毕业设计：年产5吨香菇多糖的工艺设计

年产5吨香菇多糖的工艺设计XXX〔陕西理工学院化学学院化学工程与工艺061班〕指导老师：XXX摘要：设计了以香菇为原料，年产5吨香菇多糖的工艺设计，其重点为乙醇回收的精馏塔设计计算及辅助设备的计算选型。本设计包含设计说明书和图纸两局部。说明书主要包括香菇多糖的提取工艺、工艺流程；建厂可行性分析；全厂总平面布置说明；精馏车间的工艺计算设计及说明；非工艺局部设计包括供排水工程、供气供电系统、采暖、通风、照明、平安、卫生、防腐、三废处理及环境保护等说明。说明书的主要局部为精馏塔的工艺计算及其辅助设备的计算选型。在这一局部中用到了物料衡算、热量衡算及其大量的相关的经验公式。关键词：香菇香菇多糖精馏塔设计塔设备校核附属设备选型TechnologicalDesignofProducing5tonsofLentinanperyearYANGKai〔Grade06,Class1,Majorchemicalengineeringandtechnology,ShaanxiUniversityofTechnology,Schoolofchemicalandenvironmentalsciences,Hanzhong723000,Shaanxi〕Tutor:LIZhi-zhouABSTRACT：Technologicaldesignofoutputting5tonsofLentinanperyear,whichuseentinusedodesasmaterial.Thekeypartsofthedesignarethetechnologiccalculationofrectifierinrectificationworkshopandtheselectionoftypeofitsassistantequipment.Thedesignincludestwoparts:instructionandblueprint.TheinstructionmainlyincludesthemethodoftheextractofLentinanvialandtheprocessflow;theanalysisoffeasibilityofbuildingoftheplant;theinstructionofplanearrangementofthewholeplant;theinstructionofdesignofrectificationworkshop;designofnon-technologyparts：theprojectofwatersupply,heating,draught,lighting,safety,sanitation,antisepsis,thedisposalofpollution,environmentalprotection.Themainpartsoftheinstructionaretechnologiccalculationoftherectifierinrectificationworkshopandtheselectionoftypeofitsassistantequipment,andintheseparts,materialbalanceandheatbalancecalculationandlotsofexperientialformulasareusedasreferences.KEYWORDS：Lentinusedodes,Lentinanvial,designofrectificationrectifier,Therectifierequipmentsschoolpit，designoftypeofitsassistantequipment目录摘要I关键词IABSTRACTII1概述11.1香菇多糖的开展现状11.1.1香菇多糖作用及研究现状11.1.2香菇多糖开展现状11.2香菇多糖的开发现状及开展趋势21.2.1香菇多糖的开发现状21.2.2香菇多糖开展趋势21.3目前国内外利用香菇多糖的现状31.4设计任务和内容31.4.1设计题目31.4.2设计原始数据31.5建厂可行性分析41.5.1香菇多糖应用价值41.5.2原材料、动力供给、交通运输条件及技术的采用41.5.3环境保护51.5.4企业组织管理劳动定员和人员编制51.5.5资金筹措方式52设计工艺说明62.1全厂产品及工艺流程62.1.1全厂主要产品及结构62.1.2香菇多糖的生产工艺62.1.3本设计工艺62.2全厂副产品73设计说明83.1全厂总平面布置83.1.1原料厂及堆场83.1.2生产区83.1.3厂前区83.1.4动力区83.1.5辅助车间83.1.6仓库区93.2三废的处理及回收93.3车间布置说明94工艺计算及设备选型114.1设备工艺计算及选型114.1.1提取罐的计算及选型114.1.2蒸发器的计算及选择114.1.3醇析罐设计计算134.1.4脱蛋白罐设计计算144.1.5枯燥器的计算及选择144.1.6储罐的选择154.2主要设备工艺计算及选型164.2.1精馏过程原理和条件164.2.2精馏操作对塔设备的要求174.2.3塔设备的类型174.3精馏塔工艺设计计算184.3.1精馏塔的物料衡算184.3.2理论塔板数的计算204.3.3塔内各主要物性参数确实定244.3.4塔的初步计算274.3.5塔板流体力学计算314.3.6塔板负荷性能图334.4精馏塔辅助设备选型374.4.1冷凝器热负荷及选型374.4.2再沸器384.4.3除沫器394.4.4接管直径计算394.4.5板式塔的塔高404.5精馏塔机械强度设计及校核404.5.1材料的选择404.5.2按计算压力计算筒体和封头的厚度404.5.3塔的质量载荷计算404.5.4塔的自阵周期计算424.5.5地震载荷计算424.5.6风载荷计算434.5.7各种才和引起的轴向应力454.5.8筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核464.5.9筒体和裙座水压试验应力校核474.5.10根底环设计及地脚螺栓选择494.6全厂附属设备选型504.6.1换热器的选择504.6.2过滤机的选择524.6.3泵的选择535总结555.1本设计的主要结果555.2设计结果评价55符号说明57参考文献58致谢59附录一工艺流程图60附录二精馏塔装配图、61附录三全厂布置平面图62附录四设备布置立面图631概述香菇多糖，外文名称为Lentinan或Lentinanvial，它是从担子菌纲伞科香菇Lentinusendodes(Berk)Sing香菇子实体中提取、别离、纯化所获得的均一组分的多糖，采用凝胶过滤法和激光拉曼散射法测得其相对分子质量为2×104～8×104。香菇多糖为白色粉末状固体，对光与热稳定。有吸湿性，在水中最大溶解度为3mg/mL，也能溶于0.5mol/L的氢氧化钠水溶液中，溶解度可达50～100mg/mL，难溶于甲醇、乙醇和丙酮等有机溶剂。香菇是一种食用和药用真菌，自古以来就被当作健脾益气、调和阴阳、补虚扶正、行气活血的上品。其主要有效成份香菇多糖，经二十多年的研究和应用，证实其具有显著提高免疫力、抗癌、抗病毒、降血脂、防止动脉血管硬化、抗衰老等多种功能。此外，香菇多糖还具有诱发干扰素和保肝等作用。因此，近年来在国内外形成了一股开发香菇多糖的热潮。1.1香菇多糖的开展现状香菇多糖作用及研究现状真菌多糖作为药物研究始于50年代,在60年代以后成为免疫促进剂而引起人们兴趣。香菇多糖就是研究得较透彻的多糖之一,香菇是侧耳科的担子菌,世界名贵食用兼药用菌之一,它含有多种有效药用组分,尤其是它含有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫功能和刺激干扰素形成等功能的香菇多糖(lentinan简称LNT)和能增强人体免疫力的水溶性木质素这2种药用生理活性物质,而引起人们广泛的重视[1]。