化工原理课程设计酒精水连续精馏塔分离.ppt

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1、化工原理课程设计,化工原理课程设计,文艳霞 2010.6,一、课程设计注意事项,纪律要求格式要求,1.纪律要求,1）时间安排：起止时间为6月21日到7月2日 6月2122日在教室上课，下午查阅文献，阅读教材，设计教室在5-408、5-409 6月23日起每天按照正常的上课时间到5-408、5-409进行课程设计。,2）要求：每天上午8：30必须到达设计教室，中午11：30后方可离开教室。下午2：30之前必须到达教室，5：00后方可离开教室。不能穿拖鞋、背心进教室。独立完成课程设计，不准抄袭，如有发现，后果自负。（抄袭者和被抄袭的一并作不及格处理）,2.格式要求,1）课程设计要统一到教务拿课程设

2、计资料袋。统一购买信纸（写设计说明书用）2）资料袋封面上要统一书写3）资料袋内的内容包括说明书和图纸两部分 说明书包括标题页、设计任务书、目录、设计方案简介、工艺计算、主要工艺尺寸的计算、辅助设备的选型和计算、设计结果一览表、对本设计的评述、参考文献。,标题页：到我这拷一份标准的标题页，已经给大家设计好了（可以在这页上进行个性设计，但我列出的几项必须有）。任务书：将发下去的任务书到时大家再打印一份，也可以将我给的任务书先复印一份留到最后进行装订。目录：列出三级标题。一级标题：第一章、第二章 二级标题：1.1、1.2、2.1、2.2、三级标题：1.1.1.1.1.2.,目录格式,举一例如下：第一

3、章 工艺计算 1.1 物料衡算 1.1.1.全塔物料衡算 1.1.2.精馏断物料衡算,参考文献格式,将你所参考的文献、资料、书籍的出处都在参考文献中列出。格式如下：1（作者）.（书籍名称）.（出版地）：（出版社），出版年月注意：我所用的几个不同的标点符号。,绪 论,一、课程设计的目的、要求与内容1.课程设计的目的和要求2.课程设计的内容3.工艺流程设计4.主要设备工艺条件图,一、课程设计的目的,目的：综合能力训练 工程调研，收集和查阅文献资料、综合应用所学知识、理论计算、设备选型、工程图绘制、编写设计计算说明书。工程观念培养 理论小试中间试验放大为实际工程生产应用。,化工原理课程,将,比作一个

4、完整统一体的人,基本要求,初定方案，绘制工艺流程图；进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数（塔高，塔直径，塔板数等）；选择附属设备；编制设计计算说明书；根据计算结果绘制主体设备图,二、课程设计的内容,（1）设计方案制定（2）主要设备的工艺设计计算 包括各种设计参数的选择、物料衡算、热量衡算、理论塔板数计算、塔高、塔径等等。（3）典型辅助设备的选型和计算（4）工艺流程图（5）主体设备工艺条件图,设计说明书的内容和格式 标题页（封面）；目录；设计任务书；设计方案制定（简介）；工艺流程图及说明；工艺计算及主体设备设计；辅助设备的计算及选型；设计结果概要或设计一览表；对本设计的评述；（10）工艺流程图、

5、主体设备工艺条件图；（11）参考文献,三、化工生产工艺流程设计,生产流程设计一般分为三个阶段：1、可行性研究(feasibility studies)阶段 框图工艺流程草图2、初步设计阶段（初设）工艺物料流程图或带控制点的工艺流程简图，列入初步设计阶段的设计文件。3、施工图设计阶段 带控制点的工艺流程图辅助管道及蒸汽伴管系统图，列入施工图设计阶段的设计文件。,下面就带控制点的工艺流程图的内容及其绘制加以介绍,详情请参阅教材及其他参考文献。,带控制点的工艺流程图的内容,按工艺顺序排列的设备示意图；设备流程号（位号）；物料及动力；管线上的主要阀门连接设备的管道及其管道附件；必要的计量、控制仪表；简

6、要的文字注释,带控制点的工艺流程图的绘制,比例与图幅 图线与字体 设备的表示方法（教材p9-12)管道的表示方法（教材p12-13)阀门及管件的表示方法（教材p13-14)仪表控制点的表示方法（教材p9-15),主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。内容如下：设备图形，技术特性，设备组成一览表。,四、设备设计,主体设备工艺条件图,装配图,一些物质性质参数,表面张力(Surface tension)多相体系中相之间存在着界面，通常，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子 受到周围水分子的作用力的合力为 0，但在表面的一个水分子

