精细化工单元操作过程与设备

1、一、本章基本要求一、本章基本要求 1.1.通过本章的学习，复习以前所学的有关化工设备方面的知识，明确精通过本章的学习，复习以前所学的有关化工设备方面的知识，明确精 细化工常用操作及设备。细化工常用操作及设备。 2.2.掌握精细化工对生产工艺的要求及对实现生产工艺的设备的要求。掌握精细化工对生产工艺的要求及对实现生产工艺的设备的要求。 3.3.掌握反应设备的分类。掌握反应设备的分类。 4.4.掌握塔式反应器和床类反应器的种类、结构、特点及应用范围。掌握塔式反应器和床类反应器的种类、结构、特点及应用范围。 5.5.了解精细化工生产中的分离操作及设备。了解精细化工生产中的分离操作及设备。 二、教学的

2、重点和难点二、教学的重点和难点 重点：重点：1.1.精细化工对生产工艺的要求及对实现生产工艺的设备的要求。精细化工对生产工艺的要求及对实现生产工艺的设备的要求。 2. 2. 塔式反应器和床类反应器的种类、结构、特点及应用范围。塔式反应器和床类反应器的种类、结构、特点及应用范围。 难点：难点：如何进行生产生产设备的选择。如何进行生产生产设备的选择。 由于精细化工产品种类繁多，其生产工艺由于精细化工产品种类繁多，其生产工艺 千差万别，所采用的工艺单元操作过程有所不千差万别，所采用的工艺单元操作过程有所不 同，对设备的要求也各有差异。同，对设备的要求也各有差异。 原原 料料 预处理预处理单元反应单元

3、反应产物后处理产物后处理产品产品 提纯、粉碎提纯、粉碎 干燥、熔化干燥、熔化 溶解、蒸发溶解、蒸发 汽化、加热汽化、加热 冷却冷却 蒸留、精留蒸留、精留 吸收、吸附吸收、吸附 萃取、结晶萃取、结晶 冷凝、过滤冷凝、过滤 干燥干燥 冷凝冷凝 酯化酯化 硫硫 酸酸 活性炭活性炭 苯苯 酐酐 丁丁 醇醇 醇水共沸物醇水共沸物 醇水分离醇水分离水水 丁丁 醇醇 中和中和 纯碱液纯碱液 分离分离 水水 活性炭活性炭 脱醇脱醇 压滤压滤 成品成品 稀醇脱水稀醇脱水回收醇回收醇 脱色脱色水洗水洗 在能够实现目标产品要求的前提下，工艺简单、在能够实现目标产品要求的前提下，工艺简单、 流程简短、条件不苛刻、操作

4、方便、生产成本低、原流程简短、条件不苛刻、操作方便、生产成本低、原 料来源广泛。料来源广泛。 满足生产工艺要求、安全可靠性高、使用耐久满足生产工艺要求、安全可靠性高、使用耐久 性好、经济合理性佳。性好、经济合理性佳。 生产工艺能否顺利实现，与设备的型式、结构、生产工艺能否顺利实现，与设备的型式、结构、 尺寸以及操作条件等因素均密切相关。尺寸以及操作条件等因素均密切相关。 精细化工生产过程中涉及的物料形态常常精细化工生产过程中涉及的物料形态常常 是固态、液态和气态三种。实现物料输送的设是固态、液态和气态三种。实现物料输送的设 备种类有很多，一般可分为：备种类有很多，一般可分为：液体输送设备液体输

5、送设备、 固体输送设备固体输送设备和和气体输送设备气体输送设备三类。三类。 液体物料形态种类很多。由于其粘性大小、腐液体物料形态种类很多。由于其粘性大小、腐 蚀性强弱不同，液体中可能悬浮固体和气体颗粒，蚀性强弱不同，液体中可能悬浮固体和气体颗粒， 温度、压强也有高有低等等，因此液体输送中可选温度、压强也有高有低等等，因此液体输送中可选 用的设备种类很多。用的设备种类很多。 精化生产中输送液体最常用的设备还是精化生产中输送液体最常用的设备还是泵泵。 泵的主要作用是输送液体包括水、油、酸碱液、乳泵的主要作用是输送液体包括水、油、酸碱液、乳 化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混化液、悬乳液