香菇多糖以β~1，3葡聚糖为主，含有少量的木糖和甘露糖，具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫和刺激干扰素形成等功能，对肿瘤、癌症、肝炎、心脏病和神经衰弱等有一定的疗效。近年来的研究说明香菇多糖具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫和刺激干扰素形成等功能，对肿瘤、癌症、肝炎、心脏病和神经衰弱等有一定的疗效。有关此方面的研究很多，如：王一心等[2]在香菇多糖的药理研究中，查阅国内外30多篇相关文献资料加以概述，综述了香菇多糖药理作用方面的研究状况，结果说明：香菇多糖具有免疫调节、抗肿瘤、杭病毒等多种药理作用。蔡小玲等[3]用口蘑、冬虫夏草、香菇等11种食用菌的粗多糖进行抗肿瘤药物试验。结果说明，11种粗多糖能使带有S-180腹水瘤的昆明小鼠生命延长率提高到6.60%~31.74%。其中以口蘑多糖效果最正确，可达31.74%。口蘑，冬虫夏草和香菇3种多糖对荷瘤小鼠生命的延长有显著成效。张福明等[4]研究发现，香菇多糖对流感病毒具有一定的抑制作用，对病毒感染细胞的保护率可达95.6%;香菇多糖的抗病毒作用机制在于提高感染细胞免疫力，增强细胞膜的稳定性，抑制细胞病变，促进细胞修复功能。金道山等[5]采用寿命短、繁殖能力强的家蝇作为衰老的实验动物模型观察了香菇多糖对其寿命以及脑内SOD活性和脂褐素含量的影响。结果显示，20日龄时香菇多糖组蝇脑内SOD活性比对照组增加43.4%，脂褐素含量下降4.9%，实验组平均寿命比对照组延长19.4%，揭示了香菇多糖可能具有抗衰老作用。总之，香菇多糖具有广泛的药理和保健作用，而且研究结果说明香菇多糖其疗效好，毒副作用小，有这广阔的应用前景。这些研究对香菇多糖工业化设计奠定了良好的根底。香菇多糖开展现状香菇多糖提取的传统方法有：水提醇沉法、稀碱浸提法、稀酸浸提法、和酶法等，近几年随着对香菇的研究不断深入，又出现一些比拟新颖的提取方法，如超滤法、微波辅助浸提法及超声波法等[6]。在诸多提取工艺中，水提醇沉法为最经典的提取香菇多糖的方法，它以工艺简单，易于推广等有点为人们所接受。刘树兴等[7]用水提醇沉法提取香菇多糖，正交实验确定了最正确提取工艺为：温度：85℃，时间：5h，加水量：15倍水量，除蛋白的最优工艺条件：样液：氯仿-正丁醇(体积比)=3，氯仿：正丁醇(体积比)=5。王卫国等[8]基于原来的提取方法工艺复杂，收率低，本钱高，普通肿瘤病人无法接受，通过对香菇多糖提取纯化条件进行正交实验设计优化研究，结果说明，香菇多糖提取最正确条件为：pH7.0，96℃浸提4h，料水比为1：20，醇析浓度为70%，蛋白质去除时样品与氯仿-正丁醇为1：1，氯仿：正丁醇为1：0.25，萃取时间为30min效果最好。屈永年等酶法在中药的提取过程中，也具有较好的提取效果。在香菇多糖提取中也又较好效果，谢红旗等[10]采用中性蛋白酶酶解法提取香菇中多糖，即在水提香菇多糖前，先用中性蛋白酶处理香菇粗粉，通过实验确定最正确的酶解工艺条件：酶解温度50℃，酶解pH4.8，酶解时间60min，酶与香菇粗粉配比为1.5∶100。与传统工艺相比，提取率提高了40%以上，多糖中杂质蛋白质的含量降低了50%。马长清等[11]分别用纤维素酶水解法和单纯热水水解法对香菇柄和香菇盖中的多糖进行提取，说明纤维素酶水解法比热水提取法得到的香菇多糖提取率高，香菇柄加酶的提取液中多糖的含量比不加酶的增加54%，香菇盖增加44%，提取香菇柄中多糖的最正确条件是：水解温度45随着香菇的不断广泛应用，又出现了一些新的提取方法，使人们对香菇的研究也迈出了一大步，诸多新的提取方法被各研究者所研究，都取得可喜的成果，如：XXX[12]研究了以香菇为原料，利用超滤膜别离装置进行香菇多糖的提取别离，并建立了香菇多糖提取液超滤过程修正凝胶极化模型，这种工艺香菇多糖的提取率可达6.10%，多糖粗品含量在90%以上。研究说明，膜别离技术在香菇多糖的提取中具有很大的优越性。黄桂萍等[13]用微波技术从香姑中提取香菇多糖。并通过改变辐射功率、辐射时间及提取次数等条件对多糖提出取率的影响进行了研究，得出最正确的提取条件(料液比lg：20ml，微波辐射功率50%，辐射时间3.5h，提出取次数2次)。该方法与传统提取方法相比时间短、节省能源、产品提取率高等优点。念保义等[14]研究了香菇多糖的超声提取、超滤别离及工艺路线的改良。结果说明：超声提取能提高香菇多枪的提取率、缩短提取时间、减小料液比和降低提取液的粘度，而提取液粘度的降低有利于超滤别离降低浓差极化的影响，提高处理量。其主要指标是水浸提2h，料液比为l：15(体积比)，超声功率为80W，处理时间为13min，多糖的提取率达6.62%。充分说明超声波不仅强化整个提取过程，而且强化超滤别离过程，减少负荷、降低生产本钱。综上所述，香菇多糖提取工艺中，涵盖了各种新的提取方法，其中水提醇沉法研究的比拟成熟，也比拟经典，在目前国内的小型规模化生产中已经得到应用。有些新的提取方法都处于理论阶段，对于工业化生产中的应用还有待于科学研究者进一步研究，这也是研究多糖工艺生产亟待解决的一个问题，对于本工艺设计，那么采用了比拟经典的水提醇沉法提取多糖。1.2香菇多糖的开发现状及开展趋势香菇多糖的开发现状近几年，随着我国香菇多糖行业的开展，香菇多糖生产核心技术应用与研发成为业内企业关注的重点。技术的优劣直接决定企业香菇多糖产品的市场竞争力。目前所采用的提纯香菇多糖先进方法多为实验室研究方法，不利于工业化生产，而且在香菇多糖旧生产中工艺周比拟期长，提取多糖含量低，实际生产中规模化程度并不高，这就制约着该产品的开展。香菇多糖开展趋势由于香菇多糖是一种免疫促进剂，具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫和刺激干扰素形成等功能，对肿瘤、癌症、肝炎、心脏病和神经衰弱等有一定的疗效。这对于如今生活在节奏生活中人们带来了诸多好处，健康的生活是现在社会的一种必然方式，所以研究香菇多糖的产品、开展多糖生产工艺技术具有很广阔的开展前景，香菇多糖制剂与饮品将成为香菇多糖的主导产品，也将成为以后多糖产品的开展趋势。主要表现在一下几点：1．香菇属于担子菌纲伞菌科，是提取香菇多糖的原料，它香气沁脾，滋味鲜美、营养丰富、保健效果显著，享有植物顶峰和健康食品的美称。我国香菇产量高，占全球总产量的80%左右。据了解，目前全球香菇总产量为10万t左右，其中我国约占8万t、日本1.65t、韩国0.17万t、美国和加拿大等国占0.20万t。香菇生产是一种可持续开展的产业，在我国制备香菇多糖具有得天独厚的优势。2．采取醇析提取法、酶解提取法等方法制取香菇多糖，生产过程中不参加、也不产生有害物质，产品质量符合绿色食品〔饮品〕的要求，也符合1994年10月25日美国国会正式通过的《食用品补充法令》对食物补充品成分的要求，我国的香菇多糖已被美国FDA〔食品及药物管理局〕批准可作为保健食品进入美国市场。3．酶解提取法是一种先进的生化方法，具有高效、平安、节能、得率高、污染少等特点，已被应用于多种植物有效成分的提取，是近年来开展较快的绿色新工艺，但是酶容易失活，对温度等因素要求苛刻，在应用于工业化生产中还有待于进一步研究。4．生产中所用的水、乙醇等都能回收利用；提取香菇多糖后的残渣，将其磨成粉是非常好的食用纤维素。因此，本生产工艺无“三废”排放，可实现清洁生产。5．香菇多糖具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫和刺激干扰素形成等功能，对肿瘤、癌症、肝炎、心脏病和神经衰弱等有一定的疗效，香菇多糖是膳药两用物质，是一种有益于人类的环境友好产品。