《化工原理》
課程設計指導書
適用專業:生物、食品與製藥工程
課程**: 7403480
總學時: 2周
總學分: 2 學分
編寫單位: 生物工程學院
編寫人: 包清彬
審核人審批人
批准時間: 年月日
一、課程設計的目的
現代工業要求相關工程技術人員不僅應是一名工藝師，還應當具備按工藝要求進行生產裝置和生產線的選型配套及工程設計能力。化工原理課程設計是對學生進行初步的工程設計能力的培養和訓練，《化工原理課程設計》是化工原理課程的乙個實踐性、總結性和綜合性的教學環節， 其可達到：
1． 進一步鞏固《化工原理》所學的有關內容，在設計過程中加深對所學知識的理解和運用。
2． 初步掌握化學工程典型單元操作的設計思想和設計方法及設計步驟。培養學生獨立解決問題的能力，為以後的學習及畢業設計打下基礎。
3． 進一步鍛鍊學生的計算能力、設計能力，熟悉和正確使用手冊、國標等技術資料，培養一絲不苟的科學態度。
4、樹立實際工作中的「理論聯絡實際」的科學工作方法，培養學生科學性、經濟性綜合考慮工程實際問題的思想方法，增強工程觀念和時間能力
二、課程設計組織形式
課程設計採用集中安排，集中講解，分組定點完成，指導教師每天定點指導，適當集中及個別答疑的組織形式。
三、設計題目
設計題目：乙醇—水精餾塔（裝置）工藝設計
在此基礎之上，又以不同學生完成不同生產能力進行設計，具體見課程設計任務書。
四、課程設計步驟
1、查閱文獻資料，蒐集資料、閱讀教材，了解精餾的相關知識，熟悉精餾的原理、流程、工藝設計計算內容；了解乙醇的生產工藝、乙醇—水系統的相關理化引數，收集原始資料等；
2、擬定設計方案，選擇精餾工藝流程；
3、根據設計任務書給定的產量和回流比要求，用精餾的相關理論知識，進行精餾操作的工藝計算：用**法確定回流比和理論塔板數；用物料衡算確定各環節的物料量；
4、根據工藝流程及物料衡算結果，進行能量衡算，確定生產所需加熱蒸汽消耗量、冷卻水的消耗量；根據傳熱理論進行塔底再沸器、塔頂冷凝器、產品冷卻器換熱面積設計計算；
5、在物料衡算、熱量衡算結論基礎上進行塔和塔板主要工藝尺寸的設計，進而進行塔板的負荷效能計算；
6、以物料衡算結果為依據，結合流體流動相關知識，進行管路、儲罐尺寸計算；
7、以工藝流程為基礎，結合物料衡算、熱量衡算結論及結構設計結論，繪製精餾生產工藝流程圖（帶控制點）及精餾塔的結構簡圖；
8、編寫設計說明書：作為整個設計工作的書面總結，說明書應簡練、整潔、文字準確。內容應包括：
封面、目錄、摘要、設計任務書、設計條件及主要物性參數列、酒精精餾過程的生產方法及特點簡述，精餾總體結構(塔型、主要結構)的選擇簡述，精餾過程有關計算(物料衡算、熱量衡算、理論塔板數、回流比、塔高、塔徑、進出管徑、塔板的負荷效能圖等)，設計結果一覽表，附屬裝置的選擇，要求的工程設計圖；參考文獻，總結及感想等。
五、課程設計要點
1、在用**法進行理論塔板數的求取時應注意：由於在高濃度段氣液組成較接近，使平衡線與對角線的距離很近，此時，應採取區域性放大的方法來作圖，使**結果更加準確；
2、各物料的相關溫度可根據不同濃度的乙醇溶液的汽液平衡（沸點）溫度求取；
3、進料熱狀態的確定，應根據預熱熱源（塔底產品）情況，用熱量衡算進行確定；
4、塔頂冷凝器的熱量，可只考慮冷凝熱，在此基礎上加5%的餘量進行工程概算，使計算簡單；
5、為了強化再沸器的傳熱，可採取增大再沸器中液體的迴圈流量的辦法，按經驗可取原料量的1.5~3倍。且再沸器的傳熱面積是決定塔操作彈性的主要因素之一，故估算其傳熱面積時安全係數要選大一些，以防塔底蒸發量不足影響操作。
6、帶控制點的工藝流程圖：將設計的工藝流程方案用帶控制點的工藝流程圖表示出來，繪出流程所需全部裝置，標出物流方向及主要控制點的控制引數值。
7、某些物性引數當難以準確查取時，可用接近的引數代替進行工程概算。
六、課程設計進度安排
1、查閱文獻，熟悉專案情況2天
2、進行工藝計算及相關設計計算4天
3、精餾生產工藝流程圖及精餾塔的結構簡圖繪製2天
4、設計說明書的編寫1天
5、提交設計及答辯1天
七、完成後應上交的材料
1、設計說明書1份
2、**法求理論塔板數的求解過程圖（要求用座標紙繪製） 1張
3、工藝裝置流程圖（帶控制點工藝流程圖1張（3號圖）
4、精餾塔的結構簡圖1張（3號圖）
八、成績評定標準
學習態度20分，技術水平與實際能力30分，**(計算書、圖紙)撰寫質量50分，詳見以下課程設計成績評定表。評定時可從設計過程情況，提交的設計資料，答辯情況等進行綜合評定。
課程設計成績評定表
八、推薦參考資料
1、夏清、陳國貴主編，化工原理，天津：天津科學技術出版社，2023年。
