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化工基础知识 1 化工生产概述单位制和单位换算管路相关知识 学习内容 2 1 1化工生产的特点1 2化工生产过程1 3单元操作和单元反应1 4两个重要的基本定律1 5化工生产基础知识的主要内容 第一章 化工生产概述 3 1 生产过程连续性和间接性 空间连续 时间连续 操作一般都不和物料直接接触 2 生产技术的复杂性和严密性 工艺流程复杂 化学反应对反应条件要求非常严格 每种产品都有一套严密的工艺规程 3 原料 产品和工艺的多样性 不同原料制造同一产品 同一原料制造不同产品 化工产品一般都有两种以上的生产工艺 4 安全生产的极端重要性 高温 高压 真空 深冷 物料易燃 易爆 有毒 1 1化工生产的特点 4 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 化工生产基础知识兼有 科学 与 技术 的特点 它综合运用数学 物理 化学等基础知识 来分析和解决化工类型生产过程中的各种问题 在化学 化工类专业人才培养中 它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务 所以它起到理论学科与应用学科的搭桥作用 化工基础知识通常包括 化工原理 化学反应工程 及 化工工艺学 三大部分内容 习惯上称为 三传一反一工 5 任何化工生产过程都可以分解和归纳为两类过程 即化学反应过程和物理处理过程 这也就是核心部分和辅助部分两大部分 化学反应过程的结果是物质发生变化 物理处理过程的结果是物质发生物理变化 物理变化 只改变物质的外部状态和形状 而没有改变物质的组成 更没有新物质产生 这种变化称作物理变化 如物质的顔色 形态等的变化 化学变化 由一种物质生产新物质的变化称作化学变化 如铁氧化后生成铁锈 炭燃烧后生成二氧化碳等 1 2化工生产过程 6 前处理 核心处理 后处理核心部分 化学反应过程及其设备 反应器 是整个化工生产过程的核心 前处理过程 又称预处理过程 在进行化学反应之前 对原料进行各种预处理 以便为反应过程创造最适宜的工艺条件 如适宜的物料状态 纯度以及它应具有的温度 压强等 后处理过程 化学反应后 对产物或中间产物需要进行必要的后处理 以便获得合格的最终产品或中间产物 7 定义具有物理变化特点的基本加工过程称为单元操作 也叫物理过程 具有化学变化特点的基本加工过程称为单元反应 也叫单元过程或化学过程 任何一个化工生产过程都是由若干个单元操作经过合理地组合 再与化学反应串联而成 单元操作和单元反应 8 单元操作都是纯物理性操作 这些操作只改变物料的状态或物理性质 并不改变物料的化学性质 单元操作都是化工生产过程中共有的操作 单元操作广泛的应用于石油 化工 轻工 冶金 动力及原子能等多种行业中 某单元操作作用于不同的化工生产过程 其遵循的原理是相同的 进行该操作的设备也是相似的 通用的 单元操作的特点 9 1 硫体流动过程的单元操作遵循流体动力学规律进行的操作过程 如液体输送 气体输送 气体压缩 过滤 沉降等 2 热量传递过程的单元操作遵循热量传递规律进行的操作过程 也叫传热过程 如传热 蒸发等 3 质量传递过程的单元操作物质从一个相转移到另一个相的操作过程 也叫传质过程 如蒸馏 吸收 萃取等 4 热力过程的单元操作遵循热力学原理进行的单元操作 如冷冻等 5 机械过程的单元操作依靠机械加工或机械输送进行的单元操作 如粉碎 固体输送等 单元操作类型 10 1 物质守恒定律 化学反应过程中 只是由一些物质变化成为另一些物质 但在变化前后物质的量是相等的 W原 W产 W损2 能量守恒定律 能量转化过程中 能量只能相互转化 而不能自生自灭 只能从一种形式转化成另一种形式 