化工原理課程設計指導書

1、化工原理課程設計指導書二元混合物連續(xù)精餾裝置的設計攀枝花學院生物與化學工程學院目錄一、課程設計的目的二、本設計的基本內容和要求1、關于精餾塔方案的選定2、關于工藝計算3、關于塔板(或填料層和塔體主要工藝尺寸的設計計算4、關于附屬設備的設計5、關于精餾塔的結構設計6、關于設計說明書的編寫7、關于考核三、進行本設計必須注意的幾點四、設計紀律五、參考資料一、課程設計的目的精餾是化工生產過程中的重要單元操作,精餾塔是典型的化工單元設備之一,進行本課程設計的目的是:培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,特別是本門課程的有關知識解決化工實際問題的能力,使學生學到進行化工設計的基本步驟和方法,得到一次進行化工設計的初步

2、訓練,為今后從事設計工作打下基礎.通過課程設計,學生應特別注意如下幾個“能力”的訓練和培養(yǎng):查閱資料、選用公式和數據的能力;從技術上的可行性與經濟上的合理性兩方面樹立正確的設計思想、分析和解決工程實際問題的能力;熟練應用計算機(包括編程計算和使用工程設計軟件的能力以及用簡潔文字、圖表表達設計思想的能力.因此,不論課程設計的成果是否將應用于實際生產,設計都應同時滿足實踐性和教學性兩方面的要求。設計的實踐性應體現(xiàn)在以下設計準則中:1、經濟性:應符合能量充分合理利用和節(jié)能原則,符合經常生產費和設備投資費的綜合核算最經濟的原則;符合有用物質高回收率、低損耗率原則.2、先進性:應對目前工廠生產過程和設備

3、上存在的問題提出改進方案和改進措施,并盡量采用國內外最新技術成果。3、可靠性和穩(wěn)定性:保證運行的安全可靠和操作的穩(wěn)定易控是現(xiàn)代化生產應優(yōu)先考慮的原則,不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技術和設備,不得采用難以控制或難以保證安全生產的技術和設備。4、可行性:流程布置和設備結構不應超出一般土建要求和機械加工能力,整個設計方案應考慮符合國情和因地制宜的原則。二、本設計的基本內容和要求設計內容包括:選定精餾方案;進行精餾塔的工藝計算;結構和附屬設備的選型設計;將設計結果編寫成設計說明書。1、關于精餾塔方案的選定選定精餾方案是完成設計的先決條件,因為精溜塔工藝尺寸的確定不僅與所處理物系的性質、給定的生產能力

4、、組成要求有關,還與操作壓力、回流液狀態(tài)、加熱方式以及所選用設備的型式等一系列因素有關,所以在進行精餾塔設計選定精餾方案和擬定精餾裝置流程的工作必須首先進行.(1精餾方案選定涉及的內容大致包括:a.精餾方式的選定:根據生產規(guī)模和產品質量要求,可選用簡單蒸餾、水蒸汽蒸餾、間歇精餾、連續(xù)精餾或特殊精餾等。b.操作壓力的選取:根據精餾物系的特點,可以是常壓精餾、減壓精餾或加壓精餾。c. 塔型的選擇2:通過技術經濟綜合評價,可以選用不同塔型(板式塔、填料塔和不同板型(如浮間搭、篩板塔等或填料塔。d.再沸器、冷凝器、冷卻器等換熱設備的配置3:再沸器配置與所采用的加熱方式有關,通常采用間接蒸汽加熱,有時也

5、可采用直接蒸汽加熱;冷凝器的型式多采用列管式換熱器,冷凝器的安裝位置從技術和經濟上考慮,對于小塔,當傳熱面積較小時常將冷凝器直接安裝在塔頂,而當處理量較大或搭較高時,則常將冷凝器移至地面,然后再用回流泵強制回流入塔。(2選定方案必須考慮的問題確定精餾方案的原則主要有兩條:a、必須考慮工藝要求與平穩(wěn)操作問題;b、必須考慮經濟上的合理性,如在精餾方式的選定中必須考慮生產規(guī)模、產品質量、產量的要求以及投資費用等,如用水蒸汽蒸餾或簡單蒸餾雖投資省,但所獲得的產品質量不高,欲要得到高純度產品則必須采用連續(xù)精餾等方式。在確定操作壓力時則必須考慮所處理的液體混合物的性質等因素,如熱敏性物料采用真空蒸餾,而對

