化工原理課程設計講稿裝控

1、化工原理課程設計講稿裝控1第1頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二第一部分 前言一、課程設計的目的 運用已經學過的各門課程的知識，特別是化工原理與化工工藝與設備的知識，進行化工單元設備中常見設備精餾塔的設計，達到以下幾方面目的。培養(yǎng)學生綜合運用所學知識、查閱化工資料獲取有關知識和數據、進行化工設備初步設計的能力。培養(yǎng)學生獨立工作及發(fā)現問題、分析問題、解決問題的綜合能力。提高計算能力、培養(yǎng)工程實際觀念。深入了解化工設備的內部結構，掌握板式精餾塔的各主要部件的結構及作用。培養(yǎng)學生認真的學風和工作作風。2第2頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二二、課程設計的任

2、務1. 已知條件分離對象：苯、甲苯、乙苯、苯乙烯混合物分離；正丁烷、異戊烷、正戊烷混合物的分離。處 理 量：（例如：245 T/d）原料組成：（例如：苯 46% ，甲苯 54%） 進料狀態(tài)：（例如：q1）產品要求：（例如：塔頂產品 含苯99%；塔底 產品：含甲苯99.5%) 塔體溫度：（例如要求：Tw102）3第3頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二2. 設計任務 工藝設計 產品組成：xD,xW（通過物料衡算） 操作條件：TD,PD,TW,PW 回流比：最小回流比，Rm；操作回流比，R 塔板數：提餾段板數；精餾段板數 塔徑：D 熱負荷：冷凝器和再沸器熱負荷 塔板設計： 溢流

3、裝置；塔板布置；流體力學校核。 塔體初步設計： 塔體設計；封頭設計；人孔和手孔的選用；接管設計。 輔助設備選用： 冷凝器的選用與校核、再沸器的選用。 繪制浮閥排列圖4第4頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二3. 需要上交的材料 設計說明書，主要包括： 設計任務書 第一章 工藝設計 第二章 塔板設計 第三章 塔體的初步設計 第四章 塔的輔助設備選用 第五章 計算結果匯總表 第六章 結果與討論(2)浮閥排列圖(3)計算草稿5第5頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二 三、日程安排 2011年8月10日8月19日,二周，扣除周六周日，實際10天，8月19日交說明

4、書，其中：工藝計算：3天 塔板設計：3.5天塔體設計：0.5天附屬設備選用：1天繪圖：0.5天整理說明書：1天講課：0.5天 6第6頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二四、課程設計過程注意問題認真閱讀教材，草擬進度表，擬定設計的方法和步驟。計算過程中要隨時復核計算結果的正確性，做到有錯即改，避免大的返工。要求來教室進行設計，以便于答疑和掌握進度。 7第7頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二五、參考資料No題 名責任者出版社索 取 號1冷換設備工藝計算手冊劉巍等石油化工TE965-62/12石油加工單元過程原理上沈復等石油化工TE624/7/13石油加工單

5、元過程原理下沈復等石油化工TE624/7/24化工原理課程設計劉雪暖石油大學TQ02/635化工原理課程設計裴世紅大連理工TQ02/726化工原理課程設計：化工傳遞與單元操作課程設計賈紹義天津大學TQ02/607常用化工單元設備設計李功樣華南理工TQ051.02/18石油煉制圖表計算機處理方法金桂三石油化工TE62/99傳熱學楊世銘高等教育TK124/51/8第8頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二第二部分 工藝計算設計要點 物料衡算塔頂和塔底溫度和壓力的確定冷凝器及再沸器熱負荷的確定 關于混合物物性參數的計算 關于回流比的選擇 全塔效率的計算部分物性數據 9第9頁，共63

