作者：何景连,程忠玲
出版社：石油工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
化工单元操作：富媒体试读：
《化工单元操作（第二版·富媒体）》编审人员
主 编：何景连 天津工程职业技术学院程忠玲 承德石油高等专科学校
主 审：白术波 大庆职业学院马天祥 中国石油大庆炼化公司
参 编：（按姓氏笔画排序）杨 柳 大庆职业学院杨 曦 大庆职业学院宋春晖 大庆职业学院贾金锋 湖南石油化工职业技术学院郭 健 天津石油职业技术学院郭培英 内蒙古化工职业学院蒋定建 克拉玛依职业技术学院曾 伟 湖南石油化工职业技术学院
第二版前言
本书作为化工及其相关专业“工学结合”规划教材，自2011年出版以来，得到了高职高专院校师生的普遍赞誉和好评。为了响应国家“十三五”职业教育规划，紧跟高职教育改革步伐，打造精品，2016年11月，各高职高专院校教师和专家齐聚一堂，就本书的修订进行了深入的探讨，达成了修订共识。本次修订在原书总框架体系不变的前提下，对第一版作了以下修改和完善：（1）结合教学实践体验，对原有学习情境中的任务进行重新组合和分配，简化任务内容和组合方式，并对部分内容进行了删减；（2）紧跟化工领域最新科研成果，在原有学习情境基础上增加了蒸发操作、干燥操作及其他分离操作三个学习情境；（3）通过生产案例引入学习情境和任务，使学生产生身临其境的感觉；（4）使用信息化手段，扫描二维码即可出现相关内容和动画，使学生更容易理解和学习相关内容；（5）随时穿插知识拓展内容，包括“想一想” “查一查”“开眼界”等栏目，拓展学生的知识面，有利于启迪学生的创新思维。
本书第二版由何景连、程忠玲担任主编。其中绪论和学习情境二由何景连编写；学习情境一由蒋定建编写；学习情境三由何景连和郭健共同编写；学习情境四由曾伟和贾金锋共同编写；学习情境五由程忠玲编写；学习情境六由宋春晖编写；学习情境七由杨曦编写；学习情境八和附录由郭培英编写；学习情境九由杨柳编写。全书由何景连和程忠玲统稿，白术波、马天祥担任主审。
在本书编写过程中，得到了大庆职业学院白术波教授以及北京东方仿真软件技术有限公司、大港油田石化公司技术人员的大力支持和协助，在此一并致谢。
由于编者水平和学识有限，书中不当之处敬请广大读者批评指正。
为了向任课教师备课提供全方位的教学资源服务，将为使用本教材的学校和教师免费提供与本书配套的富媒体资源、课程标准、授课计划、授课教案和习题解答（以上均为电子版）等教学辅助资料（联系方式：scuhjl163.com）。编 者2018年4月
第一版前言
本书按照《化工类专业人才培养方案》的要求，从转变传统教育思想出发，以培养学生的知识、素质与能力为目标，重组了课程体系，重点加强对学生实践操作技能的培养。通过化工单元过程的实际操作训练，使学生学会将已掌握的理论知识运用到化工生产实际操作中去，解决化工生产过程的单元操作问题。
考虑到职业教育教学的特点，按照以就业为导向，以应用能力培养为主线的教学实施模式，以“突出能力、强化素质、理论够用、实践为重”为基准，保证教学内容要适时、适度、实用、实际，做到任务设置符合岗位需求，训练内容符合技能培养。从便于自学和实际应用出发，在每个学习情境开始提出了“学习目标”，列出了“学习标准”；通过对工作过程分析，确定工作任务，学习工作原理和经验知识后，进行操作技能训练，课后思考练习题加强对基础理论和操作训练的掌握，提高分析、解决化工生产实际问题的能力。学生通过完成任务所需的获取信息、设计方案、制定操作规程、操作训练、评价总结等完整实践过程，掌握职业技能，获得专业知识。
