甲醇-水體系化工原理課程設(shè)計(jì)

2023/2/41化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容一、精餾塔工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)二、精餾塔設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)三、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)2023/2/42課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)題目甲醇-水混合液精餾裝置的設(shè)計(jì)2023/2/43課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)原始條件原料液：甲醇水雙組分混合液原料液處理量1-3萬噸/年原料液初溫

30℃原料液含甲醇20-90%(質(zhì)量)餾出液含甲醇99.0-99.8%(質(zhì)量)甲醇回收率≥

99.5%(質(zhì)量)蒸汽壓力（絕）：5kgf/cm2每年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間：8000小時(shí)

冷卻水溫度：30℃

冷卻水溫升：5℃2023/2/442023/2/452023/2/46課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)完成精餾工藝設(shè)計(jì)，運(yùn)用最優(yōu)化方法確定最佳操作參數(shù)選用板式塔進(jìn)行精餾塔設(shè)備工藝設(shè)計(jì)和有關(guān)附屬設(shè)備設(shè)計(jì)和選用編寫設(shè)計(jì)說明書和設(shè)計(jì)計(jì)算書繪制工藝流程圖、塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、塔板負(fù)荷性能圖2023/2/47課程設(shè)計(jì)的目的總體目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，特別是本門課程的有關(guān)知識(shí)解決化工實(shí)際問題的能力，使我們學(xué)到進(jìn)行化工設(shè)計(jì)的基本步驟和方法，得到一次進(jìn)行化工設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練，為今后從事設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。2023/2/48課程設(shè)計(jì)的目的培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的能力查閱資料，選用公式和數(shù)據(jù)的能力從技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)上的合理性兩方面樹立正確的設(shè)計(jì)思想，分析和解決工程實(shí)際問題的能力應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力運(yùn)用簡(jiǎn)潔文字、圖表表達(dá)設(shè)計(jì)思想的能力2023/2/49設(shè)計(jì)準(zhǔn)則經(jīng)濟(jì)性先進(jìn)性可靠性和穩(wěn)定性可行性2023/2/4101精餾塔工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)建立精餾流程精餾塔的工藝計(jì)算2023/2/4111.1精餾流程2023/2/4121.1精餾流程加料方式高位槽加料泵進(jìn)料料液狀態(tài)需考慮降低塔釜熱負(fù)荷及加熱能位，同時(shí)要求的熱狀態(tài)比較穩(wěn)定，一般要在單相狀態(tài)2023/2/4131.1精餾流程塔頂冷凝狀態(tài)全凝器分凝器塔釜加熱方式再沸器間接加熱方式(計(jì)算輔助設(shè)備)直接加熱方式2023/2/4141.1精餾流程塔頂產(chǎn)品出料狀態(tài)甲醇出料后要貯存，所以需冷卻(例如40℃~50℃)塔底產(chǎn)品出料狀態(tài)冷凝器位置自然回流強(qiáng)制回流2023/2/4151.2精餾塔的工藝計(jì)算目標(biāo)要求精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)用最小

精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)

CD為塔體費(fèi)用：CD=13290·D1.2·NCF為換熱器費(fèi)用：CF=2000·A

CS為蒸汽費(fèi)用

CW為冷卻水費(fèi)用2023/2/4161.2精餾塔的工藝計(jì)算物料衡算(確定進(jìn)料、塔頂、塔釜的量及濃度)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用計(jì)算(求R=1.5Rmin時(shí)精餾塔費(fèi)用)根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算確定Ropt2023/2/4171.2.1物料衡算已知：xD、xW、xF、W求解D、FF=D+WFxF=DxD+WxW要求單位一致,kg/horkmol/h采用質(zhì)量、摩爾兩種單位都有BottomsQ7Q1FeedDistillate2023/2/4181.2.2經(jīng)濟(jì)費(fèi)用計(jì)算最小回流比Rmin計(jì)算求理論塔板數(shù)N求總板效率ET及實(shí)際板數(shù)NT塔徑估算費(fèi)用計(jì)算2023/2/4191.2.2.1最小回流比Rmin計(jì)算相平衡數(shù)據(jù)