Q入 Q出 Q损 1 4两个重要的基本定律 11 1 化工原理 三传 主要内容 2 化学反应工程 一反 部分内容 3 化工工艺学 一工 部分内容 化工生产基础知识的主要内容 12 1 动量传递过程 主要讨论流体动力学过程的基本规律 即研究流体的流动及流体和与之接触的固体壁面间发生相对运动时的基本规律 以及受这些规律支配的若干单元操作 如 流体的流动与输送 沉降 过滤等 2 热量传递过程 主要讨论热量传递过程的基本规律 以及受这些规律支配的若干单元操作 如 加热 冷却 蒸发等 3 质量传递过程 主要讨论物质通过相界面的迁移过程的基本规律 以及受这些规律支配的若干单元操作 如 液体的蒸馏 气体的吸收 固体的干燥等 化工原理 三传 主要内容 13 化学反应工程是以化学动力学 化学热力学以及 三传 的原理为基础 研究工业规模的化学反应的规律 为反应器的设计 放大 选型及生产控制提供理论依据 化学反应器是化工生产中用于进行化学反应的设备 是整个生产过程的心脏 化学反应工程 一反 部分内容 14 化工工艺学是研究如何利用天然原料或半成品通过适当的化学和物理的方法加工成化工产品的生产过程的学科 它的任务是依据化学 物理化学 化学工程原理 寻求技术上先进 经济上合理的生产方法 工艺流程 最佳操作条件和适宜的设备构型 化工工艺学 一工 部分内容 15 2 1单位制2 2SI的优越性2 3目前我国使用的单位制 第二章单位制和单位换算 16 相关概念 基本量 任何单位制的建立 都是首先选择几个独立的物理量 如长度 时间 质量等 并以使用方便为原则规定出它们的单位 这些物理量称为基本物理量 简称基本量 其单位称为基本单位 导出量 其它的物理量 如速度 加速度等的单位则根据有关的物理定义或定律 由有关的基本单位推导而出 这些物理量称为导出量 对应的单位称为导出单位 2 1单位制 17 1 过去常用的单位制 18 国际单位制是1960年10月第十一界国际计量大会通过的一种优越性较大的新单位制 其代号为SI SI的基本量与基本单位 SI是MKS制的引申 除了MKS制中原有的长度 时间和质量三个基本量外 又加上了四个基本量 2 国际单位制 19 国际单位制的基本量与基本单位 20 国际单位制的辅助单位 国际单位制中具有专门名称的导出单位 21 1 通用性 SI具有高度的通用性或者统一性 它包括了所有领域中的计量单位 从而使科学技术 工业生产 经济贸易甚至日常生活等都只使用SI一种单位制 2 一贯性 使用SI在导出单位时 不需引入比例系数 而且SI中任何一个物理量只有一个单位 热 功 能是本质相同的物理量 计算或比较时由于单位不同必须采用 热功当量 进行换算 1kcal 427kgf m 1kcal 4 18kJ 在SI中 既然三者本质相同 则其单位统一 统一使用kJ为单位 这样使得计算或比较非常方便 2 2SI的优越性 22 2 3目前我国使用的单位制 国家选定的非国际单位制单位 23 第三章管路相关知识 管路 由管子 管件 法兰 垫片 紧固件 阀门以及管道特殊件等管道组成件及管道支吊架 管道支承件 等组成 是管子 管件 法兰 螺栓连接 垫片 阀门 其他组成件或受压部件和支承件的装配总成 所谓管道特殊件 是指非普通标准组成件 是按工程设计条件特殊制造的管道组成件 包括膨胀节 特殊阀门 爆破片 阻火器 过滤器 挠性接头及软管等 24 3 1压力管道3 2阀门3 3法兰 25 定义分类管道规格钢号 8 1压力管道 26 从广义上理解 所谓压力管道 应当是指所有承受内压或外压的管道 无论其管内介质如何 但从我国颁发 压力管道安全管理与监察规定 以后 压力管道 便成为受监察管道的专用名词 在 压力管道安全管理与监察规定 第二条中将压力管道定义为 在生产 