食品工程原理課程設計

食品工程原理課程設計說明書甲醇、水填料精餾塔的設計姓名：學號：班級：指導老師：目錄一、設計任務書……………………3二、設計方案簡介…………………3三、工藝計算……………………51．基礎物性數據……………………5（1）液相物性的數據……………5（2）氣相物性數據………………5（3）氣液相平衡數據……………5（4）物料衡算………………………62．填料塔的工藝尺寸的計算………7（1）塔徑的計算…………………7（2）填料層高度計算……………9（3）填料塔附屬高度及總高計算…………11（4）填料層壓降計算……………11（5）液體分布器簡要設計………12（6）吸取塔接管尺寸計算………13四、設計一覽表……………………13五、重要符號說明…………………14六、參考文獻………………………15七、附圖……………食品工程原理課程設計任務書設計題目：分離甲醇-水混合物的填料精餾塔第一章流程的擬定和說明一、加料方式加料方式有兩種，高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。通過重力加料，可以節(jié)省一筆動力費用。但由于多了高位槽，建設費用相應增長，采用泵加料，受泵的影響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，從而影響了傳質效率，但結構簡樸、安裝方便；如采用自動控制泵來控制泵的流量和流速，其控制原理較復雜，且設備操作費用高。本次實驗采用高位槽加料。二、進料狀況進料狀況一般有冷夜進料、泡點進料。對于冷液進料，當組成一定期，流量一定，對分離有利，節(jié)省加料費用。但冷液進料受環(huán)境影響較大，對于沈陽地區(qū)來說，存在較大溫差，冷液進料會增長塔底蒸汽上升量，增大建設費用。采用泡點進料，不僅對穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。綜合考慮，設計上采用泡點進料。泡點進料時，基于恒摩爾流假定，精餾段和提餾段上升蒸汽的摩爾流量相等，股精餾段和提餾段塔徑基本相等，制造上較為方便。三、塔頂冷凝方式塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反映，且容易冷凝，故使用全凝器。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產品溫度不高，無需進一步冷卻，本次分離也是希望得到甲醇，選用全凝器符合規(guī)定。四、回流方式回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小型塔，回流冷凝器一般裝在塔頂。其優(yōu)點是回流冷凝器無需支撐結構，其缺陷是回流冷凝器回流控制較難。假如需要較高的塔解決量或板數較多時，回流冷凝器不宜安裝在塔頂。并且塔頂冷凝器不宜安裝、檢修和清理。在這種情況下，可采用強制回流，塔頂上升蒸汽采用冷凝器冷卻以冷回流流入塔中。由于本次設計為小型塔，故采用重力回流。五、加熱方式加熱方式分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱直接由塔底進入塔內。由于重組分是水，故省略加熱裝置。但在一定的回流比條件下，塔底蒸汽對回流液有稀釋作用，使理論塔板數增長，費用增長。間接蒸汽加熱是通過加熱器使釜液部分汽化。上升蒸汽與回流下來的冷液進行傳質，其優(yōu)點是使釜液部分汽化，維持本來的濃度，以減少理論塔板數，缺陷是增長加熱裝置，本次設計采用間接蒸汽加熱。六、加熱器采用U形管蒸汽間接加熱器，用水蒸汽作加熱劑。由于塔較小，可將加熱器放在塔即再沸器。這樣釜液部分汽化，維持了原有濃度，減少理論塔板數。第二章精餾塔的設計計算第一節(jié)操作條件及基礎數據一、操作壓力精餾操作按操作壓力可分為常壓、加壓和減壓操作。精餾操作中壓力影響非常大。當壓力增大時，混合液的相對揮發(fā)度減小，對分離不利；當壓力減小時，相對揮發(fā)度將增大，對分離有利。但當壓力太低時，對設備規(guī)定較高，設備費用增長。因此再設計時一般采用常壓精餾。甲醇-水系統(tǒng)在常壓下?lián)]發(fā)度相差較大，較易分離，故本設計采用常壓精餾。