1过程装备—21世纪高新技术的重要工具

1过程装备及控制技术简介2过程装备—21世纪高新技术的重要工具1.概述2.过程装备的学科范围、地位、与关系3.过程装备发展的推动力4.过程装备发展的方向5.过程装备的趋势和前沿6.结束语31.概述1.1过程装备的由来古代的炼丹术士们通过炼金炼丹的研磨、蒸馏、升华、结晶、测定等技术操作，积累了金属的置换、物质的化合、分解、氧化、还原等化学反应方面的知识。41.概述1.1过程装备的由来但是化学，走出化学家的实验室，与工程结合，还是这一百多年以来的事。51.概述1.1过程装备的由来英国人帕金，于1856年发现了苯胺染料，并实现了工业化的生产。法国化学家拜特洛对有机化合物的合成进行过系统研究，于1856年合成了甲烷，1858年合成了甲醇，1859年合成了乙炔，1866年从乙炔合成了苯，进入了合成化学的年代。61.概述1.1过程装备的由来合成氨的发明者，德国化学家哈柏，从1906年开始研究用高温高压法合成氨，1909年从实验室得到了一百克的合成氨后，德国化学家博希和伯杰亚斯共同发展了哈柏的方法，使它能用于工业生产，开创了化学工业。71.概述1.1过程装备的由来在化学工业诞生和发展的同时，也诞生和发展了一个与之相伴，密不可分的专业和技术－化工机械。81.概述1.2化工机械专业的变革化工过程机械什么叫过程装备？它包含哪些内容？对人才的要求是什么？扩展为“过程装备”11“化工过程机械”，扩展为“过程装备”，它包括：91.概述1.3基本工业过程19基本过程Process10121.概述1.3基本工业过程1.流体动力过程:(Fluiddynamicalprocess)遵循流体力学规律的过程。它涉及泵、压缩机、风机、管道和阀门等。11121.概述1.3基本工业过程2.热量传递过程:(Heattransferprocess)遵循传热学规律的过程。它涉及热量交换过程及设备，即：换热器，热交换器等。12121.概述1.3基本工业过程3.质量传递过程:(Masstransferprocess)遵循传质诸规律的过程。它涉及有关干燥,蒸馏,浓缩,萃取等传质过程及装备。13121.概述1.3基本工业过程遵循动量传递及固体力学诸规律的过程。它涉及固体物料的输送、粉碎、造粒等过程及设备。4.动量传递过程:(Momentumtransferprocess)14121.概述1.3基本工业过程遵循热力学诸规律的过程。它涉及燃烧、冷冻,深度冷冻,空气分离等过程及设备。5.热力学过程:(Thermodynamicprocess)-4-3-2-1012345678910111213141516-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.4SO2-4SO2-4ZnSEh/VpH1462310978131617111215AB514Zn2+HSO-4SZn2+SO2-4Zn2+ZnSO4.Zn(OH)2Zn2+H2SH2SZnZn(OH)2ZnHS-ZnS2-15121.概述1.3基本工业过程遵循化学反应诸规律的过程。它涉及化学反应，如：合成、分解等过程及设备。6.化学过程:(Chemicalprocess)162.1流体动力过程20流体气体液体其他(1)流体静力学过程流体的流动性：剪应力作用下流体会变形，且无恢复原状的能力。流体的压缩性：温度不变时，流体的体积随压力增大而缩小。流体的膨胀性：压力不变时，流体的体积随温度升高而增大的性质。流体的粘性：运动的流体，在相邻的流层接触面上，形成阻碍流层相对运动的等值而反向的摩擦力。叫做粘性。流体是液体和气体的统称。流体静力学过程：研究流体在外力作用下达到平衡的规律，以及这些规律的实际应用。2.基本过程原理172.1流体动力过程21(1)流体静力学过程流体静力学的性质：在重力作用下的液体内部的压力随深度按直线关系变化。深度相同的各点静压力相同，形成一个等压水平面。压力能与位能可以相互转化，但其总和始终保持不变。阿基米德定律：浸没在液体中的物体，浮力等于其排开液体的体积。