100-化工原理课程总结

化工原理课程总结PAGE1-HefeiUniversity化工原理课程总结目录TOC\o"1-2"\h\z\u概述 3第一章流体流动过程 31.1流体输送 31.2过滤 3第二章传热过程 42.1蒸发 42.2传热的工程应用 4第三章传质过程 53.1气体吸收与解吸 53.2蒸馏与精馏 53.3萃取 63.4干燥 6第四章热力学过程 74.1冷冻 74.2高效节能节水冷却技术在化工生产应用 7第五章机械过程 85.1固体输送 85.2粉碎 85.3筛分 9总结 10概述一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干个化学反应实现的。长期的实践与研究发现，尽管化工产品千差万别，生产工艺多种多样，但这些产品的生产过程所包含的物理过程并不是很多，而且是相似的。比如，流体输送不论用来输送何种物料，其目的都是将流体从一个设备输送至另一个设备；加热与冷却的目的都是得到需要的操作温度；分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合物等。把这些包含在不同化工产品生产过程中，发生同样物理变化，遵循共同的物理学规律，使用相似设备，具有相同功能的基本物理操作，称为单元操作。只有将各种不同的化工过程分解为单元操作来进行研究，才能揭示其共性的本质、原理和规律。化工原理的主要研究领域，是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作，是由各种化工生产操作概括得来的，基本包括五个方面：流体流动过程，包括流体输送、过滤、固体流态化等；传热过程，包括热传导、蒸发、冷凝等；传质过程，即物质的传递，包括气体吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等；热力过程，即温度和压力变化的过程，包括液化、冷冻等；机械过程，包括固体输送、粉碎、筛分等。TOC\o"1-2"\h\z\u第一章流体流动过程1.1流体输送在工业生产过程中，经常需要将各种原材料、中间体、产品以及副产品和废弃物从一个地方输送到另一个地方，这些输送过程就是物料输送。在现代化工业企业中，物料输送是借助于各种输送机械设备实现的。由于所输进的物料形态不同(块状、粉态、液态、气态等)，所采取的输送设备也各异。

1液态物料输送

液态物料可借其位能沿管道向低处输送。而将其由低处输往高处或由一地输往另一地(水平输送)，或由低压处输往高压处，以及为保证一定流量克服阻力所需要的压头，则需要依靠泵来完成。泵的种类较多，通常有往复泵、离心泵、旋转泵、流体作用泵等四类。

2气态物料输送

气体物料的输送采用压缩机。按气体的运动方式，压缩机可分为往复压缩机和旋转压缩机两类。1.2过滤

过滤是使悬浮液在重力、真空、加压及离心的作用下，通过细孔物体，将固体悬浮微粒截留进行分离的操作。按操作方法，过滤分为间歇过滤和连续过滤两种；按推动力分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。过滤采用的设备为过滤机。两个条件：

①具有实现分离过程所必需的设备；

②过滤介质两侧要保持一定的压力差（推动力）(1)重力过滤是依靠悬浮液本身的液柱压差进行过滤，其压差一般不超过0.05MPa；

(2)加压过滤是在悬浮液上面施加压力进行过滤，其压力一般可达5MPa以上；

(3)真空过滤是于过滤介质下面抽真空进行过滤，通常不超过8.3kPa；

(4)离心过滤是借悬浮液高速旋转所产生之离心力进行过滤。

过滤材料介质满足条件：

(1)必须具有多孔性、使滤液易通过，且孔隙的大小应能使悬浮液粒子得以截留；

(2)必须具有化学稳定性。如耐腐蚀性、耐热性等；

(3)具有足够的机械强度。

①粒状介质。如细砂、石砾、玻璃渣、木炭、骨灰、酸性白土等。此类介质适于过滤固相含量极少的悬浮液。

②织物介质。这类介质工业使用广泛，它是金属或非金属丝织成。金属材料可用不锈钢、镍、黄铜及蒙氏合金等。它适于盐、酸及粗油等的过滤。

③多孔性固体介质。如多孔陶瓷板及管、多孔玻璃、多孔塑料等。这些介质多做成板状，孔隙很小，其耐腐蚀性较好，常用于过滤含有少量微粒的悬浮液的间歇式过滤设备。

第二章传热过程2.1蒸发蒸发按其采用的压力可以为常压蒸发、加压蒸发和减压燕发(真空蒸发)。按其蒸发所需热量的利用次数可分为单效蒸发和多效蒸发。蒸发过程要注意如下问题：1蒸发器的选择应考虑燕发溶液的性质，如溶液的黏度、发泡性、腐蚀性、热敏性，以及是否容易结垢、结晶等情况。2在蒸发操作中，管内壁出现结垢现象是不可避免的，尤其当处理易结晶和腐蚀性物料时，使传热量下降。在这些蒸发操作中，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光滑些，使污垢不易生成，即使生成也易清洗，提高溶液循环的速度，从而可降低污垢生成的速度。蒸发是借加热作用使溶液中所含溶剂不断气化、不断被除去，以提高溶液中溶质浓度，或使溶质析出，即使挥发性溶剂与不挥发性溶质分离的物理操作过程。