二、氣液平衡時x、y、t數據氣液平衡時，x、y、t數據如表1所示表1氣液平衡關系表溫度t/℃甲醇摩爾分數溫度t/℃甲醇摩爾分數液相x/%氣相y/%液相x/%氣相y/%1000073.846.20 77.5692.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.8388.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.710010076.733.3369.18注：摘自《化工工藝設計手冊》下冊P710表19-38（2）第二節(jié)精餾塔工藝計算一、物料衡算15000kg/h,20%95%15000kg/h,20%95%0.2%2.物料衡算已知：=15000kg/h,質量分數：=20%,=95%,=0.2%=30.04kg/kmol,=18.02kg/kmol進料液、餾出液、釜殘液的摩爾分數分別為、、：進料平均相對分子質量：kg/h原料液：kmol/h總物料：易揮發(fā)組分：代入數據解得：塔頂產品的平均相對分子質量：kg/kmol塔頂產品質量流量：kg/kmol塔釜產品平均相對分子質量：kg/kmol塔釜產品質量流量：kg/h3.物料衡算結果

表2物料衡算結果表塔頂出料塔底出料進料質量流量/(kg/h)3127.98611875.5215000質量分數/%950.220摩爾流量/(kmol/h)101.446658.434759.88摩爾分數/%91.40.11312.34.塔頂氣相、液相、進料和塔底的溫度分別為、、、查表1，用內插法算得：塔頂：塔釜：進料：精餾段平均溫度：提餾段平均溫度5.平均相對揮發(fā)度取曲線上兩端點溫度下的平均值查表1可得：℃時，℃時，所以6.回流比的擬定作圖法由圖可知：40.05所以，得：1.26又操作回流比R可?。篟=(1.1~2)Rmin所以R=2Rmin=2×1.26=2.55二、熱量衡算1.熱量示意圖2.加熱介質的選擇常用的加熱劑有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸氣是一種應用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸氣冷凝時得傳熱系數很高，可以通過改變蒸汽壓力準確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達100~1000℃，合用于高溫加熱。煙道氣的缺陷是比熱容及傳熱系數很低，加熱溫度控制困難。本設計選用300kPa（溫度為133℃）的飽和水蒸氣作為加熱介質。水蒸氣易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不僅成本會相應減少，塔結構也不復雜。3.冷卻劑的選擇常用的冷卻劑是水和空氣，應因地制宜加以選用。受本地氣溫限制，冷卻水一般為10~25℃.如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質，如冷凍鹽水、氟利昂等。本設計建廠地區(qū)為沈陽。沈陽市夏季最熱月份平均氣溫為25℃，故選用25℃的冷卻水，選升溫10℃，即冷卻水的出口溫度為35℃.4.熱量衡算（1）冷凝器的熱負荷式中塔頂上升蒸汽的焓；塔頂餾出液的焓。又式中甲醇的蒸發(fā)潛熱；水的蒸發(fā)潛熱。蒸發(fā)潛熱的計算：蒸發(fā)潛熱與溫度的關系式中對比溫度。表3沸點下蒸發(fā)潛熱列表沸點/℃蒸發(fā)潛熱/()/K甲醇64.71105513.15水1002257648.15注：摘自《化工原理》修訂版，上冊附錄4(P328~329)及附錄18(P350~351)。67.16℃時，甲醇：蒸發(fā)潛熱：同理，水：蒸發(fā)潛熱：所以所以(2)冷卻水消耗量式中冷卻水消耗量；kg/h;冷卻介質在平均溫度下的比熱容，冷卻介質在冷凝器進出口處的溫度，℃。所以此溫度下冷卻水的比熱容所以(3)加熱器熱負荷及全塔熱量衡算列表計算甲醇、水在不同溫度下混合物的比熱容（單位：）塔頂塔釜進料精餾段提餾段甲醇(1)3.0793.5013.3143.1983.448水(2)4.1834.2204.2034.1934.215精餾段：甲醇水提餾段：甲醇水塔頂流出液的比熱容：塔釜流出液的比熱容：為簡化計算，現以進料焓，即81.85℃時的焓值為基準。