化工原理課程設計,化工原理課程設計,文艷霞 2010.6,一、課程設計注意事項,紀律要求 格式要求,1. 紀律要求,1） 時間安排： 起止時間為6月21日到7月2日 6月2122日在教室上課，下午查閱文獻，閱讀教材，設計教室在5-408、5-409 6月23日起每天按照正常的上課時間到5-408、5-409進行課程設計。,2）要求： 每天上午8：30必須到達設計教室，中午11：30后方可離開教室。下午2：30之前必須到達教室，5：00后方可離開教室。 不能穿拖鞋、背心進教室。 獨立完成課程設計，不準抄襲，如有發現，后果自負。（抄襲者和被抄襲的一并作不及格處理）,2. 格式要求,1） 課程設計要統一到教務拿課程設計資料袋。 統一購買信紙（寫設計說明書用） 2）資料袋封面上要統一書寫 3）資料袋內的內容包括說明書和圖紙兩部分 說明書包括標題頁、設計任務書、目錄、設計方案簡介、工藝計算、主要工藝尺寸的計算、輔助設備的選型和計算、設計結果一覽表、對本設計的評述、參考文獻。,標題頁：到我這拷一份標準的標題頁，已經給大家設計好了（可以在這頁上進行個性設計，但我列出的幾項必須有）。 任務書：將發下去的任務書到時大家再打印一份，也可以將我給的任務書先復印一份留到最后進行裝訂。 目錄：列出三級標題。 一級標題：第一章、第二章 二級標題：1.1、 1.2、2.1、 2.2、 三級標題：1.1.1. 1.1.2.,目錄格式,舉一例如下： 第一章 工藝計算 1.1 物料衡算 1.1.1. 全塔物料衡算 1.1.2. 精餾斷物料衡算,參考文獻格式,將你所參考的文獻、資料、書籍的出處都在參考文獻中列出。格式如下： 1 （作者）.（書籍名稱）.（出版地）：（出版社），出版年月 注意：我所用的幾個不同的標點符號。,緒 論,一、 課程設計的目的、要求與內容 1.課程設計的目的和要求 2.課程設計的內容 3.工藝流程設計 4.主要設備工藝條件圖,一、課程設計的目的,目的： 綜合能力訓練 工程調研，收集和查閱文獻資料、綜合應用所學知識、理論計算、設備選型、工程圖繪制、編寫設計計算說明書。 工程觀念培養 理論小試中間試驗放大為實際工程生產應用。,化工原理課程,將,比作一個完整統一體的人,基本要求,初定方案，繪制工藝流程圖； 進行有關計算，得出設備主要尺寸和參數（塔高，塔直徑，塔板數等）； 選擇附屬設備； 編制設計計算說明書； 根據計算結果繪制主體設備圖,二、課程設計的內容,（1）設計方案制定 （2）主要設備的工藝設計計算 包括各種設計參數的選擇、物料衡算、熱量衡算、理論塔板數計算、塔高、塔徑等等。 （3）典型輔助設備的選型和計算 （4）工藝流程圖 （5）主體設備工藝條件圖,設計說明書的內容和格式 標題頁（封面）； 目錄； 設計任務書； 設計方案制定（簡介）； 工藝流程圖及說明； 工藝計算及主體設備設計； 輔助設備的計算及選型； 設計結果概要或設計一覽表； 對本設計的評述； （10）工藝流程圖、主體設備工藝條件圖； （11）參考文獻,三、化工生產工藝流程設計,生產流程設計一般分為三個階段： 1、可行性研究(feasibility studies)階段 框圖工藝流程草圖 2、初步設計階段（初設） 工藝物料流程圖或帶控制點的工藝流程簡圖，列入初步設計階段的設計文件。 3、施工圖設計階段 帶控制點的工藝流程圖輔助管道及蒸汽伴管系統圖，列入施工圖設計階段的設計文件。,下面就帶控制點的工藝流程圖的內容及其繪制加以介紹,詳情 請參閱教材及其他參考文獻。,帶控制點的工藝流程圖的內容, 按工藝順序排列的設備示意圖； 設備流程號（位號）； 物料及動力； 管線上的主要閥門連接設備的管道及其管道附件； 必要的計量、控制儀表； 簡要的文字注釋,帶控制點的工藝流程圖的繪制,比例與圖幅 圖線與字體 設備的表示方法（教材p9-12) 管道的表示方法（教材p12-13) 閥門及管件的表示方法（教材p13-14) 儀表控制點的表示方法 （教材p9-15),主體設備工藝條件圖是將設備的結構設計和工藝尺寸的計算結果用一張總圖表示出來。 