化工原理课程设计指导书

化工原理课程设计指导书北京石油化工学院材料与化工学院化工系2006.4.17目录第一部分筛板塔设计一、化工原理课程设计的目的与要求…………………………………………………………1二、化工原理课程设计的内容…………………………………………………………………1三、安排与要求…………………………………………………………………………………2四、设计步骤……………………………………………………………………………………21、收集基础数据……………………………………………………….…………………22、工艺流程的选择………………………………………………………………………33、做全塔的物料平衡……………………………………………………………………34、确定操作条件…………………………………………………………………………35、确定回流比……………………………………………………………….…………56、理论板数与实际板数……………………………………………………….…………77、确定冷凝器与再沸器的热负荷……………………………………………….………88、初估冷凝器与再沸器的传热面积……………………………………………….……89、塔径计算及板间距确定………………………………………………………….……810、堰及降液管的设计………………………………………………………………..…1311、塔板布置及筛板塔的主要结构参数…………………………………………………1512、筛板塔的水力学计算…………………………………………………………………1713、塔盘结构…………………………………………………………………………..…2214、塔高……………………………………………………………………………………28参考文献…………………………………………………………………………………….…29设计任务书………………………………………………………………………………….…301第一部分筛板塔设计一、化工原理课程设计的目的与要求通过理论课的学习和生产实习，学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识，对于一个未来的工程技术人员来说，如何运用所学知识去分析和解决实际问题是至关重要的，本课程设计的目的也是如此。化工原理课程设计是化工专业的学生在校期间第一次进行的设计，要求每个同学独立完成一个实际装置（本次设计为精馏装置）的设计。设计中应对精馏原理、操作、流程及设备的结构、制造、安装、检修进行全面考虑，最终以简洁的文字、表格及图纸正确地把设计表达出来。本次设计是在教师指导下，由学生独立进行的设计。因此，对学生的独立工作能力和实际工作能力是一次很好的锻炼机会，是培养化工技术人员的一个重要环节。通过设计，学生应培养和掌握：1、正确的设计思想和认真负责的设计态度。设计应结合实际进行，力求经济、实用、可靠和先进。设计应对生产负责。设计中的每一数据，每一笔一划都要准确可靠，负责到底。2、独立的工作能力及灵活运用所学知识分析问题和解决问题的能力。设计由学生独立完成，教师只起指导作用，学生在设计中碰到的问题和教师进行讨论。教师只做提示和启发，由学生自己去解决问题，指导教师原则上不负责检查计算结果的准确性，学生应自己负责计算结果的准确性，可靠性。学生在设计中可以相互讨论，但不能照抄，为了更好地了解和检查学生独立分析问题和解决问题的能力，设计的最后阶段安排有答辩。若答辩不通过，设计不能通过。3、精馏装置设计的一般办法和步骤。4、正确运用各种参考资料，合理选用各种经验公式和数据。由于所用资料不同，各种经验公式和数据可能会有一些差别。设计者应尽可能了解这些公式、数据的来历、实用范围，并能正确地运用。设计前，学生应该详细阅读设计指导书、任务书，明确设计目的、任务及内容。设计中安排好自己的工作，提高工作效率。二、化工原理课程设计（精馏装置）的内容1、选择流程，画流程图。