化工生产基础知识(最终版)

1 化工生产基础知识 2 目录 第一部分化工生产概论第一节化学工业第二节化工生产过程的定义和特点第三节化工生产过程的基本组成规律第四节化工生产过程的有关基本概念 3 第二部分化工基本操作第一节流体输送第二节混合物的分离第三节传热第四节蒸发第五节液体的精馏第六节气体吸收第七节干燥第八节制冷 4 第三部分有机化学工业第一节前言第二节有机化学基础知识第三节有机化学主要产品 5 第四部分己二酸产品及生产方法简介第一节己二酸分子式和结构式第二节己二酸物理性质第三节己二酸用途第四节己二酸生产方法第五节本公司己二酸项目生产规模和生产原理第六节己二酸的三种主要原料来源 6 化工生产基础 第一部分化工生产概念第一节化学工业一 化学工业的定义以天然物质或其他物质为原料 通过化学方法和物理方法 使其结构 形态发生变化 生成新的物质 制成生产资料和生活资料的工业 称为化学工业 7 二 化学工业的重要性1 化学工业是国民经济的重要部门2 化学工业和人民生活息息相关3 人类正面临着资源 能源 环境等危机 解决这些的根本途径也有赖于化学工业4 核能的利用为解决能源危机开辟了广阔前景 但核能工业和化学工业的关系非常密切 化学工业上述的作用要通过化工生产过程来实现 8 第二节化工生产过程一 化工生产过程的定义化工生产过程 又称 化工工艺过程 主要指原材料进入化工生产装置 经过物理方法和化学方法的加工到制成合格产品的过程 化工生产过程对化工企业创造物质财富起着决定性作用 是构成化工企业的主体 9 二 化工生产过程的四个特点1 化工生产过程连续性和间接性化工生产过程是通过一定的工艺流程来实现的 属于流程型生产 工艺流程指的是以反应设备为骨干 由系列单元设备通过管路串联组成的系统装置 流程型生产一般具有连续性和间接性 10 1 连续性体现在两个方面 空间的连续性 生产过程是一条连锁式的生产线 各个工序紧密相联 首尾串通 无论哪个工序失调 都会导致整个生产线不能正常运转 时间的连续性 生产长期运转 昼夜不停 各个班次紧密衔接 无论哪班出故障 都会影响整个生产过程的正常运行 11 2 间接性体现在操作人员一般不和物料直接接触 生产过程在密闭的设备内进行 对物料的运行看不见 摸不着 操作人员要借助管道识别物料 靠检测仪表 分析化验 了解生产情况 用仪表和计算机控制生产运行 12 2 生产技术的复杂性和严密性 1 复杂性化工的工艺流程多数比较复杂 当今的基础化学正朝着大型化和高度自动化发展 而应用化学工业正朝着精细化 专用化 高性能和深加工发展 2 严密性由于化工反应对其应具备的条件要求非常严格 每种产品都有一套严密的工艺流程 必须严格执行 否则不仅制造不出合格产品 还会造成事故 13 3 原料 产品和工艺的多样性化工生产可以用不同原料制造同一产品 也可用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 即使用同样原料制造同一产品 也常有几种不同的工艺流程 4 安全生产极端重要化工生产一般具有高温高压 易燃易爆 有毒有害的特点 这些特点决定了化工生产中安全的机器重要性 学习化工生产知识 要特别注重学习掌握安全生产的知识和技能 14 第三节化工生产过程的基本组成规律一 基本组成规律主要有三条第一 化工生产过程是由若干单元操作和单元反应等基本加工过程构成的 他们如同化工生产过程的构件 第二 化工生产过程是由原料的预处理 化学反应和反应产物加工这三个基本步骤构成的 第三 化工生产过程贯穿着两种转换 即物质转换和能量转换 15 二 单元操作和单元反应1 单元操作和单元反应的定义在化工生产过程中 具有共同的特点 遵循共同的物理学和化学规律 所用设备相似 作用相同的基本加工过程称为单元操作或单元反应 其中 具有物理变化特点的基本加工过程成为单元操作 也称物理过程 具有化学变化特点的基本加工过程成为单元反应 也称单元过程或化学过程 16 举例说明 尿素产品的生产过程示意如下 液氨 液氨泵 预热 合 吸收 循环气CO2 压缩 成 分离 过滤 蒸发 循环液造粒尿素产品 合成 原料的预处理 化学反应 反应产物加工 17 2 常用的单元操作单元操作和单元反应为数并不多 加起来不过几十种 但它们能组合成各种各样的化工生产过程 就像26个英文字母能组成无数的单词和词句一样 常用的单元操作有18种 见下表 18 19 20 说明 1 流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 21 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靠机械加工或机械输送的单元操作 如粉碎 固体输送等 22 三 结论化工生产过程的表现形式是由若干操作和单元反应串联组成的一套工艺流程 通过三个步骤 即 1 原料预处理 2 化学反应 3 反应产物加工 进行两种转换 即物质转换与能量转换 将化工原料制成化工产品 23 第四节化工生产过程的有关基本概念一 相和相变化工生产过程有化学变化和物理变化物理变化有相变和非相变之分 如结晶 溶解 蒸发等操作 物质的相态发生了变化 属于相变 粉碎 筛分等操作 只改变形态 没有相态的变化 属于非相变 24 二 下面介绍有关相和相变的基本概念1 系统和环境为了研究和计算的方便 人们常将研究的部分从周围事物中划分出来 