化工原理课程设计的目的与要求.docx
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化工原理课程设计的目的与要求
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目录
一、化工原理课程设计的目的与要求
二、化工原理课程设计的内容
三、安排与要求
四、设计步骤
1．收集基础数据
2．工艺流程的选择
3．做全塔的物料平衡
4．确定操作条件
5．确定回流比
6．理论板数与实际板数
7．确定冷凝器与再沸器的热负荷
8．初估冷凝器与再沸器的传热面积
9．塔径计算与板间距确定
10．堰及降液管的设计
11．塔板布置及筛板塔的主要结构参数
12．筛板塔的水力学计算
13．塔板结构
14．塔高
参考文献
设计任务书
一、化工原理课程设计的目的与要求
通过理论课的学习和生产实习，学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识。
对于一个未来的工程技术人员来说，如何运用所学知识去分析和解决实际问题室至关重要的。
本课程设计的目的也正是如此。
化工原理课程设计是化工专业的学生在校学习期间第一次进行的设计，要求每位同学独立完成一个实际装置（本次设计为精馏装置）的设计。
设计中应对精馏原理、操作、流程及设备的结构、制造、安装、检修进行全面考虑，最终以简洁的文字，表格及图纸正确地把设计表达出来．本次设计是在教师指导下，由学生独立进行的没计，因此，对学生的独立工作能力和实际工作能力是一次很好的锻炼机会，是培养化工技术人员的一个重要坏节。
通过设计，学生应培养和掌握：
1，正确的设计思想和认真负责的设计态度
设计应结合实际进行，力求经济、实用、可靠和先进。
2，独立的工作能力及灵活运用所学知识分析问题和解决问题的能力
学生在设计中可以相互讨论，但不能照抄。
为了更好地了解和检查学生独立分析问题和解决向题的能力，设计的最后阶段安排有答辩．若答辩不通过，设计不能通过。
3，精馏装置设计的一般方法和步骤
4，正确运用各种参考资料，合理选用各种经验公式和数据
由于所用资料不同，各种经验公式和数据可能会有一些差别。
设计者应尽可能了解这些公式、数据的来历、使用范围，并能正确地选用。
设计前，学生应该详细阅读设计指导书、任务书，明确设计目的、任务及内容。
设计中安排好自己的工作，提高工作效率。
二，化工原理课程设计（精馏装置）的内容
1、选择流程，画流程图。
2、做物料衡算，列出物料衡算表。
3、确定操作条件（压力，温度）。
4、选择合适回流比，计算理论板数。
5、做热量衡算，列出热量衡算表。
6、选择换热器，计算冷却介质及加热介质用量。
7、完成塔扳设计。
8、编写设计计算说明书。
设计结束时，学生应提交的作业有：
工艺流程图一张，塔板结构图一张，设计说明书一份。
三，安排与要求
设计进行两周，大致可分为以下几个阶段：
1、准备（一天）
教师介绍有关课程设计的情况，下达设计任务书．学生应详细阅读设计任务书，明确设计目的，设计任务．设计内容及设计步骤．安排好今后两周的工作。
2、设计计算阶段（四~五天）
按设计任务及内容进行设计计算，有时甚至需要对几个不同的方案进行设计计算，并对设计结果进行分析比较，从中选择出较好的方案，计算结束后编写出设计计算说明书。
设计计算说明书应包含：
目录、设计任务书、流程图、设计计算、计算结果及所引用的资料目录等。
设计计算说明书除了有数字计算之外还应有分析，只有数字计算，而无论述分析，这样的设计是不完整的，也是不能通过的。
计算部分应列出计算式，代入数值，得出结果。
计算结果应有单位。
说明书一律用16开纸写，文字部分要简练，书写要清楚。
说明书要标上页码，加上封面，装订成册。
3、绘图阶段（三~四）。
根据设计结果绘制塔盘结构图。
塔板结构图应能表示出塔盘结构的工作原理、结构特点、各组成零（部）件的相互位置的装配关系。
图中应有反映塔盘规格、性能的尺寸，零件之间装配关系的尺寸，外型轮廓尺寸及安装尺寸。
图中应当标明装配、安装、验收所要达到的技术要求。
图中每个不同的零（部）件必须有编号，并在明细表中逐项依次填写零件序号名称、规格、图号（或标准号）等内容。
制图必须严格按制图标准进行。
图面清晰易懂，视图、尺寸等足够而不多余。
4、答辩（二天）
答辩安排在最后两天进行。
答辩前学生应将设计计算说明书装订成册，连同折迭好的图纸一起交给教师。
答辩时学生先摘要汇报一下自己的设计工作，然后回答教师提出的问题。
四、设计步骤
精馏装置设计的内容与步骤大致如下：
1、收集基础数据
设计所需的基础数据包括：
①进料流量及组成。
②分离要求。
③原料的热力学状态。
④冷却介质及其温度、加热介质及温度。
⑤物性数据（如密度、表面张力等）。
