化工原理課程設(shè)計(jì)酒精水連續(xù)精餾塔分離.ppt

化工原理課程設(shè)計(jì),化工原理課程設(shè)計(jì),文艷霞 2010.6,一、課程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),紀(jì)律要求 格式要求,1. 紀(jì)律要求,1） 時(shí)間安排： 起止時(shí)間為6月21日到7月2日 6月2122日在教室上課，下午查閱文獻(xiàn)，閱讀教材，設(shè)計(jì)教室在5-408、5-409 6月23日起每天按照正常的上課時(shí)間到5-408、5-409進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。,2）要求： 每天上午8：30必須到達(dá)設(shè)計(jì)教室，中午11：30后方可離開教室。下午2：30之前必須到達(dá)教室，5：00后方可離開教室。 不能穿拖鞋、背心進(jìn)教室。 獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)，不準(zhǔn)抄襲，如有發(fā)現(xiàn)，后果自負(fù)。（抄襲者和被抄襲的一并作不及格處理）,2. 格式要求,1） 課程設(shè)計(jì)要統(tǒng)一到教務(wù)拿課程設(shè)計(jì)資料袋。 統(tǒng)一購買信紙（寫設(shè)計(jì)說明書用） 2）資料袋封面上要統(tǒng)一書寫 3）資料袋內(nèi)的內(nèi)容包括說明書和圖紙兩部分 說明書包括標(biāo)題頁、設(shè)計(jì)任務(wù)書、目錄、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介、工藝計(jì)算、主要工藝尺寸的計(jì)算、輔助設(shè)備的選型和計(jì)算、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表、對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述、參考文獻(xiàn)。,標(biāo)題頁：到我這拷一份標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)題頁，已經(jīng)給大家設(shè)計(jì)好了（可以在這頁上進(jìn)行個(gè)性設(shè)計(jì)，但我列出的幾項(xiàng)必須有）。 任務(wù)書：將發(fā)下去的任務(wù)書到時(shí)大家再打印一份，也可以將我給的任務(wù)書先復(fù)印一份留到最后進(jìn)行裝訂。 目錄：列出三級(jí)標(biāo)題。 一級(jí)標(biāo)題：第一章、第二章 二級(jí)標(biāo)題：1.1、 1.2、2.1、 2.2、 三級(jí)標(biāo)題：1.1.1. 1.1.2.,目錄格式,舉一例如下： 第一章 工藝計(jì)算 1.1 物料衡算 1.1.1. 全塔物料衡算 1.1.2. 精餾斷物料衡算,參考文獻(xiàn)格式,將你所參考的文獻(xiàn)、資料、書籍的出處都在參考文獻(xiàn)中列出。格式如下： 1 （作者）.（書籍名稱）.（出版地）：（出版社），出版年月 注意：我所用的幾個(gè)不同的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。,緒 論,一、 課程設(shè)計(jì)的目的、要求與內(nèi)容 1.課程設(shè)計(jì)的目的和要求 2.課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 3.工藝流程設(shè)計(jì) 4.主要設(shè)備工藝條件圖,一、課程設(shè)計(jì)的目的,目的： 綜合能力訓(xùn)練 工程調(diào)研，收集和查閱文獻(xiàn)資料、綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、理論計(jì)算、設(shè)備選型、工程圖繪制、編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 工程觀念培養(yǎng) 理論小試中間試驗(yàn)放大為實(shí)際工程生產(chǎn)應(yīng)用。,化工原理課程,將,比作一個(gè)完整統(tǒng)一體的人,基本要求,初定方案，繪制工藝流程圖； 進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，得出設(shè)備主要尺寸和參數(shù)（塔高，塔直徑，塔板數(shù)等）； 選擇附屬設(shè)備； 編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書； 根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制主體設(shè)備圖,二、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容,（1）設(shè)計(jì)方案制定 （2）主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 包括各種設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、物料衡算、熱量衡算、理論塔板數(shù)計(jì)算、塔高、塔徑等等。 （3）典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算 （4）工藝流程圖 （5）主體設(shè)備工藝條件圖,設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容和格式 標(biāo)題頁（封面）； 目錄； 設(shè)計(jì)任務(wù)書； 設(shè)計(jì)方案制定（簡(jiǎn)介）； 工藝流程圖及說明； 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)； 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型； 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表； 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述； （10）工藝流程圖、主體設(shè)備工藝條件圖； （11）參考文獻(xiàn),三、化工生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì),生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)階段： 1、可行性研究(feasibility studies)階段 框圖工藝流程草圖 2、初步設(shè)計(jì)階段（初設(shè)） 工藝物料流程圖或帶控制點(diǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖，列入初步設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)文件。 3、施工圖設(shè)計(jì)階段 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖輔助管道及蒸汽伴管系統(tǒng)圖，列入施工圖設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)文件。,下面就帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的內(nèi)容及其繪制加以介紹,詳情 請(qǐng)參閱教材及其他參考文獻(xiàn)。,帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的內(nèi)容, 按工藝順序排列的設(shè)備示意圖； 設(shè)備流程號(hào)（位號(hào)）； 物料及動(dòng)力； 管線上的主要閥門連接設(shè)備的管道及其管道附件； 必要的計(jì)量、控制儀表； 簡(jiǎn)要的文字注釋,帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的繪制,比例與圖幅 圖線與字體 設(shè)備的表示方法（教材p9-12) 管道的表示方法（教材p12-13) 閥門及管件的表示方法（教材p13-14) 儀表控制點(diǎn)的表示方法 （教材p9-15),主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算結(jié)果用一張總圖表示出來。 內(nèi)容如下：設(shè)備圖形，技術(shù)特性，設(shè)備組成一覽表。,四、設(shè)備設(shè)計(jì),主體設(shè)備工藝條件圖,裝配圖,一些物質(zhì)性質(zhì)參數(shù),表面張力 (Surface tension) 多相體系中相之間存在著界面，通常，處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。在水內(nèi)部的一個(gè)水分子 受到周圍水分子的作用力的合力為 0，但在表面的一個(gè)水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對(duì)它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力稱為表面張力。 氣液界面兩邊物質(zhì)不同，則液體表面存在使其面積減小的力（該力使液體呈球滴狀），這個(gè)力就稱為表面張力。 表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。,2. 偏心因子 (acentric factor) 物質(zhì)兩個(gè)分子間的相互作用力偏離分子中心之間的作用力的程度。