6、和液态金属等，也可输送液体、气体混 合物以及含悬浮固体物的液体。合物以及含悬浮固体物的液体。 泵通常按工作原理分为：泵通常按工作原理分为： 容积式泵容积式泵，如往复泵、回转泵、柱塞泵、齿轮泵、，如往复泵、回转泵、柱塞泵、齿轮泵、 蠕动泵、滑片泵等；蠕动泵、滑片泵等； 动力式泵动力式泵，如离心泵、轴流泵、旋涡泵等；，如离心泵、轴流泵、旋涡泵等； 其他类型泵其他类型泵，如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升，如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升 液泵等。液泵等。 固体物料的形态多样，包括粉末状、颗粒固体物料的形态多样，包括粉末状、颗粒 状、大粒状、块状等等，对于不同形态的固体状、大粒状、块状等等，对于不同形

7、态的固体 物料应采用不同的输送方式及设备。物料应采用不同的输送方式及设备。 常见的固体物料输送设备见讲义。常见的固体物料输送设备见讲义。 输送和压缩气体物料的设备统称为气体输送和压缩气体物料的设备统称为气体 压送机械。按其出口压力可分为：压送机械。按其出口压力可分为： 通风机通风机( (终压小于终压小于1.471.4710104 4PaPa表压表压) )， 鼓 风 机鼓 风 机 ( ( 终 压 为终 压 为 1 . 4 71 . 4 7 1 01 0 4 4 P aP a 2.942.9410104 4PaPa表压表压) )， 压缩机压缩机( (终压大于终压大于2.942.9410104 4P

8、aPa表压表压) )。 鼓风机 压缩机 旋片式 真空泵 水环真空泵 精细化工产品的生产涉及的化学反应精细化工产品的生产涉及的化学反应 很多，但反应的过程基本上是在反应器很多，但反应的过程基本上是在反应器 内完成的，因此反应器是核心的设备。内完成的，因此反应器是核心的设备。 正确选择反应设备的形式、结构尺寸、正确选择反应设备的形式、结构尺寸、 确定最适宜的反应温度、浓度和物料流确定最适宜的反应温度、浓度和物料流 动状态是精细化工生产能否达到工艺要动状态是精细化工生产能否达到工艺要 求的关键，是保证主产品的生成、分离求的关键，是保证主产品的生成、分离 提纯和减少污染的关键。提纯和减少污染的关键。

9、按几何结构形式的不同，反应器可分为釜式、按几何结构形式的不同，反应器可分为釜式、 管式和塔式等类型。管式和塔式等类型。 按操作方法的不同，反应器可分为间歇式、按操作方法的不同，反应器可分为间歇式、 半间歇式和连续式几种。半间歇式和连续式几种。 按体系的相态，化学反应可分为均相和非均按体系的相态，化学反应可分为均相和非均 相反应。相反应。 按吸热放热要求，反应器可分为等温反应器、按吸热放热要求，反应器可分为等温反应器、 不等温反应器和绝热反应器三种。不等温反应器和绝热反应器三种。 决定设备构造的因素主要有：物料的聚集决定设备构造的因素主要有：物料的聚集 状态和混合物的稠度、混合的强度、操作温状态

10、和混合物的稠度、混合的强度、操作温 度和压力、热效应和传热强度以及物料的化度和压力、热效应和传热强度以及物料的化 学性质等。学性质等。 最主要的影响因素最主要的影响因素: : 传热强度和混合强度。传热强度和混合强度。 大量用于气-液、液-液和 液-固相反应过程。常为圆 筒形，容积可大可小，多 带有夹套、蛇管或列管等 表面传热构件；附有长温 度计或热电偶；能承受 31054105Pa压力;反 应罐内常装有搅拌器。 釜式反应器 动画 浆式、锚式和框式搅拌器浆式、锚式和框式搅拌器 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 螺旋浆式搅拌器螺旋浆式搅拌器 螺带式搅拌器螺带式搅拌器 消泡浆式搅拌器消泡浆式搅拌器 （具体见

11、讲义及（具体见讲义及“液体搅拌液体搅拌4-1-14-1-1”） 适用于低、中粘度的有桨式、涡轮式、适用于低、中粘度的有桨式、涡轮式、 旋桨式等。旋桨式等。 适用于高粘度的有大叶片、低转速搅拌适用于高粘度的有大叶片、低转速搅拌 器，如锚式、框式、螺带式、螺杆式等。器，如锚式、框式、螺带式、螺杆式等。 : : 传热面积大、耐压高、结构简单、传热面积大、耐压高、结构简单、 加工方便。加工方便。 : : 适用于气相及均液相反应、气液相反应、有悬浮适用于气相及均液相反应、气液相反应、有悬浮 固体或催化剂存在时的液固和气液固反应。在强放热反固体或催化剂存在时的液固和气液固反应。在强放热反 应和高压反应时，

