化工单元操作教案.doc
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酒泉职业技术学院《化工单元操作》学习领域教案
课题
绪论
专业
石油化工生产技术
班级
2012级石油化工生产技术3、4班
人数
90
授课日期
周次
一
教学及参考资料
1.朱淑艳.化工单元操作.天津大学出版社，2011
2.陆美娟，张浩勤.化工原理.化学工业出版社.2006
教学仪器
设备
背投、课件
教学地点
逸夫教学楼115教室
课时
2
学习目标
知识目标：
1.掌握物料衡算、能量衡算的基本概念及计算步骤。
2.理解化工生产过程的构成，单元操作的概念。
3.了解化工单元操作课程的内容、性质及任务。
能力目标：
1.能明确化工生产技术与化工单元操作的关系；
2.会进行物料衡算和能量衡算。
素质目标：
1.踏实、认真的学习态度；
2.对所学结果进行自我评价、自我学习的能力；
3.培养分析问题、解决问题的能力；
4.明确职业岗位所处的位置，不断提升自身职业能力。
教学重点
1.化工生产过程；
2.本课程学习的主要内容；
3.化工单元操作的计算方法、单位换算。
教学难点
物料衡算和能量衡算
教学难点解决
通过多种教学方法并用，举例让学生深入体会
教学方法
以PPT展示、黑板讲授相结合为主，启发、提问、讨论等多种方法相结合。
教学组织及时间分配
教学组织
时间分配（min）
第一部分：
组织教学、清点人数
2
第二部分：
新课导入
3
第三部分：
新课讲授（具体时间分配在教学具体实施过程中注明）
90
第四部分：
课堂小结
3
第五部分：
布置作业
2
教学具体实施过程
时间分配及新内容补充
第一部分：
组织教学、清点人数
[组织教学、清点人数]
点名、查看学生上课出勤情况
[展示“复习提问”，找学生回答问题]
1.什么是化工生产过程？
第二部分：
新课导入
人类与化工的关系十分密切，在现代生活中，几乎随时随地都离不开化工产品，从衣、食、住、行等物质生活，到文化艺术、娱乐等精神生活，都需要化工产品为之服务。
有些化工产品在人类发展历史中，起着划时代的重要作用。
它们的生产和应用，甚至代表着人类文明的一定历史阶段。
比如食品、酿酒、精细化工、石油化工、造纸、汽车、污水处理、涂料厂、气柜、电、纳米、建材、压力管道、计算机、橡胶、水泥、肥料、包装、纺织、合成化学、轻工、机械制造等都有应用。
一滴香，臭氧层的破坏，环境污染。
第三部分：
新课讲授
[展示课件、介绍学生在本节课需要掌握的知识、能力、素养目标]
[板书]
一、化工生产过程与单元操作
[讲述]
1．化工生产过程
化学工业是指以工业规模对原料进行化学和物理方法加工而获得产品的工业。
化工生产过程是指化学工业的一个个具体的生产过程，简单地说，就是化工产品的加工过程，可以看成是由原料预处理过程、反应过程和反应后处理过程三个基本环节构成的。
其中，反应过程是在各种反应器中进行的，它是化工生产过程的中心环节。
图0-1乙烯法制取氯乙烯生产过程简图
例如，乙烯法制取氯乙烯生产过程，它是以乙烯、空气和氯化氢为原料，在压力为0.5MPa，温度为220℃，以CuCl2为催化剂等条件下反应，制取氯乙烯。
2.单元操作及分类
通常，一种化工产品的生产过程往往需要几个或数十个物理加工过程与若干个化学反应才能实现。
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。
比如，流体输送的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物料温度；分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合物等。
我们将这些包含在不同化工产品生产过程中，发生同样的物理变化，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。
单元操作有流体流动及输送、传热、沉降、过滤、蒸发、蒸馏、吸收、干燥、结晶、萃取等；近年来，随着新技术的应用，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。
根据操作方式不同，单元操作可以分为连续操作和间歇操作两种方式。
