完整版化工学院毕业课程设计Word文件下载.docx
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第二章工艺设计过程6
2.1工艺流程设计6
2.2工艺路线流程化6
2.3工艺流程的进一步丰富和完善7
2.4工艺流程简化9
2.5制定流程的操作条件和控制方案9
2.6工艺流程简捷与精确计算流程图比较10
第三章工艺计算12
3.1物料衡算12
3.1.1物料衡算的意义12
3.1.2物料衡算的原则12
3.1.3物料衡算12
表3-1主苯分离塔物料衡算表13
3.2能量衡算说明书16
3.2.1能量衡算的意义16
3.2.2能量衡算应遵循的原则16
3.2.3热量衡算17
第四章设备估算20
4.1常用的化工典型设备20
4.1.1离心泵20
4.1.2容积式泵20
4.1.3真空泵20
4.1.4换热器20
4.1.5反应釜20
4.1.6进出料管道20
4.1.7轴封系统21
4.1.8温度控制系统21
4.1.9蒸馏塔21
4.2化工设备的选用21
4.2.1泵的选用与设计程序21
4.2.2传质设备的设计23
4.2.3传热设备的设计及选型24
4.2.4储罐的选择24
4.2.5塔器的选型与设计25
4.2.6塔的其他附件设计和选定27
第五章车间平面设计29
5.1.车间布置设计概述29
5.2.车间布置设计的依据29
5.3.车间布置设计的内容29
结论32
参考文献33
摘要
本设计是在学习《化工设计概论》课程的基础上进行的工程设计实践操作，目的是通过设计和实践的方式，使大家深刻的理解学习有关工艺设计的基本理论，掌握化工厂设计的基本内容、方法和步骤。
在设计过程中，根据苯-甲苯-乙苯混合物的物料状况和分离需求，确定了实际所需的工艺流程后，开始利用Aspen软件进行过程的模拟以及简单的优化，并且按照工艺的需要进行设备的工艺设计和选型；
之后，参照相应的设计规范，按照此选型结果进行车间设备的布置；
最后利用AutoCAD完成工艺流程图,带控制点的工艺流程图以及车间设备平面图。
该设计完成混合物的分离要求，则此次工程设计基本训练的目的也就达到了。
第一章绪论
1.1化工设计概述
化工设计是根据一个化学反应或过程设计出一个生产流程，并研究流程的合理性、先进性、可靠性和经济的可行性，再根据工艺流程及条件选择合适的生产设备、管道及仪表等，进行合理的工厂布局设计以满足生产的要求，工艺专业与有关非工艺专业进行密切设计合作，最终使这个工厂建成投产，这种设计全过程称为化工设计生产方法的选择、生产工艺流程设计、工艺计算，设备选型、车间布置设计及管道布置设计，向非工艺专业提供设计条件，设计文件以及概算的编制等项设计工作。
精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工﹑炼油﹑石油化工等工业中得到广泛的应用。
本设计的题目是苯—甲苯二元物系板式精馏塔的设计。
在确定的工艺要求下，确定设计方案，设计内容包括精馏塔工艺设计计算，塔辅助设备设计计算，精馏工艺过程流程图，精馏塔设备结构图，设计说明书。
塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。
根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。
板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。
填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。
板式塔大致可分为两类：
（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；
（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。
工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。
例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。
。
1.2化工设计的特点和原则