生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备 定义 27 压力管道 是指利用一定的压力 用于输送气体或者液体的管状设备 其范围规定为最高工作压力大于或者等于0 1MPa 表压 的气体 液化气体 蒸汽介质或者可燃 易爆 有毒 有腐蚀性 最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质 且公称直径大于25mm的管道 定义 28 GA类 长输管道 GA分为 GA1与GA2级 GB类 公用管道 GB分为 GB1与GB2级 GC类 工业管道 GC分为 GC1 GC2及GC3类 其中GC1级安全等级最高 GC3级安全等级最低 分类 29 管道规格 压力 30 管道规格 压力 31 管道规格 公称直径 表8 1管径及相应的管螺纹 32 1 碳素结构钢2 优质碳素结构钢3 碳素工具钢4 易切削钢5 合金结构钢6 低合金高强度钢7 弹簧钢 钢号表示方法的分类说明 8 滚动轴承钢9 合金工具钢和高速工具钢10 不锈钢和耐热钢11 焊条钢12 电工用硅钢13 电工用纯铁 33 阀门是介质流通或压力系统中的一种设施 它用来调节介质的流量或压力 其功能包括切断或接通介质 控制流量 改变流量 改变介质流向 防止介质回流 控制压力或泄放压力 一 阀门的分类二 各种阀门的优缺点 3 2阀门 34 阀门分类1 5 依照阀门的用途和作用来分 切断阀类 其作用是接通和截断管路内的介质 如球阀 闸阀 截止阀 蝶阀和隔膜阀 调节阀类 其作用是用来调节介质的流量 压力的参数 如调节阀 节流阀和减压阀等 止回阀类 其作用是防止管路中介质倒流 如止回阀和底阀 分流阀类 其作用是用来分配 分离或混合管路中的介质 如分配阀 疏水阀等 安全阀类 35 2 依驱动形式来分 手动阀 动力驱动阀 如电动阀 气动阀 自动类 此类不手须外力驱动 而利用介质本身的能量来使阀门动作 如止回阀 安全阀 自力式减压阀和疏水阀等 阀门分类2 36 3 依公称压力分类可分为 真空阀门 工作压力低于标准大气压 低压阀门 公称压力小于或等于1 6Mp 中压阀门 公称压力为2 5MPA 4 0MPA 6 4MPA 高压阀门 公称压力10MPA 80MPA 超高压阀门 大于100MPA 阀门分类3 37 4 按温度等级分类可分为 超低温阀门 工作温度低于 80 低温阀门 工作温度介于 40 80 常温阀门 工作温度高于 40 而低于或等于120 中温阀门 工作温度高于120 而低于450 高温阀门 工作温度高于450 阀门分类4 38 2020 1 8 39 5 通常分类法是按照既考虑工作原理和作用 又考虑阀门结构 此为国内通常分类法 可分为 闸阀 蝶阀 截止阀 止回阀 旋塞阀 球阀 夹管阀 隔膜阀 柱塞阀等 阀门分类5 40 1 闸阀2 蝶阀3 球阀4 截止阀5 旋塞阀 各种阀门的优缺点 6 隔膜阀7 安全阀8 疏水阀9 减压阀10 止回阀 41 1 闸阀 符号Z 42 闸阀也叫闸板阀 是一种广泛使用的阀门 它的闭合原理是闸板密封面与阀座密封面高度光洁 平整一致 相互贴合 可阻止介质流过 并依靠顶模 弹簧或闸板的模形 来增强密封效果 它在管路中主要起切断作用 即全开或全关使用 一般 闸阀不可作为调节流量使用 它可以适用低温低压也可以适用于高温高压 并可根据阀门的不同材质 但闸阀一般不用于输送泥浆等介质的管路中 闸阀原理 43 优点 流体阻力小 启 闭所需力矩较小 可以使用在介质向两方向流动的环网管路上 也就是说介质的流向不受限制 全开时 密封面受工作介质的冲蚀比截止阀小 形体结构比较简单 制造工艺性较好 结构长度比较短 缺点 外形尺寸和开启高度较大 所需安装的空间亦较大 在启闭过程中 密封面相对摩擦 摩损较大 甚至要在高温时容易引起擦伤现象 一般闸阀都有两个密封面 