1化工單元過程及設備課程設計指導教師：董宏光韓志忠課程時間：兩周講課時間：周2、3上午8:00-11:00答疑地點：化學樓化原實驗室辦公室旁教材：化工單元過程及設備課程設計大連理工大學出版社化工原理（下）大連理工大學出版社2設計是工程師的基本工作。設計是一項充滿挑戰和創造性的工作。每一個成熟技術的使用、新技術的采用、甚至一個參數的選定，都是一次創造。一個成功的設計是設計者知識、智慧和創造的結晶。化工生產中面臨各種生產任務設計就是根據生產任務的要求，綜合各方面知識而設計的滿足生產要求的工程技術方案3化學工程項目建設的過程可行性研究工程設計項目施工開車驗收工程設計初步設計詳細設計初步設計方案設計設備設計4單元過程及設備設計的性質及特點實踐性綜合性工程觀念創造性2、基本原則技術先進性和可靠性經濟性安全性可操作性和可控制性清潔生產5本課程設計的任務

對乙烷、乙烯或者丙烷、丙稀混合物進行分離完成精餾塔的工藝設計完成塔釜再沸器的設計管路設計輔助設備設計和選型：冷凝器、換熱器、泵、罐等控制儀表參數的選擇編制設計說明書化工生產中典型的單元設備

反應器換熱器精餾塔蒸發器爐子6精餾過程工藝設計基本步驟（1）確定精餾過程工藝流程方案確定了工藝流程、操作參數

分離過程模擬計算分離序列的選擇操作參數的優化過程能量集成7（2）精餾塔工藝設計填料塔填料類型的選擇塔徑的計算填料高度的計算及分段分布器、收集器等設計流體力學的校核板式塔塔板的類型及液流形式的選擇塔徑、塔高的計算溢流裝置的設計塔盤及其布置流動性能校核

確定塔的類型完成塔內件的設計8（3）輔助設備設計（4）管路設計及泵的選擇（5）控制方案的確定（6）匯總設計結果－設計說明書9設計說明書的要求

設計工作的書面總結、后續工作的主要依據課程設計說明書的要求：原則：表達簡練、準確；書寫工整、認真；格式、裝訂規范（1）封面設計題目名稱，學生姓名、班級，指導教師姓名，時間（2）目錄內容------頁碼10（3）設計任務書（4）概述方案流程簡介，工藝流程，處理能力，產品質量。（5）工藝設計（主體，內容多，劃分小節）

1）系統物料衡算、熱量衡算

2）單元設備設計

精餾塔設計（理論級計算，熱衡算）；再沸器設計（熱源

tm=10-200C)11二、設計說明書的要求3)管路設計及泵的選擇管路：

P，d泵：H，Q，Z（安裝高度）4）輔助設備的選型（計算、估算）

冷凝器：Q、A、型式；冷劑:冷卻水、液氨

料預熱器：Q、A、型式

產品冷卻器：Q、A、型式

容器：回流罐：15-30分鐘；進料、產品罐：3-7天容器的填充系數取0.712二、設計說明書的要求（5）控制方案說明各控制的功能、范圍（量程）。（6）設計結果表

1）設備工藝尺寸表

2）輔助設備結果（泵、換熱設備）

3）控制儀表（控制功能、控制范圍）13二、設計說明書的要求（7）設計評述對設備的設計說明、結論及體會。（8）附錄

a）帶控制點的工藝流程圖

含控制點、主要操作條件、熱負荷、系統物料衡算表、物流號194頁

b）塔工藝條件圖設備主要工藝結構尺寸241頁14（9）參考資料（10）主要符號說明c）塔板布置圖d）再沸器工藝條件圖e）負荷性能圖15板式塔一、板式塔概述重要的氣-液傳質設備汽、液兩相接觸方式：（動畫）

全塔：逆流接觸塔板上：錯流接觸兩相流動的推動力：液體：重力氣體：壓力差（塔壓降）16塔板結構：1、氣體通道形式很多，如篩板、浮閥、泡罩等。對塔板性能影響很大。2、降液管（液體通道）多為弓形3、受液盤：塔板上接受液體的部分174、溢流堰使塔板上維持一定高度的液層，保證兩相充分接觸。18塔板上理想流動情況：液體橫向均勻流過塔板氣體從氣體通道上升，均勻穿過液層氣液接觸方式：鼓泡，泡沫和噴射接觸狀態氣液傳質，達相平衡，分離后，繼續流動傳質的非理想流動情況：

