1、化工原理 课程设计,化工原理课程设计的作用,1.化工原理的培养目标之一；工程观点/定量计算/实验技能/设计能力 2.培养自学和综合运用所学知识的能力； 3.通过设计计算培养“四心”；细心、耐心、信心、责任心 4.通过设计计算，了解做事的“程序”。“胸有成竹”,掌握化工原理课程设计的方法,英文中的“5WH”1. What + Why-知其然，知其所以然；设计目的、设计原理2. Who+ When+ Where-故事的三要素；3. How-1)How to design 设计步骤2)How to deal with design data 设计数据处理计算规则、圆整、校核等,设计型计算的主要特征,
2、1.“从无到有”为设计施工单位提供设备尺寸、接管方位、工艺条件参数等。 2.“校核设备”由于条件变化对现有设备进行校核计算，为实际生产节省资源。,南 京 工 业 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书专业:化学工程与工艺 班级:化工07058/化强0701 姓名 ： . 设计日期： 2010 年 06 月 14 日至 2010 年 06 月 25 日 设计题目：常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计 设计条件：,设计题目：常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计 设计条件： 体系：丙酮水 已知：进料量F：240kmol/h 进料浓度ZF： 0.15 进料状态：q1,冷
3、液进料(1.08),设计题目：常 压 二 元 筛 板 精 馏 塔 的 设 计 设计条件： 操作条件：塔顶压强p顶=4 kPa(表压)， 单板压降不大于0.7kPa。 塔顶冷凝水一般采用深井水，温度t12； 塔釜加热方式：1）直接蒸汽加热；2)间接蒸汽加热，一般采用3kgf/cm2水蒸汽。 全塔效率：ET = 52% 分离要求：1)xD=99.5(乙醇水体系xD=88)；2)xW=0.2（乙醇水体系xW=1）；3)回流比R/Rmin =1.6 。,设计计算的内容： 一、流程的设计； 二、物料衡算； 三、1.理论板数NT；2.ET；3.N； 四、工艺计算和物性 1.P m；2.t m；3.M m；
4、4.m；5.m；6.Lm； 五、负荷计算,设计计算的内容： 六、1、塔径D 2、溢流装置单溢流弓形降液管；平形降液管 平形溢流堰lw0.66D,hw；wd；Ad；h0 3、塔板布置 4、n, 5、Z 6、塔高,设计计算的内容： 七、流体力学验证 1.Hp；2.ev；3.漏液；4.液泛 八、塔板负荷图 九、总图 十、附属设备及接管尺寸 核心：精馏段、提馏段计算及校核换热器的计算及校核,氯仿苯体系 汽液平衡数据 (101.325kPa),甲醇水体系汽液平衡数据 (101.325kPa),丙酮水体系汽液平衡数据 (101.325kPa)参考教材P306,丙酮水体系汽液平衡数据 (101.325kPa
5、) 5 ， 刘雪暖，汤景凝。化工原理课程设计。,丙酮水体系汽液平衡数据 (101.325kPa) ， 时钧，余国淙，汪家鼎。化学工程手册。,丙酮水体系汽液平衡数据,板 式 塔,一、板式塔结构及性能 （1） 板式塔结构,塔板结构, 气体通道形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。, 降液管（液体通道）液体流通通道，多为弓形。, 受液盘塔板上接受液体的部分。, 溢流堰使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。,浮阀塔板结构,（2） 塔板上的气液两相流动,汽、液两相接触方式,两相流动的推动力,全塔：逆流接触 塔板上：错流接触,液体：重力 气体：压力差,塔板上理想流动情况：液体横向均匀
6、流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。 气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。,塔板上的非理想流动情况： 气相或液相返混液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象,后果：板效率降低。, 不均匀流动液面落差（水力坡度）：引起塔板上气体分布不均匀；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液体分布不均匀。,后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。,液泛现象,二、 塔内气、液两相异常流动,（1）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。,1) 过量雾沫夹带液泛,原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运
7、动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。,液泛气速： 开始发生液泛时的气速。,2）降液管液泛 当塔内气、液两相流量较大，导致塔板阻力及降液管内阻力增大时，均会引起降液管液层升高，以致达到上一层塔板，破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液泛。,说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。,（2） 严重漏液,漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速 。,三、常用塔板的类型,（1）泡罩塔板,优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。 缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大。,组成：升气管和泡罩,圆形泡罩,条
8、形泡罩,泡罩塔,（2）筛板塔板,优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。,塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。,（3）浮阀塔板,圆形浮阀,条形浮阀,浮阀塔盘,方形浮阀,优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。 缺点：浮阀易脱落或损坏。,方形浮阀,F1型浮阀,（4）多降液管（MD）塔板优点：提高允许液体流量,五. 筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度 Z已知：实际塔板数 NP ； 塔板间距 HT；,选取塔板间距 HT ：,理论塔板数计算软件,塔板间距和塔径的
