课程设计(修改-2).ppt

1、杜治平武汉工程大学化工与制药学院,化工原理课程设计,化工原理课程设计是培养学生综合运用化工原理 及先修课程的基本知识进行化工工艺设计的能力，使学生掌握化工设计的基本程序和方法，得到一次化工设计的基本训练，并应着重培养学生以下几方面的能力查阅技术资料 选用公式和搜集数据的能力。树立既考虑技术上的先进性与可靠性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思路，在这种设计 思想的指导下去分析和解决工程实际问题的能力迅速准确地进行工程计算（包括电算）的能力。用简洁的文字 清晰的图表示表达自己设计结果的能力。,化工原理课程设计的目的,化工原理课程设计的内容,化工原理课程设计一般包

2、括如下内容：(1)设计方案简介 对给定成选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。(2)主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。(3)典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算祁设备型号规格的选定。(4)工艺流程简图 以单线图的形式绘制标出主体设备和辅助设备的韧料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点。(5)主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表相接管表。,化工原理课程设计报告,完整的化工原理课程设计报告由说明书和图纸两部分组成。设计说明书中应包括以下内容：(1)标题页；(2)综合成绩评定表；

3、(3)设计任务书(3)中英文摘要(4)目录；(5)设计方案简介，(6)工艺流程草图及说明；(7)工艺计算及主体设备设计；(8)辅助设备的计算及选型；(9)设计结果核要或设计一览表，(10)对本设计的评述；(11)附图(工艺流程简图、主体设备工艺条件图)：(12)参考文献。,工程图纸的要求,1#图纸的要求（板式浮阀塔的工艺条件图）主视图（设备的主要结构形状及主要零部件间的装配连接关系）尺寸（表示设备的总体大小 规格 装配 安装等尺寸）主要零部件编号及明细栏管口符号及管口表技术特性表技术要求标题栏1#或3#图纸的要求带控制点的工艺流程图：注明主、副物料的流动路线，设备的位号及名称主要设备的工艺参数

4、、标题栏,板式塔的设计,化工原理课程设计实例,1、设计原则,1 满足工艺和操作的要求 设计的流程与设备能保证得到质量稳定的产品；由于工业原料的浓度、温度经常变化，所以操作要具有一定的弹性。2 满足经济上的要求 节省热能、电能，减少设备与基建费3 保证生产安全,2、板式塔的设计内容,2.1 设计方案的确定2.2 板式塔的工艺计算2.3 板式塔的机械设计2.4 塔的辅助设备设计与选型2.5 撰写设计说明书和绘图,2.1 设计方案的确定,板式塔的设计从两方面考虑:1.经济方面:应该充分考虑整个系统热能的利用,以便降低操作费用.例如:从塔顶出来的蒸气和从塔底排出的液体带出的热量可用于预热原料液或它处.

5、2.全塔操作的稳定性:若操作不稳定,就不能保证产品质量的均匀.控制再沸器中加热蒸气压力的恒定是保证操作稳定的条件之一,但原料液或回流液的流量和温度发生变化时,稳定情况也会受到一定的影响,一、塔的比较和选择,工业上评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面：生产能力，分离效率，塔压降，操作弹性，结构、制造及造价1.板式塔与填料塔的比较 生产能力：两者的流动和传质机理不同，填料塔的生产能力一般高于板式塔 分离效率：填料塔具有较高的分离效率 塔压降：填料塔由于空隙率高，压降较小 操作弹性：填料塔对气液负荷变化的适应性很大，操作弹性大；而板式塔受液泛、液沫夹带等影响，操作弹性小 结构、制造及造价：填料塔的

6、结构、制造、维修等简单 填料塔的持液量小于板式塔，持液量大塔的操作平稳，不易引起产品的变化，板式塔更易操作；板式塔易实现侧线进料和出料；高比表面积的填料易堵塞，不宜处理有悬浮物或易聚合的物料,一、塔的比较和选择,2.不同板式塔的比较 泡罩塔：具有高的操作弹性，但对设计和操作的准确性要求高，不适应大型化生产，制造成本高 筛板塔：结构简单，造价低，但筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料 浮阀塔：吸收了上述两种塔的优点，阀孔自由控制，生产能力较大，操作弹性大，制造、维修简单 其它类型的塔,二、操作压力,设计压力一般指塔顶压力 一般常压操作 沸点低，常压下为气态的物料-加压操作 热敏性和高沸点的物

