课程设计授课教案.docx
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课程设计授课教案
第一部分课程设计动员
本部分要解决为什么要进行课程设计,课程设计与大作业有什么不同,如何才能更好地完成课程设计任务等问题。
一、课程设计的目的
化工单元操作技术课程涉及的内容都是从生产实际抽象出来的,具有很强的实用性、综合性和复杂性。
在学习各个单元操作基本原理、基本计算和设备结构基础上,通过课程设计让学员了解各个单元设备的工艺设计方法;树立正确的设计思想;培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风;初步体察工程实际问题的复杂性;培养学员分析问题和解决工程实际问题的能力。
因此说课程设计是化工单元操作技术课程教学中理论联系实际、有较强综合性和实践性的教学环节。
课程设计不同于大作业,大作业中的已知条件足够,答案唯一,学生无决策权和选择权,而课程设计要求学生自己确定方案、选择流程,并对选择进行论证和核算,寻找最佳设计方案。
二、课程设计的要求
独立思考,注意工程观点(操作安全性、技术先进性和可行性、经济合理性),提高搜集数据、查阅资料的能力,正确选用公式,掌握正确的设计方法和程序,提高分析问题和解决问题的能力。
保证出勤率,按时完成设计任务。
三、课程设计的内容
1、设计方案简介
论述确定或选定的工艺流程、主要设备类型和操作条件。
选择什么样的进料热状态、什么样的塔板类型、什么样的回流方式,为什么这样选择等。
2、主要设备的工艺设计计算
包括参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸及结构设计。
如设计板式精馏塔,应该确定操作温度、计算物理性质、理论塔板数、实际塔板数、塔高、塔径、板面布置、核算,确保该塔能完成分离任务,并注意经济合理性。
3、典型辅助设备的选型和计算
如设计板式精馏塔时,再沸器、冷凝器、原料预热器、原料泵、回流泵、回流罐等都是辅助设备。
4、工艺流程图
标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量和主要化工参数测量点。
先绘制生产工艺流程草图,明确物料由原料转化为产品的过程、流向及所采用的各种化工过程及设备。
做出物料衡算后,再绘制工艺物料流程图。
5、主体设备工艺条件图
标出主要结构尺寸、技术特性和接管表
课程设计报告由设计说明书和图纸组成,说明书应包括所有论述、原始数据、计算过程、表格等。
编排顺序如下:
标题页、设计任务书、目录、设计方案简介、流程说明、主体设备工艺设计、辅助设备的计算和选型、设计结果概要及设计结果一览表、附图、参考文献等。
第二部分板式精馏塔工艺设计
一、设计方案的确定
包括塔板类型、进料热状态、加热方式、回流方式、回流比、辅助设备的类型、绘流程草图。
在确定设计方案时应注重技术可行性和经济合理性,注意节能。
确定方案应有说明。
二、精馏塔操作条件的确定和物性的计算
1、操作压力
塔顶压力的确定应保证用冷却水能把塔顶蒸汽完全冷凝下来,热敏性物料应减压操作。
塔底压力等于塔顶压力加上各板压力降。
此时塔板数未知,塔底压力未知,塔底温度无法求解,物性参数和相对挥发度不能确定,塔板数也就无法确定,解决该问题应该用猜算法,为减少猜算次数,先根据塔顶压力,使用简捷计
算法求理论塔板数,再确定实际塔板数,过程如下:
按塔顶压强求塔顶温度:
使用露点方程猜算求解或用温度组成图求解
按塔顶压强求塔底温度:
使用泡点方程猜算求解或用温度组成图求解
求平均相对挥发度、最小回流比、最少理论塔板数,用简捷计算法求理论塔
板数,再查图得全塔板效率,算出实际塔板数(精馏段、提馏段)。
2、操作温度
