化工原理课程设计市公开课特等奖市赛课微课一等奖

化工原理课程设计—连续精馏装置工艺设计化工学院制药工程系第1页第2页课程设计目标、要求和内容1、目标与要求《化工原理课程教学基本要求》指出：课程设计是综合应用本门课程和相关先修课程所学知识，完成以单元操作为主一次设计实践。经过课程设计使学生掌握化工设计基本程序与方法，并在查阅技术资料、选取公式和数据、用简练文字、图表表示设计结果及制图能力等方面得到一次基本训练。

◎

经过课程设计学生应提升以下方面能力：

p.（1）～（4）第3页2、课程设计内容200年月日（1）设计任务—见课程设计任务书（2）提交资料：设计计算说明书、工艺流程图、精馏塔设

备条件图◎设计计算说明书：①～⑩

cf.

《指导书》p.2，右边

留出２５mm，做备注用。

◎工艺流程图：A3横幅，见p、216与附图；

画法与要求见pp.2～6。

◎设备条件图：A3竖幅，见p、216与附图第4页◎

作用：

提供给化工机械设计人员，作为设备机械设计依据。

（1）设备主要工艺与结构尺寸；

（2）技术要求与接管表第5页精馏装置工艺设计◎

任务：完成整套装置流程设计、物料与热量衡算、

塔及附件设计、辅助设备选型设计。1．设计方案确实定1.1设计方案确实定（１）精馏方式选择（间歇、连续、特殊精馏、与其

它分离方法组合）

溶液分离应首选蒸馏。

◎分离要求高分离应首选连续精馏；仅当α＜1.1或α＝1

时才可考虑特殊精馏。

◎

小批量多品种时可考虑间歇精馏。第6页（２）塔型选择各种塔特点各异，应依据物系特征、操作压力、效率、造价、弹性等详细要求合理选型（cf.pp.102～106）。◎

定选筛板塔：自行叙述理由塔型蒸气量液体量效率弹性压降价格可靠性泡罩塔良优良超差良优筛板塔优优优良优超良浮阀塔优优优优良优优穿流塔优超差差优超可各种塔性能比较第7页欧美国家：浮阀塔占20～30％，筛板塔占60%，其它占10～20%。与泡罩塔相比，生产能力大20～40％，效率高10～15%，压降低30～50%，造价低40%。（３）操作压力确实定◎

加压：塔顶产品常温下为气态，加P↑→Td↑→用水或

较高温度冷冻介质冷凝→能耗↓；

P>1.8MPa，加压能耗过大，不经济，改用冷冻介质

冷却。◎

常压：常压下塔顶蒸气Td≥45℃，可用水冷◎

真空：热敏物料，正常沸点下易分解、破坏（P↓→T↓）第8页（４）加料方式◎泵送：惯用、需设缓冲作用中间贮槽（可容0.5～1h

料，容积系数0.8左右），调整方便。◎高位槽：需泵送，流量稳定、不宜大量加料，要求有安

装位置。◎

前道工艺直加：无需中间操作，但相互影响较严重。（５）加料状态q↑(tF↓)→塔内循环量(L,V)↑→N↓、QB↑、QF预热↓◎考虑操作稳定，塔径均一，多项选择饱和液体加料q=1→不

受料温与环境影响第9页（６）塔釜加热方式◎

再沸器（立式、卧式）：间接蒸汽，小塔可在釜内加

加热盘管◎

重组分为水时可用直接蒸汽加热（cf.pp.119～120,

Fig.5-16(a)※

选立式热虹吸式再沸器：传热系数大，操作稳定，造价低，与塔连体安装（Fig.5-16a）。（７）冷凝器形式（pp.120～122）◎

全凝器：配回流罐，若塔装在空阔处，应放在地面或

附近平台上，泵送回流（Fig.58,d）.◎

分凝器：冷凝液用作回流，取气相产品第10页（８）热能利用参考教材，再沸器加热介质，釜液余热回收。

此处水冷至30℃送往贮槽，热能利用问题暂不考虑。1.2工艺流程说明◎工艺流程图（cf.p.216），原料预热器可画成列管式，

塔顶回流部分修改（见参考图）。◎

工艺流程说明：按流程次序用文字叙述。

原料→塔顶D、塔底W去向，经过设备用名称（代号）表示，同时说明工艺参数控制。第11页〖例〗来自前道工序苯－甲苯混合液送入原料贮槽（V

101），经原料泵（P101）送入原料预热器（E101），

用低压蒸汽加热至泡点，经流量计量后，送入精馏

塔（C101），经过控制蒸汽压力和流量保持料液温

度恒定。……第12页2.设备工艺计算2.1物料衡算（cf.p.122）aF，aD，aW→xF，xD，xWmF，mD，mW(kg/h)；F，D，W(kmol/h)※最终结果保留4位有效数字，列出物料平衡表。2.2塔板数计算（1）平衡数据：《化工工艺设计手册》、《溶剂手册》（2）理论塔板数：图解法求Rmin；写出两段操作线方程；

