化工设计概论 第六章
天津大学 化工导论 课件 ppt 第六章 化学工程与工艺的科学基础
结晶与精 馏结合用于 分离萘及其 衍生物
第一节 化工单元操作及设备
1、单元操作的概念
任何化工过程无论规模大小，都可 以分为一系列基本操作，如流体输送、 过滤、加热、冷却、蒸馏、萃取等等。 单元操作就是按照特定要求使物料发 生物理变化的这些基本操作的总称。
2、化学反应的操作方式
（1）间歇式操作 （2）连续式操作
3、反应器的形式
（1）釜式反应器 （2）固定床放应器 （3）流化床反应器
第三节 化工过程控制
1、化工过程控制的目的
化工过程控制的目的在于保证化工
装备平稳运行、从而使生产过程平稳、 多出合格产品。
2、化工过程控制的原理
（1）测量变送器
现代化工导论
第六章 化学工程与工艺的科学基础
第六章 化学工程与工艺的科学基础
化学工业中存在着千变万化 的各种化学加工过程，即化工过 程。化工过程中不仅包含化学变 化的过程，而且还包含分离混合 物为较纯净的不同组分以及改变 其物理状态和性质的各种过程。
在某现有装置中进 行一台结晶器的安装
大规模装置（15万吨/年）
而分离气体混合物的操作称为吸收。
2.5 萃取
利用混合物中的各个组分在溶剂
中溶解度的不同，而达到分离的目的。 用溶剂分离液体混合物中的组分，称 液-液萃取或溶剂萃取；用溶剂分离固 体混合物中的组分，称固-液萃取或称
浸取。
第二节 化学反应工程
1、化学反应工程的任务和内容
化学反应工程主要研究内容有 两方面，一是对化学反应规律的 研究，二是对反应器中传递规律 的研究。
3.经济效益分析
3.1 经济效益的概念
V (生产成果 ) 产出 E (经济效益 ) C (劳动消耗 ) 生产一种产品时所消耗的 物化劳动和人力劳动的总和。构成化工产 品成本的主要组成部分有：
006第六章化工工艺设计中的工程问题
• • • • • •
2 考虑物料对设备及管道材质的影响 3 设备使用的安全措施 4 熟悉生产操作过程 5 防止危险物料生成的措施 6 防止中毒的措施 7 防止户生静电的措施等等
现结合在低分子聚丁二烯工程设计为例，来说明以 上具体措施的应用
整个生产过程中的原料产品和副产品的性质：
物料名称 丁二烯 四氢呋喃 甲苯 金属钠 闪点 ＜78℃ ＜15℃ 4℃ －－ 沸点 -4.4℃ 65℃ 110.6℃ －－ 是否易燃 易爆 是 是 是 遇水燃烧 是否有毒 低毒 低毒 低毒 －－
为提高设计质量，不留安全生产隐患，设计应该 考虑哪些问题？ 以低分子聚丁二烯的生产工艺开发设计为例来讲 述四性的具体内容 • 1、研究生产工艺全过程，首先是原料、产品和副 产品的物理化学性质，研究的方法可以是查手册， 积累试验数据，根据国家安全卫生规范，区别哪 些是易燃易爆、有毒的物料，根据安全要求对易 燃易燃物料，要特别设计它们的加料过程、储存 措施，特别要注意防泄漏， 防止窜料的有效措施；
萘
聚丁二烯
－－
－－
易挥发
沸点高
－－
不燃烧Leabharlann 有毒－－从闪占看以上前三种原料均属于甲级危险品，只是四氢峡附和叩苯的沸点均高 于常温，所以危险性比丁二烯要小一些。其它两种固体原料也是很危附的有毒 物质，在使用过程中都要很小心的使用，要有很完善的安全措施。
一、防跑料的措施
• 1﹚加料及排料都采用储罐密封储存， 管道输送， 丁二焰全部用管道输送，甲苯和四氢呋喃用槽车 运来， 通过软管用泵抽进储罐， 以后全部使用管 道输送，为了防止泄露，还提高了管道的压力等 级， 生产操作压力只要0.5MPa 。把设计压力提 高到1.6MPa 的等级，为了保证生产过程中不泄 露。 • 2﹚在装置区内配备了15个可燃气体报警器。
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第六章 化学工程与工艺的科学基础
化学工业中存在着千变万化 的各种化学加工过程，即化工过 程。化工过程中不仅包含化学变 化的过程，而且还包含分离混合 物为较纯净的不同组分以及改变 其物理状态和性质的各种过程。
两方面，一是对化学反应规律的 研究，二是对反应器中传递规律 的研究。
