精馏塔分离苯-甲苯混合物及甲醛生产的dcs设计

目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IIAbstract III引言 1第一章概述 11.1精馏塔设计任务 21.2精馏塔设计方案的选定 2第二章精馏塔设计计算 32.1精馏塔物料衡算 32.2塔板的确定 42.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 52.4精馏塔的塔体工艺尺度计算 10第三章塔附属设备选型及计算 293.1接管 293.2塔体总高度 303.3辅助设备 32第四章设计结果汇总 35设计小结与体会 37符号说明 38参考文献 40摘要化工生产中所处理的物料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质，生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离较纯净或几乎纯态的物质。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作,利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本设计任务为精馏塔分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，采用连续精馏过程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，所以在设计中把操作回流比取最小回流比的1.7倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。本设计说明书以通过物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计和校核等一系列工作来设计一个具有可行性的合理的筛板塔以及相关辅助设备的计算。绘制了精馏塔装配图，精馏工艺流程图。关键词：筛板塔；苯；甲苯AbstractInthechemicalproductionprocessesthematerial,theintermediaryproduct,theprimaryproduct,nearlyisthemixturewhichiscomposedofcertaincomponents,moreovermajorityisthehomogeneousphasematerial,intheproductiontosatisfythestorage,thetransportation,theprocessingandtheuseneed,oftenneedsthesemixtureseparationforpureornearlythepurestatematerial.Separationofdistillationisthemostcommonlyusedliquidmixtureofaunitoperation,usingliquidmixtureofallthedifferentpointsofthevolatile,volatilecomponentsfromliquidtogastransfer,difficultvolatilecomponentsfromgastoliquidtransfer.Mixtureofrawmaterialstoachievethevariouscomponentsoftheseparationprocessisatthesametimeheatandmasstransferprocess.Thedesigntaskistoseparatethebenzene-toluenemixtureusingthedistillationtower.Fortheseparationofbinarymixtures,wecanuseacontinuousdistillationprocess.Inthedesign,wefeedtherawmaterialinthebubblepoint,usingpreheaterwheretheliquidcanbeheateduptothebubblepointandthengiveitawaytothedistillationtower.Uptopofthetower,thereisatotalcondenserwhichcancondensethesteam.Partofthecondensedsteamreturntothetowerinthebubblepoint,andtherestproductissenttothetankthroughthetotalcondenser.Itissoeasytoisolatematerialsystemusingthissystem.theminimumreturnisrelativelysmall,sowetaketheminimumrefluxratioof1.7timesoftheoperatingrefluxratioinourdesign.Towerreacterisheatedwithindirectsteamandthetowerbottomproductissenttostoragetanksaftercooling.Thedesignspecificationthroughthematerialbalance,energybalance,technology,structuraldesignandverificationandaseriesofworktodesignareasonablepossibilityofthesievetowerthatshouldusetherelationselectiveevaporationflow，anddrawingassemblediagramofdistillationtowerandPIDofdistillation.Keywords：Distillation；Sievetower；Benzene引言化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。