6、頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二一、物料平衡 二、塔頂壓力、溫度的確定1、回流罐凝液溫度的初步確定 回流罐冷凝液的溫度，即塔頂產品溫度，由冷卻介質的溫度決定，當用水作為冷卻介質時（水溫：2530），凝液溫度可取4050 ，保證冷凝器要有1020 溫度的傳熱溫差。但要注意水的出口不高于50。 1. 目的：計算塔頂、塔底產品組成和產品量。2. 方法：對于兩組分精餾，根據塔頂、塔底產品濃度要求，通過物料平衡計算即可求出塔頂、塔底產品組成。對于多組份體系，先假定清晰分割。再進行物料平衡計算(注：濃度或組成有效數字位數，一般取小數點后4位)。10第10頁，共63頁，2022年，5月20日，

7、0點49分，星期二補充：多組分精餾的計算 關鍵組分：對多組分溶液分離起控制作用的兩個組分 (一般為工藝中最關心的、揮發(fā)度相鄰的兩個組分)。揮發(fā)度高的組分稱為輕關鍵組分，揮發(fā)度低的稱為重關鍵組分。 理論板數或填料層高度的確定，通常以關鍵組分所需達到的分離程度或回收率作為計算的依據。在一定條件下，其它組分在餾出液和釜殘液中的組成隨關鍵組分的分離程度或回收率而定，不能再任意規(guī)定。準確地預測塔頂和塔底的組成和量較難。應用關鍵組分的概念，根據各組分間揮發(fā)度的差異，可按以下兩種情況進行組分在產品中的預分配，再由物料衡算或近似估算得到塔頂和塔底產品的組成。1、關鍵組分11第11頁，共63頁，2022年，5月

8、20日，0點49分，星期二所選兩關鍵組分為相鄰組分， 相差較大。重于重關鍵組分的組分全在塔底產品中，輕于輕關鍵組分的組分全部塔頂產品中。非關鍵組分在產品中的分配可由物料衡算求得。清晰分割塔頂產品中有重于重關鍵組分的組分，塔底產品中有輕于輕關鍵組分的組分。組分在產品中分配不能由物料衡算求出，需在一定假設條件下，用芬斯克全回流公式進行估算。如果兩個關鍵組分不是相鄰組分，或進料中非關鍵組分的相對揮發(fā)度與關鍵組分的相差不大，均可能為非清晰分割。非清晰分割嚴格地說，清晰分割是不存在的，但在有的情況下為了簡化問題可以把接近清晰分割的情況視為清晰分割來處理。12第12頁，共63頁，2022年，5月20日，0

9、點49分，星期二回流比的確定 原則：先確定Rmin，再根據各種經濟因素確定適宜的R 。式中：ij 相對揮發(fā)度，取塔頂和塔釜的平均值； 兩式的通根，其值介于輕、重關鍵組分的相對揮發(fā)度之間。 恩德伍德（Underwood）計算公式：2、求理論板數的簡捷法13第13頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二若輕、重關鍵組分為相鄰組分，僅有一個 和 Rmin 值；若在輕、重關鍵組分之間還有 k 個其它組分，則 有 k+1 個 和 Rmin值，可取其平均值作為設計時的最小回流比。 應用恩德伍德公式的條件：(1) 塔內汽、液相為恒摩爾流；(2) 各組分的相對揮發(fā)度為常數。 方法：將多組分精餾

10、過程簡化為輕、重關鍵組分的雙組分精餾過程，其計算過程與雙組分精餾基本相同。基本關系式：芬斯克方程、恩德伍德方程和吉利蘭關聯圖(P284)。理論板數的簡捷計算法：14第14頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二步驟:(1) 根據料液組成及分離要求確定輕、重關鍵組分，并由物料衡算初估各組分在塔頂和塔底中的組成；(2) 求全塔平均相對揮發(fā)度，用芬斯克方程計算最少理論板數Nmin（取輕、重關鍵組分進行計算）；(3) 用恩德伍德公式計算Rmin，并確定適宜的R；(4) 用吉利蘭圖求取全塔理論板數；(5) 由柯克布萊德經驗式求精餾段所需理論板數，確定加料板位置。此部分內容參見石油加工單元