上述基础数据中①、②两项由设计任务给出。
③、④两项若任务中未曾给出，则应根据具体情况确定。
物性数据可从有关资料中查取。
2、工艺流程的选择
精馏装置一般包括塔顶冷凝器，塔釜再沸器，原料预热器及流体输送泵等。
流程选择应结合实际进行，考虑经济性、稳定性。
如进料是否需要预热、冷凝器的型式及布置、及再沸器的型式等。
当塔顶需汽相出料时，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器。
对于小塔，通常将冷凝器放于塔顶，采用重力回流。
对于大塔，冷凝器可放至适当位置，用泵进行强制回流。
再沸器的型式有立式与卧式、热虹吸式与强制循环式之分。
当传热量较小时，选用立式热虹吸式再沸器较为有利。
传热量较大时，采用卧式热虹吸式再沸器。
当塔釜物料粘度很大，或易受热分解时，宜采用泵强制循环型再沸器。
几种再沸器型式如图1所示。
精馏装置中，有可能被利用来预热进料的热量有塔顶蒸汽的潜热和塔釜残液的显热。
塔顶蒸汽潜热大，而温度较低，塔釜残液温度高。
而显热的热量少。
在考虑这些热量的利用时要注意经济上的合理性及操作上的稳定性。
3、做全塔的物料平衡
对于双组分的连续精馏塔，由总物料平衡及组分物料平衡有
（1）
根据进料流量F及组成，分离要求，解方程组
（1）即可求得馏出液流率D及残液流率W。
4、确定操作条件（压力、温度）
精馏操作最好在常压下进行。
不能在常压下进行时，可根据下述因素考虑加压或减压操作。
（1）、对热敏性物质，为降低操作温度，可考虑减压操作。
（1）立式热虹吸型
（2）泵强制循环型
（3）卧式再沸器
图1几种再沸器型式
（2）、若常压下塔釜残液的泡点超过或接近200℃时，可考虑减压操作。
因为加热蒸汽温度．一般低于200℃。
（3）、最方便最经济的冷却介质为水。
若常压下塔顶蒸汽全凝时的温度低于冷却介质的温度时可考虑加压操作。
还应该指出压力增大时，操作温度随之升高，轻、重组分相对挥发度减少、分离所需的理论板数增加。
在确定操作压力时，除了上面所述诸因素之外。
尚需考虑设备的结构、材料等。
通常按下述步骤确定操作压力。
（1）、选择冷却介质，确定冷却介质温度。
最为方便、来源最广的冷却介质为水。
设计时应了解本地区水的资源情况及水温。
（2）、确定冷却器及回流罐系统压力P冷。
塔顶蒸汽全部冷凝时的温度一般比冷却介质温度高10~20℃。
冷却器和回流罐系统压力即为该温度下的蒸汽压（平衡压力），可由泡点方程求得。
（2）
式中Ki—平衡常数。
烃类Ki可由资料〔1〕〔2〕查得。
（3）、确定塔顶和塔釜压力。
塔顶压力P顶等于冷凝器压力P冷加上蒸汽从塔顶至冷凝器的流动阻力△P顶→冷凝器，即
P顶=P冷+△P顶→冷凝器（3）
塔釜压力P底等于塔顶压力加上全塔板阻力△P塔。
全塔阻力△P塔等于塔板阻力乘实际板数，即
P底=P顶+△P塔=P顶+n△P板（4）
式中：
△P板一塔板阻力，通常为3~5〔mm汞柱〕
在确定了操作压力之后，塔顶温度可由式（5）确定。
塔釜温度由式（6）确定。
（5）
（6）
5、确定回流比
对于平衡线向下弯曲的物系，最小回流比的计算式为
（7）
式中：
，—q线与平衡线交点座标。
当进料为饱和液体时，最小回流比也可用式（8）计算，进料为饱和蒸汽时，按式（9）计算。
（8）
（9）
汽液混合进料时，最小回流比的计算式为：
（10）
式中：
——泡点进料时的，按式（8）计算。
——露点进料时的，按式（9）计算。
由上式可知，最小回流比和进料液化分率q有关。
当泡点进料时，q=1。
露点进料时，q=0。
若进料压力高于塔的操作压力，且原料液温度较高时，进入塔内后可因压力降低而产生绝热汽化。
绝热汽化温度T及液化分率可由绝热汽化方程组（11）计算。
（11）
式中：
H、—筛孔数；
—开孔区面积，m2；
t—孔中心距，mm。
12、筛板塔的水力学计算
12—1塔板阻力
气相通过塔板的阻力为干板阻力与液层阻力之和。
即
（41）
式中：
—气体通过每一层塔板的阻力，m液柱；
—干板阻力，m液柱；
—塔板上的液层阻力，m液柱。
筛孔塔板的干板可用下式计算。
（42）式中：
—筛孔气速，ms；
—流量系数，可由图6查得；
—分别为气相和液相的密度，Kgm3。
12—2漏液点
当孔速低于漏液点气速时，大量液体从筛孔泄漏，这将严重影响塔板效率。
因此，漏液点气速为下限气速。
筛孔的漏液点气速按下式计算：
（43）
式中：
—漏液点筛孔气速，ms；
，表面张力压头，m液柱；
—液体表面张力，dynem。
当板上清液层高小于30mm，或筛孔孔径小于3mm时，用下式计算：
（44）
12—3雾沫夹带
雾沫夹带量的计算有两类，一类直接用板上参数表，如下式：
（45）
式中：
—雾沫夹带量，KgKg气，
—液层上部气速，ms.
