化工原理课程设计的目的与要求

目录一、化工原理课程设计的目的与要求二、化工原理课程设计的内容三、安排与要求四、设计步骤1．收集基础数据2．工艺流程的选择3．做全塔的物料平衡4．确定操作条件5．确定回流比6．理论板数与实际板数7．确定冷凝器与再沸器的热负荷8．初估冷凝器与再沸器的传热面积9．塔径计算与板间距确定10．堰及降液管的设计11．塔板布置及筛板塔的主要结构参数12．筛板塔的水力学计算13．塔板结构14．塔高参考文献设计任务书一、化工原理课程设计的目的与要求通过理论课的学习和生产实习，学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识。

对于一个未来的工程技术人员来说，如何运用所学知识去分析和解决实际问题室至关重要的。

本课程设计的目的也正是如此。

化工原理课程设计是化工专业的学生在校学习期间第一次进行的设计，要求每位同学独立完成一个实际装置(本次设计为精馏装置)的设计。

设计中应对精馏原理、操作、流程及设备的结构、制造、安装、检修进行全面考虑，最终以简洁的文字，表格及图纸正确地把设计表达出来．本次设计是在教师指导下，由学生独立进行的没计，因此，对学生的独立工作能力和实际工作能力是一次很好的锻炼机会，是培养化工技术人员的一个重要坏节。

通过设计，学生应培养和掌握：1，正确的设计思想和认真负责的设计态度设计应结合实际进行，力求经济、实用、可靠和先进。

2，独立的工作能力及灵活运用所学知识分析问题和解决问题的能力设计由学生独立完成，教师只起指导作用。

学生在设计中碰到问题可和教师进行讨论，教师只做提示和启发，由学生自已去解决问题，指导教师原则上不负责检查计算结果的准确性，学生应自己负责计算结果的准确性，可靠性．’学生在设计中可以相互讨论，但不能照抄。

为了更好地了解和检查学生独立分析问题和解决向题的能力，设计的最后阶段安排有答辩．若答辩不通过，设计不能通过。

3，精馏装置设计的一般方法和步骤4，正确运用各种参考资料，合理选用各种经验公式和数据由于所用资料不同，各种经验公式和数据可能会有一些差别。

设计者应尽可能了解这些公式、数据的来历、使用范围，并能正确地选用。

设计前，学生应该详细阅读设计指导书、任务书，明确设计目的、任务及内容。

设计中安排好自己的工作，提高工作效率。

二，化工原理课程设计(精馏装置)的内容1、选择流程，画流程图。

2、做物料衡算，列出物料衡算表。

3、确定操作条件(压力，温度)。

4、选择合适回流比，计算理论板数。

5、做热量衡算，列出热量衡算表。

6、选择换热器，计算冷却介质及加热介质用量。

7、完成塔扳设计。

8、编写设计计算说明书。

设计结束时，学生应提交的作业有：工艺流程图一张，塔板结构图一张，设计说明书一份。

三，安排与要求设计进行两周，大致可分为以下几个阶段：1、准备(一天)教师介绍有关课程设计的情况，下达设计任务书．学生应详细阅读设计任务书，明确设计目的，设计任务．设计内容及设计步骤．安排好今后两周的工作。

2、设计计算阶段(四~五天)按设计任务及内容进行设计计算，有时甚至需要对几个不同的方案进行设计计算，并对设计结果进行分析比较，从中选择出较好的方案，计算结束后编写出设计计算说明书。