蒸馏是一种常用的化工单元的操作，是工业上分离液相混合物常用的手段。蒸馏操作可以是板式塔，也可以采用填料塔。板式塔为逐步接触型，按汽液接触原件不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、舌形塔、浮动喷射塔等多种。目前，从国内外实际情况来看，主要的塔板类型为浮阀塔，筛板塔及泡罩塔，前两种应用尤为广泛。作为气液两用传质用的塔的设备，首先必须保证气液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的要求，塔设备还得具备下列的基本要求：·塔内滞留量小。·耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节。·结构简单，造价低，创造，安装，维修方便。·流体流动阻力小。即流体经塔设备的压降小，可节省动力消耗，降低操作的费用。·气液处理量大，即生产能力大时不至于发生大量的雾沫夹带，拦液或液泛等破坏操作的现象。·操作稳定，弹性大。即当塔设备的气液负荷在一定范围内变化时，仍能够在较高的传质效率下进行稳定的操作。PAGE第一章概述化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离苯和甲苯混合物精馏塔。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%—40%）塔板效率（10%—50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。[1]在本设计中我们使用筛板塔，筛板塔的突出优点是结构简单，造价低。合理的设计和适当的操作筛板塔能满足要求的操作弹性，而且效率高。采用筛板可解决堵塞问题，适当控制漏液。筛板塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后，通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生产中主要的传质设备。为减少对传质的不利影响，可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状，这样可以降低进口处的速度，使塔板上气流分布均匀。筛板塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳钢的比较少。实际操作表明，筛板在一定程度的漏夜状态下操作使其板效率明显下降，其操作的负荷范围比泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到2-3。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能等直接关系到生产过程的经济问题。[2]本课程设计的主要内容是设计过程的物料衡算，塔工艺计算，塔板结构设计以及校核。1.1精馏塔设计任务在一常压操作的连续精馏塔内分离苯-甲苯混合液。已知原料液的年处理量为4万吨，原料组成为0.3(甲苯的摩尔分率)，要求塔顶馏出液的组成为0.991，塔底釜液含苯量0.014（质量分率）。表1-1设计条件操作压力进料热状态回流比单板压降全塔效率建厂地址塔顶常压Q=0自选0.5kPaET=70%武汉地区试根据上述工艺条件作出筛板塔的设计1.2精馏塔设计方案的选定本设计任务为分离苯-甲苯混合物。对于二元混合物的分离，采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点温度下一部分回流至塔内，其余部分产品经冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。第二章精馏塔设计计算2.1精馏塔物料衡算2.1.1料液及塔顶，塔底产品的摩尔分数原料：苯——甲苯混合物XF=0.3（摩尔分数）产品：XD=0.991（摩尔分数）XW=0.014（摩尔分数）原料温度：50℃处理量：4万吨／每年生产时间：300天／每年冷却水进口温度：25℃加热剂：0.5MPa饱和水蒸气平均摩尔质量：苯的摩尔质量：MA=78.11Kg/Kmol甲苯的摩尔质量：MB=92.13Kg/Kmol（其中A、B分别代表苯和甲苯）原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量：ML,F=0.3×78.11+(1-0.7)×92.13=87.92Kg/KmolML,D=0.991×78.11+0(1-0.991)×92.13=78.23Kg/KmolML,W=0.014×78.11+(1-0.014)×92.13=91.91Kg/Kmol2.1全塔总物料衡算总物料衡算 F=D+W （3-1）易挥发组分（苯）物料衡算 FXF=DXD+WXW （3-2）式中F、D、W——分别为原料液、馏出液和釜残液流量，kmol/h；XF、XD、XW——分别为原料液、馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。结合（3-1）、（3-2）得：F=63kmol/hD=18kmol/hW=45kmol/h2.2塔板的确定逐板法法求取塔板数：相对挥发度a=2.5由相平衡方程和q线方程算得最小回流比为3.1R=1.5Rmin=4.73.精馏段操作线方程Y=0.082x+0.174.提溜段操作线方程Y=1.8x-0.025Y1=0.991x1=0.978Y2=0.972x2=0.933Y3=0.935x3=0.852Y4=0.870x4=0.725Y5=0.765x5=0.567Y6=0.635x6=0.410Y7=0.506x7=0.291Y7<0.3Y8=0.497x8=0.284Y9=0.480x9=0.271Y10=0.460x10=0.254Y11=0.432x11=0.233Y12=0.395x12=0.208Y13=0.349x13=0.176Y14=0.292x14=0.145Y15=0.236x15=0.107Y16=0.168x16=0.074Y17=0.046x17=0,046Y18=0.058y18=0.024Y19=0.023x19=0.009总的理论板数18(包括再沸器)，进料板位置5.实际板层数的求取精馏段实际板层数：10提留段实际板层数：172.