甲醇-水体系化工原理课程设计.

1、2022-5-251化工原理课程设计化工原理课程设计设计任务设计任务课程设计的目的课程设计的目的课程设计内容课程设计内容一、精馏塔工艺优化设计一、精馏塔工艺优化设计二、精馏塔设备优化设计二、精馏塔设备优化设计三、辅助设备设计三、辅助设备设计2022-5-252课程设计任务设计题目 甲醇-水混合液精馏装置的设计2022-5-253课程设计任务设计原始条件 原料液： 甲醇水双组分混合液 原料液处理量 1-3万吨/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 99.5 % (质量) 蒸汽压力（绝）：5kgf/cm2 每年实际

2、生产时间：8000小时 冷却水温度：30 冷却水温升：52022-5-2542022-5-2552022-5-256课程设计任务设计任务 完成精馏工艺设计，运用最优化方法确定最佳操作参数 选用板式塔进行精馏塔设备工艺设计和有关附属设备设计和选用 编写设计说明书和设计计算书 绘制工艺流程图、塔板结构简图、塔板负荷性能图2022-5-257课程设计的目的总体目标： 培养学生综合运用所学知识，特别是本门课程的有关知识解决化工实际问题的能力，使我们学到进行化工设计的基本步骤和方法，得到一次进行化工设计的初步训练，为今后从事设计工作打下基础。2022-5-258课程设计的目的培养和训练学生的能力 查阅资

3、料，选用公式和数据的能力 从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力 应用计算机的能力 运用简洁文字、图表表达设计思想的能力2022-5-259设计准则经济性先进性可靠性和稳定性可行性2022-5-25101 精馏塔工艺优化设计建立精馏流程精馏塔的工艺计算2022-5-25111.1 精馏流程2022-5-2512 1.1 精馏流程 加料方式 高位槽 加料泵进料料液状态 需考虑降低塔釜热负荷及加热能位，同时要求的热状态比较稳定，一般要在单相状态2022-5-25131.1 精馏流程塔顶冷凝状态 全凝器 分凝器塔釜加热方式 再沸器间接加热方式 (计算辅

4、助设备) 直接加热方式2022-5-25141.1 精馏流程塔顶产品出料状态 甲醇出料后要贮存，所以需冷却(例如40 50 )塔底产品出料状态冷凝器位置 自然回流 强制回流2022-5-25151.2 精馏塔的工艺计算目标 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 CW为冷却水费用2022-5-25161.2 精馏塔的工艺计算物料衡算(确定进料、塔顶、塔釜的量及浓度)经济费用计算(求R=1.5Rmin时精馏塔费用)根据经济衡算确定Ropt

5、2022-5-25171.2.1 物料衡算已知：xD、xW、xF、W求解D、F F=D+W F xF=D xD +W xW要求 单位一致 , kg/h or kmol/h 采用质量、摩尔两种单位都有BottomsQ7Q1FeedDistillate2022-5-25181.2.2 经济费用计算最小回流比Rmin计算求理论塔板数N求总板效率ET及实际板数NT塔径估算费用计算2022-5-25191.2.2.1 最小回流比Rmin计算相平衡数据 1)可以查相关参考书 2)对于理想体系可采用相对挥发度釜顶 全塔：2022-5-25201.2.2.1 最小回流比Rmin计算进料热状况参数q 设进料处压

6、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LVFViiiiq2022-5-25211.2.2.1 最小回流比Rmin计算根据平衡关系和q求得RminxEquilibriumcurve45 linexDxFq lineafye2022-5-25221.2.2.2 求理论塔板数N设R=1.5Rmin求算理论塔板数N 平衡线方程 精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 q线Equilibrium curvexFxwyxD1234x2022-5-25231.2.2.2 求理论塔板数N逐板计算法 通过Excel计算可以省很多

7、计算时间 注意： 理论板上精确到小数点后一位 进料前后方程的过渡 2022-5-25241.2.2.3 求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. 0fET2022-5-25251.2.2.3 求ET及实际板数NT实际板数NT NT=N/ET 求出全塔总实际板数 进料口位置2022-5-25261.2.2.4 塔径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

8、要圆整uVDs785. 0Fuu)8 . 06 . 0(2022-5-25271.2.2.4 塔径估算 注：1、根据参考书石油化工基础数据手册查得并计算2、具体计算过程可参考设计资料P133或化原第十章GGLFCu2 . 02020CC2022-5-25281.2.2.5 费用计算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：CS=200元/吨W蒸汽 CW为冷却水费用： CW = 0.3元/吨W冷却水2022-5-2529（一）塔体费用计算 CD =13290D1.2N

