主頁 > 新聞動態 > 化工單元操作的特點分類及工作原理與發展前景的探究 2021-12-03

化工單元操作的特點分類及工作原理與發展前景的探究

化工單元操作作在化工生產領域起著十分重要的作用。一個化工產品的生產是通過若干個物理操作與若干個化學反應實現的。盡管化工產品千差萬別，生產工藝多種多樣，但這些產品的生產過程所包含的物理過程并不是很多，而且是相似的。比如，流體輸送不論用來輸送何種物料，其目的都是將流體從一個設備輸送至另一個設備；加熱與冷卻的目的都是得到需要的操作溫度；分離提純的目的都是得到指定濃度的混合物等。因此把這些包含在不同化工產品生產過程中，發生同樣物理變化，遵循共同的物理學規律，使用相似設備，具有相同功能的基本物理操作，稱為單元操作。
一、化工單元操作的定義及分類
化工單元操作是指由各種化學生產過程中以物理為主的處理方法概括為具有共同物理變化特點的基本操作，例如燒堿稀溶液和蔗糖稀溶液的濃縮，都需將溶液煮沸而除去水分，可概括成為一個稱做蒸發的單元操作。
化工單元操作可歸納為5類：
1.有關流體流動過程的操作，如流體輸送和過濾等；
2.有關傳熱過程的操作，如熱交換，蒸發和冷凝等；
3.有關傳質過程的操作，如蒸餾和吸附等；
4.有關熱力過程的操作，如冷凍等；
5.有關機械過程的操作，如固體輸送和粉碎等。研究化工單元操#，能有效地指導化工、石油、冶金、原子能等工業的生產。
二、化工單元操作的特點：
1.化工單元操作是指由各種化學生產過程中以物理為主的處理方法概括為具有共同物理變化特點的基本操作。例如：燒堿稀溶液和蔗糖稀溶液的濃縮，都需將溶液煮沸而除去水分，可概括成為一個稱做蒸發的單元操作。
2.一個化工產品的生產是通過若干個物理操作與若干個化學反應實現的。長期的實踐與研究發現，盡管化工產品千差萬別，生產工藝多種多樣，但這些產品的生產過程所包含的物理過程并不是很多，而且是相似的。
例如：流體輸送不論用來輸送何種物料，其目的都是將流體從一個設備輸送至另一個設備；加熱與冷卻的目的都是得到需要的操作溫度。

