河北工业大学化工学院2016版化工原理课程设计

化工原理课程设计河北工业大学化工原理教研室一、《化工原理课程设计》的意义1、意义工程设计是工程建设的灵魂，又是科研成果转化为现实生产力的桥梁，它决定着工业现代化的水平。化工原理课程设计是综合利用本门课程和前修课程（物理化学、化工热力学、化机基础、化工仪表及自动化等）的基本知识，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，即以精馏单元操作为主的一次设计实践，目的是培养学生的综合解决问题的能力，培养学生针对实际生产任务，利用已学的知识分析问题、解决问题的能力所进行的一次模拟训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法；树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真、高度责任感的工作作风。《化工原理课程设计》的意义要求我们站在工程师的角度思考问题，解决实际问题。在确定方案时，要充分考虑其先进性，可行性，经济性，环境友好等等。2、《化工原理课程设计》的特点

工程设计作业生产任务：一个复杂问题，一个问题，多个问题的简单总和答案、结果：综合多个方面少数结果任务来源：多章，多门课多为某一章的问题基础数据：教科书，设计材料，工程手册教科书设计计算：由于条件不足，大多需试差条件确定要求：实际问题，严格要求，责任大正确与否只关系到对书本知识的掌握知识来源：书本知识+文献资料＋实践经验书本知识

1、学习、熟悉查阅资料、收集资料的方法，搜集有关数据，正确选用公式；2、树立正确的设计思想，包括技术路线的可行性、先进性，经济上的合理性，可操作性，环境保护等；3、准确、精练的表达能力：将设计思想、设计过程和设计结果用精练的语言、简洁的文字、清晰的图表达出来；4、熟悉进行实际设计工作的基本步骤：任务—搜集数据资料—方案设计—工艺设计—对结果进行分析、讨论、修正——设计报告

3、对同学的要求：独立完成二课程设计的内容设计任务书目录设计方案的确定（工艺流程、设备选型等）主要设备的设计计算及说明（1）精馏塔的工艺计算（物料衡算、塔板数计算）（2）塔板的工艺计算a.塔径b.塔板布置（溢流装置、塔板布置、筛孔或浮阀的设计及排列）

c.流体力学验算（3）绘制塔板的负荷性能图（4）根据负荷性能图，对设计进行分析，若设计不理想，对某些参数进行调整。（5）设计结果概要或设计一览表（6）附属设备的计算或选型（7）辅助物料及能耗的计算5.对本设计的评述或有关问题的分析讨论6.生产工艺流程图7.精馏塔设备条件图(塔高的计算)8.参考文献目录化工原理课程设计任务书

