甲醇-水体系化工原理课程设计-刘学军修改版-2015-07

1、化工原理课程设计化工原理课程设计指导教师：指导教师：刘学军刘学军0571-88320598 西配楼西配楼207张智亮张智亮西配楼西配楼203总体目标：1 化工设计的基本步骤、方法，初步训练2 综合运用知识，解决化工实际问题1 技术可行性、经济合理性方面树立设计思想2 查阅资料、选用公式、数据3 分析和解决工程实际问题4 应用计算机辅助设计5 运用简洁文字、图表表达设计思想基本方法：设计准则1 技术上可行、可靠、稳定2 先进性3 经济性设计题目1-2万吨万吨/年甲醇年甲醇-水分离系统设计水分离系统设计2022-4-295设计原始条件原料液： 甲

2、醇水双组分混合液原料液处理量 1-2万吨/年原料液初温 30 原料液含甲醇 20-90 % (质量)馏出液含甲醇 99.0-99.8 % (质量)甲醇回收率 99.9 % (质量)蒸汽压力（绝）：5kgf/cm2每年实际生产时间：8000小时冷却水温度：30冷却水温升：5产品冷却后温度：40设计任务：1 精馏工艺工艺设计，最优化操作参数2 板式精馏塔、附属设备设备设计3 编写设计说明书和设计计算书（文字）（文字）4 绘制工艺流程图图 塔板结构简图 塔板负荷性能图一一 概述概述 1 设计原始条件设计原始条件 （1）初始条件）初始条件 （2）设计条件）设计条件 2 板式塔选择板式塔选择 （1） 择

3、筛板塔的特点择筛板塔的特点 （2） 选择依据选择依据 3 工艺流程的选定工艺流程的选定 进料方式、连续生产、泡点单相进料、塔顶全凝进料方式、连续生产、泡点单相进料、塔顶全凝 蒸汽间接加热、产品冷却、强制回流蒸汽间接加热、产品冷却、强制回流设计说明书二二 精馏塔物料衡算精馏塔物料衡算 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）单位统一（2） kmol/h 、 kg/hD、W、xW 查平衡数据，绘制相平衡曲线2.2 最小回流比Rmin计算（图解法 ）xEquilibrium curvexDxFafye 完成分离要求，理论塔

4、板数无穷多时的回流比q线：进料中饱和液体所占的摩尔分数 设进料处压力P进=(P顶+P釜)/2 据Antonine方程求出进料处的泡点温度T泡点 设计进料温度TF 根据甲醇、水的物性数据求算q值LVFViiiiq釜顶全塔相对挥发度泡点进料：泡点进料：q=1 2022-4-2914求RminxEquilibriumcurve45 linexDxFq lineafyeeeeDxyyxR min三三 经济费用估算经济费用估算3.1 选择回流比=nRmin 3.2 求理论塔板数N3.3 求总板效率ET及实际板数NT3.4 塔径D、塔高H估算3.5 总费用计算3.6 确定最佳回流比Roptm in1 .5

5、1 .50 .9 3 91 .4 1RR 2022-4-2916 平衡线方程 精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 q线Equilibrium curvexFxwyxD1234x3.2 求理论塔板数ND11xRyxRRWWxLyxLWLW采用逐板计算法，运用拟合的相平衡方程和精馏段、提镏段操作线方程，交替计算。精确到小数点后一位3.3 求总板效率ET及实际板数NT总板效率ET OConnell公式注： 相对挥发度为全塔平均温度下的相对挥发度 粘度为进料温度下进料组成的摩尔平均粘度 f为系数，根据塔板种类而定 如筛板为1.1、泡罩为1、浮阀为1.2245. 0)(49. 0fET2022-4-29

6、18实际板数NT NT=N/ET 求出全塔总实际板数 进料口位置3.4 塔径D估算以塔顶第一块板计算对象基本数据：气液组成、体积流量、密度 液体表面张力计算过程： 注：塔径D要圆整uVDs785. 0Fuu)8 . 06 . 0( 注：1、根据参考书石油化工基础数据手册P90查得并计算2、具体计算过程可参考设计资料P133或化原第十章GGLFCu2 . 02020CC3.5 总费用计算总费用计算要求精馏塔系统的年总费用最小 精馏塔系统的年总费： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW) CD为塔体费用： CD =13290D1.2N CF为换热器费用： CF =2000A CS为蒸汽费用：