三、化工單元操作的工作原理
1.噴霧干燥技術
噴霧干燥技術是集干燥、粉碎為一體的物料干燥方法，該技術能直接使溶液、乳濁液干燥成粉狀或顆粒狀制品。噴霧干燥根據物料的物化方法又分為壓力噴霧干燥技術、離心噴霧干燥技術、氣流式噴霧干燥技術等。被干燥物料和產品性質決定物料采取哪種物化方法。
1）噴霧干燥技術的工作原理
噴霧干燥技術主要是通過干燥介質將霧化的物料迅速干造成粉末狀干燥產品，霧化干燥過程主要包括如下幾個階段：第一階段：霧化；第二階段：混合階段（主要指霧化物料與干燥介質的混合）；第三階段：干燥階段（主要指水或者其他溶劑進入熱介質）；第四階段：產品與熱介質分離。霧化干燥技術主要適用于溶液、懸浮液及乳濁液，最終得到的產品可以是粉末狀也可以是顆粒狀。
2）噴霧干燥技術的特點
a.干燥過程非常迅速；
b.可直接干燥成粉末；
c.操作彈性大，可以通過控制操作條得到不同粒度及不同濕度的多規格產品；
d.設備較復雜，占地面積大；
e.熱效率不高，熱消耗大。
噴霧干燥技術的主要缺點是能耗過大，如何降耗是噴霧干燥技術的研究重點。噴霧干燥技術的適用性強，可以與其他干燥技術（例如：流態化干燥、深冷干燥及微波干燥）相結合，使其有更廣泛的適用范圍。
2.閃蒸干燥技術
閃蒸干燥技術是一種集干燥、粉碎、篩分于一體的新型連續式干燥技術。噴霧干燥技術主要適用于膏狀、漿狀及濾餅等固含量高的物料。
1)閃蒸干燥的工作原理
清潔空氣經加熱器加熱后被鼓風機送入干燥器的底部進風口，熱空氣經過干燥室底部的空氣分配器均勻的螺旋上升，并形成強烈的風場。物料在干燥室底部被熱空氣預熱，在這個階段物料被干燥室內的攪拌器和熱氣流撞擊成顆粒狀。干燥室內的攪拌器一方面可以強化傳熱，另一方面可以帶動熱空氣形成高速旋轉氣流。在干燥器的上部，物料在熱空氣的包裹下進行著充分熱質交換，在此部分物料基本完成干燥。完成干燥的物料被熱氣流夾帶著繼續上升，為達到產品質量要求的大塊的物料在離心力和重力的雙重作用下沉降返回繼續進行沖擊破碎干燥；達到產品質量要求的較細小的物料則被熱氣流裹挾著從干燥室頂部流出進入產品收集器。
2)閃蒸干燥的特點
a.干燥強度高：高速粒化的物料在干燥室內進行強烈的熱質交換，速度快，效率高。
b.工藝流程簡單：設備緊湊，占地面積小，一體化的設備構造簡化了工人的操作從而整體上減少了設備的購置費用。
c.產品收率高，質量好。通過對進料量及熱風溫度的控制來保證產品的濕含量及細度均勻一致。
d.單位產品能耗低，閃蒸干燥能耗是相同容積噴霧干燥能耗的1/3。
3.流化床干燥技術
流化床干燥技術是基于流化床反應器原理開發的一種干燥技術。流化床內部物料在氣流中成懸浮狀態，如液體沸騰一樣發生著強烈的熱質交換。該技術也主要適用于含固量比較高的顆粒物料的干燥，被廣泛用于藥物、聚合物等行業。
1)流化床干燥技術工作原理
清潔空氣經加熱器加熱后從流化床干燥器的底部進口送入，氣體通過干燥器的物料床層從干燥器上部離開。干燥器內的物料床層隨熱空氣流速的變化呈現不同的狀態。熱空氣流速較小時，物料床層從外觀上看沒有任何變化，基本處于靜止狀態；當流速繼續增大，部分顆粒會隨著空氣流上下浮動起來；隨著空氣流速的進一步增大，所有的物料都懸浮起來。這時物流顆粒受到氣流的作用力等于物料顆粒的重力，空氣流的速度稱為最小流化速度。當氣流速度更一步加大，加大到有物料顆粒被氣流夾帶出干燥器前，此時的氣流速度稱為最大流化速度。介于最小和最大流化速度之間的速度為流化床干燥器適宜的氣流操作速度。在該速度范圍內，物料顆粒在干燥器內劇烈的擾動，發生強烈的熱質交換。低于最小流化速度，物料不能全部懸浮，對熱質交換不利；高于最大流化速度，物料會被夾帶出干燥器，不利于獲得產品。
