课程设计课件

1、化化 工工 原原 理理课程设计课程设计化工原理课程设计要求化工原理课程设计要求 1、课程设计封面、课程设计封面 1张张2、2号图纸号图纸 2张张3、2开坐标纸开坐标纸 1张张4、16开坐标纸开坐标纸 1张张5、课程设计用稿纸、课程设计用稿纸 50页页6、按要求顺序装订、按要求顺序装订化工原理课程设计说明书要求化工原理课程设计说明书要求目录目录前言前言一、设计任务书一、设计任务书二、设计说明二、设计说明 塔型的选择和流程选择方案说明塔型的选择和流程选择方案说明 （包括流（包括流 程示意图）程示意图）三、设计计算三、设计计算 所有设计公式和数据来源要说明所有设计公式和数据来源要说明四、参考资料四、

2、参考资料 设计指导书、化工原理上下册等设计指导书、化工原理上下册等附图附图（塔体总装图、流程图、图解理论板和负荷性能图）（塔体总装图、流程图、图解理论板和负荷性能图） 封封 面面封面纸：封面纸：按要求填写按要求填写封二：封二：设计任务书设计任务书 按按指导书指导书要求填写要求填写题目题目: 日产日产24吨吨 94 %(质量质量%)乙醇生产的板式塔设计乙醇生产的板式塔设计原料液原料液: 乙醇乙醇-水溶液，含乙醇水溶液，含乙醇40%(质量质量%) (属于低黏度、无固体颗粒、无腐蚀性溶液属于低黏度、无固体颗粒、无腐蚀性溶液)产品要求产品要求: 塔顶馏出液含乙醇塔顶馏出液含乙醇94%(质量质量%) 塔

3、底残液塔底残液(以间接蒸汽加热计以间接蒸汽加热计!)含乙醇含乙醇0.3%目目 录录 按实际完成后的课程设计说明书按实际完成后的课程设计说明书编写，保留到二级标题。编写，保留到二级标题。前言前言( (绪论）绪论）正文第一页正文第一页 简洁叙述：简洁叙述： 本次课程的设计目的；本次课程的设计目的； 板式塔精馏装置分离乙醇板式塔精馏装置分离乙醇水物系的必要性。水物系的必要性。一、设计任务及要求一、设计任务及要求原料：原料：乙醇乙醇水溶液，乙醇含量：水溶液，乙醇含量：xx%(质量分数质量分数)；年产量或日产量：年产量或日产量：原料液温度：原料液温度：即进料热状态即进料热状态 设计要求：设计要求：塔顶的

4、乙醇含量不小于塔顶的乙醇含量不小于xx%(质量分数质量分数) 塔底的乙醇含量不大于塔底的乙醇含量不大于xx%(质量分数质量分数) 按按指导书指导书要求计算后填写，含量与每要求计算后填写，含量与每位同学的学号有关！位同学的学号有关！ 二、设计说明二、设计说明2、说明为什么采用图解理论板法求理论板数、说明为什么采用图解理论板法求理论板数？ 物料衡算物料衡算论述本次设计中论述本次设计中 热量衡算热量衡算 等的重要性；等的重要性； 基本假设基本假设1、三、三、生产工艺流程设计生产工艺流程设计 3、塔型的选择、塔型的选择 选择板式塔中的筛板塔选择板式塔中的筛板塔 为什么选板式塔？为什么选板式塔？ 从被分

5、离物系和设备两方面论述；从被分离物系和设备两方面论述； 塔板结构采取什么形式？塔板结构采取什么形式？4、流程的选择、流程的选择流程图：流程图：以流程图的形式表示出由原料到产品的整个以流程图的形式表示出由原料到产品的整个 生产过程中物料被加工成产品的顺序。生产过程中物料被加工成产品的顺序。 （先画草图！）（先画草图！） 设计说明书中应有设计说明书中应有“流程简图流程简图” ” ( (只有管线、单元操作只有管线、单元操作) ) 设计说明书末附设计说明书末附“流程图流程图”（还有阀件、仪表）（还有阀件、仪表）流程图的说明：流程图的说明： 塔的类型塔的类型-筛板塔筛板塔 操作压力操作压力-常压（加压、