作为研究的对象 被划分出来的部分称为系统 也叫体系 物系 系 系统以外与系统有关的物质和空间称为环境 也叫外界 系统可以是一个产品的整个流程 也可以是一个工序 一个设备 25 2 相和相数系统内的物质 具有相同物理性质和相同化学性质的并且完全均匀的部分 称为相 系统中相的数目 称为相数 例如一杯水 杯中各部分的水都具有相同的物理性质和化学性质 就整杯水来说 他们性质是均匀的 因此 若以水为系统 不论水量多少 它为一相 如果杯中有几块冰 虽然水和冰有共同的化学性质 但在水和冰的界面上其物理性质发生了突变 若以水和冰为系统 它就是两相 显然 若以水 冰和水面上的气体为系统 它就是三相 26 确定混合物相的数目 主要看其组成是否均匀 组成均匀的是一相 称单相混合物 否则就是多相 称为多相混合物 气体混合物无论有几种气体组成 一般是均匀的 所以是一相 液体混合物中 如果几种液体是完全互溶的 就是一相 例如酒精的水溶液是一相 如果几种液体不是完全互溶的 就不是一相 例如水和油混合在一起是两相 27 固体混合物一般情况只是掺和 无论粉碎的多么细 其组成也不均匀 所以每种固体各自成为一相 一种物质可以有多个相 水 冰和水蒸气就是水的三相 28 3 相变和相平衡物质从一个相转变到另一个相的过程称为相变过程 当外界条件变化时 才会发生相变 如水凝结成冰 冰融化成水 水汽化成水蒸气 水蒸气凝结成冰 都是相变过程 29 相变规律在化工生产中得到广泛应用 人们常常为了生产的需要 有意识的促使物质发生相变 例如 将轻油为原料生产氨 必须先将液态的轻油气化 才能同水蒸气发生转化反应 许多气体混合物的分离 必须在液相的情况下进行 例如 空分制氧和氮的工艺 如果两个以上的相共存 在较长时间内 从表面上看没有任何物质在各相之间传递时 可以认为这些相之间已达到平衡 称为相平衡 30 二 过程的平衡关系和过程速率化学工程中所说的 过程 有其特定的含义 当系统发生变化时 发生变化的经过视为过程 化工生产中的每一种物理变化或化学变化 每一种单元操作或单元反应 都可视为过程 研究过程的规律 目的是使过程的进行有利于生产 平衡关系和过程速率就是其中两条重要规律 31 1 过程的平衡关系过程的平衡关系是指任何过程都在变化着 都是在一定条件下由不平衡向平衡状态转化 平衡状态是变化的极限 例一 蒸发和凝结的平衡 如在一个密闭容器内液体 蒸发和凝结处于动态平衡 例二 可逆反应 32 2 过程速率过程速率是单位时间内过程进行的变化量 如传热过程的速率是单位时间内传递的热量 传质过程的速率是单位时间内传递的质量 任何过程速率都与过程的推动力成正比 与过程的阻力成反比 可用以下基本关系式表示 过程速率 33 过程的推动力是指直接导致过程进行的动力 如流体流动过程的推动力是压差或位差 传热过程的推动力是冷热流体的温度差 吸收过程的推动力是浓度或分压差 过程的阻力因素 与过程的性质 操作条件都有关系 提高过程速率的途径是加大过程的推动力和减少过程的阻力 研究怎样加大过程推动力和减少阻力 是提高产品收率的关键问题 34 三 化工生产常用的量和单位1 法定计量单位由国家依法令形式规定允许使用的单位叫法定计量单位 它是在1984年由中华人民共和国国务院公布实施的中国的法定计量单位是以国际单位制 英文缩写SI 为基础 并根据本国实际情况以适当选用了一些非国际单位所构成的 35 2 化工生产常用的法定计量单位 1 化工常用的5种SI基本单位 长度基本单位是米 m 其倍数和分数单位有千米 Km 厘米 cm 毫米 mm 时间基本单位是秒 s 国家选定的SI之外时间单位还有分 min 小 时 h 天 日 d 36 质量 法定计量单位有3种 千克 公斤 kg 是基本单位克 g 及其部分倍数和分数单位 如兆克 Mg 毫克 mg 等吨 t 及其倍数单位 热力学温度基本单位是开 尔文 K 与摄氏温度t 的关系K 273 16 物质的量基本单位是摩尔 mol 其倍数 分数单位有kmol mmol等 37 2 化工生产常用法定计量单位见表 25种 38 39 40 3 常用单位换算 41 42 43 44 四 物料计算和能量计算化工生产贯穿着物料转换和能量转换 准确地掌握这两种转换的数量关系 就要进行物料衡算和能量衡算 化工设计必须要进行物料衡算和能量衡算 它是设计的重要依据 而化工生产管理和化工操作 也应进行简单的物料衡算和能量衡算 通常称其为物料计算和能量计算 它是生产管理和班组核算的重要内容 依次可以判定操作优劣 分析经济效益 提供工艺数据 为严密地控制生产运行打下基础 45 1 质量守恒 物料计算物料衡算的依据是质量守恒定律 即化学反应中 反应物的质量总和等于生成物的质量总和 这个定律用于化工生产过程 可表述为 任何一个生产过程 其原料消耗量应为产品量与物料损失量之和 输入的物料质量 输出的物料质量 损失物料的质量上述这个公式是物料衡算 物料计算 的通式 46 物料衡算的步骤 按以下六步进行 1 分析题意 2 画示意图将输入 输出的所有物料逐个标在图上 用箭头表示方向 3 选择系统系统中应包括尽可能多的已知量和尽可能少的未知量 如果系统选择得恰当 可以很简便地求出解来 否则会使求解复杂化 甚至求不出解 选定系统后 在图上用虚线画出方框表示 虚线表示边界 47 4 选定衡算对象和基准衡算对象就是对哪种物料进行衡算 