蒸发按其操作压力可分为常压蒸发，加压蒸发和减压蒸发(真空蒸发)。按蒸发所需热量的利用次数可分为单效蒸发和多效蒸发。

蒸发器一般由加热室和蒸发室两部分组成。所依据溶液循环原理可分为：

(1)溶液在设备内的循环是在加热情况下，由于各部分溶液比重的不一致，以及蒸气流在运动过程中带动液体运动，使溶液得以循环的蒸发器称为自然循环蒸发器。

(2)在处理高粘度、易结垢或易结晶的溶液时溶液在设备内的循环主要是依靠外界加入动力所导致的强制运动，这种蒸发器称为强制循环蒸发器.2.2传热的工程应用㈠在传统工业和农业领域中的应用现代化大型火力发电站的锅炉部件一般要经受近20MPa和上千摄氏度的火焰高温，蒸汽轮机也要经受大致相同的压力和540℃左右的温度。近十年来，由于耐高温的铁素体钢的研制成功，所谓超级超临界档次的火力发电机组已经陆续投入运行，其蒸汽参数甚至达到了31—34MPa和600℃左右，并且还具有快速起停和参与电网调峰的能力。核电站的反应堆及主蒸发器除了经受一定的温度、压力以外，还要受到高通量的中子辐射。为了提高能源利用水平，必须不断强化炉内各传热表面与燃气、烟气间的换热。核反应堆中则要强化燃料体元件与载热剂之间的换热。在需要隔热的地方必须尽量减少热泄漏。要做到这些都必须正确运用传热学的基本原理。

在稠油的“热采”，原油的炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。因为油自身物理性质的关系，它的对流换热表面传热系数往往比较低，所以强化油侧的对流换热具有非常大的经济效益。化工传热过程往往具有如下一些基本特点：(1)参与换热的介质成分多而复杂，一般都在三四种以上；(2)常常与传质过程结合在一起；(3)经常涉及多相流(汽液、气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体

其他行业如机械、电子电器、交通运输、纺织、食品轻工、医药等也都在不同程度上和传热有着相当密切的联系㈡在高新技术领域中的应传热学科在很多高技术领域里同样发挥着重要的和无法替代的作用人类征服天空和宇宙空间的不懈努力以及所取得的巨大成果，是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现。其中传热学所起的作用功不可没。据美国航空和宇宙航行局(NASA)所作的技术分析，美国航天飞机的技术关键只有一个半，这半个是大推力的液氢—液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系)，而那一个关键则是所谓“热防护系统”(TPS)，即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构。它被视为可反复使用的航天飞机成败的最大关键。之所以把热防护系统提到如此重要的地位，是由于航天飞机极端复杂的气动热环境以及要求该防热系统必须能够重复使用造成的。现代的机械加工工艺已经不限于传统的车、钳、铣、刨，像激光钻孔、激光切割这类高热流、超短时间的新型加工手段已经用于石油钻井管等一些有特殊要求的场合，并取得了良好的技术和经济效益。这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题己不能再用传统的导热理论来分析，而必须加入对热量传输速度的考虑，这类问题被称为“非博里叶导热”。第三章传质过程3.1气体吸收与解吸气体吸收按溶质与溶剂是否发生显著的化学反应可分为物理吸收和化学吸收；按被吸收组分的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收；按吸收体系(主要是液相)的温度是否显著变化，可分为等温吸收和非等温吸收。在选择吸收剂时，应注意溶解度、选择性、挥发度、黏度。工业生产中使用的吸收塔的主要类型有板式塔、填料塔、湍球塔、喷洒塔和喷射式吸收器等。解吸又称脱吸，是脱除吸收剂中已被吸收的溶质，而使溶质从液相逸出到气相的过程。在生产中解吸过程用来获得所需较纯的气体溶质，使溶剂得以再生，返回吸收塔循环使用。工业上常采用的解吸方法有加热解吸、减压解吸、在惰性气体中解吸、精馏方法。3.2蒸馏与精馏化工生产中常常要将混合物进行分离，以实现产品的提纯和回收或原料的精制。对于均相液体混合物，最常用的分离方法是蒸馏。要实现混合液的高纯度分离，需采用精馏操作。蒸馏是借液体混合物各组分挥发度的不同，使其分离为纯组分的操作。