1.3目前国内外利用香菇多糖的现状目前我国香菇出口竞争对手首推韩国，尽管韩国香菇产量低，但是质量好、商品量大，在国际市场上极富竞争力。近年来，韩国以65％的高关税阻止我国香菇进入其市场，“入世”后韩国将不再采取排他条件，其税率必然大大降低乃至取消，有利于我国香菇的出口。日本虽然产量大于韩国，可是受我国香菇冲击较大，日本已从生产大国、出口大国变为产量逐年递减的进口大国。“入世”后，其目前20％的多种进口税也将调低，对我国更为有利。然而，面对“入世”我国香菇产业也面临挑战。所以我们要利用香菇深加工这方面优势去和国际竞争。在国际上“崇尚天然”的热潮中，有“山珍”美誉的香菇极有开展前途。香菇等食用菌营养丰富，味道鲜美，是低盐、低糖、低脂肪、高蛋白质的首选食品。深加工的方法很多，如用食用菌生产系列调味品、系列保健食品和系列中药，以满足国内外市场的需求，进一步提高香菇出口的竞争力，稳固我国在世界上的香菇“盟主”地位。所以，开展香菇多糖的生产技术，是提高我国香菇产业竞争力的一个有效手段。1.4设计任务和内容设计题目年产5吨香菇多糖的工艺设计设计原始数据〔1〕厂址及气象资料①厂区位置：陕南地区某地②地势：厂区地势平整③气温：最高温度38最低温度-2平均温度18〔2〕原料：香菇〔3〕产品：香菇多糖〔4〕产量：5吨/年〔5〕工作制度：三班制年工作日300天〔6〕乙醇回收车间有关数据①发酵液酒精浓度：70％〔v〕②精馏塔操作压强：0.02MPa③精馏塔进料温度：30℃④精馏塔塔顶温度：78.5℃⑤精馏塔塔釜温度：99.6℃⑥精馏塔进料浓度：32％〔V〕⑦精馏塔塔釜产品浓度：<0.01%1.5建厂可行性分析香菇多糖应用价值.1香菇简介香菇〔Lentinusedodes〕又称冬菇、花菇、厚菇、椎茸、香信、香蕈、冬菰、香菰。隶属于担子菌纲、伞菌目、口蘑科、香菇属。香菇是我国传统的著名食用菌，在世界上最早人工驯化栽培。香菇营养丰富，味道鲜美，具有很高的保健及药用价值，被视为“菇中之王”，是重要的食用菌和药用菌。我国香菇出口贸易量近10年逐渐上升，年递增率约为2%，目前中国的香菇年产量为8万吨，在全球10万吨中占有80%以上，居世界第一位，出口3.6万吨，也居世界之首，其次是日本，韩国居第三位。分布在我国浙江、福建、台湾、安徽、湖南、湖北、江西、四川、广东、广西、海南、贵州、云南、陕西、甘肃等地区。〔1〕香菇的营养价值香菇含有的10余种氨基酸，其中有异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、缬氨酸等7种人体必需的氨基酸及维生素B1、B2、PP及矿物盐和粗纤维等。〔2〕香菇的保健价值=1\*GB3①香菇中含不饱和脂肪酸甚高。除了含有还含有麦角甾醇〔ergosterol〕外，还有菌甾醇(fungisterol)，尤其所含大量麦角甾醇可转变为维生素D，有增强人体抗疾病和预防感冒的成效；=2\*GB3②经常食用香菇对预防人体缺乏维生素D而引起的血磷、血钙代谢障碍导致的佝偻病有益〔特别是婴儿〕，可预防人体各种粘膜及皮肤炎症；=3\*GB3③香菇中还有腺嘌呤〔eriadenine〕和胆碱，可预防肝硬化和血管硬化；=4\*GB3④香菇中又含酪酸氧化酶，有降低血压的成效；=5\*GB3⑤香菇中还别离出降血清胆固醇的成分〔C6H11O4N5，C9H11O3N5〕。.2香菇多糖的作用多糖是近年来研究最为活泼的高分子化合物，真菌多糖由于具有多种生物活性，其研究进展那么尤为迅速。目前，从各类生物材料中提取的具有生物活性的多糖已成为天然药物的一个新来源。香菇多糖为白色粉末状固体，对光与热稳定。有吸湿性，香菇多糖中的纯多糖含多个极性基团(主要是羟基和其他极性取代基)，水溶性一般较好，特别是在热水中溶解度较大，一般在水中最大溶解度为3mg/mL，也能溶于0.5mol/L的氢氧化钠水溶液中，溶解度可达50～100mg/mL，难溶于甲醇、乙醇和丙酮等有机溶剂。香菇多糖具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫和刺激干扰素形成等功能，对肿瘤、癌症、肝炎、心脏病和神经衰弱等有一定的疗效。.3香菇多糖的需求现状由于香菇多糖国际国内两个市场一路看好，香菇产业系列开发潜力大，建立标准化的现代化加工生产企业具有重要的现实意义。香菇多糖产品主要应用于保健品、临床医学等方面，随着人们对健康的重视，香菇多糖的各种营养品将受到人们的欢送。这主要因为香菇多糖在保健和营养品方面的诸多优势，所以研究香菇多糖的产品、开展多糖生产工艺技术将带来巨大的社会和经济效益，有很好的开展前景。原材料、动力供给、交通运输条件及技术的采用在陕西南部和四川、甘肃省等地区，香菇有着大面积的种植，香菇资源是非常丰富的，只要有需求，香菇的种植将会不断的扩大，将会促进一方经济的开展。本厂采用本地电网供电，可以防止为建设动力设备而增加的额外投资，而且西南部水电资源丰富，可以确保生产的连续性。拟建成的厂区位于汉中经济开发区，交通十分方便，因此能大大减少产品本钱，提高产品竞争力。厂区建在地下水位－15米本设计采用水提醇沉法提取香菇多糖，并把醇沉使用的乙醇经过回收处理，可到达重复利用以较少本钱投入，经初试，结果合理，环境污染小，资源得到了合理的利用，经济上也是可行的。总之，本设计无论从原材料、动力供给，还是从交通运输等方面考虑，拟建厂址所在地都比拟适宜。再者，从厂址所在地的经济开展、自然条件的利用都符合我国的国情和西部大开发这一主题。环境保护拟建工厂在整个生产工艺中，主要采用比拟成熟的水提醇沉提取法进行提取多糖，然而，生产中所用的水、乙醇等都能回收利用；对于所用的乙醇采用精馏对其提取，并再次用于香菇多糖的提取中。提取香菇多糖后的残渣，可以对这些残渣进行重复利用，以获得更好的经济利益。因此，本生产工艺无“三废”排放，可实现清洁生产。即可到达国家的节能减排，环保等标准。企业组织管理劳动定员和人员编制拟建厂有厂部领导及其下属的科室和车间组成，技术人员主要从离校毕业生和相关企业的有工作经验人员中招聘，劳开工人从本地区招收。普通工人的技能由本厂技工带着培训。企业内部按照有利于开展生产，有利于充分利用人力资源、术、装备、资金，有利于宏观调控微观搞活，有利于调动各个方面的积极性，有利于提高经济效益的原那么，在划小核算单位的根底上下放权利，实行分级分权管理。企业实行厂长负责制，各部门负责人直接受厂长负责，并实行三级管理，厂、科、车间及人员编制以组织好生产为原那么。由于香菇生产属是间歇生产过程，故检修可以根据市场的需求确定。在正常情况下，香菇多糖生产车间每天实行四班制，每班八小时，机械设备大修每二年一次，机械设备保养每一年一次。人员编制如下表1.1所示：表1.1香菇多糖生产人员编制工种班制男女总人数提取岗位444醇析岗位444过滤岗位444枯燥岗位444乙醇回收岗位444司炉岗位444技术员1112平安员111辅助人员133车间主任122总计191332资金筹措方式采用局部国家贷款，局部自筹资金和局部银行贷款分期归还方式，而且筹集资金可以采用职工入股的方式，使职工真正成为企业的主人，充分调动职工的积极性。2设计工艺说明2.1全厂产品及工艺流程全厂主要产品及结构本厂的主要生产的产品是香菇多糖，副产品香菇醋，酒精回收利用作为全厂生产环节的一个重要过程。香菇多糖为白色粉末状固体，对光与热稳定。有吸湿性，香菇多糖中的纯多糖含多个极性基团(主要是羟基和其他极性取代基)，水溶性一般较好，特别是在热水中溶解度较大，一般在水中最大溶解度为3mg/mL，也能溶于0.5mol/L的氢氧化钠水溶液中，溶解度可达50～100mg/mL，难溶于甲醇、乙醇和丙酮等有机溶剂。香菇多糖的分子式：(C42H70O35)n，香菇多糖的化学结构模型如以下图2.1所示：图2.1香菇多糖化学结构模型香菇多糖的化学结构式如以下图2.2所示：图2.2香菇多糖的结构式香菇多糖的生产工艺香菇多糖提取的传统方法有：水提醇沉法、稀碱浸提法、稀酸浸提法、和酶法等，近几年随着对香菇的研究不断深入，又出现一些比拟新颖的提取方法，如超滤法、微波辅助浸提法及超声波法等[3]。