2)流化床干燥技術的特點
a.熱效率高：在流化床干燥器內物料顆粒與熱空氣流之間存在劇烈的擾動，非常有利于傳熱傳質的進行。熱質交換的速度快決定了流化床干燥器具有較高的干燥效率。
b.流化床干燥技術可以采用循環流化床，這樣可以增加能量的利用率。
c.流化床干燥器的設備簡單，占地面積小，一次投資設備和后期操作維護費用相對較低。
4.低溫吸附干燥技術
低溫吸附干燥技術是一種集冷凍除濕和吸附干燥為一體的的新型非熱力干燥技術。該技術具有低能耗、環境友好的優勢，是目前發展勢頭較好的一種干燥技術。低溫吸附干燥技術能有效地避免高溫對熱敏性物質的影響，且干燥效率高。低溫吸附干燥技術在生物化工及制藥工程領域應用較廣泛。
1)低溫吸附干燥技術原理
新鮮空氣先通過冷卻器進行降溫降濕，這時的空氣是含有一定水分的冷空氣。把含濕冷空氣引入除濕吸附裝置得到含濕量極低的空氣。用干燥冷空氣不斷的通入濕物料內部，利用干燥冷空氣與物料之間的蒸汽壓差推動干燥進行，最終得到干燥的產品。低溫吸附干燥技術的核心問題是如何獲得干燥空氣。
2)低溫吸附干燥技術的特點
低溫吸附干燥技術以蒸氣壓差為推動力，采用低溫的干燥空氣，特別適用于熱敏性物質的脫水。同時低溫吸附干燥技術也具有能耗低、操作簡單的優點。低溫吸附干燥研究的核心問題是如何通過高效率、低能耗獲得干燥空氣。
5.微波干燥技術
1)微波干燥技術原理
微波干燥技術在化工領域已有了一些研究和應用，微波干燥起源于20世紀40年代，到20世紀60年代末，微波能已應用于加熱、干燥、殺蟲、滅菌、醫療、化工等工業項目上。南非的Bradshaw研究了微波在礦物質中的應用；法國的ledion指出微波加熱可在瞬時改變碳酸鈣的平衡；法國的ledion對微波加熱大量水溶液時表現出的系列性能進行了研究，太原工業大學的趙慶玲研究發現微波對煤的干燥比對流干燥高1~2個數量級。
2)微波干燥技術特點
a.速度快，時間短：微波加熱方式特殊，是利用電磁波作為熱源，加熱物料本身是發熱體的一種干燥技術。這種方式下物料的升溫時間非常短，干燥速度會大大加大。
b.得到的產品品質好：微波干燥技術加熱均勻，得到的產品水分分布均勻。
c.能量利用效率高，微波干燥重點熱量基本全部用來干燥物料，不存在能量的浪費。
四、化工單元操作的發展前景
隨著化學工業的發展，單元操作一直處在不斷的發展之中，其中最活躍的領域是混合物的分離。近年來單元操作的研究開發所取得的主要成果有以下幾方面:
1.新的分離技術不斷得到開發和應用,如膜分離、區域熔煉、電磁分離、泡沫分離、超臨界流體萃取和超離心分離等。
2.在原有分離技術方面，處理能力加大、效率提高的新型設備不斷出現；設備的放大效應逐步得到解決；研究成功許多合理利用能量的操作流程；一些高效的吸收劑、萃取劑等不斷出現并在生產中應用。
3.計算機模擬和輔助設計不斷取得成果，縮短了新過程的開發周期；使設備的設計和操作更趨合理，從而提高了產品質量，降低了能量消耗。生產的發展對于單元操作不斷提出新的課題。這些新課題的解決既促進了化工生產的發展，又推動了單元操作學科的發展。
五、化工單元操作的教學設備推薦與介紹