①常压蒸馏(一般蒸馏，物料在常压下沸点100℃左右)；

②减压蒸馏(真空蒸馏，物料在常压下沸点150℃以上)；

③加压蒸馏(高压蒸馏，物料在常压下沸点低于30℃)；

④特殊蒸馏。如蒸汽蒸馏，萃取蒸馏、恒沸蒸馏和分子蒸馏等等。

用于蒸馏的设备称为蒸馏塔。蒸馏塔按其塔板结构可分为填料塔、筛板塔、浮阀塔，泡罩塔、舌形塔、哨旋塔以及管式塔等多种形式塔器。3.3萃取萃取时溶剂的选择是萃取操作的关键，萃取剂的性质决定了萃取过程的危险性大小和特点。萃取剂的选择性、物理性质(密度、界面张力、黏度)、化学性质(稳定性、热稳定性和抗氧化稳定性)、萃取剂回收的难易和萃取的安全问题(毒性、易燃性、易爆性)是选择萃取剂时需要特别考虑的问题。工业生产中所采用的萃取流程有多种，主要有单级和多级之分。

萃取设备的主要性能是能为两液相提供充分混合与充分分离的条件，使两液相之间具有很大的接触面积，这种界面通常是将一种液相分散在另一种液相中所形成，两相流体在萃取设备内以逆流流动方式进行操作。萃取的设备有填料萃取塔、筛板萃取塔、转盘萃取塔、往复振动筛板塔和脉冲萃取塔。3.4干燥干燥按其热量供给湿物料的方式，可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥。干燥按操作压强可分为常压干燥和减压干燥；按操作方式可分为间歇式干燥与连续式干燥。干燥介质与物料流动方式：并流、逆流和错流干燥。

并流：沿传热面平行而同向的流动。

逆流：沿传热面平行而反向的流体。

错流：两种流体的流向垂直交叉。

工作原理：

通过有机热载体锅炉加热的高温导热油经旋转接头加入干燥机，导热油进入干燥机后通过筒体外壁及内加热排管间接与物料充分传导，加快了干燥传热、传质。湿物料从较高端进入干燥机筒体与加热排管的空间，物料在带有倾斜度的筒体回转作用下向尾部移动，物料在移动过程中，受到筒体内均布的抄板和加热排管的连续翻动，在干燥机内均匀分布与分散并不断地撒落在管束上，逐渐被加热干燥，干燥的成品物料由干燥机尾部的排料口均匀地排出。

在化工、制药、纺织、造纸、食品、农产品加工等行业，常常需要将固体物料中的湿分除去，以便于贮藏、运输及进一步加工，达到生产规定的要求。

除去固体物料中湿分的方法称为去湿。去湿的方法很多，包括机械去湿法、吸附去湿法、热能去湿法，其中用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。干燥法耗能较大，工业上往往将机械分离法与干燥法联合起来除湿，即先用机械方法尽可能除去湿物料中的大部分湿分，然后在利用干燥方法继续除湿。它在工业生产中应用如下两例：

1.聚氯乙烯的生产

聚氯乙烯悬浮聚合的典型工艺流程如图所示。反应并脱水后的树脂具有一定含水量，经螺旋输送器送入气流干燥管，140~150℃热风为载体进行第一段干燥，出口树脂含水量小4%；再送入以120℃热风为载体的沸腾床干燥器中进行第二段干燥，得到含水量小于0.3%的聚氯乙烯树脂。再经筛分、包装后入库。

2.洗衣粉的生产

高塔喷雾干燥法生产洗衣粉的工艺流程如图5-3所示。配制好的料浆用高压泵1以3~8MPa的压力通过喷嘴在喷粉塔4内雾化成微小的液滴，而干净的空气经热风炉3加热后送至喷粉塔4的下部，液滴和热空气在塔内相遇进行热交换而被干燥成颗粒状洗衣粉，再经风送老化，由振动筛9筛分后作为基础粉去后配料。

