化工课程设计讲稿

1,化工课程设计,DepartmentofChemicalEngineeringChinaUniversityofPetroleum,2,绪论,一、化工课程设计的目的二、化工课程设计的任务三、日程安排四、设计过程注意问题五、成绩评定六、参考资料,3,一、化工课程设计的目的,必修课、综合性实践教学环节。掌握化工工艺设计和化工设备设计的基本内容和方法。培养综合运用所学基础和专业理论知识，系统分析和解决问题的能力；学以致用；理论联系实际。提高工艺设计能力（工艺计算、流程设计、识图绘图、有分析选用经验数据的能力），提高工程素质。培养认真的学风和工作作风（独立、合作）。为走向工作岗位打基础。,4,二、化工课程设计的任务,独立完成一套化工装置的工艺设计根据任务书，对某一组成已知的化工原料，按产品要求，进行分离设计。（举例）,5,设计任务书（举例）,一、设计题目：5万吨/年轻烃分离装置工艺设计二、设计基础条件：1、原料及其组成：,设计任务书（举例）,6,原料及其组成,设计任务书（举例）,7,2、产品及其规格：,液化气：C53.0%（mol）异戊烷：iC5纯度98.0%（mol）正戊烷：nC5纯度98.0%（mol）三、设计内容：1、工艺流程设计；2、物料衡算；3、热量衡算（包括热负荷及传热剂用量的计算）；4、设备的计算与选型（主要设备包括塔、换热器、泵、罐等）,设计任务书（举例）,8,三、设计内容（续）,其中要求：至少一塔选用板式塔，一塔选用填料塔，其余塔自选；板式塔要进行塔板设计及塔体初步设计，水力校核。5、绘制工艺物料平衡图（PFD，A3图纸）6、绘制工艺管道及仪表流程图（PID）（A3图纸2连张）；7、绘制设备平、立面布置图（A3图纸2连张）；8、编写化工课程设计计算书。,设计任务书（举例）,9,二、化工课程设计的任务,独立完成一套化工装置的工艺设计根据任务书，对某一组成已知的化工原料，按产品要求，进行分离设计。（一）装置工艺流程设计（方案确定、原则流程、自控设计）（二）工艺计算1、物料衡算（包括工艺条件的确定）2、能量衡算（包括热负荷及传热剂用量的计算）,10,3、设备计算及选型,（1）精馏塔的选型与设计（一板式塔、一填料塔、其它塔自定）板式塔：塔径估算、塔板设计、塔体初步设计，水力校核；填料塔：结构尺寸、内件设计（2）换热器的计算及选型（估算选型，可以自选校核）（3）容器的设计（回流罐、原料罐、产品罐）（4）泵的计算及选型（估算选型）,11,（三）绘图,1、工艺物料平衡图（PFD）2、工艺管道及仪表流程图（PID）3、设备平、立面布置图（四）编写化工课程设计计算书（任务书、计算示例、图表、分析论证等）要求上交：计算书一份、图纸三张、电子文档,12,化工课程设计计算书,封面设计任务书目录设计计算书正文封底,13,设计计算书正文（分章节）,第1章总论第2章工艺流程设计第3章物料衡算第4章热量衡算第5章设备计算及选型第6章原材料、动力消耗定额及消耗量第7章设计结果汇总表（全装置物平、能平、设备汇总等）第8章设备布置设计第9章小结参考文献、致谢、附录,14,附录内容：,附表附图附图一装置工艺物料平衡（PFD）图附图二装置工艺管道及仪表流程图（PID）附图三装置设备平、立面布置图,15,三、日程安排（2012.7.27.20）,讲课（0.5天）工艺流程设计（1天）三塔物料平衡（2天）三塔能量平衡（1天）反应器或塔设备工艺设计（2天）所有换热器、容器、泵的工艺计算及选型（2天）前面计算结果汇总、细节问题、小结等（1天）绘制PFD、PID、平、立面布置图三张图（5天）整理工艺设计计算书（4天）计算书装订、上交（0.5天）,16,四、设计过程注意问题,合理安排设计进度，避免前松后紧，各阶段工作按时完成先在草稿本上完成全部过程，最后誊写工整或仔细打印。