內容如下：設備圖形，技術特性，設備組成一覽表。,四、設備設計,主體設備工藝條件圖,裝配圖,一些物質性質參數,表面張力 (Surface tension) 多相體系中相之間存在著界面，通常，處于界面的分子與處于相本體內的分子所受力是不同的。在水內部的一個水分子 受到周圍水分子的作用力的合力為 0，但在表面的一個水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對它的吸引力小于內部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內部，結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。 氣液界面兩邊物質不同，則液體表面存在使其面積減小的力（該力使液體呈球滴狀），這個力就稱為表面張力。 表面張力是物質的特性，其大小與溫度和界面兩相物質的性質有關。,2. 偏心因子 (acentric factor) 物質兩個分子間的相互作用力偏離分子中心之間的作用力的程度。對于氬、氪、氙等分子為球形對稱的惰性氣體，兩者無偏離，偏心因子值為零；分子結構越復雜或極性越大，兩者的偏離越甚，偏心因子值越大。 可用以關聯一些與分子間力有關的性質。例如，氣體的壓縮因子Zc或逸度系數可表示為對比壓力、對比溫度和偏心因子的函數，由此得到的壓縮因子或逸度系數可使氣體的P-V-T關系計算或熱力學函數計算獲得更精確的結果。 當分子中碳數相同時，烷烴的偏心因子較大，環烷烴和芳烴的較小。,用理想氣體狀態方程來描述實際氣體的p、V、T間的關系時，當壓力較高時便發生偏差，一個較方便的校正方法是將實際氣體狀態方程改正為PV = ZnRT，式中的Zc稱為壓縮因子，表示實際氣體偏離理想氣體行為的程度。,3. 壓縮因子Z,4. 臨界參數與超臨界流體 (critical parameters and supercritical fluid) 物質在溫度達某一特定值以后，氣液界面張力消失，過這一溫度，無論施加多大壓力也不能使氣體液化，對應物質的狀態參數稱作臨界參數，如：Tc , Pc , Vc , Zc 等； 物質狀態參數超過臨界參數（Tc , Pc ）的流體稱作超臨界流體。,第一章 板式精餾塔設計,主要內容： 一、塔設備簡介 二、板式精餾塔主體設備的設計 三、板式塔的結構和附屬設備選型配套設計,第一節 塔設備簡介,塔設備是氣液傳質設備 分類：板式塔和填料塔 工業生產對塔設備的主要要求： 生產能力大；傳質、傳熱效率高；流體流動的摩 擦阻力小；操作穩定，適應性強，操作彈性大；結構 簡單，材料耗用少；制造安裝容易，操作維修方便。 應綜合考慮以上諸因素。,第二節 板式精餾塔的工藝設計,主要內容： 一. 設計方案的確定 二. 物料衡算和操作線方程 三. 理論板數的求算方法 四. 塔和塔板主要工藝尺寸的設計,一.設計方案的選定,1. 裝置流程的確定 包括：熱量的利用，進料方式的選擇，冷 凝器的選擇（全凝器或分凝器） 2. 操作壓強的選擇：取決于冷凝溫度 包括：常壓、減壓、加壓,3.進料熱狀況的選擇：用 表示 五種進料熱狀況: 冷液進料： 飽和液體（泡點）進料： 飽和蒸汽（露點）進料： 氣液混合進料： 過熱氣進料： 原則上采用冷液進料，但通常采用泡點進料。,4. 加熱方式的選擇 大多采用間接蒸汽加熱，設置再沸器。 5. 回流比的選擇 主要從經濟觀點出發，力求使設備費用和操作費用之和最低。一般經驗值為,1、兩組分理想物系的氣液平衡函數關系,氣液相平衡(vapor-liquid equilibrium)：溶液與其上方蒸氣達到平衡時氣液兩相各組分組成的關系。,物系的分類：理想物系和非理想物系。