化工原理课程设计讲稿装控

化工原理课程设计讲稿装控1第一页，共六十三页，编辑于2023年，星期日第一部分前言一、课程设计的目的运用已经学过的各门课程的知识，特别是《化工原理》与《化工工艺与设备》的知识，进行化工单元设备中常见设备——精馏塔的设计，达到以下几方面目的。培养学生综合运用所学知识、查阅化工资料获取有关知识和数据、进行化工设备初步设计的能力。培养学生独立工作及发现问题、分析问题、解决问题的综合能力。提高计算能力、培养工程实际观念。深入了解化工设备的内部结构，掌握板式精馏塔的各主要部件的结构及作用。培养学生认真的学风和工作作风。2第二页，共六十三页，编辑于2023年，星期日二、课程设计的任务1.已知条件分离对象：苯、甲苯、乙苯、苯乙烯混合物分离；正丁烷、异戊烷、正戊烷混合物的分离。处理量：（例如：245T/d）原料组成：（例如：苯46%，甲苯54%）进料状态：（例如：q＝1）产品要求：（例如：塔顶产品含苯99%；塔底产品：含甲苯99.5%)塔体温度：（例如要求：Tw≤102℃）3第三页，共六十三页，编辑于2023年，星期日2.设计任务⑴工艺设计产品组成：xD,xW（通过物料衡算）操作条件：TD,PD,TW,PW回流比：最小回流比，Rm；操作回流比，R

塔板数：提馏段板数；精馏段板数塔径：D热负荷：冷凝器和再沸器热负荷⑵塔板设计：溢流装置；塔板布置；流体力学校核。⑶塔体初步设计：塔体设计；封头设计；人孔和手孔的选用；接管设计。⑷辅助设备选用：冷凝器的选用与校核、再沸器的选用。⑸绘制浮阀排列图4第四页，共六十三页，编辑于2023年，星期日3.需要上交的材料⑴设计说明书，主要包括：设计任务书第一章工艺设计第二章塔板设计第三章塔体的初步设计第四章塔的辅助设备选用第五章计算结果汇总表第六章结果与讨论(2)浮阀排列图(3)计算草稿5第五页，共六十三页，编辑于2023年，星期日三、日程安排

2011年8月10日——8月19日,二周，扣除周六周日，实际10天，8月19日交说明书，其中：工艺计算：3天塔板设计：3.5天塔体设计：0.5天附属设备选用：1天绘图：0.5天整理说明书：1天讲课：0.5天6第六页，共六十三页，编辑于2023年，星期日四、课程设计过程注意问题认真阅读教材，草拟进度表，拟定设计的方法和步骤。计算过程中要随时复核计算结果的正确性，做到有错即改，避免大的返工。要求来教室进行设计，以便于答疑和掌握进度。7第七页，共六十三页，编辑于2023年，星期日五、参考资料No题名责任者出版社索取号1冷换设备工艺计算手册刘巍等石油化工TE965-62/12石油加工单元过程原理．上沈复等石油化工TE624/7/13石油加工单元过程原理．下沈复等石油化工TE624/7/24化工原理课程设计刘雪暖石油大学TQ02/635化工原理课程设计裴世红大连理工TQ02/726化工原理课程设计：化工传递与单元操作课程设计贾绍义天津大学TQ02/607常用化工单元设备设计李功样华南理工TQ051.02/18石油炼制图表计算机处理方法金桂三石油化工TE62/99传热学杨世铭高等教育TK124/51/8第八页，共六十三页，编辑于2023年，星期日第二部分工艺计算设计要点物料衡算塔顶和塔底温度和压力的确定冷凝器及再沸器热负荷的确定关于混合物物性参数的计算关于回流比的选择全塔效率的计算部分物性数据9第九页，共六十三页，编辑于2023年，星期日一、物料平衡