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算2.3.1以精馏段为例进行计算1.操作压力计算塔顶操作压力KPa每层塔板压降KPa进料板压力KPa精馏段平均压力KPa2.操作温度的计算XF=0.491XD=0.957由内插值法求得：进料板温度℃塔顶温度℃精馏段平均温度℃3.平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量的计算由，再由平衡曲线得=0.903kg/kmolkg/kmol进料板的平均摩尔质量计算由图解理论板得查平衡曲线得kg/kmolkg/kmol精馏段平均摩尔质量kg/kmolkg/kmol4.平均密度计算(1).气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即=(2).液相平均密度计算塔顶液相平均密度计算由,查手册得，进料板平均密度的计算由进料板液相平均密度的计算由，进料板液相的分率计算：精馏段液相平均密度为5.液体平均表面张力计算塔顶液相平均表面张力的计算由，，进料板液相平均表面张力的计算由,精馏段液相平均表面张力为：6.液相平均粘度计算塔顶液相平均粘度计算，解得=0.292进料板液相平均粘度的计算:,解得=0.271精馏段液相平均表面张力为：2.3.2以提馏段为例进行计算1.操作压力的计算每层塔板压降KPa进料板压力KPa精馏段平均压力KPa2.操作温度的计算XF=0.491Xw=0.012由内插值法求得：进料板温度℃塔顶温度℃精馏段平均温度℃3.平均摩尔质量的计算塔釜平均摩尔质量的计算由，再由平衡曲线得=0.005进料板平均摩尔质量计算有图解理论板查平衡曲线得.提馏段平均摩尔质量4.平均密度计算(1).气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 =(2).液相平均密度计算塔釜液相平均密度计算由进料板液相的分率计算：提馏段液相平均密度为5.液体平均表面张力计算塔釜液相平均表面张力的计算由,进料板液相平均表面张力的计算由,提馏段液相平均表面张力为：6.液体平均粘度计算塔釜液相平均粘度的计算： ，解得=0.260进料板液相平均粘度的计算:,解得=0.271提馏段液相平均表面张力为：2.4精馏塔的塔体工艺尺度计算2.4.1精馏段塔径的计算1.精馏段的气液相摩尔流率为：V=(R+1)DL=RD取板间距，板上液层高度，图2-2斯密斯关联图查图2-2，得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为D＝1.0m塔截面积为实际空塔气速为2.提溜段塔径的计算提馏段的气液相体积流率为：取板间距，板上液层高度，查图2-2，得取安全系数为0.7，则空塔气速为按标准塔径圆整后为D＝1.0m塔截面积为实际空塔气速为3.精馏塔有效高度计算精馏段有效高度为4m提馏段有效高度为6.8m在进料板上方开一个人孔，其高度为0.8m，故精馏塔的有效高度为Z=4+6.8+0.8=11.6m2.4.2精馏段塔板主要工艺尺寸的计算1.溢流装置计算因塔径D=1.0m,，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：(1).堰长取=0.66D=0.661.0=0.66m(2).溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度近似取E=1,则取板上清液层高度，故(3).弓形降液管宽度和截面积图2-3弓形浆液管的参数由，查图2-3，得故依式验算液体在降液管中停留时间，即故降液管设计合理(4).降液管底隙高度则选用凹形受液盘，深度2.塔板布置(1).塔板的分块表2-1塔板分块数表塔径/mm塔板分块数80012003140016004180020005220024006因，故2板采用分块式，查表2-1得，塔板分为3块(2).边缘区宽度确定取(3).开孔区面积计算开孔区面积按式（5-12）计算，即(4).筛孔计算及其排列物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目个开孔率为气体通过筛孔的气速为3．筛板的流体力学验算(1)塔板压降①干板阻力计算干板阻力计算：由，查图5-10得故液柱②气体通过液层的阻力计算查图2-6，得液柱③液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力计算：液柱气体通过每层塔板得液柱高度可按下式计算：液柱气体通过每层塔板的压降（设计允许）(2)液面落差对于筛板塔，液面落差很小，可忽略(3)液沫夹带故在本设计中液沫夹带量在允许范围内(4)漏液对筛板塔，漏液点气速计算=实际孔数稳定系数为(5)液泛为防止塔内发生液泛，降压管内液层高苯-甲苯物系属一般物系，取，则板上不设进口堰，计算，即液柱液柱故在本设计中不会发生泛液现象4．塔板负荷性能图(1)漏液线由在操作范围内，任取n个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表2-2表2-2精馏段漏液线上的气液体积流量表Ls/()0.00060.00150.00300.0045Vs/()0.3420.3510.3620.371由此表数据即可做出漏液线1(2)液沫夹带线以ev=0.1kg液/kg气为限，求Vs—Ls关系如下；由=2.5=2.5(+),=0.052,==0.13+2.2,=0.27-2.2Vs=1.23-10.02在操作范围内，任取n个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表2-3表2-3精馏段液沫夹带线上的气液体积流量表Ls/()0.00060.00150.00300.0045Vs/()1.1591.0991.0220.957由此表数据即可做出液沫夹带线2。(3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.008m作为最小液体负荷标准。由式得=取E=1，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下线限了3。