課程設(shè)計授課教案

1、第一部分 課程設(shè)計動員本部分要解決為什么要進行課程設(shè)計，課程設(shè)計與大作業(yè)有什么不同，如何才能更好地完成課程設(shè)計任務(wù)等問題。一、課程設(shè)計的目的化工單元操作技術(shù)課程涉及的內(nèi)容都是從生產(chǎn)實際抽象出來的，具有很強的實用性、綜合性和復(fù)雜性。在學(xué)習(xí)各個單元操作基本原理、基本計算和設(shè)備結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過課程設(shè)計讓學(xué)員了解各個單元設(shè)備的工藝設(shè)計方法；樹立正確的設(shè)計思想；培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度負責(zé)的工作作風(fēng)；初步體察工程實際問題的復(fù)雜性；培養(yǎng)學(xué)員分析問題和解決工程實際問題的能力。因此說課程設(shè)計是化工單元操作技術(shù)課程教學(xué)中理論聯(lián)系實際、有較強綜合性和實踐性的教學(xué)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計不同于大作業(yè)，大作業(yè)中的已知條件足

2、夠，答案唯一，學(xué)生無決策權(quán)和選擇權(quán)，而課程設(shè)計要求學(xué)生自己確定方案、選擇流程，并對選擇進行論證和核算，尋找最佳設(shè)計方案。二、課程設(shè)計的要求獨立思考，注意工程觀點（操作安全性、技術(shù)先進性和可行性、經(jīng)濟合理性），提高搜集數(shù)據(jù)、查閱資料的能力，正確選用公式，掌握正確的設(shè)計方法和程序，提高分析問題和解決問題的能力。保證出勤率，按時完成設(shè)計任務(wù)。三、課程設(shè)計的內(nèi)容1、設(shè)計方案簡介論述確定或選定的工藝流程、主要設(shè)備類型和操作條件。選擇什么樣的進料熱狀態(tài)、什么樣的塔板類型、什么樣的回流方式，為什么這樣選擇等。2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算包括參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計。如設(shè)計板式精

3、餾塔，應(yīng)該確定操作溫度、計算物理性質(zhì)、理論塔板數(shù)、實際塔板數(shù)、塔高、塔徑、板面布置、核算，確保該塔能完成分離任務(wù)，并注意經(jīng)濟合理性。3、典型輔助設(shè)備的選型和計算如設(shè)計板式精餾塔時，再沸器、冷凝器、原料預(yù)熱器、原料泵、回流泵、回流罐等都是輔助設(shè)備。4、工藝流程圖標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料流向、物流量和主要化工參數(shù)測量點。先繪制生產(chǎn)工藝流程草圖，明確物料由原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程、流向及所采用的各種化工過程及設(shè)備。做出物料衡算后，再繪制工藝物料流程圖。5、主體設(shè)備工藝條件圖標(biāo)出主要結(jié)構(gòu)尺寸、技術(shù)特性和接管表課程設(shè)計報告由設(shè)計說明書和圖紙組成，說明書應(yīng)包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計算過程、表格等。編排順序

4、如下：標(biāo)題頁、設(shè)計任務(wù)書、目錄、設(shè)計方案簡介、流程說明、主體設(shè)備工藝設(shè)計、輔助設(shè)備的計算和選型、設(shè)計結(jié)果概要及設(shè)計結(jié)果一覽表、附圖、參考文獻等。第二部分 板式精餾塔工藝設(shè)計一、設(shè)計方案的確定包括塔板類型、進料熱狀態(tài)、加熱方式、回流方式、回流比、輔助設(shè)備的類型、繪流程草圖。在確定設(shè)計方案時應(yīng)注重技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性，注意節(jié)能。確定方案應(yīng)有說明。二、精餾塔操作條件的確定和物性的計算1、 操作壓力塔頂壓力的確定應(yīng)保證用冷卻水能把塔頂蒸汽完全冷凝下來，熱敏性物料應(yīng)減壓操作。塔底壓力等于塔頂壓力加上各板壓力降。此時塔板數(shù)未知，塔底壓力未知，塔底溫度無法求解，物性參數(shù)和相對揮發(fā)度不能確定，塔板數(shù)也就無法

