化工原理讲稿优秀课件.ppt
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1、化工原理讲稿2023/5/101第1页,本讲稿共81页绪论n一、化工原理学科的发展历史n二、单元操作及其理论基础n三、化工原理课程内容及目标n四、化工原理中常用的基本概念n五、单位与因次第2页,本讲稿共81页一、化工原理学科的发展历史n1、学科归属 化工原理 化学反应工程 化学工程与工艺 化工热力学(一级学科)(二级学科)化工系统工程 化工控制工程等第3页,本讲稿共81页一、化工原理学科的发展历史n2、化工原理学科的发展与化学工业发展的关系 人类文明的历史也是化学工业的历史 化学工业发展时期 十八世纪中期前(技术特点,人才要求)十八世纪中期后化学工程与工艺学科的建立只有一百多年的历史边缘学科n
2、3、学科发展方向 与新技术学科交叉 生命化学工程,信息化学工程,新能源化学工程第4页,本讲稿共81页一、化工原理学科的发展历史n4、学术团体,刊物及专著Handbook of Chemical EngineeringChemical Engineering(美国)Chemical Engineering Science(英国)The Chemical Engineer(英国)化学工程化工学报第5页,本讲稿共81页二、单元操作及其理论基础n1、单元操作 根据操作原理将各种各样的物理加工归纳为一系列基本操作过程,即单元操作流体输送,搅拌,沉降,过滤热交换,蒸发吸收,蒸馏,萃取,吸附,干燥n2、举例
3、n3、理论基础动量传递,热量传递,质量传递第6页,本讲稿共81页第7页,本讲稿共81页三、化工原理课程内容及目标n内容:n三传基本原理n单元操作:设备计算,选型,实验研究n目标:n掌握化工生产的一般规律n开发新工艺,创新设计n对化工装置的优化操作和合理管理n诊断生产过程,分析解决实际工程问题第8页,本讲稿共81页四、化工原理中常用的基本概念n物料衡算n能量衡算n平衡关系n过程速率nEuler法和Lagrange法n控制体及控制面n系统或物系第9页,本讲稿共81页五、单位与因次 n1、各单位制的基本单位 量的名称国际单位制物理单位制工程单位制长度mcmm质量Kgg时间sss电流A热力学温度K物质
4、的量mol发光强度cd力kgf第10页,本讲稿共81页五、单位与因次n因次分析基本量:长度L,质量M,时间T,温度原则:变数之间的任何一个方程或关系式在因次上必须一致第11页,本讲稿共81页3.2.4机械能守恒例题n3.2.4例题如图示,槽内水位维持不变,其底部与内径为100mm的钢管相连,管路上装有一个闸阀,阀的上游距管路入口端15m处安有以汞为指示液的U管压差计,其一臂与管道相连,另一臂通大气。当阀门关闭时,测得R=600mm,h=1500mm。当阀门部分开启时测得R=400mm,h=1400mm,此时管路的摩擦阻力损失为hf=19.7J/kg。求在管道中每小时的流出量m3?已知H2O=1
5、000kg/m3,Hg=13600kg/m3第12页,本讲稿共81页6.2管路计算例题n从自来水池引一支路AB向居民供水,在站点B分成两路,分别通向一楼和二楼。已知管AB,BC和BD的长度(包括管件的当量长度)分别为100m,10m及20m,管内径均为30mm,直管段=0.03,两支路出口各安装一球心阀,假设A点处压力为3.43105Pa(表),试求:n1.当一楼阀全开(门=6.4),高度为5米的二楼能否供水?此时AB管内流量为多少?n2.若将一楼阀门关小使其流量减半,二楼最大流量为多少?第13页,本讲稿共81页2.3离心泵的组合操作例题n用两台相同的离心泵,从水池向密闭容器供水,单台泵的特性
6、曲线可近似表示为He=50-1.1105qv2(m3/s),适当关闭或开启阀门,两泵即可串联或并联工作,已知水池和容器内液面间的高度差为10m,容器内压强为98.1KPa(表),管路总长为20m(包括各种管件的当量长度,但不包括阀A),管径为50mm,假设管内流动已进入阻力平方区,其摩擦系数=0.025,若两支路皆很短,其阻力损失可忽略,试求阀门A全开,哪种组合方式的输送能力大?阀A=0.17第14页,本讲稿共81页吸收例题n由一直立小玻璃管,底端封死,内充丙酮,液面距上端口11mm,上端有一股空气平缓地吹过。5小时后,管内液面降到距管口20.5mm。管内液体温度保持为293K,大气压为100