设计计算说明书应包含：目录、设计任务书、流程图、设计计算、计算结果及所引用的资料目录等。

设计计算说明书除了有数字计算之外还应有分析，只有数字计算，而无论述分析，这样的设计是不完整的，也是不能通过的。

计算部分应列出计算式，代入数值，得出结果。

计算结果应有单位。

说明书一律用16开纸写，文字部分要简练，书写要清楚。

说明书要标上页码，加上封面，装订成册。

3、绘图阶段(三~四)。

根据设计结果绘制塔盘结构图。

塔板结构图应能表示出塔盘结构的工作原理、结构特点、各组成零(部)件的相互位置的装配关系。

图中应有反映塔盘规格、性能的尺寸，零件之间装配关系的尺寸，外型轮廓尺寸及安装尺寸。

图中应当标明装配、安装、验收所要达到的技术要求。

图中每个不同的零(部)件必须有编号，并在明细表中逐项依次填写零件序号名称、规格、图号(或标准号)等内容。

制图必须严格按制图标准进行。

图面清晰易懂，视图、尺寸等足够而不多余。

4、答辩(二天)答辩安排在最后两天进行。

答辩前学生应将设计计算说明书装订成册，连同折迭好的图纸一起交给教师。

答辩时学生先摘要汇报一下自己的设计工作，然后回答教师提出的问题。

四、设计步骤精馏装置设计的内容与步骤大致如下：1、收集基础数据设计所需的基础数据包括：①进料流量及组成。

②分离要求。

③原料的热力学状态。

④冷却介质及其温度、加热介质及温度。

⑤物性数据(如密度、表面张力等)。

上述基础数据中①、②两项由设计任务给出。

③、④两项若任务中未曾给出，则应根据具体情况确定。

物性数据可从有关资料中查取。

2、工艺流程的选择精馏装置一般包括塔顶冷凝器，塔釜再沸器，原料预热器及流体输送泵等。

流程选择应结合实际进行，考虑经济性、稳定性。

如进料是否需要预热、冷凝器的型式及布置、及再沸器的型式等。

当塔顶需汽相出料时，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器。

对于小塔，通常将冷凝器放于塔顶，采用重力回流。

对于大塔，冷凝器可放至适当位置，用泵进行强制回流。

再沸器的型式有立式与卧式、热虹吸式与强制循环式之分。

当传热量较小时，选用立式热虹吸式再沸器较为有利。

传热量较大时，采用卧式热虹吸式再沸器。

当塔釜物料粘度很大，或易受热分解时，宜采用泵强制循环型再沸器。

几种再沸器型式如图1所示。

精馏装置中，有可能被利用来预热进料的热量有塔顶蒸汽的潜热和塔釜残液的显热。

塔顶蒸汽潜热大，而温度较低，塔釜残液温度高。

而显热的热量少。

在考虑这些热量的利用时要注意经济上的合理性及操作上的稳定性。

3、做全塔的物料平衡对于双组分的连续精馏塔，由总物料平衡及组分物料平衡有F W D =+F W D Fx W x Dx =+ (1)根据进料流量F 及组成F x ，分离要求，解方程组(1)即可求得馏出液流率D 及残液流率W 。

4、确定操作条件(压力、温度)精馏操作最好在常压下进行。

不能在常压下进行时，可根据下述因素考虑加压或减压操作。

(1)、对热敏性物质，为降低操作温度，可考虑减压操作。

（1）立式热虹吸型 （2）泵强制循环型（）（）（3）卧式再沸器图1 几种再沸器型式(2)、若常压下塔釜残液的泡点超过或接近200℃时，可考虑减压操作。

因为加热蒸汽温度．一般低于200℃。

(3)、最方便最经济的冷却介质为水。

若常压下塔顶蒸汽全凝时的温度低于冷却介质的温度时可考虑加压操作。

还应该指出压力增大时，操作温度随之升高，轻、重组分相对挥发度减少、分离所需的理论板数增加。

在确定操作压力时，除了上面所述诸因素之外。

尚需考虑设备的结构、材料等。

通常按下述步骤确定操作压力。

(1)、选择冷却介质，确定冷却介质温度。

最为方便、来源最广的冷却介质为水。

设计时应了解本地区水的资源情况及水温。

(2)、确定冷却器及回流罐系统压力P冷。

塔顶蒸汽全部冷凝时的温度一般比冷却介质温度高10~20℃。

冷却器和回流罐系统压力即为该温度下的蒸汽压(平衡压力)，可由泡点方程求得。

∑==ciDjixK11（2）式中K i—平衡常数。

烃类K i可由资料〔1〕〔2〕查得。

(3)、确定塔顶和塔釜压力。

塔顶压力P顶等于冷凝器压力P冷加上蒸汽从塔顶至冷凝器的流动阻力△P顶→冷凝器，即P顶=P冷+△P顶→冷凝器（3）塔釜压力P 底等于塔顶压力加上全塔板阻力△P 塔。