协作完成，安排必要的数据计算表，写出详细计算示例。计算过程中随时复核计算结果的正确性，有错即改，避免大返工。每一个阶段的设计完成之后，要求绘制必要的汇总表格。引用参考文献的地方，查取的标准系列、公式等要注明来源，标注清楚，如：1（上标）或见1，p138。要求来教室进行设计，以便于答疑和掌握进度。,17,参考文献格式计算书最后,（1）专著：序号著者书名其他责任者（如编者译者）版本出版地：出版社，出版年：起止页码（2）期刊：序号作者题名刊名，出版年，卷号（期号）：起止页码.文中引用参考文献处必须将其编号列出；类似“网上查阅资料”、“学术期刊全文库”等格式不对，应该写明文献出处。,18,五、成绩评定,设计的正确性，有无概念和计算的重大错误。设计的工作量大小，设计计算书及绘图的质量。工作态度、作风，独立及协同工作的能力等。考核：平时30%（考勤+汇报）计算书40%图纸30%,19,六、参考资料,化工原理课程设计，刘雪暖、汤景凝编化工设计，陈声宗主编石油加工单元过程原理（上、下），沈复、李阳初编石油炼制及石油化工计算方法图表集石油大学炼制系编化工工艺设计手册国家医药管理局上海医药设计院编化工制图，华东理工大学机械制图教研组编其它专业课课本，如分离工程、化工热力学,20,参考资料（续）,石油化工基础数据手册及（续篇）卢焕章、马沛生等编化学工程手册化学工业出版社冷换设备工艺计算手册中国石化出版社工业塔新型规整填料应用手册，刘乃鸿编现代填料塔技术指南王树楹编化工产品实用手册有机化工原料大全,21,多元精馏分离工艺设计,22,化工课程设计的内容,（一）工艺流程设计（二）工艺计算1、物料衡算2、能量衡算3、设备计算及选型（板式塔塔板设计、塔体初步设计）（三）绘图（四）计算书编写,23,基本设计思路,？,24,第一部分搜集基础数据,处理量及进料组成、产品要求组分物性数据进料热状态公用工程冷却介质、加热介质（根据任务书、经验或文献）,25,任务书中一般会给出产品的纯度要求，必须选择一个合理的回收率。一般的处理方法：选取轻关键组分在塔顶的回收率为99、重关键组分在塔底的回收率为99为初值，先假设清晰分割，试差、循环计算。,1、产品的要求（纯度和回收率）,26,2、进料的热状态（q值）饱和液相、过冷液相、饱和气相、过热气相、气液混合物为了方便计算可选取饱和液相进料（关系到进料位置的选取）,27,基本设计思路,？,28,第二部分确定工艺流程,n个产品：（n-1）个塔，分离塔序有2(n-1)!/n!(n-1)!个。例：连续精馏系统生产4种产品：需要3个塔，有5种分离方案；生产5种产品：需要4个塔，有14种分离方案；生产6种产品：需要5个塔，有42种分离方案。,29,分离方案选择的依据,在满足工艺要求的前提下选择能耗最小、设备投资最低、材料易于解决的方案。,30,分离方案选择的经验规律,难分离的组分应放在塔序的最后。一般采用顺序分离方案，即：按相对挥发度的大小逐个从塔顶分离出各个组分。应使塔顶馏出液摩尔数与釜液摩尔数尽量接近。回收率要求很高的组分应放在塔序的最后分离。若进料中有一个组分含量占主要，应把其分离尽量提前。强腐蚀性组分尽早分离。