河北工業(yè)大學化工學院2016版化工原理課程設(shè)計

化工原理課程設(shè)計河北工業(yè)大學化工原理教研室一、《化工原理課程設(shè)計》的意義1、意義工程設(shè)計是工程建設(shè)的靈魂，又是科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的橋梁，它決定著工業(yè)現(xiàn)代化的水平?；ぴ碚n程設(shè)計是綜合利用本門課程和前修課程（物理化學、化工熱力學、化機基礎(chǔ)、化工儀表及自動化等）的基本知識，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù)，即以精餾單元操作為主的一次設(shè)計實踐，目的是培養(yǎng)學生的綜合解決問題的能力，培養(yǎng)學生針對實際生產(chǎn)任務(wù)，利用已學的知識分析問題、解決問題的能力所進行的一次模擬訓練。通過課程設(shè)計，要求學生了解工程設(shè)計的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計的程序和方法；樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴肅認真、高度責任感的工作作風。《化工原理課程設(shè)計》的意義要求我們站在工程師的角度思考問題，解決實際問題。在確定方案時，要充分考慮其先進性，可行性，經(jīng)濟性，環(huán)境友好等等。2、《化工原理課程設(shè)計》的特點

工程設(shè)計作業(yè)生產(chǎn)任務(wù)：一個復(fù)雜問題，一個問題，多個問題的簡單總和答案、結(jié)果：綜合多個方面少數(shù)結(jié)果任務(wù)來源：多章，多門課多為某一章的問題基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：教科書，設(shè)計材料，工程手冊教科書設(shè)計計算：由于條件不足，大多需試差條件確定要求：實際問題，嚴格要求，責任大正確與否只關(guān)系到對書本知識的掌握知識來源：書本知識+文獻資料＋實踐經(jīng)驗書本知識

1、學習、熟悉查閱資料、收集資料的方法，搜集有關(guān)數(shù)據(jù)，正確選用公式；2、樹立正確的設(shè)計思想，包括技術(shù)路線的可行性、先進性，經(jīng)濟上的合理性，可操作性，環(huán)境保護等；3、準確、精練的表達能力：將設(shè)計思想、設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果用精練的語言、簡潔的文字、清晰的圖表達出來；4、熟悉進行實際設(shè)計工作的基本步驟：任務(wù)—搜集數(shù)據(jù)資料—方案設(shè)計—工藝設(shè)計—對結(jié)果進行分析、討論、修正——設(shè)計報告

3、對同學的要求：獨立完成二課程設(shè)計的內(nèi)容設(shè)計任務(wù)書目錄設(shè)計方案的確定（工藝流程、設(shè)備選型等）主要設(shè)備的設(shè)計計算及說明（1）精餾塔的工藝計算（物料衡算、塔板數(shù)計算）（2）塔板的工藝計算a.塔徑b.塔板布置（溢流裝置、塔板布置、篩孔或浮閥的設(shè)計及排列）

c.流體力學驗算（3）繪制塔板的負荷性能圖（4）根據(jù)負荷性能圖，對設(shè)計進行分析，若設(shè)計不理想，對某些參數(shù)進行調(diào)整。（5）設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表（6）附屬設(shè)備的計算或選型（7）輔助物料及能耗的計算5.對本設(shè)計的評述或有關(guān)問題的分析討論6.生產(chǎn)工藝流程圖7.精餾塔設(shè)備條件圖(塔高的計算)8.參考文獻目錄化工原理課程設(shè)計任務(wù)書

