食品工程原理课程设计乙醇水精馏塔

品工程原理课程设计题目乙醇-水精馏塔的设计课程名称食品工程原理课程设计 号 学生姓名所在专业食品科学与工程所在班级指导老师 任务书.........................................................一、方案确定流程说明...........................................1、生产时日.....................................................................................................................................................................5、加热方式........................................................................................二、绪论.......................................................1塔设备在化工生产中的作用与地位............................2塔设备的分类..............................................3板式塔....................................................三、塔的工艺计算...............................................1、查阅文献，整理有关物性数据...............................2、精馏塔的物料衡算.........................................q....................塔顶和塔釜温度的确定.....................................回流比和理论塔板的确定...................................操作方程的确定...........................................板效率及实际塔板数的确定.................................3、精馏段物性衡算...........................................3、1物料衡算............................................3、2气液体积流率的计算..................................4、提馏段物性衡算...........................................4、1物料衡算............................................4、2气液体积流率的计算..................................四、塔和塔板主要工艺尺寸计算...................................塔径D的计算................................................塔板详细设计................................................五、精馏塔的附属设备及选型.....................................1辅助设备的选型...........................................直接蒸汽加热............................................冷凝器...................................................馏出液冷却器.............................................釜液冷却器...............................................2塔的主要接管尺寸的选取...................................塔顶蒸气管路.............................................塔顶冷凝水管路...........................................塔顶液相回流管路.........................................加料管路.................................................塔釜残液流出管...........................................冷却水出口管路...........................................塔顶馏出液管路...........................................3输送泵的选取..............................................六、设计结果一览表.............................................七、设计评述...................................................八、精馏塔设备图与流程图.......................................九、主要符号说明与参考资料.....................................1、符号一览表...............................................2、参考文献.................................................任务书乙醇—水精馏搭的设计(一)设计任务1、生产能力：日产(24h)40吨93%乙醇产品。2、产品要求：塔釜排出的残液中要求乙醇的浓度不大于％(质量分率)。