7、KN/m2,丙酮的蒸汽压为24KN/m2,求丙酮在空气中的扩散系数。第15页,本讲稿共81页液体精馏例题n用一常压连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。原料混合物中含苯44%(摩尔百分率,以下同),要求塔顶产品中含苯97.4%,塔釜产品中含苯不大于2.35%,进料为饱和液体,塔顶采用全凝器。已知操作条件下塔顶的相对挥发度为2.6,塔釜的相对挥发度为2.34,进料的相对挥发度为2.44。取回流比为最小回流比的2.45倍。试用捷算法确定完成该分离任务所需的理论塔板数及加料板的位置。第16页,本讲稿共81页第十章 气液传质设备n气液传质设备用于处理气液传质过程,包括吸收和精馏过程,要求设备提供充分的气液接触
8、。气液传质设备板式塔填料塔逐级接触式微分接触式第17页,本讲稿共81页第18页,本讲稿共81页板式塔n一、性能要求u分离效率高u气、液负荷大u有一定的操作弹性u塔板压降小u结构简单,制造维修方便,造价低第19页,本讲稿共81页板式塔n二、塔板结构第20页,本讲稿共81页板式塔n二、塔板结构u有溢流和无溢流塔板有溢流无溢流鼓泡区受液区降液区第21页,本讲稿共81页板式塔n二、塔板结构u降液管u液流程数(有溢流塔板)第22页,本讲稿共81页板式塔n二、塔板结构u板间距板间距u相邻两层塔板间的距离为板间距HT。板间距的大小关系到正常操作气液流量的高限值,也和塔高相关。若板间距取得大,允许的气液流量也
9、大,但对一定塔板数而言,需要的塔体也高。板间距的确定还要考虑制造和维修方便.u板间距参考值(单流型)第23页,本讲稿共81页n二、塔板结构u气液接触元件及塔板型式第24页,本讲稿共81页n二、塔板结构u气液接触元件及塔板型式第25页,本讲稿共81页n二、塔板结构u气液接触元件及塔板型式第26页,本讲稿共81页板式塔n二、塔板结构u气液接触元件及塔板型式筛板塔泡罩塔浮阀塔结构板上开孔升气管和泡罩组成板孔上安装阀片制造最简单复杂较简单造价低高较高安装检修极方便不方便方便操作弹性较小很大最大压降小最大较小生产能力大小较大第27页,本讲稿共81页板式塔n三、塔板流体力学状况u气液接触状态鼓泡状态:孔速
10、较低,液体为连续相,气体为分散相,两相接触传质表面泡沫状态:孔速增加,液体为高度活动的泡沫形式存在于气泡中,连续相?分散相?喷射状态:气流直接穿过液层,呈喷射状态,连续相?分散相?转相点实际操作状态第28页,本讲稿共81页板式塔n三、塔板流体力学状况u气体通过塔板的压降hf=hd+hl其中干板压降hd=u02/(2g)v/l液层压降hl=(hw+how)u液面落差进出口液层高度之差hd/2u漏液漏液点第29页,本讲稿共81页板式塔n三、塔板流体力学状况n液泛液泛降液管液泛(溢流液泛)降液管液面Hd=hw+how+hf+hf泡沫层高度Hfd=Hd/其中相对泡沫层密度=f/l溢流液泛发生:泡沫层高
11、度达到溢流堰上缘时Hd/=HT+hW第30页,本讲稿共81页n三、塔板流体力学状况过量液沫夹带过量液沫夹带当气速增加到某一值时,塔板压降急剧上升,液体充满整个降液管,直至全塔,发生过量液沫夹带液泛;对应的气速为液泛气速(或泛点气速),是塔操作气速的最大极限。液沫夹带量若以每公斤干气体所夹带的液沫量ev表示,则实际经验表明,当ev0.1kg液/kg干气时,为过量液沫夹带,塔处于不正常操作状况。第31页,本讲稿共81页n三、塔板流体力学状况过量液沫夹带过量液沫夹带定义液泛气相负荷因子Cf液泛气相负荷因子受表面张力、板间距及两相流动的影响,气相负荷因子Cf可由经验关联图查到。图中横坐标为两相流动参数
12、第32页,本讲稿共81页板式塔n四、塔板负荷性能图u1、过量液沫夹带线u规定液沫夹带量的最大值ev=0.1kg液/kg干气,以此为原则,便可作出过量液沫夹带线。u2、漏液线u3、溢流液泛线Hfd=Hd/=HT+hwu4、液量下限线u当溢流堰顶上的液层厚度how等于6mm时,对应液体流量的下限u5、液量上限线由液体在降液管中的停留时间决定=AfHd/Ls35su操作弹性:VA/VBn负荷性能图LV12453AB第33页,本讲稿共81页板式塔n五、塔主要尺寸确定u板间距由塔径、气液负荷及制造维修等因素决定取值范围:0.30.8米u传质高度H=HT(N实际-1)u筛板塔塔径计算两相流动参数:FLV=