5、確定，解決該問題應(yīng)該用猜算法，為減少猜算次數(shù)，先根據(jù)塔頂壓力，使用簡捷計算法求理論塔板數(shù)，再確定實際塔板數(shù)，過程如下：按塔頂壓強求塔頂溫度：使用露點方程猜算求解或用溫度組成圖求解按塔頂壓強求塔底溫度：使用泡點方程猜算求解或用溫度組成圖求解求平均相對揮發(fā)度、最小回流比、最少理論塔板數(shù)，用簡捷計算法求理論塔板數(shù)，再查圖得全塔板效率，算出實際塔板數(shù)（精餾段、提餾段）。2、 操作溫度根據(jù)實際塔板數(shù)，分別求出進料口和塔底壓強PF、PW，再用泡露點方程求塔頂、和塔釜溫度3、 物性計算平均摩爾質(zhì)量：分別計算出塔頂、進料口、塔釜氣液兩相的平均摩爾質(zhì)量，再算出精餾段、提餾段的平均摩爾質(zhì)量。平均密度：分別計算出塔

6、頂、進料口、塔釜氣液兩相的平均密度，再算出精餾段、提餾段的平均密度。表面張力：分別計算出塔頂、進料口、塔釜氣液兩相的平均表面張力，再算出精餾段、提餾段的平均表面張力。粘度：分別計算出塔頂、進料口、塔釜氣液兩相的平均粘度，再算出精餾段、提餾段的平均粘度。畫表列出精餾塔的操作條件和物性數(shù)據(jù)。三、精餾塔的工藝計算1、全塔物料衡算與操作線方程設(shè)計時，難分離的混合液，R可選大一些。為了減少加熱蒸汽的消耗量，R應(yīng)選小一些。2、塔板數(shù)的確定理論塔板數(shù)可由逐板計算法或圖解法求出，對理想溶液相對揮發(fā)度變化不大，可取塔頂和塔底相對揮發(fā)度的幾何平均值?；亓鞅纫部僧媹D確定。實際塔板數(shù)：NP=NT/ET 全塔板效率ET

7、由效率關(guān)聯(lián)圖求解，或用回歸方程求解，ET=0.49(L)-0.245平均相對揮發(fā)度，L在全塔平均溫度下進料液相粘度，mpa.s所求實際塔板數(shù)與估算值比較，相差不大時，設(shè)計繼續(xù)進行，否則重新計算。3、 氣液相負荷計算精餾段氣相負荷：V=（R+1）D精餾段液相負荷：L=RD提餾段氣相負荷：V=V-（1-q）F提餾段液相負荷：L=L+qF4、 精餾塔熱量衡算 四、塔和塔板主要工藝尺寸的設(shè)計1、 塔高塔有效段高度：Z=（NP-1）HT塔頂空間高度取1.5m 用以安裝破沫網(wǎng)等部件。塔底空間高度應(yīng)保證料液有10-15分鐘的停留時間。開人孔處的板間距應(yīng)大于等于600mm，板間距選取要合理，過大過小都不經(jīng)濟。

8、對易起泡物系可選擇較大的板間距，在設(shè)計中應(yīng)反復(fù)調(diào)整，確定適宜板間距。2、 塔徑精餾塔有同徑的，也有變徑的。應(yīng)盡可能采用相同直徑的塔。當(dāng)兩段負荷相差較大，用調(diào)整塔板結(jié)構(gòu)、改變開孔率不能得到滿意結(jié)果時，可以采用不同直徑的塔。 板上液層高度hL常壓 hL=0.050.1m 通常取0.050.08m減壓 hL0.025mC20：由圖查得的負荷系數(shù)值。C：操作物系的負荷系數(shù)。：操作物系的表面張力，N/m。3、 溢流裝置與液體流型的確定溢流類型根據(jù)塔徑和液體流量確定，直徑大、流量大選多溢流型式，可根據(jù)液流型式參考表來確定。板上液體流動型式有：U形流：流體流徑最長，塔板面積利用率也最高，但液面落差大，僅用于