7、却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。气液界面两边物质不同，则液体表面存在使其面积减小的力（该力使液体呈球滴状），这个力就称为表面张力。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。,2.偏心因子(acentric factor)物质两个分子间的相互作用力偏离分子中心之间的作用力的程度。对于氩、氪、氙等分子为球形对称的惰性气体，两者无偏离，偏心因子值为零；分子结构越复杂或极性越大，两者的偏离越甚，偏心因子值越大。可用以关联一些与分子间

8、力有关的性质。例如，气体的压缩因子Zc或逸度系数可表示为对比压力、对比温度和偏心因子的函数，由此得到的压缩因子或逸度系数可使气体的P-V-T关系计算或热力学函数计算获得更精确的结果。当分子中碳数相同时，烷烃的偏心因子较大，环烷烃和芳烃的较小。,用理想气体状态方程来描述实际气体的p、V、T间的关系时，当压力较高时便发生偏差，一个较方便的校正方法是将实际气体状态方程改正为PV=ZnRT，式中的Zc称为压缩因子，表示实际气体偏离理想气体行为的程度。,3.压缩因子Z,4.临界参数与超临界流体(critical parameters and supercritical fluid)物质在温度达某一特定值

9、以后，气液界面张力消失，过这一温度，无论施加多大压力也不能使气体液化，对应物质的状态参数称作临界参数，如：Tc,Pc,Vc,Zc 等；物质状态参数超过临界参数（Tc,Pc）的流体称作超临界流体。,第一章 板式精馏塔设计,主要内容：一、塔设备简介二、板式精馏塔主体设备的设计三、板式塔的结构和附属设备选型配套设计,第一节 塔设备简介,塔设备是气液传质设备 分类：板式塔和填料塔 工业生产对塔设备的主要要求：生产能力大；传质、传热效率高；流体流动的摩擦阻力小；操作稳定，适应性强，操作弹性大；结构简单，材料耗用少；制造安装容易，操作维修方便。应综合考虑以上诸因素。,第二节 板式精馏塔的工艺设计,主要内容

10、：一.设计方案的确定二.物料衡算和操作线方程三.理论板数的求算方法四.塔和塔板主要工艺尺寸的设计,一.设计方案的选定,1.装置流程的确定 包括：热量的利用，进料方式的选择，冷凝器的选择（全凝器或分凝器）2.操作压强的选择：取决于冷凝温度 包括：常压、减压、加压,3.进料热状况的选择：用 表示 五种进料热状况:冷液进料：饱和液体（泡点）进料：饱和蒸汽（露点）进料：气液混合进料：过热气进料：原则上采用冷液进料，但通常采用泡点进料。,4.加热方式的选择 大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。5.回流比的选择 主要从经济观点出发，力求使设备费用和操作费用之和最低。一般经验值为,1、两组分理想物系的气液平衡

11、函数关系,气液相平衡(vapor-liquid equilibrium)：溶液与其上方蒸气达到平衡时气液两相各组分组成的关系。,物系的分类：理想物系和非理想物系。,理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律（Raoults law)，即,式中 p溶液上方组分的平衡分压 p0同温度下纯组分的饱和蒸气压 x溶液中组分的摩尔分率,第三节 双组分溶液的气液平衡,根据道尔顿分压定律和拉乌尔定律,当总压P不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿分压定律，即,式（a）和（b）为 两组分理想物系的气液平衡关系式。,（a）,（b）,第三节 双组分溶液的气液平衡,当总压不高时，蒸气服从道尔顿分压定律,对于二元溶液

12、xB=1-xAyB=1-yA,整理后，略去下标.,气液平衡方程,第三节 双组分溶液的气液平衡,2、相对挥发度及气液平衡方程,3.二元物系连续板式精馏塔的工艺计算,1.物料衡算与操作线方程全塔物料衡算总物料 F=D+W易挥发组分 FxF=DxD+WxW,精馏段操作线方程或 其中 L=RD 提留段操作线方程或 其中,进料线方程（线方程）,线方程代表精馏段操作线与提留段操作线交点的轨迹方程。,4.理论板数的求算,求算理论板数之前，需知原料液组成，选择进料热状况（即 值）和操作回流比等精馏操作条件，利用气、液相平衡关系和操作方程求算。常用理论板数的求算方法有三种方法，现分别予以介绍。,（1）逐板计算法

