化工原理课程设计

1、化工原理化工原理课程设计的作用1.化工原理的培养目标之一；化工原理的培养目标之一； 工程观点工程观点/定量计算定量计算/实验技能实验技能/设计能力设计能力2.培养自学和综合运用所学知识的能力培养自学和综合运用所学知识的能力；3.通过设计计算培养通过设计计算培养“四心四心”； 细心、耐心、信心、责任心细心、耐心、信心、责任心4.通过设计计算，了解做事的通过设计计算，了解做事的“程序程序”。 “胸有成竹胸有成竹”掌握化工原理课程设计的方法 英文中的英文中的“5WH”设计型计算的主要特征设计型计算的主要特征1.“从无到有从无到有”为设计施工单位为设计施工单位提供设备尺寸、接管方位、工艺条提供设备尺寸

2、、接管方位、工艺条件参数等。件参数等。2.“校核设备校核设备”由于条件变化对由于条件变化对现有设备进行校核计算，为实际生现有设备进行校核计算，为实际生产节省资源。产节省资源。南南 京京 工工 业业 大大 学学化化 工工 原原 理理 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 专业:化学工程与工艺 班级:化工07058/化强0701 姓名 ： . 设计日期： 2010 年 06 月 14 日至 2010 年 06 月 25 日设计题目：常常 压压 二二 元元 筛筛 板板 精精 馏馏 塔塔 的的 设设 计计 设计条件：设计题目：常常 压压 二二 元元 筛筛 板板 精精 馏馏 塔塔 的的 设设 计计

3、设计条件：设计条件：体系：丙酮水已知：进料量F：240kmol/h 进料浓度ZF： 0.15进料状态：q1,冷液进料(1.08)设计题目：常常 压压 二二 元元 筛筛 板板 精精 馏馏 塔塔 的的 设设 计计 设计条件：设计条件：操作条件：塔顶压强p顶=4 kPa(表压)， 单板压降不大于0.7kPa。塔顶冷凝水一般采用深井水，温度t12；塔釜加热方式：1）直接蒸汽加热； 2)间接蒸汽加热，一般采用3kgf/cm2水蒸汽。全塔效率：ET = 52%分离要求：1)xD=99.5(乙醇水体系xD=88)； 2)xW=0.2（乙醇水体系xW=1）； 3)回流比R/Rmin =1.6 。设计计算的内容

4、：一、流程的设计；二、物料衡算；三、1.理论板数NT；2.ET；3.N；四、工艺计算和物性1.P m；2.t m；3.M m；4.m；5.m；6.Lm；五、负荷计算设计计算的内容：六、1、塔径D2、溢流装置 单溢流 弓形降液管；平形降液管平形溢流堰lw0.66D,hw；wd；Ad；h03、塔板布置4、n,5、Z6、塔高设计计算的内容：七、流体力学验证1.Hp；2.ev；3.漏液；4.液泛八、塔板负荷图九、总图十、附属设备及接管尺寸 核心： 精馏段、提馏段计算及校核 换热器的计算及校核氯仿苯体系氯仿苯体系汽液平衡数据汽液平衡数据 (101.325kPa)氯仿质量分数液相汽相t()0.00.080

5、.20.100.13679.90.200.272790.300.40678.10.400.5377.20.500.65760.600.7574.60.700.8372.80.800.9070.50.900.961671.01.061甲醇水体系汽液平衡数据甲醇水体系汽液平衡数据 (101.325kPa) 甲醇mol分数xyt()0.00.01000.020.13496.40.040.2393.50.060.30491.20.080.36589.30.100.41887.70.150.51784.40.200.57981.7甲醇mol分数xyt()0.300.665780.400.72975.30

6、.500.77973.10.600.82571.20.700.8769.30.800.91567.50.900.958660.950.979651.01.064.5丙酮水体系汽液平衡数据丙酮水体系汽液平衡数据 (101.325kPa)参考教材参考教材P306 丙酮mol分数xyt()0.00.01000.010.25392.70.020.42586.50.050.62475.80.100.75566.50.150.79863.40.200.81562.10.300.83061.0丙酮mol分数xyt()0.400.83960.40.500.84960.00.600.85959.70.700.8