200×200坐标纸图解理论板，保留一位小数。

两图合一，t-x-y图（上），x－y图（下），共用x坐

标，以方便查物流温度。第13页组分苯甲苯合计进料aFi(%)mFi(kg/h)xFi(mol/mol)Fi(kmol/h)塔顶产品aDimDixDiDi塔底产品aWimWixWiWi表2-物料平衡表第14页（3）全塔效率：查教材Fig.11-21

→查→此处板上液体流程Z<1m，可无须校正；筛板（4）实际塔板数：分段圆整，提馏段理论板数应先扣去

塔釜后再计算。每段酌情加２～3块板。

◎取3个进料口，分别为Nf（实际板），Nf+2，Nf－2。2.3热量衡算◎目标：确定加热蒸汽、冷却水用量；冷凝器、再沸

器、预热器、冷却器热负荷。原料温度：年平均气温；其它各物料流温度按组成查t-x-y

图得第15页各物流中组分Cpi—按平均温度查

混合物比热：气化潜热：，J/kmolTr=T/Tc，K/K；苯：Tc＝288.94℃；甲苯：Tc=320.8℃ABCDE苯0.50730×1080.76160-0.505200.156400.0甲苯0.50160×1080.383400.00.00.0◎

热量衡算：基准0℃，1atm；第16页◎

冷却水：进口温度—年平均气温，

出口温度—t2=t1+(10～20℃)◎

加热蒸汽温度：ts=tw+（30～40℃）→P汽（圆整）◎

热损失QL：取QB10％※计算过程：画简图ＱＶＱＣＱR+QD→QFQVQRQlQBQW第17页Ｆ、Ｄ、Ｗ－饱和液体：，按平均温度取；；↑tD↑（tD＋tV)/2↑（tD＋tV)/2↑tVV—饱和蒸气：◎计算结果列成热量平衡表第18页表2-热量平衡表项目名称Q（kJ/h）备注入塔进料引入热量回流带入热量加热蒸汽带入热量合计QF＝QR＝QB＝Q入＝（1）QC＝kJ/h冷却水温度

15→25℃，消耗量kg/h；出塔塔顶蒸汽带出热量釜液带出热量热损失合计QV＝QW＝Ql＝Q出＝（2）QB＝kJ/h

加热蒸汽表压：

kPa（取整），用量kg/h。第19页3.塔板及塔主要工艺尺寸计算3.1基础数据◎

塔内气、液流量是此部分计算基本数据。由顶→底：，

q=1：提馏段流量＞精馏段流量，（L’＞L，V’=V），按提馏段平均值作为设计流量（两段流量差异大时，两段分别计算）。PF，PW由PD+n×板压降求得。第20页；，与xF，xW平衡；；其中：；；；其它变量求取参考pp.124～126第21页表3-1设计参数表名称单位数量备注平均温度，tm℃平均压强，pmkPa表面张力，σmN/m液体粘度，uLPa·s液相密度，ρLkg/m3气相密度，ρVkg/m3液相负荷，LｈLsm3/hm3/s气相负荷，VｈVsm3/hm3/s第22页3.2塔径计算初选板间距：Ht↑→umax↑→u↑→DT↓，H↑（cf.表5-1）筛板塔板间距：Ht,mm：300～500400～700450～800(间隔50mm)DT,m:0.8～1.21.4～2.42.6～6.6板上清液层高度：hL=0.05～0.10m（0.06即可）；

D=1.2m，Ht=0.45；D=1.4m，Ht=0.4m，查教材Fig.5-1→C20适宜空塔所速：u=0.6～0.8umax（取中值0.65或0.7）第23页→就近圆整可下可上（0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,…）算出数据应参考标准圆整，后续计算取圆整后数据代入。3.3塔板计算3.3.1溢流装置计算选板上液体流型：cf.p110.表5-2→单流型塔板结构参数:p.110.Fig.5-41、溢流堰堰长Lw=0.6～0.8D；溢流强度校核：第24页堰上清液高度：◎要求：how＞0.013ｍ，不然取齿形堰。堰高：hw=hL-how（常压塔0.03～0.05m），超出此范围调

