主页 > 新闻动态 > 化工单元操作的特点分类及工作原理与发展前景的探究 2021-12-03

化工单元操作的特点分类及工作原理与发展前景的探究

化工单元操作作在化工生产领域起着十分重要的作用。一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干个化学反应实现的。尽管化工产品千差万别，生产工艺多种多样，但这些产品的生产过程所包含的物理过程并不是很多，而且是相似的。比如，流体输送不论用来输送何种物料，其目的都是将流体从一个设备输送至另一个设备；加热与冷却的目的都是得到需要的操作温度；分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合物等。因此把这些包含在不同化工产品生产过程中，发生同样物理变化，遵循共同的物理学规律，使用相似设备，具有相同功能的基本物理操作，称为单元操作。
一、化工单元操作的定义及分类
化工单元操作是指由各种化学生产过程中以物理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，例如烧碱稀溶液和蔗糖稀溶液的浓缩，都需将溶液煮沸而除去水分，可概括成为一个称做蒸发的单元操作。
化工单元操作可归纳为5类：
1.有关流体流动过程的操作，如流体输送和过滤等；
2.有关传热过程的操作，如热交换，蒸发和冷凝等；
3.有关传质过程的操作，如蒸馏和吸附等；
4.有关热力过程的操作，如冷冻等；
5.有关机械过程的操作，如固体输送和粉碎等。研究化工单元操#，能有效地指导化工、石油、冶金、原子能等工业的生产。
二、化工单元操作的特点：
1.化工单元操作是指由各种化学生产过程中以物理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。例如：烧碱稀溶液和蔗糖稀溶液的浓缩，都需将溶液煮沸而除去水分，可概括成为一个称做蒸发的单元操作。
2.一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干个化学反应实现的。长期的实践与研究发现，尽管化工产品千差万别，生产工艺多种多样，但这些产品的生产过程所包含的物理过程并不是很多，而且是相似的。
例如：流体输送不论用来输送何种物料，其目的都是将流体从一个设备输送至另一个设备；加热与冷却的目的都是得到需要的操作温度。