本设计工艺香菇多糖生产工艺流程简图如以下图2.3所示：工艺过程简述如下：香菇原料经过枯燥粉碎参加提取罐在料水比为1:20，pH7.0左右，90℃浸提4h进行多糖的初步提取，提取后经过过滤设备进入储料罐存储并对料液降温，其中过滤的残渣可以经过发酵制备香菇醋。储料罐的料液经过蒸发器进入醇析罐，在醇析浓度为70%下进行醇析，醇析后经过过滤的多糖在经过蛋白脱除罐在样品与氯仿-正丁醇为1:1条件下萃取30min脱蛋白，在醇析后过滤的滤液经过精馏塔精馏回收乙醇。最后将脱蛋白后的多糖液体送入喷雾枯燥塔进行喷雾枯燥，最终得到多糖产品。图2.3香菇多糖生产工艺流程简图2.2全厂副产品全厂生产过程中将产生大量的香菇废渣，这些废渣可以经过香菇发酵、酒精发酵和醋酸发酵等多步，将原料中的有关物质转化成食用菌保健醋中的有效成分，从而生产出香菇醋，这种醋富含氨基酸及真菌多糖，有一定的保健功能。这也是本场的一种副属产品，其根本工艺过程如以下图所示：图2.4香菇醋生产工艺流程简图参照邵伟[15]等研究的香菇醋制备工艺研究，可采用发酵条件为：香菇发酵温度为28℃，转速150r/min，培养2天；酒精发酵温度为30℃，发酵液中可溶性固形物含量为8%左右，接种量为0.25%(干酵母)左右，发酵时间为4d；醋酸发酵温度为30~33℃，接种量为10%~15%，发酵时间为25~28d。用该方法生产周期较短，发酵过程中不添加任何化学物质，口感纯粹，风味独特，既可用于烹调，经调配降低其酸度并添加甜味物质后又可制成饮料，是老少皆宜的保健饮品[15]。此方法制备出的香菇醋兼具营养及保健的功能，而且香醇味美，符合当前人们回归自然的饮食需要，可成为一种新型的保健醋。3设计说明3.1全厂总平面布置全厂总平面设计为本设计的一项重要任务，总平面设计合理与否，直接影响新建厂能否节约而有效的的顺利进行，影响到新建厂后的生产、管理、本钱、能耗等各个方面，同时还影响到全厂的美观和今后的开展。总平面设计的根本原那么为；建筑物之间相互配置应符合生产程序的要求，并能保证合理生产作业线；原材料、半成品、成品的生产作业线应衔接协调，流程疏通，防止交叉和往返；厂内一切运输系统布置应适合货物运转的特征，尽可能使货运路线和人员路线不交叉；适当划分厂区，建筑物之间的距离尽量缩小，但必须符合防火和卫生技术条件的要求；在保证平安生产的前提下力求缩小厂房战地面积，厂房布置尽量紧凑，根据生产的特点和设计拟建的工厂为中小型企业的情况，将工厂划分为几个区域，并按照区域进行布置，以保证各区域之间位置的协调配合，并符合卫生防疫和环境美化。原料厂及堆场本厂的主要原料是香菇，香菇受潮容易腐烂发霉，所以要防止雨淋。同时应保证良好的通风条件。应设计在工厂主干道旁并且靠近粉碎车间，以便减少运输。生产区生产区是工厂的主要组成局部，占地面积很多。生产区的布置在工厂的中心地带，与大门直接相对，使工人上下班和运输都比教方便。建筑物的相对位应符合生产流程的要求，同一生产系统多生产线路尽可能成链状列。建筑物之间的距离，在满足防火要求的前提下尽量缩小，以减少建筑面积。提高建筑系数和场地利用系数。厂房的方向、位置和间距应符合采光通风的要求。从方向来说，按生产流程方向自东向西；就位置而言，苛重和震动大的车间，如锅炉房等，力求设置在地址较好的地段上。为了获得较好的自然采光以及厂房的防震效果，大局部采用工字形、L形、11形厂房，外形简单整齐。为了获得良好的通风条件，厂房与主导风向仍成45度角。辅助附属车间及其它效劳环节的位置位于其效劳范围的中心或靠近主要效劳对象。如原料场靠近车间，废渣回收靠近运输路线。生产性质相同的车间或辅助环节，做到尽量联合布置，在大厂房中，这样可以缩短距离，提高场地的利用率和办事效率。而各种不易受气候影响的设备如塔等，均采用露天布置，这样可以节省投资。合理的进行厂内道路布置，对提高运输效率，保证运输平安等均有重要意义。道路的宽度主要取决车辆通行量、行使车辆的型号和工厂的规模。拟建厂设计道路宽度为9米，道路的交叉口为圆形。工厂绿化可分为生产区绿化、厂前区的绿化、生产区与生活区之间隔离地带的绿化。生产区的绿化能减弱生产中散发出来的有毒气体和噪音对人体的影响。同时能净化空气，吸收生产过程中散发出来的烟尘，有助于改善厂区的气候，而且能减少夏季阳光的辐射，在冬季能防风，有利于保温。厂前区厂前区的建筑包括行政楼、研发楼、职工食堂、医务室等。其中行政楼位于主干道前，靠近工厂边缘。研发楼、医务室位于主楼后边，周围设绿化带。动力区动力区包括配电室、锅炉房等，他们尽量靠近其效劳的车间。这样可以减少管路的铺设和运输过程的损耗。配电室位于工厂的东南侧，靠近外部输电线。辅助车间主要的车间有备件库、机修车间、消防车间等。他们尽量靠近生产区，以便在生产车间发生故障或以外事故时能及时进行修理和抢救。仓库区仓库区包括原料仓库和产品仓库，他们都位于主干道旁以便于运输，成品仓库靠近喷雾枯燥的附近。以上各个区域以仓库区、厂前区、原料场构成生产区。为保证生产的连续性，应合理的布置各个区，使生产发生联系的车间、仓库等就近布置，尽量减少管路的交叉和返回，使生产上或与生产联系紧密的分区布置到达卫生防火的要求。综上所述，平面布置有以下特点：厂房建筑物的布置与生产工艺流程相适应。原料、半成品和成品形成整个顺序尽量保证流水作业，防止逆行和交叉；锅炉房、变电站等辅助车间尽量靠近其主要部门，以缩短其间距离，节省投资。由厂前去到生产区的主要干道，应防止与主要运输道路交叉；尽量使大多数厂房向阳、背风、避烟尘瓦斯等，尽可能使各车间采用自然光和自然通风等；按防火标准的要求，保证建筑物之间的距离，符合规定；根据卫生规模的要求，将生产区布置在生产区的下风向。由严重毒害和烟尘的气体，尽量布置在厂区的下风向；根据环保的要求，生产区设有废渣处理站，废水处理站等设施；考虑工厂今后的开展，在产区间留有建筑余地；尽量做到以生产区为轴线，再考虑辅助车间、行政楼和道路的安排。3.2三废的处理及回收在香菇多糖的生产过程中会用到氯仿-正丁醇，所以会对水有一定程度的污染，为了解决这个问题，采取对氯仿-正丁醇的回收利用。在这个工艺中，根本上没有废气污染，同时废渣可以发酵生产香菇醋，具有很好的利用价值和经济价值。拟建工厂在整个生产工艺中，采用比拟成熟的水提醇沉提取法进行提取多糖，然而，生产中所用的水、乙醇等都能回收利用；对于所用的乙醇采用精馏对其提取，并再次用于香菇多糖的提取中。提取香菇多糖后的残渣，可以对这些残渣进行发酵生产香菇醋，以获得更好的经济利益。因此，本生产工艺无“三废”排放，可实现清洁生产。3.3车间布置说明本厂采用水提醇沉法制取香菇多糖，并将所用的乙醇进行回收再利用处理。根据实际情况，设计包括以下几个过程：粉碎过程，提取过程，别离过程，发酵过程，精馏过程以及其它辅助过程等。本设计任务重点是酒精精馏过程。因此，下面主要介绍一下精馏塔布置情况。由于精馏过程的主要设备是精馏塔，精馏塔属于露天式。车间为两层楼结构，长为20m，宽为6m，高为14.1m，一层高为7m，二层高为结合生产流程图、车间立面图、车间平面图可以看出生产设备与生产流程的关系，表现出车间的面积与空间、生产管理与操作条件及各工段的联系。本车间还具有以下特点：辅料车间与使用设备靠近。按流程要求，为了减少动力消耗，提高了醛塔的位置，换热器安装位置稍高，也节省了动力消耗。互相联系的设备，在保证正常运行必须的间距的条件下，彼此可以适当靠近。较合理的安排厂房的出口，通道和楼梯的位置。各设备统一安排，排列整齐，有足够的操作空间，符合工艺流程的要求。车间布置图，分平面布置图和立面布置图，图上标出了各主要设备的定位尺寸；图上标有轮廓线、楼梯等位置。