化工单元操作

化工单元操作在生产中的应用绪论0.1化工生产与单元操作1.化工生产过程原料预处理化学反应产物后处理物理过程单元操作化学反应过程反应器物理过程单元操作0.1化工（制药）生产与单元操作2.单元操作（UnitOperation）单元操作按其遵循的基本规律分类：（1）遵循流体动力学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；（2）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、冷凝、蒸发等；（3）遵循质量传递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；0.1化工（制药）生产与单元操作单元操作的基本原理；单元操作典型设备的结构；单元操作设备选型设计计算。研究内容高效率、低能耗、环保；开发新的单元操作单元操作集成工艺与技术。研究方向3单元操作的研究内容与方向：0.2单位制与单位换算一、基本单位与导出单位基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便原则规定单位；导出单位：由有关基本单位组合而成。单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。0.2单位制与单位换算基本单位：7个，化工中常用有5个，即长度（米），质量（千克），时间（秒），温度（K），物质的量（摩尔）国际单位制SI制基本单位：长度（厘米cm），质量（克g），时间（秒s）物理单位制CGS制基本单位：长度（米），重量或力（千克力kgf），时间（秒）工程单位制我国法定单位制为国际单位制（即SI制）二、常用单位制三、单位换算物理量的单位换算换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数（见附录二中）经验公式的单位换算经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。0.2单位制与单位换算0.3物料衡算与能量衡算一、物料衡算1、画出流程示意图，标出物料流向与流量、组成等；物料衡算的步骤2、用虚线划出衡算范围；3、定出衡算基准；4、列出衡算式并求解。二、能量衡算机械能、热量、电能、磁能、化学能、原子能等统称能量，化工生产中常以热量为主，下面以热量衡算为例说明能量衡算过程。)10(LOIQQQ注意：作热量衡算时，由于焓是相对值，与温度基准有关，故应说明基准温度。习惯上选0℃为基温，并规定0℃时液态的焓为零。0.3物料衡算与能量衡算0.4化工原理课程的两条主线1、传递过程（从物理本质上说又下列三种）(1)动量传递过程（单相或多相流动）；(2)热量传递过程——传热(3)质量传递过程——传质上表所列各单元操作皆归属传递过程，于是，传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。三传一反构成各种工艺制造过程，三传又有彼此类似的规律可以合在一起研究，形成传递过程这门学科，是单元操作在理论方面的深入发展0.4化工原理课程的两条主线2、研究方法论必要性化工原理是一门工程学科，对一些过程作出如实的、逼真的数学描述几乎是不可能的。采用直接的数学描述和方程求解的方法将是十分困难的。因此，探求合理的研究方法是发展这门工程学科的重要方面。(1)试验研究方法（经验方法）优点、不足(2)数学模型方法（半理论半经验方法）必要性、广泛被应用0.5化工原理课程所回答的问题（1）如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求（2）如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。（3）如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。当然，当生产提出新的要求而需要工程技术人员发展新的单元操作时，已有的单元操作发展的历史将对如何根据一个物理或物理化学的原理发展一个有效的过程，如何调动有利的并克服不利的工程因素发展一种新设备，提供有用的借鉴。离心泵换热器旋风分离器填料塔板式塔第一章流体流动流体流动规律是化工原理课程的重要基础，主要原因有以下三个方面：（1）流动阻力及流量计算（2）流动对传热、传质及化学反应的影响（3）流体的混合效果1.1.1重要概念一.密度定义:单位体积流体的质量称为密度.公式:式中ρ--------流体的密度，kg/m3；m--------流体的质量，kg；V--------流体的体积，m3。在研究流体流动时，若压力与温度变化不大时，则可认为液体的密度为常数。密度为常数的流体称为不可压缩流体。严格说来，真实流体都是可压缩流体,不可压缩流体只是在研究流体流动时，对于密度变化较小的真实流体的一种简化。本章中如不加说明均指不可压缩流体。1.1.1重要概念二.气体密度一般来说气体是可压缩的，称为可压缩流体。但是，在压力和温度变化率很小的情况下，也可将气体当作不可压缩流体来处理。当气体的压力不太高，温度又不太低时，可近似按理想气体状态方程来计算密度。由计算p--------气体的绝对压强，kPa或kN/m2；M--------气体的摩尔质量，kg/kmol；T--------气体的绝对温度，K；R--------气体常数，8.314kJ/(kmolK)。1.1.2流体的静压强一.静压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为压强，或称为静压强。其表达式为式中p--------流体的静压强，Pa；FV-------垂直作用于流体表面上的力，N；A--------作用面的面积，m2。1.1.2流体的静压强二.静压强的单位1．按压强的定义，压强是单位面积上的压力，其单位应为Pa，也称为帕斯卡。其105倍称为巴（bar），即1bar=105Pa。常用单位有：Pa、KPa、Mpa。2．直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。3.