設(shè)計題目及設(shè)計條件（一）連續(xù)操作甲苯精餾塔（二）連續(xù)操作甲醇－水精餾塔（三）連續(xù)操作乙醇－水精餾塔

化工原理課程設(shè)計任務(wù)書

設(shè)計題目及設(shè)計條件（一）連續(xù)操作甲苯精餾塔1、生產(chǎn)能力：年處理甲苯——二甲苯混合液40000噸；

年開工時數(shù)8000小時；2、物料組成：原料含甲苯：45%（質(zhì)量％）其余為二甲苯（物性可按間二甲苯計算）

塔頂產(chǎn)品：含甲苯99.7％；

塔底產(chǎn)品：含二甲苯99.7％；3、設(shè)備型式：A.浮閥塔B.篩板塔4、操作條件：塔頂壓強：5.0KPa

建廠地區(qū)平均大氣壓力760mmHg

年平均最高氣溫：33℃年平均最低氣溫：-10℃

設(shè)計題目及設(shè)計條件（二）連續(xù)操作甲醇－水精餾塔

1、生產(chǎn)能力：年產(chǎn)產(chǎn)品8000噸；

年開工時數(shù)8000小時；

2、分離要求：（甲醇質(zhì)量％）

進料組成：38.2％，其余為水；

精甲醇：≥99.5％；

殘液組成：≤0.05％；

3、設(shè)備型式：A.浮閥塔B.篩板塔

4、操作條件：塔頂壓強：≥0.005MPa

進料狀況：自定

回流比：自定

建廠地區(qū)大氣壓強：760mmHg

板壓降可按400-700Pa

估算

設(shè)計題目及設(shè)計條件（三）連續(xù)操作乙醇精餾塔

1、生產(chǎn)能力：年產(chǎn)產(chǎn)品酒精8000噸；

年開工時數(shù)8000小時；

2、分離要求：（乙醇質(zhì)量％）

進料組成：40％（v/v)，其余為水；

產(chǎn)品乙醇：≥94％；

乙醇收率不低于99.7%

3、設(shè)備型式：A.浮閥塔B.篩板塔

4、操作條件：塔頂壓強：0.4米水柱

進料狀況：自定

回流比：自定

加熱方式:A.直接蒸汽B.間接蒸汽

廠址：天津地區(qū)

工業(yè)規(guī)模塔設(shè)備（一）塔設(shè)備是化工、煉油、制藥等行業(yè)生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一，是化工類企業(yè)的標志性設(shè)備，廣泛應(yīng)用于精餾、吸收（解吸）等單元操作中。塔設(shè)備的性能對于整個裝置和企業(yè)的生產(chǎn)能力、成本以及三廢和環(huán)保等方面都有重大影響。石化廠的精餾塔進料口精餾段原料罐及甲醇產(chǎn)品罐提鎦段塔頂蒸氣出口再沸器冷凝器◆2012年度國家科技進步二等獎（二）高效分離技術(shù)“立體傳質(zhì)塔板CTST”立體傳質(zhì)塔板CTST的結(jié)構(gòu)特點（分塊塔板）噴射板分離板底隙端板噴射罩CTST優(yōu)秀性能：1、效率高；2、通量大：對于擴產(chǎn)項目，保持原塔殼、塔基礎(chǔ)不變，僅將原塔板更換為CTST即可達到擴產(chǎn)50-100%的目的；節(jié)省設(shè)備投資2/3以上；3、壓降低、能耗低；4、能處理含固體、易發(fā)泡物料。印度阿拉賓度制藥有限公司蘇丹喀土穆煉油股份有限公司古巴哈瓦那煉油廠日本明治制果株式會社20年來，本項目成果成功應(yīng)用到我國30個省市自治區(qū)以及國外四國的300家化工企業(yè)，塔器數(shù)量達到3000座，創(chuàng)經(jīng)濟效益超過30億。成果應(yīng)用推廣情況和經(jīng)濟社會效益(一)工藝流程的確定及說明工藝流程指為完成給定的生產(chǎn)任務(wù)所需的工藝技術(shù)過程、設(shè)備配置、操作控制方案等，工藝流程的確定是實際設(shè)計工作的總體設(shè)計思想的體現(xiàn)，以后所有的設(shè)計都是圍繞著工藝流程進行的。三、課程設(shè)計項目化工原理課程設(shè)計任務(wù)書