7、CS=200元/吨W蒸汽 CW为冷却水费用： CW = 0.6元/吨W冷却水预热器再沸器塔顶冷凝器塔顶产品冷却器注意：1、分别计算换热面积2、蒸汽用量或冷却水用量换热量Q，kcal/h (考虑热损失Q为1.05倍计算值)换热器管程、壳程物流的温度T1、T2、t1、t2的计算或设计计算平均推动力tm设总传热系数K（查表），求得换热器面积A求得蒸汽用量W蒸汽或冷却水用量W冷却水注：A、 W蒸汽、W冷却水都与回流比R有关，是回流比R的函数 CF=f(R)； CS=f(R)； CW=f(R)精馏塔系统的年总费： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通过变换R，求得不同R下的费用并画图

8、，得到费用最小的Ropt3.6 确定最佳回流比Ropt设计要求：设计要求： （1）设计说明，给出必要文字说明 （2）设计计算： 详细计算公式、公式说明 参数代入计算过程注意：计算第一个回流比下的总费用，需详细计算过程改变回流比下的计算过程，不用写到设计书里，但要给出结果汇总图表参考文献化学工程手册 13分册气液传质设备 化学工程出版社化工过程及设备数据与图集 浙江化工学院化工过程及设备设计 华南理工大学出版社化工原理 何潮洪 冯霄主编，科学出版社石油化工基础数据手册 卢焕章，化学工程出版社化学工程手册 1分册化工数据 化学工程出版社2022-4-2928课程设计时间安排布置任务 0.5天工艺计

9、算 3天设备计算 3天辅助设备计算 2天画图和编写任务书 1.5天2022-4-2929课程设计纪律一般情况都要在指定教室做设计，便于老师指导。有时要向指导教师或课代表请假。指导教师将经常点名以督促学生按时完成设计任务。2022-4-2930请认真做课程设计！请认真做课程设计！ 谢谢谢谢 ！2022-4-2931精馏塔设备优化设计选择塔型和板型塔板结构设计塔板流体力学计算塔板负荷性能图2022-4-2932DistillateCondenserReflux, LFeedBottomsReboilerRectifying sectionStripping sectionD, xDF, zFB,

10、xB2022-4-29332.1 选择塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）Liquid in Vapor in Vapor outLiquid out12N1NTrayed TowerLiquid in Vapor in Vapor outLiquid outPacked Column2022-4-29342.1 选择塔型和板型板型 泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 穿流塔板2022-4-29352.2 塔板结构设计流动型式单流型双流型多流型回流型其它流型2022-4-29362.3 塔板流体力学计算塔板结构参数 HThwhowHdh0h1hw AfAaWdWsWsWclw2022-4-29372.3 塔板

11、流体力学计算塔板结构参数how堰上液层高度hw堰高HT板间距ho底缝Wc边缘区 Ws安定区lw堰长 Wd堰宽AT全塔面积Af降液管面积Aa开孔区面积2022-4-29382.3 塔板流体力学计算塔径计算降液管结构型式选取堰及降液管设计孔布置干板压降塔板稳定性塔板压降液泛情况雾沫夹带负荷性能图2022-4-29392.3.1 塔径计算基本数据：气液组成、体积流量、密度， 液体表面张力预估板间距HT(500mm)预算塔径塔板参数设计水力学性能计算2022-4-2940(二）预算塔径求 值和预设的HT得C20 Fuu)8 . 06 . 0(2 . 02020CCGGLFCu5 . 0GLGLVV20