全塔阻力△P 塔等于塔板阻力乘实际板数，即P 底=P 顶+△P 塔= P 顶+n △P 板 （4）式中：△P 板一塔板阻力，通常为3~5〔mm 汞柱〕在确定了操作压力之后，塔顶温度可由式（5）确定。

塔釜温度由式（6）确定。

∑∑===c i i Di ii k x k y 11 （5） ∑==c i wjix K 11 （6） 5、确定回流比对于平衡线向下弯曲的物系，最小回流比的计算式为q q qD m x y y x R --= （7）式中：q x ，q y —q 线与平衡线交点座标。

当进料为饱和液体时，最小回流比也可用式（8）计算，进料为饱和蒸汽时，按式(9)计算。

()⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=F D F D m x x x x R 1111αα （8） ()11111-⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=F D F D m x x x x R αα （9） 汽液混合进料时，最小回流比的计算式为：()()()011==-+=q m q m m R q R q R （10）式中：()1=q m R ——泡点进料时的m R ，按式(8)计算。

()0=q m R ——露点进料时的m R ，按式(9)计算。

由上式可知，最小回流比和进料液化分率q 有关。

当泡点进料时，q=1。

露点进料时，q=0。

若进料压力高于塔的操作压力，且原料液温度较高时，进入塔内后可因压力降低而产生绝热汽化。

绝热汽化温度T 及液化分率可由绝热汽化方程组（11）计算。

()∑==-+ci i i Fi q K K x 111 hH h H q F --=（11） 式中：H 、h —汽相、液相焓。

h F —原料液焓。

方程(11)可由试差法解得，方法如下：a 、根据进料温度及组成，求得h F ；b 、假设汽化温度，查得K i ；c 、由方程(11)的第一式求得q 及汽，液相组成；d 、由假设温度及求得的汽，液相组成计算汽、液相焓H 及h ；e 、将H ，h ，h F 虾代入方程(11)的第二式，若等式成立，则计算正确；若等号不成立，则重设温度，重复(b)至(e)过程。

适宜回流比通常为最小回流比的1.2~2倍，设计时应根据理论板和回流比的关系图(图2)确定。

图2是在假设若干个不同的回流比下，分别用简捷法求出相应的理论板数，然后，由计算结果作图而得到的。

显然适宜回流比应在图中曲线斜率变化最大处。

6、理论板数与实际板数NR 适宜Rm R图2 理论板和回流比关系图对于双组份精馏塔，求解理论板数可用图解法或简捷法。

若理论板数较多，且溶液接近于理想溶液时，可作简捷法计算。

简捷法求理论扳数时，有吉利兰(Gilliland)法和埃尔巴一马道克斯(Erbar-Maddox)法。

据称埃尔巴法比吉利兰法精度要高，但埃尔巴法只能用于泡点进料，且指明回流比为最适宜回流比，而一般回流比大多高于这个数值〔5〕。

图解法和简捷法的具体作法可参阅教材，此处不再讨论。

实际板数等于理论板数除以总板效率，即TE N N 理实（12） 式中：实N ——实际板数理N ——不包括分凝器、再沸器在内的理论板数。

T E ——总板效率（全塔效率）影响总板效率的因素较多，目前尚无准确的关联式可用于计算，只能根据经验估计。

对于双组分精馏塔，多在0.5~0.7左右〔6〕。

7、确定冷凝器和再沸器的热负荷Q c 、Q r 对于全凝器，由冷凝器热平衡可得：()()D c h H D R Q -+=11 （13） 式中：R —回流比。