對(duì)于氬、氪、氙等分子為球形對(duì)稱的惰性氣體，兩者無偏離，偏心因子值為零；分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜或極性越大，兩者的偏離越甚，偏心因子值越大。 可用以關(guān)聯(lián)一些與分子間力有關(guān)的性質(zhì)。例如，氣體的壓縮因子Zc或逸度系數(shù)可表示為對(duì)比壓力、對(duì)比溫度和偏心因子的函數(shù)，由此得到的壓縮因子或逸度系數(shù)可使氣體的P-V-T關(guān)系計(jì)算或熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算獲得更精確的結(jié)果。 當(dāng)分子中碳數(shù)相同時(shí)，烷烴的偏心因子較大，環(huán)烷烴和芳烴的較小。,用理想氣體狀態(tài)方程來描述實(shí)際氣體的p、V、T間的關(guān)系時(shí)，當(dāng)壓力較高時(shí)便發(fā)生偏差，一個(gè)較方便的校正方法是將實(shí)際氣體狀態(tài)方程改正為PV = ZnRT，式中的Zc稱為壓縮因子，表示實(shí)際氣體偏離理想氣體行為的程度。,3. 壓縮因子Z,4. 臨界參數(shù)與超臨界流體 (critical parameters and supercritical fluid) 物質(zhì)在溫度達(dá)某一特定值以后，氣液界面張力消失，過這一溫度，無論施加多大壓力也不能使氣體液化，對(duì)應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)稱作臨界參數(shù)，如：Tc , Pc , Vc , Zc 等； 物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)超過臨界參數(shù)（Tc , Pc ）的流體稱作超臨界流體。,第一章 板式精餾塔設(shè)計(jì),主要內(nèi)容： 一、塔設(shè)備簡(jiǎn)介 二、板式精餾塔主體設(shè)備的設(shè)計(jì) 三、板式塔的結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)備選型配套設(shè)計(jì),第一節(jié) 塔設(shè)備簡(jiǎn)介,塔設(shè)備是氣液傳質(zhì)設(shè)備 分類：板式塔和填料塔 工業(yè)生產(chǎn)對(duì)塔設(shè)備的主要要求： 生產(chǎn)能力大；傳質(zhì)、傳熱效率高；流體流動(dòng)的摩 擦阻力小；操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大；結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，材料耗用少；制造安裝容易，操作維修方便。 應(yīng)綜合考慮以上諸因素。,第二節(jié) 板式精餾塔的工藝設(shè)計(jì),主要內(nèi)容： 一. 設(shè)計(jì)方案的確定 二. 物料衡算和操作線方程 三. 理論板數(shù)的求算方法 四. 塔和塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì),一.設(shè)計(jì)方案的選定,1. 裝置流程的確定 包括：熱量的利用，進(jìn)料方式的選擇，冷 凝器的選擇（全凝器或分凝器） 2. 操作壓強(qiáng)的選擇：取決于冷凝溫度 包括：常壓、減壓、加壓,3.進(jìn)料熱狀況的選擇：用 表示 五種進(jìn)料熱狀況: 冷液進(jìn)料： 飽和液體（泡點(diǎn)）進(jìn)料： 飽和蒸汽（露點(diǎn)）進(jìn)料： 氣液混合進(jìn)料： 過熱氣進(jìn)料： 原則上采用冷液進(jìn)料，但通常采用泡點(diǎn)進(jìn)料。,4. 加熱方式的選擇 大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。 5. 回流比的選擇 主要從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，力求使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和最低。一般經(jīng)驗(yàn)值為,1、兩組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關(guān)系,氣液相平衡(vapor-liquid equilibrium)：溶液與其上方蒸氣達(dá)到平衡時(shí)氣液兩相各組分組成的關(guān)系。,物系的分類：理想物系和非理想物系。,理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律（Raoults law)，即,式中 p溶液上方組分的平衡分壓 p0同溫度下純組分的飽和蒸氣壓 x溶液中組分的摩爾分率,第三節(jié) 雙組分溶液的氣液平衡,根據(jù)道爾頓分壓定律和拉烏爾定律,當(dāng)總壓P不高時(shí)，平衡的氣相可視為理想氣體，服從道爾頓分壓定律，即,式（a）和（b）為 兩組分理想物系的氣液平衡關(guān)系式。