化工原理课程设计经典课件201006.pptx
本 科 生 课 程 设 计化工原理课程设计要求 1、课程设计封面 1张2、2号图纸 2张3、2开坐标纸 1张4、16开坐标纸 1张5、课程设计用稿纸 50页6、按要求顺序装订第1页/共68页本 科 生 课 程 设 计化工原理课程设计说明书要求目录前言一、设计任务书二、设计说明 塔型的选择和流程选择方案说明 （包括流 程示意图）三、设计计算 所有设计公式和数据来源要说明四、参考资料 设计指导书、化工原理上下册等附图（塔体总装图、流程图、图解理论板和负荷性能图）第2页/共68页本 科 生 课 程 设 计封 面封面纸：按要求填写封二：设计任务书 按指导书要求填写题目:日产24吨 94%(质量%)乙醇生产的板式塔设计原料液:乙醇-水溶液，含乙醇40%(质量%)(属于低黏度、无固体颗粒、无腐蚀性溶液)产品要求:塔顶馏出液含乙醇94%(质量%)塔底残液(以间接蒸汽加热计!)含乙醇0.3%第3页/共68页本 科 生 课 程 设 计目 录 按实际完成后的课程设计说明书编写，保留到二级标题。第4页/共68页本 科 生 课 程 设 计前言(绪论）正文第一页 简洁叙述：本次课程的设计目的；板式塔精馏装置分离乙醇水物系的必要性。第5页/共68页本 科 生 课 程 设 计一、设计任务及要求原料：乙醇水溶液，乙醇含量：xx%(质量分数)；年产量或日产量：原料液温度：即进料热状态 设计要求：塔顶的乙醇含量不小于xx%(质量分数)塔底的乙醇含量不大于xx%(质量分数)按指导书要求计算后填写，含量与每位同学的学号有关！第6页/共68页本 科 生 课 程 设 计 二、设计说明2、说明为什么采用图解理论板法求理论板数？物料衡算论述本次设计中 热量衡算 等的重要性；基本假设1、第7页/共68页本 科 生 课 程 设 计三、生产工艺流程设计 3、塔型的选择 选择板式塔中的筛板塔 为什么选板式塔？从被分离物系和设备两方面论述；塔板结构采取什么形式？第8页/共68页本 科 生 课 程 设 计4、流程的选择流程图：以流程图的形式表示出由原料到产品的整个 生产过程中物料被加工成产品的顺序。（先画草图！）设计说明书中应有“流程简图”(只有管线、单元操作)设计说明书末附“流程图”（还有阀件、仪表）流程图的说明：塔的类型-筛板塔 操作压力-常压（加压、减压）进料方式-泡点进料 塔釜加热方式-直接蒸汽加热；热能利用三、生产工艺流程设计 第9页/共68页本 科 生 课 程 设 计5、加料状况 即精馏塔的进料热状态如何确定？论述饱和液体进料的优点（3个方面）；饱和液体进料的方式如何保证？6、加热方式：即塔底加热采取什么形式？直接蒸汽加热，论述直接蒸汽加热的优点。三、生产工艺流程设计第10页/共68页本 科 生 课 程 设 计三、生产工艺流程设计7、精馏塔的操作压力如何确定？为什么？塔顶常压操作8、塔顶采取什么冷凝方式？为什么？采用全凝器的冷凝方式，论述全凝器的优点。9、塔顶产品为什么要充分冷却？温度 ，压力，相对挥发度，乙醇易挥发、易燃、易爆，所以要降低温度，冷却到环境温度为宜。第11页/共68页本 科 生 课 程 设 计 流程图(举例,指导书上也有)第12页/共68页本 科 生 课 程 设 计以上是定性的设计以下是定量的设计设计计算 需指出，设计中设计变量的个数多于方程的个数（其差值称为设计的自由度），故下文中有些设计变量需要由设计者从经验范围中选定，才能计算出其他量。如果根据某一目标函数（如单位产品设备费用和运行费用之和）来确定这些“自由”的设计变量的取值，就是“优化设计”。“优化设计”有一套专门的算法。第13页/共68页本 科 生 课 程 设 计四、设计计算（一）物料衡算（二）回流比R（四）塔径的计算D （新！）（三）理论板数N、实际板 数Ne、塔板效率E（五）塔高计算（新！）第14页/共68页（一）物料衡算 1、原料液组成用xF表示 每位同学的进料浓度计算方法如下：aF=（30+班号后三位0.02+学号后两位0.05）%例如：050311班某同学学号是05031130，则 aF=（30+3110.02+300.05）%=37.72%aF是质量分率换算成摩尔分率！aF xF第15页/共68页 2、塔顶产品组成用xD表示 aD=（93.5+学号后两位0.02）%例如：050311班某同学学号是05031130，则：aD=（93.5+300.02）%=94.1%换算！3、塔底残液用xW表示 以间接蒸汽加热计!