见图2-4(4)液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限由式得故据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4。(5)液泛线令由联立得+=（）+++忽略，将与Ls，与Ls，与Vs的关系式代入上式并整理得式中将有关数据代入得故0.108Vs=0.139-878.1Ls-1.47Ls或Vs=1.28-8130.6Ls-13.61Ls表2-4精馏段液泛线上的气液体积流量表Ls/()0.00060.00150.00300.0045Vs/()1.1801.0830.9240.744由上表数据即可作出液泛线5。根据以上各线方程可求出筛板塔的精馏段的负荷性能图。见图2-441A52341A523图2-4塔板负荷性能图2.4.3提馏段塔板主要工艺尺寸的计算。1、溢流装置计算因塔径D=1.0m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：(1)堰长取=0.66D=0.661.0=0.66m(2)溢流堰高度由=，选用平直堰，堰上液层高度近似取E=1，则=0.015m取板上清液层高度=60mm,故(3)弓形降液管宽度和截面积 由，查图2-3，得故 依式（5-9）验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理(4)降液管底隙高度取，则选用凹形受液盘，深度2塔板布置(1)塔板的分块因D800mm，故塔板采用分块式，查表5-3得，塔板分为3块(2)边缘区宽度确定取(3)开孔区面积计算开孔区面积按式（5-12）计算，即其中故(4)筛孔计算及其排列物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距筛孔数目：个开孔率为气体通过筛孔的气速为3.筛板的流体力学验算(1)塔板压降①干板阻力计算干板阻力计算：=0.051图2-5干筛孔的流量系数图由，查图2-5得故液柱②气体通过液层计算图2-6充气系数关联图查图2-6，得液柱③液体表面张力的阻力计算液体表面张力所产生的阻力由式计算液柱气体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算：液柱体通过每层塔板的压降为（设计允许）(2)液面落差对于筛板塔、液面落差很小、可忽略(3)液沫夹带 故在本设计中，液沫夹带量在允许范围内(4)漏液对筛板塔，漏液点气速计算实际孔速稳定系数为(5)液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高即苯-甲苯物系属一般物系，取，则板上不设进口堰，计算，即液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象4、塔板负荷性能图(1)漏液线由得整理得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表2-5表2-5提馏段漏液线上的气液体积流量表0.00060.00150.00300.00450.3090.3170.3280.337由此表数据即可作出漏液线1(2)液沫夹带线以为限，求关系如下：由表2-6提馏段液沫夹带线上的气液体积流量表0.00060.00150.00300.00451.2261.1671.0911.028由上表数据即可作出液沫夹带线2，(3)液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准，得取E=1，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3(4)液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限故据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4(5)液泛线全由联立得忽略，将与，与的关系式代入上式，并整理得式中将有关的数据代入，得故表2-7提馏段液泛线上的气液体积流量表0.00060.00150.00300.00451.111.0370.9370.845由上表数据即可作出液泛线5，见图2-7根据以上各线方程，可作出提馏段筛板塔的负荷性能图B13425B13425图2-7提留段筛板负荷性能图第三章塔附属设备选型及计算3.1接管3.1.1顶蒸汽出口管径蒸汽出口管中的允许气速应不产生过大的压降，其值可参照表蒸汽出口管中允许气速参照表表3-1蒸气出口管中允许气速参照表操作压力（绝压）常压1400-6000pa>6000pa蒸汽速度/m/s12-2030-5050-70因=105.3kpa，故取出口气速u=60m/s故 查表取3.1.2回流液管径Dr冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.2-0.5m/s,速度太大，则冷凝器的高度相应增加。用泵回流时，速度可取1.5-2.5m/s故取，则而则查标准系列取3.1.2进料管径液料由高位槽进塔时，液料流速取0.4-0.8m/s。由泵输送时，流速取为1.5-2.5m/s。采用直管出料管取，则而则查标准系列取3.1.4釜液排除管径釜液流出的速度一般取0.5-1.0m/s3.2塔体总高度3.2.1塔顶空间:3.2.2人孔数目S：,人孔直径通常为450mm，不包括塔顶空间和塔底空间的人孔，则S=N-2=33.2.3塔底空间:，取t=4min其中=0.785取进料板空间3.2.4体总高度：3.2.5筒体壁厚选8mm3.2.6封头本设计采用椭圆形封头，由于公称直径1m，查得曲线高度，厚度，直边高度，内表面积，容积，选用封头3.2.7裙座的相关尺寸计算考虑到再沸器，裙座高度取3m。3.2.8吊住设计对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设计吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，及经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱。本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径D=1800mm，可选用吊柱500kg.s=1000mm,L=3400mm.材料为A3。3.3辅助设备出料温度：3.3.1全凝器（冷却水进口温度，出口温度）温度推动力：取总传热系数，则传热面积：3.3.2原料预热器原料预热温度：（泡点温度）采用过热饱和蒸汽加热平均温度：平均温度下查表得：取总传热系数由：换热面积：3.3.3再沸器再沸器热负荷： 选用150°C的饱和水蒸气加热。再沸器液体入口温度°C回流汽化为上升蒸汽时的温度°C加热蒸汽°C加热蒸汽冷凝为液体的温度°C用潜热加热可节省蒸汽量从而减少热量损失°C°C°C取，第四章设计结果汇总序号项目精馏段提馏段平均温度，℃87.889.8平均压力，kpa109.5117.9气相流量,0.4010.403液相流量,0.000870.0023实际塔板数1224塔径,m1.01.0板间距，m0.40.4溢流形式单溢流单溢流降液管形式弓形弓形堰长,m0.660.66堰高，m0.0450.052板上液层高度，m0.060.06堰上液层高度,m0.0520.052降液管底隙高度，m0.0250.030安定区宽度，m0.0650.065边缘区宽度，m0.0350.035开孔区面积，m20.3610.361筛孔直径，m0.0050.005筛孔数目27312731孔中心距，m0.0150.015开孔率，℅10.110.1空塔气速，m/s0.9950.741筛孔气速，m/s7.467.5稳定系数1.50.713每层塔板压降，pa548.26499序号项目精馏段提馏段负荷上限液泛控制液泛控制负荷下限漏液控制漏液控制液沫夹带0.00870.0056气相负荷上限0.6840.446气相负荷下限0.2080.192操作弹性3.2892.323冷凝器传热面积m2,16.32预热器传热面积,m23.397再沸器传热面积，m252.313塔顶蒸汽粗口管，mm86进料管直径，mm34回流管直径，mm20塔顶出料管径，mm21塔釜出料管直径，mm31筒体壁厚，mm8塔顶空间，m0.72人孔数,个3裙座高度，m3塔总体高度，m16.34设计小结与体会化工原理课程设计是《化工原理》课程设计中的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去完成一个单元操作设计任务的一次训练。本次的设计内容是苯—甲苯分离过程的板式精馏塔设计。这方面的知识我们在以前的学习当中进行了理论性的学习，但是了解和掌握的东西很有限，在这次课程设计中，通过物料衡算，热量衡算，工艺计算，结构设计等一系列工作，我们基本上完成了设计任务，也让我们明白了怎样运用所学的知识，结合我们掌握其他的相关知识，计算机技术，参照有关的文献资料去解决设计中的问题。并且通过在设计过程中，结合我们所掌握的理论知识，不断地发现问题和解决问题，使我们能够熟练的运用这些知识与技能，这些经验的积累是对学习的巩固和拓展，也是一次宝贵的经验。当然在整个过程中，也离不开老师的悉心指导和其他同学的热心帮助，在我们的实践过程当中，我们能够参与一起讨论，通过查阅资料，咨询老师等来解决设计中遇到的问题，虽然在这个学习的过程当中，我们有发生过计算上的失误而重头开始计算，设备选型错误等问题，但这不但没有让我们知难而退，反而让我们更加深刻地认识到科学设计中应该持有的严谨严务的态度的重要性，这些宝贵的经验积累，对我们今后的学习和工作也会有很大的帮助。课程设计虽然辛苦，但是总的来说，痛并快乐着。我们深刻认识到自己在知识上的欠缺不不足，希望自己在今后的学习和工作中，不断努力，完善知识上的盲点，不断进步。符号说明Aa——塔板开孔（鼓泡）面积，m2；Af——降液管面积，m2；A0——筛孔面积，m2；AT——塔截面积，m2；C——计算Umax时的负荷系数，无因次；C0——流量系数，无因次；D——计算Umax时的负荷系数，无因次；D——塔径，m；d0——筛孔直径，mm；E——液流收缩系数，无因次；ET——液流收缩系数，无因次；ev——液流收缩系数，无因次；F——进料流量，kmol/h；Fa——进料流量，kmol/h；g——重力加速度，m2/s；H——板间距，m或mm；塔高，m或mm；hc——与干板压降相当的液柱高度，m；hd——与液体流经降液管的压降相当的液柱高度，m；ht——与液体流经降液管的压降相当的液柱高度，m；hl——进口堰与降液管间的水平距离，m；hL——板上液层高度，m；ho——降液管底隙高度，m；how——堰上液层高度，m；hp——与单板压降相当的液层高度，m；hσ——与克服液体表面张力的压降所相当的液柱高度，m；hw——溢流堰高度，m；K——筛板的稳定系数，无因次；L——塔内下降液体的流量，kmol/h；Ls——塔内下降液体的流量，m3/s；Lw——溢流堰长度，m；N——塔板数；理论板数；Np——实际塔板数；NT——理论塔板数；n——筛孔数；P——操作压强，Pa或kPa；ΔP——压强降，Pa或kPa；q——进料热状态参数；R——回流比；开孔区半径，m；S——直接蒸汽量，kmol/h；t——筛孔中心距，mm；u——空塔气速，m/s；ua——按开孔区流通面积计算的气速，m/s；u0——按开孔区流通面积计算的气速，m/s；u´0——降液管底隙处液体流速气速，m/s；u0w——漏液点气速，m/s；V——塔内上升蒸气流量，kmol/h；Vs——塔内上升蒸气流量，m3/h；W——釜残液（塔底产品）流量，kmol/h；Wc——无效区宽度，m；Wd——弓形降液管宽度，m；Ws——安定区宽度，m；x——液相中易挥发组分的摩尔分率；开孔区宽度的1/2宽度，m；y——气相中易挥发组分的摩尔分率；Z——塔有效高度，m；φ——开孔率；Φ——液体密度校正系数参考文献[1]陈敏恒．化工原理[M]．北京：化学工业出版社(第三版)，2003[2]贾绍义，柴诚敬．化工原理课程设计[M]．天津：天津大学出版社，2002[3]马江权，冷一欣．化工原理课程设计[M]．北京：中国石化出版社，2009[4]谭天恩，麦本熙化工原理[M]．北京：化学工业出版社（第二版），1998[5]王汉松．石油化工设计手册（第1卷），石油化工基础数据．北京：化学工业出版社，2002[6]中石化集团上海工程有限公司．化工工艺设计手册（上册）．北京：化学工业出版社，2003[7]化工设计手册编辑委员会．化学工程手册：第1篇化工基础数据．