化工总控工基础幻灯片

2016年文山铝业化工总控职业技能培训,化工生产准备 讲课人：杨帆,第一课：化工基础知识,第一章 绪论,基本要求 1.了解本课程的性质.内容和目的; 2.初步理解四个基本规律在化工中的应用; 3.熟悉并掌握国际单位制; 4.了解化工过程开发(从实验室研究到工厂生产)的一般步骤。,11.1化工学科的内容 化学工程 研究化工生产中的共同性操作的规律及其工程性质的问题 化学工艺 也称为化工生产技术。指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施,§11 本课程的内容和学习目的,一、化学工程 化学工程的发展阶段：,在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。,单一化学工艺学阶段,2. 单元操作阶段,20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。,3. 传递过程阶段,到20世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。,20世纪50年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是 “传递过程” 与 “反应工程” 成为当今化学工程学的两大支柱。简称 “三传一反” 阶段。,4. “三传一反”阶段,硫酸生产：矿石粉碎焙烧制SO2 除尘精制转化吸收 H2SO4。,合成氨：以煤（石油或天然气） 造气精制合成分离氨。, 原料前处理化学处理（核心）后处理产品 （或中间产品）,单元操作：指在各种化工产品的生产过程中，具有共同的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的基本操作。,二、化学工艺,化学工艺具有个别生产的特殊性，即生产不同的化学产品要采用不同的工艺，即使生产相同产品，但原料路线不同时，也要采用不同的化学工艺。尽管如此，化学工艺所涉及的范畴是相同的，一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作条件的影响；生产控制；产品的分离；能量的利用于回收等。,11.2 学习本课程的目的,1、熟悉化工生产中所涉及的基本原理和典型设备，以及它们在化工生产中的应用,2、认识化工生产中分析问题解决问题的途径,3、有助于指导化学科研工作,目的：,学习方法：,原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高 是多学科合作、生产技术密集型的生产部门 重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法 易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题,§12 化工生产的特点,§13 化工中的一些基本规律,质量守恒（物料衡算） 能量守恒（能量衡算） 平衡关系 过程速率,1-3.1质量守恒（物料衡算）：,质量守恒表现为物料衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。,进入的物料量输出的物料量系统内的积累量,图1-1 物料衡算示意图,物料衡算式： M入 M出 M,连续稳定流动：M入 M出,进行物料衡算时，必须明确下面几点：,1. 首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。,2. 其次要确定衡算的基准。,3. 然后确定衡算的对象。,4. 最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,例1-1 每小时有10 吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作 7200小时 计）损失的乙醇多少吨？,解：,已知：,原料液流量及其中乙醇含量,产品和废水中乙醇含量,确定：,衡算范围：,衡算对象：,衡算基准：,设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。,由物料衡算式：,M入 M出,对物流的量进行衡算：,10 X + Y (1),对乙醇的量进行衡算：,10 ×5 X ×95 + Y ×0.1 (2),X 0.516 吨/时 Y 9.484 吨/时,每年损失乙醇：,9.484 ×0.1 ×7200 68.28 吨/年,1-3.2能量守恒（能量衡算）：,能量衡算的依据是能量守恒定律。,能量衡算的目的是：,计算单位产品的能耗,了解过程中能量的利用和损失情况,确定生产过程中需要输入、输出的热量,设计换热设备,图1-2 能量衡算示意图,热量衡算式： Q入 Q出 Q,稳定的连续性操作：Q入 Q出,1-3.3 平衡关系,有关平衡的规律可以预测过程能够达到的极限 可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限 可以考察外界参数对平衡的影响和体系中物料状态对平衡转化率的影响，从而优化条件 衡量过程的效率，从而找出改进的方法,1-3.4 过程速率,过程速率决定设备的生产能力，过程速率越高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。,过程速率（r）,在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题。,§14 从实验室研究到工厂生产,将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程称为化工过程开发。,实验室研究（小试） 可行性研究 中间试验（中试） 工业装置的设计和投产,国际单位SI（共7种） 1960年，电流安培（A）长度单位（m） 时间单位（s）质量单位（kg） 热力学温度（k）发光强度（cd） 1971年，物质的量（mol）,第二章 流体的流动与输送,基本要求 理解本章的基本概念，流体静止和流动时的基本规律.基本原理，掌握基本方程的计算及应用。 了解流体输送机械,流体的概念： 流动的物质，没有固定的形状，气体、液体的统称。