设计题目及设计条件（一）连续操作甲苯精馏塔（二）连续操作甲醇－水精馏塔（三）连续操作乙醇－水精馏塔

化工原理课程设计任务书

设计题目及设计条件（一）连续操作甲苯精馏塔1、生产能力：年处理甲苯——二甲苯混合液40000吨；

年开工时数8000小时；2、物料组成：原料含甲苯：45%（质量％）其余为二甲苯（物性可按间二甲苯计算）

塔顶产品：含甲苯99.7％；

塔底产品：含二甲苯99.7％；3、设备型式：A.浮阀塔B.筛板塔4、操作条件：塔顶压强：5.0KPa

建厂地区平均大气压力760mmHg

年平均最高气温：33℃年平均最低气温：-10℃

设计题目及设计条件（二）连续操作甲醇－水精馏塔

1、生产能力：年产产品8000吨；

年开工时数8000小时；

2、分离要求：（甲醇质量％）

进料组成：38.2％，其余为水；

精甲醇：≥99.5％；

残液组成：≤0.05％；

3、设备型式：A.浮阀塔B.筛板塔

4、操作条件：塔顶压强：≥0.005MPa

进料状况：自定

回流比：自定

建厂地区大气压强：760mmHg

板压降可按400-700Pa

估算

设计题目及设计条件（三）连续操作乙醇精馏塔

1、生产能力：年产产品酒精8000吨；

年开工时数8000小时；

2、分离要求：（乙醇质量％）

进料组成：40％（v/v)，其余为水；

产品乙醇：≥94％；

乙醇收率不低于99.7%

3、设备型式：A.浮阀塔B.筛板塔

4、操作条件：塔顶压强：0.4米水柱

进料状况：自定

回流比：自定

加热方式:A.直接蒸汽B.间接蒸汽

厂址：天津地区

工业规模塔设备（一）塔设备是化工、炼油、制药等行业生产中最重要的设备之一，是化工类企业的标志性设备，广泛应用于精馏、吸收（解吸）等单元操作中。塔设备的性能对于整个装置和企业的生产能力、成本以及三废和环保等方面都有重大影响。石化厂的精馏塔进料口精馏段原料罐及甲醇产品罐提镏段塔顶蒸气出口再沸器冷凝器◆2012年度国家科技进步二等奖（二）高效分离技术“立体传质塔板CTST”立体传质塔板CTST的结构特点（分块塔板）喷射板分离板底隙端板喷射罩CTST优秀性能：1、效率高；2、通量大：对于扩产项目，保持原塔壳、塔基础不变，仅将原塔板更换为CTST即可达到扩产50-100%的目的；节省设备投资2/3以上；3、压降低、能耗低；4、能处理含固体、易发泡物料。印度阿拉宾度制药有限公司苏丹喀土穆炼油股份有限公司古巴哈瓦那炼油厂日本明治制果株式会社20年来，本项目成果成功应用到我国30个省市自治区以及国外四国的300家化工企业，塔器数量达到3000座，创经济效益超过30亿。成果应用推广情况和经济社会效益(一)工艺流程的确定及说明工艺流程指为完成给定的生产任务所需的工艺技术过程、设备配置、操作控制方案等，工艺流程的确定是实际设计工作的总体设计思想的体现，以后所有的设计都是围绕着工艺流程进行的。三、课程设计项目化工原理课程设计任务书

设计题目及设计条件（一）连续操作甲苯精馏塔1、生产能力：年处理甲苯——二甲苯混合液40000吨；

年开工时数8000小时；2、物料组成：原料含甲苯：45%（质量％）其余为二甲苯（物性可按间二甲苯计算）

塔顶产品：含甲苯99.7％；

塔底产品：含二甲苯99.7％；3、设备型式：A.浮阀塔B.筛板塔4、操作条件：塔顶压强：5.0KPa

建厂地区平均大气压力760mmHg

年平均最高气温：33℃年平均最低气温：-10℃

设计题目及设计条件（二）连续操作甲醇－水精馏塔

1、生产能力：年产产品8000吨；

年开工时数8000小时；

2、分离要求：（甲醇质量％）

进料组成：38.2％，其余为水；

精甲醇：≥99.5％；

残液组成：≤0.05％；

3、设备型式：A.浮阀塔B.筛板塔

4、操作条件：塔顶压强：≥0.005MPa

进料状况：自定

回流比：自定

建厂地区大气压强：760mmHg

板压降可按400-700Pa

估算

设计题目及设计条件（三）连续操作乙醇精馏塔

1、生产能力：年产产品酒精8000吨；

年开工时数8000小时；

2、分离要求：（乙醇质量％）

进料组成：40％（v/v)，其余为水；

产品乙醇：≥94％；

乙醇收率不低于99.7%

3、设备型式：A.浮阀塔B.筛板塔

4、操作条件：塔顶压强：0.4米水柱

进料状况：自定

回流比：自定

加热方式:A.直接蒸汽B.间接蒸汽

厂址：天津地区

工业精馏装置进料口精馏段原料罐及甲醇产品罐提镏段塔顶蒸气出口再沸器冷凝器(一)工艺流程的确定及说明(一)工艺流程的确定及说明包括以下内容：（1）工艺流程图:任务不同，流程图也应不同.所涉及的设备齐全：贮罐、泵、塔、再沸器、冷凝器、换热器:V,P,T,E,T0105设备之间连接管路的尺寸、流向等:DN50,→测量检测仪表、控制阀门、控制方案操作控制方式以确保质量合格、操作稳定（2）工艺流程方案说明,工艺过程描述

主要设计思想描述：确定操作压力、确定塔型式（板式塔及板型、填料塔及选型或其它）、确定加热、冷凝方式（能量集成）、确定加料、进料热状况（预热方式）、回流方式等操作控制方案描述：开车、正常运行、停车操作；工艺流程图示例——丙酮精馏开车正常运行停车工业精馏装置进料口精馏段原料罐及甲醇产品罐提镏段塔顶蒸气出口再沸器冷凝器（二）精馏塔的工艺计算