7、料-减压操作,原则讲,要使回流在全塔发挥作用,全部冷量应该加在塔顶,全部热量加在塔底.但实际设计时应该考虑设备费和操作费问题及操作平稳等多种因素.进料-预热到泡点或接近泡点(进料温度不受季节气温变化和前一道工序波动限制,塔的操作比较容易控制.而且精馏段和提馏段的上升蒸气量相近).有时为了减小再沸器的热负荷(如再沸器所需加热剂温度较高,或物料容易在再沸器内结焦等)可在料液预热时加入更多的热量,甚至采用饱和蒸气进料.注意:实际设计还应该考虑整个车间的流程安排.,三、进料状态,多股进料 原料来源不同,浓度差别很大,从分离角度,应该从不同的位置加入.但所处理的物料量不多时(或其中的一种物料不多时),从

8、设备加工和操作方便考虑,也往往多股混合以后作一股物料加入.,四、进料方式,1.加热方式：直接蒸汽加热 间接蒸汽加热2.冷却方式冷却剂-通常是水,水温随气候而定.入口一般为15-20,出口50，目的防止溶解于水中的无机盐析出.,五、加热和冷却方式,选择原则：设备的操作费用和设备费用之和最小。,六、回流比的选择,如xD、xw确定，回收率确定若只确定xD，设计人员可以根据经济分析确定产品的回收率,七、产品的纯度和回收率,进入再沸器的能量的95%以上被塔顶冷却水冷却带走，仅有5%的能量可以被利用，所以要能做好能量的回收和利用。,八、热能利用,工艺流程的设计,2.2 板式塔的工艺计算,精馏塔的物料衡算,

9、热量衡算,工艺流程图1.物料衡算 确定各股物料的流量和组成2.确定最小回流比和适宜的回流比3.求解理论板层数4.估算全塔效率5.确定实际塔板数6.物性数据的确定,2.2 板式塔的工艺计算,确定最小回流比和适宜的回流比 R为Rmin的1.1-2倍 精馏塔的费用与N(R+1)成正比，因此由R-N(R+1)图求最适宜回流比。利用吉利兰图求理论塔板数N,全塔效率的关联式,板式塔类型、结构及特点：,2.3 塔板的工艺设计,2.3 塔板的工艺设计,塔板间距塔径估算溢流装置塔板布置浮阀装置塔板流体力学验算,HT 对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响。HT，允许的操作气速，塔径，但塔高。HT，塔高，但

10、允许的操作气速，塔径。对D0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。人孔处的板间距一般不应小于 0.6m。,2.3.1 板间距,塔高,式中：Z1 最上面一块塔板距塔顶的高度，m；Z2 最下面一块塔板距塔底的高度，m。,溢流式塔板的塔截面分为两个部分：气体流通截面和降液管所占截面（液体下流截面）。,求 A 得与 Af/AT 后，即可求得 AT，而塔径,设适宜气速为 u，当体积流量为 Vs 时，A=Vs/u。求 A 的关键在于确定流通截面积上的适宜气速 u。塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作为上限。一般取,A 的计算,AT-塔板总截面积，A-气体流道截面积，Af-降液管截面

11、积,2.3.2.塔径的计算,液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。当 uut 时，液滴将被气流带出。对直径为 dp 的液滴,索德尔斯和布朗（Souders and Brown）公式,L、V 气、液相的密度，kg/m3；阻力系数；C 气体负荷因子，m/s。,C 取决于dp和。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都难以确定，故 C 需由实验确定。实验研究表明，C 值与气、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。,A的计算,史密斯（Smith,R.B）关系曲线,HThL：液滴沉降高度，HT 可根据塔径选取，hL 为板上清液层高度，若忽略板上液面落差,常压塔 hL

12、=50100 mm；减压塔 hL=2530 mm。,注意：液相表面张力=210-2 N/m,若实际液相表面张力不同，按下式校正,u，A,Af/AT 的确定,Af/AT：降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。,求取方法：(1)按D和液体流量选取溢流形式，由溢流形式确定堰长 lw 与D 的比值。单流型：lw/D=0.60.8 双流型：lw/D=0.50.7 易起泡物系 lw/D 可高一些，以保证液体在降液管中的停留时间。(2)由选定的 lw/D 值查图得 Af/AT。(3)由确定的 A 与 Af/AT 求得塔板面积 AT 和塔径 D，并进行圆整。,注意：塔高和D的计算涉及的参数(HT、hL

