化工单元操作

1、化工单元操作•1.1、遵循流体动力基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等。•1.2、遵循传热基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。•1.3、遵循传质基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等。1、关于化工单元操作•目前世界上有种类数以万计的化工产品，因此也就有上万种不同的化工生产过程，所有的生产过程都是由化学反应和若干的物理操作串联而成的。•这些物理操作称为化工单元操作。•根据单元操作所遵循的基本规律，可将单元操作分为三大类：2.1概述（3）流体输送机械的分类①动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式；②容积式（正位移式）：包括往复式，旋转式；③其他类型：如喷射式等。2.2.2离心泵的特性曲线2.2.2离心泵的特性曲线由图可见：①一般离心泵扬程随流量的增大而下降（很小时可能例外）。当=0时，由图可知也只能达到一定数值，这是离心泵的一个重要特性；②轴功率随流量增大而增加，当时，最小。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损；③曲线有极值点（最大值），在此点下操作效率最高,能量损失最小。与此点对应的流量称为额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92%。HQH0QNQQQNmax2.2.2离心泵的特性曲线（5）转速n对特性曲线的影响泵的特性曲线是在一定转速下测得，实际使用时会遇到n改变的情况，若n变化20%，可认为液体离开叶轮时的速度三角形相似，不变,泵的效率不变(等效率)，则：2v22qcun2e22Hucn3veaPqHnv2v1qnqn2e2e1HnHn321aaPnPn上式称为离心泵的比例定律,n变化20%,相等时成立。2.2.4离心泵的安装高度（1）汽蚀现象KK00KK00液面较低的液体，能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从其中甩向外围，而在叶轮中心进口处形成负压（真空）。泵内压强最低处是叶轮中心进口处，在面与面之间到机械能衡算式并以面为基准水平面，得：面。在面与KK00KK0020K(0)2KgfKppuHHggg若液面压强，吸入管路流量及管路一定（即、一定）。安装高度，当至等于操作温度下被输送液体的饱和蒸汽压时（即），液体将发生沸腾部分汽化，所生成的大量蒸汽压泡在随液体从叶轮进口向叶轮外围Ku(0)fKH0p,gKHpKpvpKvPp流动时，又因压强升高，气泡立即凝聚，气泡的消失产生局部真空，周围的液体以极大的速度冲向气泡原来所在的空间，在冲击点处产生很高的局部压强（高达几百个大气压），冲击频率高达每秒几万次之多。尤其当气泡的凝结发生在叶轮表面时众多的液体质点如细小的高频水锤撞击着叶片，另外气泡中可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运转，将导致叶片过早损坏。这种现象称为泵的汽蚀现象。汽蚀现象发生时，泵体振动，发出噪音，泵的，严重时甚至吸不上液体。2.2.4离心泵的安装高度ve,,qH2.5气体输送机械气体输送的特点:①动力消耗大：对一定的质量流量，由于气体的密度小，其体积流量很大。因此气体输送管中的流速比液体要大得多，前经济流速（15~25m/s）约为后者（1~3m/s）的10倍。这样，以各自的经济流速输送同样的质量流量，经相同的管长后气体的阻力损失约为液体的10倍。因而气体输送机械的动力消耗往往很大。2.5气体输送机械②气体输送机械体积一般都很庞大，对出口压力高的机械更是如此。③由于气体的可压缩性，故在输送机械内部气体压力变化的同时，体积和温度也将随之发生变化。这些变化对气体输送机械的结构、形状有很大影响。因此，气体输送机械需要根据出口压力来加以分类。（2）离心式通风机①离心式通风机的结构特点离心式通风机工作原理与离心泵相同，结构也大同小异。