6、减压）常压（加压、减压） 进料方式进料方式-泡点进料泡点进料 塔釜加热方式塔釜加热方式-直接蒸汽加热；直接蒸汽加热；热能利用热能利用三、三、生产工艺流程设计生产工艺流程设计 5、加料状况、加料状况 即精馏塔的进料热状态如何确定？即精馏塔的进料热状态如何确定？ 论述饱和液体进料的优点（论述饱和液体进料的优点（3个方面）；个方面）； 饱和液体进料的方式如何保证？饱和液体进料的方式如何保证？6、加热方式、加热方式：即塔底加热采取什么形式？即塔底加热采取什么形式？ 直接蒸汽加热，论述直接蒸汽加热的优点。直接蒸汽加热，论述直接蒸汽加热的优点。三、生产工艺流程设计三、生产工艺流程设计三、生产工艺流程设计三

7、、生产工艺流程设计7、精馏塔的操作压力如何确定？为什么？、精馏塔的操作压力如何确定？为什么？ 塔顶常压操作塔顶常压操作8、塔顶采取什么冷凝方式？为什么？、塔顶采取什么冷凝方式？为什么？ 采用全凝器的冷凝方式，论述全凝器的优点。采用全凝器的冷凝方式，论述全凝器的优点。 9、塔顶产品为什么要充分冷却？、塔顶产品为什么要充分冷却？ 温度温度 ，压力，压力 ，相对挥发度，相对挥发度 ，乙醇易挥发、易燃、，乙醇易挥发、易燃、 易爆，所以要降低温度，冷却到环境温度为宜。易爆，所以要降低温度，冷却到环境温度为宜。 流程图流程图( (举例举例, ,指导书上也有指导书上也有) )以上是定性的设计以上是定性的设计

8、以下是定量的设计以下是定量的设计设计计算设计计算 需指出，设计中设计变量的个数多于方程的个数需指出，设计中设计变量的个数多于方程的个数（其差值称为设计的自由度），故下文中有些设计变（其差值称为设计的自由度），故下文中有些设计变量需要由设计者从经验范围中选定，才能计算出其他量需要由设计者从经验范围中选定，才能计算出其他量。如果根据某一目标函数（如单位产品设备费用和量。如果根据某一目标函数（如单位产品设备费用和运行费用之和）来确定这些运行费用之和）来确定这些“自由自由”的设计变量的取的设计变量的取值，就是值，就是“优化设计优化设计”。“优化设计优化设计”有一套专门的有一套专门的算法。算法。四、设计

9、计算四、设计计算（一）物料衡算（一）物料衡算（二）回流比（二）回流比R（四）塔径的计算（四）塔径的计算D（三）理论板数（三）理论板数N、实际板、实际板 数数Ne、塔板效率、塔板效率E（五）塔高计算（五）塔高计算（一）物料衡算（一）物料衡算 1、原料液组成用原料液组成用xF表示表示 每位同学的进料浓度计算方法如下：每位同学的进料浓度计算方法如下： aF= （30+班号后三位班号后三位0.02+学号后两位学号后两位0.05）% 例如：例如：050311班某同学学号是班某同学学号是05031130，则，则 aF = （30+3110.02+300.05）% = 37.72% aF是质量分率换算成摩尔

10、分率！是质量分率换算成摩尔分率！aF xF 2、塔顶产品组成用、塔顶产品组成用xD表示表示 aD=（93.5+学号后两位学号后两位0.02）% 例如：例如： 050311班某同学学号是班某同学学号是05031130， 则：则：aD= （93.5+300.02）%=94.1% 换算换算！ 3、 塔底残液用塔底残液用xW表示表示 以间接蒸汽加热计以间接蒸汽加热计! 含乙醇含乙醇0.3%（质量分率）（质量分率） （换算成摩尔分率即可，全体统一！与学号无关）（换算成摩尔分率即可，全体统一！与学号无关） aD xD（一）物料衡算（一）物料衡算4、定回流比、定回流比R R=(1.12) Rmin, R=

11、(1.4+学号后两位学号后两位0.01) Rmin 例如：例如：050311班某同学学号是班某同学学号是05031130，则，则 R= (1.2+120.03)Rmin, = 1.56Rmin（一）物料衡算（一）物料衡算5 5、全塔物料衡算：全塔物料衡算： 按间接蒸汽加热： 按直接蒸汽加热：S=V=V=(R+1)D要计算直接蒸汽流量要计算直接蒸汽流量S(kmol/h)，需要知道回流比需要知道回流比R。见下文。见下文 二二、（一）物料衡算（一）物料衡算1、做出、做出x-y相图相图 作对角线作对角线 根据平衡数据作根据平衡数据作x-y曲线曲线2、确定最小回流比、确定最小回流比Rmin 若选泡点进料