以大气压强表示：atm（物理大气压）、at（工程大气压）1atm=1.013105Pa=10.33mH2O=760mmHg1at=9.81104Pa=10mH2O=735mmHg1.1.2流体的静压强三.静压强的表示方法绝对压强（ata）：以绝对真空为基准量得的压强；表压强（atg）：以大气压强为基准量得的压强。真空度表压强以大气压为起点计算，所以有正负，负表压强就称为真空度，其相互关系如下图所示。注意符号:atm--------物理大气压；at--------工程大气压；ata--------绝对压强；atg--------表压强。1.1.3流体静力学基本方程流体静力学基本方程是描述静止流体内部，流体在压力和重力作用下的平衡规律。当流体质量一定时，其重力可认为不变，而压力会随高度变化而变化。所以实质上是描述静止流体内部压强的变化规律。p2=p1+ρg(Z1-Z2)(2)p=p0+ρgh(3)1.1.3流体静力学基本方程重点讨论：1.方程应用条件：静止，连续，同一流体。静止------受力平衡连续------能够积分同一流体------密度一定2.当p0一定时，静止流体中任一点的压力与流体密度ρ和所处高度h有关。所以同一高度处静压力相等。3.当表面压强p0变化时，内部压强p也发生同样大小的变化。4.由p=p0+ρgh可得：h=P表/ρg这就是用流体高度表示压强单位的计量依据。从公式可知，密度ρ会有影响，因此必须注明流体的名称。静力学基本方程主要应用于压强，压强差，液面等方面的测量。U型测压管、U型压差计、微差压差计、玻璃管液面计和液封高度的确定均可以此计算。1.2流体在管内的流动化工生产中的流体极大多数在密闭的管道或设备中流动，本节主要讨论流体在管内流动的规律，即讨论流体在流动过程中，流体所具有的位能、静压能和动能是如何变化的规律。从而为解决流体流动这一单元操作中出现的工程问题打下基础。流体流动应服从一般的守恒原理：质量守恒和能量守恒。从这些守恒原理可得到反映流体流动规律的基本方程式连续性方程式（质量守恒）柏努利方程式（能量守恒）这是两个非常重要的方程式，请大家注意。1.2.1流量单位时间内流过管道任一截面的流体量称为流量。若流体量用体积来计算，称为体积流量，以Vs表示，其单位为m3/s；若流体量用质量来计算，则称为质量流量，以ws表示，其单位为kg/s。体积流量与质量流量的关系为：ws=Vsρ式中ρ--------流体的密度，kg/m3。注意，流量是一种瞬时的特性，不是一段时间的累计量。1.2.2流速单位时间内流体在流动方向上所流经的距离称为流速。以u表示，其单位为m/s。流体流过管路时，在管路任一截面上各点的流速沿管径而变化，即在管截面中心处流速最大，越靠近管壁流速就越小，在管壁处的流速为零。流体在管截面上各点的流速分布规律较为复杂，在工程中为简便起见，流速通常采用整个管截面上的平均流速，即用流量相等的原则来计算平均流速。其表达式为：式中A--------与流动方向相垂直的管路截面积，m2。流量与流速的关系为：ws=Vsρ=uAρ1.2.2流速由于气体的体积流量随温度和压强而变化，因而气体的流速亦随之而变。因此采用质量流速就较为方便。质量流速即单位时间内流体流过管路截面积的质量，以G表示，其表达式为：式中G--------质量流速，亦称质量通量；kg/m2s。1.2.3管路直径的估算及选择一般管路的截面均为圆形，若以d表示管路内径，则于是。所以流体输送管路的直径可根据流量及流速进行计算，所以选择的u越小，则d越大，那么对于相同的流量，所用的材料就越多，所以材料费、检修费等基建费也会相应增加。相反，选择的u越大，则d就越小，材料费等费用会减少，但由于流体在管路中流动的阻力与u成正比，所以阻力损失会增大，即操作费用就会增加。所以应综合考虑，使两项费用之和最小。通常流体流动允许压强降：水24.5kpa/100m管空气5.1kpa/100m管可以此来衡量所选择的管径是否合适。对于长距离与大流量输送流体，d应按前述的经济核算原则进行选择；而对于车间内部，通常管道较短，也不太粗，这时可根据经验来选择d。一般液体流速为0.5—3m/s，气体为10—30m/s，蒸汽为20—50m/s。某些流体在管路中常用流速范围1.2.4连续性方程设流体在管道中作连续稳定流动，从截面2--2流出，若在管道两截面之间流体无漏损，根据质量守恒定律，从截面1--1进入的流体质量流量ws1应等于从2--2截面流出的流体质量流量ws2，即ws1=ws2因为ws=uAρ，所以u1A1ρ1=u2A2ρ2此关系可推广到管道的任一截面，即ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=uAρ=常数上式称为连续性方程。若流体不可压缩，ρ=常数，则上式可简化为Vs=u1A1=u2A2=uA=常数1.2.4连续性方程由此可知，在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比，截面积越大流速越小，反之亦然。管道截面大多为圆形，故连续性方程又可改写为:由上式可知，管内不同截面流速之比与其相应管径的平方成反比。1.2.5柏努利方程在上图所示的稳定流动系统中，流体从1--1截面流入，从2--2截面流出。流体本身所具有的能量有以下几种形式：1.位能相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所作的功，即位能=mgZ位能的单位[mgZ]=kgm=Nm=J2．动能质量为m、流速为u的流体所具有的动能为动能=动能的单位1.2.5柏努利方程3．静压能设质量为m、体积为V1的流体通过如图所示的1-1截面时，把该流体推进此截面所流经的距离为V1/A1，则流体带进系统的静压能为：输入静压能=p1A1V1/A1=p1V1静压能的单位4．内能单位质量流体的内能以U表示，质量为m的流体所具有的内能为：内能=mU内能的单位除此之外，能量也可以其它途径进入流体，它们是：（1）热单位质量流体通过时吸热或放热，以Qe表示，质量为m的流体吸收或放出的热量为：热量=mQe热量的单位（2）功单位质量流体获得的能量以We表示，质量为m的流体接受的功为：功=mWe功的单位流体接受外功为正，向外界作功则为负