热敏性、易燃、易爆产品应尽早分离。,以上经验冲突时，需经济核算，对比不同方案。,31,流程设计要求,作题目（写计算书）时：选择你认为较优的方案，并给出理由画出所选方案的原则流程图，并简述流程考虑其它：能量利用（换热、自流等）,32,基本设计思路,？,33,第三部分物料衡算,说明：工艺计算分：严格法和简捷法；采用软件进行严格法计算，手算只进行简捷计算；介绍简捷计算，其主要步骤如下：,34,简捷计算主要步骤,一、假设满足清晰分割，进行初步物料衡算二、确定塔的操作压力及温度三、确定Rm、Nm四、校核物平五、确定R、N理论六、确定进料位置七、全塔效率及实际板数板式塔,？,35,一、假设清晰分割，初步物料衡算,确定轻重关键组分；设定轻重关键组分的回收率，以99%作为初值。作物料衡算，检验纯度是否达到要求，未达要求或高于要求的纯度较多，均需重新设定回收率计算。,建议：草稿中最好各塔均完成初步物料衡算，所有产品纯度均略高于要求时，再按塔序进行下一步计算。,36,注：,要求计算结果符合产品纯度要求,不能过高，造成浪费。如：组分纯度要求95%，计算结果在95-96%之间合适（1个百分点）。也不能太低。要求列出清晰分割下物料衡算表包括进料、塔顶、塔底的产品组成及流率。组成及流率包括分别以质量和摩尔表示。数字保留位数：一般取小数点后2位。例：组成98.35%；流量1250.46kg/h；压力0.58MPa；温度71.5,37,表3-2T-101清晰分割物平表,38,二、初步确定塔的操作压力及温度,注：精馏塔每板均有一个压力，通常可把各板压降视为常数，则指定任一板压力就可确定其它板压力。通常指定塔顶回流罐或塔釜再沸器的压力。,39,确定塔压的原则,若常压以上不会引起物料结焦、聚合、腐蚀或不希望发生的反应产生，就不要在真空下操作，以免增大操作费用。若常压下即可用普通冷却水冷却，就尽量不要加压。加压增加设备投资，降低轻重关键组分相对挥发度。若必须加压才能以冷却水作塔顶冷凝器的冷剂，适当加压也可以，因水是最廉价易得的冷却剂。但若操作压力必须高于1.6MPa才能使用冷却水冷却，则应进行比较：采用低压、特殊冷剂还是高压、冷却水，哪种经济选哪种。,40,1、确定回流罐压力Pb,（1）确定冷剂种类及终端温差t精馏操作常选水或空气作塔顶产品的冷剂，水最常见，水的温度随气候条件而定，夏天较高，冬天较低，设计时取冷却水上水温度2530终端温差：指冷剂入口与被冷却介质出口温差。冷却水：t=1020空气：t=2050,被冷却介质,冷剂,终端温差,41,（2）回流罐温度Tb,Tb=T上水+t（为保证水和塔顶产品之间有1020传热温差，常选塔顶回流罐温度为4050；产品出装置要求）（3）由Tb计算Pb多采用全凝器：由回流罐液相泡点方程计算,42,2、塔内其它压力估算,回流罐压力确定后，由经验压降值估算塔内其它位置的压力：P顶=P回+P顶回PD=Pb+PDbP进=P顶+P进顶PF=PD+PFDP釜=P进+P釜进PW=PF+PWF,43,压降经验值,44,PD计算值101.3kPa时，采用加压操作。PD计算值101.3kPa时，采用常压或减压操作。如用常压操作可能会有冷回流的问题。