11、過程原理下冊P155-P17015第15頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二 2、回流罐壓力的初步計算 用泡點方程計算回流罐的壓力。 （1）常壓或減壓時： 用Antonine(安托因)方程計算 （2）加壓時： 已知T,設壓力P，查平衡常數列線圖(P250)得Ki， 代入上式是否成立，進行試差計算P。 3、回流罐壓力的確定 （1）計算值大于101.3kPa時，采用加壓操作。 （2）計算值小于101.3kPa時，采用常壓或減壓操作。 4、塔頂壓力的確定。 回流罐的壓力加上管線阻力即為塔頂壓力。管線阻力可取0.1-0.2 atm，減壓塔可取25 mmHg左右。1=iixK16第1

12、6頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二5、塔頂溫度的確定 在塔頂壓力下計算塔頂產品的露點溫度即為塔頂溫度。6、塔底壓力的確定 塔底壓力等于塔頂壓力加上全塔壓降。 常、加壓塔的每板壓降可取：3-6mmHg； 減壓塔的每板壓降可?。?2-3mmHg。 7、塔底溫度的確定 在塔底壓力下，塔底產品的泡點溫度即為塔底產品的溫度。17第17頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二三、冷凝器及再沸器熱負荷的確定1、冷凝器熱負荷的計算 冷凝器的熱負荷是塔頂飽和蒸汽從露點氣相冷凝為泡點液相所放出的熱量，可用以下辦法計算。露點氣相，Td泡點液相，Tb液相，TdQcHVHL=Cp

13、(Td-Tb)Qc=Hv+HL18第18頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二 2、再沸器熱負荷的計算 再沸器的熱負荷是塔底液相部分汽化成飽和蒸汽所吸收的熱量，蒸汽的量就是塔內氣相流量，可用全塔熱平衡計算。QBFHFDHLDWHLWQCQ損QBDHLDWHLWQCQ損FHFQ損5 QB或近似由下式計算QBVw(HVW-HLW)19第19頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二四、關于混合物物性參數的計算 混合物的分子量、密度、粘度、表面張力等參數參考圖表集的計算方法計算 五、回流比及理論板的計算 首先用Underwood公式求最小回流比Rmin，再由芬斯克公式

14、求最小理論板數Nmin，然后再由吉利蘭圖求不同R下的N，最后通過下式作圖：在N(R+1)最小處即為適宜回流比。同時得到理論板數。20第20頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二六、清晰分割檢驗 如果前面進行了清晰分割假定，在確定了回流比和理論板數后，要對清晰分割的假定進行驗證，驗證方法見石油加工單元過程原理P160。 21第21頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二七、全塔效率的計算建議采用奧康奈爾法應用條件：注意：混合物粘度用進料溫度、進料總組成下液體粘度，單位cP。22第22頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二已經確定塔頂溫度TD假定

15、塔底溫度TW計算各組分相對揮發(fā)度計算理論塔板數計算塔板效率計算實際板數假設每板壓降計算塔底壓力計算塔底溫度（TW）TW（TW）？是計算結束否重設TW八、塔底溫度、壓力、理論板數的迭代計算23第23頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二物質名Mtb()tc()pc(atm)苯78.280.128946.3甲苯92.1110.631940.6乙苯106.2136.234435.6苯乙烯104.2145.237439.5焦油650320表 1 分子量、沸點及臨界數據九、部分物性數據24第24頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二Pb (mmHg)苯甲苯乙苯苯乙烯飽

16、和溫度（）1-36.7-26.7-9.8-7.05-19.6-4.413.918.010-11.56.425.930.820-2.618.438.644.6407.631.852.859.86015.440.361.869.510026.151.974.182.020042.269.592.7101.340060.689.5113.6122.576080.1110.6136.2145.2表2 飽和蒸氣壓 25第25頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二溫度（）苯甲苯乙苯苯乙烯密 度(kg/m3)20882863258629014086484484988760837825831

17、86980815807814851100790787796832表3 液體的密度 26第26頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二溫度（）苯甲苯乙苯苯乙烯液體的表面張力（dyne/cm）2028.8028.5429.3031.153027.5227.3728.2230.084026.2526.2227.1429.015024.9925.0726.0827.956023.7423.9425.0126.907022.5022.8123.9625.86表4 液體的表面張力 溫度與表面張力的關系：非水混合物的表面張力可用下式估算： 其中：xi為i組分的摩爾分率。27第27頁，共63頁

