品工程原理課程設計題目乙醇-水精餾塔的設計課程名稱食品工程原理課程設計 號 學生姓名所在專業食品科學與工程所在班級指導老師 任務書.........................................................一、方案確定流程說明...........................................1、生產時日.....................................................................................................................................................................5、加熱方式........................................................................................二、緒論.......................................................1塔設備在化工生產中的作用與地位............................2塔設備的分類..............................................3板式塔....................................................三、塔的工藝計算...............................................1、查閱文獻，整理有關物性數據...............................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...........................................板效率及實際塔板數的確定.................................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氣液體積流率的計算..................................四、塔和塔板主要工藝尺寸計算...................................塔徑D的計算................................................塔板詳細設計................................................五、精餾塔的附屬設備及選型.....................................1輔助設備的選型...........................................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.................................................塔釜殘液流出管...........................................冷卻水出口管路...........................................塔頂餾出液管路...........................................3輸送泵的選取..............................................六、設計結果一覽表.............................................七、設計評述...................................................八、精餾塔設備圖與流程圖.......................................九、主要符號說明與參考資料.....................................1、符號一覽表...............................................2、參考文獻.................................................任務書乙醇—水精餾搭的設計(一)設計任務1、生產能力：日產(24h)40噸93%乙醇產品。2、產品要求：塔釜排出的殘液中要求乙醇的濃度不大于％(質量分率)。3、設備型式：篩板塔(二)操作條件2、進料熱狀況：原料來至上游的粗餾塔，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)設計內容1、方案確定流程說明2、塔的工藝計算3、塔和塔板主要工藝尺寸的設計4、輔助設備選型1、設計說明書一份2、設計圖紙，包括流程圖，負荷性能圖，塔盤布置圖，浮閥塔工藝條件圖。一、方案確定流程說明每精餾塔屬氣—液傳質設備。氣—液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。該塔設計生產時日要求較大，由板式塔與填料塔比較知：板式塔直徑放大時，塔板效率較穩定,且持液量較大，液氣比適應范圍大，因此本次精餾塔設備選擇板式塔。