化工原理課程設(shè)計講稿裝控-2011

1、化工工藝與設(shè)備課程設(shè)計 中國石油大學(xué)華東 化學(xué)工程學(xué)院 化學(xué)工程系1第一局部 前言一、課程設(shè)計的目的 運用已經(jīng)學(xué)過的各門課程的知識，特別是?化工原理?與?化工工藝與設(shè)備?的知識，進行化工單元設(shè)備中常見設(shè)備精餾塔的設(shè)計，到達以下幾方面目的。培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、查閱化工資料獲取有關(guān)知識和數(shù)據(jù)、進行化工設(shè)備初步設(shè)計的能力。培養(yǎng)學(xué)生獨立工作及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的綜合能力。提高計算能力、培養(yǎng)工程實際觀念。深入了解化工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握板式精餾塔的各主要部件的結(jié)構(gòu)及作用。培養(yǎng)學(xué)生認真的學(xué)風(fēng)和工作作風(fēng)。2二、課程設(shè)計的任務(wù)1. 條件別離對象：苯、甲苯、乙苯、苯乙烯混合物別離；正丁烷、異戊烷

2、、正戊烷混合物的別離。處 理 量：例如：245 T/d原料組成：例如：苯 46% ，甲苯 54% 進料狀態(tài)：例如：q1產(chǎn)品要求：例如：塔頂產(chǎn)品 含苯99%；塔底 產(chǎn)品：含甲苯99.5%) 塔體溫度：例如要求：Tw10232. 設(shè)計任務(wù) 工藝設(shè)計 產(chǎn)品組成：xD,xW通過物料衡算 操作條件：TD,PD,TW,PW 回流比：最小回流比，Rm；操作回流比，R 塔板數(shù)：提餾段板數(shù)；精餾段板數(shù) 塔徑：D 熱負荷：冷凝器和再沸器熱負荷 塔板設(shè)計： 溢流裝置；塔板布置；流體力學(xué)校核。 塔體初步設(shè)計： 塔體設(shè)計；封頭設(shè)計；人孔和手孔的選用；接管設(shè)計。 輔助設(shè)備選用： 冷凝器的選用與校核、再沸器的選用。 繪制浮

3、閥排列圖43. 需要上交的材料 設(shè)計說明書，主要包括： 設(shè)計任務(wù)書 第一章 工藝設(shè)計 第二章 塔板設(shè)計 第三章 塔體的初步設(shè)計 第四章 塔的輔助設(shè)備選用 第五章 計算結(jié)果匯總表 第六章 結(jié)果與討論(2)浮閥排列圖(3)計算草稿5 三、日程安排 2021年8月10日8月19日,二周，扣除周六周日，實際10天，8月19日交說明書，其中：工藝計算：3天 塔板設(shè)計：3.5天塔體設(shè)計：0.5天附屬設(shè)備選用：1天繪圖：0.5天整理說明書：1天講課：0.5天 6四、課程設(shè)計過程注意問題認真閱讀教材，草擬進度表，擬定設(shè)計的方法和步驟。計算過程中要隨時復(fù)核計算結(jié)果的正確性，做到有錯即改，防止大的返工。要求來教室

4、進行設(shè)計，以便于答疑和掌握進度。 7五、參考資料No題 名責(zé)任者出版社索 取 號1冷換設(shè)備工藝計算手冊劉巍等石油化工TE965-62/12石油加工單元過程原理上沈復(fù)等石油化工TE624/7/13石油加工單元過程原理下沈復(fù)等石油化工TE624/7/24化工原理課程設(shè)計劉雪暖石油大學(xué)TQ02/635化工原理課程設(shè)計裴世紅大連理工TQ02/726化工原理課程設(shè)計：化工傳遞與單元操作課程設(shè)計賈紹義天津大學(xué)TQ02/607常用化工單元設(shè)備設(shè)計李功樣華南理工TQ051.02/18石油煉制圖表計算機處理方法金桂三石油化工TE62/99傳熱學(xué)楊世銘高等教育TK124/51/8第二局部 工藝計算設(shè)計要點 物料衡