13、、lw/D)是按经验数据在一定范围选取的，故所得塔高和D是初估值，需根据后面介绍的流体力学原则进行校核。对于精馏过程，精馏段和提溜段的气、液相负荷及物性数据不同，设计时两段的塔径应分别计算，若二者相差不大，应取较大者为塔径；若二者相差较大，应采用变径塔。,塔直径D的规格：400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mm等,溢流装置：由降液管、溢流堰和受液盘组成。溢流形式的选择：根据塔径及流体流量等条件全面考虑。D 2.0 m 双溢流式或阶梯流式,2.3.3 溢流装置,液体在降液管中的停留时间 为,计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比

14、值 lw/D。由 lw/D 查图可得 Wd/D 和 Af/AT，D 和 AT 已确定，故降液管的宽度 Wd 和截面积 Af 也可求得。,为降低气泡夹带，一般不应小于 35s，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些。若计算出的 过短，不满足要求，则应调整相关的参数，重新计算。,1.单溢流弓形降液管结构尺寸的计算,出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。单溢流 lw=(0.60.8)D，双溢流 lw=(0.50.7)D。出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高 hw 决定了板上液层的高度 hL。,2.出口溢流堰,一般应保持塔板上清液层高度为：50100 mm,堰上

15、液高度太小，会造成液体在堰上分布不均匀；太大，会增加塔板压降及液沫夹带量，一般hOW不宜大于60-70mm.hOW6mm：平直堰hOW6mm：齿形堰,液流收缩系数 E,2.出口溢流堰,根据设计经验：E=1,3.进口溢流堰,进口堰：保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度 h0 相等。进口堰与降液管间的水平距离 w0 h0，以保证液体由降液管流出时不致受到大的阻力。,降液管底隙高度及受液盘,降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞(不可太小)，但也应防止气体进入降液管(不可太大)，一般或按下式计算,式中：uoL 液体通过降液管底端出口处的流速，

16、m/s。根据经验一般取 uoL=0.070.25 m/s。D 800 mm，h0=40 mm。最大时可达 150 mm。,4.受液盘,受液盘：承接来自降液管的液体。平形受液盘：设置进口堰，以保证降液管的液封，并使液体在板上分布均匀。凹形受液盘：用于大塔（D800mm）。在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘深度一般在 50mm 以上。,鼓泡区：取决于所需浮阀数与排列；溢流区：与所选溢流装置类型有关。上两区均需根据塔板上的流体力学状况进行专门计算。进口安定区(分布区)：保证进塔板液体的平稳均匀分布，也防止气体

17、窜入降液管。Ws=50100 mm。出口安定区(脱气区)：避免降液管大量气泡夹带。Ws=70100 mm。,D900mm 分块式塔板。,边缘区：塔板支撑件塔板连接。D 2.5 m WC 60 mm。,2.3.4 塔板布置,阀孔直径：由浮阀的型号决定。浮阀数 N：由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算,阀孔气速 u0 可根据由实验结果综合的阀孔动能因子 F0 确定,式中：Vs 气体流量，m3/s；u0 阀孔气速，m/s；d0 阀孔直径。对 F1 型浮阀，d0=39 mm。,根据工业设备数据，对F1重型浮阀（约33g），当塔板上的浮阀刚全开时，F0 在 913 之间。设计时可在此范围内选择适宜的

18、F0 后计算 u0。,2.浮阀的数目与排列,浮阀在塔板上常按三角形排列。根据三角形：等边三角形和等腰三角形根据流向：顺排或叉排,叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。整块式塔板：正三角形排列。孔心距：75,100,125,150mm分块式塔板：等腰三角形排列。将同一横排的阀孔中心距定为 75 mm，而相邻两排间的距离可取 65、70、80、90、100 mm 等几种规格。,浮阀的排列,对单溢流塔板 Aa 可按下式计算：,若鼓泡区面积为 Aa，则一个阀孔的鼓泡面积 Aa/N 约为 t t，故有,按等腰三角形排列，则排间距：,按正三角形排列，则孔心距：,由 t=75mm 及上式计算的 Aa 值可

19、得 t，据此可确定 t 的实际取值（65、80、100mm）；根据已确定的孔距（t 与 t），按等腰三角形叉排方式作图，确切排出在鼓泡区内可以布置的浮阀总数。,塔板开孔率,：塔板上阀孔总面积占鼓泡区面积的百分数,常压塔或减压塔：=1014%加压塔：10%,排孔要求,1、排孔图（鼓泡区）：排完之后的总孔数与算得的N相近，并按实排数目重算阀孔气速，核算阀孔动能因数F0。若F0在913范围内，即可认为作图得出的阀数能够满足要求。否则应调整孔矩、阀数，重新作图，反复计算。2、也可根据已算出的阀数及溢流装置尺寸等，用作图法求出所需的塔径，并与最初估算的塔径相比较，经反复调整有关参数，直到作图所得出的塔径