12、，则若选泡点进料，则q=1，q线为过（线为过（xF,xF）点的垂线）点的垂线（二）回流比（二）回流比R 确定了回流比确定了回流比R后，要回到物料衡算中后，要回到物料衡算中再再确确定直接蒸汽用量定直接蒸汽用量S等（若选间接蒸汽加热则不必回等（若选间接蒸汽加热则不必回到物料衡算）。到物料衡算）。3、根据、根据Rmin，确定，确定R 理论板的求法：理论板的求法： 捷算法（略）捷算法（略） 逐板计算法（略）逐板计算法（略） 梯级图解法梯级图解法（三）理论板数（三）理论板数N、塔板效率、塔板效率E和实际板数和实际板数Ne1、作出精馏段操作线、提馏段操作线、画梯级、作出精馏段操作线、提馏段操作线、画梯级精

13、馏段操作线：精馏段操作线：定点截距法定点截距法注：注：直接蒸汽加热时，直接蒸汽加热时，梯级作到梯级作到 xW*处，读出处，读出一位小数。一位小数。 N= 梯级数梯级数-1 另外：局部放大另外：局部放大 （包括塔顶塔釜放大）（包括塔顶塔釜放大）2、计算全塔板效率、计算全塔板效率EOconnel关联图关联图教材教材P145图图11-21：2、计算全塔板效率、计算全塔板效率EOconnel关联图关联图 横坐标横坐标 av 的确定方法：的确定方法： ：平均相对挥发度：平均相对挥发度 对非理想溶液可取各板相对对非理想溶液可取各板相对 挥发度挥发度i的几何平均；的几何平均； 步骤：读图，计算，取平均。步骤

14、：读图，计算，取平均。 av：按指导书公式计算！按指导书公式计算！ 平均塔温：塔顶和塔釜温度的平均值平均塔温：塔顶和塔釜温度的平均值 上面的效率关联图和关联式是针对泡罩塔的，上面的效率关联图和关联式是针对泡罩塔的，对筛板塔，要乘以修正系数对筛板塔，要乘以修正系数1.1。3、实际塔板数、实际塔板数Ne 精馏段：精馏段：Ne1=N1/E 提馏段：提馏段：Ne2=N2/E 实际板数实际板数取整！取整！ 塔内流量决定塔径！塔内流量决定塔径！ 具体到板式塔，塔的直径为具体到板式塔，塔的直径为D1、实际气速、实际气速 要使气体在塔内的速度：要使气体在塔内的速度：（四）塔径的计算（四）塔径的计算DuF：液泛

15、气速系数，即最大允许气速：液泛气速系数，即最大允许气速umax 根据实际情况选取系数根据实际情况选取系数液泛气速液泛气速uF的关联式的关联式Fair,1961：C：气体负荷参数：气体负荷参数LGV（ ）：气相密度：气相密度 ：液相密度：液相密度D（四）塔径的计算（四）塔径的计算2、液泛气速、液泛气速 气体负荷参数气体负荷参数C：教材教材P138例例11-3 由液气流动参数由液气流动参数FP和板间距共同决定！和板间距共同决定！ 所以在计算塔径前需先选一个板距所以在计算塔径前需先选一个板距HT (300mm、 400 mm和和450 mm等，见相关资料等，见相关资料)。板间距选定后计算板间距选定后

16、计算FP（FLV） ：（四）塔径的计算（四）塔径的计算FLV的的计算：精馏段以塔顶第一层为准计算：精馏段以塔顶第一层为准 提留段以加料板为准提留段以加料板为准 气体负荷参数气体负荷参数C：教材教材P129图图11-8：（四）塔径的计算（四）塔径的计算 从图中查出的从图中查出的C20只适用于液相表面张力只适用于液相表面张力=20 mN/m=0.02 N/m的情况，如果的情况，如果不等不等20 mN/m，需加以修正。，需加以修正。（四）塔径的计算（四）塔径的计算 气体负荷参数气体负荷参数C： 修正修正C时要用到混合物（液相）表面张力时要用到混合物（液相）表面张力，计算方法：计算方法：方法一、基团贡