4工艺计算及设备选型4.1设备工艺计算及选型提取罐的计算及选型物料衡算：设工作300天，那么可知每日产量约为16.67kg/天，按提取率为7%计算，每次投料约为100kg。提取过程的温度为90℃，料液比为1:20m水=20×100=2000kg因为提取中主要含有水，那么溶液密度可按水密度来计算；那么V=m水/1000=2m取V实际=1.5V，那么V实际=3热量衡算：由于为间歇式操作，里面保持90℃Q=CmΔT在提取时，里面主要是大量的水，所以比热容近似可按水的计算，C=4.2kJ/mol·K；故，Q=CmΔT=4.2×(2000+100)×(90-25)=573300kJ总传热系数由经验可知：K=2000W/m·℃所以可的加热面积为：所以提取罐的体积为3m3，设计选用三个提取罐，查文献[16]表4.1提取罐主要参数表公称体积实际体积加热面积加料口直径外形尺寸2m3m4.400mm1300×3850搅拌速率排出口直径质量配套电机60r/min800mm2050kg4kw蒸发器的计算及选择蒸发设备在结构上必须有利于过程的进行，因此，选用和设计蒸发器设备时应考虑以下几点：尽量保证较大的传热系数要适合溶液的一些特性，如黏度、起泡性、热敏性、溶解度随温度变化的特性及腐蚀性；能完善地别离液沫尽量减少温差损失能排出溶液在蒸发过程中析出的结晶体能方便地清洗传热面综上所述，选取了单效蒸发过程，计算如下：=1\*GB3①水分蒸发量在蒸发器中，从溶液中蒸发出的水分可由一般物料衡算方程解出，即Fx0=〔F-W〕x所以F—溶液加料量，kg/hW—水分蒸发量，kg/hx0，x—料液与完成液的质量分数，%其中x0=0.35%，x=1%，F=200kg/h那么：=2\*GB3②蒸汽消耗量在蒸发器中所消耗的热量主要是供给发生二次蒸发所需的潜热，除此之外，还要供给溶液加热至沸点及损失于外界热量，所以蒸发量由以上三者之和决定，可以通过热量衡算求得；DI+FCt0=Wi+(FC-WC)t1+DCӨ+q′D(I-CӨ)=W(i-Ct1)+FC(t1-t0)+q′由上式可以计算计算热蒸汽的消耗量：D=[W(i-Ct1)+FC(t1-t0)+q’]/(I-CӨ)假设加热蒸汽和二次蒸汽都在冷凝温度时排出，那么(I-CӨ)与(i-Ct1)分别为加热蒸汽和二次蒸汽的蒸发潜热。所以上式可简化为：D=[Wr+FC(t1-t0)+q′]/R式中：C—溶液的比热容，kJ/mol·kD—加热蒸汽的消耗量，kJ/hI—加热蒸汽的热含量，kJ/moli—二次蒸汽的热含量，kJ/molR—加热蒸汽的蒸发潜热，kJ/molr—二次蒸发的蒸发潜热，kJ/molӨ—冷凝水的温度，Kt0，t—溶液最初温度与最终温度〔沸点〕，Kq′—损失于外界的热由于多糖含量为0.35%<20%，那么溶液比热容C近似为：C=C2(1-B)那么，C=4.2×(1-0.35%)=4.18kJ/kg·K。料液温度为30℃，出口为100℃，蒸发器蒸发的压力：101.3KPa，极热蒸汽是143.3KPa下的饱和温度，在此温度下，可知r=2257kJ/kg故，因为Q=DR=157.8×2230=97758W所以传热面积：A=Q/KTK=1704W/m2·K那么传热面积A=97758/1704×70=1.6m=3\*GB3③蒸发器的主要尺寸加热室主要尺寸：选用Ф15mm×3mm，长为1m的不锈钢管作为加热管，那么管数为：;为了平安，取n=34×1.1=38根。加热管按正三角形排列，那么管束中心线上的管子数约为：nC=1.1n1/2=1.1×381/2=7根取管心距S为50mm，取管束中心线上最外层的中心至壳体内部的距离b′为1.5d0，那么极热室直径为：di=S(nc-1)+2b′=50×(7-1)+2×(1.5×15)=345mm圆整后去di=400mm循环管尺寸计算：根据经验，循环管的截面积取80%的加热管总面积，即循环管总面积为：所以循环管直径为：圆整后取d=70mm别离室尺寸计算：取别离室高度为1m。假设蒸发时的真空度为-0.08MPa，相当于绝对压强的20KPa，二次蒸汽的密度ρ为0.131kg/m3，那么二次蒸汽的体积流量为：取允许蒸发体积强度为VS,y=1m3/m3·s，取DZ=800mm所设计的外循环蒸发器主要尺寸如下表4.2：表4.2外循环蒸发器主要尺寸表加热管加热室别离室循环管规格长度/m根数直径/mm长度/m直径/mm高度/m直径/mmФ15mm×3mm138400约1800170醇析罐设计计算醇析过程主要是将水提后的多糖溶液进一步进行醇析提取，已得到纯度较高的多糖。醇析过程主要在常温下进行操作，因为乙醇容易挥发，温度过高会使乙醇大量挥发而产生浪费，并且高温操作也会带来危险。〔1〕醇析罐体积计算物料衡算：由于整个过程为间歇操作，按照任务量可知每次进料为2000kg，含糖量为0.35%，经过蒸发器蒸发浓缩后浓度达0.1%，可计算出每次投入醇析罐的量为：2000×0.35%=1%m那么，m=7/0.01kg=700kg由于参加的糖溶液中99%为水，那么溶液密度近似可按水密度计算，那么：V水=700/1000m3=按照物料衡算可计算得到参加95%乙醇的体积，计算如下：〔V水+V〕70%=95%VV≈2m所以，每次参加95%乙醇的量为2m3因为可按体积加和性来计算，所以可近似认醇析时的体积为2.7m取装填系数为：0.85那么，V实=2.7/0.85=3.1m3，查文献[16]可取醇析罐H/D所以，，H=1.1D=1.1×1.5=1.65〔2〕醇析罐材料选择设计选用三个提取罐，取其壁厚为20mm，材料为20R〔GB6654〕；许用温度为>-20℃厚度20mm<34mm；压力位1.01MPa。脱蛋白罐设计计算脱蛋白过程主要是为了使多糖里含有的蛋白类物质脱除掉，因为蛋白存在将对多糖的保健及医疗效果有较大影响。在脱蛋白过程中按照1:1的物料与氯仿-正丁醇的比例混合脱除，脱除温度在常温下进行。〔1〕脱蛋白罐体积计算参加的过滤后的多糖经过与水1:10溶解后参加到脱蛋白罐，那么参加体积可得：m=7×10kg=70kgV1=m/ρ=70/1000=0.07m所以V=2V1=2×0.07=0.14取装填系数为：0.82那么，V实=0.14/0.82=0.17m3，查文献[18],可取醇析罐H/D所以，，圆整后取D=450mm，H=1.1D=1.1×450mm=495mm〔2〕脱蛋白罐材料选择设计选用三个提取罐，取其壁厚为10mm，材料为20R〔GB6654〕许用温度为>-20℃厚度10mm<34mm压力位1.01MPa。枯燥器的计算及选择设计处理的多糖液体含水量为85.7%〔湿基〕，环境温度t0=20℃，相对湿度为80%，加热蒸汽的压力为0.8MPa，进风温度t1=160℃，排风温度t2=80℃〔1〕水分蒸发量〔2)多糖产量〔3〕进风量根据t0=20℃x0=0.0118kg水蒸气/kg干空气I0=49.24kJ/kg干空气当t1=160℃，t2=80℃时，在I1=I2=192.59kJ/kg干空气x=0.0425kg水蒸气/kg干空气所以，kg干空气/h根据计算求得空气在20℃时比容γ0=0.87m所以进风量为：V0=Lν0=244.3×0.87=212.54m3〔4〕排风量根据计算，80℃时，尾气排出时的含湿空气比容γ2=1.09m所以排风量为：V2=Lν2=244.3×1.09=266.3m3〔5〕总热耗理论热耗：Qt=I(I2-I0)=212.54×(192.59-49.24)=30467.6kJ/h因为在运行中有设备的热量损耗，这里设定热量损耗为8%，那么〔6〕空气加热管面积查饱和水蒸汽性质表得，当表压为0.8Mpa时，饱和蒸汽温度为T=174.5℃，饱和蒸汽的比热焓为：I=2778kJ/kg，冷凝水比热焓i=734.1kJ/kg对数平均温度为：那么，极热面积〔7〕蒸汽消耗量所以，可选择喷雾枯燥器型号为：PD-2型，其主要技术参数如下表4.3：表4.3喷雾枯燥器主要参数表型号水分蒸发量/kg所需功率/kwPD-21435储罐的选择=1\*GB3①储罐〔Ⅰ〕的用途是用来暂存原料，主要起到缓冲作用然后送入下一步处理。