1)可以查相關(guān)參考書

2)對(duì)于理想體系可采用相對(duì)揮發(fā)度α全塔：2023/2/4201.2.2.1最小回流比Rmin計(jì)算進(jìn)料熱狀況參數(shù)q設(shè)進(jìn)料處壓力P進(jìn)=(P頂+P釜)/2據(jù)Antonine方程求出進(jìn)料處的泡點(diǎn)溫度T泡點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)料溫度TF根據(jù)甲醇、水的物性數(shù)據(jù)求算q值2023/2/4211.2.2.1最小回流比Rmin計(jì)算根據(jù)平衡關(guān)系和q求得RminxEquilibriumcurve45°linexDxFqlineafye2023/2/4221.2.2.2求理論塔板數(shù)N設(shè)R=1.5Rmin求算理論塔板數(shù)N平衡線方程精餾段操作線方程提餾段操作線方程q線EquilibriumcurvexFxwyxD1234x2023/2/4231.2.2.2求理論塔板數(shù)N逐板計(jì)算法通過Excel計(jì)算可以省很多計(jì)算時(shí)間注意：理論板上精確到小數(shù)點(diǎn)后一位進(jìn)料前后方程的過渡2023/2/4241.2.2.3求ET及實(shí)際板數(shù)NT總板效率ETO‘Connell公式注：相對(duì)揮發(fā)度為全塔平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度粘度為進(jìn)料溫度下進(jìn)料組成的摩爾平均粘度f為系數(shù)，根據(jù)塔板種類而定，如篩板為1.1、泡罩為1、浮閥為1.22023/2/4251.2.2.3求ET及實(shí)際板數(shù)NT實(shí)際板數(shù)NT

NT=N/ET求出全塔總實(shí)際板數(shù)進(jìn)料口位置2023/2/4261.2.2.4塔徑估算以塔頂?shù)谝粔K板計(jì)算對(duì)象基本數(shù)據(jù)：氣液組成、體積流量、密度，液體表面張力σ計(jì)算過程：

注：塔徑D要圓整2023/2/4271.2.2.4塔徑估算

注：1、σ根據(jù)參考書《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)》查得并計(jì)算2、具體計(jì)算過程可參考設(shè)計(jì)資料P133或《化原》第十章2023/2/4281.2.2.5費(fèi)用計(jì)算精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)

CD為塔體費(fèi)用：CD=13290·D1.2·NCF為換熱器費(fèi)用：CF=2000·A

CS為蒸汽費(fèi)用：CS=200元/噸×W蒸汽

CW為冷卻水費(fèi)用：CW=0.3元/噸×W冷卻水2023/2/429（一）塔體費(fèi)用計(jì)算CD=13290·D1.2·N注：D、N都與回流比R有關(guān)，因此CD是R的函數(shù)

CD=f(R)2023/2/430（二）換熱器計(jì)算預(yù)熱器再沸器塔頂冷凝器塔頂產(chǎn)品冷卻器注意：1、分別計(jì)算換熱面積2、蒸汽用量或冷卻水用量2023/2/431（二）換熱器計(jì)算換熱量Q，kJ/h(考慮熱損失Q為1.05倍計(jì)算值)換熱器管程、殼程物流的溫度T1、T2、t1、t2的計(jì)算或設(shè)計(jì)計(jì)算平均推動(dòng)力△tm設(shè)總傳熱系數(shù)K，求得換熱器面積A求得蒸汽用量W蒸汽或冷卻水用量W冷卻水注：A、W蒸汽、W冷卻水都與回流比R有關(guān)，是回流比R的函數(shù)