在整个化工设计过程中，我们必须熟悉它的特点和原则，将其融入化工设计中。
要灵活的进行工艺设计，力求在不违背规定的情况下，实现对资源的最大利用。
如今我们对化工设计的要求及相关的内容都要进行进一步的了解。
因为在化工生产中，安全是第一性的，所以我们必须对生产中的安全性进行剖析。
化工设计的主要特点为①政策性强：
化工设计是一项政策性很强的综合工作，整个过程都必须遵循国家的各项有关方针政策和法规。
我们要了解中国的国情，从我国国情出发，充分利用人力和物力资源；
要抱着对国家、对人民负责的严肃认真的精神，严格遵守国家政策法令、自觉维护国家和人民的利益，为国家创造财富。
确保安全生产；
保护环境；
保障良好的操作条件，减轻工人的劳动强度。
②技术性强：
化工设计又是一项理论密切联系实际的工作，从事化工设计不仅要有专业理论知识、较广博的基础知识、扎实熟练的技能，还要有丰富的实践经验和运用先进设计手段的操作能力。
化工设计是一种创造性劳动，不是照搬照抄，而是消化吸收，“出神入化”。
③经济性强：
化工生产过程大都复杂，所需原材料种类多，能耗大，基建费用高，要求设计人员有经济观点，在确定生产方法、设备选型、车间布置、管道布置时都要加强经济观点，认真进行技术经济分析，处理好技术与经济的关系，做到化工设计技术上先进、成熟，经济上合理。
④综合性强：
化工设计是一项系统工程，是一门多学科、多人手的集体性劳动，要在工作中团结协作，互相支持、互相配合，以大局为重，发扬民主、尊重科学、尊重知识，协作工作，必须依靠全体工艺设计人员和非工艺设计人员的通力合作，密切配合才能完成。
而化工设计原则则是：
①贯彻执行国家基本建设的方针政策，从符合党和国家的政治方针和技术经济政策出发，处理好技术、经济及环境的关系，并在国家法令、标准、规定的允许范围内精心设计，确保设计质量。
②认真贯彻“五化”设计原则（工厂布置一体化、生产装置露天化、建构筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化）。
③采用先进的科学技术，努力提高商品设计的质量，使设计做到标准规范，切合实际，技术先进，经济合理，安全适用，使建设项目的技术经济指标达到先进水平。
④设计使用的基础资料要准确、可靠，各种数据和技术条件要正确、切合实际；
文字说明要清楚、确切，图纸要清晰、正确，避免出现重大设计错误。
尽可能的利用最先进的工艺设备、先进的生产方式以及最为成熟的工艺流程，在保证产品质量的同时，也不能忽视环境的保护，利用较经济环保的方式去除生产后的三废，实现人与自然的共同和谐。
1.3化工设计类型
化工设计分类：
从设计范围分化工设计通常又分为以工厂单位和以车间为单位的两种设计。
工厂化工设计包括厂址选择、总图设计、化工工艺设计、非工艺设计、技术经济等各项设计工作。
车间化工设计分为化工工艺设计和其他非工艺设计两部分。
化工工艺设计内容主要有：
生产方法的选择、生产工艺流程设计、工艺计算，设备选型、车间布置设计及管道布置设计，向非工艺专业提供设计条件，设计文件以及概（予）算的编制等项设计工作。
新建工厂设计分类
1）工程设计
工程设计是指没有现成的装置可以参照或仅仅根据中试或其它实验装置来设计工业生产装置。
这种设计工作难度大，对设计人员的素质要求高。
2）复用设计
复用设计是利用已有装置的技术资料进行新装置的设计，这种设计基本没有大的改动。
3）因地制宜设计
因地制宜设计是在已有装置技术资料的基础上，根据即将建设装置的具体情况进行改进或变更，以适应新装置的要求，这样完成的设计称为因地制宜设计。
1.4车间工艺设计内容及流程
（1）设计准备工作
（2）生产方法的选择
（3）生产工艺流程设计
（4）工艺计算
（5）车间布置设计
（6）管路设计
（7）提供设计条件
（8）编写设计说明书
（9）概（预）算书的编制
图1.1车间工艺流程图
1.5本设计任务及目标
本设计主要是分离苯-甲苯-乙苯的工艺流程，根据苯-甲苯-乙苯的不同物理性质和化学性质，首先分离苯和甲苯-乙苯，苯在塔顶采出，甲苯-乙苯混合物在塔底采出，然后分离甲苯和乙苯，塔顶采出甲苯，塔底采出乙苯。
分离过程用Aspen模拟实现。
混合物组成：