9、小塔。單溢流：又稱直徑流，液體流徑長，塔板效率較高，塔板結(jié)構(gòu)簡單，廣泛用于直徑2.2 m以下的塔。雙溢流：又稱半徑流，可減小液面落差，但塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于直徑2m以上的大塔。階梯式雙溢流：結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，只宜于塔徑很大，流量很大的特殊場合?？傊后w在塔板上的流徑愈長，氣液接觸時間就愈長，有利于提高分離效果；但是液面落差也隨之增大，不利于氣體均勻分布，使分離效果降低。目前，凡直徑在2.2m以下的浮閥塔，一般都采用單溢流。但在大塔中，由于液面落差大會造成浮閥開啟不均，使氣體分布不均勻及出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，應(yīng)采用雙溢流以及階梯流。降液管設(shè)計：確定降液管底隙高度的原則是：保證液體流經(jīng)此處時的阻力不太大，同

10、時要有良好的液封。h0=Ls/(Lwu0)式中：Ls塔內(nèi)液體流量； uo液體通過降液管時流速，一般可取0.070.25m/s有時為了簡單，可用下式：h0 = hW - 0.006 hw外堰高度溢流堰設(shè)計：外堰（出口堰）堰長:單溢流取為(0.60.8)D；雙溢流取為(0.50.7)D，其中D為塔徑。堰高: hL = hW+h0W 式中：hL板上清液層高度 hOW堰上清液層高度。內(nèi)堰（進口堰）及受液盤若hWh0,hW=hW若hWh0。此外，為了保證液體有降液管流出時不致于受很大阻力,進口堰與降液管間水平距離h1h0.弓形降液管的寬度和截面積堰長確定后，降液管的寬度和截面積就被確定，降液管應(yīng)有足夠的

11、橫截面積，保證液體在降液管內(nèi)有足夠的停留時間，分離其中夾帶的氣泡。因此要驗算降液管內(nèi)液體停留時間4、塔板板面布置塔板有整塊式和分塊式兩種，直徑在800mm以內(nèi)的小塔采用整塊式塔板，900mm以上的大塔采用分塊式塔板。塔板板面分四個部分，分別是鼓泡區(qū)、溢流區(qū)、安定區(qū)和無效區(qū)，確定方法如下：X=(D/2)-(Wd+Ws)r=(D/2)-WC溢流區(qū)面積Af與堰長有關(guān)，前面已介紹過。安定區(qū)Ws=50-100mm無效區(qū)WC=30-75mm 塔徑越大Ws、WC越大。帶有降液管的板式塔設(shè)計原則與步驟大同小異，以上項目同時適用于篩板塔和浮閥塔，但是浮閥的數(shù)目和布置與篩孔塔板不同。浮閥的數(shù)目與布置浮閥數(shù)目：浮閥

12、塔的操作性能以浮閥剛剛?cè)_時為最好，此時F0=811。所以設(shè)計時可在此范圍內(nèi)選擇合適的F0，然后計算出u0 排列：正三角形 、等腰三角形，對于整塊塔板多采用正三角形排列，孔心距t為75mm,100mm,125mm,150mm等。對于分塊式塔板，宜采用等腰三角形叉排，同一排的孔心距t為75mm，排心距t為65mm,80mm,100mm等幾種尺寸。按算出的孔距作圖，確切排出鼓泡區(qū)內(nèi)可以布置的閥孔總數(shù)。與前面算出的閥孔總數(shù)應(yīng)相近，否則調(diào)整孔心距，重新作圖，直到相近為止。保證F0=811之間。開孔率常壓塔（減壓塔）開孔率常在1013%。加壓塔開孔率 10%，常見的為69%若塔內(nèi)上下段負荷變化較大時，應(yīng)

13、根據(jù)流體力學(xué)驗算情況，分段改變閥孔數(shù)目以提高全塔的操作穩(wěn)定性。篩板的篩孔與開孔率孔徑d0=3-8mm 多采用4-5mm，也有10-25mm 大孔徑篩板。篩板厚度=2-4mm，使用不銹鋼時厚度要薄一些?？仔木鄑=(2.5-5)d0，常?。?-4）d0。排列方式一般為正三角形。一般，開孔率大，塔板壓降低，霧沫夾帶量低，但易漏液，操作彈性小，效率低。通常開孔率為5%-15%。五、塔板流體力學(xué)驗算上面設(shè)計出來的板式塔能否正常操作，性能如何，操作彈性有多大，必須進行流體力學(xué)驗算。浮閥塔和篩板塔驗算的內(nèi)容相同，部分公式不同，現(xiàn)分別討論。（一）浮閥塔板流體力學(xué)驗算1、氣體通過塔板的壓力降氣體通過塔板的壓力降