5、算塔頂和塔底溫度和壓力確實定冷凝器及再沸器熱負荷確實定 關(guān)于混合物物性參數(shù)的計算 關(guān)于回流比的選擇 全塔效率的計算局部物性數(shù)據(jù) 9一、物料平衡 二、塔頂壓力、溫度確實定1、回流罐凝液溫度的初步確定 回流罐冷凝液的溫度，即塔頂產(chǎn)品溫度，由冷卻介質(zhì)的溫度決定，當用水作為冷卻介質(zhì)時水溫：2530，凝液溫度可取4050 ，保證冷凝器要有1020 溫度的傳熱溫差。但要注意水的出口不高于50。 1. 目的：計算塔頂、塔底產(chǎn)品組成和產(chǎn)品量。2. 方法：對于兩組分精餾，根據(jù)塔頂、塔底產(chǎn)品濃度要求，通過物料平衡計算即可求出塔頂、塔底產(chǎn)品組成。對于多組份體系，先假定清晰分割。再進行物料平衡計算(注：濃度或組成有效

6、數(shù)字位數(shù)，一般取小數(shù)點后4位)。10補充：多組分精餾的計算 關(guān)鍵組分：對多組分溶液別離起控制作用的兩個組分 (一般為工藝中最關(guān)心的、揮發(fā)度相鄰的兩個組分)。揮發(fā)度高的組分稱為輕關(guān)鍵組分，揮發(fā)度低的稱為重關(guān)鍵組分。 理論板數(shù)或填料層高度確實定，通常以關(guān)鍵組分所需到達的別離程度或回收率作為計算的依據(jù)。在一定條件下，其它組分在餾出液和釜殘液中的組成隨關(guān)鍵組分的別離程度或回收率而定，不能再任意規(guī)定。準確地預(yù)測塔頂和塔底的組成和量較難。應(yīng)用關(guān)鍵組分的概念，根據(jù)各組分間揮發(fā)度的差異，可按以下兩種情況進行組分在產(chǎn)品中的預(yù)分配，再由物料衡算或近似估算得到塔頂和塔底產(chǎn)品的組成。1、關(guān)鍵組分11所選兩關(guān)鍵組分為相

7、鄰組分， 相差較大。重于重關(guān)鍵組分的組分全在塔底產(chǎn)品中，輕于輕關(guān)鍵組分的組分全部塔頂產(chǎn)品中。非關(guān)鍵組分在產(chǎn)品中的分配可由物料衡算求得。清晰分割塔頂產(chǎn)品中有重于重關(guān)鍵組分的組分，塔底產(chǎn)品中有輕于輕關(guān)鍵組分的組分。組分在產(chǎn)品中分配不能由物料衡算求出，需在一定假設(shè)條件下，用芬斯克全回流公式進行估算。如果兩個關(guān)鍵組分不是相鄰組分，或進料中非關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度與關(guān)鍵組分的相差不大，均可能為非清晰分割。非清晰分割嚴格地說，清晰分割是不存在的，但在有的情況下為了簡化問題可以把接近清晰分割的情況視為清晰分割來處理。12回流比確實定 原那么：先確定Rmin，再根據(jù)各種經(jīng)濟因素確定適宜的R 。式中：ij 相對揮

8、發(fā)度，取塔頂和塔釜的平均值； 兩式的通根，其值介于輕、重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度之間。 恩德伍德Underwood計算公式：2、求理論板數(shù)的簡捷法13假設(shè)輕、重關(guān)鍵組分為相鄰組分，僅有一個 和 Rmin 值；假設(shè)在輕、重關(guān)鍵組分之間還有 k 個其它組分，那么 有 k+1 個 和 Rmin值，可取其平均值作為設(shè)計時的最小回流比。 應(yīng)用恩德伍德公式的條件：(1) 塔內(nèi)汽、液相為恒摩爾流；(2) 各組分的相對揮發(fā)度為常數(shù)。 方法：將多組分精餾過程簡化為輕、重關(guān)鍵組分的雙組分精餾過程，其計算過程與雙組分精餾根本相同。根本關(guān)系式：芬斯克方程、恩德伍德方程和吉利蘭關(guān)聯(lián)圖(P284)。理論板數(shù)的簡捷計算法：14