根據表2可得：，對全塔進行熱量衡算：所以由于塔釜熱損失為10%，則所以式中加熱器抱負熱負荷；加熱器實際熱負荷；塔頂餾出液帶出熱量；塔底餾出液帶出熱量。加熱蒸汽消耗量：查得:kJ/kg(133.3,300kPa)(4)熱量衡算結果表4熱量衡算結果表符號數值4796.8三、理論塔板數的計算由于本次設計時，相對揮發(fā)度是變化的，所以不可用簡捷法，只能用作圖法。精餾段操作線方程為由于所選為泡點進料，所以q=1。由圖可知，精餾塔理論塔板數為6塊，其中精餾段3塊，提餾段3塊。第3節(jié)精餾塔重要尺寸的設計計算精餾塔設計的重要依據和條件表5甲醇-水在不同溫度下的密度（kg/m3）溫度/甲醇水50760988.160751983.270743977.880734971.890725965.3100716958.4表6甲醇-水在特殊點的粘度（mPa.s）物質甲醇水塔頂：66.200.3230.4218塔底：99.850.2530.2833進料：85.850.2630.3317塔頂條件下的流量及物性參數=0.914,=0.95,D=101.446kmol/h （1）氣相平均相對分子質量32.040.914+18.02(1-0.914)=30.65kg/kmol液相平均相對分子質量30.65kg/kmol（3）氣相密度1.101kg/m3（4）液相密度66.20,查表5，用內插法算得：746.04kg/m3,979.85kg/m3解得：755.05kg/m3（5）液相粘度查表6可得：66.20時0.323mPa.s,0.428mPa.s0.3230.914+0.428(1-0.914)=0.332mPa.s（6）塔頂出料的質量流量101.44630.65=3109.32kg/h表7塔頂數據結果表符號數值30.6530.651.101755.050.3323109.32101.462塔釜條件下的流量及物性參數0.00113，0.002,658.434kmol/h（1）液相相對分子質量由于甲醇濃度很小，所以液相可視為純水。（2）氣相密度99.850.589kg/m3（3）液相密度99.85查表5，用內插法得：959.4Kg/m3（4）塔釜出料的流量658.43418.02=11864.98kg/h（5）液相粘度查表6可得：99.85,0.253mPa.s所以0.253mPa.s表8塔釜數據結果表符號數值18.0218.020.589959.40.253658.43411864.983、進料條件下的流量及物性參數759.88kmol/h,12.3%,20%查表1得：9.2612.313.1543.5354.55由內插法可得：解得：53.14%=0.53氣相平均相對分子質量0.5332.04+（1-0.53）18.02=25.45kg/kmol液相平均相對分子質量0.12332.04+（1-0.123）18.02=19.74kg/kmol氣相密度0.86kg/kmol液相密度由表5數據，用內插法求出728.74kg/m3,968kg/m3解得908.35kg/m3(5)液相粘度查表6得：,,（6）進料質量流量表9進料數據結果表符號數值25.4519.740.86908.350.32315000759.884.精餾段的流量及物性參數（1）氣相平均相對分子質量（2）液相平均相對分子質量(3)氣相密度（4）液相密度(5)液相粘度（6）氣相流量摩爾流量質量流量（7）液相流量摩爾流量質量流量表10精餾段數據結果表符號數值28.0525.200.98831.70.32810101.65360.136518.99258.695.提留段流量及物性參數（1）氣相平均相對分子質量（2）液相平均相對分子質量(3)氣相密度（4）液相密度(5)液相粘度（6）氣相流量摩爾流量由于所以式中（泡點進料）質量流量（7）液相流量摩爾流量質量流量表10精餾段數據結果表符號數值21.7418.880.725933.880.2837829.33360.131018.57二、塔徑設計計算1.填料選擇填料是填料塔的核心構件，它提供了氣液兩相接觸傳質和傳熱的表面,與塔內件一起決定了填料塔的性質。目前，填料的開發(fā)與應用仍是沿著散裝填料和規(guī)整填料兩個方向進行。本設計選用規(guī)整填料，金屬板波紋250Y型填料。