14、直接影響到塔底的操作壓力，故此壓力降數(shù)據(jù)是決定蒸餾塔塔底溫度的主要依據(jù)。壓力降過大，對塔內(nèi)氣液兩相的正常流動有影響。壓力降：PP=PC+PL+P塔板本身的干板壓降PC板上充氣液層的阻力PL液體的表面張力造成的阻力P折合成塔內(nèi)液體的液柱高度，則PP/L g=PC/L g +PL /L g +P/L g 即hp=hc+hL+h0為充氣系數(shù)，液相為水時取0.5，油時取（），碳氫化合物時取（）液體的表面張力造成的阻力很小，可忽略。浮閥塔的壓力降一般比泡罩塔板的小，比篩板塔的大。在正常操作情況下，塔板的壓力降大多在265530 N/m2 之間。.減壓塔中為了減少塔的真空度損失，一般約為98245Pa。

15、通常在保證較高塔板效率的前提下，力求減少塔板壓力降，以降低能耗及改善塔的操作性能。2、液泛（淹塔）氣液兩相中某一相的流量增大到某一數(shù)值，上、下兩層板間的壓力降便會增大到使降液管內(nèi)的液體不能順暢地流下。當(dāng)降液管內(nèi)的液體滿到上一層塔板溢流堰頂之后，便漫到上層塔板上去，這種現(xiàn)象，稱為液泛（淹塔）。如氣速過大，便有大量液滴從泡沫層中噴出，被氣體帶到上一層塔板，或有大量泡沫生成。如液體流量過大，降液管中液體不能及時通過，于是管內(nèi)液面即行升高。液泛判據(jù)：不發(fā)生液泛時應(yīng)滿足Hd(HT+hw), 系數(shù)，對一般物系?。?.3-0.4）不宜發(fā)泡物系?。?.6-0.7）。為保證液體順利流下，降液管中清液層高度Hd=

16、hp+hL+hd3、霧沫夾帶指板上液體被上升氣流帶入上一層塔板的現(xiàn)象。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克上升氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過0.1kg，即控制霧沫夾帶量eV0.1kg（液）/kg（氣）。影響霧沫夾帶的因素很多，最主要的是空塔氣速和塔板間距。對于浮閥塔板霧沫夾帶量的計算，迄今尚無適用于一般工業(yè)塔的確切公式。通常是間接地用操作時的空塔氣速與發(fā)展液泛時的空塔氣速的比值作為估算霧沫夾帶量大小的指標(biāo)。此比值稱為泛點百分數(shù)或稱泛點率。在下列泛點率數(shù)值范圍內(nèi)，一般可保證霧沫夾帶量達到規(guī)定的指標(biāo)，即eV0.1kg（液）/kg（氣）。大塔 F18082%負壓塔 F17577%D90

17、0mm的塔, F16570%分別算出泛點率取大者為驗算依據(jù)，如算得的泛點率不在上述范圍內(nèi)，則應(yīng)當(dāng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，如板間距、塔徑，重新計算，直至符合上述泛點率規(guī)定的范圍為止。4、漏液當(dāng)氣相負荷減少，致使上升氣體通過閥孔的動能不足以阻止液體經(jīng)閥孔流下時，便會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。泄漏發(fā)生，塔板效率嚴重下降。正常操作時，泄漏應(yīng)不大于液體流量的10%。經(jīng)驗證明，當(dāng)閥孔動能因數(shù)F0=56時，泄漏量常接近10%。故取F0=56作為控制泄漏量的操作下限。當(dāng)浮閥在剛?cè)_操作，氣體通過閥孔處的動能因數(shù)F0=811。5、液體在降液管中的停留時間：要保證氣泡夾帶不超過允許的程度，降液管內(nèi)液體停留時間應(yīng)不小于35S。6、塔板的

18、負荷性能圖確定了塔板的工藝尺寸，再按前述的各項進行流體力學(xué)驗算，便可確認所設(shè)計的塔板能否在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下正常操作，此時，還要進一步揭示該塔板的操作性能，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣液負荷波動范圍，這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示，在以VS，LS分別為縱橫軸的直角坐標(biāo)系中，標(biāo)繪出各種不正常流體力學(xué)條件下的VSLS關(guān)系曲線，在以這些曲線為界的范圍之內(nèi)，才是塔的適宜操作區(qū)。液沫夾帶上限線：液沫夾帶上限線表示霧沫夾帶量eV=0.1kg（液）/kg（氣）時的VSLS關(guān)系，塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線以下，否則將因過多的液沫夾帶而使效率下降。此線可根據(jù)下式作出，即：對于一定的物系及一定的塔板

