甲醇水体系化工原理课程设计

2020/5/16,1,化工原理课程设计,设计任务课程设计的目的课程设计内容一、精馏塔工艺优化设计二、精馏塔设备优化设计三、辅助设备设计,2020/5/16,2,课程设计任务,设计题目甲醇-水混合液精馏装置的设计,2020/5/16,3,课程设计任务,设计原始条件原料液：甲醇水双组分混合液原料液处理量1-3万吨/年原料液初温30原料液含甲醇20-90%(质量)馏出液含甲醇99.0-99.8%(质量)甲醇回收率99.5%(质量)蒸汽压力（绝）：5kgf/cm2每年实际生产时间：8000小时冷却水温度：30冷却水温升：5,2020/5/16,4,2020/5/16,5,2020/5/16,6,课程设计任务,设计任务完成精馏工艺设计，运用最优化方法确定最佳操作参数选用板式塔进行精馏塔设备工艺设计和有关附属设备设计和选用编写设计说明书和设计计算书绘制工艺流程图、塔板结构简图、塔板负荷性能图,2020/5/16,7,课程设计的目的,总体目标：培养学生综合运用所学知识，特别是本门课程的有关知识解决化工实际问题的能力，使我们学到进行化工设计的基本步骤和方法，得到一次进行化工设计的初步训练，为今后从事设计工作打下基础。,2020/5/16,8,课程设计的目的,培养和训练学生的能力查阅资料，选用公式和数据的能力从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力应用计算机的能力运用简洁文字、图表表达设计思想的能力,2020/5/16,9,设计准则,经济性先进性可靠性和稳定性可行性,2020/5/16,10,1精馏塔工艺优化设计,建立精馏流程精馏塔的工艺计算,2020/5/16,11,1.1精馏流程,2020/5/16,12,1.1精馏流程,加料方式高位槽加料泵进料料液状态需考虑降低塔釜热负荷及加热能位，同时要求的热状态比较稳定，一般要在单相状态,2020/5/16,13,1.1精馏流程,塔顶冷凝状态全凝器分凝器塔釜加热方式再沸器间接加热方式(计算辅助设备)直接加热方式,2020/5/16,14,1.1精馏流程,塔顶产品出料状态甲醇出料后要贮存，所以需冷却(例如4050)塔底产品出料状态冷凝器位置自然回流强制回流,2020/5/16,15,1.2精馏塔的工艺计算,目标要求精馏塔系统的年总费用最小精馏塔系统的年总费：C=0.33(CD+CF)+(CS+CW)CD为塔体费用：CD=13290D1.2NCF为换热器费用：CF=2000ACS为蒸汽费用CW为冷却水费用,2020/5/16,16,1.2精馏塔的工艺计算,物料衡算(确定进料、塔顶、塔釜的量及浓度)经济费用计算(求R=1.5Rmin时精馏塔费用)根据经济衡算确定Ropt,2020/5/16,17,1.2.1物料衡算,已知：xD、xW、xF、W求解D、FF=D+WFxF=DxD+WxW要求单位一致,kg/horkmol/h采用质量、摩尔两种单位都有,Bottoms,Q7,Q1,Feed,Distillate,2020/5/16,18,1.2.2经济费用计算,最小回流比Rmin计算求理论塔板数N求总板效率ET及实际板数NT塔径估算费用计算,2020/5/16,19,1.2.2.1最小回流比Rmin计算,相平衡数据1)可以查相关参考书2)对于理想体系可采用相对挥发度,全塔：,2020/5/16,20,1.2.2.1最小回流比Rmin计算,进料热状况参数q设进料处压力P进=(P顶+P釜)/2据Antonine方程求出进料处的泡点温度T泡点设计进料温度TF根据甲醇、水的物性数据求算q值,2020/5/16,21,1.2.2.1最小回流比Rmin计算,根据平衡关系和q求得Rmin,2020/5/16,22,1.2.2.2求理论塔板数N,设R=1.5Rmin求算理论塔板数N平衡线方程精馏段操作线方程提馏段操作线方程q线,Equilibriumcurve,xF,xw,y,xD,1,2,3,4,x,2020/5/16,23,1.2.2.2求理论塔板数N,逐板计算法通过Excel计算可以省很多计算时间注意：理论板上精确到小数点后一位进料前后方程的过渡,2020/5/16,24,1.2.2.3求ET及实际板数NT,总板效率ETOConnell公式注：相对挥发度为全塔平均温度下的相对挥发度粘度为进料温度下进料组成的摩尔平均粘度f为系数，根据塔板种类而定，如筛板为1.1、泡罩为1、浮阀为1.2,2020/5/16,25,1.2.2.3求ET及实际板数NT,实际板数NTNT=N/ET求出全塔总实际板数进料口位置,2020/5/16,26,1.2.2.4塔径估算,以塔顶第一块板计算对象基本数据：气液组成、体积流量、密度，液体表面张力计算过程：注：塔径D要圆整,2020/5/16,27,1.2.2.4塔径估算,注：1、根据参考书石油化工基础数据手册查得并计算2、具体计算过程可参考设计资料P133或化原第十章,2020/5/16,28,1.2.2.5费用计算,精馏塔系统的年总费：C=0.33(CD+CF)+(CS+CW)CD为塔体费用：CD=13290D1.2NCF为换热器费用：CF=2000ACS为蒸汽费用：CS=200元/吨W蒸汽CW为冷却水费用：CW=0.3元/吨W冷却水,2020/5/16,29,（一）塔体费用计算,CD=13290D1.2N注：D、N都与回流比R有关，因此CD是R的函数CD=f(R),2020/5/16,30,（二）换热器计算,预热器再沸器塔顶冷凝器塔顶产品冷却器注意：1、分别计算换热面积2、蒸汽用量或冷却水用量,2020/5/16,31,（二）换热器计算,换热量Q，kJ/h(考虑热损失Q为1.05倍计算值)换热器管程、壳程物流的温度T1、T2、t1、t2的计算或设计计算平均推动力tm设总传热系数K，求得换热器面积A求得蒸汽用量W蒸汽或冷却水用量W冷却水注：A、W蒸汽、W冷却水都与回流比R有关，是回流比R的函数CF=f(R)；CS=f(R)；CW=f(R),2020/5/16,32,1.2.3根据经济衡算确定Ropt,精馏塔系统的年总费：C=0.33(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通过改变R，求得不同R下的费用(包括设备费用、操作费用和总费用)并画图，得到费用最小的Ropt,2020/5/16,33,课程设计说明书要求,设计说明工艺计算,2020/5/16,34,1、化工原理课程设计资料（一）板式塔浙江工业大学化工原理教研室编2、化学工程手册第一篇化工基础数据化学工业出版社（1980）3、化学工程手册第十三篇气液传质设备化学工业出版社（1979）4、石油化工基础数据手册卢焕章等编著，化学工业出版社5、化工基本过程与设备设计教科书苏N迫特尼奥尔斯科戈6、“Vapor-LiquidEquilibriumDataCollection”Vol17、化工过程工程工业实践SWBodman著，曲德林等译清华大学出版社（1985）8、塔的工艺计算石油工业出版社（1977）9、化工过程及设备设计华南工学院化工原理教研室（1987）10、化工过程及设备设计数据及图集浙江化工学院11、泵类产品样品第一册、第二册机械工业出版社12、化学化工物性数据手册（有机卷）青岛化工学院等编化学工业出版社（2001）,参考文献,2020/5/16,35,课程设计地点,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),A531,2020/5/16,36,课程设计时间安排,布置任务0.5天工艺计算3天设备计算3天辅助设备计算2天画图和编写任务书1.5天,2020/5/16,37,课程设计纪律,一般情况都要在指定教室做设计，便于老师指导。有时要向指导教师或课代表请假。指导教师将经常点名以督促学生按时完成设计任务。,2020/5/16,38,请认真做课程设计！,谢谢！,2020/5/16,39,精馏塔设备优化设计,选择塔型和板型塔板结构设计塔板流体力学计算塔板负荷性能图,2020/5/16,40,2精馏塔设备优化设计,Distillate,Condenser,Reflux,L,Feed,Bottoms,Reboiler,Rectifyingsection,Strippingsection,D,xD,F,zF,B,xB,2020/5/16,41,2.1选择塔型和板型,塔型(填料塔、板式塔）,Liquidin,Vaporin,Vaporout,Liquidout,1,2,N1,N,TrayedTower,Liquidin,Vaporin,Vaporout,Liquidout,PackedColumn,2020/5/16,42,2.1选择塔型和板型,板型泡罩塔筛板塔浮阀塔穿流塔板,2020/5/16,43,2.2塔板结构设计,流动型式单流型双流型多流型回流型其它流型,2020/5/16,44,2.3塔板流体力学计算,塔板结构参数,HT,hw,how,Hd,h0,h1,hw,Af,Aa,Wd,Ws,Ws,Wc,lw,2020/5/16