设计按一天提取的任务量来计算，那么所需要的体积为：V=3×3=9m3填充系数：0.85罐实际容积：V实=10m查文献[16],可选储罐型号为：HG5-1574-85计算容积为10m3，储罐内径为2000mm，罐壁高度为：3185mm，拱顶高度为：260mm，总高：3445mm，拱顶厚度：5.5mm所用材料为：20R〔GB66547〕储罐的液位计选择：钢与玻璃烧结液位计〔HG21606—1993〕其适用范围：钢与玻璃烧结液位计用于观察化工、石化、医药等。使用温度：0~18设计压力：-0.1~2.5MPa其储罐主要参数见下表4.4〔a〕表4.4〔a〕提取后原料储罐主要参数表公称容积/m3公称直径/mm拱顶高度/mm拱顶厚度/mm总高度/mm管壁高度/mm10200085.534453185=2\*GB3②储罐〔Ⅱ〕的用途是存储乙醇本储罐标准系列的设计压力为常压，设计温度为0℃≤t≤200℃，公称容积Vg为0.1~所以根据乙醇储罐的大小可选择储罐型号为：HG5-1573-85-19，其主要参数如下表4.4：表4.4〔b〕乙醇储罐主要参表公称容积/m3全容积/m3公称直径/mm厚度/mm高度/mm允许腐蚀裕度/mm储罐质量/kg66.282000820002.511604.2主要设备工艺计算及选型精馏过程原理和条件精馏是多级别离过程，即屡次而且同时运用局部气化和局部冷凝的方法，使混合液得到较完全别离，以分别获得接近纯组分的操作。利用t-x-y相图，可以对精馏原理作具体的分析说明。如图4.1将组成为xF，温度为tF的混合液加热到t1，使其局部气化，并将气相与液相分开，可得到气相组成为y1，液相组成为x1产品。图4.1屡次局部汽化和冷凝的t-x-y理论上屡次局部气化在液相中可获得高纯度的难挥发组分，屡次局部冷凝在气相中可获得高纯度的易挥发组分，但因产生大量中间组分而使产品量极少，且设备庞大。工业生产中的精馏过程是在精馏塔中将局部气化过程和局部冷凝过程有机结合而实现操作的。如以下图4.2所示为一精馏塔。下面由加热釜(再沸器)供热，使釜中残液局部汽化后蒸汽逐板上升，塔中各板上液体处于沸腾状态。顶部冷凝得到的馏出液局部作回流入塔，从塔顶引人后逐板下流，使各板上保持一定液层。上升蒸汽和下降液体呈逆流流动，在每块板上相互接触进行传热和传质。原料液于中部适宜位置处参加精馏塔，其液相局部也逐板向下流入加热釜，汽相局部那么上升经各板至塔顶。由于塔底部几乎是纯难挥发组分，因此塔底部温度最高，而顶部回流液几乎是纯易挥发组分，因此塔顶部温度最低，整个塔内的温度由下向上逐渐降低。图4.2精馏塔中物料流动示意图精馏操作分析可知，为实现精馏别离操作，除了具有足够层数塔板的精馏塔以外，还必须从塔顶引人下降液流(即回流液)和从塔底产生上升蒸汽流，以建立汽液两相体系。因此，塔底上升蒸汽流和塔顶液体回流是精馏过程连续进行的必要条件。精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)，液两相之间的传质，而作为气(汽)，液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)，液两相得到充分的接触，以到达较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备以下各种根本要求：(1)气(汽)，液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带，拦液或液泛等破坏操作的现象。(2)操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)，液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。(3)流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。(4)结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。(5)耐腐蚀和不易堵塞，方便操作，调节和检修。(6)塔内的滞留量要小。塔设备的类型气—液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。板式塔为逐级接触型气-液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气-液接触元件的不同，可分为泡罩塔，浮阀塔，筛板塔，穿流多孔板塔，舌形塔，浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。

工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)，筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油，化学工业生产的迅速开展，相继出现了大批新型塔板，如S型板，浮阀塔板，多降液管筛板，舌形塔板，穿流式波纹塔板，浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔，筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。〔1〕筛板塔

筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：=1\*GB3①结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%，为浮阀塔的80%左右。=2\*GB3②处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15%。=3\*GB3③塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。=4\*GB3④压降较低，每板压力比泡罩塔约低30%左右。筛板塔的缺点是：=1\*GB3①塔板安装的水平度要求较高，否那么气液接触不匀。=2\*GB3②操作弹性较小(约2～3)。=3\*GB3③小孔筛板容易堵塞。〔2〕浮阀塔在泡罩塔的根底上开展起来的，它主要的改良是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改良使浮阀塔在操作弹性，塔板效率，压降，生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏，吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有以下特点：=1\*GB3①处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40%，而接近于筛板塔。=2\*GB3②操作弹性大，一般约为5～9，比筛板，泡罩，舌形塔板的操作弹性要大得多。=3\*GB3③塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。=4\*GB3④压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。=5\*GB3⑤液面梯度小。