基准可以是一定的时间 也可以是一定质量的物料 整个计算必须依据同一基准 5 写出物料平衡方程式 并计算 求解 6 列出物料平衡表 并用平衡表验算 48 49 注意点 物料衡算题 应按以上步骤进行 计算时用的单位应统一 物料衡算是质量的衡算 物料衡算方程式只能用质量单位 不能用体积单位 应用举例 含有60 质量分数 乙醇的溶液 以每小时1000Kg的加料量进入精馏塔 要求塔顶产90 浓度乙醇 塔釜出来的残液中含乙醇小于10 计算每小时的乙醇产量和残液量 50 产品 51 解 1 分析题意后 画乙醇精馏流程示意图 2 设加料量为F 产量为D 残液量为W 则F D W 对总物料进行衡算 1000 D W 或W 1000 D 对乙醇进行衡算加料中乙醇含量 1000 60 600kg 产品中乙醇含量 D 90 残液中乙醇含量 W 10 1000 60 D 90 W 10 D 0 9 1000 D 0 1解该一元一次方程 得D 625kg代入得W 1000 D 得W 1000 625 375kg 52 计算结果 每小时的乙醇产量为625kg 残液量为375kg 2 能量守恒 能量计算化工生产中 能量消耗是一项重要的经济指标 它是衡算工艺过程 设备设计 操作水平是否合理的重要指标之一 能量衡算是以物料衡算为基础的 同时又是设备计算的基础 通过能量衡算可以求出设备的热负荷 进行确定设备的传热面积以及加热或冷却剂的用量 53 化工生产中热量的消耗是能量消耗的主要部分 因此化工生产中的能量衡算主要是热量衡算 热量衡算的依据是能量守恒定律 即输入体系的热量等于输出体系的热量加上体系内积累或损失的热量 热量衡算的步骤 按以下六步进行 54 1 明确计算任务明确热量衡算类型是分别进行物料衡算和热量衡算 还是两者联算 此外还应了解是属于单个设备的热量衡算 还是属于由多个单元设备组成的复杂化工过程的热量衡算 55 2 绘出热量衡算示意图热量衡算一般是在物料衡算的基础上进行的 因此必须先画出物料流程图 在图中标明各物流与热量有关的变量 如温度 压力 相态等 3 搜集数据通过查阅手册得到各物料有关的热性质数据 如温度 压力 热熔 焓值 化学反应热等 56 4 确定计算基准为了计算方便 可取0 为基准 鉴于手册上查到的热力学数据大多为25 时的数据 所以也常选25 为计算基准 5 列出热量衡算式 求解 Q入 Q出 6 列表并校核计算结果 57 应用举例用20 的冷却水将物料2000kg h在一个换热器内由80 冷却到40 冷却水从换热器出口温度为35 计算每小时需要多少kg冷却水通过查阅手册 已得到在0 时 水的比热容为1kcal kg 物料的比热容0 4kcal kg 58 解 1 绘出热量衡算示意图 2000Kg h 2000Kg h 59 2 选0 为基准温度 3 求解 设每小时需要的冷却水量为W水 进入热量 物料带入热量Q1 2000 80 0 0 4 64000kal h冷却水带入热量Q2 W水 20 0 1 20W水 放出热量物料带出热量Q3 2000 40 0 0 4 32000kcal h冷却水带出热量Q4 W水 35 0 1 35W水 60 列出热量衡算式 并代入 Q1 Q2 Q3 Q464000 20W水 32000 35W水W水 32000 15 2133kg h即 每小时需要20 冷却水2133kg h 61 五 化工生产中常用的指标指标在化工生产中具有重要的作用 它是反映生产状况的标志 检验质量的基准 指导生产操作的规范 与生产操作有关的指标主要有技术经济指标和工艺指标 62 技术经济指标技术经济指标是经济指标的一种 技术经济指标是每个行业 企业结合自己的实际情况制定的一套适合本行业 本企业生产技术特点情况的经济指标 它是反映本行业生产技术水平的标志 化工生产管理与操作中经常接触到的技术经济指标有 63 1 产品产率产品产率是实际产量与理论计算产量的百分比 即 产品产率 实际产量 理论产量 100 2 单位产品消耗量 又称 单耗 单位产品消耗量是生产每单位产品平均消耗原料 能源的数量 即 单位产品原料消耗量 原料消耗总量 产品产量单位产品耗电量 用电总量 产品产量 64 3 原料利用率原料利用率是原料理论消耗量与实际消耗量的百分比 其中 原料理论消耗量是指根据化学方程式计算的生产单位产品应消耗的原料量 即 原料利用率 理论原料消耗量 实际原料消耗量 100 65 4 化学反应过程的转化率 选择性 收率 转化率转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应起始量的百分比 转化率 某一反应物的转化量 该反应的起始量 100 选择性选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加反应所有反应而转化的改反应物总量之比 选择性 转化为目的产物的某反应物的量 该反应物的转化总量 66 收率收率是从产物角度来描述反应过程的效率 收率 转化为目的产物的某反应物的量 该反应物的起始量 67 2 工艺指标工艺指标是指生产加工过程中对各种工艺条件的要求标准 它是工艺规程的重要组成部分 生产操作中常用的工艺指标有以下四种 1 原料质量指标它是指原料的质量指标 2 生产操作指标它是指操作过程中的工艺控制参数 如温度 压力 流量等 68 3 