三、化工单元操作的工作原理
1.喷雾干燥技术
喷雾干燥技术是集干燥、粉碎为一体的物料干燥方法，该技术能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品。喷雾干燥根据物料的物化方法又分为压力喷雾干燥技术、离心喷雾干燥技术、气流式喷雾干燥技术等。被干燥物料和产品性质决定物料采取哪种物化方法。
1）喷雾干燥技术的工作原理
喷雾干燥技术主要是通过干燥介质将雾化的物料迅速干造成粉末状干燥产品，雾化干燥过程主要包括如下几个阶段：第一阶段：雾化；第二阶段：混合阶段（主要指雾化物料与干燥介质的混合）；第三阶段：干燥阶段（主要指水或者其他溶剂进入热介质）；第四阶段：产品与热介质分离。雾化干燥技术主要适用于溶液、悬浮液及乳浊液，最终得到的产品可以是粉末状也可以是颗粒状。
2）喷雾干燥技术的特点
a.干燥过程非常迅速；
b.可直接干燥成粉末；
c.操作弹性大，可以通过控制操作条得到不同粒度及不同湿度的多规格产品；
d.设备较复杂，占地面积大；
e.热效率不高，热消耗大。
喷雾干燥技术的主要缺点是能耗过大，如何降耗是喷雾干燥技术的研究重点。喷雾干燥技术的适用性强，可以与其他干燥技术（例如：流态化干燥、深冷干燥及微波干燥）相结合，使其有更广泛的适用范围。
2.闪蒸干燥技术
闪蒸干燥技术是一种集干燥、粉碎、筛分于一体的新型连续式干燥技术。喷雾干燥技术主要适用于膏状、浆状及滤饼等固含量高的物料。
1)闪蒸干燥的工作原理
清洁空气经加热器加热后被鼓风机送入干燥器的底部进风口，热空气经过干燥室底部的空气分配器均匀的螺旋上升，并形成强烈的风场。物料在干燥室底部被热空气预热，在这个阶段物料被干燥室内的搅拌器和热气流撞击成颗粒状。干燥室内的搅拌器一方面可以强化传热，另一方面可以带动热空气形成高速旋转气流。在干燥器的上部，物料在热空气的包裹下进行着充分热质交换，在此部分物料基本完成干燥。完成干燥的物料被热气流夹带着继续上升，为达到产品质量要求的大块的物料在离心力和重力的双重作用下沉降返回继续进行冲击破碎干燥；达到产品质量要求的较细小的物料则被热气流裹挟着从干燥室顶部流出进入产品收集器。
2)闪蒸干燥的特点
a.干燥强度高：高速粒化的物料在干燥室内进行强烈的热质交换，速度快，效率高。
b.工艺流程简单：设备紧凑，占地面积小，一体化的设备构造简化了工人的操作从而整体上减少了设备的购置费用。
c.产品收率高，质量好。通过对进料量及热风温度的控制来保证产品的湿含量及细度均匀一致。
d.单位产品能耗低，闪蒸干燥能耗是相同容积喷雾干燥能耗的1/3。
3.流化床干燥技术
流化床干燥技术是基于流化床反应器原理开发的一种干燥技术。流化床内部物料在气流中成悬浮状态，如液体沸腾一样发生着强烈的热质交换。该技术也主要适用于含固量比较高的颗粒物料的干燥，被广泛用于药物、聚合物等行业。
1)流化床干燥技术工作原理
清洁空气经加热器加热后从流化床干燥器的底部进口送入，气体通过干燥器的物料床层从干燥器上部离开。干燥器内的物料床层随热空气流速的变化呈现不同的状态。热空气流速较小时，物料床层从外观上看没有任何变化，基本处于静止状态；当流速继续增大，部分颗粒会随着空气流上下浮动起来；随着空气流速的进一步增大，所有的物料都悬浮起来。这时物流颗粒受到气流的作用力等于物料颗粒的重力，空气流的速度称为最小流化速度。当气流速度更一步加大，加大到有物料颗粒被气流夹带出干燥器前，此时的气流速度称为最大流化速度。介于最小和最大流化速度之间的速度为流化床干燥器适宜的气流操作速度。在该速度范围内，物料颗粒在干燥器内剧烈的扰动，发生强烈的热质交换。低于最小流化速度，物料不能全部悬浮，对热质交换不利；高于最大流化速度，物料会被夹带出干燥器，不利于获得产品。
2)流化床干燥技术的特点
a.热效率高：在流化床干燥器内物料颗粒与热空气流之间存在剧烈的扰动，非常有利于传热传质的进行。热质交换的速度快决定了流化床干燥器具有较高的干燥效率。
b.流化床干燥技术可以采用循环流化床，这样可以增加能量的利用率。
c.流化床干燥器的设备简单，占地面积小，一次投资设备和后期操作维护费用相对较低。
4.低温吸附干燥技术
低温吸附干燥技术是一种集冷冻除湿和吸附干燥为一体的的新型非热力干燥技术。该技术具有低能耗、环境友好的优势，是目前发展势头较好的一种干燥技术。低温吸附干燥技术能有效地避免高温对热敏性物质的影响，且干燥效率高。低温吸附干燥技术在生物化工及制药工程领域应用较广泛。
1)低温吸附干燥技术原理
新鲜空气先通过冷却器进行降温降湿，这时的空气是含有一定水分的冷空气。把含湿冷空气引入除湿吸附装置得到含湿量极低的空气。用干燥冷空气不断的通入湿物料内部，利用干燥冷空气与物料之间的蒸汽压差推动干燥进行，最终得到干燥的产品。低温吸附干燥技术的核心问题是如何获得干燥空气。
2)低温吸附干燥技术的特点
低温吸附干燥技术以蒸气压差为推动力，采用低温的干燥空气，特别适用于热敏性物质的脱水。同时低温吸附干燥技术也具有能耗低、操作简单的优点。低温吸附干燥研究的核心问题是如何通过高效率、低能耗获得干燥空气。
5.微波干燥技术
1)微波干燥技术原理
微波干燥技术在化工领域已有了一些研究和应用，微波干燥起源于20世纪40年代，到20世纪60年代末，微波能已应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗、化工等工业项目上。南非的Bradshaw研究了微波在矿物质中的应用；法国的ledion指出微波加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡；法国的ledion对微波加热大量水溶液时表现出的系列性能进行了研究，太原工业大学的赵庆玲研究发现微波对煤的干燥比对流干燥高1~2个数量级。
2)微波干燥技术特点
a.速度快，时间短：微波加热方式特殊，是利用电磁波作为热源，加热物料本身是发热体的一种干燥技术。这种方式下物料的升温时间非常短，干燥速度会大大加大。
b.得到的产品品质好：微波干燥技术加热均匀，得到的产品水分分布均匀。
c.能量利用效率高，微波干燥重点热量基本全部用来干燥物料，不存在能量的浪费。
四、化工单元操作的发展前景
随着化学工业的发展，单元操作一直处在不断的发展之中，其中最活跃的领域是混合物的分离。近年来单元操作的研究开发所取得的主要成果有以下几方面:
1.新的分离技术不断得到开发和应用,如膜分离、区域熔炼、电磁分离、泡沫分离、超临界流体萃取和超离心分离等。
2.在原有分离技术方面，处理能力加大、效率提高的新型设备不断出现；设备的放大效应逐步得到解决；研究成功许多合理利用能量的操作流程；一些高效的吸收剂、萃取剂等不断出现并在生产中应用。
3.计算机模拟和辅助设计不断取得成果，缩短了新过程的开发周期；使设备的设计和操作更趋合理，从而提高了产品质量，降低了能量消耗。生产的发展对于单元操作不断提出新的课题。这些新课题的解决既促进了化工生产的发展，又推动了单元操作学科的发展。
五、化工单元操作的教学设备推荐与介绍

