化工原理課程設計指導教師：劉學軍188571619500571-88320598

liuxuejun@西配樓207張智配樓203總體目標：1化工設計的基本步驟、方法，初步訓練2綜合運用知識，解決化工實際問題1技術可行性、經濟合理性方面樹立設計思想2查閱資料、選用公式、數據3分析和解決工程實際問題4應用計算機輔助設計5運用簡潔文字、圖表表達設計思想基本方法：設計準則1技術上可行、可靠、穩定2先進性3經濟性設計題目1-2萬噸/年甲醇-水分離系統設計2023/2/25設計原始條件原料液：甲醇水雙組分混合液原料液處理量1-2萬噸/年原料液初溫

30℃原料液含甲醇20-90%(質量)餾出液含甲醇99.0-99.8%(質量)甲醇回收率≥99.9%(質量)蒸汽壓力（絕）：5kgf/cm2每年實際生產時間：8000小時冷卻水溫度：30℃冷卻水溫升：5℃產品冷卻后溫度：40℃設計任務：1精餾工藝設計，最優化操作參數2板式精餾塔、附屬設備設計3編寫設計說明書和設計計算書（文字）4繪制工藝流程圖塔板結構簡圖塔板負荷性能圖一概述

1設計原始條件（1）初始條件（2）設計條件

2板式塔選擇（1）擇篩板塔的特點（2）選擇依據

3工藝流程的選定進料方式、連續生產、泡點單相進料、塔頂全凝蒸汽間接加熱、產品冷卻、強制回流設計說明書℃二精餾塔物料衡算

2.1物料衡算已知：F、xF、

xD、η求解：D、W、xW解：F=D+W

F

xF=D

xD+W

xW要求（1）單位統一（2）kmol/h

、kg/hD、W、xW

查平衡數據，繪制相平衡曲線2.2最小回流比Rmin計算（圖解法）xEquilibriumcurvexDxFafye完成分離要求，理論塔板數無窮多時的回流比q線：進料中飽和液體所占的摩爾分數設進料處壓力P進=(P頂+P釜)/2據Antonine方程求出進料處的泡點溫度T泡點設計進料溫度TF根據甲醇、水的物性數據求算q值全塔相對揮發度α泡點進料：q=12023/2/214求RminxEquilibriumcurve45°linexDxFqlineafye三經濟費用估算3.1選擇回流比=nRmin

3.2求理論塔板數N3.3求總板效率ET及實際板數NT3.4塔徑D、塔高H估算3.5總費用計算3.6確定最佳回流比Ropt2023/2/216平衡線方程精餾段操作線方程提餾段操作線方程q線EquilibriumcurvexFxwyxD1234x3.2求理論塔板數N采用逐板計算法，運用擬合的相平衡方程和精餾段、提鎦段操作線方程，交替計算。精確到小數點后一位3.3求總板效率ET及實際板數NT總板效率ETO‘Connell公式注：相對揮發度為全塔平均溫度下的相對揮發度粘度為進料溫度下進料組成的摩爾平均粘度f為系數，根據塔板種類而定如篩板為1.1、泡罩為1、浮閥為1.22023/2/218實際板數NT

NT=N/ET求出全塔總實際板數進料口位置3.4塔徑D估算以塔頂第一塊板計算對象基本數據：氣液組成、體積流量、密度液體表面張力σ計算過程：

注：塔徑D要圓整

注：1、σ根據參考書《石油化工基礎數據手冊》P90查得并計算2、具體計算過程可參考設計資料P133或《化原》第十章3.5總費用計算要求——精餾塔系統的年總費用最小

精餾塔系統的年總費：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)

CD為塔體費用：CD=13290·D1.2·N

CF為換熱器費用：CF=2000·A

CS為蒸汽費用：CS=200元/噸×W蒸汽

CW為冷卻水費用：CW=0.6元/噸×W冷卻水預熱器再沸器塔頂冷凝器塔頂產品冷卻器注意：1、分別計算換熱面積2、蒸汽用量或冷卻水用量換熱量Q，kcal/h(考慮熱損失Q為1.05倍計算值)換熱器管程、殼程物流的溫度T1、T2、t1、t2的計算或設計計算平均推動力△tm設總傳熱系數K（查表），求得換熱器面積A求得蒸汽用量W蒸汽或冷卻水用量W冷卻水注：A、W蒸汽、W冷卻水都與回流比R有關，是回流比R的函數

CF=f(R)；CS=f(R)；CW=f(R)精餾塔系統的年總費：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通過變換R，求得不同R下的費用并畫圖，得到費用最小的Ropt3.6確定最佳回流比Ropt設計要求：（1）設計說明，給出必要文字說明（2）設計計算：詳細計算公式、公式說明參數代入計算過程注意：計算第一個回流比下的總費用，需詳細計算過程改變回流比下的計算過程，不用寫到設計書里，但要給出結果匯總圖表參考文獻《化學工程手冊》13分冊－－氣液傳質設備