中间控制指标它是指各工序中间产品质量控制指标 简称中控指标 按照工艺规程分析方法测定 4 成品质量指标它是指最终产品的质量指标 是依据产品的国家标准 或部颁标准 企业标准 制定的 要求按照标准规定的分析方法测定 69 第二部分化工基本操作 第一节流体输送具有流动性的液体和气体 简称流体 在化工生产中进行蒸发 精馏 吸收等操作 通常需要把它们从一个设备送到另一个设备 或从一个车间送到另一个车间 因此流体运输是化工厂的一个基本操作 70 一流体力学基础1压强及单位 1 压强 流体垂直作用于单位面积上的力 称为流体的静压力 简称流体的压强 2 单位 法定计量单位中 压强的单位为帕斯卡 代号pa 简称帕1千帕 kpa 1000帕 pa 1兆帕 mpa 1000千帕 kpa 1兆帕 mpa 106帕 pa 71 化工生产中 压强也有用液位高度来表示 如毫米汞柱 压强法定计量单位与压强公制单位的换算 0 1mpa 1kg cm21物理大气压 760mmHg柱 10 33mH2O柱 1 033kg cm2 0 1013mpa 101 3kpa2绝对压强 表压和真空度绝对压强和表压或真空度的关系 用公式表示如下 绝对压强 表压 大气压强真空度 大气压强 绝对压强 72 应用举例 某设备出 进口测压的压力表读数分别为45mmHg柱 真空度 和700mmHg 表压 求这两处的绝对压强差为多少kpa 解 出口绝对压强 760 45 715mmHg进口绝对压强 760 760 1460mmHg柱两处压强差 1460 715 745mmmHg 99 3kpa 73 二 流体流动的性质1 流量和流速 1 流量 单位时间内流经管道任一截面流体的量 流量可以用体积流量和质量流量两种方法表示 体积流量 单位时间内流经管道任一截面的流体体积 公式 qv v t 式中v为体积 t为时间 单位 m3 s m3 h 质量流量 单位时间内流经管道任一截面流体的质量 74 质量流量与体积流量的关系式 式中 qm为质量流量 qv为体积流量 为流体密度 2 流速 单位时间内流体在流动方向流过的距离 由于流体在管道截面上各点的流速不同 管中心速度最快 利中心越远的流速越慢 紧靠管壁处流速为0 因此 通常所指的流速是指整个管道截面上平均流速 公式 式中qv为体积流量 A为管道截面积 单位 m s 75 应用举例 用截面积为0 1m2的管道来输送密度为1 5 103kg m3的酸 要求每小时输送360吨 求该管道中酸的体积流量 质量流量和流速 解 质量流量 360t h 100kg s 0 067m3 s 0 67m s 76 2 流体稳定流动时的物料衡算假定流体在管道中流动时 与流体流动有关的速度 压强等都不随时间而变化 这样的流动称为稳定流动 如果速度 压强等随时间而变化 则称为不稳定流动 稳定流动时 流体在圆形管道中总是充满的 如流体是液体 则通过管道中任一截面的流体质量应相等 即得 77 78 m1 m2 式中 m表示质量 式中 A 分别表示截面积 流速 密度 管道中为同一种液体 又 A1 A2 式中 d表示管道内直径 79 流体稳定流动的物料平衡方程式上述这个方程式表明流速与管道的内直径平方成反比 这个式子称为流体稳定流动时的物料平衡方程式 又称 连续性方程式 80 应用举例 水泵站使用的一台水泵 吸水管外径为108mm 壁厚为4mm 出水管外径为76mm 壁厚为2 5mm 已知吸水管中水的流速为1 5m s 求泵出水管中的水流速 解 由已知得代入答 泵出管中的水流速为2 98m s 81 三 流体稳定流动下的能量计算1 流体流动中的能量变化的规律 1 流体具有的能量流动着的流体具有一定的机械能 具体表现为位能 动能和静压能 位能在重力作用下流体质量中心高于基准水面而具有的能量称为位能 它相当于把流体从基准水平面升举到某一位置所做的功 82 设有mKg的流体 其在基准水平面以上h 米 处 则其位能E位 mgh 单位为焦耳 J 1N 即 单位重量 流体所具有的位能称为位压头 位压头 单位为米 m 动能流体以一定的速度流动而具有的能量 称为动能 若流体的质量m kg 流速为 m s 则其具有的动能E动 单位为焦耳 J 83 1N流体所具有的动能称为动压头动压头 单位为米 m 静压能与静止流体一样 流动着的流体由于静压强存在而推动流体运动而具有的能量 称为静压能 E静 单位为焦耳 J 84 1N流体的静压能称为静压头静压头 单位为米 m 式中 p为压强 为密度 g为重力加速度 以上三种压头之和称为总压头 以H表示 H h 上式表示了据基准面为h处 流速为 压强为p的1N流体所具有的总机械能 85 2 外加能量流体在流动过程中 假如中间加了输送设备 如泵 则便将机械能作用于流体 通常把流体从输送设备获得的机械能称为外加能量 1N流体所获得的外界能量称为外加压头 用符号He表示 86 3 损失能量流体在流动时 由于分子间的内摩擦 产生了摩擦阻力 为了克服这部分阻力 就消耗了流体的一部分能量 这部分能量称为系统损失能量 1N流体在流动中因摩擦阻力而损失的能量称为损失压头 用符号h损表示 87 2 流体在稳定流动时的能量衡算式 柏努力方程式 1 柏努力方程式定义在下图所示的液体输送设备中 在截面1 1和2 2间装有泵 两截面中心离基准水平面高度分别为h1和h2 液体在截面1 1和2 2处的流速分别为 