13、LS/VS(L/V)1/2确定泛点气速设计气速/泛点气速=0.80.85计算流通面积计算塔板总面积(考虑降液管面积影响)塔径圆整第34页,本讲稿共81页Packed columnsnGeneralarrangementofpackedcolumnnTheconstructionofpackedcolumnsuLiquiddistributoruPackingsuRedistributoruPackingsupportplateuMisteliminatornFluidflowinpackedcolumns第35页,本讲稿共81页OrificePanDistributor,TroughDistr
14、ibutor第36页,本讲稿共81页第37页,本讲稿共81页 第38页,本讲稿共81页Collector/Redistributor第39页,本讲稿共81页PackingSupportPlateGasInjectionSupportPlate第40页,本讲稿共81页MistEliminator第41页,本讲稿共81页填料塔填料塔n一、填料塔简介一、填料塔简介n填料塔最初出现在十九世纪中叶,在1881年用于精馏操作。n填料塔的塔体横截面有圆形,矩形及多边形等,但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢,不锈钢,聚氯乙烯,玻璃钢和砖等。n塔内放置填料(packings)。填料种类很多。用于制造填料的材料
15、有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广,故易于解决物料腐蚀问题。n填料塔装配图如下第42页,本讲稿共81页 第43页,本讲稿共81页 2023/5/1044第44页,本讲稿共81页二、二、填料的种类与特性填料的种类与特性n填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积,填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布,而且促进了气相的湍动。n填料塔的发展史中最主要的是填料的发展史。早期以碎石为填料,碎石比表面积小,空隙率低,堆积密度大,造成塔体很重,逐渐暴露出其缺点。自二十世纪初至廿世纪中叶,曾兴起了对填料开发、研制的热潮。n在这时期,先后出现了拉西环、St
16、edman金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现,使填料塔的操作性能得到显著改进。第45页,本讲稿共81页1填料的种类n常见填料的形状可分为四种类型。n短管形填料:最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造,强度好,取材面广,但流体力学及传质性能都不够理想。n1948年出现的鲍尔环是对拉西环作出重大改进的一种填料。该填料是在拉西环的基础上,在填料壁面开两层矩形孔。开矩形孔的部份只切开三条边,留下一边仍与填料壁相连,并把切开的部份推到填料圈内侧。于是,不论填料在塔内置于什么方位,流体均可通过填料,从而使填料内、外壁面均成为有效传质区域。n短管形填料
17、一般是乱堆填料,只有2英寸以上的大填料才可能是整砌填料。第46页,本讲稿共81页第47页,本讲稿共81页 鞍形填料n鞍形填料不同于短管形填料,其特点是不分内、外表面,整个填料表面由各种曲面组成,填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。1931年出现的这类填料称弧鞍形填料,是因形如马鞍而得名。这种填料与拉西环相比,填料表面利用率高,阻力小,但因形状设计尚有缺陷,相邻填料有重叠倾向,填料层均匀性较差,且填料易碎,故使用不广。另一种改进型填料是1950年出现的矩鞍形填料,矩鞍形填料亦是当前应用较多的一种填料。这种形状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。第48页,本讲稿共81页短管形与鞍形填料的结合
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