CF=f(R)；CS=f(R)；CW=f(R)2023/2/4321.2.3根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算確定Ropt精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通過改變R，求得不同R下的費(fèi)用(包括設(shè)備費(fèi)用、操作費(fèi)用和總費(fèi)用)并畫圖，得到費(fèi)用最小的Ropt2023/2/433課程設(shè)計(jì)說明書要求設(shè)計(jì)說明工藝計(jì)算2023/2/4341、《化工原理課程設(shè)計(jì)資料》（一）板式塔浙江工業(yè)大學(xué)化工原理教研室編2、《化學(xué)工程手冊(cè)第一篇化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)》化學(xué)工業(yè)出版社（1980）3、《化學(xué)工程手冊(cè)第十三篇?dú)庖簜髻|(zhì)設(shè)備》化學(xué)工業(yè)出版社（1979）4、《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)》盧煥章等編著，化學(xué)工業(yè)出版社5、《化工基本過程與設(shè)備設(shè)計(jì)教科書》［蘇］．N迫特尼奧爾斯科戈6、“Vapor-LiquidEquilibriumDataCollection”Vol．1．7、《化工過程工程工業(yè)實(shí)踐》S．WBodman著，曲德林等譯清華大學(xué)出版社（1985）8、《塔的工藝計(jì)算》石油工業(yè)出版社（1977）9、《化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)》華南工學(xué)院化工原理教研室（1987）10、《化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及圖集》浙江化工學(xué)院11、《泵類產(chǎn)品樣品》第一冊(cè)、第二冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社12、化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)（有機(jī)卷）青島化工學(xué)院等編化學(xué)工業(yè)出版社（2001）參考文獻(xiàn)2023/2/435課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)化工09(1)，A314(6.19晚除外)化工09(3)，A314(6.19晚除外)化工09(4),A114(6.20-6.22晚除外)化工09(5),A5312023/2/436課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排布置任務(wù)0.5天工藝計(jì)算3天設(shè)備計(jì)算3天輔助設(shè)備計(jì)算2天畫圖和編寫任務(wù)書1.5天2023/2/437課程設(shè)計(jì)紀(jì)律一般情況都要在指定教室做設(shè)計(jì)，便于老師指導(dǎo)。有時(shí)要向指導(dǎo)教師或課代表請(qǐng)假。指導(dǎo)教師將經(jīng)常點(diǎn)名以督促學(xué)生按時(shí)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。2023/2/438請(qǐng)認(rèn)真做課程設(shè)計(jì)！??！謝謝?。。?023/2/439精餾塔設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇塔型和板型塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔板流體力學(xué)計(jì)算塔板負(fù)荷性能圖2023/2/4402精餾塔設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)DistillateCondenserReflux,LFeedBottomsReboilerRectifyingsectionStrippingsectionD,xDF,zFB,xB2023/2/4412.1選擇塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）Liquidin

Vaporin

VaporoutLiquidout12N–1NTrayedTowerLiquidin

Vaporin

VaporoutLiquidoutPackedColumn2023/2/4422.1選擇塔型和板型板型泡罩塔篩板塔浮閥塔穿流塔板2023/2/4432.2塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流動(dòng)型式單流型雙流型多流型回流型其它流型2023/2/4442.3塔板流體力學(xué)計(jì)算塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)

HThwhowHdh0h1hw’AfAaWdWsWs’Wclw2023/2/4452.3塔板流體力學(xué)計(jì)算塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)how堰上液層高度hw堰高HT板間距ho底縫Wc邊緣區(qū)Ws安定區(qū)lw堰長Wd堰寬AT全塔面積Af降液管面積Aa開孔區(qū)面積2023/2/4462.3塔板流體力學(xué)計(jì)算塔徑計(jì)算降液管結(jié)構(gòu)型式選取堰及降液管設(shè)計(jì)孔布置干板壓降塔板穩(wěn)定性塔板壓降液泛情況霧沫夾帶負(fù)荷性能圖2023/2/4472.3.1塔徑計(jì)算基本數(shù)據(jù)：氣液組成、體積流量、密度，液體表面張力σ預(yù)估板間距HT(500mm)預(yù)算塔徑塔板參數(shù)設(shè)計(jì)水力學(xué)性能計(jì)算2023/2/448(二）預(yù)算塔徑求值和預(yù)設(shè)的HT得C20

2023/2/449(二）預(yù)算塔徑

注：

1、具體計(jì)算過程可參考設(shè)計(jì)資料P133

2、塔徑D要圓整2023/2/450(三）初步設(shè)計(jì)塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)降液管道截面積Ad塔凈截面積An塔板工作面積Aa孔總面積A0孔徑d0(4~8mm)板厚tp堰高h(yuǎn)w(預(yù)設(shè)30mm)2023/2/451(四)