3、设备型式：筛板塔(二)操作条件2、进料热状况：原料来至上游的粗馏塔，为95－96℃的饱和蒸气4、加热蒸汽：接蒸汽加热5、单板压降：不大于(三)设计内容1、方案确定流程说明2、塔的工艺计算3、塔和塔板主要工艺尺寸的设计4、辅助设备选型1、设计说明书一份2、设计图纸，包括流程图，负荷性能图，塔盘布置图，浮阀塔工艺条件图。一、方案确定流程说明每精馏塔属气—液传质设备。气—液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。该塔设计生产时日要求较大，由板式塔与填料塔比较知：板式塔直径放大时，塔板效率较稳定,且持液量较大，液气比适应范围大，因此本次精馏塔设备选择板式塔。筛板塔是降液管塔板中结构最简单的，它与泡罩塔相比较具有下列优点：生产能力大10-15%，板效率提高15%左右，而压降可降低30%左右，另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右，安装容易，也便于清洗检修。因此，本设计采用筛板塔比较合适。由设计要求知，本精馏塔为连续精馏方式。常压操作可减少因加压或减压操作所增加的增、减压设备费用和操作费用，提高经济效益,在条件允许下常采用常压操作，因此本精馏设计选择在常压下操作。5、加热方式在本物系中，水为难挥发液体，选用直接蒸汽加热，可节省再沸器。原料槽中的原料液先由离心泵送到预热器预热，再进精馏塔，精馏塔塔顶蒸汽经全凝器冷凝，泡点回流，塔顶产品输送进乙醇贮存罐，而再沸器则加热釜液，塔釜产品流入釜液贮存罐二、绪论1塔设备在化工生产中的作用与地位塔设备是是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工、石油化工、炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品质量和环境保护等各个方面都有重大影响。塔设备的设计和研究受到化工炼油等行业的极大重视。塔设备经过长期的发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要，为研究和比较的方便，人们从不同的角度对塔设备进行分类，按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔，长期以来，人们最长用的分类按塔的内件结构分为板式塔、填料塔两大类。板式塔是分级接触型气液传质设备，种类繁多，根据目前国内外的现状，主要的塔型是浮阀塔、筛板塔和泡罩塔。泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有一下优点：(1).操作弹性大(2).无泄漏(3).液气比范围大(4).不易堵塞，能适应多种介质泡罩塔的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。研究，形成了较完善的设计方法，与泡罩塔相比，具有以下的优点：(1).生产能力大(提高20％－40％)(2).塔板效率高(提高10％－15％)(3).压力降低(降低30％－50％)，而且结构简单，塔盘造价减少40％左右，安装维修都比较容易[1]。20世纪50年代起，浮阀塔板已大量的用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的蒸馏、脱吸等传质过程。浮阀式之所以广泛的应用，是由于它具有以下优点：(1).处理能力大(2).操作弹性大(3).塔板效率高(4).压力降小其缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。乙醇——水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。精馏装置有精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。乙醇—水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。三、塔的工艺计算1、查阅文献，整理有关物性数据(1)水和乙醇的物理性质表1：水和乙醇的物理性质相相对分子沸点分子式导热系表面密度黏度名称称水乙醇数/(m.Kg/(kg.N/m℃质量(2)常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表2乙醇摩尔乙醇摩尔数/%气相液相乙醇摩尔数/%气相液相2、精馏塔的物料衡算乙醇的摩尔质量：M=46.07kg/kmol乙水的摩尔质量：M=18.02kg/kmol水xF=F由Fx=LXa+VYa和F=L+V得L=(kmol/h)，FqLF=qxqx塔顶和塔釜温度的确定ttDwDw回流比和理论塔板的确定用内差法求得进料板的气液相组成(90℃进料)R=*R=*=min操作方程的确定板效率及实际塔板数的确定(1)求αμLC=ABxxLFAFB=×＋(1－)×=L(2)求板效率ELTTT(3)求实际板数由N=N1T得ET精馏段实际板数：N=21/=30(块)精yy3、精馏段物性衡算操作压强P=温度tt=78.300Ct=900Ct=96.000CmDFw定性组成m22y=X=查平衡曲线得到x=1D1=fx=fxf平均分子量M查附表知:mVDmLDmVFmLFmVm22Lm22mLMALABLB 1=+()/则p=(kg/m3)pLMDpLMDp=(kg/m3)p=(kg/m3)p=(kg/m3)a p729.9965.3LMFLMFLM平均气相密度p=PMVM=101.32534.6=(kg/m3)lmiiDADBLDLDFAFB=(+)/2=(+)=lmLDlFMDMF则=(+)/2=+/2=(mN/m)mMDMF3、2气液体积流率的计算VMLM4、提馏段物性衡算操作压强P=温度tmtD=78.300CtF=900Ctw=96.00Ctw+tf96+90==93tm=220C定性组成1)塔斧xW=查相平衡图得到：yW=(2)进料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则pLMW=(kg/m3)pLA=(kg/m3)pLB=(kg/m3)pa LMF即提馏段的平均液相密度pLM=+/2=(kg/m3)塔釜:查书【6】和书【7】得在96.0℃下：σ=mN/mB=mN/mσmv=*+()*=(mN/m)MF则=(+)/2=+/2=(mN/m)mMwMFLMWAWBLWLWFA=FBFA=FBLMLWLF4、2气液体积流率的计算 四、塔和塔板主要工艺尺寸计算参考化工原理下表10-1，取板间距HT=0.45mhL0.06mHT-hL=0.39m两相流动参数计算如下Cf=f2020=201180本物系不易起泡,取泛点百分率为80%，可求出设计气速u'n=*fm/s根据塔设备系列化规格，将D圆整到D=1m作为初选塔径，因此塔板详细设计选用单溢流，弓形降液管，不设进口堰。