食品工程原理課程設(shè)計(jì)乙醇水精餾塔

品工程原理課程設(shè)計(jì)題目乙醇-水精餾塔的設(shè)計(jì)課程名稱(chēng)食品工程原理課程設(shè)計(jì) 號(hào) 學(xué)生姓名所在專(zhuān)業(yè)食品科學(xué)與工程所在班級(jí)指導(dǎo)老師 任務(wù)書(shū).........................................................一、方案確定流程說(shuō)明...........................................1、生產(chǎn)時(shí)日.....................................................................................................................................................................5、加熱方式........................................................................................二、緒論.......................................................1塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用與地位............................2塔設(shè)備的分類(lèi)..............................................3板式塔....................................................三、塔的工藝計(jì)算...............................................1、查閱文獻(xiàn)，整理有關(guān)物性數(shù)據(jù)...............................2、精餾塔的物料衡算.........................................q....................塔頂和塔釜溫度的確定.....................................回流比和理論塔板的確定...................................操作方程的確定...........................................板效率及實(shí)際塔板數(shù)的確定.................................3、精餾段物性衡算...........................................3、1物料衡算............................................3、2氣液體積流率的計(jì)算..................................4、提餾段物性衡算...........................................4、1物料衡算............................................4、2氣液體積流率的計(jì)算..................................四、塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算...................................塔徑D的計(jì)算................................................塔板詳細(xì)設(shè)計(jì)................................................五、精餾塔的附屬設(shè)備及選型.....................................1輔助設(shè)備的選型...........................................直接蒸汽加熱............................................冷凝器...................................................餾出液冷卻器.............................................釜液冷卻器...............................................2塔的主要接管尺寸的選取...................................塔頂蒸氣管路.............................................塔頂冷凝水管路...........................................塔頂液相回流管路.........................................加料管路.................................................塔釜?dú)堃毫鞒龉?..........................................冷卻水出口管路...........................................塔頂餾出液管路...........................................3輸送泵的選取..............................................六、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表.............................................七、設(shè)計(jì)評(píng)述...................................................八、精餾塔設(shè)備圖與流程圖.......................................九、主要符號(hào)說(shuō)明與參考資料.....................................1、符號(hào)一覽表...............................................2、參考文獻(xiàn).................................................