2012甲醇-水体系化工原理课程设计

1、2020/7/6,1,化工原理课程设计,设计任务 课程设计的目的 课程设计内容 一、精馏塔工艺优化设计 二、精馏塔设备优化设计 三、辅助设备设计,2020/7/6,2,课程设计任务,设计题目 甲醇-水混合液精馏装置的设计,2020/7/6,3,课程设计任务,设计原始条件 原料液： 甲醇水双组分混合液 原料液处理量 1-3万吨/年 原料液初温 30 原料液含甲醇 20-90 % (质量) 馏出液含甲醇 99.0-99.8 % (质量) 甲醇回收率 99.5 % (质量) 蒸汽压力（绝）：5kgf/cm2 每年实际生产时间：8000小时 冷却水温度：30 冷却水温升：5,2020/7/6,4,20

2、20/7/6,5,2020/7/6,6,课程设计任务,设计任务 完成精馏工艺设计，运用最优化方法确定最佳操作参数 选用板式塔进行精馏塔设备工艺设计和有关附属设备设计和选用 编写设计说明书和设计计算书 绘制工艺流程图、塔板结构简图、塔板负荷性能图,2020/7/6,7,课程设计的目的,总体目标： 培养学生综合运用所学知识，特别是本门课程的有关知识解决化工实际问题的能力，使我们学到进行化工设计的基本步骤和方法，得到一次进行化工设计的初步训练，为今后从事设计工作打下基础。,2020/7/6,8,课程设计的目的,培养和训练学生的能力 查阅资料，选用公式和数据的能力 从技术上的可行性与经济上的合理性两方

3、面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力 应用计算机的能力 运用简洁文字、图表表达设计思想的能力,2020/7/6,9,设计准则,经济性 先进性 可靠性和稳定性 可行性,2020/7/6,10,1 精馏塔工艺优化设计,建立精馏流程 精馏塔的工艺计算,2020/7/6,11,1.1 精馏流程,2020/7/6,12,1.1 精馏流程,加料方式 高位槽 加料泵 进料料液状态 需考虑降低塔釜热负荷及加热能位，同时要求的热状态比较稳定，一般要在单相状态,2020/7/6,13,1.1 精馏流程,塔顶冷凝状态 全凝器 分凝器 塔釜加热方式 再沸器间接加热方式 (计算辅助设备) 直接加热方式,2

4、020/7/6,14,1.1 精馏流程,塔顶产品出料状态 甲醇出料后要贮存，所以需冷却(例如40 50 ) 塔底产品出料状态 冷凝器位置 自然回流 强制回流,2020/7/6,15,1.2 精馏塔的工艺计算,目标 要求精馏塔系统的年总费用最小 精馏塔系统的年总费： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW) CD为塔体费用： CD =13290D1.2N CF为换热器费用： CF =2000A CS为蒸汽费用 CW为冷却水费用,2020/7/6,16,1.2 精馏塔的工艺计算,物料衡算(确定进料、塔顶、塔釜的量及浓度) 经济费用计算(求R=1.5Rmin时精馏塔费用) 根据经济衡算确定Ropt

5、,2020/7/6,17,1.2.1 物料衡算,已知：xD、xW、xF、W 求解D、F F=D+W F xF=D xD +W xW 要求 单位一致 , kg/h or kmol/h 采用质量、摩尔两种单位都有,Bottoms,Q7,Q1,Feed,Distillate,2020/7/6,18,1.2.2 经济费用计算,最小回流比Rmin计算 求理论塔板数N 求总板效率ET及实际板数NT 塔径估算 费用计算,2020/7/6,19,1.2.2.1 最小回流比Rmin计算,相平衡数据 1)可以查相关参考书 2)对于理想体系可采用相对挥发度,全塔：,2020/7/6,20,1.2.2.1 最小回流比

6、Rmin计算,进料热状况参数q 设进料处压力P进=(P顶+P釜)/2 据Antonine方程求出进料处的泡点温度T泡点 设计进料温度TF 根据甲醇、水的物性数据求算q值,2020/7/6,21,1.2.2.1 最小回流比Rmin计算,根据平衡关系和q求得Rmin,2020/7/6,22,1.2.2.2 求理论塔板数N,设R=1.5Rmin求算理论塔板数N 平衡线方程 精馏段操作线方程 提馏段操作线方程 q线,Equilibrium curve,xF,xw,y,xD,1,2,3,4,x,2020/7/6,23,1.2.2.2 求理论塔板数N,逐板计算法 通过Excel计算可以省很多计算时间 注意