,（a）,（b）,第三節(jié) 雙組分溶液的氣液平衡,當(dāng)總壓不高時(shí)，蒸氣服從道爾頓分壓定律,對(duì)于二元溶液 xB=1-xA yB=1-yA,整理后，略去下標(biāo).,氣液平衡方程,第三節(jié) 雙組分溶液的氣液平衡,2、相對(duì)揮發(fā)度及氣液平衡方程,3.二元物系連續(xù)板式精餾塔的工藝計(jì)算,1.物料衡算與操作線方程 全塔物料衡算 總物料 F=D+W 易揮發(fā)組分 FxF=DxD+WxW,精餾段操作線方程 或 其中 L = RD 提留段操作線方程 或 其中,進(jìn)料線方程（ 線方程）,線方程代表精餾段操作線與提留段操作線交點(diǎn)的軌跡方程。,4. 理論板數(shù)的求算,求算理論板數(shù)之前，需知原料液組成，選擇進(jìn)料熱狀況（即 值）和操作回流比等精餾操作條件，利用氣、液相平衡關(guān)系和操作方程求算。 常用理論板數(shù)的求算方法有三種方法，現(xiàn)分別予以介紹。,（1）逐板計(jì)算法,從塔頂開始逐板計(jì)算。設(shè)塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流，則自第一層板上升蒸汽組成等于塔頂產(chǎn)品組成，即 （已知）。而自第一層板下降的液體組成 與 相平衡，可利用相平衡方程求取 而 與 滿足精餾段操作關(guān)系，可用精餾段操作線方程，即 求取 。同理由 利用相平衡方程求 ，如此交替利用相平衡方程和操作方程進(jìn)行下行逐板計(jì)算，直到 ,則第n層理論板為進(jìn)料板，精餾段理論板數(shù)為（n-1）層。 以下改用提留段方程 由 用上式求得 ，同上法交替利用相平衡方程和提留段操作線方程下行逐板計(jì)算，直到 為止。,注意： 間接蒸汽加熱時(shí)，再沸器內(nèi)可視為氣液兩相達(dá)平衡，故再沸器相當(dāng)于一層理論板，則提餾段理論板數(shù)為 層。 缺點(diǎn)：計(jì)算雖然準(zhǔn)確，但較繁瑣。,（2）直角梯級(jí)求解法（M.T.圖解法）,方法和步驟如下： 設(shè)采用間接蒸汽加熱，全凝器（ ），泡點(diǎn)進(jìn)料。 首先在y-x圖上作平衡線和對(duì)角線。 作精餾段操作線。 作進(jìn)料線（q線）。與精餾段操作線相交與點(diǎn)d。 作提留段操作線。 圖解理論板層數(shù)?？邕^交點(diǎn)d的梯級(jí)為進(jìn)料板。 如采用再沸器，應(yīng)減去一層塔板數(shù)，如采用分凝器，應(yīng)再減去一層塔板數(shù)。,（3）簡(jiǎn)捷法 (Gilliland）, 求算Rmin和選定R。 Rmin的求算如下式： a. 進(jìn)料為飽和液體時(shí), xq = xF ,故 b. 進(jìn)料為飽和蒸汽時(shí), Yq = YF ,故 對(duì)于平衡曲線形狀不正常的情況，可用作圖法求Rmin.,平衡曲線形狀不正常情況下Rmin求法, 計(jì)算Nmin, 計(jì)算 值。在吉利蘭圖橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)點(diǎn)，自此點(diǎn)引鉛垂線與曲線相交，由交點(diǎn)相應(yīng)的縱坐標(biāo)值求算出不包括再沸器的理論板數(shù)N。 確定進(jìn)料板位置。,三、塔效率的估算,1. 定義：為在指定分離要求與回流比所需理論板數(shù)NT與實(shí)際塔板數(shù)NP的比值。 即： 2. 兩個(gè)關(guān)聯(lián)方法 Dickamer和Bradford法 根據(jù)精餾塔全塔效率關(guān)聯(lián)圖，有下列公式： （適用于液相粘度為 0.071.4mPas 的烴類物系。）, Oconnell 法 將全塔效率關(guān)聯(lián)為相對(duì)揮發(fā)度與液相平均粘度乘積的函數(shù)，得到精餾塔全塔效率關(guān)聯(lián)曲線。用下式表示： 適用于 ，且板上液流長(zhǎng)度1.0的一般工業(yè)板式塔。,第二章 塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì),主要內(nèi)容： 1. 塔高 2. 塔徑 3. 溢流裝置與液體流型 4. 塔板設(shè)計(jì),1. 塔高,1.1 計(jì)算公式：,選定時(shí)，還要考慮實(shí)際情況。,1.2 板間距HT選取的一般依據(jù),2. 塔徑,2.1 計(jì)算公式：,式中 -塔內(nèi)的氣相流量，m/s -空塔氣速，m/s,C為負(fù)荷系數(shù)，可由Smith關(guān)聯(lián)圖查取。如圖5-1所示。 注意：查得的負(fù)荷系數(shù)為液體表面張力20mN/m的值C20 ，故一般應(yīng)將C值加以修正。,式中 Vs 氣體體積流量，m/s u 空塔氣速，m/s,2. 