给给加工 研磨和维修增加了一些困难 启闭时间长 闸阀优 缺点 44 2 蝶阀 符号D 45 蝶阀 也叫蝴蝶阀 顾名思义 它的关键性部件好似蝴蝶迎风 自由回旋 是用圆盘式启闭件往复回转90 左右来开启 关闭和调节流体通道的一种阀门 蝶阀具有轻巧的特点 比其他阀门要节省材料 结构简单 开闭迅速 切断和节流都能用 流体阻力小 操作省力 蝶阀 可以做成很大口径 能够使用蝶阀的地方 最好不要使闸阀 因为蝶阀比闸阀经济 而且调节性好 蝶阀原理 46 优点 结构简单 体积小 重量轻 耗材省 别用于大口径阀门中 启闭迅速 流阻小 可用于带悬浮固体颗粒的介质 依据密封面的强度也可用于粉状和颗粒状介质 可适用于通风除尘管路的双向启闭及调节 广泛用于冶金 轻工 电力 石油化工系统的煤气管道及水道等 缺点 流量调节范围不大 当开启达30 时 流量就将进95 以上 由于蝶阀的结构和密封材料的限制 不宜用于高温 高压的管路系统中 一般工作温度在300 以下 PN40以下 密封性能相对于球阀 截止阀较差 故用于密封要求不是很高的地方 蝶阀优 缺点 47 3 球阀 符号Q 48 是由旋塞阀演变而来 它的启闭件是一个球体 利用球体绕阀杆的轴线旋转90 实现开启和关闭的目的 球阀在管道上主要用于切断 分配和改变介质流动方向 设计成V形开口的球阀还具有良好的流量调节功能 球阀原理 49 优点 具有最低的流阻 不会被卡住 在无润滑剂时 能可靠地应用于腐蚀性介质和低沸点液体中 在较大的压力和温度范围内 能实现完全密封 可实现快速启闭 且操作无冲击 球形关闭件能在边界位置上自动定位 工作介质密封可靠 在全开和全闭时 球体和阀座的密封面与介质隔离 介质不会引起密封面的侵蚀 结构紧凑 重量轻 是用于低温介质系统的最合理的阀门结构 阀体对称 尤其是焊接阀体结构 能很好地承受来自管道的应力 关闭件能承受关闭时的高压差 全焊接阀体的球阀 可以直埋于地下 使阀门内件不受浸蚀 使用寿命长 是石油 天然气管线最理想的阀门 球阀优点 50 缺点 因为球阀最主要的阀座密封圈材料是聚四氟乙烯 它对几乎所有的化学物质都有是惰性的 且具有摩擦系数小 性能稳定 不易老化 温度适用范围广和密封性能优良的综合性特点 但聚四氟乙烯的物理特性 包括较高的膨胀系数 对冷流的敏感性和不良的热传导性 要求阀座密封的设计必须围绕这些特性进行 所以 当密封材料变硬时 密封的可靠性就受到破坏 而且 聚四氟乙烯的耐温等级较低 只能在小于180 情况下使用 超过此温度 密封材料就会老化 而考虑长期使用的情况下 一般只会在120 不使用 它的调节性能相对于截止阀要差一些 尤其是气动阀 或电动阀 球阀缺点 51 4 截止阀 J 52 是指关闭件 阀瓣 沿阀座中心线移动的阀门 根据阀瓣的这种移动形式 阀座通口的变化是与阀瓣行程成正比例关系 由于该类阀门的阀杆开启或关闭行程相对较短 而且具有非常可靠的切断功能 又由于阀座通口的变化与阀瓣的行程成正比例关系 非常适合于对流量的调节 因此 这种类型的阀门非常迁合作为切断或调节以及节流用 截止阀分为三类 直通式 直角式及直流式斜截止阀 截止阀原理 53 优点 在开启和关闭过程中 由于阀瓣与阀体密封面间的磨擦力比闸阀小 因而耐磨 开启高度一般仅为阀座通道的1 4 因此比闸阀小得多 通常在阀体和阀瓣上只有一个密封面 因而制造工艺性比较好 便于维修 由于其填料一般为石棉与石墨的混合物 故耐温等级较高 一般蒸汽阀门都用截止阀 缺点 由于介质通过阀门的流动方向发生了变化 因此截止阀的最小流阻也较高于大多数其他类型的阀门 长期运行时 密封可靠性不强 由于行程较长 开启速度较球阀慢 体积大 结构长度大于闸阀 注意 截止阀只许介质单向流动 安装时有方向性 截止阀优 缺点 54 旋塞阀 也叫旋塞 考克 转心门 旋塞阀是依靠旋塞体绕阀体中心线旋转 