根据设备中各种操作参数随时间的关系，单元操作又可分为定常操作（稳定操作）和非定常操作（非稳定操作）两种形式。
[提问、集体讨论]
想一想定常操作（稳定操作）和非定常操作（非稳定操作）两种形式有什么区别？
[板书]
二、化工单元操作课程的性质、内容和任务
[讲述]
性质：
化工技术类专业核心课程，是承前启后、由理及工的桥梁，是构造化工高等技术应用性专门人才知识结构、素质结构与能力结构的必修课，是培养学生工程技术观点与化工核心实践技能的重要课程。
主要内容：
化学工程学科“三传一反”（质量传递、热量传递、动量传递及化学反应）中的三传部分。
任务：
使学生获得常见化工单元操作过程及设备的基础知识；使学生得到用工程技术观点观察问题、分析问题和解决常见操作问题的训练；使学生初步树立创新意识、安全生产意识、质量意识和环境保护意识；使学生了解新型单元操作在化工生产中的应用。
[板书]
三、单元操作计算的基本内容
[讲述]
《化工单元操作》所解决的问题具有明显的工程性。
主要原因是：
（1）影响因素多（物性因素、操作因素及结构因素等）；
（2）制约因素多（原材料来源、设备性能、自然条件等）；
（3）评价指标多（经济、健康、环保、安全等）；
（4）经验与理论并重。
1．物料衡算
输入系统的物料量－输出系统的物料量=系统中物料的积累量
在进行衡算时，应注意下列几点：
（1）划定范围
（2）确定基准
（3）列出方程
（4）求解方程
[举例]
【例0-1】两股物流A和B混合得到产品C。
每股物流均由两个组分（代号1、2）组成。
物流A的质量流量为G=6160㎏/h,其中组分1的质量百分数=80％;物流B中组分1的质量百分数=20％;要求混合后产品C中组分1的质量百分数=40％.试求：
需要加入物流B的量G,㎏/h；产品量G，kg/h。
解
（1）按题意，画出混合过程示意图，标出各物流的箭头、已知量与未知量，用封闭虚线框出衡算系统见下图。
（2）过程为连续定常，故取1h为衡算基准。
（3）列出衡算式：
总物料衡算GA+GB=GC,代入已知数据得
6160+GB=GC（A）
组分1的衡算式GAwA1+GBwb1=GCwc1,代入已知数据得
6160×0.80+GB×0.02=GC×0.04（B）
联解式（A）、式（B）得
GA=12320㎏/h,GC=18480㎏/h
2．能量衡算
输入系统的能量－输出系统的能量＝系统中物料的积累量
在进行衡算时，首先也要划定衡算范围、选取衡算基准、列出能量衡算方程。
与物料衡算不同的是，衡算基准除了选取时间基准或物料基准外，还需选定能量的计算基准。
3.平衡关系
一个过程所能达到的极限状态，称为平衡态。
平衡关系可以用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能够达到的极限。
（1）过程速率
过程速率
（2）经济核算
对于设备，不仅要考虑技术先进，同时还要通过经济核算来确定最经济的设计方案，达到技术和经济的优化。
[板书]
四、单位制和单位换算
[讲述]
基本物理量的单位称为基本单位，导出物理量的单位称为导出单位。
（1）绝对单位制
（2）工程单位制
选用长度、力和时间为基本量，其基本单位分别为米、千克力和秒。
（3）国际单位制
简称为“SI”制。
国际单位制规定了七个基本量及对应的基本单位，即长度—米、质量—千克、时间—秒、电流强度—安培、热力学温度—开尔文、发光强度—坎德拉及物质的量—摩尔，还有两个辅助单位和大量的导出单位。
2．单位换算
（1）一定大小的物理量，在进行单位换算时，其数值要跟着改变，即要将原单位的数值乘以换算因数，才可以得到新单位的数值。
（2）在一个组合形式的单位（简称组合单位）中，任何一个单独的单位要换算成其他单位时，要连同换算因数一起换算。
第四部分课后小结
1.《化工单元操作》是化工技术类专业核心课程，主要解决工程性问题；
2.化工单元操作不同化工产品生产过程中，发生同样的物理变化，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，一般都涉及物料衡算、能量衡算、过程速率、过程的极限及物性计算。
第五部分布置作业
1.布置作业
2.预习下次课内容
2min
3min
25min
15min
42min
8min
3min
2min
教学反思
教研室主任签字
累计课时
酒泉职业技术学院《化工单元操作》学习领域教案
