精餾塔-課程設計-食品工程原理?摘要：本課程設計圍繞食品工程原理中的精餾塔展開。通過對精餾塔的物料衡算、熱量衡算以及塔板數的計算等步驟，設計出滿足特定食品分離要求的精餾塔。詳細闡述了設計過程中所依據的原理、采用的方法以及最終的設計結果，為食品精餾分離過程提供了理論與實踐相結合的設計方案。一、引言精餾是食品工業中常用的分離方法之一，用于將混合液中的各組分分離，以獲得所需的純凈產品。在食品工程原理課程設計中，精餾塔的設計是一個重要的實踐環節，它綜合運用了傳熱、傳質等理論知識，培養學生解決實際工程問題的能力。本次課程設計旨在設計一座用于食品分離的精餾塔，使其能夠高效地實現特定混合液的分離要求。二、設計任務及原始數據（一）設計任務分離某食品混合液，要求得到一定純度的輕組分產品和重組分產品。（二）原始數據1.進料組成：輕組分質量分數為\(40\%\)，重組分質量分數為\(60\%\)。2.進料流量：\(100kmol/h\)。3.進料狀態：泡點進料。4.塔頂產品輕組分質量分數：\(95\%\)。5.塔底產品重組分質量分數：\(90\%\)。6.回流比：通過經濟分析確定回流比為\(2.5\)。三、精餾塔的物料衡算（一）進料組成及流量換算進料中輕組分的摩爾流量\(F_x=100\times0.4=40kmol/h\)，重組分的摩爾流量\(F_y=100\times0.6=60kmol/h\)。（二）塔頂產品組成及流量計算設塔頂產品流量為\(D\)，根據輕組分物料衡算：\(F_x=D\timesx_D\)\(40=D\times0.95\)解得\(D=42.11kmol/h\)。則塔頂重組分流量為\(D(1x_D)=42.11\times(10.95)=2.11kmol/h\)。（三）塔底產品組成及流量計算設塔底產品流量為\(W\)，根據總物料衡算：\(F=D+W\)\(100=42.11+W\)解得\(W=57.89kmol/h\)。塔底輕組分流量為\(W\times(1x_W)=57.89\times(10.9)=5.79kmol/h\)。四、精餾塔的熱量衡算（一）進料熱狀態參數計算泡點進料時，\(q=1\)。（二）塔頂冷凝器熱負荷計算塔頂蒸汽進入冷凝器被冷凝為液體，放出的熱量為冷凝器熱負荷\(Q_c\)。塔頂蒸汽的焓\(H_V\)可通過查相應食品混合液的焓組成圖得到。設塔頂蒸汽溫度為\(T_V\)，冷凝液溫度為\(T_c\)。\(Q_c=D(H_VH_c)\)其中\(H_c\)為塔頂冷凝液的焓。（三）塔底再沸器熱負荷計算塔底液體進入再沸器被加熱汽化，吸收的熱量為再沸器熱負荷\(Q_r\)。塔底液體的焓\(H_L\)可通過查焓組成圖得到。設塔底液體溫度為\(T_L\)，汽化蒸汽溫度為\(T_r\)。\(Q_r=W(H_rH_L)\)其中\(H_r\)為塔底汽化蒸汽的焓。（四）全塔熱負荷計算全塔熱負荷\(Q=Q_c+Q_r\)。五、精餾塔塔板數的計算（一）理論塔板數計算采用逐板計算法。1.已知塔頂產品組成\(x_D=0.95\)，塔底產品組成\(x_W=0.1\)，進料組成\(x_F=0.4\)。2.根據相平衡關系，利用食品混合液的氣液平衡數據（可通過實驗測定或查相關手冊），計算每一塊理論塔板上的氣液相組成。例如，對于某一塊塔板，已知氣相組成\(y_n\)，則液相組成\(x_n\)可通過氣液平衡方程\(y=\frac{\alphax}{1+(\alpha1)x}\)計算得到，其中\(\alpha\)為相對揮發度（通過實驗測定或查手冊）。然后再根據物料衡算計算下一塊塔板的氣相組成\(y_{n1}\)，如此逐板計算，直到塔底組成達到要求。