任务一一次盐水的制备.docx
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任务一一次盐水的制备
任务一一次盐水的制备
1.1 生产作业计划——一次盐水制备任务
离子膜烧碱厂领导接到了公司生产调度处的烧碱生产作业计划书，按照作业计划书的要求在本年度要完成公司与使用离子膜法电解饱和氯化钠溶液的产品—烧碱和液氯的用户所签订的供需合同规定的产品数量。
根据工作任务综述，结合离子膜烧碱生产工作任务完成的工作过程的先后顺序，要完成离子膜烧碱产品生产，必须要经过一次盐水的制备→二次盐水的精制→精制盐水的电解→氯氢气的处理→液氯的生产五个生产工序（见图1-1）。
图1-1离子膜烧碱生产工艺流程介绍
1.1 生产作业计划——一次盐水制备任务
因此，首先要完成离子膜法电解饱和氯化钠溶液的所需要的原料一次盐水的制备。
那么，一次盐水是怎样制备的呢？
首先让我们一起看一看一次盐水生产的工艺概况（见图1-2）。
图1-2一次盐水生产工艺流程框图
根据一次盐水生产任务完成的基本过程，可以把该工序的工作任务按照任务完成的前后顺序，可将该项任务分解为粗盐水的制备与Mg2+的去除；Ca2+的去除；盐水的中和；盐泥的压滤和SO42+的脱除六项分任务（见图1-3）那么这些工作任务又是如何完成的呢？
图1-3一次盐水生产任务的分解
1.2完成一次盐水制备任务
在化工生产中，必须通过管路来输送和控制流体介质。
一次盐水的制备也离不开化工管路。
那么，盐水是怎样实现输送的呢？
1.2完成一次盐水制备任务
1.2.1认识化工管路
化工管路是化工生产中使用的各种管路的总称，由管子、管件和阀门等按一定的排列方式构成，形成一个工作系统，具体地说有直管和各种管件。
其主要作用是用来输送和控制流体介质。
想一想
在我们生活中，你能见到那些管道？
这些管道使用来干什么用？
河水在河床里流动时，你想过河底和河堤组成的通道算不算管道？
你见过最细的管道和最粗的管道，其直径大约有多少mm？
1.2.2化工管子常用的材质
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，还必须满足耐温、耐压、耐腐蚀以及导热等性能的要求（见图1-4）。
图1-4常用的化工管材
考考你：
新建楼房内所用的自来水管道，是采用什么材质的管道？
其下水道管又是采用的什么材质的管道？
你见过马路的下水道管吗？
哪些管道是什么材质？
下水管为什么比日常输送自来水的管道直径大？
1.2.3管径与壁厚的选择
1.2.3.1影响管径大小的因素
流体输送管路的直径可根据流量和流速确定。
1.2.3.2管子壁厚
当管道输送流体介质时通常管内介质具有一定的压力，因而要求管子必须具有足够的厚度，以保证管道系统的安全运行。
壁厚的计算与选用与设备筒体的情况相同（见图1-5）。
图1-5 化工管道的壁厚示意图
大家齐努力：
管子为什么必须才有一定的厚度？
是不是越厚越好？
流体输送管路的直径是有什么因素决定的？
流量一定时是不是管道直径越细越好？
1.2.4管件与阀门
化工管路中，除了作为主体的直管外，还设置有短管、弯头、三通、异径管、法兰、盲板等配件，用来改变管路方向，接出支管，改变管径以及封闭管路等，以满足生产工艺和安装检修的需要。
通常把管路中各种配件总称为管件。
为了控制流体介质的压力、流量。
化工管路中还使用着多种类型的阀门。
1.2.4.1常用管件
⑴弯头
弯头作用是用来改变管路方向（见图1-6）。
弯头形状有45°、60°、90°、180°等。
图1-6管件—弯头
1.2.5管路的连接
管路的连接包括管子与管子的连接、管子与各种管件、阀门的连接，还包括设备接口处等的连接
1.2.6化工管路中常见故障及排除方法