1、反向流動

液沫夾帶、氣泡夾帶即：返混現象

后果：使已分離的兩相又混合，需重新分離，板效率降低，能耗增加。192、不均勻流動

液面落差（水力坡度）：塔壁作用（阻力）：二、板式塔中氣液相異常流動（一）液泛(淹塔)液體充滿塔板之間的空間，致使塔不能進行正常操作。傳質的非理想流動，使

實際塔板效率低于理論塔板引起塔板上氣速不均引起塔板上液速不均，中間>近壁后果：使塔板上氣液接觸不充分，板效率降低。20原因：

1、過量液沫夾帶液泛氣速過高——液泛氣速

（二）嚴重漏液原因：

1、氣速過小漏液點氣速

2、液層厚度不均2、降液管液泛

降液管阻力過大引起

根源：再沸器、冷凝器熱負荷過大或設計不合理特征：塔板阻力劇增213常用塔板類型塔板是氣液兩相接觸傳質的場所，為提高塔板性能，采用各種形式塔板。塔板性能要求：生產能力大，塔板效率高，塔板阻力小，操作彈性大，結構簡單，維修方便，成本低。22常用塔板類型1、泡罩塔板組成：

升氣管和泡罩

優點：

塔板效率高，操作彈性大對物料適應性強，不易堵

缺點：生產能力不大，阻力大結構復雜，成本高。232、篩孔塔板塔板上開圓孔孔徑：3-8mm

大孔徑篩板：12-25mm

優點：

結構簡單，造價低廉243、浮閥塔板

組成：浮閥根據氣體流量，自動調節開度

優點：操作彈性大，阻力小；塔板效率高。

缺點：用久后，操作易失常。254、噴射型塔板氣流方向：垂直→小角度傾斜改善液沫夾帶、液面落差

ⅠⅡⅢ20°α=R2550Ⅰ三面切口舌片;Ⅱ拱形舌片;Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和傾角圖6-55舌形塔板氣液接觸狀態：噴射狀態連續相：氣相，分散相：液相促進兩相傳質形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直篩板等265、多降液管塔板提高允許液體流量276、林德篩板用于減壓塔的低阻力、高效率塔板。

斜臺：抵消液面落差

導向孔：使氣、液流向一致，減小液面落差液流(a)斜臺裝置液流液流(b)導向孔林德篩板287、無溢流塔板

有溢流塔板：有降液管的塔板

無溢流塔板：無降液管的塔板

形式：無溢流柵板和無溢流篩板

特點：生產能力大，塔板阻力小；但操作彈性小，塔板效率低。ac29第一節設計方案確定一.確定精餾流程（1）流程設計需要考慮的基本問題

●分離序列的選擇●熱能的合理應用能量集成思想

●輔助設備罐、換熱器、泵●過程的控制和調節原料量、回流量、液位等（2）操作條件選擇●操作壓力加壓、常壓、減壓●進料狀態飽和液體進料30（3）塔底加熱劑及加熱方式

●常用的加熱劑飽和水蒸氣、熱水

●常用的加熱方式間壁式（4）塔頂冷卻劑的選擇

●常用的冷卻劑冷卻水、液氨等

●冷卻水出口溫度的選擇31如何獲得塔頂、塔底溫度、相對揮發度已知：塔頂、塔底組成、塔頂壓力、回流比為求理論板數需要知道：塔頂、塔底溫度，塔內氣液相負荷，相對揮發度烴類特點：近似認為理想體系，可按恒莫爾流假設處理塔頂：已知總壓、組成，利用Antoine方程計算泡點和相對揮發度見化原教材5頁(p1,x1)→α1t1,y1(p2,y1)→α2,t2,x2→y2第二節精餾過程的模擬計算工程經驗每塊塔板壓降100mm液柱逐板計算，得出理論板數N32第三節板式塔的化工設計計算一、塔的有效高度Z

已知：實際塔板數NP

選取塔板間距HT

有效塔高：塔體高度：有效高+頂部+底部+

其它

安裝高度：裙座33塔板間距和塔徑的經驗關系

選取塔板間距

HT

：(計算塔徑之后還要跌代）考慮經濟性、經驗選取

HT

↓，則塔高↓，液沫夾帶量↑，液泛氣速↓

HT↑，則塔內氣速↑，塔徑可↓，但塔高↑34二、塔徑

原則：防止過量液沫夾帶液泛，先確定液泛氣速

uf

(m/s)

，然后選設計氣速u，計算塔徑D。

1、液泛氣速：

C：氣體負荷因子

C=f(HT,液體表面張力，兩相接觸狀況）兩相流動參數FLV：

式中，Vs、Ls：氣、液相體積流率m3/s

WL、WV：氣、液相質量流率kg/s35橫坐標：兩相流動參數

FLV縱坐標：

對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)可查圖，C20=(HT

、FLV)