北京：化学工业出版社，1986[8]李功样，陈兰英，崔英德主编．常用化工单元设备设计[M]．广州：华南理工大学出版社，2003[9]涂伟萍，陈佩珍，程达芬．化工工程及设备设计[M]．北京：化学工业出版社，2000[10]阮奇，叶长，黄诗煌．化工原理优化设计与解题指南[M]．北京：化学工业出版社，2001学号：毕业设计说明书甲醛生产的DCS设计Thedistributedcontrolsystemforformaldehyde'sproduction学院电信专业自动化班级09-1学生***指导教师（职称）****完成时间20年3月25日至20年6月6日广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书本人郑重承诺：《甲醛生产的DCS设计》毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在**指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。学生签名：年月日毕业设计任务书院（系）：计算机与电子信息专业自动化班级：自动化1班学生：***学号：一、毕业设计课题甲醛生产DCS设计二、毕业设计工作自20年3月25日起至20年6月25日止三、毕业设计进行地点广东石油化工学院四、毕业设计的内容要求

设计要求完成如下内容：1、学习AdvanTrol-Pro软件，掌握各软件的使用方法以及控制系统的组态工作流程。2、了解甲醛生产的工艺流程，完成吸收工段控制系统的设计，前期包括：系统的硬件构成、配置情况、卡件布置、系统数据测量点数清单、数据分组、系统控制方案的选择、监控画面、报表内容等。3、对甲醛生产控制系统进行硬件组态、软件组态设计、流程图画面设计、实时监控的设计（报警画面、总貌画面、分组画面、调整画面、趋势画面）。4、对设计好的系统进行工艺现场监控软件的模拟仿真。5、按规范要求写出论文说明书；

6、做出PPT文档进行论文答辩。

指导教师**接受毕业设计任务开始执行日期学生签名广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计摘要PAGEPAGEI摘要本课题以甲醛生产的控制系统为对象，运用浙大中控设计的AdvanTrol-Pro软件对其进行DCS设计。文章介绍了集散控制系统的基本结构和甲醛生产的工艺过程，分析了甲醛生产工艺过程的特点及具体要求，并提出了相应的控制方案；针对甲醛生产现场各个传感器以及输入设备之间数据通信的特点，确定出甲醛生产控制系统的结构、数据测量点数清单、卡件布置等,并根据计算机监控系统应满足的各项功能要求，设计计算机监控系统中数据采集，上下位机通讯及上位机管理子系统。完成的DCS设计包括硬件组态、软件组态，其中有流程图画面和实时监控的设计，最后是对工艺现场监控软件系统进行模拟仿真，仿真结果显示所设计的系统画面真实、动态效果好，基本能满足设计要求。关键词：甲醛DCS控制系统AdvanTrol-Pro软件组态广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计PAGEIIABSTRACTThistopictakesthecontrolsystemofformaldehyde’sproductionastheobject,usingtheAdvanTrol-Prosoftware,designedbytheSUPCON,todesigntheDCS.Thispaperintroducesthebasicstructureofthedistributedcontrolsystemandtheproductionprocessofformaldehyde.Itanalyzesthecharacteristicsandspecificrequirementoftheprocessandproposedthecorrespondingcontrolplan.Forthecharacteristicsofeachsensorintheproductionfiledofformaldehydeandtheinputdatacommunicationequipment,todeterminethestructureofthecontrolsystemoftheformaldehydeproduction,datameasurementpointslist,cardalayout,andmeettherequirementsoffunctionaccordingtothecomputermonitoringsystem,designthecomputermonitoringsystemofdataacquisition,andtheupperandlowerlevelcomputercommunicationandPCmanagementsubsystem.CompletetheDCSconfigurationdesignincludinghardware,softwareconfiguration,thepicturesoftheflowchartofthereal-timemonitoringofdesign,thelastistheprocesssitemonitoringsoftwaresystemsimulation,thesimulationresultsshowthatthereisarealgoodeffectofthesystemdesign,dynamicpicture,anditmeetthedesign’srequirementsinthemain.KEYWORDS:formaldehydeDCSAdvanTrol-Prothecontrolsystemconfiguration广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计PAGEV目录摘要 IABSTRACT II目录 III第一章引言 11.1国内DCS应用现状及发展方向 11.1.1技术发展 21.1.2市场规模 21.1.3市场份额 21.2我国甲醛行业现状及趋势 31.2.1现状和特点 31.3本章小结 5第二章DCS系统介绍以及甲醛生产的工艺要求 