規(guī)整填料是一種在塔內按均勻幾何圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和整流現象，壓降可以很小，同時還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達成更高的傳熱、傳質效果。與散裝填料相比，規(guī)整填料結構均勻、規(guī)則、有對稱性，當與散裝填料有相同的比表面積時，填料孔隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力更大。250Y型填料是最早研制并應用于工業(yè)生產的板波填料，它具有以下特點：第一，比表面積與通用散裝填料相比，可提高近一倍，填料壓降減少，通量和傳熱效率均有較大幅度提高。第二，與各種通用板式塔相比，不僅傳熱面積大幅度提高，并且全塔壓降及效率有很大改善。第三，工業(yè)生產中氣液質均也許帶入“第三相”物質，導致散裝填料機某些板式塔無法維持操作。鑒于250Y型填料整齊的幾何結構，顯示出良好的抗堵性能，因而能在某些散裝填料塔不適宜的場合使用，擴大了填料塔的應用范圍。鑒于以上250Y型填料的特點，本設計采用Mellapok-250Y型填料，因而本設計塔中壓力很低。2.塔徑設計計算方法：Bain-Hougen關聯(lián)式法式中----------泛點空塔氣速，；------------重力加速度，，取9.8；-----------干填料因子，；A-常數，取0.291；K-常數，取1.75；L、V-液、氣相流量，kg/h。=1\*GB3①精餾段空塔氣速及塔徑計算查表10可知得:解得由于空塔氣速u可?。?.6~0.8）所以又所以圓整后：代入上式可算得此時的空塔氣速=2\*GB3②提留段空塔氣速及塔徑計算查表11可知：所以解得同理：空塔氣速u=（0.6~0.8）此時選又此時氣體體積流量所以圓整后：代入上式可算得此時的空塔氣速=3\*GB3③選取整塔塔徑提留段及精餾段塔徑圓整后為精餾塔的塔徑。三、填料層高度設計計算1．填料層高度計算=1\*GB2⑴精餾段動能因子經查每米理論級數所以精餾段填料層高度為式中精餾段理論塔板數。=2\*GB2⑵提留段動能因子經查每米理論級數所以提餾段填料層高度為填料層總高度2．填料層壓降計算查壓降曲線=1\*GB2⑴精餾段液體負荷用精餾段動能因子F查液體負荷分別為5和10時的每米填料層壓降，再用內插法算時的每米壓降。當時，所以精餾段壓降：=2\*GB2⑵提餾段液體負荷同理，用提留段動能因子F查液體負荷分別為5和10時的每米填料層壓降，再用內插法算時的每米壓降。當，所以提餾段壓降：全塔填料層總壓降：填料層持液量的計算精餾段由上可知：液體負荷氣體動能因子時9124.345.33有內插法可算得：當l=11.75m3/(m2.h)時hL的值：所以提留段由上可知：液體負荷動能因子：同理可查得：當時不同液體負荷下的持液量。693.554.25有內插法可算得：當時hL的值：精餾段提留段全塔氣體動能因子2.7422.29每米填料壓降0.2230.173填料壓降0.3430.3880.731填料高度Z/m1.121.122.24持液量附屬設備及重要附件的選型計算冷凝器本設計冷凝器選用重力回流直立或管殼式冷凝器原理。對于蒸餾塔的冷凝器，一般選用列管式，空氣冷凝螺旋板式換熱器。因本設計冷凝器與被冷凝流體溫差不大，所以選用管殼式冷凝器，被冷凝氣體走管間，以便于及時排出冷凝液。冷凝水循環(huán)與氣體方向相反，即逆流式。當氣體流入冷凝器時，使其液膜厚度減弱，傳熱系數增大，利于節(jié)省面積，減少材料費用。取冷凝器傳熱系數沈陽地區(qū)夏季最高平均水溫為15，溫升20。對于逆流：T66.20←67.16T15→35所以據表4可得：所以冷凝器冷凝面積查取有關數據如下：表13公稱直徑/mm管程數管數管長/mm換熱面積/m2公稱壓力/MPa1200Ⅲ435250025注：摘自《金屬設備》上冊P118表2-2-5和P132表2-2-8。.標準圖號：JB-1145-71-2-30設備型號：G400I-16-16第2節(jié)加熱器選用U型管加熱器，經解決后，放在塔釜內。蒸汽選擇133.3飽和水蒸氣，傳熱系數由表4可得：換熱面積：表14公稱直徑管程數管數管長/mm換熱面積/mm公稱壓力/Mpa1200Ⅲ428202325注：摘自《金屬設備》上冊P118表2-2-5和P132表2-2-8。