20、与最初估算的塔径相符为止。3、最后核算开孔率是否合适，否则前述过程重算。开孔率：对于常压塔或减压塔开孔率在1014%之间，对于加压塔开孔率常小于10%。,2.4 浮阀塔板的流体力学验算,目的：检验上述各项工艺尺寸已经确定的塔板，在设计任务规定的气液负荷下能否正常操作内容：对塔板压强降、液泛、雾沫夹带、泄漏、等情况的验算,1.气体通过浮阀塔板的压强降,原则：在保证较高效率的前提下，应力求减小塔板压降，以降低能耗及改善塔的操作性能。气体通过一层浮阀塔板时的压强降(hf)1）气体克服干板阻力所产生的压强降(hd)2）气流克服板上充气液层的静压力所产生的压强降(hl)3）气流克服液体表面张力所产生的压

21、强降(h),国内通用的 F1 型浮阀塔板的 hd 可按如下经验公式计算：,式中：u0 阀孔气速，m/s；uoc 阀恰好全开时的阀孔气速(临界气速)，m/s；V、L 分别为塔内气体和液体的密度，kg/m3。,临界孔速 uoc 的计算式,液层阻力 hl 为：,如果算出的板压降 hf 值超过规定的允许值，应对相关的设计参数进行调整，如增大开孔率 或降低堰高 hw，以使 hf 值下降。,塔板压降的校核,克服表面张力所产生的压降：hl 可忽略,板压降,为避免发生溢流液泛，即必须满足,泡沫层相对密度。,清液层 Hd 可由下式计算,上式中 hw、how 及 hf 可由前面介绍的公式进行计算。液面落差在 Hd

22、 计算式中相对较小，一般可忽略不计（也可根据一些经验式进行计算）。,易起泡物系：=0.30.4；一般物系：=0.5；不易起泡物系：=0.60.7。,2.溢流液泛的校核,液体经过降液管的阻力损失 h，主要由降液管底隙处的局部阻力所造成，可按下面的经验公式计算：,塔板上不设进口堰时,塔板上设有进口堰时,式中：Ls 液体体积流量，m3/s；lw 堰长，亦即降液管底隙长度，m；h0 降液管底隙高度，m；uoL 液体通过降液管底隙时的流速，m/s。,3.漏液点的校核,浮阀塔的漏液是随着阀重的增加、孔速的增大、开度的减小，以及板上液层高度的降低而减小，其中阀重影响较大。对于F1重型浮阀，取控制阀孔动能因数

23、F0在56之间，作负荷下线：,稳定系数k：,正常操作时的液沫夹带量为：ev 0.1kg液体/kg气体。泛点率 Fl：操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速之比D0.9m：Fl 80%；D0.9m：Fl 70%；减压塔：Fl 75%,经验公式：,Ls,Vs 分别为塔内液、气相流量，m3/s；L,V 分别为塔内液、气相密度，kg/m3；ZL 板上液相流程长度，m。单溢流：ZL=D-2Wd；Ab 板上液流面积，m2。单溢流：Ab=AT-2Af；K 物性系数；CF 泛点负荷因子。,4.液沫夹带的校核,若计算所得泛点率 Fl 不在上述范围内，则可认为 ev 超过了最大允许值，必须调整有关参数，如增大板间

24、距HT、或增大塔径 D（降低气速）等，再重新进行校核。,2.5 浮阀塔的负荷性能图,1.泄漏线（气相负荷下限线）,3.液相负荷上限线,液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35 s，取时间为5s计算,2.雾沫夹带线：取泛点率为80%，计算Vs-Ls关系,4.液相负荷下限线：平堰，一般取how=0.006m。作为液相负荷下限条件。,5.溢流液泛线：,负荷性能图,0,1,2,3,4,5,正常操作范围,Ls(m3/h),Vs(m3/h),1.漏液线,2.过量液沫夹带线,3.液相负荷下限线,4.液相负荷上限线,5.溢流液泛线,操作弹性：,3.绘图格式,3.绘图格式,标题栏,明细栏,管口表,技术特性表(一),塔体工艺装配图,