（物料衡算、塔板数计算）W，xwF，xFD，xDNP＝NT/ET1、物料衡算：根据生产任务确定塔顶、塔底产品的流量、组成进行。对于塔釜为废水的物系，塔釜含轻组分的量应≤0.05%wt2、平衡关系、平衡数据求取：查阅资料，计算，实验测取①甲醇—水、乙醇—水系统为非理想物系可使用x-y图（760mmHg)，从文献中查取。确定操作最小回流比Rmin确定回流比R求精馏塔的气、液相负荷L、V、L’、V’求操作线方程图解法求理论板层数（二）精馏塔的工艺计算（物料衡算、塔板数计算）2、平衡关系、平衡数据求取：②甲苯—二甲苯系统近理想物系，逐板计算

y=x/[1+(-1)x]=(y/x)/((1-y)/(1-x))=PAO/PBO

AntonieEq.PAO=A-B/(T+C),A,B,C为Antonie系数，查物性数据塔顶可按纯甲苯计算、塔釜按纯二甲苯计算塔釜压力PW=PD+NPPNP

为实际板数，试差求算

m=(D+

W)/2（二）精馏塔的工艺计算（物料衡算、塔板数计算）3、理论板数NT

的计算根据恒摩尔流假设，进料状况、回流方式、加热方式根据自己的流程图确定求算过程

q值的计算，根据进料状况（根据自己流程图确定）

最小回流比Rmin

的确定：图解法，解析计算法

操作回流比R=(1.05~2)Rmin，应根据操作费用、设备投资进行优化，或根据生产经验、客观因素的限制确定。操作线方程3、理论板数NT

的计算xD求算方法（1）：逐板计算法。手算，或计算机编程计算便于重复计算求算方法（2）：图解法，需局部放大4、实际板数的计算基本公式：NP=NT/ET

NT的确定：不包括加热釜、釜式再沸器或塔顶分凝器板效率

ET估算：1、根据实际生产情况计算得到2、根据经验估计3、用经验公式估算，采用

O’connellEq.估算:

ET=0.49(L)-0.245

：定性温度t=(tD+tW)/2的相对挥发度L=xiLi,[mPa.sorcP],xi,进料组成

用此式估算的结果一般作为参考，具体确定时应参照工业生产实际数据。一般极性物系：ET=30~45%

接近理想物系：

ET=60~80%

用此方法计算实际板数后，应增加15-20%的安全裕量，作为实际板数Np在确定实际塔板数后，应说明精馏段和提馏段的塔板数和进料板位置。F,xFVLD,xDLW,xWVⅠⅡⅢⅣ5、系统设备再沸器、冷凝器、预热器、

泵的计算与选型1、再沸器、冷凝器、预热器的计算与选型

Q=K.A.tm

需计算热负荷、tm，并根据物料特性和场合估计：

总传热系数K，

换热器面积，

热、冷公用工程用量（加热蒸汽的用量及压力、

冷却介质的用量）2、加料泵与/或回流泵的计算与选型（流体输送机械）根据流程，估计设备的相对位置及管长，初选管径，也可估算阻力降；根据计算选泵。3、接管尺寸的确定：根据物流的流量密度、粘度等，选择安全适宜的流速ui，计算所需的管径di，根据管径计算值，查管材手册确定管的规格。（三）塔板的工艺计算（塔径，塔板布置，流体力学验算）

——塔径的计算1、选取设计计算基准面选取4个截面，

精馏段上下各一：Ⅰ、Ⅱ提馏段上下各一：Ⅲ、Ⅳ计算出各截面的物流、物性数据，列表板压降取0.5-0.7kPa,

Ⅱ、Ⅲ物性按精馏段最下一层塔板、提馏段第一层计算。

F,xFVLD,xDLW,xWVⅠⅡⅢⅣ塔径计算Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ截面的压力按实际塔板数、估算的单板压降0.5-0.7kPa计算；