17、献法：方法一、基团贡献法： 各物质各物质“等张比容等张比容(parachor)”Pi (分子常数分子常数)由由原子、基团常数加和而得，这些常数可查表。原子、基团常数加和而得，这些常数可查表。混合液平均分子量混合液平均分子量（四）塔径的计算（四）塔径的计算 气体负荷参数气体负荷参数C：3、塔径的计算、塔径的计算算出后圆整，不一定向上圆整！算出后圆整，不一定向上圆整！（四）塔径的计算（四）塔径的计算AD4AAAAdn1塔的总面积：塔的总面积：其中：其中：uVAGn塔是有效截面积塔是有效截面积AAd查表查表4、塔径计算小结、塔径计算小结计算计算GLGLVV气相气相VG，液相液相VL，LG查图查图图图

18、11-820C校正校正计算计算计算计算u计算计算AD4（四）塔径的计算（四）塔径的计算5、校核塔径、校核塔径修正气速值修正气速值修正液泛分率修正液泛分率 （四）塔径的计算（四）塔径的计算 重新计算流速重新计算流速u和液泛分率和液泛分率u/umax，液泛分率，液泛分率不能超过不能超过0.9。 nGAVu 若液泛分率超过若液泛分率超过0.9，则需重新计算塔径，计算，则需重新计算塔径，计算后，再次校核是否合适，直至符合要求为止！后，再次校核是否合适，直至符合要求为止！24DA)1 (AAAAdn校核步骤：当校核步骤：当D=圆整后数值时，圆整后数值时，9 . 0fuu提馏段塔径的计算（选作）提馏段塔径

19、的计算（选作）计算后，若精馏段与提馏段的塔径不一样，计算后，若精馏段与提馏段的塔径不一样，不设计异径塔，用精馏段统一塔径不设计异径塔，用精馏段统一塔径 （四）塔径的计算（四）塔径的计算 计算塔高的公式要根据具体情况选用，如是否计算塔高的公式要根据具体情况选用，如是否设置人孔、手孔等。若物系不含固体杂质、发泡性设置人孔、手孔等。若物系不含固体杂质、发泡性不强，设置人孔或手孔的间距也可以大一些。不强，设置人孔或手孔的间距也可以大一些。 推荐公式为推荐公式为化工手册化工手册介绍：介绍：人孔：手孔mmDmmD900800BFTTDHHSHHSNHH2人孔可兼作手孔人孔可兼作手孔加料板可兼设人孔或手孔加

20、料板可兼设人孔或手孔（五）塔高计算（五）塔高计算（五）塔高计算（五）塔高计算H 塔高（不包括封头、裙座）塔高（不包括封头、裙座）m；N 实际的塔板数；实际的塔板数；S 人孔或手孔的数目，每隔人孔或手孔的数目，每隔68块设一人孔或手孔；块设一人孔或手孔；HT 塔板间距；塔板间距；HT开有人孔或手孔的板间距，手孔开有人孔或手孔的板间距，手孔150 mm， 人孔人孔600 mm ，HT= HT+；HD 塔顶空间（不包括头盖部分）取塔顶空间（不包括头盖部分）取11.2 m；HB 塔底空间（不包括底盖部分）取塔底空间（不包括底盖部分）取1 m左右；左右；HF 进料板处的板间距，一般可以兼设人孔、手孔。进

21、料板处的板间距，一般可以兼设人孔、手孔。BFTTDHHSHHS2NHH2 按要求和进度进行设计计算，按要求和进度进行设计计算，第二次上课之前完成第一次讲课第二次上课之前完成第一次讲课内容。内容。 四、设计计算四、设计计算（六）塔板的结构设计（六）塔板的结构设计（七）流体力学校核（七）流体力学校核（八）适宜的汽、液流量范围：负荷性能（八）适宜的汽、液流量范围：负荷性能图图（九）热量衡算、附属设备设计等（九）热量衡算、附属设备设计等（一）物料衡算（一）物料衡算（二）（二）回流比回流比R、（三）理论板数（三）理论板数N、 塔板效率塔板效率E和和 实际板数实际板数Ne（四）塔径的计算（四）塔径的计算D