根据实际塔板数,分别求出进料口和塔底压强PF、PW,再用泡露点方程求塔
顶、和塔釜温度
3、物性计算
平均摩尔质量:
分别计算出塔顶、进料口、塔釜气液两相的平均摩尔质量,再算出精馏段、提馏段的平均摩尔质量。
平均密度:
分别计算出塔顶、进料口、塔釜气液两相的平均密度,再算出精馏段、提馏段的平均密度。
表面张力:
分别计算出塔顶、进料口、塔釜气液两相的平均表面张力,再算出精馏段、提馏段的平均表面张力。
粘度:
分别计算出塔顶、进料口、塔釜气液两相的平均粘度,再算出精馏段、提馏段的平均粘度。
画表列出精馏塔的操作条件和物性数据。
三、精馏塔的工艺计算
1、全塔物料衡算与操作线方程
设计时,难分离的混合液,R可选大一些。
为了减少加热蒸汽的消耗量,R应选小一些。
2、塔板数的确定
理论塔板数可由逐板计算法或图解法求出,对理想溶液相对挥发度变化不大,可取塔顶和塔底相对挥发度的几何平均值。
回流比也可画图确定。
实际塔板数:
NP=NT/ET全塔板效率ET由效率关联图求解,或用回归方程求解,
ET=0.49(αμL)-0.245
α—平均相对挥发度,
μL—在全塔平均温度下进料液相粘度,mpa.s所求实际塔板数与估算值比较,相差不大时,设计继续进行,否则重新计算。
3、气液相负荷计算
精馏段气相负荷:
V=(R+1)D
精馏段液相负荷:
L=RD
提馏段气相负荷:
V'=V-(1-q)F
提馏段液相负荷:
L'=L+qF
4、精馏塔热量衡算
四、塔和塔板主要工艺尺寸的设计
1、塔高
塔有效段高度:
Z=(NP-1)HT
塔顶空间高度取1.5m用以安装破沫网等部件。
塔底空间高度应保证料液有10-15分钟的停留时间。
开人孔处的板间距应大于等于600mm,板间距选取要合理,过大过小都不经济。
对易起泡物系可选择较大的板间距,在设计中应反复调整,确定适宜板间距。
2、塔径
精馏塔有同径的,也有变径的。
应尽可能采用相同直径的塔。
当两段负荷相差较大,用调整塔板结构、改变开孔率不能得到满意结果时,可以采用不同直径的塔。
板上液层高度hL
减压hL≤0.025m
C20:
由图查得的负荷系数值。
C:
操作物系的负荷系数。
δ:
操作物系的表面张力,N/m。
3、溢流装置与液体流型的确定
溢流类型根据塔径和液体流量确定,直径大、流量大选多溢流型式,可根据液流型式参考表来确定。
板上液体流动型式有:
U形流:
流体流径最长,塔板面积利用率也最高,但液面落差大,仅用于小塔。
单溢流:
又称直径流,液体流径长,塔板效率较高,塔板结构简单,广泛用于直径2.2m以下的塔。
双溢流:
又称半径流,可减小液面落差,但塔板结构复杂,一般用于直径2m以上的大塔。
阶梯式双溢流:
结构最复杂,只宜于塔径很大,流量很大的特殊场合。
总之,液体在塔板上的流径愈长,气液接触时间就愈长,有利于提高分离效果;但是液面落差也随之增大,不利于气体均匀分布,使分离效果降低。
目前,凡直径在2.2m以下的浮阀塔,一般都采用单溢流。
但在大塔中,由于液面落差大会造成浮阀开启不均,使气体分布不均匀及出现泄漏现象,应采用双溢流以及阶梯流。
降液管设计:
确定降液管底隙高度的原则是:
保证液体流经此处时的阻力不太大,同时要有良好的液封。
h0=Ls/(Lwu0`)
式中:
Ls––塔内液体流量;
uo`––液体通过降液管时流速,一般可取0.07~0.25m/s
有时为了简单,可用下式:
h0=hW-0.006
w––外堰高度
溢流堰设计:
外堰(出口堰)
堰长:
单溢流取为(0.6~0.8)D;双溢流取为(0.5~0.7)D,其中D为塔径
堰高:
hL=hW+h0W
式中:
hL––板上清液层高度
hOW––堰上清液层高度。
内堰(进口堰)及受液盘
若hW>h0,hW`=hW
若hW
此外,为了保证液体有降液管流出时不致于受很大阻力,进口堰与降液管间水平距离h1>h0.
