化工原理课程设计

1、化工原理课程设计化工原理课程设计滨州学院化工教研室 化工原理课程设计化工原理课程设计 课程开设准备 课程设计指导 课程设计书写规范与考核 课程设计总结与归档 课程开设准备课程开设准备 开课申请 设计题目的选择 设计参考资料汇总列管换热器的设计板式精馏塔的设计填料吸收塔的设计设计参考书目单设计用书设计参考网址 课程设计指导课程设计指导 第一节 概述 第二节 板式精馏塔设计 第三节 填料吸收塔的设计 第四节 列管换热器的设计第一节第一节 概述概述教学内容课程设计指导概述一、课程设计意义与要求二、课程设计的基本内容三、课程设计的步骤工程意识、工程问题解决方法工程意识、工程问题解决方法资料查阅、分析资

2、料查阅、分析工程计算方法、准确性工程计算方法、准确性文字、图表表达文字、图表表达独立完成一般化工过程与设备的设计任务一、课程设计意义与要求一、课程设计意义与要求课程设计指导概述一、课程设计意义与一、课程设计意义与要求要求课程设计指导概述查阅查阅资料资料确定确定方案方案选择选择流程流程计算计算核算核算二、课程设计基本内容二、课程设计基本内容课程设计指导概述设计方案简介主要设备的工艺设计计算典型辅助设备的选型和计算带控制点的工艺流程简图主体设备工艺条件图设计内容设计内容封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）目录设计任务书设计方案简介；设计条件及主要物性参数表 工艺设计计算；辅助设备的计

3、算及选型；设计评述设计结果汇总表工艺流程图及设备工艺条件图参考资料设计说明书课程设计指导概述三、课程设计步骤三、课程设计步骤课程设计指导概述动员和布置任务绘图和编写说明书设计计算阅读指导书和查阅资料考核和答辩 2 1 3 4 5第二节第二节 板式精馏塔设计板式精馏塔设计1 1 设计原则与步骤设计原则与步骤2 2 理论塔板数的确定理论塔板数的确定3 3 塔板效率和实际塔板数塔板效率和实际塔板数4 4 结构设计结构设计5 5 塔高及辅助设备塔高及辅助设备课程设计指导板式精馏塔设计设计实例设计实例1 1设计实例设计实例2 2筛板塔化工设计计算筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度）塔的有效高度 z 已

4、知：已知：实际塔板数 np ； 塔板间距 ht； ptnhz 选取塔板间距选取塔板间距 ht ：塔径塔径d，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔板间距塔板间距ht，m0.2-0.30.3-0.35 0.35-0.45 0.45-0.6 0.5-0.80.6塔板间距和塔径的经验关系塔板间距和塔径的经验关系塔体高度：有效高塔体高度：有效高+顶部顶部+底部底部+ 其它其它 有效塔高：有效塔高：vvlfculvmvmlvlvvvllvqqqqfss c：气体负荷因子，与 ht、 液体表面张力和两相接触状况有关。有关。 液泛气速液泛气速两相流动参数两相流动参数

5、 flv：（2）塔径）塔径 确定原则：确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤：步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 d。2 .02020cc对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，c20=(ht 、flv)0.2ht=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05vlvvvllvssqqfvlvf20 uc筛板塔泛点关联图 选取设计气速选取设计气速 u 选取泛点率：泛点率： u / uf 一般液体， 0.6 0.8 易起泡液体，

6、0.5 0.6uvas所需气体流通截面积所需气体流通截面积设计气速设计气速 u = 泛点率泛点率 ufadad 计算塔径计算塔径 dtdtaaaa1塔截面积：塔截面积：a = at - adtad4塔径塔径说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。（3）溢流装置设计）溢流装置设计 溢流型式的选择溢流型式的选择 依据：依据：塔径 、流量； 型式型式：单流型、u 形流型、双流型、阶梯流型等。 降液管形式和底隙降液管形式和底隙 降液管：弓形弓形、圆形。 降液管截面积：由ad/at = 0.06 0.12 确定； 底隙 hb ：通常在 30 4

7、0 mm。 溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰） 作用作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。堰长堰长 lw ：影响液层高度。堰高堰高 hw：直接影响塔板上液层厚度 过小，过小，相际传质面积过小； 过大过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。 tdwaafdldbfdldw75. 06 . 0 dlw7 . 05 . 0 dlw说明：通常应使溢流强度说明：通常应使溢流强度qvlh/lw 不大于不大于100130 m3/（m h）。）。 或： 双流型:单流型：3/231084.2wvlowlqeh