本书主要讲解化工生产中通用的物理操作过程，要求学生能正确理解各单元操作的基本知识；掌握典型设备的构造、性能及操作方法，并具有选择设备型号的能力；寻找适宜的操作条件，探索强化过程的方向及改造设备的途径。通过典型化工单元操作技能训练，使学生会进行常用典型设备的开停车操作、事故处理、工艺参数调节控制方法，取得“化工操作工”和“化工总控工”职业资格，能够胜任化工生产操作和设备操作维护等岗位的工作。
化工企业的生产过程通常是“开车准备——流体输送——物料加热——化学反应——产物精制分离”，考虑到上述生产过程顺序和各单元操作知识、职业能力形成规律，6个学习情境按照流体输送操作、传热操作、非均相物系分离操作、精馏操作、吸收操作、萃取操作的顺序展开。在基于化工单元操作工作过程设计的教学情境中，以化工单元操作仿真模拟实训中心、化工单元实训中心、校外实训基地等校内外实训基地为依托，由主讲教师、兼职教师、实训技师共同完成教学。按照化工单元操作项目在真实与虚拟的生产环境中组织教学，教学中理论知识讲授与仿真模拟实训、生产性实训同步进行，实现“教学做一体化”。
本书力求体现加强基础、面向实际、便于自学、引导思维、启发创新的原则，使学生获得广博的化工单元操作知识，培养理论联系实际的能力，为将来从事化工生产操作打下牢固的基础。
本书由白术波、佟俊鹏担任主编。学习情境一由大庆职业学院白术波和大庆炼化公司聚合物二厂高级工程师马天祥共同编写；学习情境二由大庆职业学院周高宁和大庆炼化公司炼油二厂高级工程师蒋振华共同编写；学习情境三由大庆职业学院李君和大庆华科股份有限公司总工程师王禹共同编写；学习情境四由大庆职业学院李金霜和大庆炼化公司炼油一厂高级工程师邹高新共同编写；学习情境五由大庆职业学院王彦伟和神华集团包头煤化工公司高级工程师佟俊鹏共同编写；学习情境六由大庆职业学院刘丽萍和大庆油田化工股份有限公司田菊共同编写；附录由大庆职业学院杨雪编写。全书由大庆职业学院白术波副教授统稿定稿，大庆职业学院于德水教授主审。
本书在编写过程中，得到了大庆职业学院各级领导、北京东方仿真软件技术有限公司、浙江中控科教仪器设备有限公司、神华集团包头煤化工公司、大庆炼化公司、大庆油田化工股份有限公司与大庆华科股份有限公司的技术人员的大力支持和协助，在此一并致谢。
由于编者水平和学识有限，书中不当之处敬请广大读者批评指正。
为了向任课教师备课提供全方位的教学资源服务，将为使用本教材的学校和教师免费提供与本书配套的课程标准、授课计划、授课教案和习题解答（以上均为电子版）等教学辅助资料光盘（联系方式：baishubo1970@yahoo.com.cn）。编 者2010年6月
富媒体资源目录
本教材的富媒体资源由天津工程职业技术学院何景连和北京东方仿真软件技术有限公司制作提供。绪论
任务一 了解化工生产过程和单元操作一、化工生产过程用化学手段将原料加工成目标产品的工艺过程统称为化工生产过程。一种产品从原料到成品的生产过程中，往往需要几个、十几个甚至几十个加工过程。其中除了化学反应过程外，还有大量的物理过程。如邻苯二甲酸二辛酯（DOP）的生产，是由辛醇和苯酐在催化剂作用下发生酯化反应生成酯，经过一系列分离提纯后得到产品邻苯二甲酸二辛酯。其流程如图1所示。其中，酯化和中和是化学反应，而水洗、脱醇、吸附、过滤等是物理过程，是得到产品不可缺少的部分。图1 邻苯二甲酸二辛酯的生产框图
再如蜡油催化裂化制燃料油、石脑油裂解制乙烯和丙烯、二氧化碳与氨反应制尿素等，这些产品的生产过程如图2所示。图2 一些产品的生产过程