設(shè)計題目及設(shè)計條件（一）連續(xù)操作甲苯精餾塔1、生產(chǎn)能力：年處理甲苯——二甲苯混合液40000噸；

年開工時數(shù)8000小時；2、物料組成：原料含甲苯：45%（質(zhì)量％）其余為二甲苯（物性可按間二甲苯計算）

塔頂產(chǎn)品：含甲苯99.7％；

塔底產(chǎn)品：含二甲苯99.7％；3、設(shè)備型式：A.浮閥塔B.篩板塔4、操作條件：塔頂壓強：5.0KPa

建廠地區(qū)平均大氣壓力760mmHg

年平均最高氣溫：33℃年平均最低氣溫：-10℃

設(shè)計題目及設(shè)計條件（二）連續(xù)操作甲醇－水精餾塔

1、生產(chǎn)能力：年產(chǎn)產(chǎn)品8000噸；

年開工時數(shù)8000小時；

2、分離要求：（甲醇質(zhì)量％）

進料組成：38.2％，其余為水；

精甲醇：≥99.5％；

殘液組成：≤0.05％；

3、設(shè)備型式：A.浮閥塔B.篩板塔

4、操作條件：塔頂壓強：≥0.005MPa

進料狀況：自定

回流比：自定

建廠地區(qū)大氣壓強：760mmHg

板壓降可按400-700Pa

估算

設(shè)計題目及設(shè)計條件（三）連續(xù)操作乙醇精餾塔

1、生產(chǎn)能力：年產(chǎn)產(chǎn)品酒精8000噸；

年開工時數(shù)8000小時；

2、分離要求：（乙醇質(zhì)量％）

進料組成：40％（v/v)，其余為水；

產(chǎn)品乙醇：≥94％；

乙醇收率不低于99.7%

3、設(shè)備型式：A.浮閥塔B.篩板塔

4、操作條件：塔頂壓強：0.4米水柱

進料狀況：自定

回流比：自定

加熱方式:A.直接蒸汽B.間接蒸汽

廠址：天津地區(qū)

工業(yè)精餾裝置進料口精餾段原料罐及甲醇產(chǎn)品罐提鎦段塔頂蒸氣出口再沸器冷凝器(一)工藝流程的確定及說明(一)工藝流程的確定及說明包括以下內(nèi)容：（1）工藝流程圖:任務(wù)不同，流程圖也應(yīng)不同.所涉及的設(shè)備齊全：貯罐、泵、塔、再沸器、冷凝器、換熱器:V,P,T,E,T0105設(shè)備之間連接管路的尺寸、流向等:DN50,→測量檢測儀表、控制閥門、控制方案操作控制方式以確保質(zhì)量合格、操作穩(wěn)定（2）工藝流程方案說明,工藝過程描述

主要設(shè)計思想描述：確定操作壓力、確定塔型式（板式塔及板型、填料塔及選型或其它）、確定加熱、冷凝方式（能量集成）、確定加料、進料熱狀況（預(yù)熱方式）、回流方式等操作控制方案描述：開車、正常運行、停車操作；工藝流程圖示例——丙酮精餾開車正常運行停車工業(yè)精餾裝置進料口精餾段原料罐及甲醇產(chǎn)品罐提鎦段塔頂蒸氣出口再沸器冷凝器（二）精餾塔的工藝計算

（物料衡算、塔板數(shù)計算）W，xwF，xFD，xDNP＝NT/ET1、物料衡算：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)確定塔頂、塔底產(chǎn)品的流量、組成進行。對于塔釜為廢水的物系，塔釜含輕組分的量應(yīng)≤0.05%wt2、平衡關(guān)系、平衡數(shù)據(jù)求?。翰殚嗁Y料，計算，實驗測?、偌状肌?、乙醇—水系統(tǒng)為非理想物系可使用x-y圖（760mmHg)，從文獻中查取。確定操作最小回流比Rmin確定回流比R求精餾塔的氣、液相負荷L、V、L’、V’求操作線方程圖解法求理論板層數(shù)（二）精餾塔的工藝計算（物料衡算、塔板數(shù)計算）2、平衡關(guān)系、平衡數(shù)據(jù)求取：②甲苯—二甲苯系統(tǒng)近理想物系，逐板計算

y=x/[1+(-1)x]=(y/x)/((1-y)/(1-x))=PAO/PBO

AntonieEq.PAO=A-B/(T+C),A,B,C為Antonie系數(shù)，查物性數(shù)據(jù)塔頂可按純甲苯計算、塔釜按純二甲苯計算塔釜壓力PW=PD+NPPNP