篩板塔是降液管塔板中結構最簡單的，它與泡罩塔相比較具有下列優點：生產能力大10-15%，板效率提高15%左右，而壓降可降低30%左右，另外篩板塔結構簡單，消耗金屬少，塔板的造價可減少40%左右，安裝容易，也便于清洗檢修。因此，本設計采用篩板塔比較合適。由設計要求知，本精餾塔為連續精餾方式。常壓操作可減少因加壓或減壓操作所增加的增、減壓設備費用和操作費用，提高經濟效益,在條件允許下常采用常壓操作，因此本精餾設計選擇在常壓下操作。5、加熱方式在本物系中，水為難揮發液體，選用直接蒸汽加熱，可節省再沸器。原料槽中的原料液先由離心泵送到預熱器預熱，再進精餾塔，精餾塔塔頂蒸汽經全凝器冷凝，泡點回流，塔頂產品輸送進乙醇貯存罐，而再沸器則加熱釜液，塔釜產品流入釜液貯存罐二、緒論1塔設備在化工生產中的作用與地位塔設備是是化工、石油化工和煉油等生產中最重要的設備之一。它可使氣液或液液兩相間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。可在塔設備中完成常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等。在化工、石油化工、煉油廠中，塔設備的性能對于整個裝置的產品質量和環境保護等各個方面都有重大影響。塔設備的設計和研究受到化工煉油等行業的極大重視。塔設備經過長期的發展，形成了形式繁多的結構，以滿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塔設備進行分類，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過程中形成相界面的塔，長期以來，人們最長用的分類按塔的內件結構分為板式塔、填料塔兩大類。板式塔是分級接觸型氣液傳質設備，種類繁多，根據目前國內外的現狀，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，長期以來，在蒸餾、吸收等單元操作使用的設備中曾占有主要的地位，泡罩塔具有一下優點：(1).操作彈性大(2).無泄漏(3).液氣比范圍大(4).不易堵塞，能適應多種介質泡罩塔的不足之處在于結構復雜、造價高、安裝維修方便以及氣相壓力降較大。研究，形成了較完善的設計方法，與泡罩塔相比，具有以下的優點：(1).生產能力大(提高20％－40％)(2).塔板效率高(提高10％－15％)(3).壓力降低(降低30％－50％)，而且結構簡單，塔盤造價減少40％左右，安裝維修都比較容易[1]。20世紀50年代起，浮閥塔板已大量的用于工業生產，以完成加壓、常壓、減壓下的蒸餾、脫吸等傳質過程。浮閥式之所以廣泛的應用，是由于它具有以下優點：(1).處理能力大(2).操作彈性大(3).塔板效率高(4).壓力降小其缺點是閥孔易磨損，閥片易脫落。乙醇——水溶液經預熱至泡點后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產品經冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產品經冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產品冷卻器等設備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內經多次部分氣化與部分冷凝進行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質將余熱帶走。乙醇—水混合液原料經預熱器加熱到泡點溫度后送入精餾塔進料板，在進料板上液體與上升蒸汽互相接觸，進行熱和質的傳遞過程。三、塔的工藝計算1、查閱文獻，整理有關物性數據(1)水和乙醇的物理性質表1：水和乙醇的物理性質相相對分子沸點分子式導熱系表面密度黏度名稱稱水乙醇數/(m.Kg/(kg.N/m℃質量(2)常壓下乙醇和水的氣液平衡數據，見表2乙醇摩爾乙醇摩爾數/%氣相液相乙醇摩爾數/%氣相液相2、精餾塔的物料衡算乙醇的摩爾質量：M=46.07kg/kmol乙水的摩爾質量：M=18.02kg/kmol水xF=F由Fx=LXa+VYa和F=L+V得L=(kmol/h)，FqLF=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差法求得進料板的氣液相組成(90℃進料)R=*R=*=min操作方程的確定板效率及實際塔板數的確定(1)求αμLC=ABxxLFAFB=×＋(1－)×=L(2)求板效率ELTTT(3)求實際板數由N=N1T得ET精餾段實際板數：N=21/=30(塊)精yy3、精餾段物性衡算操作壓強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氣液體積流率的計算VMLM4、提餾段物性衡算操作壓強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【6】和書【7】得在96.0℃下：σ=mN/mB=mN/mσmv=*+()*=(mN/m)MF則=(+)/2=+/2=(mN/m)mMwMFLMWAWBLWLWFA=FBFA=FBLMLWLF4、2氣液體積流率的計算 四、塔和塔板主要工藝尺寸計算參考化工原理下表10-1，取板間距HT=0.45mhL0.06mHT-hL=0.39m兩相流動參數計算如下Cf=f2020=201180本物系不易起泡,取泛點百分率為80%，可求出設計氣速u'n=*fm/s根據塔設備系列化規格，將D圓整到D=1m作為初選塔徑，因此塔板詳細設計選用單溢流，弓形降液管，不設進口堰。