帕斯卡原理(静压传递原理)：密闭容器内的液体，外压力发生变化时，液体中任一点的压力均发生同样大小变化。2.基本过程原理182.1流体动力过程22(1)流体静力学过程应用流体静力学原理的设备：U型管压强计压力表压强传递设备：倍加器在小面积油缸上施加很小的压力时，可以在大面积油缸上产生很大的力。2.基本过程原理192.1流体动力过程23(1)流体动力学过程流体在流动时具有的能量：位能：流体质量中心在重力作用下，高出某基准水平面而具有的能量。位能=mgZ(Nm或J)。Z称为“压头”。动能：流体流动时所具有的能量。221mv动能2.基本过程原理202.1流体动力过程24(1)流体动力学过程流体流动时的特征：层流(laminarflow)：流体流动时，各质点间互相平行，不相干扰。湍流(turbulentflow)：流体除了向前流动外，还造成许多漩涡，与侧边的流体混合。过渡流(Transitionflow)：从层流过渡至湍流的中间状态，流体行为不稳定。2.基本过程原理21轴流泵流体流动时的特征：测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数(Reynoldnumber)：Re2100为层流；2100Re4000为过渡流；Re4000为湍流。2.1流体动力过程25(1)流体动力学过程是管径、平均速度、密度、粘度的函数。流体输送过程的基本设备：往复泵离心泵齿轮泵2.基本过程原理222.2热量传递过程(1)概述2.基本过程原理是物质系统内的热量转移过程。它通过：热传导、对流和热辐射三种方式来实现。在实际的传热过程中，这三种方式往往是伴随进行的。热量传递过程：研究热量传递规律的科学：加强热量的传播。例如：提高传热效果就可制成既轻又小而传热量大的热交换器。削弱热量的传播。即研究绝热问题，例如，用传热性很差的绝热材料敷设于冷藏室墙壁上，以减少外间的热量传入室内，或包敷于锅炉及蒸气管的表面以减少热量的损失。26232.2热量传递过程29(2)换热器2.基本过程原理热量传递主要是靠换热器来完成的。换热器有下列几种：盘管换热器；喷淋式换热器；套管式换热器；翅片管换热器；固定管板换热器；U型管式换热器；浮头式换热器；填料函式换热器。图2.17蛇管的形状图2.18喷淋式换热器1、弯管；2、循环泵；3、控制阀132图2.19套管式换热器（a）a（b）图2.21常见翅片形式（a）纵向；（b）横向图2.19套管式换热器24图2.20翅片管式换热器（a）翅片管式换热器；（b）翅片管断面（a）（b）2.2热量传递过程30(2)换热器2.基本过程原理热量传递主要是靠换热器来完成的。换热器有下列几种：板式换热器；螺旋板式换热器；翅片管换热器；。图2.22板式换热器示意图（a）（b）（c）图2.23板式换热器的板片（a）水平波纹板；（b）人字形波纹板；（c）圆弧形波纹板图2.24螺旋板式换热器252.2热量传递过程31(2)换热器2.基本过程原理热量传递主要是靠换热器来完成的。换热器有下列几种：热管换热器；冷凝器；热流体冷流体带翅热板隔板图2.28热管换热器吸热蒸发端隔热放热冷凝端芯网导管蒸汽图2.29热管262.3质量传递过程32(1)干燥过程2.基本过程原理干燥过程的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂，以便于加工、使用、运输、贮藏等。物料与水分的结合方式：化学结合水：包括水分与物料的离子结合和结晶型分子结合。若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。物理化学结合水包括吸附、渗透和结构水分。吸附水分：既可被物料外表面吸附，也可被物料内表面吸附，它与物料的结合最强，改变了水的许多物理性质，如冰点下降，密度增大，蒸汽压下降，介电常数大幅度下降等。渗透水分：是由于在物料组织壁内外存在着溶解物浓度差，由此而产生渗透压，此渗透压使组织壁内外存在渗透水。结构水分：是在胶体形成时，将水分结合在物料的组织内部一种形式。