6、于沸點低常壓下呈氣態(tài)的物料則應在加壓下進行蒸餾。在塔型的選擇中固然要盡量設法選用性能優(yōu)良的塔型,但因每種塔型絕非十全十美,故選型時還必須從產量、質量和能耗等實際需要出發(fā),努力做到兼顧技術上的可行性和經濟上的合理性兩個方面.在確定進料狀態(tài)和加料方式時既要考慮便于平穩(wěn)操作,還要考慮相關工序的實際情況等因素。如精餾塔的加料方式用高位槽就比用加料泵直接加料較易平穩(wěn)操作。但必須注意,無論進料狀態(tài)還是加料方式均與前道工序以至整個車間的流程安排有關。在考慮精餾塔附屬的換熱設備的配置中,必須注意到精餾過程一方面要供給熱量,一方面又要用大量的冷卻水進行冷卻,故從經濟觀點出發(fā)存在著如何合理利用熱能的問題,為此可以

7、用定性或定量的方法論述塔底釜液與塔頂蒸汽熱能利用的可能性(可以從傳熱溫差的大小以及回收熱量的多少進行可行性比較,考慮它們能否用于預熱料液或有別的用處。此外,在考慮回收熱能的方案時還要以精餾塔可能實現(xiàn)平穩(wěn)操作為前題。必須注意:a、對任務書中根據規(guī)定的操作條件所選用的塔型、板型、填料類型等必須進行簡要論證.對流程安排中合理利用熱能的可能性必須作簡要分析,并繪制精餾裝置流程圖4(直接畫在設計說明書上。b、設計開始通常只能對方案,流程作初步安排,待整個計算完成后再對方案流程進行修正并作較全面的論證討論。2、關于工藝計算工藝計算的主要內容是:物料衡算確定產品的質量、收率和流率。確定操作條件指塔主要部位的

8、壓力和溫度。精餾計算根據相平衡數據和分離要求,根據經濟核算,確定適宜回流比;計算精餾塔的理論權數;計算板式塔的實際板數(或填料層高度,并確定進料位置。為了提高課程設計的效率和準確性,可使用計算機軟件“化工原理課程設計工藝優(yōu)化自檢系統(tǒng)”,自我檢查計算過程和結果。著重說明以下幾點:a、操作條件的確定:確定塔主要部位的壓力和溫度是求取塔板數和進行塔內氣液接觸構件(塔板或填料層設計的重要依據。設計任務書中給定的操作壓力一般指塔頂的壓力,由于塔板或填料層存在的壓降,致使沿塔壓力(因而也使溫度發(fā)生變化,使物性和氣液負荷亦將隨之而變,這對真空操作精餾塔的影響尤為顯著,設計時勢必注意。但由于操作壓力(溫度沿塔

9、分布規(guī)律又與塔內構件、氣液負荷、物性等因素有關,故確定操作條件的基本做法是先預估計再校驗。b、相平衡關系:精餾系統(tǒng)的汽液平衡數據來源很多,具體可參考有關文獻5。為了便于計算機應用,盡可能選擇用解析式表達汽液平衡關系,如對乙醇-水體系,簡化處理的方法有多種,如相對揮發(fā)度與x的直接關聯(lián)等。相對揮發(fā)度與液相濃度x的直接關聯(lián):y=x/(1+(1x=1.1213(x+0.2-1.5235 x<0.3=0.8938 x-1.0632 x0.3如苯一甲苯、乙苯一苯乙烯等物系則可作為理想系統(tǒng)處理。C、回流比的確定:對于一般體系最小回流比的確定可按常規(guī)方法處理9,但對于某些特殊體系,如乙醇水體系則要特殊處

10、理,該體系最小回流比Rmin 的求取應通過精餾段操作線與平衡線相切得到。而適宜回流比R的確定,應體現(xiàn)最佳回流比選定原則即裝置設備費與操作費之和最低,我們推薦以下簡化方法計算各項費用,從而確定最佳回流比6。設備費用:C D塔成本費C D =39870 x D1.2元式中D為塔徑,N為實際塔板數假定精餾塔每年操作7200小時,折舊率33%蒸汽費用: C S=70元/噸冷卻水費用: C W=0.3元/噸年總費用 C=0.33 X C D+C S+C W計算費用時應注意:年總費用應是每年的設備折舊費與每年的操作費之和;蒸汽費用的計算應考慮過程的蒸汽損失,一般取總蒸汽耗量5-10%.D、全塔效率的確定全