塔顶压力=回流罐压力+管线及冷凝器阻力PDbPDb取0.10.2atm，减压塔取25mmHg左右塔底压力=塔顶压力+全塔压降假设精馏塔的实际塔板数NP,PW=PD+NP*P单板,注：,45,3、塔内温度计算试差法,塔顶TD：按PD下露点方程塔釜TW：按PW下泡点方程进料TF：根据PF、进料组成和进料热状况确定,xi=1,46,三、确定Rm、Nm,1、最小回流比（Underwood公式）试差法,47,2、最小理论板数（Fensk公式）,48,1、重新进行物料衡算（1）由塔顶底进料的操作条件，求各组分的i及各组分在全塔的i，平均。i=Ki/Kh注意：i，平均=(i,Di,W)1/2（2）求塔顶馏出物及塔底出料中各组分分布：,四、校核物平,49,过程如下：,根据重关键组分的(d/w)r,由方程求得(d/w)i结合物平方程di+wi=fi，分别算出各组分塔顶、底的量di、wi；列表汇总，计算各组分的xD,i、xW,i；若各非关键组分组成x10-4，则清晰分割假设成立，不必重算；否则，属于非清晰分割，进入下一步。,50,2、重新进行T、P计算：,按新组成（上述的结果）重新计算各温度、压力Nm，再次重新进行物料衡算，循环计算直至前后两组结果基本相同。3、产品纯度检验：由上述最终计算结果检验产品组成是否满足要求。4、列出最终物平表,51,五、确定R、N（理论板数）,吉利兰关联（Gilliland）图用于计算R和N计算过程：在13的范围内，选若干个R/Rm由Rm求算R由公式求X：由公式求Y：,52,计算过程（续）：,由公式求N：求算N(R+1)，作曲线图N(R+1)R/Rm曲线最低点对应横坐标适宜回流比R纵坐标N,R/Rm,53,六、确定进料位置,方法1：操作回流比下精馏段与提馏段理论板数之比，等于全回流条件下用Fensk公式分别计算得到的精馏段与提馏段理论板数之比。方法2：柯克布莱德(Kirkbride)经验公式,式中：n精馏段理论板数；m提馏段理论板数（包括再沸器）,(饱和液相进料）,54,七、全塔效率及实际板数板式塔,1、全塔效率ET的计算建议采用奥康奈尔（Oconnell）法：2、实际板数NPNP=N/ET,注：应将求得的NP与前面计算塔底压力时估算的塔板数比较，若二者相差较大，应重新估算塔板数，重复前面的计算，直到二者接近为止。,55,物料衡算计算过程要求：,理清设计思路，写在本部分开始；对于试差求解的要说明试差过程并尽可能用表格表示计算过程和结果；该部分结束后给出汇总表（随时汇总）。公式、图、表要注明序号。留意计算误差来源，作为小结的一部分。公式、数据来源标出，写入参考文献。,56,原始数据表,57,T-101清晰分割物平表,58,各塔操作条件汇总表,59,基本设计思路,？,60,第四部分热量衡算,工作内容：计算塔顶冷凝器、塔釜再沸器热负荷；列出全塔热量衡算表；计算其它附属设备热负荷，如：进料预热器、产品冷却器；确定加热介质及冷却介质的用量；考虑能量的合理利用流程设计合理？,61,1.塔顶冷凝器热负荷QC的计算,体系的选取：以冷凝器为体系泡点回流冷回流,62,2.塔釜再沸器热负荷QB的计算,体系的选取：（1）选右图所示范围为体系则QW可求（2）化原课本图示QFQBQCQDQlQW故有：QBQCQDQlQW-QF,63,QBQCQDQlQWQF,进料带入热量QF：饱和液体进料：气、液两相进料：塔顶产品带出热量QD：塔底产品带出热量QW：散失于环境的热量Ql：取全塔热平求塔底再沸器热负荷QB,Ql5%QB,64,全塔热量衡算表,3.列全塔热量衡算表,65,5.确定传热剂用量GC,GB冷却水用量：，kg/h加热蒸汽用量：，kg/h式中：rB饱和水蒸汽的汽化潜热冷却水：供水温度=2530；回水温度45加热蒸汽按任务书要求