弓形降液管的宽度和截面积
堰长确定后,降液管的宽度和截面积就被确定,降液管应有足够的横截面积,保证液体在降液管内有足够的停留时间,分离其中夹带的气泡。
因此要验算降液管内液体停留时间θ
4、塔板板面布置
塔板有整块式和分块式两种,直径在800mm以内的小塔采用整块式塔板,9
00mm以上的大塔采用分块式塔板。
塔板板面分四个部分,分别是鼓泡区、溢流区、安定区和无效区,确定方法如下:
X=(D/2)-(Wd+Ws)
r=(D/2)-WC
溢流区面积Af与堰长有关,前面已介绍过安定区Ws=50-100mm
无效区WC=30-75mm塔径越大Ws、WC越大。
带有降液管的板式塔设计原则与步骤大同小异,以上项目同时适用于筛板塔和浮阀塔,但是浮阀的数目和布置与筛孔塔板不同。
浮阀的数目与布置
浮阀数目:
浮阀塔的操作性能以浮阀刚刚全开时为最好,此时F0=8~11。
所以设
计时可在此范围内选择合适的F0,然后计算出u0
排列:
正三角形、等腰三角形,对于整块塔板多采用正三角形排列,孔心距t为75mm,100mm,125mm,150m等m。
对于分块式塔板,宜采用等腰三角形叉排,同一排的孔心距t为75mm,排心距t`为65mm,80mm,100m等m几种尺寸。
按算出的孔距作图,确切排出鼓泡区内可以布置的阀孔总数。
与前面算出的阀孔总数应相近,否则调整孔心距,重新作图,直到相近为止。
保证F0=8~11之间
开孔率
常压塔(减压塔)开孔率常在10~13%。
加压塔开孔率<10%,常见的为6~9%
若塔内上下段负荷变化较大时,应根据流体力学验算情况,分段改变阀孔数目以提高全塔的操作稳定性。
筛板的筛孔与开孔率
孔径d0=3-8mm多采用4-5mm,也有10-25mm大孔径筛板。
筛板厚度δ=2-4mm,使用不锈钢时厚度要薄一些。
孔心距t=(2.5-5)d0,常取(3-4)d0。
排列方式一般为正三角形。
一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量低,但易漏液,操作弹性小,效率低。
通常开孔率为5%-15%。
五、塔板流体力学验算
上面设计出来的板式塔能否正常操作,性能如何,操作弹性有多大,必须进行流体力学验算。
浮阀塔和筛板塔验算的内容相同,部分公式不同,现分别讨论。
(一)浮阀塔板流体力学验算
1、气体通过塔板的压力降
气体通过塔板的压力降直接影响到塔底的操作压力,故此压力降数据是决定
蒸馏塔塔底温度的主要依据。
压力降过大,对塔内气液两相的正常流动有影响。
压力降:
ΔPP=ΔPC+ΔPL+ΔPδ
塔板本身的干板压降ΔPC
板上充气液层的阻力ΔPL
液体的表面张力造成的阻力ΔPδ
折合成塔内液体的液柱高度,则
ΔPP/Lg=ΔPC/Lg+ΔPL/Lg+ΔPδ/Lg
即hp=hc+hL+hδ
ε0为充气系数,液相为水时取0.5,油时取(0.2-0.35),碳氢化合物时取(0.4-0.5)
液体的表面张力造成的阻力很小,可忽略。
浮阀塔的压力降一般比泡罩塔板的小,比筛板塔的大。
在正常操作情况下,塔板的压力降大多在265—530N/m2之间。
.减压塔中为了减少塔的真空度损失,一般约为98—245Pa。
通常在保证较高塔板效率的前提下,力求减少塔板压力降,以降低能耗及改善塔的操作性能。
2、液泛(淹塔)
气液两相中某一相的流量增大到某一数值,上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能顺畅地流下。
当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后,便漫到上层塔板上去,这种现象,称为液泛(淹塔)。
如气速过大,便有大量液滴从泡沫层中喷出,被气体带到上一层塔板,或有大量泡沫生成。
如液体流量过大,降液管中液体不能及时通过,于是管内液面即行升高。
液泛判据:
不发生液泛时应满足Hd≤φ(HT+hw),φ系数,对一般物系取(0.30.4)不宜发泡物系取(0.6-0.7)。
为保证液体顺利流下,降液管中清液层高度Hd=hp+hL+hd