18、，2022年，5月20日，0點49分，星期二物質名稱苯甲苯乙苯苯乙烯常壓沸點Tb（K）351.3383.6409.2418.2汽化潛熱rb（kcal/kmol）7.351037.931038.501038.85103表5 液體的汽化潛熱 汽化潛熱與溫度的關系：其中：Tr、Trb分別為溫度T和常壓沸點溫度Tb時的對比溫度。28第28頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二ABC苯15.90082788.51-52.36甲苯16.01373096.52-53.67乙苯16.01953279.47-59.95苯乙烯16.01933328.57-63.72表6 各組分的Antoine常

19、數 29第29頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二物質名稱苯甲苯乙苯苯乙烯Cpkcal/(kmolK)34.240.248.644.3表7 液體的平均比熱（0100范圍） 30第30頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二第三部分 塔板尺寸設計要點板間距HT的選定塔徑的計算標準浮閥的選用塔板開孔率的計算 標準塔板的選取浮閥塔板的流體力學計算塔板結構精餾塔設計框圖31第31頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二一、塔板間距HT的選定選擇塔板間距時，主要考慮以下因素霧沫夾帶物料的起泡性 操作彈性 安裝與檢修的要求 塔徑塔徑/mm塔板間距mm60

20、07008001000120014001600300032004200300 350 450 *350 450 500 600 *350 450 500 600 *800 *450 500 600 800 600 800注: 帶*者不推薦使用表1 塔板間距與塔徑的關系32第32頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二塔徑公式計算 ：計算空塔氣氣速(u) 應注意以下事項：二、塔徑的計算空塔氣速的經驗計算公式很多，可根據經驗公式的使用條件進行選擇。推薦使用比較普遍的史密斯和波津方法，取兩法計算的較大直徑。精餾段與提餾段應分別計算,如兩段塔徑相差不多,可采用同一塔徑.33第33頁，共

21、63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二種類閥質量(g)閥片厚度(mm)適用塔板厚度(mm)F-1型輕閥251.52,3,4F-1型重閥3322,3,4三、標準浮閥的選用 浮閥基本知識： F-1型浮閥有輕、重兩種。閥片直徑均為48mm，閥孔直徑均為39mm，最小開度2.5mm、最大開度8.5mm。34第34頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二四、塔板開孔率的計算35第35頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二1、取適宜閥孔氣速要大于臨界閥孔氣速的一個值對于F1型重閥，臨界閥孔氣速用下式計算。 取一個大于臨界閥孔氣速的值作為適宜的閥孔氣速，其取值原

22、則為：常壓塔：3-7m/s，減壓塔：10m/s，加壓塔：0.5-3m/s36第36頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二對于輕閥, 臨界閥孔氣速可用下式計算m0,單個閥質量，kg；At,單個閥孔面積，m2 。兩式聯立試差求解出臨界閥孔氣速。37第37頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二2、由閥孔動能因數計算適宜閥孔氣速 浮閥正常操作時的閥孔動能因數的經驗值為：817。利用該經驗值可計算出適宜的閥孔氣速。開孔率也可以直接選取，其選取原則為：常壓塔或減壓塔中：1015%加壓塔較?。?9%，有時達34%。3、由經驗直接選取開孔率38第38頁，共63頁，2022年

23、，5月20日，0點49分，星期二五、標準塔板的選取 當已知塔徑和開孔率，可以從附表十單溢流浮閥塔板標準系列參數表選取浮閥塔板的參數。 注意要選擇和計算開孔率相近的標準塔板。 從標準浮閥塔板中可得到浮閥塔板的如下參數： 塔截面積（AT）；降液管堰長、堰寬；浮閥個數、排列方式；出口堰高度等。39第39頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二對精餾段和提餾段進行水力學校核。繪出塔板負荷性能圖。六、塔板水力學校核1塔板壓降 ：hp不高于6mmHg（常壓或加壓塔）,減壓塔不高于3mmHg2霧沫夾帶量：阿列克山德羅夫經驗公式及泛點率分別核算降液管內液面高度 Hd：漏液 ：FoFoa5液體在

