《化工工艺学》教案检测和操作控制.docx
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1、第七章检测和操作控制第一节工艺操作参数一、温度温度是表征物体冷热程度的物理量。在化工生产中,温度的测量与控制有着重要的作用。任何一种化工生产过程都伴随着物质的物理和化学性质的改变,都必然有能量的交换和转化,其中最普遍的交换形式是热交换形式。化学反应都是在一定的温度下进行的,化学反响的速度都与温度密度相关,很多化学反应的速度,每升温100C,就要加快1倍。如果是放热反应,随反应的加速,放热也增加,由此反应温度就要急剧上升。温度的变化同时还要影响其它工艺参数,如压力、转化率等等,直接影响产品质量甚至发生恶性事故。有些反应对温度敏感,工艺操作上熊至于规定温度的波动范围在1,甚至于土O.5cIC,固然
2、有些反应显得轻松一些,在10C之内也未尝不可。温度的最佳值是工艺的头等大事,从小试到中试直到大工业生产,工艺操作温度都是十分重要的,有时,同样的反应使用不同的催化剂,需要控制的温度也不同。因此,温度的测量与控制是保证化学反应过程正常进行与安全运行的重要环节。温度不能直接测量,只能借助于冷热不同物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。按工作原理分,测温仪表可分为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计。常用温度计的种类及优缺点见表7-1表7-I常用温度计的种类及优缺点测温方式温度计种类测温范围/-C优点缺点构造简洁,使用便利,测
3、量则量上限和精度受玻璃质量的限制,易膨玻璃液体50600胀准确,价格低廉碎,不能记录远传式双金属-80-600构造紧凑,结实牢靠精度低,量程和使用范围有限接I液体30-600构造简洁,耐震,防爆能记触力气体一20:350精度低,测温距离短,滞后大式式录,报警,价格低廉测蒸汽0250温仪钳错一钳O01600测温范围广,精度高,便于表热电保珞一银硅50-1000远距离、多点、集中测量和自需冷端温度补偿,在低温段测量精度较偶银铭一考铜-50600动把握低热200-600测量精度高,便于远距离、电伯铜不能测高温,须留意环境温度的影响阻50150多点、集中测量和自动把握续表测温方式温度计种类测温范围/优
4、点缺点非接j触式测温仪2表S辐射辐射式光学式比色式4DO202370032009001100测温时不破坏被测温度场低温段测量不准,环境条件会影响测温准确度:卜线光电捺测热电搽测)-3500200-2023测温范围大,适于测温度分布,不破坏被测温度场,响应快易受外界干扰。标定困难在化工生产中,使用最多的是利用热电偶和热电阻这两种感温元件来测量温度。热电偶温度计一般适用于测量5OO以上的较高温度。对于在2OOC以下的中、低温,利用热电偶进行测量就不一定恰当。首先,在中、低温区热电偶输出的热电势很小,这样小的热电势,对电位差计的放大器和抗干扰措施要求都很高,否则就测量不准,仪表维修也困难。其次,在较
5、低温度区域,冷端温度的变化和环境温度的变化所引起的相对误差就显得很突出,而不易得到全补偿。所以在中、低温区,一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。二、压力工业生产中,所谓压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。在化工生产中,压力是重要的操作参数之一。经常会遇到压力和真空度的测量,其中包括比大气压力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。操作压力是工艺的一个十分重要的参数,不完全是反应动力学所决定的事。还有动力设备、安全等诸多问题牵制着反应压力的操作参数。它也是很敏感的,会直接影响生产效率,影响产品质量,有时还会造成严重的生产事故。1.压力的单位根据国际单位制
6、(代号为Sl)规定,压力的单位为帕斯卡,简称帕(Pa),1帕为1牛顿每平方米,即IPa=IN/H12。帕所表示的压力较小,工程上经常使用兆帕(MPa)。帕与兆帕之间的关系为:IMPa:I106Pao许多过去的工艺指导书、专利文献,对反应压力用过好多种单位。为了使大家了解国际单位制中的压力单位(Pa或MPa)与原来曾经使用过的压力单位之间的关系,请参见各种压力单位换算表,如表72所示。工程上所用的压力指示值,大多为表压(绝对压力计的指示值除外)。表压为绝对压力和大气压力之差,即P表压=P绝对压力一P大气压力。当被测压力低于大气压力时,一般用负压或真空度来表示,它是大气压力与绝对压力之差,即P真空
7、度=P大气压力一P确定压力。因为各种工艺设备和测量仪表通常是处于大气之中,本身承受着大气压力。所以工程上除特别说明外,一般都是用表压或真空度来表示压力大小。表72工程上使用过的压力单位换算表EK力单位Ifi(Pa)兆帕(旧a)工程大气压Oc西/c矗)物珅大气压(mm)汞柱()水柱(mH,0)静/英寸!(IhZinl)Bbar.帕(Pa)IIXlO-1.OlRxl(X)9.869x107.501100I.0197X10-01.0197x100I145010.兆帕(MPa)IXiy110.1979.8697.501X103I.0197xllYs1.450x10-2IO工程大气压(k西./c秆)9.