含乙醇0.3%（质量分率）（换算成摩尔分率即可，全体统一！与学号无关）aD xD（一）物料衡算第16页/共68页4、定回流比R R=(1.12)Rmin,R=(1.4+学号后两位0.01)Rmin 例如：050311班某同学学号是05031130，则 R=(1.2+120.03)Rmin,=1.56Rmin（一）物料衡算第17页/共68页5、全塔物料衡算：按间接蒸汽加热：按直接蒸汽加热：S=V=V=(R+1)D要计算直接蒸汽流量S(kmol/h)，需要知道回流比R。见下文 二、（一）物料衡算第18页/共68页1、做出x-y相图 作对角线 根据平衡数据作x-y曲线2、确定最小回流比Rmin 若选泡点进料，则q=1，q线为过（xF,xF）点的垂线（二）回流比R第19页/共68页 确定了回流比R后，要回到物料衡算中再确定直接蒸汽用量S等（若选间接蒸汽加热则不必回到物料衡算）。3、根据Rmin，确定R第20页/共68页 理论板的求法：捷算法（略）逐板计算法（略）梯级图解法（三）理论板数N、塔板效率E和实际板数Ne第21页/共68页1、作出精馏段操作线、提馏段操作线、画梯级精馏段操作线：定点截距法注：直接蒸汽加热时，梯级作到 xW*处，读出一位小数。N=梯级数-1 另外：局部放大 （包括塔顶塔釜放大）第22页/共68页2、计算全塔板效率E（新！）Oconnel关联图教材P145图11-21：第23页/共68页2、计算全塔板效率E（新！）Oconnel关联图 横坐标 av 的确定方法：平均相对挥发度 对非理想溶液可取各板相对 挥发度i的几何平均；步骤：读图，计算，取平均。av：按指导书公式计算！平均塔温：塔顶和塔釜温度的平均值 上面的效率关联图和关联式是针对泡罩塔的，对筛板塔，要乘以修正系数1.1。第24页/共68页3、实际塔板数Ne 精馏段：Ne1=N1/E 提馏段：Ne2=N2/E 实际板数取整！第25页/共68页 塔内流量决定塔径！具体到板式塔，塔的直径为D1、实际气速 要使气体在塔内的速度：（四）塔径的计算（新！）DuF：液泛气速系数，即最大允许气速umax 根据实际情况选取系数第26页/共68页液泛气速uF的关联式Fair,1961：C：气体负荷参数GrVr（）：气相密度 ：液相密度D（四）塔径的计算（新！）2、液泛气速第27页/共68页 气体负荷参数C：教材P138例11-3 由液气流动参数FP和板间距共同决定！所以在计算塔径前需先选一个板距HT(300mm、400 mm和450 mm等，见相关资料)。板间距选定后计算FP（FLV）：（四）塔径的计算（新！）FLV的计算：精馏段以塔顶第一层为准 提留段以加料板为准第28页/共68页 气体负荷参数C：教材P129图11-8：（四）塔径的计算（新！）第29页/共68页 从图中查出的C20只适用于液相表面张力=20 mN/m=0.02 N/m的情况，如果不等20 mN/m，需加以修正。（四）塔径的计算（新！）气体负荷参数C：第30页/共68页 修正C时要用到混合物（液相）表面张力，计算方法：方法一、基团贡献法：各物质“等张比容(parachor)”Pi(分子常数)由原子、基团常数加和而得，这些常数可查表。混合液平均分子量（四）塔径的计算（新！）气体负荷参数C：第31页/共68页3、塔径的计算算出后圆整，不一定向上圆整！（四）塔径的计算（新！）塔的总面积：其中：塔是有效截面积查表第32页/共68页4、塔径计算小结计算气相VG，液相VL，Gr查图图11-8校正计算计算计算（四）塔径的计算（新！）第33页/共68页5、校核塔径修正气速值修正液泛分率（四）塔径的计算（新！）重新计算流速u和液泛分率u/umax，液泛分率不能超过0.9。若液泛分率超过0.9，则需重新计算塔径，计算后，再次校核是否合适，直至符合要求为止！校核步骤：当D=圆整后数值时，第34页/共68页提馏段塔径的计算（选作）计算后，若精馏段与提馏段的塔径不一样，不设计异径塔，用精馏段统一塔径（四）塔径的计算（新！）第35页/共68页 计算塔高的公式要根据具体情况选用，如是否设置人孔、手孔等。若物系不含固体杂质、发泡性不强，设置人孔或手孔的间距也可以大一些。推荐公式为化工手册介绍：人孔可兼作手孔加料板可兼设人孔或手孔（五）塔高计算第36页/共68页（五）塔高计算H 塔高（不包括封头、裙座）m；N 实际的塔板数；S 人孔或手孔的数目，每隔68块设一人孔或手孔；HT 塔板间距；HT开有人孔或手孔的板间距，手孔150 mm，人孔600 mm，HT=HT+；HD 塔顶空间（不包括头盖部分）取11.2 m；HB 塔底空间（不包括底盖部分）取1 m左右；HF 进料板处的板间距，一般可以兼设人孔、手孔。