化工原理

1化工原理课程设计指导书二元混合物连续精馏装置的设计浙江工业大学化工原理教研室二ＯＯ四年一月2目录一、课程设计的目的二、本设计的基本内容和要求1、关于精馏塔方案的选定2、关于工艺计算3、关于塔板（或填料层）和塔体主要工艺尺寸的设计计算4、关于附属设备的设计5、关于精馏塔的结构设计6、关于设计说明书的编写7、关于考核和答辩三、进行本设计必须注意的几点四、设计纪律五、参考资料3一、课程设计的目的精馏是化工生产过程中的重要单元操作，精馏塔是典型的化工单元设备之一，进行本课程设计的目的是：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，使学生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．通过课程设计，学生应特别注意如下几个“能力”的训练和培养：查阅资料、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；熟练应用计算机（包括编程计算和使用工程设计软件）的能力以及用简洁文字、图表表达设计思想的能力．因此，不论课程设计的成果是否将应用于实际生产，设计都应同时满足实践性和教学性两方面的要求。设计的实践性应体现在以下设计准则中：1、经济性：应符合能量充分合理利用和节能原则，符合经常生产费和设备投资费的综合核算最经济的原则；符合有用物质高回收率、低损耗率原则．2、先进性：应对目前工厂生产过程和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施，并尽量采用国内外最新技术成果。3、可靠性和稳定性：保证运行的安全可靠和操作的稳定易控是现代化生产应优先考虑的原则，不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备。4、可行性：流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机械加工能力，整个设计方案应考虑符合国情和因地制宜的原则。二、本设计的基本内容和要求设计内容包括：选定精馏方案；进行精馏塔的工艺计算；结构和附属设备的选型设计；将设计结果编写成设计说明书。1、关于精馏塔方案的选定选定精馏方案是完成设计的先决条件，因为精溜塔工艺尺寸的确定不仅4与所处理物系的性质、给定的生产能力、组成要求有关，还与操作压力、回流液状态、加热方式以及所选用设备的型式等一系列因素有关，所以在进行精馏塔设计选定精馏方案和拟定精馏装置流程的工作必须首先进行．（1）精馏方案选定涉及的内容大致包括：a．精馏方式的选定：根据生产规模和产品质量要求，可选用简单蒸馏、水蒸汽蒸馏、间歇精馏、连续精馏或特殊精馏等。b．操作压力的选取：根据精馏物系的特点，可以是常压精馏、减压精馏或加压精馏。c.塔型的选择[2]:通过技术经济综合评价，可以选用不同塔型（板式塔、填料塔〕和不同板型（如浮间搭、筛板塔等）或填料塔。d．再沸器、冷凝器、冷却器等换热设备的配置[3]:再沸器配置与所采用的加热方式有关，通常采用间接蒸汽加热，有时也可采用直接蒸汽加热；冷凝器的型式多采用列管式换热器，冷凝器的安装位置从技术和经济上考虑，对于小塔，当传热面积较小时常将冷凝器直接安装在塔顶，而当处理量较大或搭较高时，则常将冷凝器移至地面，然后再用回流泵强制回流入塔。（2）选定方案必须考虑的问题确定精馏方案的原则主要有两条：a、必须考虑工艺要求与平稳操作问题；b、必须考虑经济上的合理性，如在精馏方式的选定中必须考虑生产规模、产品质量、产量的要求以及投资费用等，如用水蒸汽蒸馏或简单蒸馏虽投资省，但所获得的产品质量不高，欲要得到高纯度产品则必须采用连续精馏等方式。在确定操作压力时则必须考虑所处理的液体混合物的性质等因素，如热敏性物料采用真空蒸馏，而对于沸点低常压下呈气态的物料则应在加压下进行蒸馏。在塔型的选择中固然要尽量设法选用性能优良的塔型，但因每种塔型绝5非十全十美，故选型时还必须从产量、质量和能耗等实际需要出发，努力做到兼顾技术上的可行性和经济上的合理性两个方面．