二、塔顶压力、温度的确定1、回流罐凝液温度的初步确定回流罐冷凝液的温度，即塔顶产品温度，由冷却介质的温度决定，当用水作为冷却介质时（水温：25～30℃），凝液温度可取40～50℃，保证冷凝器要有10～20℃温度的传热温差。但要注意水的出口不高于50℃。1.目的：计算塔顶、塔底产品组成和产品量。2.方法：对于两组分精馏，根据塔顶、塔底产品浓度要求，通过物料平衡计算即可求出塔顶、塔底产品组成。对于多组份体系，先假定清晰分割。再进行物料平衡计算(注：浓度或组成有效数字位数，一般取小数点后4位)。10第十页，共六十三页，编辑于2023年，星期日补充：多组分精馏的计算关键组分：对多组分溶液分离起控制作用的两个组分(一般为工艺中最关心的、挥发度相邻的两个组分)。挥发度高的组分称为轻关键组分，挥发度低的称为重关键组分。理论板数或填料层高度的确定，通常以关键组分所需达到的分离程度或回收率作为计算的依据。在一定条件下，其它组分在馏出液和釜残液中的组成随关键组分的分离程度或回收率而定，不能再任意规定。准确地预测塔顶和塔底的组成和量较难。应用关键组分的概念，根据各组分间挥发度的差异，可按以下两种情况进行组分在产品中的预分配，再由物料衡算或近似估算得到塔顶和塔底产品的组成。1、关键组分11第十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期日所选两关键组分为相邻组分，相差较大。重于重关键组分的组分全在塔底产品中，轻于轻关键组分的组分全部塔顶产品中。非关键组分在产品中的分配可由物料衡算求得。清晰分割塔顶产品中有重于重关键组分的组分，塔底产品中有轻于轻关键组分的组分。组分在产品中分配不能由物料衡算求出，需在一定假设条件下，用芬斯克全回流公式进行估算。如果两个关键组分不是相邻组分，或进料中非关键组分的相对挥发度与关键组分的相差不大，均可能为非清晰分割。非清晰分割严格地说，清晰分割是不存在的，但在有的情况下为了简化问题可以把接近清晰分割的情况视为清晰分割来处理。12第十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期日回流比的确定原则：先确定Rmin，再根据各种经济因素确定适宜的R。式中：ij

——相对挥发度，取塔顶和塔釜的平均值；

——两式的通根，其值介于轻、重关键组分的相对挥发度之间。恩德伍德（Underwood）计算公式：2、求理论板数的简捷法13第十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期日若轻、重关键组分为相邻组分，仅有一个和

Rmin

值；若在轻、重关键组分之间还有k个其它组分，则有k+1个和Rmin值，可取其平均值作为设计时的最小回流比。应用恩德伍德公式的条件：(1)塔内汽、液相为恒摩尔流；(2)各组分的相对挥发度为常数。方法：将多组分精馏过程简化为轻、重关键组分的双组分精馏过程，其计算过程与双组分精馏基本相同。基本关系式：芬斯克方程、恩德伍德方程和吉利兰关联图(P284)。理论板数的简捷计算法：14第十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期日步骤:(1)根据料液组成及分离要求确定轻、重关键组分，并由物料衡算初估各组分在塔顶和塔底中的组成；(2)求全塔平均相对挥发度，用芬斯克方程计算最少理论板数Nmin（取轻、重关键组分进行计算）；(3)用恩德伍德公式计算Rmin，并确定适宜的R；(4)用吉利兰图求取全塔理论板数；(5)由柯克布莱德经验式求精馏段所需理论板数，确定加料板位置。此部分内容参见石油加工单元过程原理下册P155-P17015第十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期日

2、回流罐压力的初步计算用泡点方程计算回流罐的压力。（1）常压或减压时：用Antonine(安托因)方程计算（2）加压时：已知T,设压力P，查平衡常数列线图(P250)得Ki，代入上式是否成立，进行试差计算P。