以达到开启与关闭的目的 它的作用是切断 分田和改变介质流向 原理与球阀基本相似 优点 结构简单 外形尺寸小 操作时只须旋转90度 流体阻力也不大 缺点 开关费力 密封面容易磨损 高温时容易卡住 不适宜于调节流量 种类很多 有直通式 三通式和四通式 5 旋塞阀 X 55 一种特殊形式的截断阀 它的启闭件是一块用软质材料制成的隔膜 把阀体内腔与阀盖内腔及驱动部件隔开 故称隔膜阀 优点 操纵机构与介质通路隔开 工作介质的纯净 同时介质冲击操纵机构工作部件的可能性小 阀杆处不需单独密封 由于工作介质接触的仅仅是隔膜和阀体 二者均可以采用多种不同的材料 该阀能理想控制多种工作介质 尤其适合带有化学腐蚀或悬浮颗粒的介质 结构简单 只由阀体 隔膜和阀盖组合件三个部件构成 易于快速拆卸和维修 更换隔膜可以在现场及短时间内完成 6 隔膜阀 G 56 隔膜阀缺点 缺点 隔膜阀一般只能应用DN 200mm的管路上 只适用于低压及温度不超过180 的场合 调节性能相对较差 只在小范围内调节 57 是指在受压容器 设备或管路上 作为超压保护装置 当设备 容器或管路内的压力升高超过允许值时 阀门自动开启 继而全量排放 以防止设备 容器或管路和压力继续升高 当压力降低到规定值时 阀门应自动及时关闭 从而保护设备 容器或管路的安全运行 7 安全阀 A 58 安全阀 59 疏水阀也叫阻汽排水阀 汽水阀 疏水器 回水盒 回水门等 它的作用是自动排泄不断产生的凝结水 而不让蒸汽出来 当设备或管道中的凝结水在蒸汽压力推动下进入疏水阀 逐渐增多至接近灌满浮筒时 由于浮筒的重量超过了浮力而向下沉落 使节流阀开启 这样使得筒内的凝结水在蒸汽压力的作用下经导管和阀门排出 当浮筒内的凝结水接近排完时 由于浮筒的重量减轻而向上浮起 使节流阀关闭 浮筒内又开始积存凝结水 这样周期性地工作 既可自动排出凝结水 又能阻止蒸汽外逸 8 疏水阀 S 60 减压阀是通过调节 将进口压力减至某一需要的出口压力 并依靠介质本身的能量 使出口压力自动保持稳定的阀门 一般阀后压力要小于阀前压力的50 减压阀种类很多 主要有活塞式和弹簧薄膜式两种 活塞式减压阀是通过活塞的作用进行减压的阀门 弹簧薄膜式减压阀 是依靠弹簧和薄膜来进行压力平衡的 9 减压阀 Y 61 又称逆流阀 逆止阀 背压阀和单向阀 这些阀门是靠管路中介质本身的流动产生的力自动开启和关闭的 属于一种自动阀门 止回阀用于管路系统 其主要作用是防止介质倒流 防止泵及驱动电动机反转 以及容器介质的泄放 还可用于给其中的压力可能升至超过系统压的辅助系统提供补给的管路上 主要可分为升降式 沿轴线移动 与旋启式 依重心旋转 10 止回阀 H 62 止回阀 63 1 法兰类型及类型代号2 密封面型式3 法兰类型与密封面形式4 法兰标记及示例 3 3法兰 64 1 法兰类型及类型代号 65 SO 带颈平焊法兰 PL 板式平焊法兰 66 WN 带颈对焊法兰 67 IF 整体法兰 68 SW 承插焊法兰 69 Th 螺纹法兰 70 一 选择题1 下列哪种材质的设备适用于次氯酸钠的储存 C A碳钢B不锈钢C玻璃钢D铸铁2 下列四种阀门 可用于调节流量的阀门是 A A 截止阀B 闸阀流量调节不灵敏 阻力小C 考克阀全开全关D 蝶阀全开全关3 安全阀的功用 A A排放泄压和报警B泄压C阻断火焰D报警4 安全阀使用必须进行调压 当操作压力为常压时 其压力值应为 A A 操作压力值B 操作压力的约1 2倍C操作压力的约2 0倍D 操作压力的2 5倍 71 5 不属于化工设备结构特点的是 C A 形体基本以回转体为主B 壳体上开孔和管口多C 大多采用非金属材料D 各部分结构尺寸相差悬殊6 管道的常用表示方法是 C A管径代号B管径代号和外径C管径代号 外径和壁厚D管道外径7 热水泵入口一般选用 B