12、有釜式反应器不具备的优势。特别适应和高压反应时，有釜式反应器不具备的优势。特别适 用于高压反应、混合物为气体的反应体系用于高压反应、混合物为气体的反应体系 特点特点 应用应用 适用于气液相逆流操作反应。适用于气液相逆流操作反应。 鼓泡塔鼓泡塔 填料塔填料塔 板式塔板式塔 喷雾塔喷雾塔 分类：分类： 圆柱形塔体内设挡板及圆柱形塔体内设挡板及 鼓泡器构成鼓泡塔式反鼓泡器构成鼓泡塔式反 应器，液体物料从塔顶应器，液体物料从塔顶 加入，从底部流出；气加入，从底部流出；气 体物料从塔底部通入，体物料从塔底部通入， 分散成气泡沿液层上升，分散成气泡沿液层上升， 从塔顶排出。从塔顶排出。 适用于气一液相反应

13、及适用于气一液相反应及 气一固三相反应，是生气一固三相反应，是生 产中应用较广泛的气液产中应用较广泛的气液 反应设备。反应设备。 结构简单、造价低、易控制结构简单、造价低、易控制 和维修；不同的选材可以适和维修；不同的选材可以适 用于腐蚀性的反应物料用于腐蚀性的反应物料 ； 用于高压操作也很方便。用于高压操作也很方便。 塔内部有填充物，填充物塔内部有填充物，填充物 可为圆环、螺旋环或马鞍可为圆环、螺旋环或马鞍 环等，是广泛使用的气体环等，是广泛使用的气体 吸收设备。填料塔适宜于吸收设备。填料塔适宜于 处理气体物料量大而液体处理气体物料量大而液体 物料量小的过程物料量小的过程 。 塔体内部有塔板

14、结构，可塔体内部有塔板结构，可 采用筛板或泡罩板，在每采用筛板或泡罩板，在每 块塔板上，气体分散于液块塔板上，气体分散于液 体中，故气体为分散相，体中，故气体为分散相， 液体为连续相。适用于气液体为连续相。适用于气 液相逆流操作的反应和要液相逆流操作的反应和要 求伴随蒸馏的化学反应。求伴随蒸馏的化学反应。 喷雾塔系将液体分散于气体中，气喷雾塔系将液体分散于气体中，气 体为连续相，液体为分散相。塔体体为连续相，液体为分散相。塔体 内部可有搅拌装置或脉冲振动装置，内部可有搅拌装置或脉冲振动装置， 适用于气液、液液、液固等非均相适用于气液、液液、液固等非均相 反应、气液相进行的快速反应及要反应、气液

15、相进行的快速反应及要 求伴随萃取的化学反应。求伴随萃取的化学反应。 固定床固定床 反应器反应器 移动床移动床 反应器反应器 流化床流化床 反应器反应器 流化状态动画 使固体颗粒与液体相分离的操作。使固体颗粒与液体相分离的操作。 悬浮液的分离分为过滤和沉降两类。悬浮液的分离分为过滤和沉降两类。 物料性质、过滤介质和过滤条件物料性质、过滤介质和过滤条件 。 物料中的固体颗粒具有不同的几何形状的影响；物料中的固体颗粒具有不同的几何形状的影响； 悬浮液中固体颗粒的粒径悬浮液中固体颗粒的粒径的影响；的影响； 悬浮液的粘度、密度及固液间密度差悬浮液的粘度、密度及固液间密度差的影响。的影响。 物料性质物料性

16、质的影响：的影响： 料液粘度愈大，物料的过滤速度愈慢。料液粘度愈大，物料的过滤速度愈慢。 解决办法：解决办法： 提高悬浮液温度；提高悬浮液温度； 加入絮凝剂或净化剂或助滤剂。加入絮凝剂或净化剂或助滤剂。 将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进 行浓缩的过程称为蒸发行浓缩的过程称为蒸发 。是精细化工生产常用的溶。是精细化工生产常用的溶 液浓缩方式。液浓缩方式。 按操作温度可将蒸发分为在沸点温度下的按操作温度可将蒸发分为在沸点温度下的 沸腾蒸发和低于沸点温度下的自然蒸发两大沸腾蒸发和低于沸点温度下的自然蒸发两大 类类。 蒸发操作可以在常压、加压或减压下

17、的条蒸发操作可以在常压、加压或减压下的条 件下进行。件下进行。 蒸发操作的流程根据对蒸汽的利用方法，可蒸发操作的流程根据对蒸汽的利用方法，可 分为单效蒸发流程和多效蒸发流程两大类。分为单效蒸发流程和多效蒸发流程两大类。 蒸发流程 单效蒸发流程不再利用溶液蒸发时所产生单效蒸发流程不再利用溶液蒸发时所产生 的二次蒸汽，使用的设备简单、投资少，但热的二次蒸汽，使用的设备简单、投资少，但热 能利用率相对较低，比较适用于规模不太大的能利用率相对较低，比较适用于规模不太大的 精细化工生产。精细化工生产。 为了降低能源消耗，可将生产中产出的二次为了降低能源消耗，可将生产中产出的二次 蒸汽加以利用，依次作为下