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2、化学反应的操作方式
（1）间歇式操作 （2）连续式操作
3、反应器的形式
（1）釜式反应器 （2）固定床放应器 （3）流化床反应器
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第三节 化工过程控制
1、化工过程控制的目的
化工过程控制的目的在于保证化工 装备平稳运行、从而使生产过程平稳、 多出合格产品。
第六章化学工程与工艺的科学基础大规模装置15万吨年此装置有六台结晶器此规模中显示出其中的两台在某现有装置中进行一台结晶器的安装馏结合用于分离萘及其衍生物1322152318242325化工过程控制的目的在于保证化工装备平稳运行从而使生产过程平稳多出合格产品
现代化工导论
第六章 化学工程与工艺的科学基础
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在某现有装置中进 行一台结晶器的安装
大规模装置（15万吨/年）
此装置有六台结晶器，此规 模中显示出其中的两台
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结晶与精 馏结合用于 分离萘及其 衍生物
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第一节 化工单元操作及设备
1、单元操作的概念 任何化工过程无论规模大小，都可
以分为一系列基本操作，如流体输送、 过滤、加热、冷却、蒸馏、萃取等等。 单元操作就是按照特定要求使物料发 生物理变化的这些基本操作的总称。
化工原理第六章主要内容
化工原理第六章主要内容第六章传热设备一、换热器的分类及特点按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器按传热特征分类：直接接触式、蓄热式、间壁式二、夹套式换热器夹套式换热器是在容器外壁安装夹套制成；主要用于反应过程的加热或冷却。
特点：结构简单，但其传热面积不大，不耐压，且传热系数也不高。
三、蛇管式换热器（一）沉浸式蛇管浸没在容器中的液体中形成优点：结构简单、价格低廉，能承受高压，便于防腐。
缺点：传热面积有限，容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。
（二）喷淋式蛇管成行地固定在钢架上形成，多用作冷却器。
优点：结构简单，造价便宜，耐腐蚀；管内耐高压；管外α 比沉浸式大。
缺点：冷却水喷淋不易均匀，只能安装在室外，占地面积大，要定期清洗。
四、套管式换热器由大小不同的直管制成的同心套管，并由U 型弯头连接而成；每一段称为一程。
优点：构造较简单，耐高压，传热面积可调，应用方便，两流体均可达到较高的流速，且可完全逆流。
缺点：管间接头多，易泄露，占地较大，单位传热面消耗的金属量大。
五、列管换热器优点：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好。
能用多种材料制造，故适用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。
（一）列管换热器的构造和形式主要部件：壳体、管束、管（花）板、顶盖（封头）管束装在壳体内，固定于管板上1.固定管板式（G ）两端管板和壳体制成一体，结构简单，成本低；壳程清洗和检修困难；不进行热补偿或采用补偿圈进行热补偿；不宜用于两流体温差过大（大于70℃）和壳程流体压强过高的场合。
2.浮头式换热器(F)一端管板不与外壳连为一体，形成可沿轴向自由浮动的浮头进行热补偿；整个管束可以从壳体中抽出，管、壳程均便于清洗和检修；允许两程温差较大；结构比较复杂，造价较高。
3. U 型管式换热器每根管子都弯成U 型，进出口分别安装在同一管板的两侧，每根管子可以自由伸缩进行热补偿；封头用隔板分成两室，形成双管程；管程不易清洗。
《化工设计概论》课程教学大纲