任務(wù)書(shū)乙醇—水精餾搭的設(shè)計(jì)(一)設(shè)計(jì)任務(wù)1、生產(chǎn)能力：日產(chǎn)(24h)40噸93%乙醇產(chǎn)品。2、產(chǎn)品要求：塔釜排出的殘液中要求乙醇的濃度不大于％(質(zhì)量分率)。3、設(shè)備型式：篩板塔(二)操作條件2、進(jìn)料熱狀況：原料來(lái)至上游的粗餾塔，為95－96℃的飽和蒸氣4、加熱蒸汽：接蒸汽加熱5、單板壓降：不大于(三)設(shè)計(jì)內(nèi)容1、方案確定流程說(shuō)明2、塔的工藝計(jì)算3、塔和塔板主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)4、輔助設(shè)備選型1、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份2、設(shè)計(jì)圖紙，包括流程圖，負(fù)荷性能圖，塔盤(pán)布置圖，浮閥塔工藝條件圖。一、方案確定流程說(shuō)明每精餾塔屬氣—液傳質(zhì)設(shè)備。氣—液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)。該塔設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)日要求較大，由板式塔與填料塔比較知：板式塔直徑放大時(shí)，塔板效率較穩(wěn)定,且持液量較大，液氣比適應(yīng)范圍大，因此本次精餾塔設(shè)備選擇板式塔。篩板塔是降液管塔板中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的，它與泡罩塔相比較具有下列優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大10-15%，板效率提高15%左右，而壓降可降低30%左右，另外篩板塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消耗金屬少，塔板的造價(jià)可減少40%左右，安裝容易，也便于清洗檢修。因此，本設(shè)計(jì)采用篩板塔比較合適。由設(shè)計(jì)要求知，本精餾塔為連續(xù)精餾方式。常壓操作可減少因加壓或減壓操作所增加的增、減壓設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益,在條件允許下常采用常壓操作，因此本精餾設(shè)計(jì)選擇在常壓下操作。5、加熱方式在本物系中，水為難揮發(fā)液體，選用直接蒸汽加熱，可節(jié)省再沸器。原料槽中的原料液先由離心泵送到預(yù)熱器預(yù)熱，再進(jìn)精餾塔，精餾塔塔頂蒸汽經(jīng)全凝器冷凝，泡點(diǎn)回流，塔頂產(chǎn)品輸送進(jìn)乙醇貯存罐，而再沸器則加熱釜液，塔釜產(chǎn)品流入釜液貯存罐二、緒論1塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用與地位塔設(shè)備是是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣液或液液兩相間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的?？稍谒O(shè)備中完成常見(jiàn)的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。在化工、石油化工、煉油廠中，塔設(shè)備的性能對(duì)于整個(gè)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面都有重大影響。塔設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。塔設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，形成了形式繁多的結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足各方面的特殊需要，為研究和比較的方便，人們從不同的角度對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)，按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔和干燥塔；按形成相際界面的方式分為具有固定相界面的塔和流動(dòng)過(guò)程中形成相界面的塔，長(zhǎng)期以來(lái)，人們最長(zhǎng)用的分類(lèi)按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔、填料塔兩大類(lèi)。板式塔是分級(jí)接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，種類(lèi)繁多，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀，主要的塔型是浮閥塔、篩板塔和泡罩塔。泡罩塔是歷史悠久的板式塔，長(zhǎng)期以來(lái)，在蒸餾、吸收等單元操作使用的設(shè)備中曾占有主要的地位，泡罩塔具有一下優(yōu)點(diǎn)：(1).操作彈性大(2).無(wú)泄漏(3).液氣比范圍大(4).不易堵塞，能適應(yīng)多種介質(zhì)泡罩塔的不足之處在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、安裝維修方便以及氣相壓力降較大。研究，形成了較完善的設(shè)計(jì)方法，與泡罩塔相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1).生產(chǎn)能力大(提高20％－40％)(2).塔板效率高(提高10％－15％)(3).壓力降低(降低30％－50％)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔盤(pán)造價(jià)減少40％左右，安裝維修都比較容易[1]。20世紀(jì)50年代起，浮閥塔板已大量的用于工業(yè)生產(chǎn)，以完成加壓、常壓、減壓下的蒸餾、脫吸等傳質(zhì)過(guò)程。