2、做物料衡算，列出物料衡算表。3、确定操作条件（压力、温度）。4、选择合适回流比，计算理论板数。25、做热量衡算，列出热量衡算表。6、选择换热器，计算冷却介质及加热介质用量。7、完成塔板设计。8、编写设计计算说明书。设计结束时，学生应交的作业有：工艺流程图一张，塔板结构图一张，设计说明书一份。计算机辅助计算结果（包括简单计算和严格计算两种计算结果）。三、安排与要求设计进行两周，大致可分为以下几个阶段：1、准备（一天）教师介绍有关课程设计的情况，下达设计任务书。学生应详细阅读设计任务书，明确设计目的、设计任务、设计内容及设计步骤。安排好今后两周的工作。2、设计计算阶段（四～五天）按设计任务及内容进行设计计算，有时甚至需要对几个不同的方案进行设计计算，并对设计结果进行分析比较，从中选择较好的方案。计算结束后编写出设计计算说明书。设计计算说明书应包含：目录、设计任务书、流程图、设计计算、计算结果及所引用的资料目录等。设计计算说明书除了有数字计算之外还应有分析，只有数字计算，而无论述分析，这样的设计是不完整的，也是不能通过的。计算部分应列出计算式，代入数值，得出结果。计算结果应有单位。说明书一律用A4纸写，文字部分要简练，书写要清楚。说明书要标上页码，加上封面，装订成册。3、计算机辅助计算（二～三天）。4、答辩（一天）答辩安排在最后一天进行。答辩前学生应将设计计算说明书装订成册，连同计算机辅助计算一起交给教师。答辩时学生先简要汇报一下自己的设计工作，然后回答教师提出的问题。四、设计步骤精馏装置设计的内容与步骤大致如下：1、收集基础数据设计所需的基础数据包括：3①进料流量及组成。②分离要求。③原料的热力学状态。④冷却介质及其温度、加热介质及温度。⑤物性数据（如密度、表面张力等）。上述基础数据中①、②两项由设计任务给出。③、④两项若任务中未曾给出，则应根据具体情况确定。物性数据可从有关资料中查取。2、工艺流程的选择精馏装置一般包括塔顶冷凝器，塔釜再沸器，原料预热器及流体输送泵等。流程选择应结合实际进行，考虑经济性、稳定性。如进料是否需要预热、冷凝器的型式及布置、及再沸器的型号等。当塔顶需汽相出料时，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器。对于小塔，通常将冷凝器放于塔顶，采用重力回流。对于大塔，冷凝器可放至适当位置，用泵进行强制回流。再沸器的型式有立式与卧式、热虹吸式与强制循环式之外。当传热量较小时，选用立式热式再沸器较为有利。传热量较大时，采用卧式热虹吸式再沸器。当塔釜物料粘度很大，或易受热分解时，宜采用泵强制循环型再沸器。几种再沸器型式如图1所示。精馏装置中，塔顶蒸汽的潜热和塔釜残液的显热可以被用于预热进料。塔顶蒸汽潜热大，而温度较低，塔釜残液温度高，而显热的热量少。在考虑这些热量的利用时要注意经济上的合理性及操作上的稳定性。3、做全塔的物料平衡对于双组分的连续精馏塔，由总物料平衡及分物料平衡有FWDFxWxDxFWD根据进料流量F及组成Fx，分离要求，解方程组（1）即可求得馏出液流率D及残液流率W。4、确定操作条件（压力、温度）（1）4精馏操作最好在常压下进行，不能在常压下进行时，可根据下述因素考虑加压或减压操作。（1）、对热敏性物质，为降低操作温度，可考虑减压操作。（2）、若常压下塔釜残液的泡点超过或接近200℃时，可考虑减压操作。因为加热蒸汽温度一般低于200℃。（1）立式热虹吸型（2）泵强制循环型（a）(b)（3）卧式再沸器图1几种再沸器型式（3）、最方便最经济的冷却介质为水。若常压下塔顶蒸汽全凝时的温度低于冷却介质的温度时可考虑加压操作。还应该指出压力增大时，操作温度随之升高，轻、重组分相对挥发度减少，分离所需加热介质产品加热介质5的理论板数增加。在确定操作压力时，除了上面所述诸因素之外，尚需考虑设备的结构、材料等。通常按下述步骤确定操作压力。（1）、选择冷却介质，确定冷却介质温度。