课题
学习情境一化工管路
专业
石油化工生产技术
班级
2012级石油化工生产技术3、4班
人数
90
授课日期
周次
一
教学及参考资料
1.朱淑艳.化工单元操作.天津大学出版社，2011
2.陆美娟，张浩勤.化工原理.化学工业出版社.2006
教学仪器
设备
背投、课件
教学地点
逸夫教学楼115教室
课时
2
学习目标
知识目标：
1.了解化工管路的概念
2.掌握化工管路的构成。
3.了解压力管道的分类、分级
能力目标：
1.能明确化工生产技术与化工单元操作的关系；
2.会进行物料衡算和能量衡算。
素质目标：
1.踏实、认真的学习态度；
2.对所学结果进行自我评价、自我学习的能力；
3.培养分析问题、解决问题的能力；
4.明确职业岗位所处的位置，不断提升自身职业能力。
教学重点
1.掌握化工管路的构成
2.掌握管子、管件和阀门规格的确定。
教学难点
化工管路材质区分、管道分类
教学难点解决
通过多种教学方法并用，举例让学生深入体会
教学方法
以PPT展示、黑板讲授相结合为主，启发、提问、讨论等多种方法相结合。
教学组织及时间分配
教学组织
时间分配（min）
第一部分：
组织教学、清点人数
2
第二部分：
新课导入
3
第三部分：
新课讲授（具体时间分配在教学具体实施过程中注明）
90
第四部分：
课堂小结
3
第五部分：
布置作业
2
教学具体实施过程
时间分配及新内容补充
第一部分：
组织教学、清点人数
[组织教学、清点人数]
点名、查看学生上课出勤情况
[展示“复习提问”，找学生回答问题]
1.思考化工生产中化工管路起什么作用？
第二部分：
新课导入
化工生产过程是靠若干个化工设备按一定顺序组合来完成，而连接各个化工设备则是靠化工管路。
在化工厂中，各种材质、长度、管径及设备所构成的化工管路，像人体的血管一样，组成化工过程的“供血”管网，没有化工管路，是无法完成化工生产任务的。
第三部分：
新课讲授
[展示课件、介绍学生在本节课需要掌握的知识、能力、素养目标]
定义：
化工管路一般由管子、管件、阀门、管架等组成。
在化工生产中，由于管路所输送的介质的性质和操作条件各不相同，化工管路有各种分类方法。
按管路的材质可分为金属管路和非金属管路。
金属管常用的材料有铸铁、碳素钢、合金钢和有色金属：
非金属管常用的有塑料、橡胶、陶瓷、水泥等。
按输送介质的压力可分为真空管（p<0MPa）、低压管（0≤p﹤1.6MPa）、中压管（1.6≤p﹤10MPa）、高压管（16≤p﹤100MPa）、超高压管（p﹥100MPa）。
按输送介质的温度可分为低温管（t﹤-20℃）、常温管（-10﹤t﹤200℃）、高温管（t﹥200℃）。
按输送介质的种类可分为水管、蒸汽管、气体管、油管以及输送酸、碱、盐等腐蚀性介质的管路。
[板书]
一、压力管道
[讲述]
随着化工生产的规模扩展和技术进步，对化工管路的运行条件，提出了更为苛刻的要求。
由于化工管路内的介质通常都具有一定的压力，故化工管路一般属于压力管道的范畴。
为了确保压力管道的安全运行，国务院于2003年3月11日颁布了专门法令，将压力管道与锅炉、压力容器等一并列为涉及生命安全、危险性较大的特种设备，进一步加强对压力管道安全运行的管理。
（一）压力管道概念
《特种设备监察条例》规定，压力管道是指利用一定的压力，用于输送气体或液体的管状设备，其范围规定为最大工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。
（二）压力管道的分类与分级
1．压力管道的分类
通常将压力管道分为常输管道、公用管道和工业管道三大类，化工管道属于工业管道。
2．压力管道的分级
压力管道通常根据其危害程度实施分级安全监察。
一般将压力管道按安全等级分为GC1、GC2、GC3三级。
（三）石油化工管道的分级
石油化工管道的分级根据介质的性质和工艺条件分为5级。
管道级别是压力管道设计、施工和工程验收的基本依据，应在管道表、管道布置图和相关技术文件中分项标注。
[提问、集体讨论]
想一想不同用途的管道其区别主要在哪？
[板书]
二、化工管路的构成
[讲述]
化工管路是由不同长度的管子及不同用途的管件和阀门按照一定的排布方式连接所组成的输送流体的系统。
管件是管路连接中所用的各种零件（元件）的统称。
阀门是用于调节和控制流量的管路部件的统称。