3.計算出達到塔底組成所需的理論塔板數\(N_T\)。（二）實際塔板數計算考慮塔板效率，實際塔板數\(N_p\)可通過下式計算：\(N_p=\frac{N_T}{E_T}\)其中\(E_T\)為總塔板效率，可通過實驗關聯式或經驗數據估算。（三）進料板位置確定通過計算各板上的氣相和液相組成變化，確定進料板位置，使得進料與塔板上的氣液相組成相匹配，以達到最佳的分離效果。六、精餾塔的工藝尺寸計算（一）塔徑計算根據精餾塔的處理能力和空塔氣速來計算塔徑。1.首先計算塔內上升蒸汽的體積流量\(V\)。\(V=(R+1)D\)其中\(R\)為回流比。2.然后根據經驗公式確定空塔氣速\(u\)。空塔氣速的選擇要綜合考慮塔的處理能力、分離效率、能耗等因素。3.最后通過下式計算塔徑\(D\)：\(D=\sqrt{\frac{4V}{\piu}}\)（二）塔高計算塔高由有效高度和塔釜高度、塔頂空間高度等組成。1.有效高度為實際塔板數與板間距的乘積。\(H_e=N_p\timesH_T\)其中\(H_T\)為板間距，板間距的選擇要考慮塔的操作彈性、塔的穩定性等因素。2.塔釜高度根據再沸器的形式和安裝要求確定。3.塔頂空間高度一般根據塔頂冷凝器的安裝和氣體出口要求確定。4.最終塔高\(H=H_e+H_b+H_t\)，其中\(H_b\)為塔釜高度，\(H_t\)為塔頂空間高度。七、精餾塔的附屬設備選型（一）冷凝器選型根據冷凝器熱負荷和操作條件，選擇合適類型的冷凝器，如管殼式冷凝器。計算冷凝器的傳熱面積，根據傳熱面積選擇具體型號的冷凝器。（二）再沸器選型同樣根據再沸器熱負荷和操作條件，選擇合適類型的再沸器，如釜式再沸器。計算再沸器的傳熱面積，進而選擇具體型號。（三）塔板形式選擇根據精餾塔的分離要求、處理能力等因素，選擇合適的塔板形式，如篩板塔、泡罩塔等。并確定塔板的具體結構參數，如孔徑、孔間距等。八、精餾塔的操作條件及控制方案（一）操作條件確定1.溫度：根據進料、塔頂和塔底產品的組成，確定精餾塔各塔板上的溫度分布范圍。通過控制再沸器加熱蒸汽量和冷凝器冷卻水量來調節塔內溫度。2.壓力：確定精餾塔的操作壓力，一般根據進料狀態和塔頂產品的要求來確定。操作過程中要保持壓力穩定，可通過安裝壓力調節閥來實現。3.回流比：按照設計要求控制回流比，可通過調節回流泵的流量來實現。（二）控制方案設計1.溫度控制：采用串級控制方案，以塔頂溫度或塔底溫度為主變量，調節冷凝器冷卻水量或再沸器加熱蒸汽量為副變量，實現對塔內溫度的精確控制。2.壓力控制：采用單回路控制方案，通過調節塔頂或塔底的壓力調節閥，保持塔內壓力穩定。3.液位控制：對塔釜液位和塔頂回流罐液位進行控制，采用單回路控制方案，調節出料量或進料量來保持液位穩定。九、設計結果匯總（一）精餾塔主要設計參數1.塔徑：[具體數值]m2.塔高：[具體數值]m3.理論塔板數：[具體數值]塊4.實際塔板數：[具體數值]塊5.進料板位置：[具體位置]（二）附屬設備參數1.冷凝器型號：[具體型號]，傳熱面積：[具體數值]m22.再沸器型號：[具體型號]，傳熱面積：[具體數值]m23.塔板形式：[具體形式]，孔徑：[具體數值]mm，孔間距：[具體數值]mm（三）操作條件1.操作壓力：[具體數值]Pa2.塔頂溫度：[具體數值]℃3.塔底溫度：[具體數值]℃4.回流比：[具體數值]十、結論通過本次課程設計，完成了一座食品精餾塔的設計。從物料衡算、熱量衡算到塔板數計算、工藝尺寸確定以及附屬設備選型和操作條件控制方案設計，全面地對精餾塔進行了設計。設計結果滿足給定的食品分離要求，為實際食品精餾分離過程提供了理論依據和設計方案。在設計過程中，深入