C20：σ=20mN/m時的氣體負荷因子化原（下）107頁費克關連圖36選定HT

，計算出FLV

及C，可計算液泛氣速uf2、選取設計氣速

u

選取泛點率：u

/

uf

一般液體，0.6--0.8

易起泡液體，0.5--0.6

設計氣速

u=泛點率×uf所需氣體流通截面積37選取

Ad/AT38選取

Ad/AT原則

單流型弓形降液管：0.06--0.12

多流型：可適當增大

U形流型：可適當減小39塔截面積AT=氣體流通截面積A+降液管面積Ad

即：A=AT-Ad塔截面積計算塔徑需圓整，系列化標準：

0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0m等

選取Ad/AT

，計算塔徑D

40注意：（1）必須用圓整后的D重新計算確定實際的氣體流通截面積、實際氣速及泛點率（2）校核HT與D的范圍41初選板間距C20Cufu=泛點率

×ufuA選取Ad/ATATD校核HT與D的范圍圓整確定實際的氣體流通截面積、實際氣速及泛點率符合不符合42三、溢流裝置設計

1.溢流型式的選擇依據：塔徑流量

2.降液管和底隙

降液管：弓形、圓形由Ad/AT=0.06~0.12確定底隙hb

：30--40mm

3.溢流堰維持塔板上一定液層使液體均勻橫向流過43液流型式選取參考表44堰長lW

：影響液層高度

或：單流型：雙流型:堰高hW：直接影響塔板上液層厚度過小，相際傳質面積過小過大，塔板阻力大常、加壓塔：50--80mm

減壓塔：25mm查書上圖（化原113頁），求lW溢流強度Lh/lW100~130m3/mh45其中，E：液流收縮系數

一般，取E=1要求：堰上方液頭高度hOW

：書上圖（化原114頁）46四、塔板及其分布

受液區和降液區入口安定區和出口安定區邊緣區：有效傳質區：Aa47五、篩孔的尺寸和排列

篩孔：有效傳質區內，常按正三角形排列篩板開孔率ф：單流型弓形降液管塔板：雙流型弓形降液管塔板：48選擇孔徑d0，確定開孔率ф

d0:3--8mm12--25mm(大篩孔)

t:(2.5~5)

d0——取整ф:

0.06--0.14（大、小）板厚：碳鋼（3--4mm）、不銹鋼

篩孔氣速：篩孔數：49六、閥孔的尺寸及排列（p.212）排列：一般為三角形型式：F1、V-4、十字架型、A型、

V-O型---F1型：d0=39mm

t=75、100、125mm

等腰三角形排列（p.215)50常壓、減壓塔：Ф=10%～14%

加壓塔：<10%

n和Ф的初步確定：選取閥孔動能因子F0=8—12

用下式計算u0等參數注意：

分塊式塔板（0.8-0.9m整）

先要選d排閥，最后確定u0、Ф51七、塔板的校核對初步設計的結果進行調整和修正1、液沫夾帶量校核質量夾帶率ev：單位量氣體所夾帶的液體量

kg

液體/kg氣體，或kmol液體/kmol氣體夾帶速率e：單位時間夾帶到上層塔板的液體量，

kg

液體/h液沫夾帶分率ψ：每層板夾帶的液體占進入該板的液體的分率。則：

52篩板塔：方法一，查Fair圖(教材117頁)，可求Ψ

方法二，用Hunt公式：式中Hf為板上泡沫層高度：Hf=2.5(hW+hoW)要求：ev≤

0.1

kg

液體/kg氣體重新選u53浮閥塔：D<0.9m：F1<0.65~0.75

驗證泛點率F1

一般的大塔：F1<0.8~0.82

負壓塔：F1<0.75~0.77Z——液體橫過塔板流動的行程K—物性系數，設計查表5-11，對正常系統K=1CF—泛點負荷因子，查圖（設計217頁）Ab—板上液流面積，Ab=AT-2Ad單流型:Z=D-2bd雙流型:Z=(D-2bd-bd’)/254取以上計算值的大者做判斷超過允許值，應調整塔板間距或塔徑2、塔板阻力的計算和校核塔板阻力：清液柱高度m(液柱)

塔板阻力hf

:

（1）干板阻力h0—氣體通過板上孔的阻力（設無液體時）

（2）液層阻力hl—氣體通過液層阻力（3）克服液體表面張力阻力hσ—孔口處表面張力55（1）干板阻力，m(液柱)

篩板：C0—孔流系數，查圖P118（教材）浮閥：先聯立以下二式求臨界閥孔氣速u0,K

比較：若u0≥u0,K，用上式（全開）若u0≤u0,K，用下式（未全開）求uok56若塔板阻力過大，可增加開孔率

或降低堰高（3）克服液體表面張力阻力：一般可不計，m(液柱)

（2）液層阻力，m(液柱)

浮閥：篩板：查圖求β(充氣系數）（教材118頁）水：0.5油：0.2～0.35碳氫化合物：0.4～0.5573、降液