為實際板數(shù)，試差求算

m=(D+

W)/2（二）精餾塔的工藝計算（物料衡算、塔板數(shù)計算）3、理論板數(shù)NT

的計算根據(jù)恒摩爾流假設(shè)，進料狀況、回流方式、加熱方式根據(jù)自己的流程圖確定求算過程

q值的計算，根據(jù)進料狀況（根據(jù)自己流程圖確定）

最小回流比Rmin

的確定：圖解法，解析計算法

操作回流比R=(1.05~2)Rmin，應(yīng)根據(jù)操作費用、設(shè)備投資進行優(yōu)化，或根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗、客觀因素的限制確定。操作線方程3、理論板數(shù)NT

的計算xD求算方法（1）：逐板計算法。手算，或計算機編程計算便于重復(fù)計算求算方法（2）：圖解法，需局部放大4、實際板數(shù)的計算基本公式：NP=NT/ET

NT的確定：不包括加熱釜、釜式再沸器或塔頂分凝器板效率

ET估算：1、根據(jù)實際生產(chǎn)情況計算得到2、根據(jù)經(jīng)驗估計3、用經(jīng)驗公式估算，采用

O’connellEq.估算:

ET=0.49(L)-0.245

：定性溫度t=(tD+tW)/2的相對揮發(fā)度L=xiLi,[mPa.sorcP],xi,進料組成

用此式估算的結(jié)果一般作為參考，具體確定時應(yīng)參照工業(yè)生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)。一般極性物系：ET=30~45%

接近理想物系：

ET=60~80%

用此方法計算實際板數(shù)后，應(yīng)增加15-20%的安全裕量，作為實際板數(shù)Np在確定實際塔板數(shù)后，應(yīng)說明精餾段和提餾段的塔板數(shù)和進料板位置。F,xFVLD,xDLW,xWVⅠⅡⅢⅣ5、系統(tǒng)設(shè)備再沸器、冷凝器、預(yù)熱器、

泵的計算與選型1、再沸器、冷凝器、預(yù)熱器的計算與選型

Q=K.A.tm

需計算熱負荷、tm，并根據(jù)物料特性和場合估計：

總傳熱系數(shù)K，

換熱器面積，

熱、冷公用工程用量（加熱蒸汽的用量及壓力、

冷卻介質(zhì)的用量）2、加料泵與/或回流泵的計算與選型（流體輸送機械）根據(jù)流程，估計設(shè)備的相對位置及管長，初選管徑，也可估算阻力降；根據(jù)計算選泵。3、接管尺寸的確定：根據(jù)物流的流量密度、粘度等，選擇安全適宜的流速ui，計算所需的管徑di，根據(jù)管徑計算值，查管材手冊確定管的規(guī)格。（三）塔板的工藝計算（塔徑，塔板布置，流體力學驗算）

——塔徑的計算1、選取設(shè)計計算基準面選取4個截面，

精餾段上下各一：Ⅰ、Ⅱ提餾段上下各一：Ⅲ、Ⅳ計算出各截面的物流、物性數(shù)據(jù)，列表板壓降取0.5-0.7kPa,

Ⅱ、Ⅲ物性按精餾段最下一層塔板、提餾段第一層計算。

F,xFVLD,xDLW,xWVⅠⅡⅢⅣ塔徑計算Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ截面的壓力按實際塔板數(shù)、估算的單板壓降0.5-0.7kPa計算；

其溫度，按該組成、壓力下的泡點對于非理想物系，可按1atm下的T-x-y圖讀取溫度，然后按理想汽體溫度校正T1/T2=P1/P2

F,xFVLD,xDLW,xWVⅠⅡⅢⅣ不同截面流量與物性表

2、對四個截面分別進行塔徑估算設(shè)塔板間距HT，

一般為300-600mm板上液層高度hL,一般為50-80mm

操作氣速u=(0.6-0.8)umax

根據(jù)Smith關(guān)聯(lián)圖，查取數(shù)據(jù)，得出四個不同截面的塔徑估計值；D1、D2、D3、D4F,xFVLD,xDLW,xWV1234Smith關(guān)聯(lián)圖

F,xFVLD,xDLW,xWV1234Φ500，Φ600，Φ700，Φ800，Φ1000，Φ1200，Φ1400，Φ1600，Φ1800，Φ2000，Φ2200，Φ2400，Φ2600，Φ2800，Φ3000，Φ3200，設(shè)計基準面：