22、（五）塔高计算（五）塔高计算（六）塔板、降液管的结构设计（六）塔板、降液管的结构设计思路思路名称符号经验范围名称符号经验范围（六）塔板、降液管的结构设计（六）塔板、降液管的结构设计（六）塔板、降液管的结构设计（六）塔板、降液管的结构设计（hH）（hW）（hOW）根据经验范围选定根据经验范围选定各个长度尺寸：各个长度尺寸：塔板直径塔板直径D: 同塔径同塔径堰长堰长Lw：选取：选取Lw/D=0.680.76堰上液层高度堰上液层高度hOw：经验式：经验式堰高堰高hw：选取：选取hw=25-75 mm, 常压塔推荐常压塔推荐40-60 mm （需校核）（需校核）降液管底隙降液管底隙hH： 20 mm

23、ho 6 mm，才能保证，才能保证液体的溢流沿堰均匀。液体的溢流沿堰均匀。要求要求how6 mm，才能保证液体的溢流沿堰均匀。，才能保证液体的溢流沿堰均匀。 不合格怎么办？不合格怎么办？1、校核堰上液头、校核堰上液头how（已完成）（已完成）（七）流体力学校核图（七）流体力学校核图（2）校核单板压降）校核单板压降 气体单板压降由气体单板压降由干板压降干板压降和和液层压降液层压降加和。加和。其中，其中，气体气体通过筛孔的压降通过筛孔的压降可可借用借用流体通过孔板流动的流体通过孔板流动的公式：公式：气体气体通过泡沫层的压降：通过泡沫层的压降：修正系数修正系数: 查图查图11-12（省略）（省略）

24、或或0.6。六、流体力学校核六、流体力学校核图图 11-10（2）校核单板压降）校核单板压降六、流体力学校核六、流体力学校核全塔压降：全塔压降： 工业酒精精馏塔釜表压一般为工业酒精精馏塔釜表压一般为0.18-0.2 at（17.719.6kpa）,设计要求为塔釜表压力不高设计要求为塔釜表压力不高于于0.3 at（29.4 kpa） 七、流体力学校核七、流体力学校核（3）校核液沫夹带）校核液沫夹带 板式塔即使在低于液泛气速下操作，气板式塔即使在低于液泛气速下操作，气体中仍带有液沫，液沫夹带会导致板效率下体中仍带有液沫，液沫夹带会导致板效率下降，筛板塔操作上限受其限制。降，筛板塔操作上限受其限制。

25、 下层板的液体被带到上层板与其中的液体混合下层板的液体被带到上层板与其中的液体混合l每摩尔干气所夹带的液沫的摩尔数：每摩尔干气所夹带的液沫的摩尔数：两者的关系：两者的关系：常用的计算模型：常用的计算模型：eG0.1七、流体力学校核七、流体力学校核（3）校核液沫夹带）校核液沫夹带液沫夹带量的两种表示方法及要求：液沫夹带量的两种表示方法及要求：l 液沫夹带分数液沫夹带分数：0.15图图 11-12FLV：液泛分率常用的计算模型：常用的计算模型：l每摩尔干气所夹带的液沫的摩尔数：每摩尔干气所夹带的液沫的摩尔数：eG 0.1不符和不符和要求时，应适当加大塔径或加大板间距。要求时，应适当加大塔径或加大板

26、间距。l 液沫夹带分数液沫夹带分数：3s，否则过多的气泡来不及从降液管内，否则过多的气泡来不及从降液管内 的液体中解脱出来，而带入下层塔板。的液体中解脱出来，而带入下层塔板。七、流体力学校核七、流体力学校核 漏液的关联式较多，这里介绍一个简单的漏液的关联式较多，这里介绍一个简单的 计算模型：先计算漏液时的干板压降：计算模型：先计算漏液时的干板压降： 再由干板压降的计算公式（前已用过）：再由干板压降的计算公式（前已用过）：计算出漏液时的气体孔速计算出漏液时的气体孔速uomin校核的要求：校核的要求： u/uomin1.5七、流体力学校核七、流体力学校核(6)校核漏液校核漏液计算结果计算结果（1）主要尺寸）主要尺寸 板型板型 型型 塔径塔径D m 板距板距Ht mm 降液管截面积降液管截面积 Ad m2 降液管底隙降液管底隙 mm 堰长堰长lw mm 堰高堰高hw mm 孔径孔径d0 mm 板厚板厚tp mm 孔总