在化工企业中，管路担负着连接设备、输送介质的重任，为了保证生产的正常进行，对管路精心维护，及时发现故障，排除故障，显得十分重要。
1.2.6.1做好管路维护工作
按照管路的运行环境有针对性的做好管路的使用、保养和维护工作。
1.2.6.2化工管路常见故障及排除方法
生产现场的管路
⑴连接处泄漏
⑵管道填塞
⑶管道弯曲
1.2.6.3阀门的使用与维护
⑴阀门的使用与维护
为了使阀门使用长久、开关灵活，保证这全生产，应正确使用和合理维护。
⑵阀上常见故障及排除
阀门由于受介质特性、使用环境、操作频繁程度、产品质量及使用维护不当等原因的影响，常会发生各种故障，若不及时排除，不仅影响生产的正常进行，有时还会带来灾害，因此应加强维护及时排除故障。
更上一层楼：
造成连接处泄漏的原因有哪些？
出现泄漏后应怎样处理？
新安装的阀门带有产品合格证，是否一定就不会出现问题？
阀门在安装时是否有方向性？
1.2.7化工管路拆装实训
管路拆装装置是由管子、管件、阀门、水箱、水泵及测量仪表等组成。
在化工管路拆装实训室内讲解化工管路的组成，根据化工管路中管径的变化过程，讲解化工管路上的管件—变径管的用途；结合管路方向的改变讲解管件—弯头的作用；结合化工流体的输送流量的控制，讲解阀门的种类、大小和作用；讲解连接阀门所用的管件—法兰或丝扣，让学生明白管路的组成，通过现场动手拆装，实现能认识管路及其管件名称。
大家齐思考
有了完整的化工管路是否就能把粗盐水从一个罐送到另一个罐内呢？
同样没有心脏的人是否能存活？
是否能把血液输送到人体的每一个部位呢？
显然，这是不可能的，那么在化工生产过程中是什么装置能完成像心脏一样功能，实现化工流体输送的。
1.3完成一次盐水制备必须的工作条件——化工液体输送
为了我们能深入地了解流体输送的基本过程，从流体力学的认识开始
1.3.1流体力学的研究对象
流体力学中研究得最多的流体是水和空气。
流体力学的分类（见图1-20）。
图1-20流体力学的类型
⑴单元操作
⑵物料衡算
设投入的原料量为m原，产品量为m产，损失物料量为m损，可得：
m原=m产+m损 （1-1）
物料衡算时注意事项：
①确定衡算系统，并将其圈出。
②选定计算基准，一般选没有变化的量作为衡算的基准。
③列出衡算式，求解未知量
④确定衡算对象的物料量和单位，衡算中单位应统一。
⑶能量衡算
对于连续操作的系统，当系统中无热量积累时，设输入的热量为Q入，输出的热量为Q出，损失的热量为Q损，则：
Q入=Q出+Q损 （1-2）
⑷平衡关系
物理和化学变化过程，都有一定的方向和极限。
在一定条件下，过程的变化到了极限，即达到了平衡状态。
任何一种平衡状态的建立都是有条件的。
⑸过程速率
单位时间内过程的变化称为过程速率。
平衡关系只表明过程变化的极限，而过程变化的快慢由过程速率来确定。
（1-3）
⑹经济效益
1.3.2化工流体的流动
流体是气体与液体的总称。
本任务完成过程中，我们要输送的液体主要是盐水，这里主要介绍液体的输送。
1.3.2.1流体的主要性质
⑴密度
单位体积流体的质量称为密度，
（1-5）
⑵压力
垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的静压力（也称为静压强），简称压力或压强，用符号Ｐ表示。
以绝对零压为起点的压力称为绝对压力，简称绝压，又称真实压力。
压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压高出的数值，称为表压强。
真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度。
三者关系，
绝对压=表压+大气压
绝对压=大气压-真空度
⑶粘度
实际流体流动时流体分子之间产生内摩擦力的特性称为粘性。