8、(j(Jjxl,-49.807x100I0.9678735.610.0014.220.9807物理大气压(arm)I.(M33X1驴0.101331.1)332I760103314.710133汞柱(nml(g)I.3332X1I3332IO1413595XlOIjIj3158JO-I0.1361.934x101.3332IO,水柱(mH20)9.806xI0f9.806x10“O.10000.0967873.55I1.4220.09806确/英寸O(IbZiI12)6.895XIQi6.895IOlj0.070310.0680551.710.703110.06895El(bar)1x105O
9、.I1.0197O.9869750.110.19714.5012.压力表分类测量压力或真空度的仪表,按照其转换原理的不同,可分为四大类。(1)液柱式压力计。它是根据流体静力学原理,将被测压力转换成液柱高度进行测量的,按其结构形式的不同有V型管压力计、单管压力计和斜管压力计等。这类压力计结构简单,使用方便,但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响,测量范围较窄,一般用来测量较低压力、真空度或压力差。(2)弹性式压力计。它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。例如弹簧管压力计,波纹管压力计及膜式压力计等。(3 )电气式压力计。通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、频
10、率等)来进行测量,例如各种压力传感器和压力变送器。(4)活被测压塞式压力转换祛码的质量来根据水压机液体上所加平量。它的测量精05%0. 02 % o但结构较复杂传送压力的原理,度很高,允许误差,价格较贵。一般作为标准压力测量仪器,来检验其它类型的压力计。在化工生产过程中,常常需要把压力控制在某一范围即当压力低于或高于给定范围就会破坏正常工艺条件,甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化,便可成为电接点信号压力表,它能在压力偏离给定范围时,及时发现信号,以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。3.压力计的选用(1)压力计类型的选用。必须满
11、足工艺生产的要求,来正确选用压力计,从而保证仪表正常工作及安全生产。其中包括是否需要远传,自动记录或报警,被测介质的物理化学性能(如温度高低,粘度大小,脏污程度,腐蚀性,易燃易爆性能等)是否对测量仪表提出特殊要求。现场环境条件(如高温,电磁场,振动及现场安装条件等)对仪表类型是否有特殊要求O例如,普通压力计的弹簧采用铜合金,高压的也有采用碳钢的,而氯用压力表弹簧管的材料都采用碳钢,不允许采用铜合金。因氯气对铜腐蚀性很强。氧用压力计要禁油,因为油进入氧气系统易引起爆炸。(2)压力计测量范围的确定。压力计的上限值应该高于工艺生产中可能的最大压力值C根据“化工自控设计技术规定”,在测量稳定压力时,最
12、大工作压力不应超过测量上限值的2/3:测量脉动压力时,最大工作压力不应超过测量上限值的1/2;测量高压压力时,最大工作压力不应超过测量上限值的3/5。为了保证测量的准确度,一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/3为宜。(3)压力计精度级的选取。压力计精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。在满足工艺要求的前提下,应尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表。三、原料配比化工生产中,为了有效地进行生产操作和控制,经常需要测量生产过程中各种介质(液体、气体和蒸汽等)的流量。一般所讲的流量大小是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小,即瞬时流量。某一时间、某一条件下,各种原料的瞬时流量的