19、結(jié)構(gòu)尺寸CV，ZL，Ab，CF，K均為已知值，相應(yīng)于霧沫夾帶量eV=0.1kg（液）/kg（氣）時的泛點率F1值亦可確定，將已知值代入，便可得出一個的關(guān)系的函數(shù)式，據(jù)此作出液沫夾帶上限線。液泛線（淹塔線）：此線表示降液管內(nèi)泡沫層高度超過最大允許值時的VSLS關(guān)系，塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線以下，否則將可能發(fā)生液泛現(xiàn)象，破壞塔的正常操作。 液相負荷上限線：亦稱降液管超負荷線，此線表明液體流量大小應(yīng)保證液體在降液管內(nèi)停留時間的起碼條件。不應(yīng)小于35S，而按=5S計算，則：依上式求得液相負荷上限LS的數(shù)值（常數(shù)），據(jù)以作出液相負荷上限線。泄漏線：氣相負荷下限線，此線表明不發(fā)生嚴重泄漏現(xiàn)象的最低氣相負荷

20、，再低將產(chǎn)生超過液體量的10%泄漏量。對于FI重閥，當(dāng)閥孔動能因數(shù)F0=56時，泄漏量接近10%，即以此閥孔動能因數(shù)作為氣相負荷下限的依據(jù)，按F0=5計算，則式中V，N，d都為已知值，故可依上式求出氣相負荷VS的下限值，據(jù)以繪出一條水平的泄漏線。液相負荷下限線：對于平堰，一般取堰上液層高度how=6mm作為液相負荷下限條件，低于此限時，便不能保證板上液流的均勻分布，降低氣液接觸效果。根據(jù)已知的LW值及hOW的下限值，便可求得的下限值（常數(shù)），據(jù)以作出液相負荷下限線。在負荷性能圖上有五條線所包圍的區(qū)域，是塔板適宜操作區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，塔板上的流體力學(xué)狀態(tài)是正常的，但區(qū)域內(nèi)各點的板效率并不完全相同

21、。如果塔的設(shè)計點能落在該區(qū)域內(nèi)的適中位置，則可望獲得良好的操作效果，否則，當(dāng)負荷稍有變動便會使效率急劇下降，甚至破壞塔的正常操作操作。（二）篩板塔流體力學(xué)驗算1、氣體通過塔板的壓力降氣體通過塔板的壓力降直接影響到塔底的操作壓力，故此壓力降數(shù)據(jù)是決定蒸餾塔塔底溫度的主要依據(jù)。壓力降過大，對塔內(nèi)氣液兩相的正常流動有影響。2、液泛（淹塔）汽液兩相中之一的流量增大到某一數(shù)值，上、下兩層板間的壓力降便會增大到使降液管內(nèi)的液體不能順暢地流下。當(dāng)降液管內(nèi)的液體滿到上一層塔板溢流堰頂之后，便漫到上層塔板上去，這種現(xiàn)象，稱為液泛（淹塔）。如氣速過大，便有大量液滴從泡沫層中噴出，被氣體帶到上一層塔板，或有大量泡沫

22、生成。如當(dāng)液體流量過大時，降液管的截面便不足以使液體及時通過，于是管內(nèi)液面即行升高。液泛判據(jù)：不發(fā)生液泛時應(yīng)滿足Hd(HT+hw), 系數(shù)，對一般物系取0.5，易起泡物系取（0.3-0.4）不宜起泡物系取（0.6-0.7）。為保證液體順利流下，降液管中清液層高度Hd=hp+hL+hd3、霧沫夾帶是指板上液體被上升氣流帶入上一層塔板的現(xiàn)象。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克上升氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過0.1kg，即控制霧沫夾帶量eV104；0.7Pr50。適用于低粘度的液體（通常適用于粘度不大于常溫水粘度兩倍的液體）和氣體。（三）、計算管、殼層壓力降壓力降如果超過工藝允許的范圍，說明