12、22-4-2941(二）预算塔径 注： 1、具体计算过程可参考设计资料P133 2、塔径D要圆整uVDs785. 02022-4-2942(三）初步设计塔板结构参数降液管道截面积Ad塔净截面积An塔板工作面积Aa孔总面积A0孔径d0(48mm)板厚tp堰高hw(预设30mm)2022-4-2943(四) 水力学性能计算修正气速数值及液泛分率数值计算液沫夹带分率(要求0.1)降液管内液体停留时间核算 注：对于易起泡物系，要取得大一些sLAHSfT52022-4-29442.3.2 降液管结构型式选取单溢流双溢流多降液管2022-4-29452.3.3 堰及降液管设计堰的确定堰上清液层高度how的

13、计算板上液面落差板上清液层高度hL的计算ho设计2022-4-29462.3.3.1 堰的确定堰的种类 齿形堰：how6mm 平堰： how6mm弓形堰的长度一般lw/D=0.60.82022-4-29472.3.3.2 堰上液层高度how的计算 E根据 和 来确定，查图可得3/200284. 0wowlLEh 5 . 2wlLDlw2022-4-29482.3.3.3 板上液面落差本课程设计液量较小， 02022-4-29492.3.3.4 板上清液层高度hL的计算先设一hLhw= hL how圆整hwhL= hw how2022-4-29502.3.3.5 ho设计降液管底部距下一层塔板的

14、间距hohohw （0.010.02）m2022-4-29512.3.4 孔布置筛孔选择取d0=38mm，t/ d0 =2.55边缘区确定WS=50100mmWC=5060mm孔数n2022-4-29522.3.5 干板压降注：W0气速，与气量有关C0流量系数，与d0/有关A0筛孔面积Aa开孔区面积202001051. 0aLGcAACwh2022-4-29532.3.6 稳定性漏液状态下hc(M)=0.0056+0.13hL-h漏液状态下气速：稳定系数注：要求K1.5GLMcMhCW)(0)(04 . 4)(00MWWK 2022-4-29542.3.7 塔板压降hphp=hc+hl2.3.

15、8 雾沫夹带2 . 30057. 0fTGvhHwe要求ev0.12022-4-29552.3.9 液泛情况降液管内液层高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hwHT，则产生液泛2153. 0owsdhlLh2022-4-29562.4塔板负荷性能图漏液线液体流量下限线液体流量上限线液泛线雾沫夹带上限线注：上操作弹性1.5下操作弹性1.52022-4-29573. 辅助设备的设计塔高的设计换热器的设计及选型泵的设计及选型接管尺寸的设计塔和辅助设备都已确定，重新计算总费用。2022-4-2958塔高的设计前面的计算得到实际板数和实际进料位置，以及板间距HT 。开人孔500600，每10块塔板开

16、一个人孔，开人孔处板间距HT取0.70.9 m进料板HT0.70.9m第一块塔板到塔顶的距离 0.51.0 m最后一块塔板到塔底的距离1.01.5m裙座高度的设计 直接蒸汽加热 23 m 间接蒸汽加热 35 m求得全塔高度和进料板位置高度。2022-4-2959换热器的设计换热器包括全凝器、再沸器、预热器和冷凝器。 三个选型：只需计算换热面积，A=Q/(Ktm)，即可选型。 一个选型要选型和校核，一般选取全凝器。全凝器的选型和校核：计算换热面积 A=Q/(Ktm)确定管程管内流速，管径，可计算得到管截面积，管根数，单管程管长，管程数。通过换热面积 ，管长，管程数进行选型。2022-4-2960

17、校核K：管程冷却水 对流传热系数 壳程蒸汽冷凝 对流传热系数 求得K。计算换热面积 An=Q/(Ktm)富裕度 F=(A0 -An)/ An =15%20%iiisimsddddRddbRK000001114 . 08 . 0PrRe023. 0di4/10320725. 0）（tdgr2022-4-2961泵的设计及选型输送原料液的泵(两台) 流量QF 扬程 he 选型回流泵(两台) 流量QF 扬程 he 选型2022-4-2962接管尺寸已知流量 估算流速 求出d 进行圆整 选标准尺寸进料管 （1）高位槽进料 uF=0.5m/s （2）直接进料 uF=0.53m/s回流管 uF=0.53m/s釜液出口管 uF=0.53m/s