2、華南理工大學， 化工過程及裝置設計 ，廣州：華南理工大學出版社，2023年。
3、匡國柱主編，化工單元過程及裝置課程設計，北京：化學工業出版社，2023年
4、章克昌，吳佩琮， 酒精工業手冊 ，北京：輕工業出版社，2023年。
5、化工裝置結構圖冊編寫組，化工裝置結構圖冊，上海，上海科學技術出版社，2023年。
九、主要技術的案例分析
精餾的基本原理和流程
精餾的基本原理:精餾是基於混合液中兩組分的揮發度不同，在精餾塔中同時並多次進行部分氣化部分冷凝的操作，致使混合液可分離成為近於純組分，而塔頂回流和塔底再沸器產生上公升蒸氣是精餾得以連續穩定操作的兩個必要條件。
如圖，為精餾的基本流程圖。
應設計的主要裝置有：
精餾塔，再沸器中、預熱器、冷凝器
和冷卻器等。
輔助裝置有：
管路、液體儲存罐
具體設計見附件資料：
附件資料1：
板式塔的設計
板式塔的型別很多，但其設計原則基本相同。一般來說，板式塔的設計步驟大致如下：
①根據設計任務和工藝要求，確定設計方案；
②根據設計任務和工藝要求，選擇塔板型別；
③確定塔徑、塔高等工藝尺寸；
④進行塔板的設計，包括溢流裝置的設計、塔板的布置、公升氣道（泡罩、篩孔或浮閥等）的設計及排列；
⑤進行流體力學驗算；
⑥繪製塔板的負荷效能圖；
⑦根據負荷效能圖，對設計進行分析，若設計不夠理想，可對某些引數進行調整，重複上述設計過程，一直到滿意為止。
一、設計方案的確定
（一）裝置流程的確定
蒸餾裝置包括精餾塔、原料預熱器，蒸餾釜（再沸器）、冷凝器、釜液冷卻器和產品冷卻器等裝置。蒸餾過程按操作方式的不同，分為連續蒸餾和間歇蒸餾兩種流程。連續蒸餾具有生產能力大，產品質量穩定等優點，工業生產中以連續蒸餾為主。
間歇蒸餾具有操作靈活、適應性強等優點，適合於小規模、多品種或多組分物係的初步分離。
蒸餾是通過物料在塔內的多次部分氣化與多次部分冷凝實現分離的，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質將餘熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時應考慮餘熱的利用。譬如，用原料作為塔頂產品（或釜液產品）冷卻器的冷卻介質，即可將原料預熱，又可節約冷卻介質。
另外，為保持塔的操作穩定性，流程中除用幫浦直接送入塔原料外也可採用高位槽送料，以免受幫浦操作波動的影響。
塔頂冷凝裝置可採用全凝器、分凝器-全凝器兩種不同的設定。工業上以採用全凝器為主，以便於準確地控制回流比。塔頂分凝器對上公升蒸氣有一定的增濃作用，若後繼裝置使用氣態物料，則宜用分凝器。
總之，確定流程時要較全面、合理地兼顧裝置、操作費用、操作控制及安全諸因素。
（二）操作壓力的選擇
蒸餾過程按操作壓力不同，分為常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般，除熱敏性物係外，凡通過常壓蒸餾能夠實現分離要求，並能用江河水或迴圈水將餾出物冷凝下來的物係，都應採用常壓蒸餾；對熱敏性物係或者混合物泡點過高的物係，則宜採用減壓蒸餾；對常壓下餾出物的冷凝溫度過低的物係，需提高塔壓或者採用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態的物係必須採用加壓蒸餾。例如苯乙烯常壓沸點為145.
2℃，而將其加熱到102℃以上就會發生聚合，故苯乙烯應採用減壓蒸餾；脫丙烷塔操作壓力提高到1 765 kp時，冷凝溫度約為50℃，便可用江河水或者迴圈水進行冷卻，則運轉費用減少；石油氣常壓呈氣態，必須採用加壓蒸餾。
（三）進料熱狀況的選擇
蒸餾操作有五種進料熱狀況，進料熱狀況不同，影響塔內各層塔板的氣、液相負荷。工業上多採用接近泡點的液體進料和飽和液體（泡點）進料，通常用釜殘液預熱原料。若工藝要求減少塔釜的加熱量，以避免釜溫過高，料液產生聚合或結焦，則應採用氣態進料。
（四）加熱方式的選擇
蒸餾大多採用間接蒸汽加熱，設定再沸器。有時也可採用直接蒸汽加熱，例如蒸餾釜殘液中的主要組分是水，且在低濃度下輕組分的相對揮發度較大時（如乙醇與水混合液）宜用直接蒸汽加熱，其優點是可以利用壓力較低的加熱蒸汽以節省操作費用，並省掉間接加熱裝置。但由於直接蒸汽的加入，對釜內溶液起一定稀釋作用，在進料條件和產品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應降低，故需要在提餾段增加塔板以達到生產要求。
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