《化工设计概论》课程教学大纲—\课程目标：（一）总体目标：《化工设计概论》是化学工程与工艺专业的一门专业必修课。
它综合运用已学过的专业基础课和专业课，讨论化工工艺过程及其设备的设计和化工厂设计问题。
通过对化工生产过程的结构分析，了解构成工艺过程的结构，为化工过程的整合提供依据。
主要内容有化工设计概述；过程物料衡算及热量衡算；工艺过程分析和化工过程整合；工艺流程设计；主要设备初选；总图布置及储运，设备平面及立面布置；管路布置和设计；公用工程及环境保护等。
课程以化工设计为主线，综合运用化工原理、化学反应工程、化工热力学、CAD制图、化工设备机械基础、化工仪表及自动化、化工环保等课程的知识，讲授化学工艺过程和设备的设计及化工厂设计问题，着力培养学生创造性思维和灵活运用各方面知识来解决实际问题的能力，加强工程实践能力的培养。
（二）课程目标：课程目标1：根据化工过程中所涉及的化学反应、分离过程、物料衡算和能量衡算以及工艺过程相关设备设计和选型，具备确定工艺路线并对化工工艺过程进行系统评价的能力。
课程目标2：具备化工过程相关的设备设计、自动控制方案配置、并通过使用新的化学反应工程、分离技术、强化能量传递和热量传递以及物料传输过程中的创新技术，实现对化工工艺过程的强化和优化。
课程目标3：能够利用现代设计方法对工艺过程进行过程模拟，并能够对结果进行系统评价和优化，以工艺流程图（物料流程图PF&D图和带控制点的工艺流程图PI&D图），车间设备布置图、管路布置图、厂区布置图、设备条件图等形式体现工艺设计和优化的结果。
课程目标4：了解国家和各地区对相关对节能减排、环境保护和生态保护相关的政策法规，对化工工艺过程所涉及的环境污染物、健康危害和人身危害因素作系统的风险分析和评估，在化工工艺设计中，为环境保护、安全生产、人身健康和防护做出相应的系统设计和优化。
课程目标5：通过对工厂设计、厂区设计、公用工程设计以及化工工艺过程设计相关原则的系统了解，理解设计过程中，能量综合利用、废弃物排放和治理、人身安全防护等相关原则，并能够在具体的设计方案优化中得以体现。
化工原理 第六章 精馏
化工原理第六章精馏第六章精馏一、精馏过程的数学描述在化工生产中，常根据混合液中各组分挥发度的不同，以精馏实现均相混合液的分离，二元连续精馏的基本流程如图6-1所示。
精馏过程的实质是伴有传热的传质过程，传质推动力取决于相互接触汽液两相偏离平衡的程度。
因此精馏过程的严格分析除了要应用相平衡、物料衡算两关系外，还需结合热量衡算及传质速率方程。
为了避开后两关系使分析得以简化，在工程上常引入似下两个概念：(1)理论板，(2)恒摩尔流，前者将影响板上传质速率的全部因素包括在塔板效率中；后者则是对热量衡算的简化。
于是精馏过程的数学描述可归结为全塔物料衡算、逐板组成变化两关系。
以图6-1的流程分离理想溶液；其已知量、未知量之间的关系可用图6-2表示。
图6-2表明，描述二元连续精馏的基本方程为 )(1W F D W D F x x R q N N f x Wx Dx Fx W D F ，，，，，，α=+=+= 由于三式中共涉及11个基本变量)(1R q N N x x x W D F W D F ，，，，，，，，，，α，因此其自由度为8，即须给定其中8个独立变量，才能确定另外3个变量。
二、精馏操作型问题的特点及基本类型精馏操作型问题的特点是：精馏塔已经给定(设塔板效率已知)。
即N 、N 1(或进料位置，通常不一定是最佳进料位置)为巳知量，其主要类型如下。
(1)对现有的精馏塔，在给定精馏条件下，核算其可能达到的分离程度。
如：已知N 、N 1、α、F 、x F 、q 、R 及W ，求D 、x D 、x W 。
(2)对运行中的精馏塔，当某一操作条件改变时，分析分离效果的变化，是否能获得合格的产品及为此需采取的措施；还会产生什么其他的影响。
如：（6-1）①已知N、N1、α、F、x F、q、R不变，若V'减少时，分析D、x D、x W的变化趋势；②已知N、N1、α、F、x F、q、V'不变，若x F下降，能否采取什么措施使x F不降低?通常对类型2，操作条件的变化将引起塔内液，汽流量的改变，并影响塔板效率，若这一影响甚小而能忽略，便可把操作中精馏塔的理论板数视为不变。