整hL，hw以5mm递增很好；圆整后hL改变需重算，

故hw就近圆整（只有硬件尺寸能够圆整）。２、降溢管宽度Wd，面积AF查Fig.5-7停留时间校核：＞３～５s不起泡τ≤３s；中起泡τ≥4～5s；严重起泡τ＞7s。第25页降液速度：＜0.1m/s降管底部间隙：取整（25,30…）确保液封间隙流速：（0.07～0.25m/s）受液盘：凹形，深度50mm以上（Fig.5-8），加料与回流

板处可取较大值。开有泪孔，方便停车时排液。最终止果最好靠标准系列（附录四），初始数据可按此选取第26页3.3.2气液接触区设计１.塔板布置：开孔区、溢流区、安定区、无效区（Fig.5-4）数据选取见pp.113：Wc=50mm(＜2.5m)，Ws(进口)=50～100mm，Ws’(出口)=60～100mm，大塔取大值。2.筛孔与开孔率孔径：d0=3～8mm；普通取4～6mm，不能取小数。相同时→d0↑→漏液量↑、弹性↓（上限↓、下限↑）筛板厚：δ＝(0.4～0.8)d0圆整，普通碳钢3～4mm；合

金钢2～2.5mm孔心距：正三角排列，普通t=(3～4)d0第27页开孔率：～正三角排列（5～15%）（综合指标）↑→ΔPp↓,eV↓；弹性↓，漏液量↑，E0↓筛孔数：Aa—由式（5－12）计算3.3.3塔板流体力学验算（校验塔板设计合理性）1.塔板压降ΔPp→用液柱高度表示hc～（5－19），hL～（5－20），hσ～（5－23）第28页2.雾沫夹带量eV→（5－24），eV<0.1kg液/kg气3.漏液点气速u0,min→（5－25）稳定性系数φ↓，hW↓（hL↓）→u0,min↓→K↑4.液泛校核降液管清液层高度：hd～液体流过降液管压降（5－30）为预防液泛：第29页～校正系数，普通物系取0.5（如苯－甲苯）；易发泡物系

取0.3～0.5；不易发泡取0.6～0.7。5.液面落差Δ（D<1.6m可不计算），mb～液流平均宽度，单流型塔板b＝(D+LW)/2，m；Z～板上液流长度，m；μL～mPa.sHf～鼓泡层高度，，m要求：Δ<0.5hc～干板阻力，以确保气体均匀分布。第30页3.3.4筛板塔负荷性能图1.过量雾沫夹带线—取极限eV＝0.1→代入（5－24）导出

描点作图：cf.p.131，给出数表（Ｌ＝0.001～0.015m3/s）2.液泛线：取

计算见p.1323.液相负荷上限线：取τ＝5s，4.漏液线（气相负荷下限线）第31页（5－25），式中

→，见p.1305.液相负荷下限线做下限，再小液体极难分布均匀6.操作线：设计流量（Vs，Ls）→P点，连OP延长做直线操作弹性＝

◎P点在图中心附近很好，过分靠近某条线时应找出原

因，调整塔板参数。

不可过渡追求操作弹性，应将操作弹性与操作点位置居中结合起来才有实际意义。第32页3.3.5设计结果汇总表（p.133,表5－7）若两段塔板结构参数不一样应分别列出，普通最好两段一致，便于制造与安装。··123456POLsVsVs,maxVs,minLs第33页3.4塔高及塔重计算3.4.1塔高（1）封头高度：查得DN1400×10数据

DN1400，h2=？，曲边h1=？

V封＝？m3

h1h2（2）筒体存液高度按8min计（进料缓冲15min时，τ＝3～8min，不然15min）圆整Ha第34页HdHe>2.1mH1H2H3H4HcHbHa0.8m（3）裙座高度考虑泵安装高度约Zs=－4.5m=H1+HaH1=4.5-HaHe=2.5m(He≥2.1m)Hd=H1-2.5（4）底部高度H235047316003246选GCH-1000-10-60再沸器：取液面与上管板平齐Hb=0.473+0.350=0.823mHc＞0.6m，取Hc=0.800m底部高度:H2=Hc+Hb+Ha第35页第36页（5）板间高度:进料板:HF＞0.6m，液体加料可与普通板同或略大入孔处:0.6～0.7→0.6m入孔数：N＜25—2个；N=26～41—3个→人孔直径400～

