化工原理概况讲义.ppt

化工原理 化工原理的研究对象1 化工过程 用化工手段将原料加工成产品的生产过程统称为化工生产过程 目的是提高物料的价值 产品用于满足社会的需要 图1 1基本化工生产过程 原料 1 预处理 2 反应 3 后处理 产品 中低压法合成甲醇工艺流程图 甲醇的生产 三聚氰胺的生产 原料的预处理进行化学反应反应产物的分离与提纯 原料的预处理反应产物的分离与提纯 单元操作 单元操作 化工生产中除化学反应单元以外的所有物理性操作 化工过程 化学反应 单元操作 化工原理 研究各个独立的单元操作 单元操作的分类 1 按操作目的分 流体输送 物料的混合 气体和液体的输送 主要指通过搅拌达到物料混合或分散的目的 物料的加热或冷却 利用物料和环境之间的温度差输入或输出热量 均相混合物的分离 气体吸收 液体蒸馏 萃取等 非均相混合物的分离 过滤和沉降 2 按单元操作遵循的基本规律分 动量传递过程 热量传递过程 遵循流体力学基本规律的单元操作 流体输送 沉降 过滤和离心分离等 遵循热交换基本规律的单元操作 如传热 蒸发等 质量传递过程 遵循通过扩散 从一相转移到另一相的过程 吸收 吸附 蒸馏 萃取 离子交换 膜分离等 化工计算的基本原则 物料衡算热量衡算平衡关系过程速率 1 物料衡算 物料衡算也称为质量衡算 其依据是质量守恒定律 它反映一个过程中原料 产物 副产物等之间的关系 进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量 输入物料量 排出物料量 过程积累量 积累M M入 M出 系统 图1 2物料衡算示意图 物料衡算式 M入 M出 M 1 1 连续稳定流动 M入 M出 1 2 二 能量衡算 机械能 热量 电能 磁能 化学能 原子能等统称能量 化工生产中常以热量为主 下面以热量衡算为例说明能量衡算过程 注意 作热量衡算时 由于焓是相对值 与温度基准有关 故应说明基准温度 习惯上选0 为基温 并规定0 时液态的焓为零 图1 3热量衡算示意图 热量衡算式 Q入 Q出 Q 稳定的连续性操作 Q入 Q出 1 3 1 4 3 平衡关系 平衡关系可以确定过程进行的方向 程度 平衡状态是过程进行的极限 例如 4 过程速率 20 水 80 乙醇 乙醇 20 水 80 空气 空气 1 流体输送2 颗粒沉降和流态化3 传热4 蒸发5 吸收6 精馏7 萃取8 结晶9 干燥 3 传热4 蒸发5 吸收6 精馏7 萃取8 结晶9 干燥 化工原理研究的单元操作 1 传热 夏天人在同样温度 如 25度 的空气和水中的感觉不一样 为什么 真空保温杯为什么能保温 北方寒冷地区 建筑房屋都是双层玻璃 以利于保温 为什么 为什么烧水壶在装有水的情况下可以在火焰上长时间加热 而直接放在火焰上很快就会烧坏 热量传递过程的推动力 温差热力学第二定律 热量可以自发地由高温热源传给低温热源 有温差就会有传热 温差是热量传递的推动力 直接接触式换热器 混和式换热器 常见换热器简介 蓄热式换热器 回流式换热器 蓄热器 沉浸式蛇管换热器使用 沉浸在盛有被加热或被冷却介质容器中 两种流体分别在管内 外进行换热 喷淋式蛇管换热器 将蛇管成排地固定在钢架上 被冷却的流体在管内流动 冷却水由管排上方的喷淋装置均匀淋下 套管式换热器 固定管板式换热器它是将两端管板和壳体连接在一起 浮头式换热器它是将一端管板与壳体相连 而另一端管板不与壳体固定连接 可以沿轴向自由浮动 如图示 U型管式换热器 平板式换热器由一组长方形的金属薄板平行排列在一起 采用夹紧装置组装于支架上而构成 见图 螺旋板式换热器它是由两张互相平行的薄金属板 卷制成同心的螺旋形通道 2 蒸发 1 酒精涂在体表有清爽的感觉 2 空调为什么可以制冷 制热 3 海水如何获得淡水 单效蒸发多效蒸发 蒸发 将稀溶液在沸腾状态下进行浓缩的单元操作 蒸发分类 常压蒸发加压蒸发减压蒸发 蒸发的目的 溶液中溶剂的汽化 获得溶剂产品或不挥发溶质产品 蒸发的必要条件 不断供给热能 不断排除蒸汽 溶剂易挥发 3 吸收 吸收分离操作 利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异 使某些易溶组分进入液相形成溶液 不溶或难溶组分仍留在气相 从而实现混合气体的分离 吸收剂 气体 y x 界面 气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解 在气相和液相内由浓度差推动的传质过程 煤气脱苯 溶解度曲线 在一定温度 压力下 平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线 溶解度 g NH3 1000g H2O 1000 500 0 20 40 60 80 100 120 pNH3 kPa 50oC 40oC 30oC 20oC 10oC 0oC 50oC 40oC 30oC 20oC 10oC 0oC 在相同条件下 NH3在水中的溶解度较SO2大得多 用水作吸收剂时 称NH3为易溶气体 SO2为中等溶解气体 溶解度更小的气体则为难溶气体 如O2在30 1kg水中溶解的质量仅为0 014g 气体在液体中的溶解度 气液两相的接触方式 连续接触 也称微分接触 气 液两相的浓度呈连续变化 如填料塔 级式接触 气 液两相逐级接触传质 两相的组成呈阶跃变化 如板式塔 散装填料塑料鲍尔环填料 规整填料塑料丝网波纹填料 吸收塔的设计内容 1 吸收剂的选择 2 流向选择 3 塔结构选择 4 最小汽液比例 5 塔高 6 塔径 1 溶解度 对溶质组分应具有较大的溶解度2 选择性高 对混合气体中的其他组分基本不吸收3 挥发性小 减少溶剂的用量 避免引入新杂质4 黏度低 便于运输 比热小 再生时节能 发泡性低 减少设备的尺寸 5 腐蚀性低 减少设备费用 6 化学稳定性高 7 无毒 无害 价廉 易于再生等 溶剂选择要求 总的选择原则是 经济 合理 有几个问题 1 低温还是高温适合气体吸收操作 2 吸收塔的高度是否越高越好 3 吸收操作能否实现完全的气体分离 4 精馏 1 水和酒精如何实现分离 2 汽油 柴油如何获得 3 化工产品一般来说纯度较低 如何获得较高的纯度 水 酒精 菜籽油这三个哪个更易挥发 平衡蒸馏 液相 或气相 混合物连续通过节流闪蒸或膨胀或将混合气进行部分冷凝 使物流达到一次平衡的蒸馏过程 称之平衡蒸馏 简单蒸馏 简单蒸馏是分批加入原料 进行间歇操作 蒸馏过程中不断从塔顶采出产品 为了得到更高纯度的产品 你可以设计什么样的装置 精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作 其实质是多级蒸馏 精馏