离心通风机及叶轮1—机壳;2—叶轮;3—吸入口;4—排出口22.5.2鼓风机在工厂中常用的鼓风机有旋转式和离心式两种类型。（1）罗茨鼓风机图1-66罗茨鼓风机3.1蒸馏概述⑴蒸馏及精馏的分离依据液体均具有挥发成蒸汽的能力，但各种液体的挥发性个不相同。习惯上，将液体混合物中的易挥发组分A称为轻组分，难挥发组分B则称为重组分。将液体混合物加热至泡点以上沸腾使之部分汽化必有yAxA；反之将混合蒸汽冷却到露点以下使之部分冷凝必有xByB。上述两种情况所得到的气液组成均满足:部分汽化及部分冷凝均可使混合物得到一定程度的分离，它们均是籍混合物中各组分挥发性的差异而达到分离的目的，这就是蒸馏及精馏分离的依据。BABAxxyy3.1蒸馏概述⑵工业蒸馏过程①平衡蒸馏（闪蒸）平衡蒸馏又称闪蒸，系连续定态过程，其流程如下图。3.3.1平衡蒸馏过程的数学描述蒸馏过程的数学描述不外为物料衡算式、热量衡算式及反映具体过程特征的方程，现分述如下。⑴物料衡算式：对连续定态过程做物料衡算可得总物料衡算：易挥发组分的物料衡算：两式联立可得WDFWxDyFxFxyxxFDF3.3.1平衡蒸馏两式联立式中：F,xF——加料流率，kmol/s及料液组成摩尔分数；D,y——气相产物流率，kmol/s及组成摩尔分数；W,x——液相产物流率，kmol/s及组成摩尔分数。xyxxFDF3.1蒸馏概述⑷精馏操作的费用和操作压强蒸馏和精馏都是通过气化、冷凝达到分离提浓的目的的。液体加热气化需要耗热，气相冷凝则需要提供冷却量，因此，蒸馏和精馏都是能耗很高的单元操作，采用何种措施达到节能降耗是精馏过程研究的重要任务。此外，蒸馏过程中的液体沸腾温度和蒸汽冷凝温度均与操作压强有关，故工业蒸馏的操作压强应进行适当的选择。加压精馏可使冷凝温度提高以避免使用费用很高的冷凝器或者在常压下为气态混合物（如烷、烃类混合物），沸点很低，需加压使其成液态后才能精馏分离；减压精馏可使沸点降低以避免使用高温载热体，沸点高且又是热敏性混合物精馏宜用减压精馏；除上述情况外以外一般用常压精馏。3.4.1精馏过程⑴精馏原理简单蒸馏及平衡蒸馏只能使液体混合物得到有限的的分离，远远不能满足工业的要求。如何利用两组分挥发度的差异实现连续的高纯度的分离，是我们在本节要讨论的基本内容。①精馏操作前已述及可以反复进行多次部分汽化，部分冷凝可以实现高纯度的分离。从理论上说，可以用多次重复蒸馏的方法来达到所要求的分离纯度。多次蒸馏可用的方法有:多次简单蒸馏、多次平衡蒸馏、多次平衡级。前两种操作复杂，设备造价高，不是很经济。3.4.1精馏过程板式塔中的精馏过程可以详见下图。3.5.2回流比的选择⑶适宜回流比的选择3.5.2回流比的选择⑶适宜回流比的选择最适宜回流比应通过经济衡算来决定，即按照操作费用与设备折旧费用之和为最小的原则来确定，它是介于全回流与最小回流比之间的某个值。通常适宜回流比可取最小回流比的（）倍，即近年，由于能源紧张，其倍数有降低的趋势，甚至可小至1.05倍。至于回流比对精馏操作的影响将在操作型问题定性分析中讨论2.0~1.1min)0.2~1.1(RR4.1概述（1）蒸发操作的目的①获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品。②脱除溶剂，将溶液增溶至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发，结晶的联合操作以获得固体溶质。③除杂质，获得纯净的溶剂。（2）蒸发的流程4.1概述（3）加热蒸汽和二次蒸汽蒸发需要不断的供给热能。工业上采用的热源通常为水蒸气，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸气。为了区别，将加热的蒸汽称为加热蒸汽，而由溶液蒸发出来的蒸汽称之为二次蒸汽。（4）分类①按蒸发操作空间的压力可分为：常压，加压，或者减压（真空）蒸发。②按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发。