和压强分别为p1 p2 流体密度为 根据能量守恒原则 在截面1 1和2 2间的输送设备中 输入的总能量等于输出的总能量 88 89 输入的能量有两项 1N液体从1 1截面流进时带入的能量为H1 泵对液体做了功 1N液体所获外加能量为 90 输出的能量也有两项 1N液体从2 2截面流出时带走的能量为H2 1N液体在流动中因摩擦阻力损失的能量为h损 91 根据能量守恒原则可得 上式是不可压缩流体在稳定流动下的能量衡算式 习惯上称为 柏努力方程式 92 2 柏努力方程式的应用利用柏努力方程式可以解决生产中很多实际问题 如计算流体的速度 流量及输送机械的功率 测定管路阻力损失 流量计数值的换算等 下面列举两个应用实例 93 a 管路中流体流速 流量计算 例题1 如附图所示 高位槽水面保持稳定 水面距水管出口为5m 所用管路为 108 4mm钢管 若管路压头损失为4 5m 求该系统每小时的送水量 解 取水槽页面为1 1截面 水管出口为2 2截面 并以出口管中心线为基准水平面 列出截面1 1和2 2间的柏努力方程 94 95 h损已知h1 5m h2 0p1 p2 0 表压 0 高位槽截面很 大 很小 可忽略不计 0h损 4 5md均 0 108 2 4 0 1m 96 代入柏努力方程式 5 4 5解得 3 13m s 1则每小时输水量为 0 785 0 12 3 13 3600 88 5m3 h 1 97 b 泵外加能量的计算 例题2 附图所示为洗涤塔的供水系统 洗涤塔内压强为300kPa 绝压 贮槽水面压强为100kPa 绝压 塔内水管与喷头连接处的压强为320kPa 绝压 塔内水管出口处高于贮槽内水面20m 管路为 57 2 5mm钢管 送水量为14m3 h 系统能量损耗4 3m水柱 求水泵所需的外加压头 98 99 解取贮槽内水面为1 1截面 以此为基准面 塔内水管与喷头连接处为2 2截面 列出截面1 1与2 2间的柏努力方程式 移项整理得 已知h1 0 h2 20m p1 100kPa 绝压 p2 320kPa 绝压 0 4 3m根据题意算出 m s 100 将已知值代入上式得 H 20 22 43 0 171 4 3 46 9m 101 3 应用柏努力方程式时要注意以下两点 第一 正确选定计算截面 一般将上游截面定为1 1截面 下游截面定为2 2截面 两截面间的流体必须连续 截面与流动方向垂直 第二 合理确定基准水平面 把基准水平面定在一个较低的截面处可以简化计算 计算中的单位要统一 尤其是截面间压强的表示方法要一致 同为表压或绝压 102 1 流体的粘度流体在流动时 由于分子间存在吸引力 使流体内部存在一种影响流动的阻力 这种阻力称为内摩擦力 流体在流动时产生内摩擦力的这种性质 称为流体的粘性 把衡量流体粘性大小的物理量称为粘度 用符号表示 流体的粘度大 流动时内摩擦力大 即液体阻力大 输送也较困难 在法定单位制中 粘度单位为帕秒 单位符号是Pa s 103 2 流体的流动类型流体的流动状态分为层流 或滞流 和湍流 或紊流 两种 当流体在管道中流动时 其质点始终沿着管道中心向平行的方向流动 质点之间互不混合 这种流动称为层流 假如流体质点除沿管道向前流动外 各质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化 质点间彼此碰撞 互相混合 这种流动状态称为湍流 104 在化工生产条件下 由于管路 流体的密度和粘度均已确定 影响流动类型的主要因素是流速 因而 减少流体的流速 流体的流动类型将为层流 增大流体的流速 流动类型将为湍流 流体处于湍流状态时 由于流体的质点相互混合 对提高传热和传质速率有利 且可增大流体的输送量 因此 生产中一般要求流体处于湍流状态 105 3 减低流体阻力流体阻力越大 则输送流体所消耗的能量越大 流体在输送系统中阻力增大 会影响流体的输送能力和生产能力 因此 在化工生产中应尽量减低流体的阻力 一般从下面几点着手 1 在不影响管路布置的基本要求下 尽量缩短管路的长度 2 管路中接头 三通 弯头 阀门以及管径突然变大或者变小都会对流体产生阻力 为此管路每安装一个管件或阀门都要认真考虑 例如 在管路布置中 应尽量少装弯头 106 3 适当放大管径 例如 将管径增大一倍 阻力将变为原来的 这是流体的动力消耗大大降低 但管径不能放得太大 从而增加金属的消耗 使基建费增大 4 在流体中加入某种添加剂 当这些添加剂加入流体后 可使管壁附近流体的层流层变薄 还能阻止漩涡的产生 使阻力降低 107 五 管路布置1 管径的选择化工厂管道投资费用较贵 因此合理选择管径对节约管材和保证流体正常输送具有十分重要的作用 在讲解 流量和流速 这小节中 我们懂得了公式 公式中 流速m s 体积流量m3 s A 管道截面积m2 圆型管道截面积A 公式中d 管道内直径m 108 代入上式 整理后得 d 从上述这个公式可知 当流体的体积流量一定时 流速越快 则所需的管径越小 反之 流速越慢 则所需的管径越大 某些流体在管道中的常用流速根据生产经验确定 如下所表示 109 110 根据工艺上需要的流量 按上表流速范围 可通过计算求得管子的内径 内径确定后 可查 常用管子规格表 从而确定管子的规格 应用举例有一台水泵从一个水池中抽水 泵的输送量为36t h 当时水温是4 试确定输水管道的规格 注 4 