2第37页/共68页 按要求和进度进行设计计算，第二次上课之前完成第一次讲课内容。第38页/共68页四、设计计算（六）塔板的结构设计（七）流体力学校核（八）适宜的汽、液流量范围：负荷性能图（九）热量衡算、附属设备设计等（一）物料衡算（二）回流比R、（三）理论板数N、塔板效率E和 实际板数Ne（四）塔径的计算D（五）塔高计算第39页/共68页（六）塔板、降液管的结构设计思路名称符号经验范围第40页/共68页（六）塔板、降液管的结构设计第41页/共68页（六）塔板、降液管的结构设计第42页/共68页（hH）（hW）（hOW）根据经验范围选定各个长度尺寸：塔板直径D:同塔径堰长Lw：选取Lw/D=0.680.76堰上液层高度hOw：经验式堰高hw：选取hw=25-75 mm,常压塔推荐40-60 mm （需校核）降液管底隙hH：20 mm ho 6 mm，才能保证液体的溢流沿堰均匀。要求how6 mm，才能保证液体的溢流沿堰均匀。不合格怎么办？1、校核堰上液头how（已完成）（七）流体力学校核图第49页/共68页（2）校核单板压降 气体单板压降由干板压降和液层压降加和。其中，气体通过筛孔的压降可借用流体通过孔板流动的公式：气体通过泡沫层的压降：修正系数:查图11-12（省略）或0.6。六、流体力学校核图 11-10第50页/共68页（2）校核单板压降六、流体力学校核全塔压降：工业酒精精馏塔釜表压一般为0.18-0.2 at（17.719.6kpa）,设计要求为塔釜表压力不高于0.3 at（29.4 kpa）第51页/共68页七、流体力学校核（3）校核液沫夹带 板式塔即使在低于液泛气速下操作，气体中仍带有液沫，液沫夹带会导致板效率下降，筛板塔操作上限受其限制。下层板的液体被带到上层板与其中的液体混合第52页/共68页l每摩尔干气所夹带的液沫的摩尔数：两者的关系：常用的计算模型：eG0.1七、流体力学校核（3）校核液沫夹带液沫夹带量的两种表示方法及要求：l 液沫夹带分数：0.15图 11-12第53页/共68页FLV：液泛分率常用的计算模型：第54页/共68页l每摩尔干气所夹带的液沫的摩尔数：eG 0.1不符和要求时，应适当加大塔径或加大板间距。l 液沫夹带分数：3s，否则过多的气泡来不及从降液管内 的液体中解脱出来，而带入下层塔板。七、流体力学校核第58页/共68页 漏液的关联式较多，这里介绍一个简单的 计算模型：先计算漏液时的干板压降：再由干板压降的计算公式（前已用过）：计算出漏液时的气体孔速uomin校核的要求：u/uomin1.5七、流体力学校核(6)校核漏液第59页/共68页计算结果（1）主要尺寸 板型 型 塔径D m 板距Ht mm 降液管截面积 Ad m2 降液管底隙 mm 堰长lw mm 堰高hw mm 孔径d0 mm 板厚tp mm 孔总面积A0 m2第60页/共68页计算结果（2）水利学性能 液泛分率 液沫夹带分率 单板压降Ht 降液管内液体停留时间 堰上液头高度 降液管内液面高度Hd （3）几个气速值 液泛气速uF 漏液点气速U0，min 实际气速u 筛孔气速u0第61页/共68页八、负荷性能图适宜的汽、液流量范围教材P134：图11-14气量过小：漏液气量过大：液末夹带液量过小：液面分布不均匀液量过大：液面落差大，甚至液泛第62页/共68页 现将堰液头、液沫夹带、液泛、停留时间、漏液等各项流体力学核中的公式和指标列在下面：f(VL,VG)F(VL)0.006液体流量下限线G(VL,VG)0.1液末夹带上限线H(VL,VG)3液体流量上限线K(VL,VG)L(VG)八、负荷性能图适宜的汽、液流量范围第63页/共68页 手算时，可将各曲线看作直线，就可根据两个(VL,VG)点确定各线。操作线,操作上下限,操作弹性F(VL)=0.006G(VL,VG)=0.1H(VL,VG)=J(VL)=3K(VL,VG)=L(VG)八、负荷性能图适宜的汽、液流量范围第64页/共68页操作线:原点和操作点(VL，VG)的连线 (塔顶)八、负荷性能图适宜的汽、液流量范围第65页/共68页九、热量衡算、附属设备设计等请按指导书要求的浅度和广度进行.第66页/共68页祝同学们的设计过程精彩，成绩优秀！第67页/共68页感谢您的观看。第68页/共68页