粘性越大的流体，其流动性越差，流动阻力越大。
1.3.2.2流体静止时的基本规律
流体静力学就是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。
⑴静力学基本方程式
如图1-21所示，容器内盛有静止的液体，从中任取一段垂直液柱，此液柱底面积为S，密度为ρ
图1-21静止液体内部力的平衡情况
（1-6）
（1-7）
以上为流体静力学基本方程，它表明了静止流体内部压力变化的基本规律
⑵静力学基本方程式的应用
①液柱压力计（U形管压差计）
U形管压差计是在一根U形管内装指示剂，要求指示液必须与被测液体不发生化学反应且不互溶，指示液的密度ρi必须大于流体的密度ρ。
测量原理：
当作用于U形管两端的压力为p1、p2，且p1>p2，则指示剂就在U形管两端出现高度差R，利用R的数值，再根据静力学基本方程，就可以算出流体两点之间的压力差。
（1-8）
图1-22U形管压差计
图1-23倾斜、微差压差计
⑶液位的测量
为维持正常生产、保证安全，化工厂经常要了解容器内液体的贮存量，或要控制设备里的液面，故要进行液位的测量。
测定液位的仪表叫液位计（见图1-24）。
图1-24液面压力计结构示意图
⑷液封高度的计算
为控制设备内气体的压力P不超过规定的数值，化工生产中常遇到设备的液封问题（见图1-25）。
当某种不正常的原因，使设备内的压力突然升高时，气体可以从液封管排出。
（1-9）
图1-25安全液封装置
实例计算1-1
如图1-15所示，为了控制乙炔发生炉内压强不超过10.67kpa（表压）,在炉外装有安全液封装置,其作用是当炉内压强超过规定值时,气体就从水封管排出。
试求水封槽的水面高出水封管口的高度。
（水的密度等于1000kg/m3）
解：
以炉内允许最大表压力10.67Kpa为极限值。
气体刚好充满液封管。
并取液封管管口为等压面，则pA=PB
故
（1-10）
为了安全起见，实际液封插入水下的深度应略小于1.09m。
1.3.2.3流体流动时的基本规律
（一）化工流体流动过程中概念解读
⑴流量
流量有两种计量方法：
体积流量,用符号Q表示，单位为m3/h质量流量：
用符号G表示，单位为kg/s或kg/h。
⑵流速
①平均流速：
流体在管道整个截面的平均流速，又称为平均流速，简称流速。
用u表示，单位为m/s。
②质量流速：
单位时间内流过单位有效面积的流体质量称为质量流速，用W表示，单位为kg/（m2·s）。
③相互关系如下：
（1-11）
其中，A为垂直于流动方向的管道截面积，
⑶圆形管路直径的初步确定
一般化工管路为圆形，则
所以
（1-12）
（二）稳定流动与非稳定流动的区别
⑴稳定流动（见图1-26）。
图1-26稳定流动
各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动称为稳定流动。
⑵非稳定流动
各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动就称为非稳定流动（见图1-27）。
（三）流体连续稳态流动时的物料衡算
图1-28连续性方程分析
（1-13）
上式称为稳定流动连续性方程。
s在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比，截面积越大流速越小，反之亦然。
（四）流体连续稳态流动时的能量衡算
（1）流体流动时具有的机械能
①位能；
②动能；
③静压能。
（2）系统与外界交换的能量
①外加能量；
②损失能量。
（3）柏努利方程
衡算范围如图1-29：
1－1至2－2截面之间。
基准水平面：
0－0地面
图1-29化工流体流动系统示意图
输入1－1截面的总能量?