由图2可知，一般化工生产过程可以表示成以下三个基本环节：其中，化学反应过程是化工生产的核心，离开反应就不能生产化工产品。而原料预处理则需要在形态、状态和纯度等方面为反应做准备，是物理变化过程；产物后处理过程是要把反应过程的产物进行分离、提纯、精制等处理而得到产品，也是物理变化过程。据资料报道，化学与石油化学、制药等工业中，原料预处理和产物后处理加工过程的设备投资占全厂设备投资的90%左右，由此可见它们在化工生产过程中的重要地位。二、化工单元操作
在化工生产过程中，将以物理过程为主的处理方法概括为具有共同物理变化特点的基本操作，称为化工单元操作。不同化工产品的生产过程中，有类同的化工单元操作，如石脑油制乙烯、丙烯的生产中有蒸馏操作，在尿素生产中也有蒸馏操作，在乙烯生产中有压缩操作，在尿素生产中也有压缩操作等。每一个单元操作完成一个特定的任务，各种单元操作都是依据一定的物理和物理化学原理。根据各单元操作所遵循的基本规律，可将化工单元操作归纳为以下三类：（1）流体动力过程（动量传递过程）。遵循流体力学基本规律，以动量传递为理论基础的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等。（2）传热过程（热量传递过程）。遵循传热基本规律，以热量传递为理论基础的单元操作，包括加热、冷凝、冷却、蒸发等。（3）传质过程（质量传递过程）。遵循传质基本规律，以质量传递为理论基础的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、干燥、结晶等，进行这些过程的目的是分离均相混合物，故称传质过程，又称分离过程。
在化工生产中，重要的单元操作约有20多种，具有以下特点：（1）它们都是物理性操作，即只改变物料状态或其物理性质；（2）它们都是化工过程中共有的操作，但不同的化工过程中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异；（3）某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的。
单元操作过程进行的方式有间歇与连续之分。间歇过程即分批进行的过程，每次操作之初向设备投入一批原料，经过一番处理之后，排出全部产物，再重新投料，小规模生产多采用间歇操作。连续过程恰似流水作业，原料不断地从设备一端送入，产品不断地从另一端排出，常用于大规模生产。
随着化学工业的发展，单元操作一直处在不断发展之中。本书结合生产案例重点介绍单元操作过程的流程、单元操作过程原理、单元设备的结构及特点、单元设备的操作调控方法和常见故障处理等。运用工程方法，分析和解决实际化工生产问题，培养工程创新能力和工程实践能力。任务二 了解化工单元操作中的基本计算
在计算和分析单元操作的问题时，经常会用到四个基本概念和一个观点，即物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率四个基本概念和经济核算观点。一、物料衡算
物料衡算是以质量守恒定律为基础，即向单元过程输入的物料质量必等于从该过程输出的物料质量与该过程中积累的物料质量之和，即输入的物料质量＝输出的物料质量＋积累的物料质量。
对于连续稳定的操作过程，系统中物料的积累量为零，即输入的物料质量＝输出的物料质量。
在进行物料衡算时，要确定计算的范围，明确计算的对象，选定计算基准。物料衡算是单元操作过程中重要计算内容之一，对于设备尺寸的设计和生产过程的操作、控制等具有重要意义。二、能量衡算
能量衡算是以能量守恒定律为基础，对于连续稳定操作过程，输入系统的总能量必定等于输出系统的总能量和系统与环境交换的能量之和，即输入系统的总能量＝输出系统的总能量＋与环境交换的能量。