13、比例,就是原料配比。流量可以用质量表示,也可以用体积表示,单位时间内流过的流体以质量表示的称为质量流量,常用符号G表示;以体积表示的称为体积流量,常用符号Q表示,如流体的密度是d,则体积流量与质量流量之间的关系是:1.差压式流量计差压式流量计是利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是目前生产中测量流量最成熟、最常用的方法之一。在单元组合仪表中,由节流装置产生的压差信号,经常通过差压变送器转换成相应的标准信号(电的或气的),以供显示、记录或控制用。在现场实际应用时,为了尽量避免测量误差,不仅需要合理的选型,准确的设计计算和加工制造,更要注意正确的安装、维护和符号使用条件,才能保证
14、差压式流量计有足够的实际测量精度。造成测量误差的主要缘由有以下几种:(1)被测流体工作状态的变化,如果实际使用时被测流体的工作状态(温度、压力、湿度等)以及相应的流体重度、粘度、雷诺数等参数数值,与设计计算时有所变动,则会造成较大误差。(2)节流装置安装不正确,首先要注意节流装置安装的方向,使用中如在节流装置处有沉淀、结焦、堵塞等现象,也会引起较大的测量误差。(3)孔板入口边缘的磨损或者化学腐蚀,造成节流孔几何尺寸变化,引起仪表指示值偏低。o(4)导压管安装不正确,或有堵塞,渗漏现象。测量液体的流量时,应该使两根导压管内部充满同样的液体而无气泡。为了使导压管内没有气泡,必须做到以下几点:取压点
15、应该位于节流装置的下半部,与水平线夹角a应G=Qd或Q二与常用的流量单位有吨每小时(t/h),千克每小时(kh),千克每秒(ks),立方米每小F(m3/h),升每小时(L/h),升每分(L/min)等。测量流体流量的仪表一般叫流量计。为O。45。;引压导管最好垂直向下,如条件不许可,导压管亦应下倾确定坡度(至少1:二口1 :10),使气泡易于排出;在引压导管的管路中,应有排气的装置,如果差压计只能装在莺流装置之上时,则须加装贮气缸。测量气体流量时,上述原则基本适用,使管内气体中不夹带液体,必须采取以下措施:取压点应在节流装置的上半部;引压导管最好垂直向上,至少亦应向上倾斜一定的坡度,以使引压导
16、管中不滞留液体;如差压计必须装在节流装置之下时,则须加装贮液罐和排放阀。2 .转子流量计特别适宜于测量直径50n.m以下管道的流量,测量的流量可小到每小时几升。3 .椭圆齿轮番量计属容积式流量计,特别适合测量高粘度的流体,甚至糊状物的流量。4 .涡轮番量计称为速度式仪表,常用的水表、油量计属于此列。四、反响时间和操作周期1 .反响时间对于气固相或液固相催化反响,用原料气在反响条件下的空间速度的倒数来表示接触时间,也就是反响时间。r_X_-KnL积或时间r-sv-V0体积/时间产叼“是气体的体积流量,其体积与进料的温度及压力有关,因此给出空间速度必需说明进料的条件。为了便于比较,习惯上常把折合成
17、标准状态(即Iatm,0。C)下的体积流量?假设加料是液体,常常折合成15cc时液体的流量。在应用空速的数据时,必需留意给定的条件和使用的单位。2 .操作周期在化工生产中,一种产品从原料预备、投料升温、各步单元反响,直到出料,全部操作时间的和为操作周期,也叫生产周期。五、反响转化率、选择性和收率反应转化率、选择性和收率是化学反应工程的几个专门名词,它们和带化学反响的;衡算有亲热关系。1 .反响转化率反映原料通过反应器之后产生化学变化的程度,转化率愈高说明产生化学变化的原半总投料量中所占比率愈大,用下式表示:蛀心存反应掉的原料量3fw转化率=一原府菽麻豆i00%原料投料量-反应后原料剩余量5n0