13、,从塔顶开始逐板计算。设塔顶采用全凝器，泡点回流，则自第一层板上升蒸汽组成等于塔顶产品组成，即（已知）。而自第一层板下降的液体组成 与 相平衡，可利用相平衡方程求取 而 与 满足精馏段操作关系，可用精馏段操作线方程，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进行下行逐板计算，直到,则第n层理论板为进料板，精馏段理论板数为（n-1）层。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线方程下行逐板计算，直到 为止。,注意：间接蒸汽加热时，再沸器内可视为气液两相达平衡，故再沸器相当于一层理论板，则提馏段理论板数为 层。缺点：计算虽然准确，但较繁琐。,（

14、2）直角梯级求解法（M.T.图解法）,方法和步骤如下：设采用间接蒸汽加热，全凝器（），泡点进料。首先在y-x图上作平衡线和对角线。作精馏段操作线。作进料线（q线）。与精馏段操作线相交与点d。作提留段操作线。图解理论板层数。跨过交点d的梯级为进料板。如采用再沸器，应减去一层塔板数，如采用分凝器，应再减去一层塔板数。,（3）简捷法(Gilliland）,求算Rmin和选定R。Rmin的求算如下式：a.进料为饱和液体时,xq=xF,故 b.进料为饱和蒸汽时,Yq=YF,故对于平衡曲线形状不正常的情况，可用作图法求Rmin.,平衡曲线形状不正常情况下Rmin求法,计算Nmin,计算 值。在吉利兰图横坐

15、标上找到相应点，自此点引铅垂线与曲线相交，由交点相应的纵坐标值求算出不包括再沸器的理论板数N。确定进料板位置。,三、塔效率的估算,1.定义：为在指定分离要求与回流比所需理论板数NT与实际塔板数NP的比值。即：2.两个关联方法 Dickamer和Bradford法 根据精馏塔全塔效率关联图，有下列公式：（适用于液相粘度为 0.071.4mPas 的烃类物系。）,Oconnell 法 将全塔效率关联为相对挥发度与液相平均粘度乘积的函数，得到精馏塔全塔效率关联曲线。用下式表示：适用于，且板上液流长度1.0的一般工业板式塔。,第二章 塔主要工艺尺寸的设计,主要内容：1.塔高2.塔径3.溢流装置与液体流

16、型4.塔板设计,1.塔高,1.1 计算公式：,选定时，还要考虑实际情况。,1.2 板间距HT选取的一般依据,2.塔径,2.1 计算公式：,式中-塔内的气相流量，m/s-空塔气速，m/s,C为负荷系数，可由Smith关联图查取。如图5-1所示。注意：查得的负荷系数为液体表面张力20mN/m的值C20，故一般应将C值加以修正。,式中 Vs 气体体积流量，m/s u 空塔气速，m/s,2.塔径,2.2 圆整 将计算所得塔径向系列标准圆整 400、500、700、800、1000 46002.3 变径塔或通径塔,3.溢流装置设计,3.1 降液管类型与溢流方式,（a）圆形降液管（b）内弓形降液管（c）弓

17、形降液管 它由部分壁面和一块平板围成的，由于能充分利用内空间，提供较大降液面积及两相分离空间，被普遍用。（d）倾斜式弓形降液管 它既增大了分离空间又不过多占用塔板面积，故适用于大直径大负荷塔板。,3.1.1 降液管类型,U型流 小液体负荷，液体流程长，板面利用好，板效较高，但液面落差大。,单流型 液体流程较长，板面利用好，塔板结构简单，直径2.2米以下的塔。,3.1.2 溢流堰的类型,阶梯溢流 结构复杂，适用于大塔径负荷大的塔。,双溢流 流程短可减少液面落差，但板面利用率低且结构复杂，用于液体负荷大，直径2m以上塔。,一般可根据初估塔径和液体流量，参考表5-2选塔板的液流型式。,4.溢流堰装置