,45,2.3塔板流体力学计算,塔板结构参数how堰上液层高度hw堰高HT板间距ho底缝Wc边缘区Ws安定区lw堰长Wd堰宽AT全塔面积Af降液管面积Aa开孔区面积,2020/5/16,46,2.3塔板流体力学计算,塔径计算降液管结构型式选取堰及降液管设计孔布置干板压降塔板稳定性塔板压降液泛情况雾沫夹带负荷性能图,2020/5/16,47,2.3.1塔径计算,基本数据：气液组成、体积流量、密度，液体表面张力预估板间距HT(500mm)预算塔径塔板参数设计水力学性能计算,2020/5/16,48,(二）预算塔径,求值和预设的HT得C20,2020/5/16,49,(二）预算塔径,注：1、具体计算过程可参考设计资料P1332、塔径D要圆整,2020/5/16,50,(三）初步设计塔板结构参数,降液管道截面积Ad塔净截面积An塔板工作面积Aa孔总面积A0孔径d0(48mm)板厚tp堰高hw(预设30mm),2020/5/16,51,(四)水力学性能计算,修正气速数值及液泛分率数值计算液沫夹带分率(要求0.1)降液管内液体停留时间核算注：对于易起泡物系，要取得大一些,2020/5/16,52,2.3.2降液管结构型式选取,单溢流双溢流多降液管,2020/5/16,53,2.3.3堰及降液管设计,堰的确定堰上清液层高度how的计算板上液面落差板上清液层高度hL的计算ho设计,2020/5/16,54,2.3.3.1堰的确定,堰的种类齿形堰：how6mm平堰：how6mm弓形堰的长度一般lw/D=0.60.8,2020/5/16,55,2.3.3.2堰上液层高度how的计算,E根据和来确定，查图可得,2020/5/16,56,2.3.3.3板上液面落差,本课程设计液量较小，0,2020/5/16,57,2.3.3.4板上清液层高度hL的计算,先设一hLhw=hLhow圆整hwhL=hwhow,2020/5/16,58,2.3.3.5ho设计,降液管底部距下一层塔板的间距hohohw（0.010.02）m,2020/5/16,59,2.3.4孔布置,筛孔选择取d0=38mm，t/d0=2.55边缘区确定WS=50100mmWC=5060mm孔数n,2020/5/16,60,2.3.5干板压降,注：W0气速，与气量有关C0流量系数，与d0/有关A0筛孔面积Aa开孔区面积,2020/5/16,61,2.3.6稳定性,漏液状态下hc(M)=0.0056+0.13hL-h漏液状态下气速：稳定系数注：要求K1.5,2020/5/16,62,2.3.7塔板压降hp,hp=hc+hl,2.3.8雾沫夹带,要求ev0.1,2020/5/16,63,2.3.9液泛情况,降液管内液层高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hwHT，则产生液泛,2020/5/16,64,2.4塔板负荷性能图,漏液线液体流量下限线液体流量上限线液泛线雾沫夹带上限线注：上操作弹性1.5下操作弹性1.5,2020/5/16,65,3.辅助设备的设计,塔高的设计换热器的设计及选型泵的设计及选型接管尺寸的设计塔和辅助设备都已确定，重新计算总费用。,2020/5/16,66,塔高的设计,前面的计算得到实际板数和实际进料位置，以及板间距HT。开人孔500600，每10块塔板开一个人孔，开人孔处板间距HT取0.70.9m进料板HT0.70.9m第一块塔板到塔顶的距离0.51.0m最后一块塔板到塔底的距离1.01.5m裙座高度的设计直接蒸汽加热23m间接蒸汽加热35m求得全塔高度和进料板位置高度。,2020/5/16,67,换热器的设计,换热器包括全凝器、再沸器、预热器和冷凝器。三个选型：只需计算换热面积，A=Q/(Ktm)，即可选型。一个选型要选型和校核，一般选取全凝器。,全凝器的选型和校核：计算换热面积A=Q/(Ktm)确定管程管内流速，管径，可计算得到管截面积，管根数，单管程管长，管程数。通过换热面积，管长，管程数进行选型。,2020/5/16,68,校核K：管程冷却水对流传热系数壳程蒸汽冷凝对流传热系数求得K。计算换热面积An=Q/(Ktm)富裕度F=(A0-An)/An=15%20%,2020/5/16,69,泵的设计及选型,输送原料液的泵(两台)流量QF扬程he选型回流泵(两台)流量QF扬程he选型,2020/5/16,70,接管尺寸,已知流量估算流速求出d进行圆整选标准尺寸进料管（1）高位槽进料uF=0.5m/s（2）直接进料uF=0.53m/s回流