3、回流罐压力的确定（1）计算值大于101.3kPa时，采用加压操作。（2）计算值小于101.3kPa时，采用常压或减压操作。

4、塔顶压力的确定。回流罐的压力加上管线阻力即为塔顶压力。管线阻力可取0.1----0.2atm，减压塔可取25mmHg左右。1=åiixK16第十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期日5、塔顶温度的确定在塔顶压力下计算塔顶产品的露点温度即为塔顶温度。6、塔底压力的确定塔底压力等于塔顶压力加上全塔压降。常、加压塔的每板压降可取：3-6mmHg；减压塔的每板压降可取：2-3mmHg。7、塔底温度的确定在塔底压力下，塔底产品的泡点温度即为塔底产品的温度。17第十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期日三、冷凝器及再沸器热负荷的确定1、冷凝器热负荷的计算冷凝器的热负荷是塔顶饱和蒸汽从露点气相冷凝为泡点液相所放出的热量，可用以下办法计算。露点气相，Td泡点液相，Tb液相，TdQcHVHL=Cp(Td-Tb)Qc=Hv+HL18第十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期日

2、再沸器热负荷的计算再沸器的热负荷是塔底液相部分汽化成饱和蒸汽所吸收的热量，蒸汽的量就是塔内气相流量，可用全塔热平衡计算。QB＋FHF＝DHLD＋WHLW＋QC＋Q损QB＝DHLD＋WHLW＋QC＋Q损－FHFQ损＝5％QB或近似由下式计算QB＝V’w(HV’W-HLW)19第十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期日四、关于混合物物性参数的计算混合物的分子量、密度、粘度、表面张力等参数参考图表集的计算方法计算五、回流比及理论板的计算首先用Underwood公式求最小回流比Rmin，再由芬斯克公式求最小理论板数Nmin，然后再由吉利兰图求不同R下的N，最后通过下式作图：在N(R+1)最小处即为适宜回流比。同时得到理论板数。20第二十页，共六十三页，编辑于2023年，星期日六、清晰分割检验

如果前面进行了清晰分割假定，在确定了回流比和理论板数后，要对清晰分割的假定进行验证，验证方法见《石油加工单元过程原理》P160。

21第二十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期日七、全塔效率的计算建议采用奥•康奈尔法应用条件：注意：混合物粘度用进料温度、进料总组成下液体粘度，单位cP。22第二十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期日已经确定塔顶温度TD假定塔底温度TW计算各组分相对挥发度计算理论塔板数计算塔板效率计算实际板数假设每板压降计算塔底压力计算塔底温度（TW）TW＝（TW）？是计算结束否重设TW八、塔底温度、压力、理论板数的迭代计算23第二十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期日物质名Mtb(℃)tc(℃)pc(atm)苯78.280.128946.3甲苯92.1110.631940.6乙苯106.2136.234435.6苯乙烯104.2145.237439.5焦油～650～320表1分子量、沸点及临界数据九、部分物性数据24第二十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期日Pb(mmHg)苯甲苯乙苯苯乙烯饱和温度（℃）1-36.7-26.7-9.8-7.05-19.6-4.413.918.010-11.56.425.930.820-2.618.438.644.6407.631.852.859.86015.440.361.869.510026.151.974.182.020042.269.592.7101.340060.689.5113.6122.576080.1110.6136.2145.2表2饱和蒸气压25第二十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期日温度（℃）苯甲苯乙苯苯乙烯密度(kg/m3)2088286325862901408648448498876083782583186980815807814851100790787796832表3液体的密度26第二十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期日温度（℃）苯甲苯乙苯苯乙烯液体的表面张力（dyne/cm）2028.8028.5429.3031.153027.5227.3728.2230.084026.2526.2227.1429.015024.9925.0726.0827.956023.7423.9425.0126.907022.5022.8123.9625.86表4液体的表面张力温度与表面张力的关系：非水混合物的表面张力可用下式估算：其中：xi为i组分的摩尔分率。27第二十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期日物质名称苯甲苯乙苯苯乙烯常压沸点Tb（K）351.3383.6409.2418.2汽化潜热rb（kcal/kmol）7.35×1037.93×1038.50×1038.85×103表5液体的汽化潜热汽化潜热与温度的关系：其中：Tr、Trb分别为温度T和常压沸点温度Tb时的对比温度。28第二十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期日ABC苯15.90082788.51-52.36甲苯16.01373096.52-53.67乙苯16.01953279.47-59.95苯乙烯16.01933328.57-63.72表6各组分的Antoine常数29第二十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期日物质名称苯甲苯乙苯苯乙烯Cp[kcal/(kmol·K)]34.240.248.644.3表7液体的平均比热（0～100℃范围）30第三十页，共六十三页，编辑于2023年，星期日第三部分塔板尺寸设计要点板间距HT的选定塔径的计算标准浮阀的选用塔板开孔率的计算标准塔板的选取浮阀塔板的流体力学计算塔板结构精馏塔设计框图31第三十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期日一、塔板间距HT的选定选择塔板间距时，主要考虑以下因素雾沫夹带物料的起泡性操作弹性安装与检修的要求塔径塔径/mm塔板间距／mm600～700800～10001200～14001600～30003200～4200300350450*350450500