9、步驟:(1) 根據(jù)料液組成及別離要求確定輕、重關(guān)鍵組分，并由物料衡算初估各組分在塔頂和塔底中的組成；(2) 求全塔平均相對揮發(fā)度，用芬斯克方程計算最少理論板數(shù)Nmin取輕、重關(guān)鍵組分進行計算；(3) 用恩德伍德公式計算Rmin，并確定適宜的R；(4) 用吉利蘭圖求取全塔理論板數(shù)；(5) 由柯克布萊德經(jīng)驗式求精餾段所需理論板數(shù)，確定加料板位置。此局部內(nèi)容參見石油加工單元過程原理下冊P155-P17015 2、回流罐壓力的初步計算 用泡點方程計算回流罐的壓力。 1常壓或減壓時： 用Antonine(安托因)方程計算 2加壓時： T,設(shè)壓力P，查平衡常數(shù)列線圖(P250)得Ki， 代入上式是否成立，

10、進行試差計算P。 3、回流罐壓力確實定 1計算值大于101.3kPa時，采用加壓操作。 2計算值小于101.3kPa時，采用常壓或減壓操作。 4、塔頂壓力確實定。 回流罐的壓力加上管線阻力即為塔頂壓力。管線阻力可取0.1-0.2 atm，減壓塔可取25 mmHg左右。1=iixK165、塔頂溫度確實定 在塔頂壓力下計算塔頂產(chǎn)品的露點溫度即為塔頂溫度。6、塔底壓力確實定 塔底壓力等于塔頂壓力加上全塔壓降。 常、加壓塔的每板壓降可?。?-6mmHg； 減壓塔的每板壓降可?。?2-3mmHg。 7、塔底溫度確實定 在塔底壓力下，塔底產(chǎn)品的泡點溫度即為塔底產(chǎn)品的溫度。17三、冷凝器及再沸器熱負荷確實定

11、1、冷凝器熱負荷的計算 冷凝器的熱負荷是塔頂飽和蒸汽從露點氣相冷凝為泡點液相所放出的熱量，可用以下方法計算。露點氣相，Td泡點液相，Tb液相，TdQcHVHL=Cp(Td-Tb)Qc=Hv+HL18 2、再沸器熱負荷的計算 再沸器的熱負荷是塔底液相局部汽化成飽和蒸汽所吸收的熱量，蒸汽的量就是塔內(nèi)氣相流量，可用全塔熱平衡計算。QBFHFDHLDWHLWQCQ損QBDHLDWHLWQCQ損FHFQ損5 QB或近似由下式計算QBVw(HVW-HLW)19四、關(guān)于混合物物性參數(shù)的計算 混合物的分子量、密度、粘度、外表張力等參數(shù)參考圖表集的計算方法計算 五、回流比及理論板的計算 首先用Underwood

12、公式求最小回流比Rmin，再由芬斯克公式求最小理論板數(shù)Nmin，然后再由吉利蘭圖求不同R下的N，最后通過下式作圖：在N(R+1)最小處即為適宜回流比。同時得到理論板數(shù)。20六、清晰分割檢驗 如果前面進行了清晰分割假定，在確定了回流比和理論板數(shù)后，要對清晰分割的假定進行驗證，驗證方法見?石油加工單元過程原理?P160。 21七、全塔效率的計算建議采用奧康奈爾法應(yīng)用條件：注意：混合物粘度用進料溫度、進料總組成下液體粘度，單位cP。22已經(jīng)確定塔頂溫度TD假定塔底溫度TW計算各組分相對揮發(fā)度計算理論塔板數(shù)計算塔板效率計算實際板數(shù)假設(shè)每板壓降計算塔底壓力計算塔底溫度TWTWTW？是計算結(jié)束否重設(shè)TW八

13、、塔底溫度、壓力、理論板數(shù)的迭代計算減壓塔或常壓塔：由平均溫度求得各組份的飽和蒸氣壓再求相對揮發(fā)度。加壓塔：先由塔底溫度求得塔底壓力，再求平均塔壓。由塔平均壓力和溫度求Ki，再求相對揮發(fā)度。23物質(zhì)名Mtb()tc()pc(atm)苯78.280.128946.3甲苯92.1110.631940.6乙苯106.2136.234435.6苯乙烯104.2145.237439.5焦油650320表 1 分子量、沸點及臨界數(shù)據(jù)九、局部物性數(shù)據(jù)24Pb (mmHg)苯甲苯乙苯苯乙烯飽和溫度（）1-36.7-26.7-9.8-7.05-19.6-4.413.918.010-11.56.425.930.8

14、20-2.618.438.644.6407.631.852.859.86015.440.361.869.510026.151.974.182.020042.269.592.7101.340060.689.5113.6122.576080.1110.6136.2145.2表2 飽和蒸氣壓 25溫度（）苯甲苯乙苯苯乙烯密 度(kg/m3)2088286325862901408648448498876083782583186980815807814851100790787796832表3 液體的密度 26溫度（）苯甲苯乙苯苯乙烯液體的表面張力（dyne/cm）2028.8028.5429.3031.