时水的密度 1000Kg m3 111 解 1 水的体积流量 2 设 水的流速 1 5m s 3 d 112 4 若采用无缝钢管 查 常用管子规格表 查得公称直径为100mm 它的内径为100mm 与计算值接近 所以选用公称直径100mm的无缝钢管 2 管子的种类管路主要由管子 管件和阀门三部分组成的 常用的管子种类有铸铁管 钢管 有色金属管 塑料管 橡胶管 陶瓷管等 各有它们的用途和优缺点 使用时可根据工艺要求加以选用 113 3 管件根据管件在管路中作用 主要有弯头 三 四通 接头 异径管 大小头 外方管堵头 堵头 4 阀门阀门用于控制流体在管内流动 开启或切断 控制流量 控制压力及保证安全等作用 常用阀门主要有七种 截止阀 闸阀 单向阀 止逆阀 旋塞阀 考克 气动薄膜调节阀 电动调节阀 蝶阀 翻板阀 114 六 流体的输送设备1 流体输送设备主要有 离心泵 往复泵 旋转泵2 气体输送设备主要有 往复式压缩机 离心式压缩机 离心鼓风机 115 第二节混合物的分离悬浮在气体中的固体尘埃或液体中的固体颗粒称为分散物质 包围在分散物质周围的气体或液体 称为连续物质 将分散物质与连续物质进行分离的操作 称为混合物的分离 液 固混合物的分离操作 主要有沉降 过滤和离心分离三种方法 而气 固分离操作有旋风分离 泡沫除尘 布袋过滤 电除尘等 116 一 液体和固体分离1 重力沉降借助重力使悬浮液中固体粒子沉降以达到与流体分离的过程 称为重力沉降 重力沉降适合于分离较大的固体颗粒 2 过滤为了使固体颗粒与液体分离完全 可以利用一种具有很多毛细孔的物体作为过滤介质 使被过滤的液体由介质小孔通过 与固体微粒分离 这种将悬浮在液体中固体颗粒分离出来的操作 称为过滤 117 通过介质的清夜称为滤液 被留在介质上得固体层称为滤渣 又称滤饼 过滤操作通常分为三种类型 常压过滤 加压过滤 减压过滤 3 离心分离离心分离是依靠离心力分离悬浮液或乳浊液 通常用于离心分离的设备是离心机 其工作过程与洗衣机中的甩水机相同 118 二 气体和固体分离化工厂常用的气 固分离的设备有 1 降尘室降尘室是利用重力沉降分离气体中微粒的一种设备 它由装着一些垂直挡板的降尘气道组成 降尘室一般用于分离粒径大于40微米的灰尘 分离效率只有40 70 以上只适用气体的初步净化 119 2 旋风分离器旋风分离器的结构如下图所示 旋风分离器的分离效率可达70 90 结构简单 它可以分离 5微米的固体粒子 也可分离高温含尘的气体 旋风分离器的缺点是气体在器内流动阻力大 对器壁磨损也较厉害 为了提高旋风分离器的效率 气体流量不宜太小 120 121 第三节传热传热的三种基本形式传热的三种基本形式是热传导 对流传热 辐射传热 1 热传导在物体内部按顺序地将热量从较高的部分向较低的部分传递的方式 称为热传导 简称 导热 2 对流传热液体或气体中较热部分和较冷部分之间 通过流动 由内部的质点相对位移而引起的热量传递 称为对流传热 简称 对流 3 辐射传热一物体自身的热能向四周散发 当辐射的热能被另一物体吸收 重新将辐射能变成热能的过程称为辐射传热 简称 热辐射 122 二 热量衡算方程式1 物体的热性质 1 显热在吸热或放热过程中 其形态不变而温度却发生了变化 这种热称为显热 2 潜热物质在吸热或放热过程中 其温度不变 而形态发生了变化 这种热称为潜热 3 比热容 简称 比热 单位质量物质的温度升高或降低1K K为绝对温度 所吸收或放出的热量 称为该物质的比热容 绝对温度 又称为热力学温度 它的单位为开尔文 简称开 符号为K 绝对温度与摄氏温度之间的关系式 K 273 16 摄氏温度 K 绝对温度 123 2 热量衡算方程式在化工生产中 参与传热的大多数是流体 把温度较高的称为热流体 温度较低的称为冷流体 1 根据能量守恒定律 在两种流体进行稳定传热时 单位时间内热流体放出的热量 必定等于冷流体所得到的热量和损失于周围介质的热量之和 即 124 式中 热流体放出的热量 冷流体吸收的热量 传热中损失的热量上述方程式称为热量衡算方程式 又称 热平衡方程式 当传热中保温良好 热损失忽略不计时 则上式即可写成 上述方程式称为不考虑热损失情况下的热量衡算方程式 125 2 流体在没有相变化的状态下 换热流体仅温度发生变化 此时式中 热 冷流体单位时间放出或吸收的热量 J s 126 热流体最初和最终的温度 K 冷流体最初和最终的温度 K 热 冷流体的质量流量 Kg s 热 冷流体的比热容 J Kg K 127 应用举例例1 用饱和水蒸气在1小时内将1000Kg 比热容为3 77KJ Kg K的NaOH溶液 从290K加热到363K 求此时NaOH溶液所吸收的热量 解 已知 1000Kg h 0 278Kg s 3 77KJ Kg k J Kg k代入公式 0 278 363 290 76 5KJ S答 NaOH溶液所吸收的热量是76 5KJ s 128 假如流体在换热过程中仅有相变而没有温度变化时 则冷 热流体在单位时间内吸收或放出的热量可用下式计算 式中 热 冷流体的气化潜热 J Kg 129 例2 在列管换热器中 用373K饱和水蒸气来加热某种冷流体 已知蒸汽用量为400Kg h时 373K饱和水蒸气的气化潜热为2257J g 求热流体所放出的热量 解 由题意得 2257J g 2257103J Kg 400Kg