18、原料投料量一i00%其中原料量单位用千克或摩尔表示。从设备生产力气看,一般要求转化率愈高愈好,由于这样可以削减剩余原料,也就削减分别精制和原料再循环的麻烦,从而有可能降低设备投资和操作费用,并增大生产力气。不过从反响速度考虑,随着转化率上升使浓度降低,导致反响速度变慢,则到达较高转化率所需时间过长,反而有可能使设备力气下降。2 .选择性在化学反响过程中,往往有很多化学反响同时存在,不仅有目的产物的主反响,还有生成副产物的副反响,所以转化了的原料中,只有占确定比率的原料生成目的产物。针对某一个既定反响产物来说,生成它所消耗的原料量在全部转化了的原料量中所占比率称为选择性,用下式表示:勰性;避勰肺
19、铲轴从选择性可以看出在各种主副反响中主反响所占的百分比,当人们提高转化率的时候,必需考虑到选择性变化的趋势,假设选择性变差(副产物增加过多)会使原料消耗定额上升而目的产物的产量削减,因此一般要求选择性愈高愈好。3,单程收率在化工生产中,仅仅是选择性高并不意味着过程就确定经济合理,由于它只能说明过程的副反响很少。假设通过反响器的原料只有很少一局部进展反响,则设备的利用率即单位时问的生产力气大大降低,明显只有综合考虑转化率和选择性,才有助于确定合理的工艺指标。单程收率的概念就是第一次通过反响成为目的产物的原料量占原料投入总量的百分比,田下肯嘉景.单程收率反应.于目的产物的原料量Xloo%串在H乂平
20、-原料投料量XlUUzb其中原料量单位用千克或摩尔表示。单程收率高反映反响器生产力气大,削减未反响原料回收量,并削减水、电、汽等能源消耗,标志着过程既经济又合理。4.转化率、选择性和单程收率的相互关系转化率、选择性和单程收率都是百分数,三者之中有两个是独立的,当它们都用摩尔单位时,其相互依靠关系可用下式表示:转化率X选择性;单程收率影响反响收率和转化率的因素一般有原料组成,催化剂,反响温度和压力,反响物在反应区域中的停留时间,设备的材料和构造等等。对于每一个反响过程都有它的收率和转化率的最适宜指标。当反响原料不止一种时,对不同的原料就有不同的转化率、选择性和单程收率。一般要着重考虑最昂贵的原料
21、。另外,反响产物一般也不只一种,因此每种产物的选择性及单程收率也不一样,其中最重视的是目的产物的选择性和单程收率,但有时也要相应计算副产物的选择性和单程收率,要依据具体需要来确定。六、消耗定额消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料、关心原料及试剂的消耗量的数量标准。制定物资消耗定额应具有先进性和现实性两条标准。消耗定额低说明原料利用得充分,收率高而本钱低,也说明白副反响少,三废少,管莲水平高,损耗少。反之,消耗定额高势必增加产品本钱,加重三废治理的负担。所以,消耗定额是反映生产技术水平的和治理水平的一项重要经济指标,同时也是企业治理的根底数据之一。七、进料、出料与循环前面我们在配比”一段中,表
22、达了化工生产中,在确定工艺条件下进入反响器的各种原料的瞬时流量,目的是为了控制,控制到最佳的温度、压力、原料配比及反应时间,以求得最好的转化率、选择性及单程收率,在保证质量的前提下,求得最低消耗定额。这里我们要讨论的是,为了进行经济核算,我们要测出一段时间(如1班,1天等)内流过的介质总量,即瞬时流量在某一段时问内的累计值,称为总量。幽是要测出各种原料进料,各种产出物的出料量,以及回收原料的循环量。系是进料量1反应器出料量循环量总量与瞬时流量的单位都承受质量或体积表示。在确定时间f内,介质总量与流量的关质量体积其次节操作把握和自动把握一个合格的产品,是通过生产经理、产品工程师和操作人员及分析人
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