1、化工原理課程設計化工原理課程設計指導教師：指導教師：劉學軍劉學軍0571-88320598 西配樓西配樓207張智亮張智亮西配樓西配樓203總體目標：1 化工設計的基本步驟、方法，初步訓練2 綜合運用知識，解決化工實際問題1 技術可行性、經濟合理性方面樹立設計思想2 查閱資料、選用公式、數據3 分析和解決工程實際問題4 應用計算機輔助設計5 運用簡潔文字、圖表表達設計思想基本方法：設計準則1 技術上可行、可靠、穩定2 先進性3 經濟性設計題目1-2萬噸萬噸/年甲醇年甲醇-水分離系統設計水分離系統設計2022-4-295設計原始條件原料液： 甲

2、醇水雙組分混合液原料液處理量 1-2萬噸/年原料液初溫 30 原料液含甲醇 20-90 % (質量)餾出液含甲醇 99.0-99.8 % (質量)甲醇回收率 99.9 % (質量)蒸汽壓力（絕）：5kgf/cm2每年實際生產時間：8000小時冷卻水溫度：30冷卻水溫升：5產品冷卻后溫度：40設計任務：1 精餾工藝工藝設計，最優化操作參數2 板式精餾塔、附屬設備設備設計3 編寫設計說明書和設計計算書（文字）（文字）4 繪制工藝流程圖圖 塔板結構簡圖 塔板負荷性能圖一一 概述概述 1 設計原始條件設計原始條件 （1）初始條件）初始條件 （2）設計條件）設計條件 2 板式塔選擇板式塔選擇 （1） 擇

3、篩板塔的特點擇篩板塔的特點 （2） 選擇依據選擇依據 3 工藝流程的選定工藝流程的選定 進料方式、連續生產、泡點單相進料、塔頂全凝進料方式、連續生產、泡點單相進料、塔頂全凝 蒸汽間接加熱、產品冷卻、強制回流蒸汽間接加熱、產品冷卻、強制回流設計說明書二二 精餾塔物料衡算精餾塔物料衡算 2.1 物料衡算已知：F、xF、 xD、求解：D、W、xW 解： F=D+W F xF=D xD +W xW要求（1）單位統一（2） kmol/h 、 kg/hD、W、xW 查平衡數據，繪制相平衡曲線2.2 最小回流比Rmin計算（圖解法 ）xEquilibrium curvexDxFafye 完成分離要求，理論塔

4、板數無窮多時的回流比q線：進料中飽和液體所占的摩爾分數 設進料處壓力P進=(P頂+P釜)/2 據Antonine方程求出進料處的泡點溫度T泡點 設計進料溫度TF 根據甲醇、水的物性數據求算q值LVFViiiiq釜頂全塔相對揮發度泡點進料：泡點進料：q=1 2022-4-2914求RminxEquilibriumcurve45 linexDxFq lineafyeeeeDxyyxR min三三 經濟費用估算經濟費用估算3.1 選擇回流比=nRmin 3.2 求理論塔板數N3.3 求總板效率ET及實際板數NT3.4 塔徑D、塔高H估算3.5 總費用計算3.6 確定最佳回流比Roptm in1 .5

5、1 .50 .9 3 91 .4 1RR 2022-4-2916 平衡線方程 精餾段操作線方程 提餾段操作線方程 q線Equilibrium curvexFxwyxD1234x3.2 求理論塔板數ND11xRyxRRWWxLyxLWLW采用逐板計算法，運用擬合的相平衡方程和精餾段、提鎦段操作線方程，交替計算。精確到小數點后一位3.3 求總板效率ET及實際板數NT總板效率ET OConnell公式注： 相對揮發度為全塔平均溫度下的相對揮發度 粘度為進料溫度下進料組成的摩爾平均粘度 f為系數，根據塔板種類而定 如篩板為1.1、泡罩為1、浮閥為1.2245. 0)(49. 0fET2022-4-29

