化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

一、化工原理課程設(shè)計(jì)的目的與要求 1二、化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1三、安排與要求 2四、設(shè)計(jì)步驟 2 22、工藝流程的選擇 33、做全塔的物料平衡 34、確定操作條件 35、確定回流比 5 77、確定冷凝器與再沸器的熱負(fù)荷 88、初估冷凝器與再沸器的傳熱面積 89、塔徑計(jì)算及板間距確定 8 11、塔板布置及篩板塔的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 15 28參考文獻(xiàn) 29設(shè)計(jì)任務(wù)書 301通過理論課的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了不少理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)，對(duì)于一個(gè)未來的工程技術(shù)人員來說，如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去分析和解決實(shí)際問題是至關(guān)重要的，本課程設(shè)計(jì)的目的也是如此?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)是化工專業(yè)的學(xué)生在校期間第一次進(jìn)行的設(shè)計(jì)，要求每個(gè)同學(xué)獨(dú)立完成一個(gè)實(shí)際裝置（本次設(shè)計(jì)為精餾裝置）的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)精餾原理、操作、流程及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造、安裝、檢修進(jìn)行全面考慮，最終以簡(jiǎn)潔的文字、表格及圖紙正確地把工作能力和實(shí)際工作能力是一次很好的鍛煉機(jī)會(huì)，是培養(yǎng)化工技術(shù)人員的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)培養(yǎng)和掌握：1、正確的設(shè)計(jì)思想和認(rèn)真負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)態(tài)度。設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)中的每一數(shù)據(jù)，每一筆一劃都要準(zhǔn)確可靠，負(fù)責(zé)到底。2、獨(dú)立的工作能力及靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力。教師只做提示和啟發(fā)，由學(xué)生自己去解決問題，指導(dǎo)教師原則上不負(fù)責(zé)檢查計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，學(xué)生應(yīng)自己負(fù)責(zé)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可靠性。學(xué)生在設(shè)計(jì)中可以相互討論，但不能照抄，為了更好地了解和檢查學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，設(shè)計(jì)的最后階段安排有答辯。若答辯不通過，設(shè)計(jì)不能通過。3、精餾裝置設(shè)計(jì)的一般辦法和步驟。4、正確運(yùn)用各種參考資料，合理選用各種經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)。些公式、數(shù)據(jù)的來歷、實(shí)用范圍，并能正確地運(yùn)用。2、做物料衡算，列出物料衡算表。4、選擇合適回流比，計(jì)算理論板數(shù)。5、做熱量衡算，列出熱量衡算表。6、選擇換熱器，計(jì)算冷卻介質(zhì)及加熱介質(zhì)用量。設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，學(xué)生應(yīng)交的作業(yè)有：工藝流程圖一張，塔板結(jié)構(gòu)圖一張，設(shè)計(jì)說明書一設(shè)計(jì)進(jìn)行兩周，大致可分為以下幾個(gè)階段：教師介紹有關(guān)課程設(shè)計(jì)的情況，下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書。