化工原理课程设计讲稿(装控)-2011.ppt

1、1,化工工艺与设备课程设计,中国石油大学（华东） 化学工程学院 化学工程系,2,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。,3,二、课程设计的任务,1. 已知条件,分离对象： 苯、甲苯、乙苯、苯

2、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：245 T/d） 原料组成：（例如：苯 46% ，甲苯 54%） 进料状态：（例如：q1） 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：Tw102）,4,2. 设计任务, 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 塔板设计： 溢流装置；塔板布置；流体力学校核。 塔体初步设计： 塔体设计；封头设计；人孔和手孔的选用；接管

3、设计。 辅助设备选用： 冷凝器的选用与校核、再沸器的选用。 绘制浮阀排列图,5,3. 需要上交的材料, 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,6,三、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,7,四、课程设计过程注意问题,认真阅读教材，草拟进度表，拟定

4、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。,8,五、参考资料,9,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,10,一、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：2530），凝液温度可取4050 ，保证冷凝器要有1020 温度的传热温差。但要注意水的出口不高于50。,1. 目的

5、：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)。,11,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

6、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,12,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

7、，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。,13,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,14,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)

8、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：,15,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

9、料板位置。,此部分内容参见石油加工单元过程原理下册P155-P170,16,2、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0.1-0.2 atm，减压塔可取25 mmHg左右。,17,5、塔顶温度的确定 在塔顶压力下计

10、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。,18,三、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，Td,Qc,HV,HL=Cp(Td-Tb),Qc=Hv+HL,19,2、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

11、内气相流量，可用全塔热平衡计算。,QBFHFDHLDWHLWQCQ损,QBDHLDWHLWQCQ损FHF Q损5 QB 或近似由下式计算 QBVw(HVW-HLW),20,四、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。,21,六、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

12、，验证方法见石油加工单元过程原理P160。,22,七、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。,23,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,减压塔或常压塔：由平均温度求得各组份的饱和蒸气压再求相对挥发度。 加压塔：先由塔底温度求得塔底压力，再求平均塔压。由塔平均压力和温度求Ki，再求相对挥发度。,24,表 1 分子量、沸点及临界数

13、据,九、部分物性数据,25,表2 饱和蒸气压,26,表3 液体的密度,27,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。,28,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。,29,表6 各组分的Antoine常数,30,表7 液体的平均比热（0100范围）,31,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,32,一、塔板间距HT的选定,选择塔板间距时，

14、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,表1 塔板间距与塔径的关系,33,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.,34,三、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48mm，阀孔直径均为39mm，最小开度2.5mm、最大开度8.5mm。,35,四、塔板开孔率的计算,36,1、取适宜阀孔气速要大于临界阀孔气速的一个

15、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/s,37,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。,38,2、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：817。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：1015% 加压塔较小：69%，有时达34%。,3、由经验直接选取开孔率,39,五、标准塔板的选取,当已知塔径

16、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。,40,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3mmHg 2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 ：FoFoa 5液体在降液管内停留时间及流速 ：,41,塔板的负荷性能图绘制,过量雾沫夹带线 淹塔线（液泛线） 过量泄漏线（气相

17、负荷下限线） 降液管超负荷线（液相负荷上限线） 液相负荷下限线 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。,42,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,43,分块式塔板示意图,44,分块式塔板装配图,45,分块式塔板装配图,46,分块式塔板装配图,47,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

18、再沸器的选用,48,一、塔顶冷凝器的选用与校核,49,二、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=AKtm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。,50,第五部分 塔体的初步设计,一、塔体设计,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。 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）。,51,人孔及手孔的设计 直径大于或等于800mm的塔，每隔68块塔板设一个人孔； 塔顶、塔底及进料处必须设置人孔； 最常

19、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。,52,塔高,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HD1.21.5m 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1015min，排量大 取35min。 计算结果再加上12m作为塔底空间，即：,53,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： HF1.01.2m 塔的总高H： 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

20、圆筒形裙座。 塔径为1.22m塔裙座开4个50mm的排气孔， 塔径在1m以上要开两个Dg450的人孔。 图3-4(a),54,二、接管的设计, 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。 回流管管径dR： 一般回流泵输送时，可取uR1.52.5m/s，计算回流管管径dR，并选取标准系列。,55, 进料管管径dF,液相进料采用泵送时可取uF1.52.5m/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。,56,一般可取出料管速度uw0.51.5m/s（一次通过式再沸器取0.51.0m/s)，先求塔底出料的体积流率： 则：, 塔底出料管径dw,塔底至再沸器连接管管径dL,一次通过式再沸器，接管内速度取uL11.5m/s，液相流量为提馏段的