对于大多数情况，化工过程涉及的能量主要是热量。热量是能量的一种形式，对于连续稳定的过程，即输入热量＝输出热量＋损失热量。
通过热量衡算，可以了解在生产操作中热量的利用和损失情况，以便确定设备的能力，保证单元操作按所规定的条件进行。三、平衡关系
任何一个物理或化学变化过程，在一定条件下必然沿着一定方向进行，直至达到动态平衡为止。例如在一定温度下，当溶液中食盐浓度小于饱和浓度时，加入的食盐就溶解，直至达到平衡状态；反之，溶液中的食盐会析出，最终达到平衡状态。因此，平衡状态表示的就是各种自然发生的过程可能达到的极限程度，用平衡关系描述。显然，物系平衡关系可判断过程能否进行以及进行到何种程度，也为设备尺寸的设计提供了理论依据。四、过程速率
单位时间内过程的变化称为过程速率，它表示过程进行的快慢。过程速率与过程推动力成正比，与过程阻力成反比，即
过程推动力是偏离平衡状态的程度，对于传热来说，推动力就是温度差；对于传质来说，推动力是浓度差。至于过程的阻力则较为复杂，要具体情况具体分析。
过程速率是决定过程设备尺寸的重要因素，决定设备的成本和大小。五、经济核算
化工企业经济核算包括生产经营全过程的核算，各项核算内容通过一系列技术经济指标来体现。化工装置等建立初不仅要考虑投资成本，还应通过经济核算测算出运行成本，进而采取最经济的技术方案，达到经济和技术的优化。
四个基本概念和一个观点是分析单元过程的技术可行性和经济合理性的基本依据，在化工生产中具有重要的地位。任务三 正确使用单位制和单位换算
化工生产过程涉及许多物理量（如温度、压力、流速、流量），它们都是用数值和单位表示的。物理量的种类繁多，不尽相同，但都可以通过几个相互独立的基本量来表示。一般选择几个独立的物理量（如质量、长度、时间、温度等），根据使用方便的原则规定出它们的单位，这些选择的物理量称为基本物理量，其单位称为基本单位。其他物理量（如速度、加速度、密度等）可以通过既定的物理关系与基本量联系起来，称为导出量，其单位为导出单位。一、单位制
单位制是基本单位与导出单位的总和。按照使用习惯选择不同的基本量，也就产生了不同的单位制。目前常用的单位制如下：（1）厘米克秒制（CGS制）。以长度单位cm、质量单位g、时间单位s、温度单位℃为基本单位，其他物理量的单位通过这些基本量2导出，如力的单位由牛顿第二定律F＝ma导出，其单位为g·cm/s，称为达因。在科学单位和物化数据手册中常用此单位制。（2）工程单位制。以长度单位m、力的单位kgf、时间单位s、温度单位℃为基本单位，其他物理量的单位可由它们导出。（3）国际单位制（SI）。以长度单位m、质量单位kg、时间单位s、物质的量单位mol、热力学温度单位K、电流单位A、光强度的单位cd为基本单位。其他如力的单位、速度的单位、黏度的单位等则为导出单位。由于国际单位制的“通用性”和“一贯性”的优点，在国际上迅速得到推广。本教材采用国际单位制。二、单位换算
在化工生产中，由于同一物理量用不同单位制单位度量时，量本身并无变化，只是其数值需要相应地改变，因此进行单位换算时，需要乘以两单位间的换算因子。换算因子就是某一物理量用不同单位表示时它们的数值关系系数，如1m和1cm的换算因子为100cm/m。（一）物理量的单位换算
根据换算因子直接换算。例如：1kg＝1000g，1m＝100cm。常用物理量的单位换算关系可查附录一。
若查不到一个导出物理量的单位换算关系，则从该导出单位的基本单位换算入手，采用换算因子与基本单位相乘或相除的方法，以消去原单位而引入新单位。（二）经验公式（或数字公式）的单位换算
将整个公式加以变化，使其中各符号都采用计算者所需要的单位。由于，物理量＝数字×单位，所以，数字＝物理量／单位。三、单位的正确运用