學(xué)生應(yīng)詳細(xì)閱讀設(shè)計(jì)任務(wù)書，明確設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)步驟。安排好今后兩周的工作。2、設(shè)計(jì)計(jì)算階段（四～五天）按設(shè)計(jì)任務(wù)及內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，有時(shí)甚至需要對(duì)幾個(gè)不同的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并設(shè)計(jì)計(jì)算說明書應(yīng)包含：目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書、流程圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、計(jì)算結(jié)果及所引用樣的設(shè)計(jì)是不完整的，也是不能通過的。計(jì)算部分應(yīng)列出計(jì)計(jì)算結(jié)果應(yīng)有單位。說明書一律用A4紙寫，文字部分要簡(jiǎn)練，書寫要清楚。說明書要標(biāo)上頁碼，加上封面，裝訂成冊(cè)。4、答辯（一天）答辯安排在最后一天進(jìn)行。答辯前學(xué)生應(yīng)將設(shè)計(jì)精餾裝置設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟大致如下：3④冷卻介質(zhì)及其溫度、加熱介質(zhì)及溫度。上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中①、②兩項(xiàng)由設(shè)計(jì)任務(wù)給出。③、④兩項(xiàng)若任務(wù)中未曾給出，則應(yīng)根據(jù)具體情況確定。物性數(shù)據(jù)可從有關(guān)資料中查取。精餾裝置一般包括塔頂冷凝器，塔釜再沸器，原料預(yù)熱器及流體輸送泵等。流程選擇應(yīng)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行，考慮經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。如進(jìn)料是否需要預(yù)熱、冷凝器的型式及布置、及將冷凝器放于塔頂，采用重力回流。對(duì)于大塔，冷凝器可放至適當(dāng)位置，用泵進(jìn)行強(qiáng)制回再沸器的型式有立式與臥式、熱虹吸式與強(qiáng)制循環(huán)式之外。當(dāng)傳熱量較小時(shí)，選用立精餾裝置中，塔頂蒸汽的潛熱和塔釜?dú)堃旱娘@熱可以被用于預(yù)熱進(jìn)料。塔頂蒸汽潛熱大，而溫度較低，塔釜?dú)堃簻囟雀撸@熱的熱量少。在考慮這些熱量的利用時(shí)要注意經(jīng)濟(jì)上的合理性及操作上的穩(wěn)定性。對(duì)于雙組分的連續(xù)精餾塔，由總物料平衡及分物料平衡有〈lDxDWFF4（2）、若常壓下塔釜?dú)堃旱呐蔹c(diǎn)超過或接近200℃時(shí)，可（1）立式熱虹吸型（2）泵強(qiáng)制循環(huán)型（3）臥式再沸器還應(yīng)該指出壓力增大時(shí)，操作溫度隨之升高，輕、重組分相對(duì)揮發(fā)度減少，分離所需5在確定操作壓力時(shí)，除了上面所述諸因素之外，尚需考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料等。通常按下述步驟確定操作壓力。最為方便、來源最廣的冷卻介質(zhì)為水。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)了解本地區(qū)水的資源情況及水溫。（2）確定冷卻器及回流罐系統(tǒng)壓力P。冷塔頂蒸汽全部冷凝時(shí)的溫度一般比冷卻介質(zhì)溫度高10～20℃。冷卻器和回流罐ΣiDii=1式中K—平衡指數(shù)。烴類K可由資料（12）查得。ii塔頂壓力P等于冷凝器壓力P加上蒸汽從塔頂至冷凝器的流動(dòng)阻力ΔP，即頂冷頂喻冷凝器頂冷頂喻冷凝器塔釜壓力P等于塔頂壓力加上全塔板阻力ΔP塔。全塔阻力ΔP塔等于塔板阻力乘實(shí)底底頂塔頂板板在確定了操作壓力之后，塔頂溫度可由式（5）確定，塔釜溫度由式（6）確定。ytkytkkttt對(duì)于平衡線向下彎曲的物系，最小回流比的計(jì)算式為：6 -yx-yqDqmy-xmma-1LxF1-xF」D--)-1汽液混合進(jìn)料時(shí)，最小回流比的計(jì)算式為：(R)——泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)的R，按式（8）計(jì)算。(R)——露點(diǎn)進(jìn)料時(shí)的R，按式（9）計(jì)算。