62.1DCS系统介绍 62.2JX-300XPDCS系统介绍 72.2.1硬件介绍 72.2.2系统软件介绍 82.2.3软件功能介绍 102.3甲醛生产工艺要求 122.3.1甲醛生产过程 12第三章系统配置及组态设计 143.1硬件配置要求 143.1.1测点清单 143.1.2卡件选择与统计 163.1.4信号点分配 183.2用户管理要求 193.3组态要求 193.3.1控制方案 193.3.2控制站及操作站配置 20第四章监控画面要求 214.1操作小组配置要求 214.1.1吸收操作小组设置要求 214.1.2蒸发氧化操作小组设置要求 254.1.3工程师组操作小组的设置要求 26第五章组态及系统仿真 275.1软件组态界面及效果 275.1.1用户授权管理 275.1.2控制站及控制回路组态 285.1.3操作小组组态 285.1.4报表组态 295.1.5二次计算 305.2系统仿真效果 315.2.1系统总貌 315.2.2数据一览画面 325.2.3报警一览 325.2.4分组控制 335.3本章小结 34结束语 35致谢 36参考文献 37第一章引言PAGEPAGE2第一章引言甲醛是重要的有机化工原料，广泛应用于树脂合成、工程塑料聚甲醛、农药、医药、染料等行业。含甲醛36%-55%的水溶液，商品名为福尔马林，主要用于生产聚甲醛、酚醛、树脂、乌洛托品、季戊四醇、合成橡胶、粘胶剂等产品，在农业和医药部门也可以用于生产杀毒剂或消毒剂。目前国内的甲醛行业受建材需求较强的带动，生产势头较好；而农业、医药等方面对甲醛的需求也十分稳健，从而使得甲醛具有较好的市场需求面。为提高甲醛产品质量和生产能力，降低成本，保证生产的稳定和安全性，很多国内厂家对生产的自动控制提出了更高的要求。现代科技领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。随着自动化技术的广泛应用，企业的技术水平不断提升，通过优化生产过程，提高自动化程度，来节能降耗，降低企业的生产成本，提高企业的市场竞争力，是当今流程工业发展的方向。在甲醛的生产中，采用先进的集散控制系统进行全程监控，使之脱离传统的手工操作模式，提高生产的技术水平。1.1国内DCS应用现状及发展方向上世纪70年代，由于经济的迅速发展，生产装置迅速向大型化方向发展，尤其是石油炼制、冶金、化工、建材、电力等行业，这些行业生产装置的大型化能够带来明显的好处，如生产效率提高、原料消耗减少、劳动力成本降低等。生产设施的大型化要求设备之间具有更好的协调性，而且停机将带来更大的损失。因此用户迫切希望能够有一种产品或者系统能够解决生产设施大型化和连续化所面临的控制问题。与此同时，在20世纪70年代中期，大规模集成电路取得突破性的发展，8位微处理器得到了广泛的运用，使自动化仪表工业发生巨大的变化，现代意义上的DCS也应运而生，1975年Honeywell推出了第一个DCS产品。中国使用DCS始于1981年，当时吉化公司化肥厂在合成氨装置中引进了Yokogawa的产品，表现出良好的控制性能和可靠性。随后中国引进的30套大化肥项目和大型炼油项目都采用了DCS控制系统，提高了生产设施的效率和产品质量的连续性，并且物耗和能耗也有不同程度的降低。DCS产品在石油和化工行业的成功应用也促进了其他行业控制系统的发展，在随后的几年，冶金、建材、电力、轻工等行业的新建项目中也陆续使用了DCS产品，并成为这些行业的主流控制系统。[1]广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计PAGE41.1.1技术发展经过30年的发展，现代的DCS产品与最初的产品相比在速度、可靠性、功能、通讯等方面取得了巨大的进步。1、功能领域的扩展：从功能上现在的DCS已经不再局限于控制层，而是增加了更多的管理层功能，向上提供企业管理系统接口。与此同时，DCS向下不在局限于主工艺装置系统的控制，而是将更多的辅助系统纳入到整个控制系统。2、硬件技术的发展：随着硬件技术的发展，DCS系统的硬件可靠性进一步增加，在系统规模日益扩大的情况下，硬件的平均故障间隔时间（MTBF）也保持在100,000小时以上。现在的DCS控制站普遍采用32位处理器及多处理器技术，在最新的产品上已经开始使用64位处理器，相比初期DCS控制站的8位处理器，运算速度得到大幅度的提升。3、先进通讯技术的应用：从通讯上看，目前现场总线已经普遍运用，在最近的几个大型石化项目中都使用了现场总线。[2]1.1.2市场规模中国庞大而成体系的流程工业形成了过程控制系统的市场基础，而其中电力、石化、化工、建材、造纸、市政、冶金的大幅度投资与增长，更形成了每年超过50亿元（2004）的DCS市场规模。同时，市场的行业分布也与这些主要行业的投资情况息息相关。譬如，近年的能源短缺和随之而来的电力投资热潮，使得电力行业的DCS需求达到18亿元，占据整个市场三分之一强的份额，超过了石化和化工这些传统的DCS应用的强势行业。1.1.3市场份额第一章引言PAGE6DCS是一个技术含量高，需要长期培养的市场，因此，市场格局在近年没有大的变化，没有新的有影响力的厂商进入和退出，排名靠前的仍然是在业内传统的强者，只是由于行业发展速度的不平衡，不同行业侧重的公司的排名会产生一些小的变化。由于DCS定制性很强，与客户的工艺结合密切。很多人认为DCS是一种“服务”而不是“产品”。在DCS市场中，方案的设计、系统集成能力、培训、售后服务是客户考察的重点，不像PLC市场，用户只看产品本身的性能和质量就可以了。“软”件的重要性导致了这个行业份额分布的一些重要特征。1、行业性：对用户行业的理解直接决定了DCS方案的适用性。这使得DCS供应商所提供的产品会更适用于某些行业，而不是全部，从而导致DCS供应商一般会有一个或者数个较强的行业，同时在一些行业里却很难有突破。例如：Honeywell是DCS最大的行业市场油气加工行业的强者，其在油气开采、运输、冶炼乃至下游的化工都有较大的份额和影响力；ABB由于其电力行业的整体能力，使得其在电力行业占据领先地位，此外，造纸也是ABB的强项；横河在化工行业；Emerson在石化；中控在化工；新华在电力；和利时在电力、交通等等。以上列举了主要供应商的一些强势行业，实际上较大的供应商都在谋求在热点投资行业或者新兴行业的突破，因此，也并不能把行业性作为描述供应商的一个严格限制。