,流程分析： 流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等，是流体动力学问题。 流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是流体静力学问题。 为了确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。 据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。 流体流动将影响过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。,§21 一些基本概念,21.1理想流体和实际流体,理想流体：不具有粘性，在流动过程中不产生摩擦阻力； 实际流体：具有粘性，流动时产生摩擦阻力。 理想流体是一种假设的概念,是对实际流体在某些条件下的简化处理。,理想气体状态方程,以当时条件与标准条件对比时：,21.2 流体的密度、相对密度和比容,1流体的密度,流体的密度单位体积流体的质量。用表示，属于物 性。 国际单位用kg/m3,对于液体，压强的变化对密度的影响很小，可以忽略， 称为不可压缩性流体。此时，密度随温度而改变，,在使用液体的密度时，要注意温度条件。 对于气体，密度随T、P改变很大，称为可压缩性流体，此 时，,气体的密度必须标明其状态。,获得方法：（1）查物性数据手册,（2）公式计算：,由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度,2、相对密度：是指在共同的特定条件下，一个物质的密度 与另一个物质的密度之比值，用 d 表示。,在一般情况下是以水作参照物，其值相当于比重,比容 是指单位质量的物料所具有的体积,是密度的倒数。单位 为m3/kg。,21.3 流体的压力及其测量,压强的定义,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。,数学表达式为：,SI制单位：N/m2，即Pa。,表压强=绝对压强-大气压强,2）表压 强（表压）：,1）绝对压强（绝压）：,以当时当地的大气压为起点的压力称为表压。 即绝对 压强与大气压强之差。,流体体系的真实压强称为绝对压强。 它是以真空为起点的压力,用不同密度的两种液体表示同一压强： Ah A= B h B 用同一液体表示不同种压强： P Ah A=PAhA,压强的基准,3）真空度：,真空表的读数，当绝对压强小于大气压强时，,真空度=大气压强-绝对压强,绝对压强、真空度、表压强的关系为,绝对零压线,大气压强线,绝对压强,表压强,绝对压强,真空度,当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。,例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80×103pa，在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？（兰州地区的平均大气压强为85.3×103pa,天津地区的平均大气压强为101.33×103pa, ）,、流体静力学基本方程,方程的推导,在1-1截面受到垂直向下的压力,在2-2 截面受到垂直向上的压力：,液柱本身所受的重力：,因为小液柱处于静止状态，,流体的静力学方程,表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律 方程的讨论,2）当液面上方的压强P0有改变时,液体内部各点的压强P也发生同样的改变。即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。 3）静止流体内部任一点的压强是液面深度的函数，距液面越深，则压强越大。,1）在连续.静止的同一液体内,处于同一水平面上各点的 压 强相等。,压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强 或压强差时，需指明何种液体。,、流体压力的测量 U形管,常用指示液：水（着色水），油，四氯化炭等，它必须满足：与被测的液体互不相溶且不发生化学反应 它的密度必须大于被测流体的密度。,根据流体静力学方程,若被测流体是气体,通常,上式可解化为:,得：,例 如附图所示，水在管道中流动。为测得A-A、B-B截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R150mm，试计算A-A、B-B截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600 kg/m3。,解：图中，1-1面与2-2面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即,又,、流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。 若流量用体积来计量，称为体积流量，用qv表示； 单位为m3/s。 若流量用质量来计量，称为质量流量，用qm表示； 单位kg/s。 体积流量和质量流量的关系是：,、流速 单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速,以u表示，单位为m/s。 数学表达式为：,21.4 流量和流速,流量与流速的关系为：,流体输送管道通常是圆管，若管道直径为d，则：,管道直径的计算式,管径的初选,在管路设计中，适宜的流速的选择十分重要。 若流速选得太大，流体流过管路时的阻力增大 ，操作费用增加 ； 若流速选得太小，管径增大，管路的基建费增加。 应在操作费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速 一般来说，液体的流速取0.53.0m/s，气体则为1030m/s 管材有一定的规格，用公称直径Dg表示，P29表23,2 非定态流动,在流动过程中，流体在任一截面上的物理量既随位置变化又随时间而变化的流动。,§22 流体定态流动时的衡算,22.1 流体定态流动时的物料衡算,流体流动过程中 涉及三大守恒定律：,质量守恒,动量守恒,能量守恒,质量衡算,连续性方程是质量守恒定律的一种表现形式，本节通过物料衡