24、降液管內停留時間及流速 ：40第40頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二塔板的負荷性能圖繪制過量霧沫夾帶線淹塔線（液泛線） 過量泄漏線（氣相負荷下限線）降液管超負荷線（液相負荷上限線）液相負荷下限線操作線：直角坐標紙上繪制塔板負荷性能圖，并計算塔的操作彈性K，要求K不小于3。根據塔板的流體力學計算結果和塔板的負荷性能圖，分析討論所設計塔板的特點及優(yōu)缺點。 41第41頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二塔板有整塊式和分塊式兩種類型。 當塔直徑小于800mm時，一般將塔板加工成整塊式；當塔直徑大于800mm，一般將塔板加工成分塊式。分塊式塔板由兩塊弓形板、一

25、塊通道板和數個矩形板構成。七、塔板結構42第42頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二分塊式塔板示意圖43第43頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二分塊式塔板裝配圖44第44頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二分塊式塔板裝配圖45第45頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二分塊式塔板裝配圖46第46頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二第四部分 塔輔助設備的選用與校核塔頂冷凝器的選用與校核塔頂再沸器的選用 47第47頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二一、塔頂冷凝器的選用與校核48

26、第48頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二二、塔底再沸器的選用 選用塔底再沸器的主要步驟如下：根據塔釜溫度和熱源溫度計算換熱平均溫差tm。初步選取換熱總傳熱系數K 用QW=AKtm計算換熱面積 A查表選取標準換熱器，得到換熱器的基本參數。49第49頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二第五部分 塔體的初步設計一、塔體設計筒體：建議采用碳鋼，筒體的壁厚根據塔徑、材料、操作溫度及壓力從表3-1中選取。封頭的設計：常用的有橢圓形、蝶形、球形等幾種，建議采用橢圓形封頭（參照表3-2和附錄11）。50第50頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二人孔

27、及手孔的設計 直徑大于或等于800mm的塔，每隔68塊塔板設一個人孔； 塔頂、塔底及進料處必須設置人孔； 最常用的人孔規(guī)格為Dg450； 凡有人孔的地方，塔板間距要等于或大于600mm。51第51頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二塔高塔頂空間HD由塔頂第一板到筒體與封頭接線距離（不包括封頭空間）稱塔頂空間。通常取HD1.21.5m塔底空間HB由塔底第一板到塔底封頭接線距離稱塔底空間。取產品停留時間1015min，排量大 取35min。計算結果再加上12m作為塔底空間，即：52第52頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二 進料空間HF液相進料，HF大于一般

28、板間距并滿足安裝人孔需要即可兩相進料，則HF要取得大些，以利于進料兩相的分離，一般可?。?HF1.01.2m塔的總高H：裙座： 塔類的裙座分為圓柱形與圓錐形。當塔高與塔徑之比大于30時用圓錐形裙座，一般用圓筒形裙座。塔徑為1.22m塔裙座開4個50mm的排氣孔，塔徑在1m以上要開兩個Dg450的人孔。 圖3-4(a)53第53頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二二、接管的設計 塔頂蒸汽出口管徑dv：原則：避免過大的壓力降。特別是減壓塔。參看表3-5選擇導管中蒸汽的常用速度uv，計算管徑dv，并查表3-8，取接管的標準系列。 回流管管徑dR：一般回流泵輸送時，可取uR1.52.5m/s，計算回流管管徑dR，并選取標準系列。54第54頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二 進料管管徑dF 液相進料采用泵送時可取uF1.52.5m/s，標準系列查表3-6，結構如圖3-14。 若為氣液混相進料，則只用氣相流量計算管徑，但允許氣速應為經驗氣速的 倍，經驗氣速取值范圍仍為表3-5中的數據。結構如圖3-17。 55第55頁，共63頁，2022年，5月20日，0點49分，星期二一般可取出料管速度uw0.51.5m/s（一次通過式再沸器取0.51.