=6\*GB3⑥使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。=7\*GB3⑦结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80%，为筛板塔的120～130%。根据工艺要求，本设计中选用浮阀塔。4.3精馏塔工艺设计计算精馏塔的物料衡算根据任务可知，年产酒精是1800吨，按每年150天计算，那么平均产量为；产物浓度〔酒精〕95％〔v〕，而换算为质量浓度为93.9％；进料体积浓度为70％，换算为质量浓度为67.2％；查文献[19]可知：乙醇含量70％时，密度；乙醇含量95％时，密度。所以釜液出料浓度控制在0.01％以内，所以全塔物料衡算：F=D+WFxF=DxD+WxW又因为所以解得F=22.95kmol/hW=11.05kmol/h工艺中采用冷液进料，又因为L=RD其中取R=2.5由《T-X-Y》图可知，当xF=0.445时，乙醇—水溶液的泡点为80.05℃，在品均温度为〔80.05+30〕乙醇的比热容2.994kJ/kg﹒K乙醇的汽化潜热864kJ/kg水的比热容4.18kJ/kg﹒K水的汽化潜热2258kJ/kg换算成摩尔单位：乙醇的摩尔比热容CmA=137.73kJ/kmol﹒K乙醇的摩尔汽化潜热rA=38916kJ/kmol水的摩尔热熔CmB=75.26kJ/kmol﹒K水的摩尔汽化潜热rB=40644kJ/kmol比拟水与乙醇的摩尔汽化潜热可知，系统满足衡摩尔流假设，那么：加料液的品均摩尔热容：加料液的平均汽化潜热：所以可得：理论塔板数的计算〔1〕作t-x-y图查文献[17]可知乙醇－水溶液气液平衡数据，作t-x-y图图4.3常压下乙醇－水溶液的t-x-y图图4.4常压下乙醇－水溶液的x-y图〔2〕由平衡数据作得x-y图，求得最小回流比因为乙醇－水溶液的x-y曲线是非正常曲线，所以只能用图解法求得最小回流比，方法是过xD点作与x-y相切的直线，直线交于y轴〔0，0.27〕，求得直线的斜率k，由此可以得到k＝0.66；所以＝1.9，那么由经验数据取得R=2.5∈〔1.1～2.0〕Rmin，那么R=2.5。那么精馏段操作线方程为：提馏段液相流量：L′=L+qF=29.75+1.13×22.95=55.68kmol/h提馏段汽相流量：V′=L′-W=55.68-11.05=44.63kmol/h那么提馏段操作线方程为：〔3〕逐板计算法计算理论板数由相平衡方程可知，根据乙醇—水体系的相平衡数据可计算出相对挥发度，结果如下：当x＞0.7，y＞0.755时，a=1.29;当x∈(0.6，0.7)，y∈(0.698，0.755)时，a=1.43;当x∈(0.5，0.6)，y∈(0.657，0.698)时，a=1.72;当x∈(0.3，0.5)，y∈(0.575，0.657)时，a=2.44;当x＜0.3，y＜0.575时，a=4.5;因为q=1.13，那么由可得：塔顶，按逐板计算方法可算：精馏段：从第一块板下降的液相组成：从第二块板上升的汽相组成：从第二块板下降的液相组成：从第三块板上升的汽相组成：从第三块板下降的液相组成：从第四块板上升的汽相组成：从第四块板下降的液相组成：从第五块板上升的汽相组成：从第五块板下降的液相组成：同理可知：，；，；，；，；，；，；，；因为，那么从第十二块板加料，此处为进料板。提馏段：从第十三块板上升的汽相组成：从第十三块板下降的液相组成：同理可知：，；，；，；，；，；，；，；所以求得理论板数为20块，加料板载第十二块。〔4〕塔板效率的计算查文献[17]可知：塔顶：xD=0.858时，tD=78.2℃塔釜：xW=0.00004时，tW=99.6℃所以塔顶和塔釜的算数平均温度为，由此查文献[17]知，在88.9℃时，。根据公式可得：所以，由奥康奈尔关联式：可得塔板效率为：〔5〕实际板数及加料位置确实定，取整数加料板位置，取整数所以在第21快板加料〔由上向下数〕塔内各主要物性参数确实定〔1〕确定进料温度、塔顶回流温度、塔釜温度及压力=1\*GB3①进料温度、塔顶回流温度和塔釜温度，可以从t-x-y图查得，并根据工业实践数据确定进料温度：tF=81塔顶回流温度：tD=78.2塔釜温度：tW=99.6=2\*GB3②平均操作温度精馏段提馏段=3\*GB3③塔内压力塔顶：P1=101.3KPa进料：PF=101.3+21×0.7=116KPa塔釜：PW=116+15×0.7=126.5KPa精馏段平均压力：P=(101.3+116)/2=105.65KPa提馏段平均压力：P=(116+126.5)/2=121.3KPa〔2〕摩尔质量计算=1\*GB3①对于塔顶y=xD=0.858查t-x-y图x1=0.84=2\*GB3②对于加料板xF=0.454查t-x-y图y=0.64=3\*GB3③对于塔釜xw=0.00004查t-x-y图y=0.00051=4\*GB3④精馏段气液平均摩尔质量=5\*GB3⑤提馏段气液平均摩尔质量塔内各处摩尔质量见下表4.5表4.5塔内各处物料摩尔质量塔顶进料塔釜MV(g/mol)42.0235.9218.02ML(g/mol)41.5230.4618精馏段平均密度MV(g/mol)38.97精馏段平均密度ML(g/mol)35.99提馏段平均密度MV(g/mol))26.97提馏段平均密度ML(g/mol)24.23〔3〕平均密度计算=1\*GB3①计算汽相的密度故精馏段气体的密度提馏段气体的密度=2\*GB3②计算液相平均密度由公式可计算出液相密度。塔顶：tD=78.2℃时，，(A为易挥发组分，B所以：进料板：，；塔釜：，所以精馏段液相平均密度为：提馏段液相平均密度为：所得数据汇于下表4.6：表4.6塔内各处物料密度塔顶进料塔釜ρA(kg/m3)742.1744.6726.4ρB(kg/m3)971.2973.3956.3wA0.9390.6720.00012ρL(kg/m3)753.1806.78753.1精馏段平均密度ρL(kg/m3)753.1精馏段平均密度ρV(kg/m3)779.94提馏段平均密度ρL(kg/m3)879.59提馏段平均密度ρV(kg/m3)1.08〔4〕求液体的外表张力查文献[19]可得得25℃时，不同浓度酒精外表张力如下表4.725℃乙醇摩尔分数0.8580.4540.00004外表张力mN/m23.128.564在不同温度时对酒精的外表张力进行换算，采用如下方法：查得乙醇Tic=243℃，水Tic=所以，计算数据汇于下表4.8：表4.8塔内各处外表张力塔顶进料塔釜组成0.8580.4450.00004温度℃78.28199.6临界Tmc261.6315.8374.2外表张力mN/m17.0222.0547.97故精馏段平均外表张力提馏段平均外表张力〔5〕参数汇总，见表4.9：表4.9塔内主要参数汇总精馏段提馏段气相密度〔kg/m3〕1.441.08液相密度〔kg/m3〕779.94879.59气相分子量(g/mol)38.9726.97液相分子量(g/mol)35.9924.23外表张力(mN/m)19.5435.01塔的初步计算〔1〕精馏塔的气液负荷计算精馏段：体馏段：〔2〕塔径的计算查文献[17]，根据浮阀塔板间距参数，初设塔板间距HT=0.3m，取板上液层高度hl=0.06m，那么:=1\*GB3①精馏段塔径确实定所以查图4.5可知：C20=0.052图4.5smith图，取那么：估算塔径=2\*GB3②提馏段塔径确实定所以,查smith图得C20=0.053，取那么：估算塔径为了便于制造，圆整取D=800mm；查阅文献[17]，根据板间距与塔径关系，可知塔径D与板间距适宜，且有效塔高H0=NHT=36×0.3=10那么塔截面积空塔气速(3)溢流装置选用单溢流弓形降液管，不设进口堰，各项计算如下：=1\*GB3①堰长Lw，取Lw=0.6D=480mm=2\*GB3②出口堰高hw查阅文献[17]，知hw=hl-how；采用平直堰、堰上液层高度how按照文献[17]中公式计算，即；其中：lh——液体体积流量m3/hlw——堰长m对于精馏段：可近似取E=1，因Lw=0.48m，lh=0.00038×3600m3取清液高度hL=0故hw=hl-how=(0.05-0.0057)m=0.0443m对于提馏段：Lw=0.48m，lh=取清液高度hL=0.h′w=hl-how=(0.05-0.00595)m=0.04405m〔4〕弓形降液管宽度Wd和面积Af因为lw/D=0.6查图4.6可知：故，依据查阅文献[17]公式计算得液体在降液管中的停留时间：所以，对精馏段：提馏段：故降液管设计合理，并可用。