甲醇-水体系化工原理课程设计-刘学军修改版-2015-07全解

化工原理课程设计指导教师：刘学军[e-mail]西配楼207张智亮15267127078西配楼203总体目标：1化工设计的基本步骤、方法，初步训练2综合运用知识，解决化工实际问题1技术可行性、经济合理性方面树立设计思想2查阅资料、选用公式、数据3分析和解决工程实际问题4应用计算机辅助设计5运用简洁文字、图表表达设计思想基本方法：设计准则1技术上可行、可靠、稳定2先进性3经济性设计题目1-2万吨/年甲醇-水分离系统设计2020/6/205设计原始条件原料液：甲醇水双组分混合液原料液处理量1-2万吨/年原料液初温30℃原料液含甲醇20-90%(质量)馏出液含甲醇99.0-99.8%(质量)甲醇回收率≥99.9%(质量)蒸汽压力（绝）：5kgf/cm2每年实际生产时间：8000小时冷却水温度：30℃冷却水温升：5℃产品冷却后温度：40℃设计任务：1精馏工艺设计，最优化操作参数2板式精馏塔、附属设备设计3编写设计说明书和设计计算书（文字）4绘制工艺流程图塔板结构简图塔板负荷性能图一概述1设计原始条件（1）初始条件（2）设计条件2板式塔选择（1）择筛板塔的特点（2）选择依据3工艺流程的选定进料方式、连续生产、泡点单相进料、塔顶全凝蒸汽间接加热、产品冷却、强制回流设计说明书℃二精馏塔物料衡算2.1物料衡算已知：F、xF、xD、η求解：D、W、xW解：F=D+WFxF=DxD+WxW要求（1）单位统一（2）kmol/h、kg/hD、W、xW查平衡数据，绘制相平衡曲线2.2最小回流比Rmin计算（图解法）xEquilibriumcurvexDxFafye完成分离要求，理论塔板数无穷多时的回流比q线：进料中饱和液体所占的摩尔分数–设进料处压力P进=(P顶+P釜)/2–据Antonine方程求出进料处的泡点温度T泡点–设计进料温度TF–根据甲醇、水的物性数据求算q值LVFViiiiq釜顶全塔相对挥发度α泡点进料：q=12020/6/2014求RminxEquilibriumcurve45°linexDxFqlineafyeeeeDxyyxRmin三经济费用估算3.1选择回流比=nRmin3.2求理论塔板数N3.3求总板效率ET及实际板数NT3.4塔径D、塔高H估算3.5总费用计算3.6确定最佳回流比Roptmin1.51.50.9391.41RR2020/6/2016–平衡线方程–精馏段操作线方程–提馏段操作线方程–q线EquilibriumcurvexFxwyxD1234x3.2求理论塔板数ND11xRyxRRW'''WxLyxLWLW采用逐板计算法，运用拟合的相平衡方程和精馏段、提镏段操作线方程，交替计算。精确到小数点后一位3.3求总板效率ET及实际板数NT总板效率ET–O‘Connell公式注：•相对挥发度为全塔平均温度下的相对挥发度•粘度为进料温度下进料组成的摩尔平均粘度•f为系数，根据塔板种类而定如筛板为1.1、泡罩为1、浮阀为1.2245.0)(49.0fET2020/6/2018实际板数NTNT=N/ET–求出全塔总实际板数–进料口位置3.4塔径D估算以塔顶第一块板计算对象基本数据：气液组成、体积流量、密度液体表面张力σ计算过程：注：塔径D要圆整uVDs785.0Fuu)8.0~6.0(注：1、σ根据参考书《石油化工基础数据手册》P90查得并计算2、具体计算过程可参考设计资料P133或《化原》第十章GGLFCu2.02020CC3.5总费用计算要求——精馏塔系统的年总费用最小精馏塔系统的年总费：C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)CD为塔体费用：CD=13290·D1.2·NCF为换热器费用：CF=2000·ACS为蒸汽费用：CS=200元/吨×W蒸汽CW为冷却水费用：CW=0.6元/吨×W冷却水预热器再沸器塔顶冷凝器塔顶产品冷却器注意：1、分别计算换热面积2、蒸汽用量或冷却水用量换热量Q，kcal/h(考虑热损失Q为1.05倍计算值)换热器管程、壳程物流的温度T1、T2、t1、t2的计算或设计计算平均推动力△tm设总传热系数K（查表），求得换热器面积A求得蒸汽用量W蒸汽或冷却水用量W冷却水注：A、W蒸汽、W冷却水都与回流比R有关，是回流比R的函数CF=f(R)；CS=f(R)；CW=f(R)精馏塔系统的年总费：C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通过变换R，求得不同R下的费用并画图，得到费用最小的Ropt3.6确定最佳回流比Ropt设计要求：（1）设计说明，给出必要文字说明（2）设计计算：详细计算公式、公式说明参数代入计算过程注意：计算第一个回流比下的总费用，需详细计算过程改变回流比下的计算过程，不用写到设计书里，但要给出结果汇总图表参考文献《化学工程手册》13分册－－气液传质设备化学工程出版社《化工过程及设备数据与图集》浙江化工学院《化工过程及设备设计》华南理工大学出版社《化工原理》何潮洪冯霄主编，科学出版社《石油化工基础数据手册》卢焕章，化学工程出版社《化学工程手册》1分册－－化工数据化学工程出版社2020/6/2028课程设计时间安排布置任务0.5天工艺计算3天设备计算3天辅助设备计算2天画图和编写任务书1.5天2020/6/2029课程设计纪律一般情况都要在指定教室做设计，便于老师指导。有时要向指导教师或课代表请假。指导教师将经常点名以督促学生按时完成设计任务。2020/6/2030请认真做课程设计！！！谢谢！！！