q=0。若進(jìn)料壓力高于塔的操作壓力，且原料溫度較高時(shí)，進(jìn)入塔內(nèi)后可因壓力降低而產(chǎn)生絕熱汽化。絕熱汽化溫度T及液化分率可由絕熱汽化方程組（11）計(jì)算。ii)qFa、根據(jù)進(jìn)料溫度及組成，求得h；Fb、假設(shè)汽化溫度，查得K；i7e、將H、h、h代入方程（11）的第二式，若等式成立，則計(jì)算正確；若等號(hào)不F適宜回流比通常為最小回流比的1.2～2倍，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)理論板和回流比的關(guān)系圖NNRmRR圖2是在假設(shè)若干個(gè)不同的回流比下，分別用簡(jiǎn)捷法求出相應(yīng)的理論板數(shù)，然后，由計(jì)算結(jié)果作圖而得到的。顯然適宜回流比應(yīng)在圖中曲線斜率變化最大處。對(duì)于雙組份精餾塔，求解理論板數(shù)可用圖解法或簡(jiǎn)捷法。若理論板數(shù)較多，且溶液接近理論溶液時(shí)，可作簡(jiǎn)捷法計(jì)算。法。據(jù)稱埃爾巴法比吉利蘭法精度要高，但埃爾巴法只能用于泡點(diǎn)進(jìn)料，且指明回流比為最適宜回流比，而一般回流比大多高于這個(gè)數(shù)值。圖解法和簡(jiǎn)捷法的具體操作法可參考參閱教材，此處不再討論。N實(shí)式中：N——實(shí)際板數(shù)N=理ET實(shí)N——不包括分凝器、再沸器在內(nèi)的理論板數(shù)。理8E——總板效率（全塔效率）T影響總板效率的因素較多，目前尚無準(zhǔn)確的關(guān)聯(lián)式可用于計(jì)算，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。對(duì)于DD對(duì)全塔做熱平衡有W傳熱面積A可由傳熱方程計(jì)算，即Qmm在精餾塔的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)精餾段和提餾段分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。通9rWW在板式塔的設(shè)計(jì)中，最大汽速（泛點(diǎn)汽速）可采用下式計(jì)算[7]。LVVLVC—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。由圖3查取。在查取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)時(shí)，先確定板間距H和清液層的高度h。TL當(dāng)塔徑大于1[米]時(shí)，板間距H通?？扇?.4[米]、0.45[米]、0.6[米]。在具體確定T清液層高度h通常為40～90毫米。對(duì)于加壓塔和常壓塔，可取大值。對(duì)減壓塔，為L(zhǎng)LTLVLTL在求得泛點(diǎn)后，設(shè)計(jì)氣速可取泛點(diǎn)氣速的（0.6～0.8）倍，即對(duì)于設(shè)計(jì)氣速，大塔、加壓塔可取大值；小塔、減壓塔取小值。在求得了設(shè)計(jì)氣速U'之后，塔徑D'即可按下式估算。VxD'=xxD'—塔徑計(jì)算值（m）塔的截面積A及空塔氣速U分別按式（24）和（25）計(jì)算。T2T上述計(jì)算塔徑的方法（史密斯泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)法）對(duì)于石油類液量較大的塔常偏于保守。此有效截面法計(jì)算塔徑的步驟如下[8]：=2L1+VgHpLpVLVpVLVTaK—系統(tǒng)因素，由物系泡程度決定。g表1系統(tǒng)因素K表g系統(tǒng)名稱系統(tǒng)名稱g正常下起泡物系下輕度起泡物系（如氟利昂）重度起泡（如胺和乙二醇吸收塔）嚴(yán)重起泡（如甲乙酮裝置）形成穩(wěn)定泡沫系統(tǒng)（如堿再生塔）系統(tǒng)因素K1a在求得有效截面上的氣速U之后，即可按下式計(jì)算有效面積Axf液體在降液管流速Ur按以下兩式計(jì)算，取小值。fxfxTLV在求得了液體在降液管的流速U之后，降液管面積A即可由式（31）求得。fffsfx塔截面積為有效面積和降液管面積之和，由此即可求得塔徑的計(jì)算值D'。即由計(jì)算值D'園整，即可求得塔徑D。液體在塔板上的流動(dòng)型式單溢流、雙溢流和多溢流。當(dāng)塔徑小于2米時(shí)，通常采用單幾種溢流型式如圖4所示。由圖可知，邊上降液管呈弓形，中間降液管為矩形（或梯長(zhǎng)取塔徑D的0.5～0.7倍。中間降液管的堰長(zhǎng)通常為0.9D左右，塔板上的總堰長(zhǎng)為該板對(duì)于弓形降液管，堰長(zhǎng)一經(jīng)確定之后，降液管寬和面積可按圖5計(jì)算。雙溢流或多溢流的中間降液管。