常用的干燥设备有厢式干燥器，转筒干燥器、气流干燥器、沸腾床干燥器、喷雾干燥器。第四章热力学过程4.1冷冻冷却与冷凝的主要区别在于被冷却的物料是否发生相的改变，若发生相变则成为冷凝，否则，如无相变只是温度降低则为冷却。冷却、冷凝操作在化工生产中十分重要，它不仅涉及到生产，而且也严重影响防火安全，反应设备和物料由于未能及时得到应有的冷却或冷凝，常是导致火灾、爆炸的原因。在工业生产过程中，蒸气、气体的液化，某些组分的低温分离，以及某些物品的输送、储藏等，常需将物料降到比水或周围空气更低的温度，这种操作称为冷冻或制冷。

冷冻操作的实质是利用冷冻剂自身通过压缩—冷却—蒸发(或节流、膨胀)的循环过程，不断地由被冷冻物体取出热量(一般通过冷载体盐水溶液传递热量)，并传给高温物质(水或空气)，以使被冷冻物体温度降低。一般说来，冷冻程度与冷冻操作技术有关,凡冷冻范围在—100℃以内的称冷冻；而在—100～—200间接冷却通常是在具有间壁式的换热器(冷却器)中进行的。壁的一边为低温载体。如冷水、盐水、冷冻混合物以及固体二氧化碳等。而壁的另一边为所需冷却的物料。

一般冷却水所达到的冷却效果不能低于0℃，浓度约20％的盐水，其冷却效果可达0～-15℃；冷冻混合物(以压碎的冰或雪与盐类混合制成)，依其成分不同，冷却效果可达0～-45℃。间接冷却法在化工生产中使用较为广泛。

冷冻方法

(1)低沸点液体的蒸发如液氨在2个绝对大气压下蒸发，可以获得-15℃的低温，若在0.4119绝对大气压下蒸发，则可达-50℃。液态乙烷在0.5354绝对大气压下蒸发可达-100℃，而液态氮蒸发可达-210℃等等。

(2)冷冻剂于膨胀机中膨胀，气体对外做功，致使内能减少而获取低温。该法主要用于那些难以液化气体(空气、氢等)的液化过程。

(3)利用气体或蒸气在节流时所产生的温度降而获取低温的方法。

冷冻剂：

①冷冻剂的气化潜热应尽可能的大，以便在固定冷冻能力要求下，尽量减少冷冻剂的循环量；

②冷冻剂在蒸发温度下的比容以及与该比容相应的压强均不宜太大，以减低动能的消耗，同时，在冷凝器中与冷凝温度相应的压强亦不应太大，否则将增加设备费用；

③冷冻剂需具有化学稳定性，同时，对它循环所经过设备的任何部分，不应有显著的腐蚀破坏作用。此外，应选择无毒(或刺激性)或低毒的冷冻剂，以免因泄漏而使操作者受害；

④冷冻剂最好不具有易燃性或爆炸性；

⑤冷冻剂应价廉而易于购得。4.2高效节水冷却技术在化工生产中应用

由洛阳隆华传热科技股份有限公司自主研发的SYL系列高效复合型冷凝（却）器设备在国家“十一五”重点工程——中石化岳阳1000万吨/年炼化一体化项目成功运行。截至目前，经过近一个月的运行表明，与传统的空冷器串联水冷器的换热方案比较，设备节省投资200余万元，年节电316.8万千瓦时，各项工艺指标达到设计要求。

该技术换热效果明显优于传统换热工艺，能使工艺流体直接冷却到设计温度，节能、节水效果显著，可广泛应用于炼油、化工生产工艺过程中与冷凝、冷却相关的其他工段。据洛阳隆华总工程师董晓强介绍，为进一步拓展该技术的应用范围，他们针对石油化工行业各种换热工位不同的换热工艺，研发出石化用SYL系列高效复合型冷却设备。目前这项新技术正在石油和化工业大显身手，中国石化齐鲁分公司氯碱厂、中国石化沧州炼油厂、山东恒源石油化工有限公司、鹤壁宝马化肥厂等一批石油和化工企业均采用了这项新技术。

该技术现已通过了中国石油化工股份有限公司科技部组织的专家科技成果鉴定，专家评价这一成果达到国内领先水平，比传统换热工艺节能30%以上，节水超过40%，实现了高效、节能、节水的换热目的。