笨60%-甲苯38%-乙苯2%处理量为9000㎏Plus软件模拟得出的苯分离塔物料衡算如图3-1所示。
图3.1Aspen苯分离塔简图
苯分离塔cad图如下所示。
图3.2苯分离塔简图
从表3-1可以看出，进、出物料的总体质量保持平衡。
表3-1主苯分离塔物料衡算表
3
4
5
TemperatureC
70.3
80.3
116.7
Pressurebar
0.1
1.01
1.2
VaporFrac
1
MoleFlowkmolhr
10.794
6.881
3.913
MassFlowkghr
900
538.02
361.98
VolumeFlowcumhr
3072.343
0.657
0.468
EnthalpyGcalhr
0.194
0.093
0.025
MassFrac
BENZE-01
0.6
0.994
0.015
TOLUE-01
0.38
0.006
0.935
ETHYL-01
0.02
0.05
6.913
6.844
0.069
3.712
0.037
3.675
0.17
甲苯分离塔物料衡算如图3-3所示。
图3.3甲苯分离塔Aspen简图
甲苯分离塔cad图如下所示
图3.4甲苯分离塔CAD简图
从表3-2可以看出，进、出物料的总体质量保持平衡。
表3-2甲苯塔物料衡算表
TemperatureC
109.7
142
3.742
0.172
343.821
18.159
0.44
0.024
0.016
0.984
0.019
0.001
0.981
3.671
0.004
0.002
0.168
精确计算结果如下：
表3-3主苯分离塔物料衡算表
70
117
2.8
1.21
6.876
3.918
537.515
362.485
1.089
0.469
0.109
0.995
0.014
0.005
0.936
WATER
6.847
0.066
0.029
3.683
表3-4甲苯塔物料衡算表
137.9
3.722
0.196
342.119
20.366
0.438
0.027
0.983
0.14
0.86
3.652
0.031
0.165
3.2能量衡算说明书
3.2.1能量衡算的意义
在化工生产中，有些过程需消耗巨大的能量，如蒸发、干燥、蒸馏等；
而另一些过程则可释放大量能量，如燃烧、放热化学反应过程等。
为了使生产保持在适宜的工艺条件下进行，必须掌握物料带入或带出体系的能量，控制能量的供给速率和放热速率。
为此，需要对各生产体系进行能量衡算。
能量衡算对于生产工艺条件的确定、设备的设计是不可缺少的一种化工基本计算。
化工生产的能量消耗很大，能量消耗费用是化工产品的主要成本之一。
衡量化工产品能量消耗水平的指标是能耗，即制造单位质量（或单位体积）产品的能量消耗费用。
能耗也是衡量化工生产技术水平的主要指标之一。
而能量衡算可为提高能量的利用率，降低能耗提供主要依据。
通过能量衡算，可确定整个工艺系统的能耗是否符合设计合同的要求。
3.2.2能量衡算应遵循的原则
物流焓的基准状态包括物流的基准压强、基准温度、基准相状态，热量衡算的文字表达式为：
输入系统的能量=输出系统的能量+系统积累的能量
对于连续生产，系统积累的能量为0，所以有
Q+W=ΣHout-ΣHin
Q——系统的换热量，即与加热剂或冷却剂的换热量
W——输入系统的机械能
ΣHin——进入系统的物料的焓
ΣHout——离开系统的物料的焓。
3.2.3热量衡算
由AspenPlus软件模拟得出的苯分离塔热量衡算如图所示。
图3.5换热器Aspen简图
换热器cad图如下所示
图3.6换热器CAD简图
简捷计算换热器数据如下：
表3-5换热器衡算表
2
25.3
1.03
精确计算换热器数据如下：
8
9
100
82
49.958
0.939
0.927
-3.343
-3.359
第四章设备估算
4.1常用的化工典型设备
4.1.1离心泵
离心泵的流量调节一般是采用出口节流的方法，但也可以使用旁路调节方法，旁路调节耗费能量，但调节阀的尺寸比直接节流的小是它的优点。
在离心泵设有分支路时，即一台泵要分送几支并联管路时，可采用分支调节方案。
4.1.2容积式泵
