化工原理课程设计指导书

《化工原理》课程设计指导书适用专业:生物、食品与制药工程课程代码:106012369总学时:2周总学分:2学分编写单位:生物工程学院编写人:包清彬审核人:审批人:批准时间:年月日化工原理课程设计指导书1一、课程设计的目的现代工业要求相关工程技术人员不仅应是一名工艺师，还应当具备按工艺要求进行生产设备和生产线的选型配套及工程设计能力。化工原理课程设计是对学生进行初步的工程设计能力的培养和训练，《化工原理课程设计》是化工原理课程的一个实践性、总结性和综合性的教学环节，其可达到：1．进一步巩固《化工原理》所学的有关内容，在设计过程中加深对所学知识的理解和运用。2．初步掌握化学工程典型单元操作的设计思想和设计方法及设计步骤。培养学生独立解决问题的能力，为以后的学习及毕业设计打下基础。3．进一步锻炼学生的计算能力、设计能力，熟悉和正确使用手册、国标等技术资料，培养一丝不苟的科学态度。4、树立实际工作中的“理论联系实际”的科学工作方法，培养学生科学性、经济性综合考虑工程实际问题的思想方法，增强工程观念和时间能力。二、课程设计组织形式课程设计采用集中安排，集中讲解，分组定点完成，指导教师每天定点指导，适当集中及个别答疑的组织形式。三、设计题目设计题目：乙醇—水精馏塔（装置）工艺设计。在此基础之上，又以不同学生完成不同生产能力进行设计，具体见课程设计任务书。四、课程设计步骤1、查阅文献资料，搜集资料、阅读教材，了解精馏的相关知识，熟悉精馏的原理、流程、工艺设计计算内容；了解乙醇的生产工艺、乙醇—水系统的相关理化参数，收集原始数据等；2、拟定设计方案，选择精馏工艺流程；3、根据设计任务书给定的产量和回流比要求，用精馏的相关理论知识，进行精馏操作的工艺计算：用图解法确定回流比和理论塔板数；用物料衡算确定各环节的物料量；4、根据工艺流程及物料衡算结果，进行能量衡算，确定生产所需加热蒸汽消耗量、冷却水的消耗量；根据传热理论进行塔底再沸器、塔顶冷凝器、产品冷却器换热面积设计计算；5、在物料衡算、热量衡算结论基础上进行塔和塔板主要工艺尺寸的设计，进而进行塔板的负荷性能计算；6、以物料衡算结果为依据，结合流体流动相关知识，进行管路、储罐尺寸计算；7、以工艺流程为基础，结合物料衡算、热量衡算结论及结构设计结论，绘制精馏生产工艺流程图（带控制点）及精馏塔的结构简图；8、编写设计说明书：作为整个设计工作的书面总结，说明书应简练、整洁、文字准确。内容应包括：封面、目录、摘要、设计任务书、设计条件及主要物性参数表、酒精精馏过程的生产方法及特点简述，精馏总体结构(塔型、主要结构)的选择简述，精馏过程有关计算(物化工原理课程设计指导书2料衡算、热量衡算、理论塔板数、回流比、塔高、塔径、进出管径、塔板的负荷性能图等)，设计结果一览表，附属设备的选择，要求的工程设计图；参考文献，总结及感想等。五、课程设计要点1、在用图解法进行理论塔板数的求取时应注意：由于在高浓度段气液组成较接近，使平衡线与对角线的距离很近，此时，应采取局部放大的方法来作图，使图解结果更加准确；2、各物料的相关温度可根据不同浓度的乙醇溶液的汽液平衡（沸点）温度求取；3、进料热状态的确定，应根据预热热源（塔底产品）情况，用热量衡算进行确定；4、塔顶冷凝器的热量，可只考虑冷凝热，在此基础上加5%的余量进行工程概算，使计算简单；5、为了强化再沸器的传热，可采取增大再沸器中液体的循环流量的办法，按经验可取原料量的1.5~3倍。且再沸器的传热面积是决定塔操作弹性的主要因素之一，故估算其传热面积时安全系数要选大一些，以防塔底蒸发量不足影响操作。6、带控制点的工艺流程图：将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来，绘出流程所需全部设备，标出物流方向及主要控制点的控制参数值。7、某些物性参数当难以准确查取时，可用接近的参数代替进行工程概算。六、课程设计进度安排1、查阅文献，熟悉项目情况；2天2、进行工艺计算及相关设计计算4天3、精馏生产工艺流程图及精馏塔的结构简图绘制2天4、设计说明书的编写1天5、提交设计及答辩1天七、完成后应上交的材料1、设计说明书1份2、图解法求理论塔板数的求解过程图（要求用坐标纸绘制）1张3、工艺设备流程图（带控制点工艺流程图）1张（2号图）4、精馏塔的结构简图1张（2号图）八、成绩评定标准学习态度20分，技术水平与实际能力30分，论文(计算书、图纸)撰写质量50分，详见以下课程设计成绩评定表。评定时可从设计过程情况，提交的设计资料，答辩情况等进行综合评定。化工原理课程设计指导书3课程设计成绩评定表项目分值优秀(100≥x≥90)良好(90x≥80)中等(80x≥70)及格(70x≥60)不及格(x60)评分学习态度20学习态度认真，工作作风严谨，严格遵守教学纪律，保证设计按进度要求进行，能圆满完成设计任务。学习态度好，工作作风认真，遵守教学纪律，能按期圆满完成设计任务。学习态度尚好，遵守教学纪律较好，能按设计作息时间作业，能较好地按期完成各项工作。学习态度尚可，能遵守教学纪律，能按期完成任务，完成的质量一般。学习态度马虎，纪律涣散，工作作风不严谨，不能按设计作息时间作业，不能按期完成任务或完成质量差技术水平与实际能力30技术路线正确，论证合理充分，能把文献报道的新技术应用于设计中，引用数据准确，计算正确。技术路线正确，论证较合理、较充分，能把文献报道的新技术应用于设计中，引用数据准确，计算正确。技术路线正确，论证较合理、较充分，能把文献报道的新技术应用于设计中，引用数据较准确，计算基本正确。技术路线基本正确，论证较合理、较充分，引用数据较准确，计算基本正确。技术路线不正确，论证不合理、不充分，引用数据不准确，计算不正确。论文(计算书、图纸)撰写质量50设计说明书写作结构严谨、合理，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，书写工整或用计算机打印成文。图纸规范。设计说明书写作结构合理，逻辑性较强，层次分明，语言准确，文字流畅，书写工整或用计算机打印成文。图纸规范。设计说明书写作结构较合理，层次较分明，文理较通顺，书写较工整或计算机打印成文。图纸较规范。设计说明书写作结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，书写较工整，图纸基本规范。设计说明书写作内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求。图纸不规范。八、推荐参考资料1、夏清、陈国贵主编，化工原理，天津：天津科学技术出版社，2005年。