18、一蒸发器的加热蒸蒸汽加以利用，依次作为下一蒸发器的加热蒸 汽。一个蒸发器称为一效蒸发器，多个蒸发器汽。一个蒸发器称为一效蒸发器，多个蒸发器 串联可构成多效蒸发器。常用的为串联可构成多效蒸发器。常用的为2-42-4效多效蒸效多效蒸 发器。发器。 蒸发器是蒸发操作单元的主要设备。生蒸发器是蒸发操作单元的主要设备。生 产中使用的蒸发器的类型很多，按溶液的流产中使用的蒸发器的类型很多，按溶液的流 动方式主要分为单程型和循环多程型两大类。动方式主要分为单程型和循环多程型两大类。 蒸发器分类蒸发器分类 单程型蒸发器单程型蒸发器 ( (薄膜蒸发器薄膜蒸发器 ) ) 长管型长管型 圆筒型圆筒型 刮膜板型刮膜板

19、型 离心型离心型 循环多程型循环多程型 蒸发器蒸发器 中央循环管式中央循环管式蒸发器蒸发器 悬框式悬框式蒸发器蒸发器 外加热式外加热式蒸发器蒸发器 列文式列文式蒸发器蒸发器 强制循环强制循环蒸发器蒸发器 标准蒸发器 降膜蒸发器 升膜蒸发器 式刮板蒸发器 结晶是溶质以晶体状态从溶液中析出的过程结晶是溶质以晶体状态从溶液中析出的过程 。 影响结晶的因素：影响结晶的因素： 影响因素：溶液组成、溶剂性质、影响因素：溶液组成、溶剂性质、pHpH值、溶值、溶 液的过饱和度及过冷度、搅拌速度、温度等等液的过饱和度及过冷度、搅拌速度、温度等等 （直接或间接地影响着晶体的形状、大小、颜色、（直接或间接地影响着晶

20、体的形状、大小、颜色、 纯度、产量等）纯度、产量等）。 结晶的过程主要结晶的过程主要 分为两个阶段，即分为两个阶段，即 晶核的形成和晶核晶核的形成和晶核 的成长，两者常常的成长，两者常常 是同时进行的。是同时进行的。 冷却法冷却法自然冷却、间壁冷却、接触冷却自然冷却、间壁冷却、接触冷却 蒸发法蒸发法常压、加压、减压蒸发常压、加压、减压蒸发 真空蒸发冷却法真空蒸发冷却法溶剂在真空的条件下迅溶剂在真空的条件下迅 速蒸发而后绝热冷却速蒸发而后绝热冷却 盐析法盐析法加入一些物质加入一些物质( (盐析剂盐析剂) ) 化学反应结晶法化学反应结晶法调节溶液调节溶液pHpH值或加入反值或加入反 应试剂应试剂

21、主要部件：主要部件： 热交换装置热交换装置改变料液的温度改变料液的温度 机械搅拌装置机械搅拌装置获得大小均匀的晶体获得大小均匀的晶体 设备材质：设备材质： 常用不锈钢或玻璃材质，以保证结晶器常用不锈钢或玻璃材质，以保证结晶器 内壁的光滑度，使晶体不易粘壁并易于清洗。内壁的光滑度，使晶体不易粘壁并易于清洗。 冷却结晶器冷却结晶器 蒸发结晶器蒸发结晶器 真空式结晶器真空式结晶器 喷雾结晶器喷雾结晶器 主要类型主要类型 加热的条件下，利用热能除去固体加热的条件下，利用热能除去固体 物料中溶剂的操作过程。物料中溶剂的操作过程。 除湿方法：除湿方法： 机械法机械法采用压滤、抽吸、过滤和离心采用压滤、抽吸

22、、过滤和离心 分离等方法除去湿分，只适用于不需要将分离等方法除去湿分，只适用于不需要将 水分完全除去的场合。水分完全除去的场合。 化学去湿法化学去湿法用石灰、硫酸、无水氯化用石灰、硫酸、无水氯化 钙等吸湿性物料除去湿钙等吸湿性物料除去湿( (水水) )分，但这种方分，但这种方 法费用高、操作麻烦，只适用于小批量固法费用高、操作麻烦，只适用于小批量固 体物料去湿或除去气体中的水分。体物料去湿或除去气体中的水分。 干燥法除湿较为完全、规模灵活、干燥器投干燥法除湿较为完全、规模灵活、干燥器投 资和维修费用小、便于操作，生产中常常与资和维修费用小、便于操作，生产中常常与 机械去湿法结合使用，可达到经济