,理想溶液的氣液平衡關系遵循拉烏爾定律（Raoults law)，即,式中 p溶液上方組分的平衡分壓 p0同溫度下純組分的飽和蒸氣壓 x溶液中組分的摩爾分率,第三節 雙組分溶液的氣液平衡,根據道爾頓分壓定律和拉烏爾定律,當總壓P不高時，平衡的氣相可視為理想氣體，服從道爾頓分壓定律，即,式（a）和（b）為 兩組分理想物系的氣液平衡關系式。,（a）,（b）,第三節 雙組分溶液的氣液平衡,當總壓不高時，蒸氣服從道爾頓分壓定律,對于二元溶液 xB=1-xA yB=1-yA,整理后，略去下標.,氣液平衡方程,第三節 雙組分溶液的氣液平衡,2、相對揮發度及氣液平衡方程,3.二元物系連續板式精餾塔的工藝計算,1.物料衡算與操作線方程 全塔物料衡算 總物料 F=D+W 易揮發組分 FxF=DxD+WxW,精餾段操作線方程 或 其中 L = RD 提留段操作線方程 或 其中,進料線方程（ 線方程）,線方程代表精餾段操作線與提留段操作線交點的軌跡方程。,4. 理論板數的求算,求算理論板數之前，需知原料液組成，選擇進料熱狀況（即 值）和操作回流比等精餾操作條件，利用氣、液相平衡關系和操作方程求算。 常用理論板數的求算方法有三種方法，現分別予以介紹。,（1）逐板計算法,從塔頂開始逐板計算。設塔頂采用全凝器，泡點回流，則自第一層板上升蒸汽組成等于塔頂產品組成，即 （已知）。而自第一層板下降的液體組成 與 相平衡，可利用相平衡方程求取 而 與 滿足精餾段操作關系，可用精餾段操作線方程，即 求取 。同理由 利用相平衡方程求 ，如此交替利用相平衡方程和操作方程進行下行逐板計算，直到 ,則第n層理論板為進料板，精餾段理論板數為（n-1）層。 以下改用提留段方程 由 用上式求得 ，同上法交替利用相平衡方程和提留段操作線方程下行逐板計算，直到 為止。,注意： 間接蒸汽加熱時，再沸器內可視為氣液兩相達平衡，故再沸器相當于一層理論板，則提餾段理論板數為 層。 缺點：計算雖然準確，但較繁瑣。,（2）直角梯級求解法（M.T.圖解法）,方法和步驟如下： 設采用間接蒸汽加熱，全凝器（ ），泡點進料。 首先在y-x圖上作平衡線和對角線。 作精餾段操作線。 作進料線（q線）。與精餾段操作線相交與點d。 作提留段操作線。 圖解理論板層數。跨過交點d的梯級為進料板。 如采用再沸器，應減去一層塔板數，如采用分凝器，應再減去一層塔板數。,（3）簡捷法 (Gilliland）, 求算Rmin和選定R。 Rmin的求算如下式： a. 進料為飽和液體時, xq = xF ,故 b. 進料為飽和蒸汽時, Yq = YF ,故 對于平衡曲線形狀不正常的情況，可用作圖法求Rmin.,平衡曲線形狀不正常情況下Rmin求法, 計算Nmin, 計算 值。在吉利蘭圖橫坐標上找到相應點，自此點引鉛垂線與曲線相交，由交點相應的縱坐標值求算出不包括再沸器的理論板數N。 確定進料板位置。,三、塔效率的估算,1. 定義：為在指定分離要求與回流比所需理論板數NT與實際塔板數NP的比值。 即： 2. 兩個關聯方法 Dickamer和Bradford法 根據精餾塔全塔效率關聯圖，有下列公式： （適用于液相粘度為 0.071.4mPas 的烴類物系。）, Oconnell 法 將全塔效率關聯為相對揮發度與液相平均粘度乘積的函數，得到精餾塔全塔效率關聯曲線。用下式表示： 適用于 ，且板上液流長度1.0的一般工業板式塔。,第二章 塔主要工藝尺寸的設計,主要內容： 1. 塔高 2. 塔徑 3. 溢流裝置與液體流型 4. 塔板設計,1. 塔高,1.1 計算公式：,選定時，還要考慮實際情況。,1.2 板間距HT選取的一般依據,2. 塔徑,2.1 計算公式：,式中 -塔內的氣相流量，m/s -空塔氣速，m/s,C為負荷系數，可由Smith關聯圖查取。如圖5-1所示。 注意：查得的負荷系數為液體表面張力20mN/m的值C20 ，故一般應將C值加以修正。