7、7459.00.800.89858.20.900.93557.50.950.96357.01.01.056.13丙酮水体系汽液平衡数据丙酮水体系汽液平衡数据 (101.325kPa) 5 ， 刘雪暖，汤景凝。刘雪暖，汤景凝。化工原理课程设计化工原理课程设计。 丙酮mol分数xyt()0.00.01000.010.27992.00.0250.4784.20.050.6375.60.100.75466.90.200.81362.40.300.83261.10.400.84260.3丙酮mol分数xyt()0.500.85159.80.600.86359.20.700.87558.80.800.89

8、758.20.900.93557.40.950.96256.90.975 0.97956.71.01.056.5丙酮水体系汽液丙酮水体系汽液平衡数据平衡数据 (101.325kPa) ，时钧，余国淙，汪家鼎。时钧，余国淙，汪家鼎。化学工程手册化学工程手册。 丙酮mol分数xyt()0.050.638174.80.100.730168.530.150.771665.260.200.791663.590.300.812461.870.400.826960.750.500.838759.950.600.853259.120.700.871258.290.800.895057.490.900.9335

9、56.680.950.962756.3丙酮水体系汽液平衡数据丙酮水体系汽液平衡数据 0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0 yx 刘雪暖 化学 工 程手册 教材板板 式式 塔塔一、板式塔结构及性能一、板式塔结构及性能（1） 板式塔结构板式塔结构 进料回流液塔顶气相塔底液相塔板结构塔板结构 气体通道气体通道 形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。 降液管（液体通道）降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。 受液盘受液盘 塔板上接受液体的部分。 溢流堰溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。浮阀塔板结构（2） 塔板上的气塔板上的气液

10、两相流动液两相流动汽、液两相接触方式汽、液两相接触方式 两相流动的推动力两相流动的推动力 全塔：逆流接触塔板上：错流接触液体：重力气体：压力差 塔板上塔板上理想流动理想流动情况情况： 液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。 气液两相接触传质，达相平衡相平衡，分离后，继续流动。 塔板上的塔板上的非理想非理想流动情况流动情况： 气相或液相返混气相或液相返混 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象返混现象 后果后果：板效率降低板效率降低。 不均匀流动不均匀流动 液面落差液面落差（水力坡度）：引起塔板上气体分布气体分布不均匀； 塔壁作用塔壁作用（阻力）：引起塔板上液体分布液体分布不均匀。

11、后果：后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。板效率降低。液泛现象液泛现象二、二、 塔内气、液两相异常流动塔内气、液两相异常流动 （1）液泛）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。液泛。1) 过量雾沫夹带液泛过量雾沫夹带液泛原因：原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。 液泛气速：液泛气速： 开始发生液泛时的气速。2）降液管液泛）降液管液泛 当塔内气、液两相流量较大，导致塔板阻力及降液管内阻力增大时，均会引起降液管液层升高，以致达到上一层

12、塔板，破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液泛。说明：说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。（2） 严重漏液严重漏液 漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速漏液点气速 。三、常用塔板的类型三、常用塔板的类型（1）泡罩塔板）泡罩塔板优点优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大。 组成：组成：升气管和泡罩圆形泡罩条形泡罩泡罩塔（2）筛板塔板）筛板塔板优点优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。 目前，广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔

13、径筛板：12 - 25 mm。（3）浮阀塔板）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀优点：优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀（4）多降液管（）多降液管（MD）塔板）塔板 优点：优点：提高允许液体流量 五五. 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 ：理论塔板数计算软件塔径塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-

14、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 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

15、。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，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：

16、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 40 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 l

17、W ：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：3/231084.2WVLowlqEhh(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，

18、：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. 060sin21421tdtdAAoaobcbdbslWrxd0

19、t00AquSVV20200785. 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。VmVmLVLmeqqeeqevVVLVLVmLmvssqqqqe11 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 / km

20、ol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： ev 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

21、: （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dLOWWdhgpphhH12dfOW

22、Whhhh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