MYHG-50 干燥操作实训装置

分项	说明
装置功能	1.主要工艺设备采用卧式多室流化床干燥器，旋风分离器及布袋过滤器等。 2.可以测定床层温度、差压曲线；恒定状态下介质湿度曲线和干燥速率曲线的测定。 3.可以进行干燥物流的预热温控；全新鲜空气及部分回流状态的风量调节。 4.可以进行流化床临界湿含量及干燥终点判定操作；流化状态及流化曲线的操控。 5.进行风机和循环风机的启停操作；加热系统与物流的联调操作；物料配送及取样检测操作等。 6.认识并学会使用抽风机、送风机、孔板流量计、转子流量计、电动调节阀、变频器、差压变送器、可控硅、热电阻、可编程多回路控制器、声光报警器、调压模块等电气设备及仪表；掌握单回路、串级控制等控制方案的实施。 7.就地及远程控制岗位技能：现场操作报表的制作、记录，现场控制台仪表与微机通讯，实时数据采集及过程监控；总控室控制台与现场控制台通讯，各操作工段切换、远程监控、流程组态的上传下载。
设计参数	整体采用工程化布局，两层布置，一层为主操作区，二层主要为观察区。物料：小米比重为1.0-1.2或粒径1-2mm的其它易吸水的固体物料。物料湿含量：20-30%。流化床床层压降：≤0.3KPa，流化床床层温度：50～60℃。气体流量：80～120m³/h，循环风机出口压力：4-5KPa。
整机参数	设备尺寸：3700×2000×3500mm(长x宽x高)，(可根据实训场地实际高度和场地面积进行调整)，整机采用钢制喷塑框架，带两层操作平台，一层平面方便安装、检修，二层有安全斜梯通上并有护栏、防滑板。
电气系统	标准工业操作台，内安装漏电保护空气开关、电流型漏电保护器充分考虑人身安全保护；同时每一组强电输出都有旋钮开关控制，保证设备安全，操作控制便捷；装有分相指示灯，开关电源等。外型尺寸:1400x800x1300mm(长x宽x高)。
公用设施	电：电压AC380V，三相四线制（三火线一零线）。需配置1~2个接地点（安全地及信号地）。
主要设备	进料器：304不锈钢，旋转下料，50g/min，下料器转速：200～400rpm 一台。卧式流化床干燥器：304不锈钢， 650x250x1080mm，一台。旋风分离器：304不锈钢，φ180x540mm，一台。电加热炉：φ219x1120,304不锈钢，内加翅片式加热管。布袋过滤器：304不锈钢，φ219x440mm，一台。粉尘接收器：304不锈钢，φ159x120mm，二台。空气加热器：304不锈钢，φ219x1100mm，N=4.5KW，一台。鼓风机：功率：p=1.1KW，流量Qmax=180m³/h，U=380V，一台。循环风机：功率：P=1.1KW，流量Qmax=180m³/h，U=380V，一台。空气转子流量计：10-100m³/h 电动调节阀：4-20mA，精度：0.5%FS 1台温度检测点：7点。压力检测点：2点。流量检测点：2点。操作站型号：配置不低于E3400/1G/160G/DVD/集成显卡/17"液晶/光电键鼠/WINXPHOME中文版。
上位机监控软件	RS485/232通讯转换器,MCGS工业组态软件一套（附64点软件狗），在线监控软件一套。
测控组成	变量	检测机构	显示机构	执行机构
	鼓风机出口流量	孔板流量计	宇电显示仪	变频器
	循环风机出口流量	转子流量计	转子流量计	阀门
	流化床进口温度	PT100铂电阻	宇电显示仪	自控
	流化床出口温度	PT100铂电阻	宇电显示仪	自控
	流化床床层温度	PT100铂电阻	宇电显示仪	自控
	流化床床层压差	风压传感器	宇电显示仪	自控
	循环风机出口压力	压力传感器	宇电显示仪	自控
	下料器转速	转速传感器	宇电显示仪	自控
	解吸塔压降	压差传感器	宇电显示仪	自控
	加热器加热温度	PT100铂电阻	宇电温控仪	固态调压

六、结束语
化工单元操作是应用于各种化工生产中，在20世纪初，由美国麻省理工学院的科学家总结成一门独立的学科，和化工单元过程一起，组成学习化学工业生产的基础知识，这些单元的原理和计算方法，可以应用到各种化工门类的设计和生产过程中。
随着新技术的应用，像膜分离、吸附、超临界萃取、反应与分离偶合等新的单元操作，也得到了越来越广泛的应用。

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