容积式泵（往复泵、齿轮泵、螺杆泵和旋涡泵等）当流量减小时容积式泵的压力急剧上升，因此不能在容积式泵的出口管道上直接安装节流装置来调节流量，通常采用旁路调节或改变转速、改变冲程大小来调节流程。
4.1.3真空泵
真空泵可采用吸入支路调节和吸入管阻力调节的方案。
4.1.4换热器
换热器的温度控制方案。
（1）调节换热介质流量，用流体1的流量作调节参数来控制流体2的出口温度。
（2）调节传热面积，适用于蒸汽冷凝换热器，调节阀装在凝液管路上。
（3）分流调节，在用工艺流体作载热体回收热量时或冷却水流量不允许改变时，两个流量都不能调节。
此时可利用三通阀使其中一个流体走分路，使部分流体走旁路。
4.1.5反应釜
人工手动控制的间歇反应器的PI流程比较简单。
加料、反应和出料皆由人工操作控制，主要控制指标是反应温度（压力）和反应时间。
自动控制的间歇反应器的PI流程要复杂得多，控制质量和劳动生产率都要高得多。
4.1.6进出料管道
釜顶左部为各种原料及试压氮气等进料管道，水和单体自动计量手动遥控进料。
在进料总管中部串联一切断阀（球阀），进料完毕后关闭球阀，各管道就形成二道切断阀的密封。
安全阀前不能有阀，故它装在切断阀与进口之间。
4.1.7轴封系统
搅拌轴的密封是釜式反应器的关键问题之一，机械密封是可高而先进的动密封结构，为了保障它的正常工作必须配有液封与冷却系统。
密封液罐旁为搅拌电机的运转电流的指示、记录和过载报警回路。
4.1.8温度控制系统
间歇反应的温度控制是分阶段周期性变化的，热负荷也随着反应时间而变化，这都造成温度控制的困难。
为此，设置了热水升温、工业水或冷冻水冷却共三套系统。
循环水量大则进出口温差小和传热系数高（流速快），使釜内各点的温度更为均匀，水的流量大还能减少对象的容量滞后。
水量恒定可以减少冷却水流量变化这个干扰因素，这些都有助于调节质量的提高。
4.1.9蒸馏塔
蒸馏是化工厂应用极为广泛的传质过程。
以下将简单讨论蒸馏塔的基本控制方案及管道仪表流程实例。
A蒸馏塔的基本控制方案
蒸馏塔的控制方案很多，但基本形式通常只有两种。
按精馏段指标控制取精馏段某点成分或温度为被调参数，而以回流量坛、馏出液量D或塔内蒸气量VB作为调节参数。
按提馏段指标控制当对釜液的成分要求较之对馏出液为高时，例如塔底为主要产品时，常用此方案。
如对塔顶和塔底产品的质量要求相近，又是液相进料，也往往采用此方案。
B塔顶的流程与调节方案
塔顶方案的基本要求是：
把出塔蒸气的绝大部分冷凝下来，把不凝性气体排走；
调节LR和D的流量和保持塔内压力稳定。
4.2化工设备的选用
4.2.1泵的选用与设计程序
泵是化工厂最常用的液体输送设备，根据此设计的需要，采用离心泵输送流体。
一共需要12个泵。
（1）确定泵型。
根据工艺条件及泵的特性，首先决定泵的型式再确定泵的尺寸。
从被输送物料的基本性质出发，如物料的温度、粘度、挥发性、毒性、化学腐蚀性、溶解性和物料是否均一等因素来确定泵的基本型式。
在选择泵的型式时，应以满足工艺要求为主要目标。
确定选泵的流量和扬程。
（2）流量的确定和计算。
选泵时以最大流量为基础。
（3）扬程的确定和计算。
先计算出所需要的扬程，即用来克服两端容器的位能差，两端容器上静压力差，两端全系统的管道、管件和装置的阻力损失，以及两端（进口和出口）的速度差引起的动能差。
（4）确定泵的安装高度。
（5）确定泵的台数和备用率。
（6）校核泵的轴功率。
（7）确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。
（8）选用电动机。
（9）填写选泵规格表。
以T0101进料泵选型为例选型计算：
由AspenPlus软件模拟出的数据，表T0101物料衡算表知，处理量为11000kg,出口管径为50mm。
密度：
流速：
雷诺数：
（湍流）
图4.1数据表
影响因素弯头球阀止回阀突然缩小突然扩大个数12111阻力系数1.39.59.50.51
新的无缝钢管、镀锌铁管的相对粗糙度为0.1～0.2mm，本设计取0.1。
解得
釜液泵的进口管选3m,出口管选3m。
泵进口是真空表，出口是压力表取进口压力0.1MPa，出口压力1MPa
离心泵局部阻力：
离心泵扬程：
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