精餾段按預(yù)估塔徑時較大的截面作為設(shè)計基準截面；T12max

提餾段按預(yù)估塔徑時較大的截面作為設(shè)計基準截面；T34max

得到精餾段、提餾段兩種塔板工藝尺寸

精餾段、提餾段分別設(shè)計塔板工藝尺寸。如接近可合為一。（三）塔板的工藝計算（塔徑，塔板布置，流體力學驗算）

——塔板的工藝尺寸和布置

（1）溢流裝置根據(jù)設(shè)計基準面對該截面的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計，包括：出口堰長lW、堰高hW,降液管（形式、寬度、底隙）、受液盤。（2）塔盤及其布置1.受液區(qū)和降液區(qū)，入口安定區(qū)和出口安定區(qū)，邊緣區(qū)，有效傳質(zhì)區(qū)。2、浮閥或篩孔排列：根據(jù)計算，并實際排列。（三）塔板的工藝計算（塔徑，塔板布置，流體力學驗算）

——塔板的工藝尺寸和布置1、降液管：單溢流弓形降液管Ad/AT=6~12%，停留時間τ>5s2、溢流堰：堰高hw：對于常壓和加壓塔一般取50～80mm

減壓塔15-25mm

堰長lw：與降液管面積相對應(yīng)，單溢流lw/D=0.6~0.75。堰上液層高度how：平直堰how>6mm

如堰上液層高度小于6mm或接近6mm，應(yīng)選擇齒形堰

齒深10、15、20mm（增減5mm）3、受液盤和底隙：

D<800mm平受液盤D>800mm凹形受液盤盤深>50mm底隙高度ho：等于盤深或（hw-6）mm,同時底隙流速uo’≤0.3m/s

（細節(jié)尺寸應(yīng)以5mm增減）

塔板的工藝尺寸和布置A.溢流裝置的設(shè)計塔板溢流類型a.U形流；b.單溢流；c.雙溢流；d.階梯式雙溢流4、溢流方式確定B.塔板及其布置塔徑大于800mm，采用分塊塔板設(shè)計1、受液區(qū)與降液區(qū)：等面積設(shè)計2、入口安定區(qū)與出口安定區(qū)：等寬度設(shè)計，取50～100mm;3、邊緣區(qū)：固定塔板時用一般取寬度50～75mm;4、有效傳質(zhì)區(qū)：余下區(qū)域；對于分塊式塔板，分塊板之間的連接和固定要占用一部分塔板面積，一般可取25mm。

塔板的工藝尺寸和布置整塊浮閥塔板整塊篩板浮閥塔板分塊塔板原則：寬度≤420mm，人孔裝卸分塊塔板-篩板立體傳質(zhì)塔板CTST的結(jié)構(gòu)特點Φ4200常壓塔C.F1浮閥塔板設(shè)計1、閥孔動能因子：Fo=8~122、閥孔氣速：3、浮閥數(shù)目計算：4、浮閥排列：A4/A3坐標紙繪圖（1）正三角形順排或錯排；75、100、125mm

（2）等腰三角形：分塊塔板，底邊長75、100mm5、實際開孔率：

塔板的工藝尺寸和布置整塊塔板浮閥排列圖

一般當塔徑小于等于φ600時，采用整塊塔，塔體分節(jié)安裝。塔徑大于φ600時，采用分塊塔，塔體一般不分節(jié)，在塔體上開人孔，以便安裝和維修。本次設(shè)計要求大于φ1000分塊。分塊浮閥塔板排列圖為什么分塊？拆裝、檢修等要求D.篩孔的計算及排列1、篩孔直徑do：3～8mm，推薦5mm左右。2、孔中心距t：（2.5～5）do，推薦3～4。3、篩孔數(shù)：在坐標紙上排列4、開孔率：

塔板的工藝尺寸和布置1、針對精餾段基準面T12max、提餾段基準面T34max塔板驗算：（1）塔板壓降（2）液沫夾帶（3）降液管液泛（4）降液管內(nèi)停留時間（5）漏液

（6）穩(wěn)定性系數(shù)（對于篩板塔）F,xFVLD,xDL’W,xWV’1234（三）塔板的工藝計算（塔徑，塔板布置，流體力學驗算）

——流體力學驗算（四）塔板負荷性能圖

VhLPF操作點漏液線溢流液泛線霧沫