该法只能用于常压塔，若用加压塔，计算值偏小。
另一种方法用泛点百分率来关联。
如Fair法，方法如下：
用下式求得泛点气速，
（46）
由图8查得，当<0.1时，乘以以下校正系数
0.10
1.00
0.08
0.90
0.06
0.80
当液体表面张力不等于20dynem时，应乘以。
当操作气速u和泛点之比作为液泛分率，由图9查得雾沫夹带分率，再由下式求得雾沫夹带量：
（47）
式中：
，—分别为液相和气相流量，Kg；
—液体在降液管出口阻力，校式（49）计算；
其它符号同前。
（m液柱）（49）
为了避免液泛，降液管中液面高不得超过（0.4～0.6）倍的，即
（50）
12－5液体在降液管的停留时间
为使降液管中液体的气泡能够脱除，液体在降液管的停留时间不得少于3～5秒，即
（51）
12－6负荷性能图
对于一个结构已定的塔板，将有一个适宜操作区。
它综合地反映了塔板得操作性能，把不同的气、液流率下塔板上出现得各种流体力学得界限综合地表达出来。
上述反映气、液负荷和塔板性能的关系图称为负荷性能图。
负荷性能图的作法如下：
（1）、按式（43）作漏液线①；
（2）、按式（44）或（5）取泛点率为（65～82％）时作雾液夹带线②；
（3）、按式（48）：
取时作液泛线③；
（4）、按式（51）作最大液量线④；
（5）、按式（52）作量小液量线⑤。
（52）
式中：
L—液体流率，m3；
E—液流收缩系数，通常可取1。
一个设计合理的塔，负荷性能田如图10所示。
图中阴影部分为适宜操作区。
以气、液相流率作图所得的操作点B应在适宜操作区中。
图中操作上限为A。
设计说明书的书写方式可参阅参考文献。
图10负荷性能图
13、塔盘结构
直径大于0.8m的塔，通常采用分块式塔板，以便于从人孔送入塔内。
塔盘结构可参阅资料〔9〕。
（1）、塔板型式
理想的塔板应在满足工艺操作的条件下，要求结构简单、有足够的刚性、便于加工、安装和检修。
报据上述要求，推荐自身梁式塔板和槽式塔板（见图11）。
槽式塔板的模具制造较自身梁式简便，但自身梁式塔板更便于上、下均可拆连接。
一般设计可用自身梁式塔板，在制造设备条件所限下宜用槽式塔板。
自身梁式塔板的结构及尺寸见图11。
其厚度S对于碳钢可取2～4mm，不锈钢为2～3mm。
压弯半径R＝（1～1.5）S，R1＝S。
塔板宽度应能从Φ450mm人孔进出。
塔板梁离h如比表2。
表2自身梁式塔板梁高（mm）
塔板长度
小于1000
1000～1400
1400～1800
1800以上
A型梁高h1
60
80
B型梁高h2
80
90
（2）、塔板固定件
受液盘有平形受液盘和U形受液盘。
凹形受液盘在低液量时仍能造威液封。
且有改变液体流向的缓冲作用和便于液体的侧线采出。
塔径大于800毫米时常采用凹形受液盘。
若物料易聚合或含有悬浮固体时，凹形受液盘易造成死角而堵塞，应采用平形受液盘。
用平形受液盘时，为使上一层板流入的液体在板上均匀分布，常设进口堪。
用凹形受液盘时一般不设进口堰。
受液盘一般为50mm。
塔板固定件由以下部件组成：
固定的受液盘和降液管、支持圈、支持板、支持角钢。
塔板固定件的名称、结构、焊接方式见文献〔9〕。
各部件尺寸见表3和表4。
表中括号内数值系指不锈钢塔板。
表3单流塔板固定件尺寸（mm）
塔径
Dg
支撑圈截面
尺寸
支撑板
截面
尺寸
降
液
板
厚
受
液
板
厚
受液盘
支持角钢尺寸
支撑面宽
受液盘深度
Φ8泪
孔
数
无
侧线
有
侧线
800
40×8
50×8
4
4
56
50
100
1
56×56×4
1000
40×10
50×10
1200
1400
1600
50×10
50×10
6
（4）
6
（4）
150
2
1800
2000
2200
60×12
50×12