h 0 11Kg s代入公式 0 11 2257 103 1 25 105J s答 热流体所放出的热量是1 25 105J s 130 通过上述两道例题的解题 我们懂得了假如流体既有温度变化 又有相态变化 则可按上述两道题介绍的两种方法分段计算热量 然后再相加 131 例3 在列管换热器中 用373K饱和蒸汽加热某种冷流体 已知蒸汽流量每秒为0 264Kg 冷凝后出口温度为353K 试求换热器在单位时间内所传递的热量 已知373K饱和蒸汽的气化潜热为2257J g 水的比热为4 195J Kg K 解 0 264 4 19 373 353 0 264 2257 103 618 103J s答 换热器在单位时间内所传递的热量是618 103J s 132 三 传热基本方程式1 冷热流体在列管换热器内通过间壁的传热过程分三步进行 第一步是热流体通过对流传热将热量传给固体壁面第二步是固体壁内以传导方式的热量从高温侧传向低温侧第三步是热量通过对流传热从固体壁面传给冷流体2 传热基本方程Q 式中 Q 传热速率 冷热流体在单位时间内所交换的热量 W 瓦特 A 列管金属壁面的传热面积 m2 平方米 K 传热系数 W m2 K 瓦 特 每平方米开 尔文 冷热流体传热的平均温度差 K 开尔文 133 由传热基本方程式可知 对于工艺上已确定的Q及来讲 如果传热系数K越大 则所需换热器的传热面积A越小 反之 如果K值越小 在同样的传热速率和推动力下所需的传热面积越大 冷 热流体的平均传热温差是指换热器各个截面上冷 热流体间的温度平均值 冷 热流体流向不同时 并流 逆流 错流 折流 它的平均传热温度不同 计算较为复杂 略 传热系数K值有三个来源 一是选取经验值 二是实验测定K值 三是计算 134 四 强化传热的途径1 增加单位体积的传热面积 A 例如 在列管上加翅片 2 提高冷 热流体内德平均温差 最简单的方法是提高热流体的温度或降低冷流体的温度 但在实际生产中 这二种方法有一定的局限性 在生产中 当冷 热流体的进 出口温度都固定时 宜采用逆流操作 用以提高冷 热流体间的平均温差 135 3 提高传热系数 K 1 防止垢层形成 并及时清除 2 提高流体给热系数 降低传热阻力 增加流体流速 改变流动条件 如改变流动方向 增加流体湍动程度 利用导热系数较大的流体作加热剂 如原子能工业 用液态金属作加热剂 从而加快传热速度 136 第四节蒸发溶液是由溶质和溶剂组成 溶于溶液的某种固体称为溶质 溶解溶质的物质 如水 称为溶剂 蒸发操作就是用加热的方法 使溶液中的一部分溶剂气化 从而提高溶液中溶质的浓度 即将稀溶液变成浓溶液 蒸发操作分为两种 在沸点温度下的沸腾蒸发 低于沸点温度下的自然蒸发 如海水用太阳晒制盐 137 蒸发操作的特点是 溶液中只有溶剂是挥发性物质 而溶质是不会挥发的 也就是说在蒸发的整个过程中 溶液被加热沸腾后 只有溶剂气化 而溶质的重量不变 进行蒸发操作的设备称为蒸发器一 蒸发操作流程简介在蒸发操作中 工厂一般利用饱和水蒸气通过间壁传热来加热物料 通常将饱和水蒸汽做热源称为加热蒸汽 从溶液中气化出来的蒸汽称为二次蒸汽 如果将蒸发出来的二次蒸汽直接排走 称为单效蒸发 如果把二次蒸汽引入第二个蒸发器内作加热蒸汽 并将这样的多个蒸发器串联起来 就称为多效蒸发 现分别加以说明 138 1 单效真空蒸发流程下图为单效真空蒸发流程图 加热蒸汽在蒸发器的加热室1的管间冷凝 从冷凝水排除器8排除 它在冷凝中释放出来的热量通过管壁传给沸腾的溶液 料液从蒸发器的蒸发室2上方进入 其中溶剂被加热而气化 经浓缩后的溶液从底部排出 二次蒸汽则从顶部逸出 经气液分离器3分离 液滴回到蒸发室内 蒸汽在冷凝器4中与冷却水混合而冷凝 并从器底排掉 空气以及其它未被冷凝的气体则经分离器5和缓冲罐6 由真空泵抽出排入大气中 139 140 2 多效蒸发器的流程根据原料液加入方法的不同 多效蒸发流程可分为并流加料 顺流加料和逆流加料三种 现介绍工业中常用的并流加料方法 如图所示 料液和加热蒸汽都是从第一效蒸发器顺序流至末效蒸发器 这样的加料优点是后效蒸发室压强较前一效的低 料液可以自动地由前一效流入后一效 无需用泵输送 可以节约大量的能源 另外 由于前一效的料液沸点比后一效高 前一效的溶液进入后一效时 将放出热量 可以多蒸发一部分水分 并流加料的缺点是 随着料液的浓度逐渐增浓 温度渐渐降低 料液的粘度增大 致使传热系数减小 使整个生产能力减少 因此 对于粘度随浓度增加而迅速增大的溶液不宜采用并流加料 141 142 二 蒸发操作的要点要提高蒸发器在单位时间内蒸出的水分 必须做到 1 合理选择蒸发器蒸发器的选择应考虑蒸发溶液的性质 如溶液的粘度 发泡性 腐蚀性 热敏性 以及是否容易结垢 结晶等情况 从而合理选择蒸发器的类型 1中央循环管式蒸发器2液磨蚀蒸发器 143 2 提高蒸汽压力为了提高蒸发器的生产能力 提高加热蒸汽的压力和降低冷凝器中二次蒸汽压力 有助于提高传热温差 蒸发器的传热温差是加热蒸汽的饱和温度与溶液沸点温度之差 因为加热蒸汽的压力提高 饱和蒸汽温度也相应提高 冷凝器中的二次蒸汽压力降低 蒸发室的压力变低 溶液沸点温度也就降低 144 3 提高传热系数K 1 在蒸发操作中 密切注意和及时排除不凝性气体 据测试 蒸汽中含1 不凝性气体 传热系数将会下降50 60 2 在蒸发操作中 