据介绍，我国石化行业现有换热工艺主要采用空冷器串联水冷器工艺及湿式空冷器串联水冷器工艺。这些传统的换热工艺消耗大量的电能和水资源。针对国内石化行业换热方式的落后现状，洛阳隆华投入巨资，组织技术攻关，研发出以潜热换热为主体的高效复合型冷却器设备。这一新技术采用潜热换热原理，利用水的相态变化特性，实现高效换热，其换热效率是传统工艺的117倍；水的消耗量与传统的显热换热工艺相比不足百分之一；驱动水流的动力消耗大幅度降低。

第五章机械过程5.1固体输送固体输送分为固体直接输送和固体流化输送，固体直接输送主要设备有皮带、刮板、链斗、螺旋、斗式提升机等，特点：连续往返运转，可连续加料，连续卸载。

(1)吸送式系统

该系统的风机或真空泵安装在系统的尾部，靠机泵形成的吸力将空气与物料一起吸入，经分离器将物料与空气分离，由分离器底部排出。空气则由除尘器净化后排入大气或循环使用(2)压送式系统。

风机是装在系统的前端，风机启动后，管道压力高于大气压，从料斗下来的物料通过喉管与空气混合送至分离器。被分离出的物料经卸料器卸出，空气经除尘器净化后排入大气。

低压输送，0.2MPa以下；

高压输送，2～7MPa之间。

该系统加料器结构复杂，且加料装置需一定的高度，适宜于长距离输送。

气力输送系统密封性好、物料损失少、构造简单、操作简便，易实现自动化且输送距离远(达数百米)。但能量消耗大、管道磨损大，不适于输送湿度大、易粘结的物料。

气力输送系统除设备本身因故障损坏外，应关注系统堵塞和由静电引起的粉尘爆炸。5.2粉碎粉碎：将固体物料粉碎或研磨成粉末以增加其接触面积，进而缩短化学反应时间。其中，将大块物料变成小块物料的操作称粉碎；将小块变成粉末的操作称研磨。粉碎分为湿法与干法两类。

干法粉碎是使物料处于干燥状态下进行粉碎的操作。

湿法粉碎是指在药物中加入适量的水或其它液体进行研磨的方法。

干法粉碎，按被粉碎物料的直径尺寸分为：

(1)粗碎直径范围为40～1500毫米；

(2)中碎直径范围为5～50毫米；

(3)细碎直径范围为5～50毫米；

(4)磨碎或研磨直径范围为<5毫米。

粉碎方法

粉碎作用力：①挤压；②撞击；③研磨；④劈裂。

粉碎方法的选择：被粉碎物料的物理性质和其大小，粉碎度。一般对于特别坚硬的物料，挤压和撞击有效。对韧性物料用研磨或剪力较好，而对脆性物料则以劈裂为宜。5.3筛分1．筛分

在工业生产中，为满足生产工艺的要求，常常需将固体原料、产品进行筛选，以选取符合工艺要求的粒度，这一操作过程称为筛分。筛分分为人工筛分和机械筛分。筛分所用的设备称为筛子，通过筛网孔眼控制物料的粒度。按筛网的形状可分为转动式和平板式两类。

筛分过程的危险控制要点。在筛分可燃物时，应采取防碰撞打火和消除静电措施，防止因碰撞和静电引起粉尘爆炸和火灾事故。筛分:将固体原材料、产品按照颗粒度进行颗粒分级。

筛分分人工筛分和机械筛分。

人工筛分劳动强度大，操作者直接接触粉尘，对呼吸器官及皮肤有很大危害。

机械筛分，大大减轻体力劳动、减少与粉尘接触机会，如能很好密闭，实现自动控制，操作者将摆脱尘害。筛分设备：固定筛及运动筛两类。若按筛网形状又可分为转筒式和平板式两类。在转筒式运动筛中又有圆盘式、滚筒式和链式等等，在平板式运动筛中，则有摇动式和簸动式。

物料粒度是通过筛网孔眼尺寸控制的。在筛分过程中，有的是筛余物符合工艺要求；有的是筛下部分符合工艺要求的。根据工艺要求还可进行多次筛分，去掉颗粒较大和较小部分而留取中间部分。

2．过滤

过滤是使悬浮液在重力、真空、加压及离心的作用下，通过细孔物体，将固体悬浮微粒截留进行分离的操作。按操作方法，过滤分为间歇过滤和连续过滤两种；按推动力分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。过滤采用的设备为过滤机。过滤：将悬浮液中的液体与悬浮固体微粒有效的分离。

机理：使悬浮液中的液体在重力、真空、加压及离心力的作用下，通过多细孔物体（过滤介质），而将固体悬浮微粒截留进行分离的操作