在确定进料状态和加料方式时既要考虑便于平稳操作，还要考虑相关工序的实际情况等因素。如精馏塔的加料方式用高位槽就比用加料泵直接加料较易平稳操作。但必须注意，无论进料状态还是加料方式均与前道工序以至整个车间的流程安排有关。在考虑精馏塔附属的换热设备的配置中，必须注意到精馏过程一方面要供给热量，一方面又要用大量的冷却水进行冷却，故从经济观点出发存在着如何合理利用热能的问题，为此可以用定性或定量的方法论述塔底釜液与塔顶蒸汽热能利用的可能性（可以从传热温差的大小以及回收热量的多少进行可行性比较），考虑它们能否用于预热料液或有别的用处。此外，在考虑回收热能的方案时还要以精馏塔可能实现平稳操作为前题。必须注意：a、对任务书中根据规定的操作条件所选用的塔型、板型、填料类型等必须进行简要论证．对流程安排中合理利用热能的可能性必须作简要分析，并绘制精馏装置流程图[4]（直接画在设计说明书上）。b、设计开始通常只能对方案，流程作初步安排，待整个计算完成后再对方案流程进行修正并作较全面的论证讨论。2、关于工艺计算工艺计算的主要内容是：物料衡算确定产品的质量、收率和流率。确定操作条件指塔主要部位的压力和温度。精馏计算根据相平衡数据和分离要求，根据经济核算，确定适宜回流比；计算精馏塔的理论权数；计算板式塔的实际板数（或填料层高度），并确定进料位置。为了提高课程设计的效率和准确性，可使用计算机软件“化工原理课程设计工艺优化自检系统”，自我检查计算过程和结果。着重说明以下几点：a、操作条件的确定：确定塔主要部位的压力和温度是求取塔板数和进行塔内气液接触构件（塔板或填料层）设计的重要依据。设计任务书中给定的操作压力一般指塔6顶的压力，由于塔板或填料层存在的压降，致使沿塔压力（因而也使温度）发生变化，使物性和气液负荷亦将随之而变，这对真空操作精馏塔的影响尤为显著，设计时势必注意。但由于操作压力（温度）沿塔分布规律又与塔内构件、气液负荷、物性等因素有关，故确定操作条件的基本做法是先预估计再校验。b、相平衡关系：精馏系统的汽液平衡数据来源很多，具体可参考有关文献[5]。为了便于计算机应用，尽可能选择用解析式表达汽液平衡关系，如对乙醇--水体系，简化处理的方法有多种，如相对挥发度与x的直接关联等。相对挥发度α与液相浓度x的直接关联：y=αx/(1+(α—1)x)α=1.1213（x+0.2）-1.5235x0.3α=0.8938x-1.0632x≥0.3如苯一甲苯、乙苯一苯乙烯等物系则可作为理想系统处理。C、回流比的确定：对于一般体系最小回流比的确定可按常规方法处理[9]，但对于某些特殊体系，如乙醇水体系则要特殊处理，该体系最小回流比Rmin的求取应通过精馏段操作线与平衡线相切得到。而适宜回流比R的确定，应体现最佳回流比选定原则即装置设备费与操作费之和最低，我们推荐以下简化方法计算各项费用，从而确定最佳回流比[6]。设备费用：CD塔成本费CD=39870xD1.2元式中D为塔径，N为实际塔板数假定精馏塔每年操作7200小时，折旧率对33％蒸汽费用：CS=70元／吨冷却水费用：CW=0.3元／吨年总费用C＝0．33XCD＋CS＋CW计算费用时应注意：①年总费用应是每年的设备折旧费与每年的操作费7之和；②蒸汽费用的计算应考虑过程的蒸汽损失，一般取总蒸汽耗量5-10％．D、全塔效率的确定全塔效率的确定对所设计的塔能否完成任务关系极大，但至今尚无可靠的计算方法，一般可用如下三种方法之一来确定：①参考工厂同类型塔的全塔效率经验数据；②对同类型塔进行现场测定取得可靠的塔效数据；③当缺乏经验数据时可用经验关联式估算，比如对于板式精馏塔可采用0’conne11塔效经验式[2]估算塔效；对于填料精馏塔可采用Murch法等经验公式[2]估算等板高度。3、关于塔板（或填料层）和塔体主要工艺尺寸的设计计算：板式塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括：板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学性能校核、负荷性能图以及塔高等。其设计计算方法可查阅有关资料[2][3][7][8]。