化工计算中所使用的公式种类不同，使用物理量单位的方法也不同。
一类公式是根据物理规律建立的，称为理论公式。其中的符号除比例系数外，各代表一个物理量，因此又称为物理量方程，如牛顿第二定律F＝ma等。物理量实际上是数目与单位的乘积，把物理量的数据代入这一类公式时，应当把数值和单位一起代进去，而解出的结果总是属于同一单位制，所以理论公式在单位上总是一致的。使用理论公式进行计算时，开始便应选定一种单位制，并且中途不能改变。求得的结果若不能保持单位的一致或得出不合理的单位，表明计算中混进不一致的单位，或者所用公式本身的单位不一致，有必要检查公式是否正确。
另一类公式是根据实验结果整理出来的，称为经验公式。这类公式的每一个符号都要用指定单位的数值代入，所得结果属于什么单位也是指定了的。对于这类公式，代入以前要逐一核实数据的单位是否合乎规定，只需将数字代入，算出的结果则附上规定的单位。严格地说，这种公式中的符号并不能代表完整的物理量，只是代表物理量中的数字部分，所以又称数字公式，其使用是有局限性的。学习情境一 流体输送【情境描述】
本情境结合生产实际完成对化工生产中流体输送操作。具体包括化工管路中各种管件、阀门的结构、工作原理，流量计、压差计、管子的选择及应用，化工管路的安装方式，化工管路的实际操作及检修能力，化工输送设备的操作等。旨在培养学生分析和解决化工生产过程中管路拆装和设备操作等实际问题的能力。【学习目标】【情境导入】
图1-1为某氮肥厂脱硫塔（脱硫变换工段）流程图。半水煤气通过罗茨鼓风机自塔底进入脱硫塔，氨水溶液通过离心泵自塔顶进入，2逆流接触后半水煤气中的SO被吸收，半水煤气得以净化。图1-1 某氮肥厂脱硫塔（脱硫变换工段）流程图
根据生产案例，结合流程图，完成下列任务的学习：（1）认识化工管路；（2）确定流体输送方案；（3）选择输送管子、管件和阀门；（4）选择合适的输送设备；（5）掌握输送设备的操作方法和规程。
流体输送是化工厂里最常遇到的一个问题，也是化工单元操作中的一个最基本问题。化工生产中所处理的物料中流体占大多数，流体的输送是在管路中进行的，因此流体输送管路在化工生产中起着重要的作用。任务一 认识化工管路
化工生产中所处理的物料，大多为流体（包括液体和气体）。为了满足工艺条件的要求，保证生产的连续进行，需要把流体从一个设备输送至另一个设备，实现这一过程要借助管路和输送机械。管路在化工生产中就相当于人体的血管，流体输送机械相当于人的心脏，作用非常重要。因此，了解管路的构成，确定输送管路的直径，学会合理布置和安装管路非常重要。一、化工管路的分类及基本构成（一）管路的分类
化工生产过程中的管路通常以是否分出支管来分类，见表1-1。表1-1 管路的分类图1-2 简单管路图1-3 复杂管路
对于重要管路系统，如全厂或大型车间的动力管线（包括蒸汽、煤气、上水及其他循环管道等），一般均应按并联管路铺设，以有利于提高能量的综合利用、减少因局部故障所造成的影响。（二）管路的基本构成
管路是由管子、管件和阀门等按一定的排列方式构成，也包括一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。由于生产中输送的流体是各种各样的，输送条件与输送量也各不相同，因此，管路也必然是各不相同的。工程上为了避免混乱，方便制造与使用，实现了管路的标准化。
管子是管路的主体，由于生产系统中的物料和所处工艺条件各不相同，所以用于连接设备和输送物料的管子除需满足强度和通过能力的要求外，还可能有耐温、耐压、耐腐蚀以及满足导热等性能的要求。根据所输送物料的性质（如腐蚀性、易燃性、易爆性等）和操作条件（如温度、压力等）来选择合适的管材，是化工生产中经常遇到的问题之一。1．化工管材