15、153027.5227.3728.2230.084026.2526.2227.1429.015024.9925.0726.0827.956023.7423.9425.0126.907022.5022.8123.9625.86表4 液體的外表張力 溫度與外表張力的關(guān)系：非水混合物的外表張力可用下式估算： 其中：xi為i組分的摩爾分率。27物質(zhì)名稱苯甲苯乙苯苯乙烯常壓沸點Tb（K）351.3383.6409.2418.2汽化潛熱rb（kcal/kmol）7.351037.931038.501038.85103表5 液體的汽化潛熱 汽化潛熱與溫度的關(guān)系：其中：Tr、Trb分別為溫度T和常壓沸點溫度T

16、b時的比照溫度。28ABC苯15.90082788.51-52.36甲苯16.01373096.52-53.67乙苯16.01953279.47-59.95苯乙烯16.01933328.57-63.72表6 各組分的Antoine常數(shù) 29物質(zhì)名稱苯甲苯乙苯苯乙烯Cpkcal/(kmolK)34.240.248.644.3表7 液體的平均比熱0100范圍 30第三局部 塔板尺寸設(shè)計要點板間距HT的選定塔徑的計算標準浮閥的選用塔板開孔率的計算 標準塔板的選取浮閥塔板的流體力學(xué)計算塔板結(jié)構(gòu)精餾塔設(shè)計框圖31一、塔板間距HT的選定選擇塔板間距時，主要考慮以下因素霧沫夾帶物料的起泡性 操作彈性 安裝與

17、檢修的要求 塔徑塔徑/mm塔板間距mm6007008001000120014001600300032004200300 350 450 *350 450 500 600 *350 450 500 600 *800 *450 500 600 800 600 800注: 帶*者不推薦使用表1 塔板間距與塔徑的關(guān)系32塔徑公式計算 ：計算空塔氣氣速(u) 應(yīng)注意以下事項：二、塔徑的計算空塔氣速的經(jīng)驗計算公式很多，可根據(jù)經(jīng)驗公式的使用條件進行選擇。推薦使用比較普遍的史密斯和波津方法，取兩法計算的較大直徑。精餾段與提餾段應(yīng)分別計算,如兩段塔徑相差不多,可采用同一塔徑.33種類閥質(zhì)量(g)閥片厚度(mm)

18、適用塔板厚度(mm)F-1型輕閥251.52,3,4F-1型重閥3322,3,4三、標準浮閥的選用 浮閥根本知識： F-1型浮閥有輕、重兩種。閥片直徑均為48mm，閥孔直徑均為39mm，最小開度2.5mm、最大開度8.5mm。34四、塔板開孔率的計算351、取適宜閥孔氣速要大于臨界閥孔氣速的一個值對于F1型重閥，臨界閥孔氣速用下式計算。 取一個大于臨界閥孔氣速的值作為適宜的閥孔氣速，其取值原那么為：常壓塔：3-7m/s，減壓塔：10m/s，加壓塔：0.5-3m/s36對于輕閥, 臨界閥孔氣速可用下式計算m0,單個閥質(zhì)量，kg；At,單個閥孔面積，m2 。兩式聯(lián)立試差求解出臨界閥孔氣速。372、

19、由閥孔動能因數(shù)計算適宜閥孔氣速 浮閥正常操作時的閥孔動能因數(shù)的經(jīng)驗值為：817。利用該經(jīng)驗值可計算出適宜的閥孔氣速。開孔率也可以直接選取，其選取原那么為：常壓塔或減壓塔中：1015%加壓塔較?。?9%，有時達34%。3、由經(jīng)驗直接選取開孔率38五、標準塔板的選取 當塔徑和開孔率，可以從附表十?單溢流浮閥塔板標準系列參數(shù)表?選取浮閥塔板的參數(shù)。 注意要選擇和計算開孔率相近的標準塔板。 從標準浮閥塔板中可得到浮閥塔板的如下參數(shù)： 塔截面積AT；降液管堰長、堰寬；浮閥個數(shù)、排列方式；出口堰高度等。39對精餾段和提餾段進行水力學(xué)校核。繪出塔板負荷性能圖。六、塔板水力學(xué)校核1塔板壓降 ：hp不高于6mm