2020/6/20312精馏塔设备优化设计选择塔型和板型塔板结构设计塔板流体力学计算塔板负荷性能图2020/6/2032DistillateCondenserReflux,LFeedBottomsReboilerRectifyingsectionStrippingsectionD,xDF,zFB,xB2020/6/20332.1选择塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）LiquidinVaporinVaporoutLiquidout12N–1NTrayedTowerLiquidinVaporinVaporoutLiquidoutPackedColumn2020/6/20342.1选择塔型和板型板型–泡罩塔–筛板塔–浮阀塔–穿流塔板2020/6/20352.2塔板结构设计流动型式单流型双流型多流型回流型其它流型2020/6/20362.3塔板流体力学计算塔板结构参数HThwhowHdh0h1hw’AfAaWdWsWs’Wclw2020/6/20372.3塔板流体力学计算塔板结构参数how堰上液层高度hw堰高HT板间距ho底缝Wc边缘区Ws安定区lw堰长Wd堰宽AT全塔面积Af降液管面积Aa开孔区面积2020/6/20382.3塔板流体力学计算塔径计算降液管结构型式选取堰及降液管设计孔布置干板压降塔板稳定性塔板压降液泛情况雾沫夹带负荷性能图2020/6/20392.3.1塔径计算基本数据：气液组成、体积流量、密度，液体表面张力σ预估板间距HT(500mm)预算塔径塔板参数设计水力学性能计算2020/6/2040(二）预算塔径求值和预设的HT得C20Fuu)8.0~6.0(2.02020CCGGLFCu5.0GLGLVV2020/6/2041(二）预算塔径注：1、具体计算过程可参考设计资料P1332、塔径D要圆整uVDs785.02020/6/2042(三）初步设计塔板结构参数降液管道截面积Ad塔净截面积An塔板工作面积Aa孔总面积A0孔径d0(4~8mm)板厚tp堰高hw(预设30mm)2020/6/2043(四)水力学性能计算修正气速数值及液泛分率数值计算液沫夹带分率φ(要求φ≤0.1)降液管内液体停留时间τ核算注：对于易起泡物系，τ要取得大一些sLAHSfT52020/6/20442.3.2降液管结构型式选取单溢流双溢流多降液管2020/6/20452.3.3堰及降液管设计堰的确定堰上清液层高度how的计算板上液面落差Δ板上清液层高度hL的计算ho设计2020/6/20462.3.3.1堰的确定堰的种类–齿形堰：how＜6mm–平堰：how＞6mm弓形堰的长度一般lw/D=0.6~0.82020/6/20472.3.3.2堰上液层高度how的计算E根据和来确定，查图可得3/200284.0wowlLEh5.2wlLDlw2020/6/20482.3.3.3板上液面落差Δ本课程设计液量较小，Δ≈02020/6/20492.3.3.4板上清液层高度hL的计算先设一hL‘hw=hL‘－how圆整hwhL=hw＋how2020/6/20502.3.3.5ho设计降液管底部距下一层塔板的间距hoho＝hw－（0.01~0.02）m2020/6/20512.3.4孔布置筛孔选择取d0=3~8mm，t/d0=2.5~5边缘区确定WS=50~100mmWC=50~60mm孔数n2020/6/20522.3.5干板压降注：W0－气速，与气量有关C0－流量系数，与d0/δ有关A0－筛孔面积Aa－开孔区面积202001051.0aLGcAACwh2020/6/20532.3.6稳定性漏液状态下hc(M)=0.0056+0.13hL-hσ漏液状态下气速：稳定系数注：要求K≥1.5GLMcMhCW)(0)(04.4)(00MWWK2020/6/20542.3.7塔板压降hphp=hc+hl2.3.8雾沫夹带2.30057.0fTGvhHwe要求ev≤0.12020/6/20552.3.9液泛情况降液管内液层高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hw＞HT，则产生液泛2153.0owsdhlLh2020/6/20562.4塔板负荷性能图漏液线液体流量下限线液体流量上限线液泛线雾沫夹带上限线注：上操作弹性＞1.5下操作弹性＞1.52020/6/20573.辅助设备的设计塔高的设计换热器的设计及选型泵的设计及选型接管尺寸的设计塔和辅助设备都已确定，重新计算总费用。2020/6/2058塔高的设计前面的计算得到实际板数和实际进料位置，以及板间距HT。开人孔φ500～600，每10块塔板开一个人孔，开人孔处板间距HT取0.7~0.9m进料板HT＝0.7～0.9m第一块塔板到塔顶的距离0.5~1.0m最后一块塔板到塔底的距离1.0~1.5m裙座高度的设计直接蒸汽加热2~3m间接蒸汽加热3~5m求得全塔高度和进料板位置高度。2020/6/2059换热器的设计换热器包括全凝器、再沸器、预热器和冷凝器。三个选型：只需计算换热面积，A=Q/(KΔtm)，即可选型。一个选型要选型和校核，一般选取全凝器。全凝器的选型和校核：•计算换热面积A=Q/(KΔtm)•确定管程管内流速，管径，可计算得到管截面积，管根数，单管程管长，管程数。•通过换热面积，管长，管程数进行选型。2020/6/2060校核K：•管程冷却水对流传热系数•壳程蒸汽冷凝对流传热系数•求得K。•计算换热面积An=Q/(KΔtm)•富裕度F=(A0-An)/An=15%~20%iiisimsddddRddbRK000001114.08.0PrRe023.0di4/10320725.0）（tdgr2020/6/2061泵的设计及选型输送原料液的泵(两台)流量QF扬程he选型回流泵(两台)流量QF扬程he选型2020/6/2062接管尺寸已知