11、塔效率的確定對所設計的塔能否完成任務關系極大,但至今尚無可靠的計算方法,一般可用如下三種方法之一來確定:參考工廠同類型塔的全塔效率經驗數據;對同類型塔進行現(xiàn)場測定取得可靠的塔效數據;當缺乏經驗數據時可用經驗關聯(lián)式估算,比如對于板式精餾塔可采用0co nne11塔效經驗式2估算塔效;對于填料精餾塔可采用Murch法等經驗公式2估算等板高度。3、關于塔板(或填料層和塔體主要工藝尺寸的設計計算:板式塔工藝尺寸設計計算的主要內容包括:板間距、塔徑、塔板型式、溢流裝置、塔板布置、流體力學性能校核、負荷性能圖以及塔高等。其設計計算方法可查閱有關資料2378。著重應注意的是:塔板設計的任務是以流經塔內氣液的

12、物流量、操作條件和系統(tǒng)物性為依據,確定具有良好性能(壓降小、彈性大、效率高的塔板結構與尺寸。塔板設計的基本思路是:以通過某一塊板的氣液處理量和板上氣液組成,溫度、壓力等條件為依據,首先參考設計手冊上推薦數據初步確定有關的獨立變量,然后進行流體力學計算,校核其是否符合所規(guī)定的范圍,如不符合要求就必須修改結構參數,重復上述設計步驟直到滿意為止。最后給制出負荷性能圖,以確定適宜操作區(qū)和操作彈性。塔高的確定還與塔頂空間、塔底空間、進料段高度以及開人孔數目的取值有關,可查資料2。填料塔工藝尺寸設計計算主要內容包括:選擇填料、確定塔徑、計算填料層高度、壓降以及根據塔徑、填料層高度確定填料層的分段數目等項,

13、詳見有關資料2。4、關于附屬設備的設計(1附屬設備的設計主要有:a熱量衡算求取塔頂冷凝器、冷卻器的熱負荷和所需的冷卻水用量;再沸器的熱負荷和所需的加熱蒸氣用量;b選定冷凝器和再沸器的型式求取所需的換熱面積并查閱換熱器標準,提出合適的換熱器型號;C確定主要接管尺寸,列出接管表;d對必須配置的原料泵、回流泵等進行選型計算。(2各換熱器型式的選定得視具體換熱系統(tǒng)、介質性質以及熱負荷大小等而定。如冷卻器因通常熱負荷較大,故常用列管式換熱器且是臥式的;而冷卻器則因熱負荷一般較小,可選豎列管式或蛇管式換熱器。換熱器設計中應注意傳熱溫度差至少保持10-20左右,冷卻水出口溫度則不應大于50。(3精餾塔的主要

14、接管包括蒸氣出口管、回流管、加料管、進氣管、釜液排出管等,接管的結構型式和設計計算所需數據可查有關資料3。(4精餾裝置使用泵一般包括回流泵、產品泵、加料泵和冷卻水泵等,泵的選型計算可查閱10等有關內容.5、關于精餾塔的結構設計板式塔的結構設計內容包括塔的總體結構,塔盤結構和接管結構,可參見有關資料37。本項設計內容的基本要求:設計板式塔時,對所設計的塔徑在800以上而采用分塊式塔板時,必須考慮分塊對塔板布置的影響,可參閱資料37,其它結構設計不作要求。附:分塊式塔板基本結構塔板分塊數目與塔徑大小有關,按下表規(guī)定選取:塔板分塊數塔徑(mm 800-1200 1400-1800 1800-2200

