沉降與過濾、攪拌,蒸發(fā)濃縮 加熱冷卻,混合、均質(zhì),化工單元操作,單元操作內(nèi)容包括過程和設(shè)備兩個方面，故單元操作又稱為化工過程和設(shè)備。 化工生產(chǎn)過程 =“三傳”+“一反” 。,化工單元操作,單元操作的研究方法 研究對象是現(xiàn)實的復雜的化工生產(chǎn)過程，少數(shù)單元操作可以求解，但大多數(shù)的單元操作無法直接求解或根本無解可求。具體研究有兩種方法： (1)實驗研究法 以量綱分析為指導，依靠實驗建立過程參數(shù)之間的相互關(guān)系，把這種關(guān)系表示成由若干參數(shù)組成的特征數(shù)的關(guān)聯(lián)。 (2)數(shù)學模型法 通過對實際問題的

5、機理做深入分析，在抓住過程本質(zhì)的前提下做出某些合理的簡化，得出能基本反映過程機理的物理模型。模型中的參數(shù)須通過實驗來確定，同時模型的可靠性也須由實驗來檢驗。故該方法為半理論、半實驗的方法。,常用基本概念,物料衡算 物料衡算（質(zhì)量衡算）遵循質(zhì)量守恒定律。體現(xiàn)投入產(chǎn)出關(guān)系。 輸入物料的質(zhì)量-排出物料的質(zhì)量=過程積累的質(zhì)量 對于連續(xù)定態(tài)操作的過程，過程中沒有物料的積累， 輸入物料的質(zhì)量=排出物料的質(zhì)量,常用基本概念,物料衡算注意的問題： 確定衡算的系統(tǒng)。即衡算的范圍，一個生產(chǎn)過程；一臺操作設(shè)備；一個化學反應(yīng)；一道工序及其它們各自的一部分。 確定衡算的基準。過程中不起變化的量作基準；連續(xù)操作中以單位時

6、間作為基準。 衡算的對象。有化學變化的過程選擇不發(fā)生變化的物質(zhì)或某一個化學元素；蒸餾過程選擇一個組分。 確定衡算對象的物理量及單位。物料量用質(zhì)量或物質(zhì)的量表示。單位要統(tǒng)一。 是化工生產(chǎn)過程中最基本的計算，物料衡算可以為正確地選擇生產(chǎn)過程的流程、計算原料消耗定額、設(shè)備的生產(chǎn)能力和主要尺寸提供依據(jù)。,常用基本概念,能量衡算 能量衡算遵循能量守恒定律。 輸入的能量輸出的能量+系統(tǒng)累積能量+損失能量 能量衡算注意的問題除基準溫度外，與物料衡算相同。 能量衡算可以計算單位產(chǎn)品的能耗；確定生產(chǎn)過程中需要輸入或移走的熱量；設(shè)計換熱器。 平衡關(guān)系 任何一個物理或化學變化過程，在一定條件下沿著一定方向進行，最后

7、達到動態(tài)平衡為止。傳熱由高溫向低溫傳遞至二者溫度相等，宏觀上沒有熱量傳遞為止。表明了操作過程的極限。,常用基本概念,過程速率 過程速率是指物理或化學變化過程進行的快慢。一般用單位時間過程進行的變化量表示過程的速率。傳熱用單位時間傳遞過的熱量或用單位時間單位面積傳遞過的熱量表示；傳質(zhì)用單位時間單位面積傳遞過的質(zhì)量表示。 過程速率決定設(shè)備的生產(chǎn)能力。過程速率越大，設(shè)備生產(chǎn)能力越大，或在同樣產(chǎn)量時所需的設(shè)備尺寸越小。,常用基本概念,經(jīng)濟核算 在設(shè)計或選用具有一定生產(chǎn)能力的設(shè)備時，根據(jù)設(shè)備的型式和材料的不同，可以有若干不同的設(shè)計方案，對于同一臺設(shè)備，所選用的操作參數(shù)不同，設(shè)備費用和操作費用也有差別。采

8、用經(jīng)濟核算確定最經(jīng)濟的方案以達到技術(shù)和經(jīng)濟的優(yōu)化。,常用基本概念,工程觀點 工程問題與理論問題有著很大的區(qū)別，從工程的角度來思考、解決實際的工程問題的觀點稱為工程觀點。工程觀點貫穿本課程的始終。 課程中經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式都有相應(yīng)的使用條件，必須在符合使用條件的前提下才能應(yīng)用，這是工程性的一個典型特征。 利用經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式計算過程中往往前提條件不能確定，即前提條件中含有未知數(shù)，需要用試差法來解決。 試差初值如何選取，要有工程數(shù)量概念，如一般水的流速在1-3m.s-1，摩擦系數(shù)0.02-0.03等等； 計算過程中的有效數(shù)字取舍(如功率)；物性參數(shù)的選取(定性溫度下)； 工程問題的求解與設(shè)計方案不是

9、唯一的，要根據(jù)經(jīng)濟性來考慮，另外，還要兼顧節(jié)能、環(huán)保、資源回收等因素。,化工過程開發(fā)簡介,實驗室研究 預(yù)設(shè)計評價中間試驗放大設(shè)計、技術(shù)經(jīng)濟評價工業(yè)化試驗 費時、費人、耗費資金。 開發(fā)周期平均為三年左右。 中試耗資為實驗室研究的100倍。 化工新技術(shù)（產(chǎn)品）從研究到產(chǎn)業(yè)化的機會只有1-3%；發(fā)達國家5-10%。 從開發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的機會只有10-25%； 從中間試驗到產(chǎn)業(yè)化的機會也只有40-60%。,化工過程開發(fā)簡介,放大是化工生產(chǎn)過程開發(fā)的核心問題 設(shè)備尺寸加大裝置參數(shù)和過程的性質(zhì)，（面積、容量和攪拌強度、壓力損耗、熱傳遞）隨設(shè)備尺寸變化的規(guī)律各異，工藝指標（例如轉(zhuǎn)化率、選擇性等）。 大小裝置之間工藝結(jié)果的差別歸結(jié)于“放大效應(yīng)”，尋求其產(chǎn)生因由和改善的方法是過程開發(fā)一項中心任務(wù)。,化工數(shù)據(jù)-化工數(shù)據(jù)分類,(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 物料的物理化學性質(zhì)及有關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，密度、粘度、分子量、正常沸點、凝固點等，可直接查出。 (2)過程參數(shù) 與生產(chǎn)過程進行和操作條件有關(guān)的數(shù)據(jù)，溫度、壓力、流速、流量等，操作參數(shù)，控制生產(chǎn)過程的主要指標。 (3)結(jié)構(gòu)參數(shù) 設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸 (4)無量綱量 由各種變量和參數(shù)組合而成的無量綱的純數(shù)