標準圖號：JB-1145-71-1-21設備型號：G400Ⅱ-16-15塔內其他構件一、接管管徑的計算和選擇1、進料管本次加料選用高位進料，所以WF可取0.4~0.8m/s。本次設計取WF=0.6m/s。dF===0.0987m式中F’——進料液質量流量，kg/h。ρL——進料條件下的流體密度，kg/m3。圓整后dF=100mm。表15進料管參數表內管d2×s2外管d1×s1半徑RH1H2內管重/(kg/m)100×6180×81502002203.73注：摘自《浮閥塔》P197表5-3。2、回流管dR===0.0967式中:L——回流液體質量流量，kg/h；ΡL——塔頂液相密度，kg/m3。本次設計采用的是重力回流，所以速度WR取0.2~0.5m/s。此處選WR=0.4m/s圓整后dR=100mm表16回流管參數表內管d2×s2外管d1×s1半徑RH1H2內管重/(kg/m)100×7160×72452452607.32注：摘自《浮閥塔》P197表5-3。3、塔頂蒸氣管由于操作壓力為常壓，所以蒸氣速度WV可取12~20m/s,本節(jié)設計選WV=17m/s。dD===0.458式中:V——塔頂蒸氣質量流量，kg/h；ρL——塔頂氣相密度，kg/m3。圓整后dV=460mm。表17塔頂蒸汽管參數表_____________________________________________________________________內管d2×s2外管d1×s1半徑RH1H2內管重/（kg/m)_______________________________________________________________________________460×9620×1285028032033.68_______________________________________________________________________注：摘自?浮閥塔?P197表5-3塔釜出料管塔釜流出液的速度WW一般可取0.5~1.0m/s,本設計取0.7m/s。dW===0.0791m式中W-塔釜流出液的質量流量，kg/h;L-塔釜液相密度，kg/m3。圓整后：dW=80mm表18塔釜出液管參數表--------------------------------------------------------------------內管d2×s2外管d1×s1半徑RH1H2內管重/（kg/m)_______________________________________________________________________________80×10120×61002002203.51_______________________________________________________________________________除沫器為了保證氣體的純度，減少液體的夾帶損失，選用除沫器，常用的除沫器裝置有折板除沫器、絲網除沫器以及旋流板除沫器。本設計塔徑較小，且氣液分離，故采用小型絲網除沫器，裝入設備上蓋。氣流計算Ww=K式中K----常數，取0.107;----精餾段氣體和液體的密度，kg/m3。Wk=0.107×=3.115m/s除沫器直徑計算：D=式中，V----氣體解決量，m3/sV===2.863m3/s所以D==1.082m液體分布器采用蓮蓬頭式噴淋器。選用此裝置能使截面積的填料表面較好地潤濕。結構簡樸，制造和維修方便，噴灑比較方便，安裝簡便。、回流液分布器流速系數可取0.82~0.85,推動力液柱高度H可取0.12~0.15m以上，本設計選=0.83，H=0.16mW==0.83×=1.47m/s小孔輸液能力計算： Q=/s式中W=小孔流速，m/s; f=小孔總面積，; H=推動力液柱高度，m,取H=0.16m; d=小孔直徑，可取4～10mm，此處選d=6mm;=流速系數，取0.83；n=小孔總數；Q=小孔輸液能力，/s;噴灑球面中心到填料表面距離計算：h=rcot＋式中r=噴射圓周半徑，m；=噴射角，可取°，本設計選=40°r=-(75～100)=式中D=精餾塔內徑，mm.所以＋=＋2.進料夜分布器由前知，小孔流速W=1.47m/s小孔輸液能力Q==同樣，取d=4mm,=0.83取=40°，所以＋=＋又由于蓮蓬頭直徑d可?。?.2～0.3）D,本設計選d=0.25