3、雾沫夹带
指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。
为了保证板式塔能维持正常的操作效果,应使每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量不超过0.1kg,即
控制雾沫夹带量eV<0.1kg(液)/kg(气)。
影响雾沫夹带的因素很多,最主要的是空塔气速和塔板间距。
对于浮阀塔板雾沫夹带量的计算,迄今尚无适用于一般工业塔的确切公式。
通常是间接地用操作时的空塔气速与发展液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量大小的指标。
此比值称为泛点百分数或称泛点率。
在下列泛点率数值范围内,一般可保证雾沫夹带量达到规定的指标,即eV≤0.1
kg(液)/kg(气)。
大塔F1<80~82%
负压塔F1<75~77%
D<900mm的塔,F1<65~70%
分别算出泛点率取大者为验算依据,如算得的泛点率不在上述范围内,则应当调整有关参数,如板间距、塔径,重新计算,直至符合上述泛点率规定的范围为止。
4、漏液
当气相负荷减少,致使上升气体通过阀孔的动能不足以阻止液体经阀孔流下时,便会出现泄漏现象。
泄漏发生,塔板效率严重下降。
正常操作时,泄漏应不大于液体流量的10%。
经验证明,当阀孔动能因数F0=5~6时,泄漏量常接近10%。
故取F0=5~6作为控制泄漏量的操作下限。
当浮阀在刚全开操作,气体通过阀孔处的动能因数F0=8~11。
5、液体在降液管中的停留时间:
要保证气泡夹带不超过允许的程度,降液管内液体停留时间θ应不小于3—5S。
6、塔板的负荷性能图
确定了塔板的工艺尺寸,再按前述的各项进行流体力学验算,便可确认所设计的塔板能否在任务规定的气液负荷下正常操作,此时,还要进一步揭示该塔板的操作性能,即求出维持该塔板正常操作所允许的气液负荷波动范围,这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示,在以VS,LS分别为纵横轴的直角坐标系中,标绘出各种不正常流体力学条件下的VS—LS关系曲线,在以这些曲线为界的范围之内,才是塔的适宜操作区。
液沫夹带上限线:
液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV=0.1kg(液)/kg(气)时的VS—LS关系,塔板的适宜操作区应在此线以下,否则将因过多的液沫夹带而使效率下降。
此线可根据下式作出,即:
对于一定的物系及一定的塔板结构尺寸CV,ZL,Ab,CF,K均为已知值,相应于雾沫夹带量eV=0.1kg(液)/kg(气)时的泛点率F1值亦可确定,将已知值代入,便可得出一个的关系的函数式,据此作出液沫夹带上限线。
液泛线(淹塔线):
此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VS—LS关系,塔板的适宜操作区应在此线以下,否则将可能发生液泛现象,破坏塔的正常操作。
液相负荷上限线:
亦称降液管超负荷线,此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留时间的起码条件。
θ不应小于3~5S,而按θ=5S计算,则:
依上式求得液相负荷上限LS的数值(常数),据以作出液相负荷上限线。
泄漏线:
气相负荷下限线,此线表明不发生严重泄漏现象的最低气相负荷,再低将产生超过液体量的10%泄漏量。
对于FI重阀,当阀孔动能因数F0=5~6时,泄漏量接近10%,即以此阀孔动能因数作为气相负荷下限的依据,按F0=5计算,则
式中ρV,N,d都为已知值,故可依上式求出气相负荷VS的下限值,据以绘出一条水平的泄漏线。
液相负荷下限线:
对于平堰,一般取堰上液层高度how=6mm作为液相负荷下限条件,低于此限时,便不能保证板上液流的均匀分布,降低气液接触效果。
根据已知的LW值及hOW的下限值,便可求得的下限值(常数),据以作出液相负荷下限线。