6、18實際板數NT NT=N/ET 求出全塔總實際板數 進料口位置3.4 塔徑D估算以塔頂第一塊板計算對象基本數據：氣液組成、體積流量、密度 液體表面張力計算過程： 注：塔徑D要圓整uVDs785. 0Fuu)8 . 06 . 0( 注：1、根據參考書石油化工基礎數據手冊P90查得并計算2、具體計算過程可參考設計資料P133或化原第十章GGLFCu2 . 02020CC3.5 總費用計算總費用計算要求精餾塔系統的年總費用最小 精餾塔系統的年總費： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW) CD為塔體費用： CD =13290D1.2N CF為換熱器費用： CF =2000A CS為蒸汽費用：

7、CS=200元/噸W蒸汽 CW為冷卻水費用： CW = 0.6元/噸W冷卻水預熱器再沸器塔頂冷凝器塔頂產品冷卻器注意：1、分別計算換熱面積2、蒸汽用量或冷卻水用量換熱量Q，kcal/h (考慮熱損失Q為1.05倍計算值)換熱器管程、殼程物流的溫度T1、T2、t1、t2的計算或設計計算平均推動力tm設總傳熱系數K（查表），求得換熱器面積A求得蒸汽用量W蒸汽或冷卻水用量W冷卻水注：A、 W蒸汽、W冷卻水都與回流比R有關，是回流比R的函數 CF=f(R)； CS=f(R)； CW=f(R)精餾塔系統的年總費： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通過變換R，求得不同R下的費用并畫圖

8、，得到費用最小的Ropt3.6 確定最佳回流比Ropt設計要求：設計要求： （1）設計說明，給出必要文字說明 （2）設計計算： 詳細計算公式、公式說明 參數代入計算過程注意：計算第一個回流比下的總費用，需詳細計算過程改變回流比下的計算過程，不用寫到設計書里，但要給出結果匯總圖表參考文獻化學工程手冊 13分冊氣液傳質設備 化學工程出版社化工過程及設備數據與圖集 浙江化工學院化工過程及設備設計 華南理工大學出版社化工原理 何潮洪 馮霄主編，科學出版社石油化工基礎數據手冊 盧煥章，化學工程出版社化學工程手冊 1分冊化工數據 化學工程出版社2022-4-2928課程設計時間安排布置任務 0.5天工藝計

9、算 3天設備計算 3天輔助設備計算 2天畫圖和編寫任務書 1.5天2022-4-2929課程設計紀律一般情況都要在指定教室做設計，便于老師指導。有時要向指導教師或課代表請假。指導教師將經常點名以督促學生按時完成設計任務。2022-4-2930請認真做課程設計！請認真做課程設計！ 謝謝謝謝 ！2022-4-2931精餾塔設備優化設計選擇塔型和板型塔板結構設計塔板流體力學計算塔板負荷性能圖2022-4-2932DistillateCondenserReflux, LFeedBottomsReboilerRectifying sectionStripping sectionD, xDF, zFB,

10、xB2022-4-29332.1 選擇塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）Liquid in Vapor in Vapor outLiquid out12N1NTrayed TowerLiquid in Vapor in Vapor outLiquid outPacked Column2022-4-29342.1 選擇塔型和板型板型 泡罩塔 篩板塔 浮閥塔 穿流塔板2022-4-29352.2 塔板結構設計流動型式單流型雙流型多流型回流型其它流型2022-4-29362.3 塔板流體力學計算塔板結構參數 HThwhowHdh0h1hw AfAaWdWsWsWclw2022-4-29372.3 塔板

11、流體力學計算塔板結構參數how堰上液層高度hw堰高HT板間距ho底縫Wc邊緣區 Ws安定區lw堰長 Wd堰寬AT全塔面積Af降液管面積Aa開孔區面積2022-4-29382.3 塔板流體力學計算塔徑計算降液管結構型式選取堰及降液管設計孔布置干板壓降塔板穩定性塔板壓降液泛情況霧沫夾帶負荷性能圖2022-4-29392.3.1 塔徑計算基本數據：氣液組成、體積流量、密度， 液體表面張力預估板間距HT(500mm)預算塔徑塔板參數設計水力學性能計算2022-4-2940(二）預算塔徑求 值和預設的HT得C20 Fuu)8 . 06 . 0(2 . 02020CCGGLFCu5 . 0GLGLVV20