寬度一般可取200～300[mm]。降液管面積可按矩形計(jì)在降液管的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意液體在降液管的停留時(shí)間不得少于A.Hτ=fTLS出口堰是為保證塔板上有一定的液層。出口堰的高度h為板上清液層高度h減去堰上液層高度h即,hWWE-液流收縮系數(shù)，通?？扇~1。降液管底端與塔板之間的距離h若過大，則不易形成液封;若過小，液體在降液管出SSluSSSW--堰長(zhǎng);D--塔徑;Af--弓形面積;AT--塔截面積。塔板上在靠近塔壁的部分，應(yīng)留出一圈邊緣區(qū)，供塔板安裝之用，通常邊緣區(qū)寬度d0?。ㄔ陂_孔率、空塔氣速及液流強(qiáng)度一定的情況下，若孔徑增大，則漏液量和霧沫夾帶量都隨之增大，因此，孔徑增大，操作下限上升，操作上限降低，導(dǎo)致操作彈性減少）。此A(t)2A(t)2板厚;對(duì)于不銹鋼塔板，孔板不應(yīng)小于（1.5～2）倍的板厚。開孔率和孔中心距對(duì)篩板的影響遠(yuǎn)比篩孔孔徑的影響心距。該值過小，易使氣流互相干擾，過大則易鼓泡不均，兩者都將影響塔板的效率。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按所需的開孔面積來確定中心距，盡可能在3～4倍的孔徑范圍內(nèi)。篩孔面積和開孔區(qū)面積之比稱為開孔率，在同樣的空塔氣速下，開孔率大，霧沫夾帶小，但易漏液，操作彈性小;開孔率小，霧沫夾帶大，且塔板阻力大，易液泛。因此，開孔聯(lián)系孔徑和孔心距，進(jìn)行多次試算。篩板一般按正三角形排列。此時(shí)，若選定積A之比可按下式計(jì)算。ao=0a|00A和開孔區(qū)面00a0開孔區(qū)面積A，對(duì)于單溢流型塔板可用下式計(jì)算：aD2Aa2sin-1AaCrdSC對(duì)于雙流型塔板，開孔區(qū)面積按下式計(jì)算：1158103x]xra氣相通過塔板的阻力為干板阻力與液層阻力之和。即h篩孔塔板的干板可用下式計(jì)算。hC200VL0液層阻力與通過篩孔的氣體動(dòng)能因子F(Uh.m液柱LV當(dāng)孔速低于漏液點(diǎn)氣速時(shí)，大量液體從篩孔泄漏，這將嚴(yán)重影響塔板效率。因此，漏液點(diǎn)氣速為下限氣速。篩孔的漏液點(diǎn)氣速按下式計(jì)算：pVL0SLLVV=HTuGhf3.2氣V氣GVGA-A該法只能用于常壓塔，若用加壓塔，計(jì)算值偏小。另一種方法用泛點(diǎn)百分率來關(guān)聯(lián)。如Fair法用下式求得泛點(diǎn)氣速u：FLVpVAA/A3-[a]β當(dāng)操作氣體u和泛點(diǎn)之比作為液泛分率，由圖9查得霧沫夾帶分率，再由下式求得霧Vddd02[m液柱]為了避免液泛，降液管中液面高不得超過（0.4～0.6）倍的（H+h即dψ數(shù)分帶夾沫霧ψ數(shù)分帶夾沫霧為使降液管中液體的氣泡能夠脫除，液體在降液管的停留時(shí)間不得少于3～5秒，即A.H fT≥3～5LH對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)已定的塔板，將有一個(gè)適宜操作區(qū)。它綜合地反映了塔板的操作性能，把不同的氣、液流率下塔板上出現(xiàn)的各種流體力學(xué)的界限綜合地表達(dá)出來。上述反映氣、液負(fù)荷和塔板性能的關(guān)系圖稱為負(fù)荷性能圖。負(fù)荷性能圖的作法如下：（2）、按式（44）或（45）取泛點(diǎn)率為（65～82﹪)時(shí)作霧液夾帶線②;WWE—液流收縮系數(shù)，通常可取1。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的塔，負(fù)塔性能圖如圖10中陰影部分為適宜操作區(qū)。以氣、液相流率作圖所得的操作點(diǎn)B應(yīng)在適宜操作區(qū)中。圖中操作上限為A。設(shè)計(jì)說明書的書寫方式可參閱參考文獻(xiàn)。直徑大于0.8m的塔，通常采用分塊式塔板，以便于從入孔進(jìn)入塔內(nèi)。塔盤結(jié)構(gòu)可參理想的塔板應(yīng)在滿足工藝操作的條件下，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有足夠的剛性、便于加工、塔板，在制造設(shè)備條件所限下宜用槽式塔板。自身梁式塔板的結(jié)構(gòu)尺寸見圖11。其厚度S塔板長(zhǎng)度塔板長(zhǎng)度受液盤有平形受液盤和凹形受液盤。凹形受液盤在低液量時(shí)仍能造成液封，且有改變液體流向的綬沖作用和便于液體的側(cè)線采出。塔徑大于800毫米時(shí)常采用凹形受液盤。若物料易聚合或含有懸浮固體時(shí)，凹形受液盤易造成死角而堵塞，應(yīng)采用平形受液盤。用平形受液