管材通常按制造管子所使用的材料来进行分类，可分为金属管、非金属管和复合管，其中以金属管占绝大部分。复合管指的是金属与非金属两种材料组成的管子，常见的化工管材见表1-2。表1-2 常见的化工管材2．管件
管件是用来连接管子以达到延长管路、改变管路方向或直径、分支、合流或封闭管路的附件的总称。常用管件如图1-4所示，其用途有如下几种：图1-4 常用管件（1）用以改变流向：90°弯头、45°弯头、180°回弯头等。（2）用以堵截管路：管帽、丝堵（堵头）、盲板等。（3）用以连接支管：三通、四通，有时三通也用来改变流向，多余的一个通道接头用管帽或盲板封上，在需要时打开再连接一条分支管。（4）用以改变管径：异径管、内外螺纹接头（补芯）等。（5）用以延长管路：管箍（束节）、螺纹短节、活接头、法兰等。法兰多用于焊接连接管路，而活接头多用于螺纹连接管路。在闭合管路上必须设置活接头或法兰，尤其是在需要经常维修或更换的设备、阀门附近必须设置，因为它们可以就地拆开，就地连接。3．阀门
阀门是用来启闭和调节流量及控制安全的部件。通过阀门可以调节流量、系统压力及流动方向，从而确保工艺条件的实现与安全生产。化工生产中阀门种类繁多，常用的有以下几种，见表1-3。表1-3 常见阀门续表图1-5 闸阀图1-6 截止阀图1-7 止回阀图1-8 球阀图1-9 旋塞阀图1-10 全启式安全阀
查一查
除了教材介绍的阀门外，还有哪些阀门？二、流体的输送方式（一）高位槽送料
高层住宅用水是通过顶层的水箱来实现的，称为高位槽。高位槽送料是一种由高处向低处送料的情况，是利用容器、设备之间的位差，将处在高位设备内的液体输送到低位设备内的操作。化工生产中，各容器、设备之间常常会存在一定的位差，当工艺要求将处在高位设备内的液体输送到低位设备内时，只要在两个设备之间用一根管道连接即可。另外，对于要求流体稳定流动的场合，为避免输送机械带来的波动，也常常设置高位槽。如图1-11所示，是用甲醇泵将甲醇送到高位槽。高位槽送液时，高位槽的高度必须能够保证输送任务所要求的流量。（二）真空抽料
通过真空系统造成的负压来实现流体输送的操作称为真空抽料。真空抽料是一种由低处向高处送料的情况。通过给下游设备抽真空造成上下游设备之间的压力差来完成流体的输送过程。真空抽料是化工生产中常用的一种流体输送方法，结构简单，操作方便，没有动件，但流量调节不方便，需要真空系统，不适于输送易挥发的液体，主要用在间歇送料场合。在连续真空抽料时（例如多效并流蒸发中），下游设备的真空度必须满足输送任务的流量要求，还要符合工艺条件对压力的要求。如图1-12所示，先将烧碱溶液从碱贮槽放入烧碱溶液中间槽1内，然后通过调节阀门，利用真空系统产生的真空将烧碱溶液吸入高位槽2内。图1-11 甲醇汽化流程图1-12 真空抽送烧碱溶液示意图1—中间槽；2—高位槽；3—真空气包（三）压缩空气送料
化工生产过程中如果需要远距离输送腐蚀性物料，一般采用压缩空气或惰性气体代替输送机械来输送物料，这种通过压缩空气实现物料输送的操作称为压缩空气送料。压缩空气送料是一种由低处向高处送料的情况。通过给上游流体施加一定的压力来完成物料的输送过程。例如酸贮槽，如图1-13所示，先将贮槽中的酸放入容器，然后通入压缩空气，在压力的作用下，将酸输送至目标设备。这种方法结构简单无动件，可间歇输送腐蚀性大、不易燃易爆的流体，但流量小且不易
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