浮閥式之所以廣泛的應(yīng)用，是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1).處理能力大(2).操作彈性大(3).塔板效率高(4).壓力降小其缺點(diǎn)是閥孔易磨損，閥片易脫落。乙醇——水溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。乙醇—水混合液原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)溫度后送入精餾塔進(jìn)料板，在進(jìn)料板上液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過(guò)程。三、塔的工藝計(jì)算1、查閱文獻(xiàn)，整理有關(guān)物性數(shù)據(jù)(1)水和乙醇的物理性質(zhì)表1：水和乙醇的物理性質(zhì)相相對(duì)分子沸點(diǎn)分子式導(dǎo)熱系表面密度黏度名稱(chēng)稱(chēng)水乙醇數(shù)/(m.Kg/(kg.N/m℃質(zhì)量(2)常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2乙醇摩爾乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相2、精餾塔的物料衡算乙醇的摩爾質(zhì)量：M=46.07kg/kmol乙水的摩爾質(zhì)量：M=18.02kg/kmol水xF=F由Fx=LXa+VYa和F=L+V得L=(kmol/h)，F(xiàn)qLF=qxqx塔頂和塔釜溫度的確定ttDwDw回流比和理論塔板的確定用內(nèi)差法求得進(jìn)料板的氣液相組成(90℃進(jìn)料)R=*R=*=min操作方程的確定板效率及實(shí)際塔板數(shù)的確定(1)求αμLC=ABxxLFAFB=×＋(1－)×=L(2)求板效率ELTTT(3)求實(shí)際板數(shù)由N=N1T得ET精餾段實(shí)際板數(shù)：N=21/=30(塊)精yy3、精餾段物性衡算操作壓強(qiáng)P=溫度tt=78.300Ct=900Ct=96.000CmDFw定性組成m22y=X=查平衡曲線得到x=1D1=fx=fxf平均分子量M查附表知:mVDmLDmVFmLFmVm22Lm22mLMALABLB 1=+()/則p=(kg/m3)pLMDpLMDp=(kg/m3)p=(kg/m3)p=(kg/m3)a p729.9965.3LMFLMFLM平均氣相密度p=PMVM=101.32534.6=(kg/m3)lmiiDADBLDLDFAFB=(+)/2=(+)=lmLDlFMDMF則=(+)/2=+/2=(mN/m)mMDMF3、2氣液體積流率的計(jì)算VMLM4、提餾段物性衡算操作壓強(qiáng)P=溫度tmtD=78.300CtF=900Ctw=96.00Ctw+tf96+90==93tm=220C定性組成1)塔斧xW=查相平衡圖得到：yW=(2)進(jìn)料yf=M平均分子量mMxf=查附表知:M+M18.05+27.99M+M18.02+19.81MVm=VWmVFm2=2=(g/mol)MLm=LWMLFM2=2=(g/mol)平均密度pm由式[3]：1/pLM=aA/pLA+aB/pLBp=(kg/m3)pp1LMWp=+/LMW則pLMW=(kg/m3)pLA=(kg/m3)pLB=(kg/m3)pa LMF即提餾段的平均液相密度pLM=+/2=(kg/m3)塔釜:查書(shū)【6】和書(shū)【7】得在96.0℃下：σ=mN/mB=mN/mσmv=*+()*=(mN/m)MF則=(+)/2=+/2=(mN/m)mMwMFLMWAWBLWLWFA=FBFA=FBLMLWLF4、2氣液體積流率的計(jì)算 四、塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算參考化工原理下表10-1，取板間距HT=0.45mhL0.06mHT-hL=0.39m兩相流動(dòng)參數(shù)計(jì)算如下Cf=f2020=201180本物系不易起泡,取泛點(diǎn)百分率為80%，可求出設(shè)計(jì)氣速u(mài)'n=*fm/s根據(jù)塔設(shè)備系列化規(guī)格，將D圓整到D=1m作為初選塔徑，因此塔板詳細(xì)設(shè)計(jì)選用單溢流，弓形降液管，不設(shè)進(jìn)口堰。因?yàn)楣谓狄汗芫哂休^大容積，又能充分利用塔面積，且單溢流液體流徑長(zhǎng)，塔板效率出口堰高h(yuǎn)w=hLhOW,已取hL=hw=hLhOW=0.0514m取hw=是符合的?！鄅L=hW+hOW=+=0.0686m因物系較清潔,不會(huì)有臟物堵塞降液管底隙,取液體通過(guò)降液管底隙速度u=0.07m/s.h=Ls=0.001=0.024m(4)塔板布置取安定區(qū)寬度WS=0.08m,取邊緣區(qū)寬度WC=0.04mt=3.0(5)篩板數(shù)n與開(kāi)孔率初取do=6mm，do呈正三角形排列t=*6=18MM依下式計(jì)算塔板上的開(kāi)孔率A 五、精餾塔的附屬設(shè)備及選型1輔助設(shè)備的選型本精餾塔選用直接蒸汽加熱，其附屬設(shè)備主要有蒸汽冷凝器、產(chǎn)品冷凝器、連接管、泵等 (由于原料由上游而來(lái)，且進(jìn)料時(shí)溫度為90℃,故不需預(yù)熱。)列管換熱器具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與化工生產(chǎn)中，特別是列管式換熱器在現(xiàn)階段的化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，而且設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和資料較為完善，技術(shù)上比較成熟。因此,以下的冷凝器采用列管換熱器。直接蒸汽加熱沸器。熱量衡算wABr=*+*=KJ/molm冷凝器采用列管式冷凝器，并使塔頂蒸汽在殼程冷凝，冷卻水在管程流動(dòng)，以提高傳熱系數(shù)和便于排出凝液。