2、华南理工大学，化工过程及设备设计，广州：华南理工大学出版社，1986年。3、匡国柱主编，化工单元过程及设备课程设计，北京：化学工业出版社，2002年4、章克昌，吴佩琮，酒精工业手册，北京：轻工业出版社，1995年。5、化工设备结构图册编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版社，1978年。化工原理课程设计指导书4九、主要技术的案例分析精馏的基本原理和流程精馏的基本原理:精馏是基于混合液中两组分的挥发度不同，在精馏塔中同时并多次进行部分气化部分冷凝的操作，致使混合液可分离成为近于纯组分，而塔顶回流和塔底再沸器产生上升蒸气是精馏得以连续稳定操作的两个必要条件。如图，为精馏的基本流程图。应设计的主要设备有：精馏塔，再沸器中、预热器、冷凝器和冷却器等。辅助设备有：管路、液体储存罐具体设计见附件资料：附件资料1：板式塔的设计板式塔的类型很多，但其设计原则基本相同。一般来说，板式塔的设计步骤大致如下：①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；②根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型；③确定塔径、塔高等工艺尺寸；④进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置、升气道（泡罩、筛孔或浮阀等）的设计及排列；⑤进行流体力学验算；⑥绘制塔板的负荷性能图；⑦根据负荷性能图，对设计进行分析，若设计不够理想，可对某些参数进行调整，重复上述设计过程，一直到满意为止。一、设计方案的确定（一）装置流程的确定化工原理课程设计指导书5蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器，蒸馏釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。蒸馏是通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定装置流程时应考虑余热的利用。譬如，用原料作为塔顶产品（或釜液产品）冷却器的冷却介质，即可将原料预热，又可节约冷却介质。另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波动的影响。塔顶冷凝装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。工业上以采用全凝器为主，以便于准确地控制回流比。塔顶分凝器对上升蒸气有一定的增浓作用，若后继装置使用气态物料，则宜用分凝器。总之，确定流程时要较全面、合理地兼顾设备、操作费用、操作控制及安全诸因素。（二）操作压力的选择蒸馏过程按操作压力不同，分为常压蒸馏、减压蒸馏和加压蒸馏。一般，除热敏性物系外，凡通过常压蒸馏能够实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系，都应采用常压蒸馏；对热敏性物系或者混合物泡点过高的物系，则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的物系，需提高塔压或者采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的物系必须采用加压蒸馏。例如苯乙烯常压沸点为145.2℃，而将其加热到102℃以上就会发生聚合，故苯乙烯应采用减压蒸馏；脱丙烷塔操作压力提高到1765kPa时，冷凝温度约为50℃，便可用江河水或者循环水进行冷却，则运转费用减少；石油气常压呈气态，必须采用加压蒸馏。（三）进料热状况的选择蒸馏操作有五种进料热状况，进料热状况不同，影响塔内各层塔板的气、液相负荷。工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体（泡点）进料，通常用釜残液预热原料。若工艺要求减少塔釜的加热量，以避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。（四）加热方式的选择蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热，例如蒸馏釜残液中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇与水混合液）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需要在提馏段增加塔板以达到生产要求。（五）回流比的选择回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择的原则是使设备费和操作费用之和最低。设计时，应根据实际需要选定回流比，也可参考同类生产的经验值选定。必要时可选用若干个R值，利用吉利兰图（简捷法）求出对应理论板数N，作出N—R曲线，从中找出适宜操作回流比R，也可作出R对精馏操作费用的关系线，从中确定适宜回流比R。二、塔板的类型与选择塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业应用以错流式塔板化工原理课程设计指导书6为主，常用的错流式塔板主要有下列几种。（一）泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要元件为升气管及泡罩。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分为80㎜、100㎜、150㎜三种，可根据塔径的大小选择。通常塔径小于1000㎜，选用80㎜的泡罩；塔径大于2000㎜，选用150㎜的泡罩。泡罩塔板的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠。其缺点是结构复杂，造价高；板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。近年来，泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在设计中除特殊需要（如分离粘度大，易结焦等物系）外一般不宜选用。（二）筛孔塔板筛孔塔板简称筛板，结构特点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板（孔径为3～8㎜）和大孔径筛板（孔径为10～25㎜）两类。工业应用中以小孔径筛板为主，