,式中 Vs 氣體體積流量，m/s u 空塔氣速，m/s,2. 塔徑,2.2 圓整 將計算所得塔徑向系列標準圓整 400、500、700、800、1000 4600 2.3 變徑塔或通徑塔,3. 溢流裝置設計,3.1 降液管類型與溢流方式,（a）圓形降液管 （b）內弓形降液管 （c）弓形降液管 它由部分壁面和一塊平板圍成 的，由于能充分利用內空間，提供較大降液面積及兩相分離空間，被普遍用。 （d）傾斜式弓形降液管 它既增大了分離空間又不過多 占用塔板面積，故適用于大直徑大負荷塔板。,3.1.1 降液管類型,U型流 小液體負荷，液體流程長，板面利用好，板效較高，但液面落差大。,單流型 液體流程較長，板面利用好， 塔板結構簡單，直徑2.2米以下的塔。,3.1.2 溢流堰的類型,階梯溢流 結構復雜，適用于大塔徑負荷大的塔。,雙溢流 流程短可減少液面落差，但板面利用率低且結構復雜， 用于液體負荷大，直徑2m以上塔。,一般可根據初估塔徑和液體流量，參考表5-2選塔板的液流型式。,4. 溢流堰裝置的設計計算,4.1.1 堰長 lw 單流型 lw 為（0.6 0.8）D 雙溢流 lw 為（0.5 0.7）D 也可由溢流強度計算篩板及浮閥塔的 lw ：,其中 D 塔徑 lw 溢流堰長 Lh 液體流量,4.1 溢流堰,式中 hL 板上液層高度(一般50100mm） how 堰上液層高度（可按圖5-6進行計算，一般低于60mm）,4.1.2 堰高 hw,堰上液層高度how 也可按 Francis 公式計算,堰上液層高度 平直堰的hOW按下式計算 l W 堰長，m Lh 塔內液體流量，m/h E 液流收縮系數，一般取1,常壓 0.04 0.05m 減壓 0.015 0.025m 高壓 0.04 0.08m 一般均不宜超過 0.1m,求得how后，即可按下式指出的范圍確定堰高hw,堰高,若how小于6mm，應采用齒形堰,4.2.1 降液管的寬度 Wd 與截面積 Af,4.2 降液管,若知堰長與塔徑的比值，由右圖即可查取降液管的寬度與截面積。,降液管的截面積應保證溢流液中夾帶的氣泡得以分離，液體在降液管內的停留時間一般等于或大于35s。求得降液管的截面積之后，應按下式驗算液體在降液管內的停留時間。 即 式中 液體在降液管中的停留時間，s Af降液管的截面積，m2,4.2.2 降液管底隙高度,how,Hd,hL,hw,HT,h0,hw h0 6 mm,h0 應低于 hw,降液管底隙高度 h0,（1）一般取為： （2）也可按下式計算 式中 液體通過降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超過0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。,4.3 受液盤及進口堰,但有時為使液體進入塔板時平穩并防止塔板液流進口處頭幾排篩孔因沖擊而漏液，對直徑為800mm以上的塔板，推薦使用凹形受液盤。當大塔采用平形受液盤時，為保證降液管的液封并均布進入塔板的液流，可設進口堰。,4.3 受液盤及進口堰,一般情況下多采用平受液盤,有平受液盤和凹形受液盤之分,（1）塔板布置 （2）篩板的篩孔與開孔率,5. 塔板的設計計算,塔板布置,5.1 塔板布置 開孔區、溢流區、安定區 和 無效區,開孔區 也稱為鼓泡區。對垂直弓形降液管的單流型塔板按下式計算。 式中 Aa鼓泡面積，m2, 溢流區 溢流區面積Af和Af分別為降液管和受液盤所占面積。 安定區 開孔區與溢流區之間的不開孔區域為安定區（破沫區），其作用為使自降液管流出液體在塔板上均布并防止液體夾帶大量泡沫進入降液管。 無效區 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈邊緣區域供支撐塔板的邊梁。小塔為3050mm,大塔為5075mm。為防止液體經邊緣區流過產生短路現象，可在塔板上沿塔