在负荷性能图上有五条线所包围的区域,是塔板适宜操作区域。
在此区域内,塔板上的流体力学状态是正常的,但区域内各点的板效率并不完全相同。
如果塔的设计点能落在该区域内的适中位置,则可望获得良好的操作效果,否则,当负荷稍有变动便会使效率急剧下降,甚至破坏塔的正常操作操作。
二)筛板塔流体力学验算
1、气体通过塔板的压力降
气体通过塔板的压力降直接影响到塔底的操作压力,故此压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。
压力降过大,对塔内气液两相的正常流动有影响。
2、液泛(淹塔)
汽液两相中之一的流量增大到某一数值,上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能顺畅地流下。
当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后,便漫到上层塔板上去,这种现象,称为液泛(淹塔)。
如气速过大,便有大量液滴从泡沫层中喷出,被气体带到上一层塔板,或有大量泡沫生成。
如当液体流量过大时,降液管的截面便不足以使液体及时通过,于是管内液面即行升高。
液泛判据:
不发生液泛时应满足Hd≦φ(HT+hw),φ系数,对一般物系取0.5,易起泡物系取(0.3-0.4)不宜起泡物系取(0.6-0.7)。
为保证液体顺利流下,降液管中清液层高度Hd=hp+hL+hd
3、雾沫夹带
是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。
为了保证板式塔能维持正
常的操作效果,应使每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量不超过0.1kg,
即控制雾沫夹带量eV<0.1kg(液)/kg(气)。
影响雾沫夹带的因素很多,最主要的是空塔气速和塔板间距。
4、漏液
当气相负荷减少,致使上升气体通过筛孔的动能不足以阻止液体经筛孔流下时,塔板将发生明显的漏液现象,该气速称为漏液点气速uow,若气速继续降低,塔板效率严重下降。
故漏液点气速是筛板的下限气速。
5、液体在降液管中的停留时间
要保证气泡夹带不超过允许的程度,降液管内液体停留时间θ应不小于3—5S。
6、塔板的负荷性能图
确定了塔板的工艺尺寸,再按前述的各项进行流体力学验算,便可确认所设计的塔板能否在任务规定的气液负荷下正常操作,此时,还要进一步揭示该塔板的操作性能,即求出维持该塔板正常操作所允许的气液负荷波动范围,这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示,在以VS,LS分别为纵横轴的直角坐标系中,标绘出各种不正常流体力学条件下的VS—LS关系曲线,在以这些曲线为界的范围之内,才是塔的适宜操作区。
液沫夹带上限线:
液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV=0.1kg(液)/kg(气)时的VS—LS关系,塔板的适宜操作区应在此线以下,否则将因过多的液沫夹带而使效率下降。
此线可根据下式作出,即:
将已知值代入,便可得出一个的关系的函数式,据此作出液沫夹带上限线。
液泛线(淹塔线):
此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VS—LS关系,塔板的适宜操作区应在此线以下,否则将可能发生液泛现象,破坏塔的正常操作。
液相负荷上限线:
亦称降液管超负荷线,此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留时间的起码条件。
依上式求得液相负荷上限LS的数值(常数),据以作出液相负荷上限线。
泄漏线:
气相负荷下限线,此线表明不发生严重泄漏现象的最低气相负荷
液相负荷下限线:
对于平堰,一般取堰上液层高度how=6mm作为液相符合下限条件,低于此限时,便不能保证板上液流的均匀分布,降低气液接触效果。
式中:
Lh—塔内液体流量,m3/h.