9、经验关系,塔体高度：有效高+顶部+底部+ 其它,有效塔高：,C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。, 液泛气速,两相流动参数 FLV：,（2）塔径确定原则： 防止过量液沫夹带液泛步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)；然后选设计气速 u；最后计算塔径 D。,对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV), 选取设计气速 u 选取泛点率： u / uf一般液体， 0.6 0.8易起泡液体，0.5 0.6,所需气体流通截面积,设计气速 u = 泛点率 uf, 计算塔径 D,塔截面积：,A = AT - Ad,塔径,说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速
10、及泛点率。,（3）溢流装置设计 溢流型式的选择依据：塔径 、流量；型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。, 降液管形式和底隙降液管：弓形、圆形。降液管截面积：由Ad/AT = 0.06 0.12 确定；底隙 hb ：通常在 30 40 mm。, 溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。,堰长 lW ：影响液层高度。,堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度过小，相际传质面积过小；过大，塔板阻力大，效率低。常、加压塔：40 80 mm ；减压塔：25 mm 左右。,说明：通常应使溢流强度qVLh/lW 不大于100130 m3/
11、（mh）。,或：,双流型:,单流型：,(4) 塔板及其布置 受液区和降液区一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区,其中， E：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。,堰上方液头高度 hOW ：,要求：, 边缘区：,（5）筛孔的尺寸和排列筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列。筛板开孔率 ：,单流型弓形降液管塔板：, 有效传质区：,双流型弓形降液管塔板：,筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。12 25 mm (大筛孔)孔中心距 t : (2.55) d0 取整。开孔率: 通常为 0.08 0.12。板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。,筛孔气速：,筛孔数：,d0,t,(6) 塔板的校核对
12、初步设计的结果进行调整和修正。, 液沫夹带量校核 单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ：kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体 单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e：kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：,所以,说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。,ev的计算方法：,方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。 方法2：用Hunt经验公式计算ev。,式中Hf 为板上泡沫层高度：,要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体。, 塔板阻力的计算和校核塔板阻力：,塔板阻力
13、hf包括 以下几部分:（a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；（b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。,清液柱高度表示：,（a）干板阻力h0,C0 孔流系数,（b）液层阻力 hl,查图求充气系数,说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率或 降低堰高。,（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）, 降液管液泛校核,故塔板阻力：,降液管中清液柱高度 (m),（a） 液面落差一般较小，可不计。当不可忽略时，,一般要求： 0.5h0,（b） 液体通过降液管阻力 hd,包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。,无进口堰时：,泡沫层高度,要求：,说明：
14、若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或 增大塔板间距。,泡沫层相对密度：对不易起泡物系，,易起泡物系，, 液体在降液管中停留时间校核目的：避免严重的气泡夹带。,停留时间：,要求：,说明：停留时间过小，可增加降液管面积 或 增大塔板间距。,（a）计算严重漏液时干板阻力 h0 ,（b）计算漏液点气速 u0 ,说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率 或 降低堰高。, 严重漏液校核漏液点气速 u0 ：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：,要求：, 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。,（6）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性, 液相下限线,整理出
15、：,规定：, 严重漏液线（气相下限线）,代入相关公式，如hOW、u0，整理出。, 液相上限线, 降液管液泛线,规定：,塔板的操作弹性： 或,1. 管国锋.赵汝溥.化工原理(第三版)，北京:化学工业出版社，2008. 2. 国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计手册（上、下），北京:化学工业出版社，1996. 3. 贾绍义，柴诚敬。化工原理课程设计(化工传递与单元操作课程设计) ，天津:天津大学出版社，2002， 4. 王国胜。化工原理课程设计，大连:大连理工大学出版社，2006 5. 刘雪暖，汤景凝。化工原理课程设计，东营: 石油大学出版社。天津:天津大学出版社，2001 6. 姚玉英,陈常贵, 柴诚敬.化工原理（上、下册），天津:天津大学出版社，2003 7. 谭天恩，窦梅，周明华 等编著. 化工原理(第三版)，北京:化学工业出版社，2006. 8. 陈英南，刘玉兰. 常用化工单元设备的设计.上海:华东理工大学出版社,2005 9. 柴诚敬，王军.张缨.化工原理课程设计，天津:天津科学技术出版社，2006.,