J
输入2－2截面的总能量
J
根据能量守恒定律及转化定律，输入系统的机械能必须等于从系统输出的机械能，即
（1-14）
所以
（1-15）
⑷柏努利方程式的应用
①应用注意事项（见图1-30）。
图1-30柏努利方程式的五个应用注意事项
实例计算如图1-31所示，要求出水管内的流速为2.5
，管路损失压头为5.68m，试求高位槽稳定水面距出水管口的垂直距离为多少米？
解：
取高位槽水面为1-1截面，出水管口为2-2截面，以2-2截面管中心线为基准水平面，则
在1-2截面之间，柏努利方程简化为
所以
图1-31 附图
（五）流体阻力的计算
⑴流动形态与雷诺准数
①流体流动类型（见图1-32）。
图1-32 雷诺实验装置
层流（或滞流）：
流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；
湍流（或紊流）：
流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
②雷诺准数
（1-16）
雷诺准数的大小表明流体质点混乱的剧烈程度，是一个无因次数群
判断流型
Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；
Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；
2000 物理意义
Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动（见图1-33）的湍动程度。
图1-33 流体流动
（2）管路阻力计算
①直管阻力
直管阻力：
流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力
局部阻力：
流体流经管路中的管件（如弯头、三通等）、阀门及截面的突然扩大或缩小等局部障碍所引起的阻力。
由实验可知，流体的流动形态不同，其产生阻力的大小也不同，直管阻力与管长
、动能
成正比，与管径
成反比，直管阻力可用下式计算：
（1-17）
其中，
—摩擦系数，无单位
摩擦系数
与雷诺数有关，也与管路内壁的粗糙程度有关，这两种关系随流动类型的不同而不同。
a圆形管
（Ⅰ）层流时的摩擦系数
流体在作层流流动时，摩擦系数
只与雷诺数有关，而与管路内壁的粗糙程度无关。
（1-18）
（Ⅱ）粗糙度对
的影响
（Ⅲ）湍流时的摩擦系数流体在湍流时的情况比层流复杂得多，摩擦系数与雷诺准数和管壁粗糙度都有关。
湍流流动时：
图1-34 摩擦系数与雷诺准数、管壁粗糙度的关联程度
经大量实验，将
与
的函数关系绘在双对数坐标系中（见图1-35）。
图1-35 摩擦系数与雷诺数、相对粗糙度的函数图
b非圆形管
当流体在非圆形管内湍流流动时，计算圆管流体阻力公式
中的管径
以非圆形管的当量直径
代替。
当量直径
（1-19）
A—管道截面积
—浸润周边长度
对于边长为
和
的矩形管，有
（1-20）
c环形管（见图1-36）。
（1-21）
图1-36环形管
②局部阻力
流体在管路的进口、出口、弯头、阀门、扩大、缩小等局部位置流过时，其流速大小和方向都发生了变化，且流体受到干扰或冲击，使涡流现象加剧而消耗能量。
a当量长度法
流体流经管件、阀门等局部障碍所引起的局部阻力，折合成相当于流体流过长度为
的同直径的管路时所产生的阻力，
称为该局部阻力的当量长度，由实验测定，即：
（1-22）
表1-1 各种管件、阀门、流量计的当量长度
名称
le/d
名称
le/d
450标准弯头
15
截止阀（全开）
300
标准弯头
30~40
角阀（全开）
145
900方形弯头
60
闸阀（全开）
7
1800回弯头
50~70
（3/4开）
40
三通
40
（1/2开）
200
（1/4开）
800
60
单向阀（摇板式）
135
底阀（带滤水器）
420
吸入阀或盘形阀
70
90
盘式流量计
400
文氏流量计
12
转子流量计
200~300
由容器入管口
20
由管口入容器
40
b 阻力系数法
克服局部阻力所引起的能量损失，也可以表示成动能的倍数，即:
（1-23）
图1-37 阻力分析图
③总阻力的计算
对于流体流经直径不变的管路时，如果采用当量长度法计算，管路的总阻力为
（1-24）
如果局部阻力都用阻力系数法计算，则
（1-25）
流体流动阻力测定仿真实训
图1-38流体阻力系数测定
⑴通过仿真实训的操作，测定光滑管、粗糙管和孔板的阻力大小变化，使学生在模拟的环境下，理解管道和管件的阻力大小变化的规律。
⑵掌握阻力系数的测定方法和操作过程，能达到独立操作，采集数据并能进行分析，写出实训报告。
流体流动阻力测定实训装置
图1-39计算机数据采集型
⑴能全面了解流体在流动过程中所涉及的流体阻力实验方法、流量计、倒U型压差计及电容式差压变送器的操作使用方法。
⑵管阻力（光滑管、粗糙管）、局部阻力测定实验，湍流区λ与雷诺数Re的关系。
（3）流量测定
（4）简单管路的计算
简单管路的特点是在稳定流动的情况下，通过各段的质量流量不变，整个管路的阻力损失为各段损失之和。
1.3.3液体输送工作过程
一次盐水生产过程中，需要把化盐用水、粗盐水、中间过程的液
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