2、较强的本土供应商力量：与PLC、变频器等自动化产品不同，DCS市场中，国内供应商占据了相当多的份额。这一点也是与刚才提到的DCS特点所分不开的。定制性、跟客户的紧密沟通、培训、售后服务这些都是本土企业的强项。这使得国内兴起了以Hollysys、Supcon、Xinhua这样的企业。但其业务主体在中低端市场，跟国外主流厂商的产品竞争并不明显。[3]广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计1.2我国甲醛行业现状及趋势甲醛是甲醇最主要的下游产品之一，其消费量占比达到27％，在甲醇消费结构中占据首位。一般来说，生产每吨甲醛需消耗甲醇0.45吨左右。2011年以来甲醛价格走势总体与甲醇保持一致，两者联动性明显。我国的甲醛生产始于20世纪50年代，目前已成为化学工业中的一个重要品种，生产能力达到2873万吨。我国是世界第一甲醛生产和消费大国，“十一五”期间，我国甲醛工业实现了跨越式发展，同时也经历了全球金融危机和全球经济衰退的考验，对保障汽车工业、农业、医药业和房地产业的发展起到了重要作用。1.2.1现状和特点目前，我国甲醛行业有七个方面的特点：一是生产企业中97％为民营和私有企业；二是生产能力居全球第一，产能占全球的48％；三是生产装置分布不均匀；四是工艺技术的进步带动了行业整体发展；五是区域性的合作初见成效；六是银法甲醛技术和成套设备走向世界；七是全球大型化工企业的进入。1、生产企业和分布进入21世纪，我国甲醛工业步入了快速发展轨道，除青海省和西藏自治区外，28个省市(不含台湾省)都建设了数目不等的甲醛装置，生产能力和产量大幅增加，我国成为全球最大的甲醛生产国。不过，我国甲醛产业集中度差，企业规模小，套数多，在全国的分布也极不均衡，呈现东多西少、南多北少、中部空虚的格局。据中国甲醛行业协会统计，2011年10月我国甲醛行业运转的生产企业有425家，甲醛生产装置624套，其中5万吨/年及以上共有229套，97％为民营和私广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计PAGE4有企业，央企和国企不足20家。我国甲醛生产装置主要集中在山东、河北、广东、江苏、河南、四川、浙江、湖北、福建、安徽等省2、生产能力和产量据中国甲醛行业协会统计，2011年10月我国甲醛生产总能力为2873万吨/年，比2010年增长约5％。其中，铁钼法甲醛17家，合计生产能力156.5万吨/年，占生产总能力7.4％。我国甲醛生产能力的增长有几个主要因素：一是对投资者来说，甲醛是一种稳健的化工产品；二是甲醛属大宗化工产品，社会需求量逐年增加；三是生产工艺简单，原料供应充足；四是甲醛不便于长途运输，属于属地性化工产品。2011年我国甲醛产量约为1868万吨，比2010年增长约3.5％，全年平均开工率约为65％，将比2010年下降1％.2011年上半年我国甲醛总体平均开工率超过70％，甲醛总产量约900万吨，其中东北80万吨，山东182万吨，河北96万吨，山西9.5万吨，华东78万吨，安徽36万吨，华南126万吨，四川48万吨，重庆20万吨。2011年我国甲醛生产形势是前高后低，总量预计仍高于2010年。2012年我国甲醛产能保持继续增长态势，超过3000万吨。我国甲醛的产能有较大过剩，这也是今后相当长时间将存在的问题。3、我国甲醛工艺技术的进步20世纪90年代，我国经济的快速发展推动了甲醛工业的快速成长，工艺技术、产品质量、品种以及甲醛下游产品都有了长足的发展。新建的银法甲醛装置达到国际先进水平，在节能减排、环保、安全生产等方面都有了重大突破。尾气循环银法工艺得到广泛应用，双循环法高浓度甲醛新工艺也已问世并得到应用。我国较普遍生产的甲醛产品是37％(重量)甲醛，根据市场需求也可生产45％、50％、52％、55％(重量)的甲醛产品，醇含量降至1％(重量)以下，甚至根据需要可生产无醇甲醛产品。原料甲醇的单耗由过去的每吨37％(重量)甲醛耗460—480千克甲醇(银法)降至目前的440—445千克甲醇(银法)。4、我国银法甲醛技术和成套设备走向世界第一章引言PAGE7甲醇氧化法生产甲醛依据催化剂的不同分为银法和铁钼法，我国甲醛生产装置以银法为主。2007年以来，我国银法甲醛生产技术和成套设备有了飞速发展，具有自主知识产权。同时，以江苏恒茂机械制造有限公司为代表的我国银法甲醛技术和成套设备已出口到东南亚(如马来西亚、泰国、越南)、南亚(如印度)和西亚(如伊朗)等诸多国家。同时，临沂和平的电解银催化剂和巢湖瑞雪的高效阻聚剂也被东南亚、南亚和西亚的许多国家开始使用。5、全球大型化工企业入驻中国进入21世纪初，我国甲醛工业的快速发展引起了全球大型化工企业的关注，并纷纷进入中国，销售和建设甲醛生产装置，继续生产聚甲醛(POM)、多聚甲醛(PF)、1，4-丁二醇(BDO)和酚醛树脂，其中包括瑞典PerstorpFormox、美国杜邦(DuPont)、日本旭化成(AsahiKasei)、日本宝理塑料(Polyplastics)、三菱瓦斯(MGC)、美国泰科纳(Ticona)和美国D.B.Western等公司。[4]1.3本章小结第一章通过对国内DCS及甲醛行业的现状与趋势的介绍，引申出本课题设计的工艺要求，将成熟的DCS控制技术应用于甲醛的生产中，提高甲醛产品质量和生产能力，降低成本，保证生产的稳定和安全性。广东石油化工学院本科毕业设计（论文）：甲醛生产的DCS设计PAGE8第二章DCS系统介绍以及甲醛生产的工艺要求集散控制系统，是计算机控制系统的一种结构形式，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监控、操作、管理和分散控制的一种新型的控制技术。DCS是由计算机技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术相互发展和渗透而产生的。它既不同于分散的常规仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著地优越性。2.1DCS系统介绍DCS，（DistributedControlSystem）分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统