20、Hg常壓或加壓塔,減壓塔不高于3mmHg2霧沫夾帶量：阿列克山德羅夫經(jīng)驗公式及泛點率分別核算降液管內(nèi)液面高度 Hd：漏液 ：FoFoa5液體在降液管內(nèi)停留時間及流速 ：40塔板的負荷性能圖繪制過量霧沫夾帶線淹塔線液泛線 過量泄漏線氣相負荷下限線降液管超負荷線液相負荷上限線液相負荷下限線操作線：直角坐標紙上繪制塔板負荷性能圖，并計算塔的操作彈性K，要求K不小于3。根據(jù)塔板的流體力學(xué)計算結(jié)果和塔板的負荷性能圖，分析討論所設(shè)計塔板的特點及優(yōu)缺點。 41塔板有整塊式和分塊式兩種類型。 當塔直徑小于800mm時，一般將塔板加工成整塊式；當塔直徑大于800mm，一般將塔板加工成分塊式。分塊式塔板由兩塊弓形

21、板、一塊通道板和數(shù)個矩形板構(gòu)成。七、塔板結(jié)構(gòu)42分塊式塔板示意圖43分塊式塔板裝配圖44分塊式塔板裝配圖45分塊式塔板裝配圖46第四局部 塔輔助設(shè)備的選用與校核塔頂冷凝器的選用與校核塔頂再沸器的選用 47一、塔頂冷凝器的選用與校核48二、塔底再沸器的選用 選用塔底再沸器的主要步驟如下：根據(jù)塔釜溫度和熱源溫度計算換熱平均溫差tm。初步選取換熱總傳熱系數(shù)K 用QW=AKtm計算換熱面積 A查表選取標準換熱器，得到換熱器的根本參數(shù)。49第五局部 塔體的初步設(shè)計一、塔體設(shè)計筒體：建議采用碳鋼，筒體的壁厚根據(jù)塔徑、材料、操作溫度及壓力從表3-1中選取。封頭的設(shè)計：常用的有橢圓形、蝶形、球形等幾種，建議采

22、用橢圓形封頭參照表3-2和附錄11。50人孔及手孔的設(shè)計 直徑大于或等于800mm的塔，每隔68塊塔板設(shè)一個人孔； 塔頂、塔底及進料處必須設(shè)置人孔； 最常用的人孔規(guī)格為Dg450； 凡有人孔的地方，塔板間距要等于或大于600mm。51塔高塔頂空間HD由塔頂?shù)谝话宓酵搀w與封頭接線距離不包括封頭空間稱塔頂空間。通常取HD1.21.5m塔底空間HB由塔底第一板到塔底封頭接線距離稱塔底空間。取產(chǎn)品停留時間1015min，排量大 取35min。計算結(jié)果再加上12m作為塔底空間，即：52 進料空間HF液相進料，HF大于一般板間距并滿足安裝人孔需要即可兩相進料，那么HF要取得大些，以利于進料兩相的別離，一般

23、可?。?HF1.01.2m塔的總高H：裙座： 塔類的裙座分為圓柱形與圓錐形。當塔高與塔徑之比大于30時用圓錐形裙座，一般用圓筒形裙座。塔徑為1.22m塔裙座開4個50mm的排氣孔，塔徑在1m以上要開兩個Dg450的人孔。 圖3-4(a)53二、接管的設(shè)計 塔頂蒸汽出口管徑dv：原那么：防止過大的壓力降。特別是減壓塔。參看表3-5選擇導(dǎo)管中蒸汽的常用速度uv，計算管徑dv，并查表3-8，取接管的標準系列。 回流管管徑dR：一般回流泵輸送時，可取uR1.52.5m/s，計算回流管管徑dR，并選取標準系列。54 進料管管徑dF 液相進料采用泵送時可取uF1.52.5m/s，標準系列查表3-6，結(jié)構(gòu)如圖3-14。 假設(shè)為氣液混相進料，那么只用氣相流量計算管徑，但允許氣速應(yīng)為