其温度，按该组成、压力下的泡点对于非理想物系，可按1atm下的T-x-y图读取温度，然后按理想汽体温度校正T1/T2=P1/P2

F,xFVLD,xDLW,xWVⅠⅡⅢⅣ不同截面流量与物性表

2、对四个截面分别进行塔径估算设塔板间距HT，

一般为300-600mm板上液层高度hL,一般为50-80mm

操作气速u=(0.6-0.8)umax

根据Smith关联图，查取数据，得出四个不同截面的塔径估计值；D1、D2、D3、D4F,xFVLD,xDLW,xWV1234Smith关联图

F,xFVLD,xDLW,xWV1234Φ500，Φ600，Φ700，Φ800，Φ1000，Φ1200，Φ1400，Φ1600，Φ1800，Φ2000，Φ2200，Φ2400，Φ2600，Φ2800，Φ3000，Φ3200，设计基准面：

精馏段按预估塔径时较大的截面作为设计基准截面；T12max

提馏段按预估塔径时较大的截面作为设计基准截面；T34max

得到精馏段、提馏段两种塔板工艺尺寸

精馏段、提馏段分别设计塔板工艺尺寸。如接近可合为一。（三）塔板的工艺计算（塔径，塔板布置，流体力学验算）

——塔板的工艺尺寸和布置

（1）溢流装置根据设计基准面对该截面的塔板结构参数进行设计，包括：出口堰长lW、堰高hW,降液管（形式、宽度、底隙）、受液盘。（2）塔盘及其布置1.受液区和降液区，入口安定区和出口安定区，边缘区，有效传质区。2、浮阀或筛孔排列：根据计算，并实际排列。（三）塔板的工艺计算（塔径，塔板布置，流体力学验算）

——塔板的工艺尺寸和布置1、降液管：单溢流弓形降液管Ad/AT=6~12%，停留时间τ>5s2、溢流堰：堰高hw：对于常压和加压塔一般取50～80mm

减压塔15-25mm

堰长lw：与降液管面积相对应，单溢流lw/D=0.6~0.75。堰上液层高度how：平直堰how>6mm

如堰上液层高度小于6mm或接近6mm，应选择齿形堰

齿深10、15、20mm（增减5mm）3、受液盘和底隙：

D<800mm平受液盘D>800mm凹形受液盘盘深>50mm底隙高度ho：等于盘深或（hw-6）mm,同时底隙流速uo’≤0.3m/s

（细节尺寸应以5mm增减）

塔板的工艺尺寸和布置A.溢流装置的设计塔板溢流类型a.U形流；b.单溢流；c.双溢流；d.阶梯式双溢流4、溢流方式确定B.塔板及其布置塔径大于800mm，采用分块塔板设计1、受液区与降液区：等面积设计2、入口安定区与出口安定区：等宽度设计，取50～100mm;3、边缘区：固定塔板时用一般取宽度50～75mm;4、有效传质区：余下区域；对于分块式塔板，分块板之间的连接和固定要占用一部分塔板面积，一般可取25mm。

塔板的工艺尺寸和布置整块浮阀塔板整块筛板浮阀塔板分块塔板原则：宽度≤420mm，人孔装卸分块塔板-筛板立体传质塔板CTST的结构特点Φ4200常压塔C.F1浮阀塔板设计1、阀孔动能因子：Fo=8~122、阀孔气速：3、浮阀数目计算：4、浮阀排列：A4/A3坐标纸绘图（1）正三角形顺排或错排；75、100、125mm

（2）等腰三角形：分块塔板，底边长75、100mm5、实际开孔率：

塔板的工艺尺寸和布置整块塔板浮阀排列图

一般当塔径小于等于φ600时，采用整块塔，塔体分节安装。塔径大于φ600时，采用分块塔，塔体一般不分节，在塔体上开人孔，以便安装和维修。本次设计要求大于φ1000分块。分块浮阀塔板排列图为什么分块？拆装、检修等要求D.筛孔的计算及排列1、筛孔直径do：3～8mm，推荐5mm左右。2、孔中心距t：（2.5～5）do，推荐3～4。3、筛孔数：在坐标纸上排列4、开孔率：

塔板的工艺尺寸和布置1、针对精馏段基准面T12max、提馏段基准面T34max塔板验算：（1）塔板压降（2）液沫夹带（3）降液管液泛（4）降液管内停留时间（5）漏液

（6）稳定性系数（对于筛板塔）F,xFVLD,xDL’W,xWV’1234（三）塔板的工艺计算（塔径，塔板布置，流体力学验算）

——流体力学验算（四）塔板负荷性能图

VhLPF操作点漏液线溢流液泛线雾沫