8、h(4) 塔板及其布置塔板及其布置 受液区和降液区受液区和降液区 一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区入口安定区和出口安定区 其中， e：液流收缩系数，：液流收缩系数，一般可近似取 e =1。mmhow6mmbbss10050mmbc50堰上方液头高度堰上方液头高度 how ：要求：要求： 边缘区：边缘区：bcbdbslwrx)sin(21222rxrxrxaa)sin( 2)sin( 211221211222rxrxrxrxrxrxaa（5）筛孔的尺寸和排列）筛孔的尺寸和排列 筛孔筛孔： 有效传质区内，常按正三角形排列。 筛板开孔率筛板开孔率 ： 单流型弓形降液管塔板单流型弓形降液管塔

9、板： 有效传质区：有效传质区： 双流型弓形降液管塔板双流型弓形降液管塔板：20220907. 060sin21421tdtdaaoaobcbdbslwrxd0t00aqusvv20200785. 04dadana筛孔直径筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大筛孔) 孔中心距孔中心距 t : (2.55) d0 取整。 开孔率开孔率: : 通常为 0.08 0.12。 板厚：板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。 筛孔气速：筛孔气速：筛孔数：筛孔数：d0t(6) 塔板的校核塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正。vmvmlvlmeqqeeqevvvlvlvmlmvs

10、sqqqqe11 液沫夹带量校核液沫夹带量校核单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ： kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e： kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。 故有： 所以2 .33107 .5ftvhhue说明：说明：超过允许值，可调整塔板间距塔板间距或塔径塔径。 ev的计算方法的计算方法：方法1：利用fair关联图求，进而求出ev。方法2：用hunt经验公式计算ev。)(5 .2owwfhhh式中hf 为板上泡沫层高度：要求要求： e

11、v 0.1 kg 液体 / kg气体。 塔板阻力的计算和校核塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：塔板阻力：液柱mgphlff 塔板阻力 hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力； （c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。清液柱高度表示：（a）干板阻力）干板阻力h0200,021cuggphlvlofd0/c0塔板孔流系数c0 孔流系数孔流系数owwlhhh（b）液层阻力）液层阻力 hl查图求充气系数查图求充气系数2/1v32/ 1aamkgsmuf说明：说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率增加开孔率或 降低堰高。降

12、低堰高。03104dghl（c）克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力（一般可不计） 降液管液泛校核降液管液泛校核dlowwdhgpphhh12dfowwhhhh故塔板阻力：hhhhlf0降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度 (m)()()4(0476.032vlfslfbhlzhb（a） 液面落差液面落差一般较小，可不计。当一般较小，可不计。当不可忽略时不可忽略时，一般要求：一般要求： 0.5h0282211018. 1153. 02bwsbwsddhllhllguh（b b） 液体通过降液管阻力液体通过降液管阻力 hd21dddhhh包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。无进口堰时：无

13、进口堰时：02dhdllddhhhwtdhhh泡沫层高度泡沫层高度要求：要求：说明：说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力减小塔板阻力或 增大塔板间距。增大塔板间距。泡沫层相对密度：对不易起泡物系，6 . 05 . 04 .03 .0易起泡物系， 液体在降液管中停留时间校核液体在降液管中停留时间校核 目的：目的：避免严重的气泡夹带。 svltdqha停留时间：停留时间：要求：要求：s53说明：说明：停留时间过小，可增加降液管面积增加降液管面积 或 增大塔板间距。增大塔板间距。（a）计算严重漏液时干板阻力严重漏液时干板阻力 h0 hhhhoww13.00056.00（b）计算漏液点气速漏液点气速

14、u0 0002hgcuvl说明：说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率减小开孔率 或 降低堰高。降低堰高。 严重漏液校核严重漏液校核 漏液点气速漏液点气速 u0 ：发生严重漏液时筛孔气速。 稳定系数：稳定系数：00uuk要求：要求：25 .1k 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）过量液沫夹带线（气相负荷上限线） 规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。3232 . 313)(101 . 75 . 21081. 8wvlwtvvlqhhaqhh（6）塔板的负荷性能图）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性 液相下限线液相下限线006.01084.23/23wvlowlqeh

15、h整理出：规定：wvlhlq07.3 严重漏液线（气相下限线）严重漏液线（气相下限线）hhhhoww13.00056.00代入相关公式，如how、u0，整理出。 液相上限线液相上限线slhastd5dthahv720 降液管液泛线降液管液泛线wtdhhhlvcugh2000)(21wtbwhwhhlvhhhllllndv)5 . 1(1018. 11026. 41041. 3283232208规定：min,max,hhvvvvqqmin,max,hhvlvlqq塔板的操作弹性：塔板的操作弹性： 或第三节第三节 填料吸收塔设计填料吸收塔设计1 1 设计任务设计任务 在单位时间所应处理的气体总量；