化工第六章：蒸馏
提馏段操作方程为:
泡点液体进料时q=1,
相平衡方程为
对于泡点进料, xF =xq =0.44 设由塔顶开始计算(从上往下)，第1块板上升蒸气组 成y1=xD=0.94. 第1块板下降液体组成x1由相平衡方程式计 算: 第2板上升蒸汽组成由精馏段操作方程计算
第2板下降液体组成由相平衡方程计算，可得 如此逐级往下计算，可得
D = 0.4 100 = 40kmolh-1 W = F - D = 100 – 40 = 60 kmolh-1 V = ( R + 1) D = (3 + 1 ) 40 = 160 kmolh-1 饱和蒸汽进料 q = 0 V’ = V - F = 160 – 100 = 60 kmolh-1 L’= L = V - D = 160 – 40 = 120 kmolh-1 提馏段操作线方程：
WxW RD ' ' xm 1.534 xm 0.011 ( R 1) D F ( R 1) D F
（4）回流比与最小回流比的比值；
Rmin
由 q=0，
xD yq y q xq
得
yq xF 0.4
xq 0.2125
R
xq yq 1 ( 1) xq
Rmin
xD yq y q xq
q=2/3，
xF q y x q 1 q 1
2 .5 x y 1 1 .5 x
（3）
（ 4）
联立（3）和（4） 可得：
xq 0.326
所以
Rmin
yq 0.548
0.95 0.548 0.402 1.8 0.548 0.326 0.222
解：（1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成； 由
化工过程开发与的设计 第六章 过程分析与合成
化工过程系统的分析
主要是分析过程系统的运行机制、影响 因素、过程模型的数学描述、目标函数的 建立、优惠工况下的最佳操作参数
目标是使决择方案，技术上先进、可行， 经济上优越、合理
对于操作工况的分析也就是通常说的生 产操作调优
2019/12/9
化工过程系统的合成
包括：反应路径合成；换热网络合成；分 离序列合成；过程控制系统合成；
? 如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢？
2019/12/9
方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中 蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离；
？ 丙烯腈与乙腈的沸点相近，普通精馏方法难于将 它们分离（需100块以上理论板）
方案二：采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来， 乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN 乙腈与水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小， 用水作萃取剂，使丙烯腈（和水的共沸点为71℃）对乙 腈（水的共沸点为77℃）的相对挥发度大大提高（如当 塔顶水的摩尔分数为0.8时，相对挥发度可达1.8）， 使两者精馏分离变得很容易（约40块实际板）
6、环境保护的要求
2019/12/9
[例]丙烯氨氧化制丙烯腈（沸点77.5℃ ）： 主反应： C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O
主要副产物： HCN(沸点26℃ ) CH3CN（沸点81.6℃ ） C3H6＋NH3＋O2 → CH3CN (g)＋3H2O (g)
C3H6＋3NH3＋3O2 → 3HCN＋6H2O (g)
2019/12/9
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