着重应注意的是：塔板设计的任务是以流经塔内气液的物流量、操作条件和系统物性为依据，确定具有良好性能（压降小、弹性大、效率高）的塔板结构与尺寸。塔板设计的基本思路是：以通过某一块板的气液处理量和板上气液组成，温度、压力等条件为依据，首先参考设计手册上推荐数据初步确定有关的独立变量，然后进行流体力学计算，校核其是否符合所规定的范围，如不符合要求就必须修改结构参数，重复上述设计步骤直到满意为止。最后给制出负荷性能图，以确定适宜操作区和操作弹性。以上设计计算过程，应使用“化工原理课程设计导师系统（3.0版）”辅助进行，首先选定某块塔板进行初步优化设计，经“导师系统”检查无误后，接着则可使用该系统对全塔塔板优化设计，直至达到要求为止。一般至少优化设计塔顶、塔中（进料上、下）和塔底四块代表塔板。塔高的确定还与塔顶空间、塔底空间、进料段高度以及开人孔数目的取值有关，可查资料[2]。填料塔工艺尺寸设计计算主要内容包括：选择填料、确定塔径、计算填料层高度、压降以及根据塔径、填料层高度确定填料层的分段数目等项，详8见有关资料[2]。4、关于附属设备的设计（1）附属设备的设计主要有：a）热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量；再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量；b）选定冷凝器和再沸器的型式求取所需的换热面积并查阅换热器标准，提出合适的换热器型号；C）确定主要接管尺寸，列出接管表；d)对必须配置的原料泵、回流泵等进行选型计算。（2）对上学期已进行过换热器课程设计的同学，冷凝器和再沸器以造型为主，酌情也可进行某些换热器的校核计算[3][9]，也可使用“列管式换热器课程设计导师系统（3.0版）”进行优化选型设计‘不然则应选择一换热器进行校核设计。各换热器型式的选定得视具体换热系统、介质性质以及热负荷大小等而定。如冷却器因通常热负荷较大，故常用列管式换热器且是卧式的；而冷却器则因热负荷一般较小，可选竖列管式或蛇管式换热器。换热器设计中应注意传热温度差至少保持10－20℃左右，冷却水出口温度则不应大于50℃。（3）精馏塔的主要接管包括蒸气出口管、回流管、加料管、进气管、釜液排出管等，接管的结构型式和设计计算所需数据可查有关资料[3]。（4）精馏装置使用泵一般包括回流泵、产品泵、加料泵和冷却水泵等，泵的选型计算可查阅[10]等有关内容．5、关于精馏塔的结构设计板式塔的结构设计内容包括塔的总体结构，塔盘结构和接管结构，可参见有关资料[3][7]。本项设计内容的基本要求：设计板式塔时，对所设计的塔径在ф800以上而采用分块式塔板时，必须考虑分块对塔板布置的影响，可参阅资料[3][7]，其它结构设计不作要求。附：分块式塔板基本结构塔板分块数目与塔径大小有关，按下表规定选取：塔板分块数塔径（mm）800－12001400－18001800－22002200－24009分块数3456塔板分数块，靠近塔壁的两块叫弓形板，其余是矩形板，为了检修方便，不管分成几块，短形板中必有一块作为通道板，通道板的宽度统一取400mm，因安装需要，相邻两块板之间的孔间距可取为100mm。6、关于设计说明书的编写设计说明书内容应包括以下几项：（1）设计题目（包括课程设计任务书）；（2）说明书目录（标题及页次）；（3）设计说明（即精溜方案的说明论证，并附带控制点精溜装置工艺流程示意图）；（4）工艺计算（包括物料衡算、回流比、理论板数、进料位置等，计算机计算应有相应框图和源程序）；（5）板式塔的塔板设计（包括板间距、塔径及塔板布置）或填料精馏塔内部构件（分布器等）的设计；（6）附属设备的选型设计（包括预热器、冷凝器、冷却器和再沸器、接管、进料泵、回流泵等的设计与选型）；（7）设计结果汇总（包括主要工艺尺寸、各种物料的量和状态及设计时规定的操作条件等）；（8）结束语（包括对设计的自我评述以及有关问题的分析讨论等）；（9）设计参考资料目录（资料的编写：书名、作者、出版单位和出版年月）；编写设计说明书必须用统一的课程设计用纸，配上统一的封面装订成册；