因为弓形降液管具有较大容积，又能充分利用塔面积，且单溢流液体流径长，塔板效率出口堰高hw=hLhOW,已取hL=hw=hLhOW=0.0514m取hw=是符合的。∴hL=hW+hOW=+=0.0686m因物系较清洁,不会有脏物堵塞降液管底隙,取液体通过降液管底隙速度u=0.07m/s.h=Ls=0.001=0.024m(4)塔板布置取安定区宽度WS=0.08m,取边缘区宽度WC=0.04mt=3.0(5)筛板数n与开孔率初取do=6mm，do呈正三角形排列t=*6=18MM依下式计算塔板上的开孔率A 五、精馏塔的附属设备及选型1辅助设备的选型本精馏塔选用直接蒸汽加热，其附属设备主要有蒸汽冷凝器、产品冷凝器、连接管、泵等 (由于原料由上游而来，且进料时温度为90℃,故不需预热。)列管换热器具有结构较简单，加工制造比较容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等优点，被广泛应用与化工生产中，特别是列管式换热器在现阶段的化工生产中应用最为广泛，而且设计数据和资料较为完善，技术上比较成熟。因此,以下的冷凝器采用列管换热器。直接蒸汽加热沸器。热量衡算wABr=*+*=KJ/molm冷凝器采用列管式冷凝器，并使塔顶蒸汽在壳程冷凝，冷却水在管程流动，以提高传热系数和便于排出凝液。BBARm=×+()×=KJ/mol泡点回流,则塔顶蒸汽效出的热量水p水12设传热方式为逆流传热选型查书[4]取K=1000kcal/m2h0Cmt2换热器面积：A=Q=5.4521*10==27.345m2m馏出液冷却器热量衡算PFp,AFp,Bpp2实换热器面积：A=Q=2.613105=5.451m2m釜液冷却器℃,m2P,AP,BPWP,AWP,Bpp2实m热器,主要设计参数如下:换热器规格汇总表换换热器换热面积管长管程公称直径管规格管数(m2)(m)数(mm)原料预热器101500440086G400Ⅳ-16-10冷凝器3530004500152G500Ⅳ-25-35馏出液冷却器41500127338釜液冷却器115001159132塔的主要接管尺寸的选取接管尺寸由管内蒸气、液体速度及体积流量决定。本塔的接管均采用YB231-64热扎无缝钢管[5]。塔顶蒸气管路近似取精馏段体积流率为塔顶蒸汽体积流率V,Siu实=Vs回流管直径d=i回流管直径d=iS=4i=A+BpppmAB塔顶冷凝水管路下：mmi塔顶液相回流管路Si加料管路1aam*6d=45mmiuVFm/s)4i塔釜残液流出管m釜液出口管直径d=i选取S=d5mmi4i冷却水出口管路在(20+40)/2=30℃下：p水水水i塔顶馏出液管路选管:选取d=27mmiLu=DSL实几4i=0.00041接口管路汇总表目尺寸或型号(热扎无缝钢管)Di塔顶蒸汽管260塔顶冷凝水管路158塔顶馏出液管27回流管37加料管45釜液排出管35冷却水出口管33泵的分类泵按作用与液体的原理一般分为叶片式和容积式,本设计使用的离心泵在化工厂是很常见的，其性能普遍适用于一般的液体输送。因此本设计选用离心泵输送各液体。选泵原则根据介质物性,已经确定的流量,扬程,再从化工原理下册附表中选择泵的具体型号，察看性能参数(包括流量、扬程或压差、效率、允许吸上高度或允许其容度)。(1)釜液泵的选型wLWmLMW从流程图看不出所需扬程，设输送对扬程的要求不高<8.5m.查表选取冷却泵,如下表所示：型号型号转速流量扬效功率/kW(r/min)程率轴电功率ISIS50-32-160145035%(2)馏出液冷却水泵的选型从流程图看不出所需扬程，设输送对扬程的要求不高<8.5m.查表选取冷却泵,如下表所示：IS50-32-160扬效程率%轴电功率机功率转速六、设计结果一览表全塔工艺设计结果总汇设计内容及符设计内容及符号BB精馏段单位块块%%ss定性温度tmT空塔气速u'n塔板溢流形式溢流管形式堰长Lw堰高hw降液管宽度Wd降液管面积Af边缘区宽度Wc安定区宽度Ws鼓泡区面积Aa00筛孔气速uo板压降0CKPa单溢流个%1--0ow降液管内清液层高度Hd降液管内泡沫层高度H板上充气液层阻力hcv负荷上限负荷下限气相最大负荷气相最小负荷操作弹性设计内容及符号液体流量L气体流量VTT----单位块块%%雾沫夹带控制漏液控制提馏段8液体流量LS气体流量VS定性温度tmT空塔气速u'n塔板溢流形式溢流管形式堰长Lw堰高hw降液管宽度Wd降液管面积Af边缘区宽度Wc安定区宽度Ws鼓泡区面积Aa00筛孔气速uo板压降0CKPa单溢流个%1--hh0ow降液管内清液层高度Hd降液管内泡沫层高度H板上充气液层阻力cv负荷上限负荷下限气相最大负荷气相最小负荷操作弹性----雾沫夹带控制漏液控制七、设计评述本次课程设计难度大，主要是计算复杂，计算量大考虑的细节较多，对同一个设备分成两部分进行考虑，既相互独立又须彼此照应，始终要考虑计算是为一个设备进行。通过这次设计，使我认识到作为食品科学与工程专业的学生，不仅要学好《食品工艺学》《食品工程原理》等主修专业课，还要对食品加工设备等相关内容都要学好用好，只有这样才能为以后的工作打下坚实的基础。在整个设计中要考虑很多问题，尤其是一些不容易引起重视细节问题，否则“小毛病出大问题”，这就要我考虑问题要全面详细。学以致用，要多学各方面的知识并充分利用，用融合的，相互联系的知识能更好地解决问题。由于是工程上的问题，我们设计的不能像理论上那样准确，存在误差是在所难免的，计算过程中数字的一步步地四舍五入逐渐积累了较大的计算误差，但是只要我们在计算中保持高的精确度，这种误差可以大大地减小。总之，在本次设计中我学到了很多知识，同时使我认识到理论于实践的结合有多重要，也使我在潜意识中慢慢形成了一种模式：纯理论主义与纯经验主义都是不可取的，只