为了便于选用、安装和维修，管子及阀门已经系列化和标准化。
（一）管子
在实际化工生产中，由于输送流体物料的性质和工艺条件的不同，用于连接设备和输送流体物料的管子不仅要满足强度和通过物料能力的要求，还要适应耐温（高温或低温）、耐压（高压或低压）、耐腐蚀（酸、碱）、导热等性能的要求。
简单介绍常见的化工用管的种类及用途等。
1．管子的标准
在化学工业中由于所输送流体的种类、性质和工作条件的不同，所用管子的规格和材料是多种多样的。
应当按照不同的用途从管子的系列标准中选择管子。
管子和管路的标准一样，主要有“公称直径”和“公称压力”，根据这两个基本参数，统一规定了管子和管件的主要结构尺寸与参数，使得具有相同公称直径和公称压力的管子与管件，都可相互配合交换使用。
1.1公称直径用符号DN表示。
管子的公称直径是与管子内、外径相近的整数，有时可能等于内径或外径。
水、煤气钢管（有缝钢管）的管子规格是以外径为标准，一般用公称直径表示（注明是普通级还是加厚级）。
例如DN100mm水煤气管（普通级），表示是公称直径为100mm，其外径为114mm，壁厚为4mm的水、煤气管，该管在工程图纸上的尺寸标注为φ114mm×4mm；DN100mm（加厚级），表示是公称直径为100mm，外径是114mm，壁厚则为5mm的水、煤气管，该管在工程图纸上的尺寸标注为114mm×5mm。
无缝钢管、铜管和黄铜管的管子规格也是以外为标准，通常是以“φ外径×壁厚”的形式表示。
热轧无缝钢管的外径范围32～600mm，壁厚在3.5～50mm之间，管长4～12.5m；冷拔无缝钢管的外径范围是4～150mm，壁厚在1.0～12mm之间，管长1.5～7m。
由上述可见，同一公称直径的钢管、铜管具有相同的外径，内径随壁厚不同而不同。
1.1.1低压流体输送管
1.1.2普通无缝钢管（GB8163-87）
（1）热轧无缝钢管
（2）冷拔（冷轧）无缝钢管冷拔无缝钢管质量好，可以得到小直径管，其外径可由6mm至200mm，壁厚由0.25～14mm，其中最小壁厚及最大壁厚均随外径增大而增加，系列标准可参阅有关手册。
（3）热交换器用普通无缝钢管
1.2公称压力
用符号PN表示。
任何管材所能承受的压力都有一定的限度。
公称压力是制造和使用管材的统一标准。
管材的最大允许工作压力应等于或小于公称压力。
温度越高，管材的机械强度下降，允许的压力限度也越小。
2．管子的材料
2.1金属管
金属管在化工管路中应用极为广泛，常用的有铸铁管、钢管、有色金属管。
2.1.1铸铁管
铸铁管可分为普通铸铁管和硅铁管两大类。
普通铸铁管由灰铸铁铸造而成。
铸铁中含有耐腐蚀的硅元素和微量石墨，具有较强的耐蚀性能。
通常在铸铁管内外壁面涂有沥青层，以提高其使用寿命。
普通铸铁管常用作埋入地下的给、排水管，煤气管道等。
铸铁管价廉而耐腐蚀、但组织松疏，质脆强度低，不能用于输送带压力的蒸汽、爆炸性及有毒性气体。
普通铸铁管的直径为φ50～φ300mm，壁厚为4～7mm，管长有3m、4m、6m等系列。
硅铁管是指含碳0.5%～1.2%，含硅10%～17%的铁硅合金，由于硅铁管表面能形成坚固的氧化硅保护膜，因而具有很好的耐腐蚀性能，特别是耐多种强酸腐蚀。
硅铁管硬度高，但耐冲击和抗振动性能差。
硅铁管的直径一般为20～30mm，壁厚10～16mm，管长规格为150～2000mm。
2.1.2钢管
用于制造钢管的常用材料是普通碳素钢、优质碳素钢、低质合金刚和不锈钢等。
按制造方式又可分为有缝钢管和无缝钢管。
有缝钢管又称为焊接钢管，一般由碳素钢组成。
表面镀锌的有缝钢管又称镀锌管或白口管，不镀锌的称黑铁管。
有缝钢管分水、煤气钢管和钢板电焊钢管两类。
水、煤气钢管的主要特点是易于加工制造、价格低廉，但因为有焊缝而不宜用于压力较高的流体输送，其工作温度不超过175℃，工作压力不超过1569kPa。
有缝钢管常用于低压流体的输运，如水、煤气、天然气、低压蒸汽和冷凝液等。
无缝钢管是由普通碳钢、优质合金钢、合金钢、不锈钢、耐热铬钢等材料制作的，是用棒料钢材经穿孔热轧（热轧管）和冷拔（冷拔管）制成的，分为热轧管和冷轧管两种。
2.1.3有色金属管
（1）铜管
通管有紫铜管和黄铜管两种。
紫铜管的含铜量为99.5%～99.9%。
黄铜管材料则为铜和锌的合金。
铜管的常用规格为：
外径φ5～φ155mm，长度1～6m，壁厚1～3mm.