16、在单位时间所应处理的气体总量； 气体组成；气体组成； 被吸收组分的吸收率或排出气体的浓度；被吸收组分的吸收率或排出气体的浓度；课程设计指导填料吸收塔设计课程设计指导填料吸收塔设计1010气体出口装置气体出口装置9 9液体进口装置液体进口装置8 8液体分布装置液体分布装置7 7填料压紧装置填料压紧装置6 6填料填料5 5塔体塔体4 4液体再分布器液体再分布器3 3填料支承板填料支承板2 2液体出口装置液体出口装置1 1气体进口气体进口编号编号名名 称称2 2 设计过程设计过程课程设计指导填料吸收塔设计 2.1吸收流程的确定吸收流程的确定 2.2填料的选择填料的选择 2.3基础物性数据基础物性数据

17、 2.4物料衡算物料衡算 2.5填料塔的工艺尺寸的计算填料塔的工艺尺寸的计算 2.6填料层压降计算填料层压降计算 2.7塔内辅助装置的选择和计算塔内辅助装置的选择和计算2.1 2.1 吸收流程的确定吸收流程的确定课程设计指导填料吸收塔设计 根据气、液两相流动方向的不同，分为逆流操作根据气、液两相流动方向的不同，分为逆流操作和并流操作两类，工业上常采用和并流操作两类，工业上常采用逆流逆流操作。操作。一般需对吸收后的溶液继以脱吸，使溶剂再生，循环一般需对吸收后的溶液继以脱吸，使溶剂再生，循环使用。因此，需一个完整的使用。因此，需一个完整的吸收吸收-脱吸流程脱吸流程。2.1 2.1 吸收流程的确定吸

18、收流程的确定课程设计指导填料吸收塔设计1-吸收塔；吸收塔；2-富液泵；富液泵；3-贫液泵；贫液泵；4-解吸塔解吸塔2.2 2.2 填料的选择填料的选择课程设计指导填料吸收塔设计拉西环拉西环鲍尔环鲍尔环弧鞍形填料弧鞍形填料矩鞍形填料矩鞍形填料网网环环波纹填料结构波纹填料结构阶梯环阶梯环金属鞍环金属鞍环长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。2.2 2.2 填料的选择填料的选择课程设计指导填料吸收塔设计 按填料结构及其使用方式可以分为按填料结构及其使用方式可以分为散堆填料散堆填料和和规整填料规整填料。规规整整填填料料格

19、栅填料格栅填料格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等等 波纹填料波纹填料金属丝网波纹填料、金属孔板波纹填料、金属压金属丝网波纹填料、金属孔板波纹填料、金属压延孔板波纹填料延孔板波纹填料脉冲填料脉冲填料脉冲填料脉冲填料散散堆堆填填料料拉西环拉西环拉西环填料拉西环填料鲍尔环鲍尔环金属鲍尔环填料、塑料鲍尔环填料、改型鲍尔环金属鲍尔环填料、塑料鲍尔环填料、改型鲍尔环填料填料 阶梯环阶梯环金属填料、塑料阶梯环金属填料、塑料阶梯环弧鞍填料弧鞍填料弧鞍填料弧鞍填料 矩鞍填料矩鞍填料瓷质、聚丙烯矩鞍填料瓷质、聚丙烯矩鞍填料环矩鞍填料环矩鞍填料金属环矩鞍填料金属环

20、矩鞍填料球形填料球形填料聚丙烯浮球填料、多面空心填料聚丙烯浮球填料、多面空心填料课程设计指导填料吸收塔设计填料的性能评价填料的性能评价填料性能的优劣通常根填料性能的优劣通常根据据效率、通量及压降效率、通量及压降三三要素衡量。在相同的操要素衡量。在相同的操作条件下，作条件下，填料的比表填料的比表面积越大面积越大，气液分布越，气液分布越均匀，表面的润湿性能均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评用填料的性

21、能进行了评价，得出如下表所示的价，得出如下表所示的结论。结论。填料名称填料名称评估值评估值语言值语言值排序排序丝网波纹填料丝网波纹填料0.86很好很好1孔板波纹填料孔板波纹填料0.61相当好相当好2金属金属intalox0.59相当好相当好3金属鞍形环金属鞍形环0.57相当好相当好4金属阶梯环金属阶梯环0.53一般好一般好5金属鲍尔环金属鲍尔环0.51 一般好一般好6瓷瓷intalox0.41 较好较好 7课程设计指导填料吸收塔设计填料种类的选择填料种类的选择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：面： (1) (1)

22、传质效率要高传质效率要高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料 (2) (2) 通量要大通量要大在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料气速或气相动能因子的填料 (3) (3) 填料层的压降要低填料层的压降要低 (4) (4) 填料抗污堵性能强，拆装、检修方便填料抗污堵性能强，拆装、检修方便课程设计指导填料吸收塔设计填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。 散装填料规格的选择散装填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有工业塔常用的