7、： 理论板上精确到小数点后一位 进料前后方程的过渡,2020/7/6,24,1.2.2.3 求ET及实际板数NT,总板效率ET OConnell公式 注： 相对挥发度为全塔平均温度下的相对挥发度 粘度为进料温度下进料组成的摩尔平均粘度 f为系数，根据塔板种类而定，如筛板为1.1、泡罩为1、浮阀为1.2,2020/7/6,25,1.2.2.3 求ET及实际板数NT,实际板数NT NT=N/ET 求出全塔总实际板数 进料口位置,2020/7/6,26,1.2.2.4 塔径估算,以塔顶第一块板计算对象 基本数据：气液组成、体积流量、密度， 液体表面张力 计算过程： 注：塔径D要圆整,2020/7/6

8、,27,1.2.2.4 塔径估算,注： 1、根据参考书石油化工基础数据手册查得并计算 2、具体计算过程可参考设计资料P133或化原第十章,2020/7/6,28,1.2.2.5 费用计算,精馏塔系统的年总费： C=0.33(CD+CF)+(CS+CW) CD为塔体费用： CD =13290D1.2N CF为换热器费用： CF =2000A CS为蒸汽费用：CS=200元/吨W蒸汽 CW为冷却水费用： CW = 0.3元/吨W冷却水,2020/7/6,29,（一）塔体费用计算,CD =13290D1.2N 注：D、N都与回流比R有关， 因此CD 是R的函数 CD=f(R),2020/7/6,30

9、,（二）换热器计算,预热器 再沸器 塔顶冷凝器 塔顶产品冷却器 注意： 1、分别计算换热面积 2、蒸汽用量或冷却水用量,2020/7/6,31,（二）换热器计算,换热量Q，kJ/h (考虑热损失Q为1.05倍计算值) 换热器管程、壳程物流的温度T1、T2、t1、t2的计算或设计 计算平均推动力tm 设总传热系数K，求得换热器面积A 求得蒸汽用量W蒸汽或冷却水用量W冷却水 注：A、 W蒸汽、W冷却水都与回流比R有关，是回流比R的函数 CF=f(R)； CS=f(R)； CW=f(R),2020/7/6,32,1.2.3 根据经济衡算确定Ropt,精馏塔系统的年总费： C=0.33(CD+CF)+

10、(CS+CW) C=f(R) 通过改变R，求得不同R下的费用(包括设备费用、操作费用和总费用)并画图，得到费用最小的Ropt,2020/7/6,33,课程设计说明书要求,设计说明 工艺计算,2020/7/6,34,1、化工原理课程设计资料（一）板式塔 浙江工业大学化工原理教研室编 2、化学工程手册 第一篇 化工基础数据化学工业出版社（1980） 3、化学工程手册 第十三篇 气液传质设备化学工业出版社（1979） 4、石油化工基础数据手册卢焕章等编著，化学工业出版社 5、化工基本过程与设备 设计教科书苏N迫特尼奥尔斯科戈 6、“Vapor-Liquid Equilibrium Data Coll

11、ection” Vol 1 7、化工过程工程工业实践SW Bodman著，曲德林等译 清华大学出版社（1985） 8、塔的工艺计算 石油工业出版社（1977） 9、化工过程及设备设计华南工学院化工原理教研室（1987） 10、化工过程及设备设计 数据及图集浙江化工学院 11、泵类产品样品第一册、第二册 机械工业出版社 12、化学化工物性数据手册（有机卷） 青岛化工学院等编 化学工业出版社（2001）,参考文献,2020/7/6,35,课程设计地点,化工09(1)，A314(6.19晚除外) 化工09(3)，A314(6.19晚除外) 化工09(4 ), A114(6.20-6.22晚除外) 化

12、工09(5 ), A531,2020/7/6,36,课程设计时间安排,布置任务 0.5天 工艺计算 3天 设备计算 3天 辅助设备计算 2天 画图和编写任务书 1.5天,2020/7/6,37,课程设计纪律,一般情况都要在指定教室做设计，便于老师指导。 有时要向指导教师或课代表请假。 指导教师将经常点名以督促学生按时完成设计任务。,2020/7/6,38,请认真做课程设计！,谢谢 ！,2020/7/6,39,精馏塔设备优化设计,选择塔型和板型 塔板结构设计 塔板流体力学计算 塔板负荷性能图,2020/7/6,40,2 精馏塔设备优化设计,Distillate,Condenser,Reflux,

13、 L,Feed,Bottoms,Reboiler,Rectifying section,Stripping section,D, xD,F, zF,B, xB,2020/7/6,41,2.1 选择塔型和板型,塔型(填料塔、板式塔）,Liquid in,Vapor in,Vapor out,Liquid out,1,2,N1,N,Trayed Tower,Liquid in,Vapor in,Vapor out,Liquid out,Packed Column,2020/7/6,42,2.1 选择塔型和板型,板型 泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 穿流塔板,2020/7/6,43,2.2 塔板结构设计,流