MYHG-50 干燥操作實訓裝置

分項	說明
裝置功能	1.主要工藝設備采用臥式多室流化床干燥器，旋風分離器及布袋過濾器等。 2.可以測定床層溫度、差壓曲線；恒定狀態下介質濕度曲線和干燥速率曲線的測定。 3.可以進行干燥物流的預熱溫控；全新鮮空氣及部分回流狀態的風量調節。 4.可以進行流化床臨界濕含量及干燥終點判定操作；流化狀態及流化曲線的操控。 5.進行風機和循環風機的啟停操作；加熱系統與物流的聯調操作；物料配送及取樣檢測操作等。 6.認識并學會使用抽風機、送風機、孔板流量計、轉子流量計、電動調節閥、變頻器、差壓變送器、可控硅、熱電阻、可編程多回路控制器、聲光報警器、調壓模塊等電氣設備及儀表；掌握單回路、串級控制等控制方案的實施。 7.就地及遠程控制崗位技能：現場操作報表的制作、記錄，現場控制臺儀表與微機通訊，實時數據采集及過程監控；總控室控制臺與現場控制臺通訊，各操作工段切換、遠程監控、流程組態的上傳下載。
設計參數	整體采用工程化布局，兩層布置，一層為主操作區，二層主要為觀察區。物料：小米比重為1.0-1.2或粒徑1-2mm的其它易吸水的固體物料。物料濕含量：20-30%。流化床床層壓降：≤0.3KPa，流化床床層溫度：50～60℃。氣體流量：80～120m³/h，循環風機出口壓力：4-5KPa。
整機參數	設備尺寸：3700×2000×3500mm(長x寬x高)，(可根據實訓場地實際高度和場地面積進行調整)，整機采用鋼制噴塑框架，帶兩層操作平臺，一層平面方便安裝、檢修，二層有安全斜梯通上并有護欄、防滑板。
電氣系統	標準工業操作臺，內安裝漏電保護空氣開關、電流型漏電保護器充分考慮人身安全保護；同時每一組強電輸出都有旋鈕開關控制，保證設備安全，操作控制便捷；裝有分相指示燈，開關電源等。外型尺寸:1400x800x1300mm(長x寬x高)。
公用設施	電：電壓AC380V，三相四線制（三火線一零線）。需配置1~2個接地點（安全地及信號地）。
主要設備	進料器：304不銹鋼，旋轉下料，50g/min，下料器轉速：200～400rpm 一臺。臥式流化床干燥器：304不銹鋼， 650x250x1080mm，一臺。旋風分離器：304不銹鋼，φ180x540mm，一臺。電加熱爐：φ219x1120,304不銹鋼，內加翅片式加熱管。布袋過濾器：304不銹鋼，φ219x440mm，一臺。粉塵接收器：304不銹鋼，φ159x120mm，二臺。空氣加熱器：304不銹鋼，φ219x1100mm，N=4.5KW，一臺。鼓風機：功率：p=1.1KW，流量Qmax=180m³/h，U=380V，一臺。循環風機：功率：P=1.1KW，流量Qmax=180m³/h，U=380V，一臺。空氣轉子流量計：10-100m³/h 電動調節閥：4-20mA，精度：0.5%FS 1臺溫度檢測點：7點。壓力檢測點：2點。流量檢測點：2點。操作站型號：配置不低于E3400/1G/160G/DVD/集成顯卡/17"液晶/光電鍵鼠/WINXPHOME中文版。
上位機監控軟件	RS485/232通訊轉換器,MCGS工業組態軟件一套（附64點軟件狗），在線監控軟件一套。
測控組成	變量	檢測機構	顯示機構	執行機構
	鼓風機出口流量	孔板流量計	宇電顯示儀	變頻器
	循環風機出口流量	轉子流量計	轉子流量計	閥門
	流化床進口溫度	PT100鉑電阻	宇電顯示儀	自控
	流化床出口溫度	PT100鉑電阻	宇電顯示儀	自控
	流化床床層溫度	PT100鉑電阻	宇電顯示儀	自控
	流化床床層壓差	風壓傳感器	宇電顯示儀	自控
	循環風機出口壓力	壓力傳感器	宇電顯示儀	自控
	下料器轉速	轉速傳感器	宇電顯示儀	自控
	解吸塔壓降	壓差傳感器	宇電顯示儀	自控
	加熱器加熱溫度	PT100鉑電阻	宇電溫控儀	固態調壓

六、結束語
化工單元操作是應用于各種化工生產中，在20世紀初，由美國麻省理工學院的科學家總結成一門獨立的學科，和化工單元過程一起，組成學習化學工業生產的基礎知識，這些單元的原理和計算方法，可以應用到各種化工門類的設計和生產過程中。
隨著新技術的應用，像膜分離、吸附、超臨界萃取、反應與分離偶合等新的單元操作，也得到了越來越廣泛的應用。

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