2400
表4双溢流塔板固定件尺寸
塔径
Dg
角钢
（中间梁）
尺寸
支撑面
尺寸
支撑板尺寸
降液板厚
受液板厚
Φ10
泪孔数
降液板
支撑板数
梁
端
间
隙
两侧
中间
两侧
中间
两侧
中间
2000
2200
2400
90×56×6
60×10
50×10
6
6
6
1
2
1
2
25
2600
2800
90×56×8
8
（6）
8
2
2
3000
100×56×8
3200
3400
3600
3800
110×56×8
125×56×8
140×56×8
140×56×10
70×12
50×12
8
（6）
3
3
30
4000
4500
5000
160×56×12
160×56×12
180×56×12
10
（6）
3
3
4
4
表5卡子型号及材料
型式
材料
卡板尺寸下的卡子型号
卡板
螺柱
椭圆垫板
螺母
4
6
8
10
12
14
Ⅰ
A3F
2Cr13
A3F
A3F
ⅠA4
ⅠA6
ⅠA8
ⅠA10
ⅠA12
ⅠA14
Ⅱ
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9
Cr17
ⅡA4
ⅡA6
ⅡA8
ⅡA10
ⅡA12
ⅡA14
Ⅲ
Cr18Ni12
Mo2Ti
Cr18Ni12
Mo2Ti
Cr18Ni12
Mo2Ti
ⅢA4
ⅢA6
ⅢA8
ⅢA10
ⅢA12
ⅢA14
（3）、为便于安装，检修或检查塔板腐蚀、堵塞等，须设置内部通道板。
内部通道板最好位于塔盘中央同一垂直位置上，并能上、下均匀可拆。
其最小尺寸为300×400mm，最重不应超过30Kg，其长度一般不得大于1m。
（4）、塔板紧固件
①塔板与支持圈的连接采用卡子，卡子由下卡（包括卡板与螺柱）、椭圆垫板及M10螺母等零件组成。
卡子连接见图12。
这些零件已标准化（JB－68），其材料、型号见表5。
②塔板与支持板连接（或与支持角钢连接）
上可拆连接采用卡子连接，塔板上的卡子孔通常为长园形，如图13。
目前塔板与支持板间的上可拆连接也常采用图14所示的连接方法。
塔板与支持板间的上、下均可拆连接如图15所示。
双面可拆连接件由螺柱、异形垫板及螺母等组成，目前已标准化（JBll20—68）。
③塔板之间的连接
塔板之间的连接如图16和17所示。
图16位上可拆连接。
图17位上、下均可拆连接。
④塔板紧圈件的间距
用于塔板与支持圈（或支持板）连接的紧圈件（包括卡子、双面可拆连接件），其闻距为150mm左右。
用于自身梁式塔板之间连接的紧圈件（包括螺栓、双面可拆连接），其间距为150～200mm。
14、塔高
为便于安转、检修。
直径800mm以上的塔都应设人孔。
人孔处的塔板间距不应小于600mm。
塔的最上层塔板到封头的距离为0.6m左右，最下层塔板到封头的距离为2.5m左右。
根据以上数据可确定除了封头之外的塔的高度。
参考文献
[1]石油化工设计参考资料
（二）——工艺计算图表，燃化部石化设计院.1972.
[2]《基本有机化工分离工程》，陈洪钫主编.化工出版社.
[3]《化工原理》，下册，谭天恩等，化工出版社.1984.
[4]《化学工程》，下册，上海化院等，化工出版社.1980.
[5]《石油炼制工程》，华东石油学院.
[6]《浮阀塔》，燃料化学工业出版社.1972.
[7]《气液传质设备设计》，燃化部第六设计院.1973.
[8]《塔的工艺计算》，石化部石油化工规划设计院，石化出版社.1977.
[9]《化工设备结构图册》，上海科技出版社.
[10]高冈成祯，《化工过程的评价法》，王林译，化工出版社.1981.
[11]《斜孔塔板的研究》，清华大学.1975.
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