食品工程原理课程设计

食品工程原理课程设计说明书甲醇、水填料精馏塔的设计姓名：学号：班级：指导老师：目录一、设计任务书……………………………………………………………………3二、设计方案简介…………………………………………………………………3三、工艺计算……………………………………………………………………51．基础物性数据……………………………………………………………………5（1）液相物性的数据……………………………………………………………5（2）气相物性数据………………………………………………………………5（3）气液相平衡数据……………………………………………………………5（4）物料衡算………………………………………………………………………62．填料塔的工艺尺寸的计算………………………………………………………7（1）塔径的计算…………………………………………………………………7（2）填料层高度计算……………………………………………………………9（3）填料塔附属高度及总高计算…………………………………………11（4）填料层压降计算……………………………………………………………11（5）液体分布器简要设计………………………………………………………12（6）吸收塔接管尺寸计算………………………………………………………13四、设计一览表……………………………………………………………………13五、主要符号说明…………………………………………………………………14六、参考文献………………………………………………………………………15七、附图……………………………………………………………………………食品工程原理课程设计任务书设计题目：分离甲醇-水混合物的填料精馏塔第一章流程的确定和说明一、加料方式加料方式有两种，高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用相应增加，采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采用高位槽加料。二、进料状况进料状况一般有冷夜进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加料费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，冷液进料会增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，股精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。三、塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高，无需进一步冷却，此次分离也是希望得到甲醇，选用全凝器符合要求。四、回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔，回流冷凝器一般装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或板数较多时，回流冷凝器不宜安装在塔顶。而且塔顶冷凝器不宜安装、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝器冷却以冷回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故采用重力回流。五、加热方式加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下，塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论塔板数，缺点是增加加热装置，本次设计采用间接蒸汽加热。六、加热器采用U形管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂。因为塔较小，可将加热器放在塔即再沸器。这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少理论塔板数。第二章精馏塔的设计计算第一节操作条件及基础数据一、操作压力精馏操作按操作压力可分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力太低时，对设备要求较高，设备费用增加。因此再设计时一般采用常压精馏。甲醇-水系统在常压下挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。二、气液平衡时x、y、t数据气液平衡时，x、y、t数据如表1所示表1气液平衡关系表温度t/℃甲醇摩尔分数温度t/℃甲醇摩尔分数液相x/%气相y/%液相x/%气相y/%1000073.846.2077.5692.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.8388.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.710010076.733.3369.18注：摘自《化工工艺设计手册》下册P710表19-38（2）第二节精馏塔工艺计算一、物料衡算1.物料衡算图15000kg/h,20%95%0.2%2.物料衡算已知：F=15000kg/h,质量分数：Fx=20%,Dx=95%,Wx=0.2%甲醇M=30.04kg/kmol,水M=18.02kg/kmol进料液、馏出液、釜残液的摩尔分数分别为Fx、Dx、Wx：123.002.18/8004.32/2004.32/20Fx914.002.18/504.32/9504.32/95Dx00113.002.18/89.904.32/2.004.32/2.0Wx进料平均相对分子质量：4.71902.18)123.01(04.32123.0Mkg/h原料液：88.759kg/mol98.25kg/h15000Fkmol/h总物料：WDF易挥发组分：WDFWxDxFx代入数据解得：kmol/h34.4658kmol/h46.4101WD塔顶产品的平均相对分子质量：834.30)914.01(02.18914.004.32DMkg/kmol塔顶产品质量流量：986.3127446.101834.30DMDDkg/kmol塔釜产品平均相对分子质量：036.18)00113.01(02.1800113.004.32WMkg/kmol塔釜产品质量流量：11875052036.18434.658WMWWkg/h3.物料衡算结果表2物料衡算结果表塔顶出料塔底出料进料质量流量/(kg/h)3127.98611875.5215000质量分数/%950.220摩尔流量/(kmol/h)101.446658.434759.88摩尔分数/%91.40.11312.34.塔顶气相、液相、进料和塔底的温度分别为VDt、LDt、Ft、Wt查表1，用内插法算得：塔顶：CttLDLD20.669.667.649.6641.8710041.874.91CttVDVD16.670.689.660.6862.8994.9162.894.91塔釜：CttWW85.999.9210010031.50113.00进料：CttFF85.859.880.859.8826.915.1326.93.12精馏段平均温度：CtttFVD51.76285.8116.6721提馏段平均温度CtttFW85.92285.8585.99225.平均相对挥发度取yx曲线上两端点温度下的平均值查表1可得：9.92t℃时，05.731.5)34.28100()31.5100(34.28)1()1(1xyxyxyxyABBA9.66t℃时，64.141.87)94.91100()41.87100(94.91)1()1(2xyxy所以35.4264.105.72216.回流比的确定作图法由图可知：1100minRxD40.05所以，5.4014.91minR得：minR1.26又操作回流比R可取：R=(1.1~2)Rmin所以R=2Rmin=2×1.26=2.55二、热量衡算1.热量示意图2.加热介质的选择常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时得传热系数很高，可以通过改变蒸汽压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适用于高温加热。烟道气的缺点是比热容及传热系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133℃）的饱和水蒸气作为加热介质。水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。3.冷却剂的选择常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃.如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为沈阳。沈阳市夏季最热月份平均气温为25℃，故选用25℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为35℃.4.热量衡算（1）冷凝器的热负荷)()1(LDVDcIIDRQ式中VDI塔顶上升蒸汽的焓；LDI塔顶馏出液的焓。又水甲VDVDLDVDHxHxII)1(式中甲VH甲醇的蒸发潜热；水VH水的蒸发潜热。蒸发潜热的计算：蒸发潜热与温度的关系38.01212)11(rrVVTTHH式中rT对比温度。表3沸点下蒸发潜热列表沸点/℃蒸发潜热VH/(1kJ/kg)cT/K甲醇64.71105513.15水1002257648.15注：摘自《化工原理》修订版，上册附录4(P328~329)及附录18(P350~351)。67.16℃时，甲醇：663.015.51316.6715.27322crTTT658.015.5137.6415.27311crTTT蒸发潜热：833.1098)658.01663.01(110538.0甲VH同理，水：523.015.64816.6715.27322crTTT576.015.64810015.27311crTTT蒸发潜热：kgkjHV/550.2356)576.01525.01(225738.0水所以kgkjHxHxIIVDVDLDVD/67.801550.2356)914.01(833.1098914.0)1(水甲所以hkJIIDRQLDVDc/109.867.801986.3127)155.2()()1(6(2)冷却水消耗量)(12ttCQWpccc式中cW冷却水消耗量；kg/h;pcC冷却介质在平均温度下的比热容，C)kJ/(kg21,tt冷却介质在冷凝器进出口处的温度，℃。所以Cttt2523515221此温度下冷却水的比热容)/(18.4CkgkJCpc所以hkgttCQWpccc/106.1)1535(18.41034.1)(5712(3)加热器热负荷及全塔热量衡算列表计算甲醇、水在不同温度下混合物的比热容pC（单位：C)kJ/(kg）塔顶塔釜进料精馏段提馏段甲醇(1)3.0793.5013.3143.1983.448水(2)4.1834.2204.2034.1934.215精馏段：甲醇kgkJttCFLDp/481.62)85.8520.66(198.3)(1水kgkJttCFLDp/392.82)85.8520.66(193.4)(2提馏段：甲醇kgkJttCFWp/272.48)85.8585.99(448.3)(1