600*350450500

600

*800

*450500

600800

600800注:带*者不推荐使用表1塔板间距与塔径的关系32第三十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期日塔径公式计算：

计算空塔气气速(u)应注意以下事项：二、塔径的计算空塔气速的经验计算公式很多，可根据经验公式的使用条件进行选择。推荐使用比较普遍的史密斯和波津方法，取两法计算的较大直径。精馏段与提馏段应分别计算,如两段塔径相差不多,可采用同一塔径.33第三十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期日种类阀质量(g)阀片厚度(mm)适用塔板厚度(mm)F-1型轻阀251.52,3,4F-1型重阀3322,3,4三、标准浮阀的选用浮阀基本知识：F-1型浮阀有轻、重两种。阀片直径均为Φ48mm，阀孔直径均为Φ39mm，最小开度2.5mm、最大开度8.5mm。34第三十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期日四、塔板开孔率的计算35第三十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期日1、取适宜阀孔气速要大于临界阀孔气速的一个值对于F1型重阀，临界阀孔气速用下式计算。取一个大于临界阀孔气速的值作为适宜的阀孔气速，其取值原则为：常压塔：3-7m/s，减压塔：＞10m/s，加压塔：0.5-3m/s36第三十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期日对于轻阀,临界阀孔气速可用下式计算m0,单个阀质量，kg；At,单个阀孔面积，m2。两式联立试差求解出临界阀孔气速。37第三十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期日2、由阀孔动能因数计算适宜阀孔气速

浮阀正常操作时的阀孔动能因数的经验值为：8—17。利用该经验值可计算出适宜的阀孔气速。开孔率也可以直接选取，其选取原则为：常压塔或减压塔中：10—15%加压塔较小：6—9%，有时达3—4%。3、由经验直接选取开孔率38第三十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期日五、标准塔板的选取当已知塔径和开孔率，可以从附表十《单溢流浮阀塔板标准系列参数表》选取浮阀塔板的参数。注意要选择和计算开孔率相近的标准塔板。从标准浮阀塔板中可得到浮阀塔板的如下参数：塔截面积（AT）；降液管堰长、堰宽；浮阀个数、排列方式；出口堰高度等。39第三十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期日对精馏段和提馏段进行水力学校核。绘出塔板负荷性能图。六、塔板水力学校核1．塔板压降：hp不高于6mmHg（常压或加压塔）,减压塔不高于3mmHg2．雾沫夹带量：阿列克山德罗夫经验公式及泛点率分别核算降液管内液面高度Hd：漏液：Fo>Foa5．液体在降液管内停留时间及流速：40第四十页，共六十三页，编辑于2023年，星期日塔板的负荷性能图绘制⒈过量雾沫夹带线⒉淹塔线（液泛线）⒊过量泄漏线（气相负荷下限线）⒋降液管超负荷线（液相负荷上限线）⒌液相负荷下限线⒍操作线：直角坐标纸上绘制塔板负荷性能图，并计算塔的操作弹性K，要求K不小于3。根据塔板的流体力学计算结果和塔板的负荷性能图，分析讨论所设计塔板的特点及优缺点。41第四十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期日塔板有整块式和分块式两种类型。当塔直径小于800mm时，一般将塔板加工成整块式；当塔直径大于800mm，一般将塔板加工成分块式。分块式塔板由两块弓形板、一块通道板和数个矩形板构成。