〔5〕降液管底隙高度h0降液管底隙高度依据下式计算：根据经验取u′0=0.35m/s，那么：精馏段：提馏段：故降液管底隙高度设计合理。图4.6弓形降液管参数图〔6〕塔板布置=1\*GB3①塔板的分块因为塔径D=800mm，故塔板采用分块式，根据下表可知，塔板分为3块。表4.10塔板分块数塔径/mm800~12001400~16001800~20002200~2400塔板分块数3456=2\*GB3②安定区和边缘区宽度的选择入口安定区W′s可取为50~100mm，出口安定区宽度Ws一般等于W′s，但是根据大量的工业实践，目前多主张设出口安定区。边缘区宽度为Wc，与塔径有关，一般可取25~50mm。故可取W′s=0.06m，Wc=0.03m。〔7〕浮阀塔计算及浮阀数目与排列采用F1型种阀，重量约为33g，孔径为39mm；那么浮阀数目可按下式计算：气体通过阀孔的速度：;取临界浮阀动能因数为F0=10，那么精馏段：，取N=32个；提馏段：，取N=26个。按t=90mm以等边三角形交叉排列作图，排列阀数为37个，如以下图4.7所示图4.7塔板结构图以N=37重新核算孔速及阀孔动能因数，那么精馏段：塔板开孔率f=0.63/7.8=8.1%；提馏段：塔板开孔率f=0.63/7.5=8.5%，一般塔板开孔率在4%~12%之间，所以设计的开孔率在此范围内，设计合理。塔板流体力学计算(1)气体通过浮阀塔板的的压强降可查阅文献[17]可知计算塔板压强降公式为：=1\*GB3①干板阻力在设计中可按下式计算：阀片全开前：阀片全开后：那么阀片全开前：精馏段：提馏段：阀片全开后：=2\*GB3②板上充气液层阻力取板上液层充气系数，那么=3\*GB3③液体外表张力造成的阻力此阻力很小，可以忽略不计所以，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为精馏段：hp=hc+hl=(0.037+0.025)m=0.062m提馏段：hp=hc+hl=0.057m(2)液泛现象为了防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层的高度，可用下式计算，即=1\*GB3①与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度前面已经计算出精馏段：hp=0.062m；提馏段：hp=0.057m。=2\*GB3②液体通过降液管的压头损失因不设进口堰，故精馏段：提馏段：=3\*GB3③板上液层高度前已选定板上液层高度hL=0.05m所以，精馏段：Hd=(0.062+0.05+1.21×10-4)m=0.112m提馏段：Hd=(0.057+0.05+1.12×10-4)m=0.1取Ф=0.4，又已选定HT=0.3对精馏段：hw=0.0443m，Hd<0.138对提馏段：hw=0.04405mHd<0.138可见，符合防止液泛现象发生的要求。(3)雾沫夹带按文献[17]公式计算泛点率，公式如下：泛点率＝及泛点率＝板上液体流经长度板上液流面积乙醇－水系统可取物性参数K=1，查图4.5得泛点负荷系数CF=0.052,故精馏段：泛点率＝及泛点率＝提馏段：泛点率＝及泛点率＝结论：对于直径0.9m以下的塔，为了防止过量的雾沫夹带，应控制泛点率不超过70％，计算出的的泛点率都在70％以下，故可知雾沫夹带量能够满足要求，设计合理。塔板负荷性能图〔1〕雾沫夹带线可依据下式计算，即泛点率＝按泛点率为70%进行计算如下：对于一定物系及一定塔板结构，式中ρV,ρL,Ab,K,CF及ZL均为值，eV=0.1的泛点率上限值一亦可确定，将各数值带入上式，便得出VS—LS的关系式，据此可作出负荷性能图中的雾沫夹带线按泛点率70％计算如下：精馏段：整理得：提馏段：整理得：〔2〕气相负荷下限线对于F1重型阀，依据计算，，，那么故，精馏段：提馏段：(3)液相负荷下限线精馏段：取E=1，how=0.0057m，那么整理得：LS=0.00038m3/提馏段：取E=1，how=0.00595整理得：LS′=0.0004(4)液泛线液泛线方程为：所以可根据精馏段和提留段分别进行计算，计算结果如下：其中=1\*GB3①精馏段：所以可知精馏段液泛方程为：=2\*GB3②提馏段：同精馏段一样，计算得出：a′=0.01713;b′=0.0715;c′=1152.89;d′=1.632所以可知提馏段液泛方程为：(5)液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3～5s，依据下式知液体在降液管中停留时间求出上限液LS值〔常数〕，在VS—LS图上液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线以Ө=5s作为液体在管中停留的时间下限，那么根据以上所计算出的数据可分别作出塔板负荷性能图，精馏段负荷性能图如以下图4.8〔a〕所示：图4.8〔a〕塔板负荷性能图由塔板负荷性能图上可以看出：任务规定的气、液负荷下的操作点处于适合操作区内适中位置塔板的气相负荷上限由液泛线控制，操作下限由液漏线控制按照规定的液气比，由附图查出塔板的气相负荷上限D/m，气相负荷下限(VS)min=0.00038m操作弹性＝0.00166/0.00038=4.36精馏段负荷性能图如以下图4.8〔b〕所示：图4.8〔b〕塔板负荷性能图由塔板负荷性能图上可以看出：任务规定的气、液负荷下的操作点处于适合操作区内适中位置塔板的气相负荷上限由液泛线控制，操作下限由液漏线控制按照规定的液气比，由附图查出塔板的气相负荷上限D/m，气相负荷下限(VS)min=0.0004m操作弹性＝0.00166/0.0004=4.15将计算结果汇总列于下表4.11中：(m3/s)表4.11计算结果汇总表工程数值及说明备注塔径D/m0.8板间距HT/m0.3塔板形式单溢流弓形降液管整体式塔板堰长LW/m0.48堰高hW/m0.05板上液层高度hl/m0.06降液管底隙高度ho/m0.03浮阀数N/个37正三角形叉排阀孔气速uo/(m/s)精馏段7.8提馏段7.2阀孔动能因数Fo精馏段9.4提馏段7.5孔心距t/m0.09液体在降液管中所停留时间θ/s精馏段21.8提馏段20.5泛点率/%精馏段68.1提馏段56.0操作弹性精馏段4.36提馏段4.154.4精馏塔辅助设备选型冷凝器热负荷及选型全凝器降塔顶的蒸汽冷凝为液体，其中局部回流，局部作为产品。全凝器选用列管式固定管板换热器。对全凝器作热量衡算，以1h为基准并忽略损失，那么：因，带入上式并整理得；又冷却介质为20℃的自来水，蒸汽走壳程，自来水走管程，逆流流动。由经验数据可取出口温度t2=70查数据得93.9％的混合液气化热：r=39.3kJ/mol当t1=20℃时，水的比热容当t2=70℃时，水的比热容故平均比热容所以热负荷冷却水用量由T1=T2=78.2℃，t1=20℃t2=70平均温度差由文献[25]查得：冷却水〔管内〕冷凝有机蒸汽〔管间〕时，总传热系数K=580~1160W/(m2·K)根据实际取K=900W/(m2·K)由得为了保证平安生产，计算结果乘上平安系数C=1.2，得换热面积S实际=C·S=1.2×19=22.8m那么查阅文献[18]选取的冷凝器主要尺寸如下表4.12：表4.12冷凝器尺寸表公称直径/mm管程数/n管子根数换热管长度/mm面积/m2325288450023.1再沸