18、的设计计算,堰长 lw 单流型 lw 为（0.6 0.8）D 双溢流 lw 为（0.5 0.7）D 也可由溢流强度计算筛板及浮阀塔的 lw：,其中 D 塔径 lw 溢流堰长 Lh 液体流量,4.1 溢流堰,式中 hL 板上液层高度(一般50100mm）how 堰上液层高度（可按图5-6进行计算，一般低于60mm）,4.1.2 堰高 hw,堰上液层高度how 也可按 Francis 公式计算,堰上液层高度 平直堰的hOW按下式计算 l W 堰长，m Lh 塔内液体流量，m/h E 液流收缩系数，一般取1,常压 0.04 0.05m 减压 0.015 0.025m 高压 0.04 0.08m 一般

19、均不宜超过 0.1m,求得how后，即可按下式指出的范围确定堰高hw,堰高,若how小于6mm，应采用齿形堰,降液管的宽度 Wd 与截面积 Af,4.2 降液管,若知堰长与塔径的比值，由右图即可查取降液管的宽度与截面积。,降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降液管内的停留时间一般等于或大于35s。求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的停留时间。即 式中 液体在降液管中的停留时间，s Af降液管的截面积，m2,4.2.2 降液管底隙高度,how,Hd,hL,hw,HT,h0,hw h0 6 mm,h0 应低于 hw,降液管底隙高度 h0,（1）一般取为：（2）也可

20、按下式计算 式中 液体通过降液管底隙的流速，m/s 一般 不宜超过0.4m/s 不宜小于0.020.025m，以免引起堵塞。,4.3 受液盘及进口堰,但有时为使液体进入塔板时平稳并防止塔板液流进口处头几排筛孔因冲击而漏液，对直径为800mm以上的塔板，推荐使用凹形受液盘。当大塔采用平形受液盘时，为保证降液管的液封并均布进入塔板的液流，可设进口堰。,4.3 受液盘及进口堰,一般情况下多采用平受液盘,有平受液盘和凹形受液盘之分,（1）塔板布置（2）筛板的筛孔与开孔率,5.塔板的设计计算,塔板布置,5.1 塔板布置 开孔区、溢流区、安定区 和 无效区,开孔区 也称为鼓泡区。对垂直弓形降液管的单流型塔

21、板按下式计算。式中 Aa鼓泡面积，m2,溢流区 溢流区面积Af和Af分别为降液管和受液盘所占面积。安定区 开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区（破沫区），其作用为使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。无效区 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的边梁。小塔为3050mm,大塔为5075mm。为防止液体经边缘区流过产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。,5.2 筛板的筛孔与开孔率,孔径 筛板厚度 孔心距 开孔率 筛孔数,筛孔的正三角形排列,筛孔的孔径 筛孔的孔径 的选取与塔的操作性能要求、物质性质、塔板厚度、材质及加工费用等有关，一般认为，表面张力为

22、正的物系易起泡沫，可采用 为38mm（常用的46mm）的小孔径筛板，属鼓泡型操作；表面张力为负系统的物系易堵，可采用 为1025mm的大孔径筛板，其造价低，不易堵塞，属喷射型操作。,筛板厚度 一般碳钢 或 不锈钢 或,孔心距t 筛孔在筛板上一般按正三角形排列，孔心距 t=(2.55)d0，常取t=(34)d0 t/d0过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板的传质效率。开孔率 筛板上筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率。筛孔按正三角形排列的计算公式：一般开孔率大，塔板压降低，雾沫夹带量小，但操作弹性小，漏液量大，板效率低。通常开孔率为 5%15%。,筛孔数目,第三章 塔板流体力学验算,一、塔板流体力学验算的目的,检验初设的塔板计算是否合理 判定塔板能否维持正常操作,二、验算内容,1.塔板压力降,塔板流体力学验算,1.塔板压力降,1.1 干板阻力 hc 的计算,故上式可简化为,u0 气体通过筛孔的速度，m/s；C0 流量系数，由图510查取。,塔板流体力学验算,1.塔板压力降,1.2 气体通过液层的阻力 hl 计算,充气系数，反映板上充气程度可由图511查取,塔板流体力学验算,1.塔板压力降,1.3 液体表面张力的阻力 h 计算,塔板流体力学验算,塔板流体力学验算,三、塔板的负荷性能图,可通过适当调整塔板结构参数来改变负荷性能图。,塔板流体力学验算,B,