12、22-4-2941(二）預算塔徑 注： 1、具體計算過程可參考設計資料P133 2、塔徑D要圓整uVDs785. 02022-4-2942(三）初步設計塔板結構參數降液管道截面積Ad塔凈截面積An塔板工作面積Aa孔總面積A0孔徑d0(48mm)板厚tp堰高hw(預設30mm)2022-4-2943(四) 水力學性能計算修正氣速數值及液泛分率數值計算液沫夾帶分率(要求0.1)降液管內液體停留時間核算 注：對于易起泡物系，要取得大一些sLAHSfT52022-4-29442.3.2 降液管結構型式選取單溢流雙溢流多降液管2022-4-29452.3.3 堰及降液管設計堰的確定堰上清液層高度how的

13、計算板上液面落差板上清液層高度hL的計算ho設計2022-4-29462.3.3.1 堰的確定堰的種類 齒形堰：how6mm 平堰： how6mm弓形堰的長度一般lw/D=0.60.82022-4-29472.3.3.2 堰上液層高度how的計算 E根據 和 來確定，查圖可得3/200284. 0wowlLEh 5 . 2wlLDlw2022-4-29482.3.3.3 板上液面落差本課程設計液量較小， 02022-4-29492.3.3.4 板上清液層高度hL的計算先設一hLhw= hL how圓整hwhL= hw how2022-4-29502.3.3.5 ho設計降液管底部距下一層塔板的

14、間距hohohw （0.010.02）m2022-4-29512.3.4 孔布置篩孔選擇取d0=38mm，t/ d0 =2.55邊緣區確定WS=50100mmWC=5060mm孔數n2022-4-29522.3.5 干板壓降注：W0氣速，與氣量有關C0流量系數，與d0/有關A0篩孔面積Aa開孔區面積202001051. 0aLGcAACwh2022-4-29532.3.6 穩定性漏液狀態下hc(M)=0.0056+0.13hL-h漏液狀態下氣速：穩定系數注：要求K1.5GLMcMhCW)(0)(04 . 4)(00MWWK 2022-4-29542.3.7 塔板壓降hphp=hc+hl2.3.

15、8 霧沫夾帶2 . 30057. 0fTGvhHwe要求ev0.12022-4-29552.3.9 液泛情況降液管內液層高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hwHT，則產生液泛2153. 0owsdhlLh2022-4-29562.4塔板負荷性能圖漏液線液體流量下限線液體流量上限線液泛線霧沫夾帶上限線注：上操作彈性1.5下操作彈性1.52022-4-29573. 輔助設備的設計塔高的設計換熱器的設計及選型泵的設計及選型接管尺寸的設計塔和輔助設備都已確定，重新計算總費用。2022-4-2958塔高的設計前面的計算得到實際板數和實際進料位置，以及板間距HT 。開人孔500600，每10塊塔板開

16、一個人孔，開人孔處板間距HT取0.70.9 m進料板HT0.70.9m第一塊塔板到塔頂的距離 0.51.0 m最后一塊塔板到塔底的距離1.01.5m裙座高度的設計 直接蒸汽加熱 23 m 間接蒸汽加熱 35 m求得全塔高度和進料板位置高度。2022-4-2959換熱器的設計換熱器包括全凝器、再沸器、預熱器和冷凝器。 三個選型：只需計算換熱面積，A=Q/(Ktm)，即可選型。 一個選型要選型和校核，一般選取全凝器。全凝器的選型和校核：計算換熱面積 A=Q/(Ktm)確定管程管內流速，管徑，可計算得到管截面積，管根數，單管程管長，管程數。通過換熱面積 ，管長，管程數進行選型。2022-4-2960

17、校核K：管程冷卻水 對流傳熱系數 殼程蒸汽冷凝 對流傳熱系數 求得K。計算換熱面積 An=Q/(Ktm)富裕度 F=(A0 -An)/ An =15%20%iiisimsddddRddbRK000001114 . 08 . 0PrRe023. 0di4/10320725. 0）（tdgr2022-4-2961泵的設計及選型輸送原料液的泵(兩臺) 流量QF 揚程 he 選型回流泵(兩臺) 流量QF 揚程 he 選型2022-4-2962接管尺寸已知流量 估算流速 求出d 進行圓整 選標準尺寸進料管 （1）高位槽進料 uF=0.5m/s （2）直接進料 uF=0.53m/s回流管 uF=0.53m/s釜液出口管 uF=0.53m/s