甲醇-水体系化工原理课程设计

2019/8/121化工原理课程设计设计任务课程设计的目的课程设计内容一、精馏塔工艺优化设计二、精馏塔设备优化设计三、辅助设备设计2019/8/122课程设计任务设计题目–甲醇-水混合液精馏装置的设计2019/8/123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每年实际生产时间：8000小时冷却水温度：30℃冷却水温升：5℃2019/8/1242019/8/1252019/8/126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2019/8/127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。2019/8/128课程设计的目的培养和训练学生的能力–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–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2019/8/129设计准则经济性先进性可靠性和稳定性可行性2019/8/12101精馏塔工艺优化设计建立精馏流程精馏塔的工艺计算2019/8/12111.1精馏流程2019/8/12121.1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2019/8/12131.1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(计算辅助设备)–直接加热方式2019/8/12141.1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2019/8/12151.2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=13290·D1.2·NCF为换热器费用：CF=2000·ACS为蒸汽费用CW为冷却水费用2019/8/12161.2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Ropt2019/8/12171.2.1物料衡算已知：xD、xW、xF、W求解D、FF=D+WFxF=DxD+WxW要求–单位一致,kg/horkmol/h–采用质量、摩尔两种单位都有BottomsQ7Q1FeedDistillate2019/8/12181.2.2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2019/8/12191.2.2.1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α釜顶全塔：2019/8/12201.2.2.1最小回流比Rmin计算进料热状况参数q–设进料处压力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LVFViiiiq2019/8/12211.2.2.1最小回流比Rmin计算根据平衡关系和q求得RminxEquilibriumcurve45°linexDxFqlineafye2019/8/12221.2.2.2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EquilibriumcurvexFxwyxD1234x2019/8/12231.2.2.2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2019/8/12241.2.2.3求ET及实际板数NT总板效率ET–O‘Connell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)(49.0fET2019/8/12251.2.2.3求ET及实际板数NT实际板数NTNT=N/ET–求出全塔总实际板数–进料口位置2019/8/12261.2.2.4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σ计算过程：注：塔径D要圆整uVDs785.0Fuu)8.0~6.0(2019/8/12271.2.2.4塔径估算注：1、σ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GGLFCu2.02020CC2019/8/12281.2.2.5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=13290·D1.2·NCF为换热器费用：CF=2000·A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2019/8/1229（一）塔体费用计算CD=13290·D1.2·N注：D、N都与回流比R有关，因此CD是R的函数CD=f(R)2019/8/1230（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2019/8/1231（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)2019/8/12321.2.3根据经济衡算确定Ropt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Ropt2019/8/1233课程设计说明书要求设计说明工艺计算2019/8/12341、《化工原理课程设计资料》（一）板式塔浙江工业大学化工原理教研室编2、《化学工程手册第一篇化工基础数据》化学工业出版社（1980）3、《化学工程手册第十三篇气液传质设备》化学工业出版社（1979）4、《石油化工基础数据手册》卢焕章等编著，化学工业出版社5、《化工基本过程与设备设计教科书》［苏］．N迫特尼奥尔斯科戈6、“Vapor-LiquidEquilibriumDataCollection”Vol．1．7、《化工过程工程工业实践》S．WBodman著，曲德林等译清华大学出版社（1985）8、《塔的工艺计算》石油工业出版社（1977）9、《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）10、《化工过程及设备设计数据及图集》浙江化工学院11、《泵类产品样品》第一册、第二册机械工业出版社12、化学化工物性数据手册（有机卷）青岛化工学院等编化学工业出版社（2001）参考文献2019/8/1235课程设计地点化工09(1)，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),A5312019/8/1236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2019/8/1237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。2019/8/1238请认真做课程设计！！！谢谢！！！2019/8/12392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塔板负荷性能图2019/8/12402精馏塔设备优化设计DistillateCondenserReflux,LFeedBottomsReboilerRectifyingsectionStrippingsectionD,xDF,zFB,xB2019/8/12412.1选择塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）LiquidinVaporinVaporoutLiquidout12N–1NTrayedTowerLiquidinVaporinVaporoutLiquidoutPackedColumn2019/8/12422.1选择塔型和板型板型–泡罩塔–筛板塔–浮阀塔–穿流塔板2019/8/12432.2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2019/8/12442.3塔板流体力学计算塔板结构参数HThwhowHdh0h1hw’AfAaWdWsWs’Wclw2019/8/12452.3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2019/8/12462.3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2019/8/12472.3.1塔径计算基本数据：气液组成、体积流量、密度，液体表面张力σ预估板间距HT(500mm)预算塔径塔板参数设计水力学性能计算2019/8/1248(二）预算塔径求值和预设的HT得C20Fuu)8.0~6.0(2.02020CCGGLFCu5.0GLGLVV2019/8/1249(二）预算塔径注：1、具体计算过程可参考设计资料P1332、塔径D要圆整uVDs785.02019/8/1250(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(4~8mm)板厚tp堰高hw(预设30mm)2019/8/1251(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φ(要求φ≤0.1)降液管内液体停留时间τ核算注：对于易起泡物系，τ要取得大一些sLAHSfT52019/8/12522.3.2降液管结构型式选取单溢流双溢流多降液管2019/8/12532.3.3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Δ板上清液层高度hL的计算ho设计2019/8/12542.3.3.1堰的确定堰的种类–齿形堰：how＜6mm–平堰：how＞6mm弓形堰的长度一般lw/D=0.6~0.82019/8/12552.3.3.2堰上液层高度how的计算E根据和来确定，查图可得3/200284.0wowlLEh5.2wlLDlw2019/8/12562.3.3.3板上液面落差Δ本课程设计液量较小，Δ≈02019/8/12572.3.3.4板上清液层高度hL的计算先设一hL‘hw=hL‘－how圆整hwhL=hw＋how2019/8/12582.3.3.5ho设计降液管底部距下一层塔板的间距hoho＝hw－（0.01~0.02）m2019/8/12592.3.4孔布置筛孔选择取d0=3~8mm，t/d0=2.5~5边缘区确定WS=50~100mmWC=50~60mm孔数n2019/8/12602.3.5干板压降注：W0－气速，与气量有关C0