管内壁出现结构现象是不可避免的 尤其是当处理易结晶和腐蚀性物料时 此时传热系数K变小 使传热量下降 为此 一方面应定期停车清洗 除垢 另一方面改进蒸发器的结构 如把蒸发器的加热管加工的光滑些 使污垢不易生成 及时生成也易清洗 3 对于不宜结晶 不宜结垢的物料蒸发 影响传热系数K的主要因素是管内溶液沸腾的传热膜系数 在此类蒸发操作中 应提高溶液的循环速度和湍动程度 从而提高蒸发器的蒸发能力 145 第五节液体的精馏一 蒸馏的基本概念与分类1 基本概念 蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发性 沸点 的差别 将互溶的液体混合物分离提纯的单元操作 蒸馏是目前使用最广泛的液体混合物分离方法 蒸馏过程实质上是将液体混合物形成汽 液两相平衡 使易挥发组分浓集到汽相 难挥发组分浓集到液相的传质分离过程 146 蒸馏与蒸发的区别蒸馏和蒸发虽然都是将液体混合物加热沸腾汽化 但二者有本质的区别 蒸发所处理的混合液中溶质不挥发 它是使挥发性溶剂与不挥发性溶质分离的过程 而蒸馏所处理的混合液 溶质与溶剂都挥发 是将溶液中几种挥发能力不同的组分分离的过程 147 蒸馏在化工生产中的应用化工生产中要处理的液体物料几乎都是液体混合物 这些混合物需要进行分离 制成比较纯净的物质 例如 煤焦油加工就要采用蒸馏技术 蒸馏的优点 操作简单 易于实施 不需其他介质 只要提供一定能量的蒸汽和冷却水 就可得到直接所需的产品 适用范围广 对各种浓度混合液的分离都能适应 分离的产品纯度高 对纯度要求较高的产品都可通过精馏制取 148 2 蒸馏操作的分类 按蒸馏方法分 简单蒸馏 简称蒸馏 将溶液加热使其部分汽化 然后将蒸汽引出冷凝 精馏 将混合液进行多次部分汽化和多次部分冷凝 使溶液分离成较纯组分的操作 特殊蒸馏 有些混合液用普通的蒸馏方法不能分离 必须采用某些特殊的蒸馏方法进行蒸馏分离 149 按操作压强分 常压蒸馏 加压蒸馏 减压蒸馏 按操作方式分 间隙蒸馏 连续蒸馏 150 2 精馏与蒸馏的区别 精馏有回流 蒸馏没有 精馏采用塔设备 蒸馏采用蒸馏釜 精馏发生多次部分汽化和部分冷凝 蒸馏只发生一次 精馏的馏出液和残液纯度很高 蒸馏则较低 151 二 精馏的原理简单蒸馏虽然不能将液体混合物彻底分离 但却可以说明经过一次部分汽化和一次部分冷凝能使馏出液中易挥发组分的含量有所提高 这是或全部汽化或全部冷凝都不可能达到的 若将此馏出液再进行部分汽化和部分冷凝 就能得到易挥发组分含量更高的馏出液 若将这种部分汽化部分冷凝反复多次地进行下去 最后就可能使混合液得到较彻底的分离 精馏过程就是按这个原理进行的 152 三 连续精馏操作流程1 流程简图精馏过程都在精馏塔内进行 出精馏塔本身外 还必须有加热器 或再沸器 冷凝器以及其它附属设备构成一个完整的精馏系统 153 连续精馏流程简图 1 精馏段2 提馏段3 高位槽4 预热器5 冷凝器6 冷却器7 馏出液贮槽8 残液贮槽 154 2 流程说明原料液由高位槽 或泵 经预热器预热后引入塔内 加在加料板上 原料液在该板上与精馏段流下的回流液汇合 顺着层层塔板向下流动 与塔底逐板上升的物料蒸汽进行接触 其中含挥发组分较多的蒸汽在逐板向上流动的过程中逐渐增浓 最后由塔顶冷凝器将塔顶蒸汽冷凝为液体 一部分通过冷却器流到贮槽内 另一部分作为回流液流回塔内 而含难挥发组分较多的液体则逐板下降 并一次一次增浓 由塔底流出残液 一部分残液引入残液贮槽内 另一部分又经加热釜中的蒸汽加热 气化后进入塔内 沿塔上升 与下降的液体逆流接触并进行传递 155 四 精馏塔的物料衡算工业生产中的精馏过程以连续精馏为最多 这里对二元组分混合液连续精馏进行物料衡算 以求出馏出液 残液的流量及其组成和原料液的流量及其组成之间的关系 从而判断塔内运行是否正常 156 全塔物料恒算图 157 全塔进出料情况如图所示 其中进塔的原料液 用符号F表示 离塔的馏出液和残液分别用符号P和W表示 由于连续稳定操作 进料量应等于出料量 因此 必须符合下列关系 F P W 1 式中F 单位时间内进塔的原料液流量 千摩 时或千克 时 P 单位时间内塔顶产品流量 千摩 时或千克 时 W 单位时间内塔底产品流量 千摩 时或千克 时 158 对易挥发组分的物料衡算式为 FxF PxP Wxw 2 式中xF 原料液中易挥发组分的摩尔分数 或质量百分数 xP 塔顶产品中易挥发组分的摩尔分数 或质量百分数 xw 塔顶产品中易挥发组分的摩尔分数 或质量百分数 图中将回流量L与塔顶馏出液 产品 P的比 称为回流比R 159 应用举例 例1 将40 摩尔分数 的酒精水溶液以20千摩 时的速度进行精馏 要求馏出液中含酒精89 摩尔分数 残液中酒精含量不大于3 摩尔分数 试求每小时馏出液量和残液量 解 根据题意得 F 20千摩 时 xp 0 89 xf 0 4 xw 0 03根据式 1 和式 2 作全塔物料衡算 即20 P W 1 160 作全塔易挥发组分的物料衡算 即20 0 4 P 0 89 W 0 03 2 解 1 2 联立方程 得P 8 6千摩 时W F P 20 8 6 11 4千摩 时 161 例2 某精馏塔分离苯 氯苯混合液 其操作条件如下 氯苯的进料量为5000千克 时 加料苯的含量为35 塔顶馏出液含苯98 塔底残液含苯0 2 结尾质量百分数