9、注：D、N都与回流比R有关， 因此CD 是R的函数 CD=f(R)2022-5-2530（二）换热器计算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2022-5-2531（二）换热器计算换热量Q，kJ/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，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)2022-5-25321.2.3 根据经济衡算确定Ropt

10、精馏塔系统的年总费： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通过改变R，求得不同R下的费用(包括设备费用、操作费用和总费用)并画图，得到费用最小的Ropt2022-5-2533课程设计说明书要求设计说明工艺计算2022-5-25341 1、化工原理课程设计资料化工原理课程设计资料（一）板式塔（一）板式塔 浙江工业大学化工原理教研室编浙江工业大学化工原理教研室编 2 2、化学工程手册化学工程手册 第一篇第一篇 化工基础数据化工基础数据化学工业出版社（化学工业出版社（19801980）3 3、化学工程手册化学工程手册 第十三篇第十三篇 气液传质设备气液传质设备化学工业出版社（化学工

11、业出版社（19791979）4 4、石油化工基础数据手册石油化工基础数据手册卢焕章等编著，化学工业出版社卢焕章等编著，化学工业出版社5 5、化工基本过程与设备化工基本过程与设备 设计教科书设计教科书苏苏N N迫特尼奥尔斯科戈迫特尼奥尔斯科戈6 6、“Vapor-Liquid Equilibrium Data CollectionVapor-Liquid Equilibrium Data Collection” Vol Vol 1 17 7、化工过程工程工业实践化工过程工程工业实践S SW BodmanW Bodman著，曲德林等译著，曲德林等译 清华大学出版社（清华大学出版社（19851985

12、）8 8、塔的工艺计算塔的工艺计算 石油工业出版社（石油工业出版社（19771977）9 9、化工过程及设备设计化工过程及设备设计华南工学院化工原理教研室（华南工学院化工原理教研室（19871987）1010、化工过程及设备设计化工过程及设备设计 数据及图集数据及图集浙江化工学院浙江化工学院1111、泵类产品样品泵类产品样品第一册、第二册第一册、第二册 机械工业出版社机械工业出版社1212、化学化工物性数据手册（有机卷）、化学化工物性数据手册（有机卷） 青岛化工学院等编青岛化工学院等编 化学工业出版社（化学工业出版社（20012001）参考文献2022-5-2535课程设计地点化工09(1)，

13、A314(6.19晚除外)化工09(3)，A314(6.19晚除外)化工09(4 ), A114(6.20-6.22晚除外)化工09(5 ), A5312022-5-2536课程设计时间安排布置任务 0.5天工艺计算 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2022-5-2537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。2022-5-2538请认真做课程设计！请认真做课程设计！ 谢谢谢谢 ！2022-5-25392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

14、能图2022-5-25402 精馏塔设备优化设计DistillateCondenserReflux, LFeedBottomsReboilerRectifying sectionStripping sectionD, xDF, zFB, xB2022-5-25412.1 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 Column2022-5-25422.1 选择塔型和板型板型 泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 穿流塔

15、板2022-5-25432.2 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2022-5-25442.3 塔板流体力学计算塔板结构参数 HThwhowHdh0h1hw AfAaWdWsWsWclw2022-5-25452.3 塔板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2022-5-25462.3 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2022-5-25472.3.1 塔径计算基本数据：气液组成、体积流量

16、、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2022-5-2548(二）预算塔径求 值和预设的HT得C20 Fuu)8 . 06 . 0(2 . 02020CCGGLFCu5 . 0GLGLVV2022-5-2549(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. 02022-5-2550(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)2022-5-2551(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

17、(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sLAHSfT52022-5-25522.3.2 降液管结构型式选取单溢流双溢流多降液管2022-5-25532.3.3 堰及降液管设计堰的确定堰上清液层高度how的计算板上液面落差板上清液层高度hL的计算ho设计2022-5-25542.3.3.1 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=0.60.82022-5-25552.3.3.2 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 . 2wlLDlw2022-5-25562.

18、3.3.3 板上液面落差本课程设计液量较小， 02022-5-25572.3.3.4 板上清液层高度hL的计算先设一hLhw= hL how圆整hwhL= hw how2022-5-25582.3.3.5 ho设计降液管底部距下一层塔板的间距hohohw （0.010.02）m2022-5-25592.3.4 孔布置筛孔选择取d0=38mm，t/ d0 =2.55边缘区确定WS=50100mmWC=5060mm孔数n2022-5-25602.3.5 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. 0aLGcAACwh2022-5-256

19、12.3.6 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 2022-5-25622.3.7 塔板压降hphp=hc+hl2.3.8 雾沫夹带2 . 30057. 0fTGvhHwe要求ev0.12022-5-25632.3.9 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. 0owsdhlLh2022-5-25642.4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1.52022-5-256

20、53. 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。2022-5-2566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。2022-5-2567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