七、塔板结构42第四十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期日分块式塔板示意图43第四十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期日分块式塔板装配图44第四十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期日分块式塔板装配图45第四十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期日分块式塔板装配图46第四十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期日第四部分塔辅助设备的选用与校核塔顶冷凝器的选用与校核塔顶再沸器的选用

47第四十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期日一、塔顶冷凝器的选用与校核48第四十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期日二、塔底再沸器的选用选用塔底再沸器的主要步骤如下：根据塔釜温度和热源温度计算换热平均温差tm。初步选取换热总传热系数K

用QW=AKΔtm计算换热面积A查表选取标准换热器，得到换热器的基本参数。49第四十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期日第五部分塔体的初步设计一、塔体设计⒈筒体：建议采用碳钢，筒体的壁厚根据塔径、材料、操作温度及压力从表3-1中选取。⒉封头的设计：常用的有椭圆形、蝶形、球形等几种，建议采用椭圆形封头（参照表3-2和附录11）。50第五十页，共六十三页，编辑于2023年，星期日⒊人孔及手孔的设计直径大于或等于800mm的塔，每隔6~8块塔板设一个人孔；塔顶、塔底及进料处必须设置人孔；最常用的人孔规格为Dg450；凡有人孔的地方，塔板间距要等于或大于600mm。51第五十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期日⒋塔高①塔顶空间HD由塔顶第一板到筒体与封头接线距离（不包括封头空间）称塔顶空间。通常取HD＝1.2～1.5m②塔底空间HB由塔底第一板到塔底封头接线距离称塔底空间。取产品停留时间θ＝10～15min，排量大θ取3～5min。计算结果再加上1～2m作为塔底空间，即：52第五十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期日③进料空间HF液相进料，HF大于一般板间距并满足安装人孔需要即可两相进料，则HF要取得大些，以利于进料两相的分离，一般可取：HF＝1.0～1.2m④塔的总高H：⑤裙座：塔类的裙座分为圆柱形与圆锥形。当塔高与塔径之比大于30时用圆锥形裙座，一般用圆筒形裙座。塔径为1.2～2m塔裙座开4个φ50mm的排气孔，塔径在1m以上要开两个Dg450的人孔。[图3-4(a)]53第五十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期日二、接管的设计⒈塔顶蒸汽出口管径dv：原则：避免过大的压力降。特别是减压塔。参看表3-5选择导管中蒸汽的常用速度uv，计算管径dv，并查表3-8，取接管的标准系列。⒉回流管管径dR：一般回流泵输送时，可取uR＝1.5～2.5m/s，计算回流管管径dR，并选取标准系列。54第五十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期日⒊进料管管径dF液相进料采用泵送时可取uF＝1.5～2.5m/s，标准系列查表3-6，结构如图3-14。若为气液混相进料，则只用气相流量计算管径，但允许气速应为经验气速的倍，经验气速取值范围仍为表3-5中的数据。结构如图3-17。55第五十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期日一般可取出料管速度uw＝0.5～1.5m/s（一次通过式再沸器取0.5~1.0m/s