化學工程出版社《化工過程及設備數據與圖集》浙江化工學院《化工過程及設備設計》華南理工大學出版社《化工原理》

何潮洪馮霄主編，科學出版社《石油化工基礎數據手冊》盧煥章，化學工程出版社《化學工程手冊》1分冊－－化工數據

化學工程出版社2023/2/228課程設計時間安排布置任務0.5天工藝計算3天設備計算3天輔助設備計算2天畫圖和編寫任務書1.5天2023/2/229課程設計紀律一般情況都要在指定教室做設計，便于老師指導。有時要向指導教師或課代表請假。指導教師將經常點名以督促學生按時完成設計任務。2023/2/230請認真做課程設計！！！謝謝！！！2023/2/231精餾塔設備優化設計選擇塔型和板型塔板結構設計塔板流體力學計算塔板負荷性能圖2023/2/232DistillateCondenserReflux,LFeedBottomsReboilerRectifyingsectionStrippingsectionD,xDF,zFB,xB2023/2/2332.1選擇塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）Liquidin

Vaporin

VaporoutLiquidout12N–1NTrayedTowerLiquidin

Vaporin

VaporoutLiquidoutPackedColumn2023/2/2342.1選擇塔型和板型板型泡罩塔篩板塔浮閥塔穿流塔板2023/2/2352.2塔板結構設計流動型式單流型雙流型多流型回流型其它流型2023/2/2362.3塔板流體力學計算塔板結構參數

HThwhowHdh0h1hw’AfAaWdWsWs’Wclw2023/2/2372.3塔板流體力學計算塔板結構參數how堰上液層高度hw堰高HT板間距ho底縫Wc邊緣區Ws安定區lw堰長Wd堰寬AT全塔面積Af降液管面積Aa開孔區面積2023/2/2382.3塔板流體力學計算塔徑計算降液管結構型式選取堰及降液管設計孔布置干板壓降塔板穩定性塔板壓降液泛情況霧沫夾帶負荷性能圖2023/2/2392.3.1塔徑計算基本數據：氣液組成、體積流量、密度，液體表面張力σ預估板間距HT(500mm)預算塔徑塔板參數設計水力學性能計算2023/2/240(二）預算塔徑求值和預設的HT得C20

2023/2/241(二）預算塔徑

注：

1、具體計算過程可參考設計資料P133

2、塔徑D要圓整2023/2/242(三）初步設計塔板結構參數降液管道截面積Ad塔凈截面積An塔板工作面積Aa孔總面積A0孔徑d0(4~8mm)板厚tp堰高hw(預設30mm)2023/2/243(四)

水力學性能計算修正氣速數值及液泛分率數值計算液沫夾帶分率φ(要求φ≤0.1)降液管內液體停留時間τ核算

注：對于易起泡物系，τ要取得大一些2023/2/2442.3.2降液管結構型式選取單溢流雙溢流多降液管2023/2/2452.3.3堰及降液管設計堰的確定堰上清液層高度how的計算板上液面落差Δ板上清液層高度hL的計算ho設計2023/2/24堰的確定堰的種類齒形堰：how＜6mm平堰：how＞6mm弓形堰的長度一般lw/D=0.6~0.82023/2/24堰上液層高度how的計算E根據和來確定，查圖可得2023/2/24板上液面落差Δ本課程設計液量較小，Δ≈02023/2/24板上清液層高度hL的計算先設一hL‘hw=hL‘－how圓整hwhL=hw＋how2023/2/250ho設計降液管底部距下一層塔板的間距ho

ho＝hw－（0.01~0.02）m2023/2/2512.3.4孔布置篩孔選擇取d0=3~8mm，t/d0=2.5~5邊緣區確定WS=50~100mmWC=50~60mm孔數n2023/2/2522.3.5干板壓降注：W0－氣速，與氣量有關C0－流量系數，與d0/δ有關A0－篩孔面積Aa－開孔區面積2023/2/2532.3.6穩定性漏液狀態下hc(M)=0.0056+0.13hL-hσ漏液狀態下氣速：穩定系數注：要求K≥1.52023/2/2542.3.7塔板壓降hphp=hc+hl2.3.8霧沫夾帶要求ev≤0.12023/2/2552.3.9液泛情況降液管內液層高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hw＞HT，則產生液泛2023/2/2562.4塔板負荷性能圖漏液線液體流量下限線液體流量上限線液泛線霧沫夾帶上限線注：上操作彈性＞1.5下操作彈性＞1.52023/2/2573.輔助設備的設計塔高的設計換熱器的設計及選型泵的設計及選型接管尺寸的設計塔和輔助設備都已確定，重新計算總費用。2023/2/258塔高的設計前面的計算得到實際板數和實際進料位置，以及板間距HT

。開人孔φ500～600，每10塊塔板開一個人孔，開人孔處板間距HT取0.7~0.9m進料板HT＝0.7～0.9m第一塊塔板到塔頂的距離0.5~1.0m最后一塊塔板到塔底的距離1.0~1.5m裙座高度的設計直接蒸汽加熱2~3m

間接蒸汽加熱3~5m求得全塔高度和進料板位置高度。2023/2/259換熱器的設計換熱器包括全凝器、再沸器、預熱器和冷凝器。三個選型：只需計算換熱面積，A=Q/(KΔtm)，即可選型。一個選型要選型和校核，一般選取全凝器。全凝器的選型和校核：計算換熱面積A=Q/(KΔtm)確定管程管內流速，管徑，可計算得到管截面積，管根數，單管程管長，管程數。通過換熱面積，管長，管程數進行選型。2023/2/260校核K：管程冷卻水對流傳熱系數殼程蒸汽冷凝對流傳熱系數求得K。計算換熱面積An=Q/(KΔtm)富裕度F=(A0-An)/An=15%~20