23、散装填料主要有dn16、dn25、dn38、dn50、dn76等几种等几种规格。规格。 同类填料，同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用，通量减少，填料费用也增加很多。也增加很多。 而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。使塔的分离效率降低。 因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的一般塔径与填料公称直径的比值比值d/d应大于应大于8。填料填料规格的选择规格的选

24、择课程设计指导填料吸收塔设计填料规格的选择填料规格的选择（2）规整填料规格的选择）规整填料规格的选择 国内习惯用比表面积表示，主要有国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等等几种规格，几种规格， 同种类型的规整填料，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。通量减少，填料费用也明显增加。 选用时应从选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又

25、具有经济合等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。理性。 应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。课程设计指导填料吸收塔设计2.3

26、 基础物性数据基础物性数据 液相物性数据液相物性数据 气相物性数据气相物性数据 气液相平衡数据气液相平衡数据课程设计指导填料吸收塔设计液相物性数据液相物性数据 对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯溶剂对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯溶剂的物性数据。的物性数据。 密度：密度： 粘度：粘度： 表面张力：表面张力： 扩散系数：扩散系数：课程设计指导填料吸收塔设计气相物性数据气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度：混合气体的平均密度： 混合气体的粘度，查手册混合气体的粘度，查手册 扩散系数扩散系数课程设计指导填料吸收塔设计气液相平衡数据气液相

27、平衡数据 亨利系数亨利系数 相平衡常数相平衡常数 溶解度系数溶解度系数课程设计指导填料吸收塔设计2.4 物料衡算物料衡算 物料衡算与吸收操作线方程物料衡算与吸收操作线方程 吸收剂用量对操作线的影响吸收剂用量对操作线的影响 最小液气比最小液气比课程设计指导填料吸收塔设计2.5 填料塔的工艺尺寸的计算填料塔的工艺尺寸的计算2.5.1. 填料塔塔径的计算填料塔塔径的计算 泛点气速的计算泛点气速的计算 塔径的计算及校核塔径的计算及校核2.5.2. 填料层高度的计算填料层高度的计算 2.1气相总传质单元高度的计算气相总传质单元高度的计算 2.2气相总传质单元数的计算气相总传质单元数的计算课程设计指导填料

28、吸收塔设计2.5.1. 填料塔塔径的计算 填料塔的直径填料塔的直径d与操作空塔气速与操作空塔气速u及气体体积流量及气体体积流量vs之之间存在以下关系：间存在以下关系： 式中：式中：d 塔径，塔径，m; vs气体体积流量，气体体积流量，m3/s; u 操作空塔气速，操作空塔气速，m/suvds4课程设计指导填料吸收塔设计（1）散堆填料泛点气速的计算）散堆填料泛点气速的计算 常用埃克特（常用埃克特（eckert）泛点气速关联图进行计算，该关联图）泛点气速关联图进行计算，该关联图是以是以x为横坐标，以为横坐标，以y为纵坐标进行关联的。其中：为纵坐标进行关联的。其中：05.0)(lvvlwwx02.

29、02lvfgy （2 2）规整填料泛点气速的计算）规整填料泛点气速的计算匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社.2002.1:263265对于散装填料，其泛点率的经验值为对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uf=0.5-0.85u/uf=0.5-0.85对于规整填料，其泛点率的经验值为对于规整填料，其泛点率的经验值为u/uf=0.6-0.95u/uf=0.6-0.95课程设计指导填料吸收塔设计ecket泛点关联图泛点关联图课程设计指导填料吸收塔设计塔径的计算及校核4vsd塔径的计算：塔径的计算：塔径的圆整：塔径的圆整：塔径（塔径（d）圆整间隔圆整间隔举例举例700

30、50或或100如：如：600、650、700700d1000100如：如：700、800、900d1000200如：如：1000、1200、1400单位：单位：mm课程设计指导填料吸收塔设计（1）泛点率校核20.785svud8dd()fuu是否在允许范围内（2）填料规格校核填料种类填料种类d/d的推荐值的推荐值拉西环拉西环2030鞍环鞍环15鲍尔环鲍尔环1015阶梯环阶梯环8环矩鞍环矩鞍8课程设计指导填料吸收塔设计（3）液体喷淋密度校核）液体喷淋密度校核填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为：计算式

31、为：2785.0dluh式中：式中：u液体喷淋密度，液体喷淋密度，m3/(m2h); lh液体喷淋量，液体喷淋量，m3/h; d填料塔直径，填料塔直径，m为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以此极限值称为最小喷淋密度，以umin表示表示twaluminmin)(式中：umin最小喷淋密度，m3/(m2h); (lw)min最小润湿密度，m3/h; at填料的总比面积，m2/m3课程设计指导填料吸收塔设计最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用一些经验值。流量。其值可由经验公式计算，也可采用一些经验值。对于直径不超过对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率的散装填料，可取最小润湿速率(lw)min为为0.08m3/(mh);对于直径大对于直径大于于75mm的散