4.1概述（5）蒸发操作的特点①沸点升高蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压纯溶剂的为低，因此，在相同的压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。故当加热蒸汽温一定时，蒸发溶液时的传热温差就比蒸发纯溶剂时来得小，而溶液的浓度越大，这种影响就越显著。②节约能源③物料的工艺特性本章的重点就是研究上述问题，同时还考虑从二次蒸汽中分离夹带液沫的问题。4.2单效蒸发4.2.1单效蒸发的计算对于单效蒸发，在给定的生产任务和确定了操作条件以后，通常需要计算以下的这些内容：①水分的蒸发量；②热蒸汽消耗量；③发器的传热面积。要解决以上问题，我们可应用物料衡算方程，热量衡算方程和传热速率方程来解决。4.2.1单效蒸发的计算（1）物料衡算溶质在蒸发过程中不挥发，且蒸发过程是个定态过程，单位时间进入和离开蒸发器的量相等，即wWFFw)(0)1(0wwFWWFFww0水分蒸发量：完成液的浓度：4.2.2蒸发设备中的温度差损失蒸发器中的传热温差等于，当加热蒸汽的温度一定（如用47kkN/m2（绝压）的水蒸气作为加热蒸汽，℃），若蒸发室的压力为1atm而蒸发的又是水（其沸点℃）而不是溶液，此时的传热温差最大，用表示：mt)(0tT0T1500T100TTt501001500TTTt如果蒸发的是30%的NaOH水溶液，在常压下其沸点是高于100℃。若其沸点℃，则有效传热温差℃，比所减小的值，称为传热温度差损失，简称温度差损失，用表示120t301201500tTttTt4.2.2蒸发设备中的温度差损失TttTTTtt)()(00T传热温差损失TtTtt溶液沸点有效传热温差温度差损失的原因：①溶液沸点的升高。这是由于溶液蒸汽压较纯溶剂（水）在同一温度下的蒸汽压为低，致使溶液的沸点比纯溶剂（水）高；②蒸发器中静压头的影响以及流体流过加热管是产生的摩擦阻力，都导致溶液沸点的进一步上升。（1）溶液的沸点升高和杜林规则如图7-22为不同浓度NaOH水溶液的沸点与对应压强下纯水的沸点的关系，由图可以看出，当NaOH水溶液浓度为零时，它的沸点线为一条对角线，即水的沸点线，其它浓度下溶液的沸点线大致为一组平行直线。45（2）液柱静压头和加热管内摩擦损失对溶液沸点的影响液柱静压强引起的溶液温度升高：)()51(''ptgLpt所以沸腾液体的平均温度为：''')(ptt在大多数教材中，液柱内部的平均压力取的是液面压力和液柱底部压力的平均值，即GLpp21m)()51(''ptgLpt4.2.2蒸发设备中的温度差损失（3）因蒸汽流动阻力引起的温度差损失'''在多效蒸发中，末效以前的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中，为克服管道阻力使其压强降低，二次蒸汽的温度也相应的降低，由此引起的温度差损失为。'''总的温度差损失''''''蒸发过程的传热温度差（有效温度差）：)(00ptTtTt4.3多效蒸发①利用二次蒸汽的潜热②利用冷凝水的显热（如预热原料液)7.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）第一效：，1kg生蒸汽在第一效中可产生1kg的二次蒸汽，将此1kg二次蒸（）引入第二效又可蒸发1kg水，即11WD1WD1W第二效：，1kg生蒸汽在双效中的总蒸发量，所以依次类推：三效，……，效DWW12D3DWnnDW2DW4.3.1多效蒸发蒸汽的经济性（利用率）minWDmaxDW3.703.332.50.1750.910.270.30.40.571.1五效四效三效双效单效效数但实际上，由于热损失，温度差损失等原因，单位蒸汽消耗量不可能达到如此经济的程度，根据生产经验，最大的的值大致如下：DW/4.3.2多效蒸发流程多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有：并流：溶液与蒸汽的流向相同，称并流，也称为顺流。逆流：溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。错流：溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。下面以三效为例加以说明：（1