15、 2200-2400分塊數 3 4 5 6塔板分數塊,靠近塔壁的兩塊叫弓形板,其余是矩形板,為了檢修方便,不管分成幾塊,短形板中必有一塊作為通道板,通道板的寬度統(tǒng)一取 400mm,因安裝需要,相鄰兩塊板之間的孔間距可取為100mm。6、關于設計說明書的編寫設計說明書內容應包括以下幾項:(1設計題目(包括課程設計任務書;(2說明書目錄(標題及頁次;(3設計說明(即精溜方案的說明論證,并附帶控制點精溜裝置工藝流程示意圖;(4工藝計算(包括物料衡算、回流比、理論板數、進料位置等,計算機計算應有相應框圖和源程序;(5板式塔的塔板設計(包括板間距、塔徑及塔板布置或填料精餾塔內部構件(分布器等的設計;(6

16、附屬設備的選型設計(包括預熱器、冷凝器、冷卻器和再沸器、接管、進料泵、回流泵等的設計與選型;(7設計結果匯總(包括主要工藝尺寸、各種物料的量和狀態(tài)及設計時規(guī)定的操作條件等;(8結束語(包括對設計的自我評述以及有關問題的分析討論等;(9設計參考資料目錄(資料的編寫:書名、作者、出版單位和出版年月;編寫設計說明書必須用統(tǒng)一的課程設計用紙,配上統(tǒng)一的封面裝訂成冊;說明書的文字敘述要簡練、明確、字跡要工整清楚;各種計算方法應舉例說明,公式的符號(單位應標注清楚,必要時應附上示意圖和計算數據表格;所引用的數據、公式或結論可在每頁右側留出的約2mm寬的長框內用符號*注明其來源;選用的重要參數和計算的重要結

17、果也可寫在右側的長框中或用表格的形式匯總列出。7、課程設計學生成績評定(1、評定的內容:課程設計成績評定應從課程設計的過程、課程設計的進度、課程設計的結果等方面進行綜合評定。(2、評定方法:課程設計的過程評定:評定學生的認真程度、獨立設計能力、紀律表現(xiàn)、設計進度(10%。課程設計的進程評定:在課程設計進程中,通過對學生的質疑答辯,考察、評定學生分析問題和解決問題的能力(20%。課程設計結果評定:對學生課程設計圖紙、計算說明書進行綜合評定(70%:其中計算說明書占70%,設計圖紙占30%(包括工藝流程圖和設備條件圖。計算說明書的評分標準見附件。(3、課程設計成績不及格者,須重修。三、進行本設計必

18、須注意的幾點:1.課程設計不同于求解習題,設計計算的依據和答案往往不是唯一的,故在確定設計方案或選用經驗數據時勢必注意從技術上的可行性與經濟上的合理性兩個方面進行分析比較,一個好的設計應該進行多種方案的比較,須反復多次設計計算方可得到。2.在設計過程中指導教師原則上不負責審核運算數字的正確性,因此要求學生從設計一開始就必須以嚴肅認真的態(tài)度對待設計工作,要訓練自己獨立分析、判斷結果正確性的能力。3整個設計是由論述、計算、繪圖三部分組成,所以只有計算缺少相應的論證;或計算、繪圖馬虎草率的設計是不符合要求的。4.設計中,每個人在完成規(guī)定的基本要求(詳見二的同時,各人可以酌情在某些方面加深、提高,如可

19、以適當增加附屬設備的設計計算的內容,多查閱一些參考資料以充實方案的論證材料或增加使用計算機設計的內容等。四、設計紀律1.必須按時按質完成規(guī)定的設計任務.2.必須獨立完成設計任務,不得抄襲,對抄襲嚴重者應作弊論處。3.遵守作息制度,在指定地點完成設計任務,以便指導教師隨時掌握設計進度。4.愛護圖書資料,公用圖書資料不得長期占用。5.嚴重違反設計紀律將受到一定的處分,直到被勒令停止設計。五、參考資料1.化學工程手冊第一篇化工基礎數據化學工業(yè)出版社(19802.化學工程手冊第十三篇氣液傳質設備化學工業(yè)出版社(19793.浮閥塔北京化工研究院“板式塔”專題組燃料化學工業(yè)出版社(19724.化工基本過程與設備設計教科書蘇.N迫特尼奧爾斯科戈5.“Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection” Vol. 1.6.化工過程工程工業(yè)實踐S.W Bodman著,曲德林等譯清華大學出版社(19857.塔的工藝計算石油工業(yè)出版社(19778.基礎工藝計算中冊