600mm→450mm顶部1个；精馏段中间1个；加料板处1个；提馏段中间

1个；底部空间1个，共5个。（6）塔顶空间高度：取1.2m，0.390m为上封头高度；塔顶出气管长度查手册定。（7）塔高：第37页3.4.2有效容积V=2V封+V筒3.4.3塔重W筒＝2W封头+W直筒+W裙,δ＝0.010m,ρ钢＝7830kg/m3

W板＝Ne·W单板（W板—65kg/m2，也可查化工设备设计手册）笼式：W梯＝40(kg/m)×Lt,m(Lt：距地0.8m→最上平台)平台：半圆形，1m宽D平台个数：底部，进料板、人孔处、顶部共5个。第38页第39页第40页平台底面距人孔中心0.8～1.2m其它附件：W附＝3t4.工艺接管及附件设计4.1工艺接管（1）进料管：（uF≤1.5～1.8m/s泵送）选uF=1.2m/s→dF＝0.061m取直管进料管：查无缝钢管，φ76×3（di=0.070m），

记为：DN70PN16

第41页（2）塔釜出料管：uW=0.5～1.0m/s（3）回流管：（泵送）(Fig.5-13)(u≤1.5～1.8m/s)（4）塔顶蒸气管：V顶，(u=10～20m/s)（5）再沸器进塔气管：V’，DN350(Φ377×9)（6）再沸器入口管：DN350(Φ377×9)（7）其它接管：液面计、温度计、压力表、吹扫管、……

（不要求）接管表序号接管名称流量m3/s管

子法

兰型式规格标准号型式规格材料标准号1进料管0.003无缝钢管DN70平焊PN16DN70A3第42页4.2人孔、吊柱选择（1）人孔：

选5个,垂直吊盖式,DN450（2）吊柱：（W=5000N）H＞15m需设之名称SLHФ×δReD数据100034001000159×107502501500第43页5.换热设备选型计算◎换热器：原料预热器、塔顶冷凝器、塔底再沸器、塔顶

产品冷却器和塔底产品冷却器◎选型计算：原料预热器、塔顶冷凝器，选型后校核；其

它换热器只选型不校核。5.1原料预热器加热介质：水蒸汽，℃，按压力取整热负荷：重新计算，计算用汽量冷凝器形式：温差较大，选浮头式

流程安排：蒸气走管程，上进下出；预热器横置、竖置

均可。原料走管程，下进上出。第44页初选K＝550～600W/m2.0C校核：传热面积或传热速率（要求富裕10-30%）、管程压

降（为选泵用）设℃，计算出α0后校核tf：∴◎管束外蒸气冷凝传热给热系数计算：（化工设备设计

全书－换热器，化工出版社，；pp.42-43）；第45页：：对水平管束：式中冷凝负荷kg/m.s；其中mS为蒸气流量，kg/s；L为水平管长度，m；nS为冷凝液流股数，按下式计算：第46页◎垂直管束同单管外冷凝给热系数计算正方形直列：正方形错列：三角形错列：三角形直列：（N为总管数）第47页5.2塔顶冷凝器冷凝负荷：取前计算值冷却水温：15-25℃冷凝器：浮头式，水平放置蒸气与凝液：近似按纯苯计算初设K=500W/m2.C0校核：传热面积或传热速率（要求富裕15-40%）设℃，计算出α0后校核tf5.3其它换热设备1.立式热虹吸式再沸器

热负荷：见热量衡算部分第48页流程安排：蒸汽走壳程，料液走管程初设：K=700W/m2.0C选型：GCH-1000-10-60

JB1146-71-1/2-10校核：略2.塔顶产品冷却器热负荷：D从tD→30℃，热量衡算求取；计算用水量流程安排；水走管程，产品走壳程冷却器型式：浮头式单壳程偶数管程换热器初设：K=200W/m2.0C校核：略3.塔底产品冷却器第49页热负荷：W从tW→30℃，热量衡算求取；计算用水量流程安排：水走管程，产品走壳程冷却器型式：浮头式单壳程偶数管程换热器初设：K=200W/m2.0C校核：略第50页6.流体输送设备◎苯，甲苯：易燃、易爆、有毒

◎输送泵：油泵（Y，AY），磁力耦合泵、屏蔽泵；

考虑适当裕量，并与其它设备裕量相适应1.原料泵（P101）输液量：Fkg/s管道直径：按进料口计，无缝钢管输液高度：按最上层进料口计，管长取输

液高度×1.8管件与阀门：球阀1个，截止阀3个，流量

计1个、弯头5个、三通4个、换热器管程

阻力2m第51页求H→选型：取1.1H2.回流泵（P102）输液量：L=RDkg/s→VS输液高度：泵中心→回流口