铜管导热性能好，大多用于制造换热设备、深冷管路，也常用作仪表测量管和液压传输管路。
（2）铝及铝合金
铝管常用1060、1050A、1035、1200等工业纯铝制造。
铝合金管则多采用5A02、5A03、5A05、5A06、3A21、2A11,2A12、等制成。
由于铝及铝合金具有良好的耐腐蚀性和导热性，常用于输送脂肪酸、硫化氢、二氧化碳气体等介质，还可用于输送硝酸、醋酸、磷酸等腐蚀性介质，但不能用于盐酸、碱液等含氯离子的化合物。
铝及铝合金管的使用温度一般不超过150℃，介质压力不超过0.6MPa。
铝制造的管子，由于其导热能力强，质量轻，有较好的耐酸性，也可用于制作换热器的列管；小直径的铝管可代替铜管传送有压流体。
（3）铅管
常用铅管有软铅管和硬铅管两种。
软铅管用Pb2、Pb3、Pb4、Pb5等含铅量在99.95%以上的纯铅制成，最常用的是Pb4铅管。
硬铅管由锑铅合金制成，最常用的是PbSb4和PbSb6铅管。
铅管硬度小、重度大，具有良好的耐蚀性，在化工生产中主要用于输送浓度在70%以下的冷硫酸，浓度40%以下的热硫酸和浓度10%以下的冷盐酸。
由于铅的强度和熔点都较低，故使用温度一般不得超过140℃。
铅管的优点是成本低，缺点是机械强度差、笨重且性软，不可用于浓盐酸、硝酸、次氯酸、高锰酸盐类等介质的输送。
2.2非金属管
2.2.1塑料管
2.2.2陶瓷管
2.2.3橡胶管
2.2.4玻璃钢管
2.2.5玻璃管
3.管子的选择
①当需要输送有毒、易燃易爆、强腐蚀性流体或用于制作高温换热器、蒸发器、裂解炉等化工设备内部的管子时，可选用无缝钢管。
②当需要输送水、煤气、暖气、压缩空气、低压蒸汽以及无腐蚀性的流体时可选用由低碳钢焊接而成的有缝钢管。
③化工厂内的给水总管，煤气管及污水管等，某些用来输送碱液及浓硫酸的管道可使用铸铁管。
④对于输送稀硫酸、稀盐酸、60%以下的氢氟酸、80%以下的醋酸及干或湿的二氧化硫气体的管路，可选用铅管来输送。
⑤对于浓硝酸、浓硫酸、甲酸、醋酸、硫化氢及二氧化碳等酸性介质的输送管路，可以选择铝管。
⑥对于常压、常温下酸、碱液的输送，蒸馏水或去离子水的输送，可选用塑料管，以避免污染。
（二）常用管件
管件主要用来连接管子以达到延长管路、改变流向、分支或合流等目的。
部分最基本的管件如图所示。
1．弯头
弯头的作用主要是用来改变管路的走向。
弯头可用直管弯曲而成，也可用管子组焊，还可用铸造或锻造的方法制造。
弯头的常用材料为碳钢和合金钢。
弯头的形状常有45度、60度、90度、180度回弯头等。
2．三通
当管路之间需要来连通或分流时，其接头处的管件称为三通。
三通可用铸造或锻造方法制造，也可组焊完而成。
根据接入管的角度和旁路管径的不同，可分为正三通、斜三通。
接头处的管径除三通外，还有四通、Y形管等，有时也用来改变流向，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支管。
3．短管和异径管
为了安装、拆卸的方便，在化工管道中通常装有短管。
短管两端面直径相同的叫等径管，两端面直径不同的叫异径管。
异径管可改变流体的流速。
短管与管子的连通常采用法兰或螺纹连接方式，也可采用焊接。
4．法兰与盲板
为了管路安装和检修的需要，管路中需装设管道法兰。
管法兰已标准化，使用时可根据公称压力和公称直径选取。
通常管路的末端装有法兰盖（实心法兰），以便于检修和清理管路。
法兰盖与法兰尺寸相同，材质有铸铁和钢铁两种。
（三）常用阀门
阀门是用来启闭管内流体（截断或沟通管内流体的流动）、调节流体流动（改变管路阻力，调节流体的流动）和产生节流效应（流体流过阀门后，可产生较大的压力降）的部件，常用的阀门有下列几种。
1.闸阀
2．截止阀
3．止回阀
4．旋塞
5．球阀
6．隔膜阀
7．蝶阀
8．节流阀
9.阀门的选用原则
第四部分课后小结
1.《化工单元操作》是化工技术类专业核心课程，主要解决工程性问题；
2.化工单元操作不同化工产品生产过程中，发生同样的物理变化，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，一般都涉及物料衡算、能量衡算、过程速率、过程的极限及物性计算。
第五部分布置作业
1.布置作业
2.预习下次课内容
2min
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