BBARm=×+()×=KJ/mol泡點(diǎn)回流,則塔頂蒸汽效出的熱量水p水12設(shè)傳熱方式為逆流傳熱選型查書(shū)[4]取K=1000kcal/m2h0Cmt2換熱器面積：A=Q=5.4521*10==27.345m2m餾出液冷卻器熱量衡算PFp,AFp,Bpp2實(shí)換熱器面積：A=Q=2.613105=5.451m2m釜液冷卻器℃,m2P,AP,BPWP,AWP,Bpp2實(shí)m熱器,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:換熱器規(guī)格匯總表?yè)Q換熱器換熱面積管長(zhǎng)管程公稱(chēng)直徑管規(guī)格管數(shù)(m2)(m)數(shù)(mm)原料預(yù)熱器101500440086G400Ⅳ-16-10冷凝器3530004500152G500Ⅳ-25-35餾出液冷卻器41500127338釜液冷卻器115001159132塔的主要接管尺寸的選取接管尺寸由管內(nèi)蒸氣、液體速度及體積流量決定。本塔的接管均采用YB231-64熱扎無(wú)縫鋼管[5]。塔頂蒸氣管路近似取精餾段體積流率為塔頂蒸汽體積流率V,Siu實(shí)=Vs回流管直徑d=i回流管直徑d=iS=4i=A+BpppmAB塔頂冷凝水管路下：mmi塔頂液相回流管路Si加料管路1aam*6d=45mmiuVFm/s)4i塔釜?dú)堃毫鞒龉躮釜液出口管直徑d=i選取S=d5mmi4i冷卻水出口管路在(20+40)/2=30℃下：p水水水i塔頂餾出液管路選管:選取d=27mmiLu=DSL實(shí)幾4i=0.00041接口管路匯總表目尺寸或型號(hào)(熱扎無(wú)縫鋼管)Di塔頂蒸汽管260塔頂冷凝水管路158塔頂餾出液管27回流管37加料管45釜液排出管35冷卻水出口管33泵的分類(lèi)泵按作用與液體的原理一般分為葉片式和容積式,本設(shè)計(jì)使用的離心泵在化工廠是很常見(jiàn)的，其性能普遍適用于一般的液體輸送。因此本設(shè)計(jì)選用離心泵輸送各液體。選泵原則根據(jù)介質(zhì)物性,已經(jīng)確定的流量,揚(yáng)程,再?gòu)幕ぴ硐聝?cè)附表中選擇泵的具體型號(hào)，察看性能參數(shù)(包括流量、揚(yáng)程或壓差、效率、允許吸上高度或允許其容度)。(1)釜液泵的選型wLWmLMW從流程圖看不出所需揚(yáng)程，設(shè)輸送對(duì)揚(yáng)程的要求不高<8.5m.查表選取冷卻泵,如下表所示：型號(hào)型號(hào)轉(zhuǎn)速流量揚(yáng)效功率/kW(r/min)程率軸電功率ISIS50-32-160145035%(2)餾出液冷卻水泵的選型從流程圖看不出所需揚(yáng)程，設(shè)輸送對(duì)揚(yáng)程的要求不高<8.5m.查表選取冷卻泵,如下表所示：IS50-32-160揚(yáng)效程率%軸電功率機(jī)功率轉(zhuǎn)速六、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表全塔工藝設(shè)計(jì)結(jié)果總匯設(shè)計(jì)內(nèi)容及符設(shè)計(jì)內(nèi)容及符號(hào)BB精餾段單位塊塊%%ss定性溫度tmT空塔氣速u(mài)'n塔板溢流形式溢流管形式堰長(zhǎng)Lw堰高h(yuǎn)w降液管寬度Wd降液管面積Af邊緣區(qū)寬度Wc安定區(qū)寬度Ws鼓泡區(qū)面積Aa00篩孔氣速u(mài)o板壓降0CKPa單溢流個(gè)%1--0ow降液管內(nèi)清液層高度Hd降液管內(nèi)泡沫層高度H板上充氣液層阻力hcv負(fù)荷上限負(fù)荷下限氣相最大負(fù)荷氣相最小負(fù)荷操作彈性設(shè)計(jì)內(nèi)容及符號(hào)液體流量L氣體流量VTT----單位塊塊%%霧沫夾帶控制漏液控制提餾段8液體流量LS氣體流量VS定性溫度tmT空塔氣速u(mài)'n塔板溢流形式溢流管形式堰長(zhǎng)Lw堰高h(yuǎn)w降液管寬度Wd降液管面積Af邊緣區(qū)寬度Wc安定區(qū)寬度Ws鼓泡區(qū)面積Aa00篩孔氣速u(mài)o板壓降0CKPa單溢流個(gè)%1--hh0ow降液管內(nèi)清液層高度Hd降液管內(nèi)泡沫層高度H板上充氣液層阻力cv負(fù)荷上限負(fù)荷下限氣相最大負(fù)荷氣相最小負(fù)荷操作彈性----霧沫夾帶控制漏液控制七、設(shè)計(jì)評(píng)述本次課程設(shè)計(jì)難度大，主要是計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大考慮的細(xì)節(jié)較多，對(duì)同一個(gè)設(shè)備分成兩部分進(jìn)行考慮，既相互獨(dú)立又須彼此照應(yīng)，始終要考慮計(jì)算是為一個(gè)設(shè)備進(jìn)行。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到作為食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，不僅要學(xué)好《食品工藝學(xué)》《食品工程原理》等主修專(zhuān)業(yè)課，還要對(duì)食品加工設(shè)備等相關(guān)內(nèi)容都要學(xué)好用好，只有這樣才能為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中要考慮很多問(wèn)題，尤其是一些不容易引起重視細(xì)節(jié)問(wèn)題，否則“小毛病出大問(wèn)題”，這就要我考慮問(wèn)題要全面詳細(xì)。學(xué)以致用，要多學(xué)各方面的知識(shí)并充分利用，用融合的，相互聯(lián)系的知識(shí)能更好地解決問(wèn)題。由于是工程上的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)的不能像理論上那樣準(zhǔn)確，存在誤差是在所難免的，計(jì)算過(guò)程中數(shù)字的一步步地四舍五入逐漸積累了較大的計(jì)算誤差，但是只要我們?cè)谟?jì)算中保持高的精確度，這種誤差可以大大地減小?？傊?，在本次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多知識(shí)，同時(shí)使我認(rèn)識(shí)到理論于實(shí)踐的結(jié)合有多重要，也使我在潛意識(shí)中慢慢形成了一種模式：純理論主義與純經(jīng)驗(yàn)主義都是不可取的，只