水力學(xué)性能計(jì)算修正氣速數(shù)值及液泛分率數(shù)值計(jì)算液沫夾帶分率φ(要求φ≤0.1)降液管內(nèi)液體停留時(shí)間τ核算

注：對(duì)于易起泡物系，τ要取得大一些2023/2/4522.3.2降液管結(jié)構(gòu)型式選取單溢流雙溢流多降液管2023/2/4532.3.3堰及降液管設(shè)計(jì)堰的確定堰上清液層高度how的計(jì)算板上液面落差Δ板上清液層高度hL的計(jì)算ho設(shè)計(jì)2023/2/4542.3.3.1堰的確定堰的種類齒形堰：how＜6mm平堰：how＞6mm弓形堰的長度一般lw/D=0.6~0.82023/2/4552.3.3.2堰上液層高度how的計(jì)算E根據(jù)和來確定，查圖可得2023/2/4562.3.3.3板上液面落差Δ本課程設(shè)計(jì)液量較小，Δ≈02023/2/4572.3.3.4板上清液層高度hL的計(jì)算先設(shè)一hL‘hw=hL‘－h(huán)ow圓整hwhL=hw＋how2023/2/4582.3.3.5ho設(shè)計(jì)降液管底部距下一層塔板的間距ho

ho＝hw－（0.01~0.02）m2023/2/4592.3.4孔布置篩孔選擇取d0=3~8mm，t/d0=2.5~5邊緣區(qū)確定WS=50~100mmWC=50~60mm孔數(shù)n2023/2/4602.3.5干板壓降注：W0－氣速，與氣量有關(guān)C0－流量系數(shù)，與d0/δ有關(guān)A0－篩孔面積Aa－開孔區(qū)面積2023/2/4612.3.6穩(wěn)定性漏液狀態(tài)下hc(M)=0.0056+0.13hL-hσ漏液狀態(tài)下氣速：穩(wěn)定系數(shù)注：要求K≥1.52023/2/4622.3.7塔板壓降hphp=hc+hl2.3.8霧沫夾帶要求ev≤0.12023/2/4632.3.9液泛情況降液管內(nèi)液層高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hw＞HT，則產(chǎn)生液泛2023/2/4642.4塔板負(fù)荷性能圖漏液線液體流量下限線液體流量上限線液泛線霧沫夾帶上限線注：上操作彈性＞1.5下操作彈性＞1.52023/2/4653.輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)塔高的設(shè)計(jì)換熱器的設(shè)計(jì)及選型泵的設(shè)計(jì)及選型接管尺寸的設(shè)計(jì)塔和輔助設(shè)備都已確定，重新計(jì)算總費(fèi)用。2023/2/466塔高的設(shè)計(jì)前面的計(jì)算得到實(shí)際板數(shù)和實(shí)際進(jìn)料位置，以及板間距HT

。開人孔φ500～600，每10塊塔板開一個(gè)人孔，開人孔處板間距HT取0.7~0.9m進(jìn)料板HT＝0.7～0.9m第一塊塔板到塔頂?shù)木嚯x0.5~1.0m最后一塊塔板到塔底的距離1.0~1.5m裙座高度的設(shè)計(jì)直接蒸汽加熱2~3m

間接蒸汽加熱3~5m求得全塔高度和進(jìn)料板位置高度。2023/2/467換熱器的設(shè)計(jì)換熱器包括全凝器、再沸器、預(yù)熱器和冷凝器。三個(gè)選型：只需計(jì)算換熱面積，A=Q/(KΔtm)，即可選型。一個(gè)選型要選型和校核，一般選取全凝器。全凝器的選型和校核：計(jì)算換熱面積A=Q/(KΔtm)確定管程管內(nèi)流速，管徑，可計(jì)算得到管截面積，管根數(shù)，單管程管長，管程數(shù)。通過換熱面積，管長，管程數(shù)進(jìn)行選型。2023/2/468校核K