塔徑,2.2 圓整 將計(jì)算所得塔徑向系列標(biāo)準(zhǔn)圓整 400、500、700、800、1000 4600 2.3 變徑塔或通徑塔,3. 溢流裝置設(shè)計(jì),3.1 降液管類型與溢流方式,（a）圓形降液管 （b）內(nèi)弓形降液管 （c）弓形降液管 它由部分壁面和一塊平板圍成 的，由于能充分利用內(nèi)空間，提供較大降液面積及兩相分離空間，被普遍用。 （d）傾斜式弓形降液管 它既增大了分離空間又不過多 占用塔板面積，故適用于大直徑大負(fù)荷塔板。,3.1.1 降液管類型,U型流 小液體負(fù)荷，液體流程長(zhǎng)，板面利用好，板效較高，但液面落差大。,單流型 液體流程較長(zhǎng)，板面利用好， 塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直徑2.2米以下的塔。,3.1.2 溢流堰的類型,階梯溢流 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大塔徑負(fù)荷大的塔。,雙溢流 流程短可減少液面落差，但板面利用率低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 用于液體負(fù)荷大，直徑2m以上塔。,一般可根據(jù)初估塔徑和液體流量，參考表5-2選塔板的液流型式。,4. 溢流堰裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算,4.1.1 堰長(zhǎng) lw 單流型 lw 為（0.6 0.8）D 雙溢流 lw 為（0.5 0.7）D 也可由溢流強(qiáng)度計(jì)算篩板及浮閥塔的 lw ：,其中 D 塔徑 lw 溢流堰長(zhǎng) Lh 液體流量,4.1 溢流堰,式中 hL 板上液層高度(一般50100mm） how 堰上液層高度（可按圖5-6進(jìn)行計(jì)算，一般低于60mm）,4.1.2 堰高 hw,堰上液層高度how 也可按 Francis 公式計(jì)算,堰上液層高度 平直堰的hOW按下式計(jì)算 l W 堰長(zhǎng)，m Lh 塔內(nèi)液體流量，m/h E 液流收縮系數(shù)，一般取1,常壓 0.04 0.05m 減壓 0.015 0.025m 高壓 0.04 0.08m 一般均不宜超過 0.1m,求得how后，即可按下式指出的范圍確定堰高h(yuǎn)w,堰高,若how小于6mm，應(yīng)采用齒形堰,4.2.1 降液管的寬度 Wd 與截面積 Af,4.2 降液管,若知堰長(zhǎng)與塔徑的比值，由右圖即可查取降液管的寬度與截面積。,降液管的截面積應(yīng)保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間一般等于或大于35s。求得降液管的截面積之后，應(yīng)按下式驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間。 即 式中 液體在降液管中的停留時(shí)間，s Af降液管的截面積，m2,4.2.2 降液管底隙高度,how,Hd,hL,hw,HT,h0,hw h0 6 mm,h0 應(yīng)低于 hw,降液管底隙高度 h0,（1）一般取為： （2）也可按下式計(jì)算 式中 液體通過降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超過0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。,4.3 受液盤及進(jìn)口堰,但有時(shí)為使液體進(jìn)入塔板時(shí)平穩(wěn)并防止塔板液流進(jìn)口處頭幾排篩孔因沖擊而漏液，對(duì)直徑為800mm以上的塔板，推薦使用凹形受液盤。當(dāng)大塔采用平形受液盤時(shí)，為保證降液管的液封并均布進(jìn)入塔板的液流，可設(shè)進(jìn)口堰。,4.3 受液盤及進(jìn)口堰,一般情況下多采用平受液盤,有平受液盤和凹形受液盤之分,（1）塔板布置 （2）篩板的篩孔與開孔率,5. 塔板的設(shè)計(jì)計(jì)算,塔板布置,5.1 塔板布置 開孔區(qū)、溢流區(qū)、安定區(qū) 和 無效區(qū),開孔區(qū) 也稱為鼓泡區(qū)。對(duì)垂直弓形降液管的單流型塔板按下式計(jì)算。 式中 Aa鼓泡面積，m2, 溢流區(qū) 溢流區(qū)面積Af和Af分別為降液管和受液盤所占面積。 安定區(qū) 開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域?yàn)榘捕▍^(qū)（破沫區(qū)），其作用為使自降液管流出液體在塔板上均布并防止液體夾帶大量泡沫進(jìn)入降液管。 無效區(qū) 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈邊緣區(qū)域供支撐塔板的邊梁。小塔為3050mm,大塔為5075mm。為防止液體經(jīng)邊緣區(qū)流過產(chǎn)生短路現(xiàn)象，可在塔板上沿塔