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,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,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