最为方便、来源最广的冷却介质为水。设计时应了解本地区水的资源情况及水温。（2）确定冷却器及回流罐系统压力冷P。塔顶蒸汽全部冷凝时的温度一般比冷却介质温度高10～20℃。冷却器和回流罐系统压力即为该温度下的蒸汽压（平衡压力），可由泡点方程式得。11ciDiixK（2）式中iK—平衡指数。烃类iK可由资料（1）（2）查得。（3）、确定塔顶和塔釜压力。塔顶压力顶P等于冷凝器压力冷P加上蒸汽从塔顶至冷凝器的流动阻力冷凝器顶P，即冷凝器顶冷顶PPP（3）塔釜压力底P等于塔顶压力加上全塔板阻力P塔。全塔阻力P塔等于塔板阻力乘实际板数，即板顶塔顶底PPPnPP（4）式中：板P—塔板阻力，通常为3～5（mm汞柱）在确定了操作压力之后，塔顶温度可由式（5）确定，塔釜温度由式（6）确定。11cttDtttkxky（5）11ciWiixK（6）5、确定回流比对于平衡线向下弯曲的物系，最小回流比的计算式为：6qqqDmxyyxR（7）式中：qqqy,x线与平衡线交点座标。当进料为饱和液体时，最小回流比也可用式（8）计算，进料为饱和蒸汽时，按式（9）计算。FDFDmxxxx1111R（8）11111RFDFDmxxxx（9）汽液混合进料时，最小回流比的计算式为：01))(1()(RqmqmmRqRq（10）式中：1)(qmR——泡点进料时的mR，按式（8）计算。0)(qmR——露点进料时的mR，按式（9）计算。由上式可知，最小回流比和进料液化分率q有关。当泡点进料时，q=1。露点进料时，q=0。若进料压力高于塔的操作压力，且原料温度较高时，进入塔内后可因压力降低而产生绝热汽化。绝热汽化温度T及液化分率可由绝热汽化方程组（11）计算。hHhHqKKxFqiiFic1i1)1(（11）式中：H、h—汽相、液相焓。Fh—原料液焓。方程（11）可由试差法解得，方法如下：a、根据进料温度及组成，求得Fh；b、假设汽化温度，查得iK；c、由方程（11）的第一式求得q及汽、液相组成；7d、由假设温度及求得的汽、液相组成计算汽、液相焓H及h；e、将H、h、Fh代入方程（11）的第二式，若等式成立，则计算正确；若等号不成立，则重设温度，重复（b）至（e）过程。适宜回流比通常为最小回流比的1.2～2倍，设计时应根据理论板和回流比的关系图（图2）确定。mR适宜RR图2理论板和回流比关系图图2是在假设若干个不同的回流比下，分别用简捷法求出相应的理论板数，然后，由计算结果作图而得到的。显然适宜回流比应在图中曲线斜率变化最大处。6、理论板数与实际板数对于双组份精馏塔，求解理论板数可用图解法或简捷法。若理论板数较多，且溶液接近理论溶液时，可作简捷法计算。简捷法求理论板数时，有吉利兰（Gilliland）法和埃尔巴—马道克斯（Erbar—Maddox）法。据称埃尔巴法比吉利兰法精度要高，但埃尔巴法只能用于泡点进料，且指明回流比为最适宜回流比，而一般回流比大多高于这个数值。图解法和简捷法的具体操作法可参考参阅教材，此处不再讨论。实际板数等于理论板数除以总板效率，即TENN理实（12）式中：实N——实际板数理N——不包括分凝器、再沸器在内的理论板数。N8TE——总板效率（全塔效率）影响总板效率的因素较多，目前尚无准确的关联式可用于计算，只能根据经验估计。对于双组份精馏塔，多在0.5～0.7左右[6]。7、确定冷凝器和再沸器的热负荷CQ、rQ对于全凝器，由冷凝器热平衡可得：)()1(Q1CDhHDR（13）式中：R—回流比D—馏出液流率。DhH、1—塔顶蒸汽、馏出液焓。对全塔做热平衡有FCWDFhQWhDhrQ（14）式中：Wh—塔釜残液焓。（其它符号同前）8、初估冷凝器和再沸器的传热面积传热面积A可由传热方程计算，即mtKQA（15）式中：Q—热负荷。K—传热系数。mt—冷热流体平均温度差。对于低沸点烃类，冷凝介质为水时，传热系数为390～980（千卡/2m·时·℃）。加热介质为水蒸汽时，再沸器的传热系数为390～880（千