23、有效的目机械去湿法结合使用，可达到经济有效的目 的。的。 干燥方式干燥方式 传导干燥传导干燥 对流干燥对流干燥 辐射干燥辐射干燥 介电加热干燥介电加热干燥 传导干燥传导干燥是热能通过传热壁面以热传导的方式加热是热能通过传热壁面以热传导的方式加热 物料，并以干燥介质或真空泵带走产生的蒸汽。设备可用物料，并以干燥介质或真空泵带走产生的蒸汽。设备可用 烘房、滚筒干燥器等。烘房、滚筒干燥器等。 对流干燥对流干燥是使干燥介质直接与湿物料接触，并向物是使干燥介质直接与湿物料接触，并向物 料表面供热，产生的蒸汽由干燥介质带走。干燥设备可用料表面供热，产生的蒸汽由干燥介质带走。干燥设备可用 气流干燥器、流化床

24、干燥器、喷雾干燥器等。气流干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器等。 辐射干燥辐射干燥是以辐射器产生辐射，并以电磁波形式达是以辐射器产生辐射，并以电磁波形式达 到湿物料表面，湿物料吸收辐射能转变为热能，从而使湿到湿物料表面，湿物料吸收辐射能转变为热能，从而使湿 分汽化。设备可用红外干燥器等。分汽化。设备可用红外干燥器等。 介电加热介电加热干燥是将湿物料置于高频电场内，依靠电能干燥是将湿物料置于高频电场内，依靠电能 加热物料并使湿分汽化。加热物料并使湿分汽化。 例例1. 厢式干燥器厢式干燥器 穿流式穿流式、厢式动画厢式动画 例例2. 流化床干燥器流化床干燥器 动画动画1 1 例例3. 带式干燥器带式干

25、燥器 动画动画 例例4. 对流干燥器对流干燥器 动画动画 例例5. 气流干燥器气流干燥器 动画动画 例例6. 转筒干燥器转筒干燥器 动画动画 例例8. 中央进料双滚筒干燥器中央进料双滚筒干燥器 动画动画 例例7. 真空耙式干燥器真空耙式干燥器 动画动画 动画动画2 2 物料的粉碎物料的粉碎干法粉碎干法粉碎 、湿法粉碎、湿法粉碎 物料的混合物料的混合搅拌混合、捏合、粉粒体混合搅拌混合、捏合、粉粒体混合 物料的乳化物料的乳化简单搅拌混合器、胶体磨、简单搅拌混合器、胶体磨、 均质机、新型专用乳化设备均质机、新型专用乳化设备 精细化工精制操作精细化工精制操作 重结晶、沉淀、离子交换重结晶、沉淀、离子交

26、换 精细化工分离操作精细化工分离操作 溶剂萃取分离、超临界流体溶剂萃取分离、超临界流体 分离、固体膜分离、电渗析分离、固体膜分离、电渗析 冷凝冷凝 酯化酯化 硫硫 酸酸 活性炭活性炭 苯苯 酐酐 丁丁 醇醇 醇水共沸物醇水共沸物 醇水分离醇水分离水水 丁丁 醇醇 中和中和 纯碱液纯碱液 分离分离 水水 活性炭活性炭 脱醇脱醇 压滤压滤 成品成品 稀醇脱水稀醇脱水回收醇回收醇 脱色脱色水洗水洗 浆式、锚式和框式搅拌器浆式、锚式和框式搅拌器 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 螺旋浆式搅拌器螺旋浆式搅拌器 螺带式搅拌器螺带式搅拌器 消泡浆式搅拌器消泡浆式搅拌器 （具体见讲义及（具体见讲义及“液体搅拌液体搅拌4-1-14-1-1”） 适用于低、中粘度的有桨式、涡轮式、适用于低、中粘度的有桨式、涡轮式、 旋桨式等。旋桨式等。 适用于高粘度的有大叶片、低转速搅拌适用于高粘度的有大叶片、低转速搅拌 器，如锚式、框式、螺带式、螺杆式等。器，如锚式、框式、螺带式、螺杆式等。 将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进将含有非挥发性溶质和挥发性溶剂组成的溶液进 行浓缩的过程称为蒸发行浓缩的过程称为蒸发 。是精细化工生产常用的溶。是精细化工生产常用的溶 液浓缩方式。液浓缩方式。 按操作温度可将蒸发分为在沸点温度下的按