Lw—堰长,m。
E—液流收缩系数。
一般情况下可取E值为1。
所引起的误差不大
将已知的LW值及hOW的下限值,便可求得的下限值(常数),据以作出液相负荷下限线。
在负荷性能图上有五条线所包围的区域,是塔板适宜操作区域。
在此区域内,塔板上的流体力学状态是正常的,但区域内各点的板效率并不完全相同。
如果塔的设计点能落在该区域内的适中位置,则可望获得良好的操作效果,否则,当负荷稍有变动便会使效率急剧下降,甚至破坏塔的正常操作操作。
设计结果汇总表:
包括操作条件、塔板数、塔高、塔径、塔板结构尺寸、流体力学核算结果等内容。
附录
化工原理课程设计任务书
(一)
一、题目
苯乙苯连续常压精馏塔设计
二、设计任务及操作条件
1、原料液量13000kg/h,含苯42%(质量分率,下同)。
2、馏出液含苯98%,釜残液含乙苯97%。
3、自选进料状态与回流比。
4、料液可视为理想溶液,K=1;=0.5。
5、塔顶为饱和液体回流。
6、间接蒸气加热,蒸气压力为500kpa(绝压)。
7、冷却水进口温度30℃,出口温度为45℃。
8、厂址为天津地区
、设计内容
1、设计方案的确定及流程说明。
2、塔的工艺计算(物料衡算、塔板数、热量衡算)。
3、塔和塔板结构尺寸的计算(塔高、塔径、塔板结构尺寸、水力学验算及负荷性能图)。
4、设计结果概要或设计一览表。
5、对本设计的评述或有关问题的分析讨论。
四、设计成果
1、设计说明书一份。
2、设计图纸包括流程图、负荷性能图、塔板布置图。
五、设计时间:
五天。
化工原理课程设计任务书
(二)
一、题目
酒精精馏塔工艺设计
二、设计任务及操作条件
1、生产能力20000kg/h,(以塔顶产品计),料液为酒精水二元均相混合液含酒精30%(质量分率,下同)。
2、馏出液含酒精93%,釜残液含酒精不大于0.1%。
3、自选进料状态与回流比
4、泡点时,酒精水的平均表面张力:
精馏段18达因/厘米,提馏段6
0达因/厘米。
5、塔顶为饱和液体回流。
6、间接蒸气加热,蒸气压力为300kpa(绝压)。
7、冷却水进口温度30℃,出口温度为45℃。
8、连续常压操作且可认为各段压力相等。
浮阀塔或筛板塔皆可。
三、设计内容
1、设计方案的确定及流程说明。
2、塔的工艺计算(物料衡算、塔板数、热量衡算)。
3、塔和塔板结构尺寸的计算(塔高、塔径、塔板结构尺寸、水力学验算及负荷性能图)。
4、设计结果概要或设计一览表。
5、对本设计的评述或有关问题的分析讨论。
四、设计成果
1、设计说明书一份。
2、设计图纸包括流程图、负荷性能图、塔板布置图。
五、设计时间:
五天
化工原理课程设计任务书(三)
一、题目
苯甲苯连续精馏塔设计
二、设计任务及操作条件
1、原料液量8000kg/h,含苯42%(质量分率,下同)。
2、馏出液含苯96%,釜残液含苯不大于4%。
3、自选进料状态与回流比。
4、料液可视为理想溶液。
5、塔顶为饱和液体回流。
6、间接蒸气加热,蒸气压力为500kpa(绝压)。
7、冷却水进口温度30℃,出口温度为45℃。
8、厂址为兰州地区。
9、塔顶压力20kpa(表压),单板压降不大于0.7kpa。
三、设计内容
1、设计方案的确定及流程说明。
2、塔的工艺计算(物料衡算、塔板数、热量衡算)。
3、塔和塔板结构尺寸的计算(塔高、塔径、塔板结构尺寸、水力学验算及负荷性能图)。
4、设计结果概要或设计一览表
5、对本设计的评述或有关问题的分析讨论。
四、设计成果
1、设计说明书一
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- 课程设计 授课 教案