物料与水分的结合方式：272.3质量传递过程33(1)干燥过程2.基本过程原理干燥过程的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂，以便于加工、使用、运输、贮藏等。物料与水分的结合方式：化学结合水：包括水分与物料的离子结合和结晶型分子结合。若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。物理化学结合水包括吸附、渗透和结构水分。机械结合水包括有毛细管水分、润湿水分、和空隙水分。毛细管水分，存在于纤维或微小颗粒成团的湿物料中。毛细管半径小于0.1mm，称为微毛细管．其中的水分，因毛细管力的作用而运动。空隙水分：当毛细管半径大于10mm以上时，其中的水分为空隙水分，受重力作用而运动，不产生蒸汽压降低。润湿水分：是水和物料的机械混合，易用加热和机械方法脱掉。物料与水分的结合方式：282.3质量传递过程34(1)干燥过程2.基本过程原理干燥的用途有：煤及矿物干燥。涂料干燥。水果蔬菜干燥：碳水化合物、有机酸、糖甙、维生素等。干燥的用途：292.3质量传递过程35(1)干燥过程2.基本过程原理干燥过程采用的方法有：机械干燥法：用压榨、过滤、离心分离等机械方法除去湿分。此方法脱水快而节省费用。但是它们去湿程度不高，如离心分离后水分含量达5～10％，板框压滤后水分含量为50—60％。化学干燥法：利用吸湿剂如浓硫酸；无水氯化钙、分子筛等除去气体、液体和固体物料中少量水分，此法除湿有限，且费用较高，只用于少量物料的除湿干燥。加热(或冷冻)干燥法：用热能加热物料，使物料中水分蒸发后而干燥。或者用冷冻法使水分结冰后升华而除去湿分．这是工业中常用的干燥方法。在实际生产操作中，一般先用机械法最大限度地除去物料中的湿分，然后再用热能法除去部分湿分，最后得到固体产品。干燥采用的方法：302.3质量传递过程36(1)干燥过程2.基本过程原理干燥过程采用的设备有：固定床干燥器(a)厢式干燥器(b)洞道式干燥器(c)穿流带式干燥器(d)掠过气流带式干燥器(e)双转鼓干燥器(f)单转鼓干燥器干燥采用的设备：312.3质量传递过程37(1)干燥过程2.基本过程原理干燥过程采用的设备有：移动床干燥器(a)搅拌床干燥器(b)回转圆筒干燥器(直接加热)(c)回转圆筒干燥器(带蒸汽罩)(d)翻滚式干燥器(e)回转圆筒干燥器(带蒸气管)(f)螺旋输送干燥器(g)笛斯可什姆型干燥器(h)带混合器的水平干燥器(i)锥形搅拌干燥器(j)盘式干燥器(k)薄膜干燥器(l)有旋转水平加热器的干燥器干燥采用的设备：32干燥过程采用的设备有：流化床干燥器流动气流干燥器2.3质量传递过程38(1)干燥过程2.基本过程原理(a)标准流化床(b)喷动床(a)气流干燥器(b)螺旋板气流干燥器(c)旋涡气流干燥器(d)带粉碎机的旋涡气流干燥器(e)旋风气流干燥器(f)螺旋闪蒸干燥器(g)喷射流干燥器干燥采用的设备：332.3质量传递过程39(2)蒸馏过程2.基本过程原理蒸馏是利用混合液体中各组分具有不同的挥发度来分离液体混合物的一种方法，在石油炼制、石油化工及化学工业中占有重要地位。蒸馏是在塔设备内进行的。塔设备，类似于宝塔形，截面一般为圆形，长径比很大，用以使气体与液体、气体与固体密切接触，促进其相互作用。按结构可分为：泡罩塔、填料塔、筛板塔、浮阀塔等。应用于蒸馏、吸收、萃取、吸附等操作。342.3质量传递过程41(2)蒸馏过程2.基本过程原理典型蒸馏过程(a)闪蒸(b)部分冷凝待分离的原料经过预热达到一定温度后进入塔的中部。由于重力，液体在塔内自上而下流动，由于压力差，气相则自下而上流动，气液两相在塔板或填料上接触。其结果是在塔顶主要得到轻组分，在塔釜主要得到重组分，使轻、重组分得以分离。由于挥发度不同，液相中的轻组分转入气相，而气相中的重组分则进入液相，即在两相中发生物质的传递。蒸气到达塔顶后一般被全部冷凝，一部分冷凝液作为塔顶产品连续引出，另一部分作为液相回流返回塔中。液体到达