14、动型式 单流型 双流型 多流型 回流型 其它流型,2020/7/6,44,2.3 塔板流体力学计算,塔板结构参数,HT,hw,how,Hd,h0,h1,hw ,Af,Aa,Wd,Ws,Ws,Wc,lw,2020/7/6,45,2.3 塔板流体力学计算,塔板结构参数 how堰上液层高度 hw堰高 HT板间距 ho底缝 Wc边缘区 Ws安定区 lw堰长 Wd堰宽 AT全塔面积 Af降液管面积 Aa开孔区面积,2020/7/6,46,2.3 塔板流体力学计算,塔径计算 降液管结构型式选取 堰及降液管设计 孔布置 干板压降 塔板稳定性 塔板压降 液泛情况 雾沫夹带 负荷性能图,2020/7/6,47,

15、2.3.1 塔径计算,基本数据：气液组成、体积流量、密度， 液体表面张力 预估板间距HT(500mm) 预算塔径 塔板参数设计 水力学性能计算,2020/7/6,48,(二）预算塔径,求 值和预设的HT得C20,2020/7/6,49,(二）预算塔径,注： 1、具体计算过程可参考设计资料P133 2、塔径D要圆整,2020/7/6,50,(三）初步设计塔板结构参数,降液管道截面积Ad 塔净截面积An 塔板工作面积Aa 孔总面积A0 孔径d0(48mm) 板厚tp 堰高hw(预设30mm),2020/7/6,51,(四) 水力学性能计算,修正气速数值及液泛分率数值 计算液沫夹带分率(要求0.1)

16、 降液管内液体停留时间核算 注：对于易起泡物系，要取得大一些,2020/7/6,52,2.3.2 降液管结构型式选取,单溢流 双溢流 多降液管,2020/7/6,53,2.3.3 堰及降液管设计,堰的确定 堰上清液层高度how的计算 板上液面落差 板上清液层高度hL的计算 ho设计,2020/7/6,54,2.3.3.1 堰的确定,堰的种类 齿形堰：how6mm 平堰： how6mm 弓形堰的长度 一般lw/D=0.60.8,2020/7/6,55,2.3.3.2 堰上液层高度how的计算,E根据 和 来确定，查图可得,2020/7/6,56,2.3.3.3 板上液面落差,本课程设计液量较小，

17、 0,2020/7/6,57,2.3.3.4 板上清液层高度hL的计算,先设一hL hw= hL how 圆整hw hL= hw how,2020/7/6,58,2.3.3.5 ho设计,降液管底部距下一层塔板的间距ho hohw （0.010.02）m,2020/7/6,59,2.3.4 孔布置,筛孔选择 取d0=38mm，t/ d0 =2.55 边缘区确定 WS=50100mm WC=5060mm 孔数n,2020/7/6,60,2.3.5 干板压降,注： W0气速，与气量有关 C0流量系数，与d0/有关 A0筛孔面积 Aa开孔区面积,2020/7/6,61,2.3.6 稳定性,漏液状态下

18、hc(M)=0.0056+0.13hL-h 漏液状态下气速： 稳定系数 注：要求K1.5,2020/7/6,62,2.3.7 塔板压降hp,hp=hc+hl,2.3.8 雾沫夹带,要求ev0.1,2020/7/6,63,2.3.9 液泛情况,降液管内液层高度Hd Hd=hL+hd+hp 若2Hd-hwHT，则产生液泛,2020/7/6,64,2.4塔板负荷性能图,漏液线 液体流量下限线 液体流量上限线 液泛线 雾沫夹带上限线 注：上操作弹性1.5 下操作弹性1.5,2020/7/6,65,3. 辅助设备的设计,塔高的设计 换热器的设计及选型 泵的设计及选型 接管尺寸的设计 塔和辅助设备都已确定

19、，重新计算总费用。,2020/7/6,66,塔高的设计,前面的计算得到实际板数和实际进料位置，以及板间距HT 。 开人孔500600，每10块塔板开一个人孔，开人孔处板间距HT取0.70.9 m 进料板HT0.70.9m 第一块塔板到塔顶的距离 0.51.0 m 最后一块塔板到塔底的距离1.01.5m 裙座高度的设计 直接蒸汽加热 23 m 间接蒸汽加热 35 m 求得全塔高度和进料板位置高度。,2020/7/6,67,换热器的设计,换热器包括全凝器、再沸器、预热器和冷凝器。 三个选型：只需计算换热面积，A=Q/(Ktm)，即可选型。 一个选型要选型和校核，一般选取全凝器。,全凝器的选型和校核： 计算换