因為弓形降液管具有較大容積，又能充分利用塔面積，且單溢流液體流徑長，塔板效率出口堰高hw=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,不會有臟物堵塞降液管底隙,取液體通過降液管底隙速度u=0.07m/s.h=Ls=0.001=0.024m(4)塔板布置取安定區寬度WS=0.08m,取邊緣區寬度WC=0.04mt=3.0(5)篩板數n與開孔率初取do=6mm，do呈正三角形排列t=*6=18MM依下式計算塔板上的開孔率A 五、精餾塔的附屬設備及選型1輔助設備的選型本精餾塔選用直接蒸汽加熱，其附屬設備主要有蒸汽冷凝器、產品冷凝器、連接管、泵等 (由于原料由上游而來，且進料時溫度為90℃,故不需預熱。)列管換熱器具有結構較簡單，加工制造比較容易，結構堅固，性能可靠，適應面廣等優點，被廣泛應用與化工生產中，特別是列管式換熱器在現階段的化工生產中應用最為廣泛，而且設計數據和資料較為完善，技術上比較成熟。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，以提高傳熱系數和便于排出凝液。BBARm=×+()×=KJ/mol泡點回流,則塔頂蒸汽效出的熱量水p水12設傳熱方式為逆流傳熱選型查書[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實換熱器面積：A=Q=2.613105=5.451m2m釜液冷卻器℃,m2P,AP,BPWP,AWP,Bpp2實m熱器,主要設計參數如下:換熱器規格匯總表換換熱器換熱面積管長管程公稱直徑管規格管數(m2)(m)數(mm)原料預熱器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=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塔釜殘液流出管m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實幾4i=0.00041接口管路匯總表目尺寸或型號(熱扎無縫鋼管)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泵的分類泵按作用與液體的原理一般分為葉片式和容積式,本設計使用的離心泵在化工廠是很常見的，其性能普遍適用于一般的液體輸送。因此本設計選用離心泵輸送各液體。選泵原則根據介質物性,已經確定的流量,揚程,再從化工原理下冊附表中選擇泵的具體型號，察看性能參數(包括流量、揚程或壓差、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程，設輸送對揚程的要求不高<8.5m.查表選取冷卻泵,如下表所示：型號型號轉速流量揚效功率/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程，設輸送對揚程的要求不高<8.5m.查表選取冷卻泵,如下表所示：IS50-32-160揚效程率%軸電功率機功率轉速六、設計結果一覽表全塔工藝設計結果總匯設計內容及符設計內容及符號BB精餾段單位塊塊%%ss定性溫度tmT空塔氣速u'n塔板溢流形式溢流管形式堰長Lw堰高hw降液管寬度Wd降液管面積Af邊緣區寬度Wc安定區寬度Ws鼓泡區面積Aa00篩孔氣速uo板壓降0CKPa單溢流個%1--0ow降液管內清液層高度Hd降液管內泡沫層高度H板上充氣液層阻力hcv負荷上限負荷下限氣相最大負荷氣相最小負荷操作彈性設計內容及符號液體流量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'n塔板溢流形式溢流管形式堰長Lw堰高hw降液管寬度Wd降液管面積Af邊緣區寬度Wc安定區寬度Ws鼓泡區面積Aa00篩孔氣速uo板壓降0CKPa單溢流個%1--hh0ow降液管內清液層高度Hd降液管內泡沫層高度H板上充氣液層阻力cv負荷上限負荷下限氣相最大負荷氣相最小負荷操作彈性----霧沫夾帶控制漏液控制七、設計評述本次課程設計難度大，主要是計算復雜，計算量大考慮的細節較多，對同一個設備分成兩部分進行考慮，既相互獨立又須彼此照應，始終要考慮計算是為一個設備進行。通過這次設計，使我認識到作為食品科學與工程專業的學生，不僅要學好《食品工藝學》《食品工程原理》等主修專業課，還要對食品加工設備等相關內容都要學好用好，只有這樣才能為以后的工作打下堅實的基礎。在整個設計中要考慮很多問題，尤其是一些不容易引起重視細節問題，否則“小毛病出大問題”，這就要我考慮問題要全面詳細。學以致用，要多學各方面的知識并充分利用，用融合的，相互聯系的知識能更好地解決問題。由于是工程上的問題，我們設計的不能像理論上那樣準確，存在誤差是在所難免的，計算過程中數字的一步步地四舍五入逐漸積累了較大的計算誤差，但是只要我們在計算中保持高的精確度，這種誤差可以大大地減小?？傊?，在本次設計中我學到了很多知識，同時使我認識到理論于實踐的結合有多重要，也使我在潛意識中慢慢形成了一種模式：純理論主義與純經驗主義都是不可取的，只