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1、食品工程原理课程设计说明书设计题目： 设计者：班级 姓名 学号 指导教师： 设计成绩： 日期 黑龙江八一农垦大学食品学院目 录设计目的- 3 -设计思路- 3 -设计计算- 3 -（一）设计方案的确定- 3 -（二）精馏塔的物料衡算- 3 -1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率- 3 -2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量- 4 -3.物料衡算- 4 -(三)塔板数的确定- 4 -1.理论板层数NT的求取- 4 -2.实际板层数的求取- 5 -（四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算- 6 -1操作压力的计算- 6 -2操作温度的计算- 6 -3平均摩尔质量计算- 6 -4.平均密度计算
2、- 6 -5. 液体平均表面张力的计算- 7 -6.液体平均粘度计算- 7 -(五)精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 8 - 1.塔径的计算- 8 -2.精馏塔有效高度的计算- 9 -（六）塔板主要工艺尺寸的计算- 9 -1. 溢流装置的计算- 9 -2.塔板布置- 11 -（七）筛板的流体力学验算- 12 -1.塔板压降- 12 -2.液面落差- 13 -3.液沫夹带- 14 -4.漏液- 14 -5.液泛- 14 -（八）塔板负荷性能图- 14 -1.漏液线- 14 -2.液沫夹带线- 15 -3.液相负荷下限线- 16 -4.液相负荷上限线- 16 -5.液泛线- 16 -参考文献- 17 -
3、结束语- 17 -乙醇水连续筛板精馏塔工艺设计设计目的 综合运用“化工原理”和相关选修课程的知识，联系化工生产的实际完成单元操作的化工设计实践，初步掌握化工单元操作的基本程序和方法。 熟悉查阅资料和标准、正确选用公式，数据选用简洁，文字和工程语言正确表达设计思路和结果。 树立正确设计思想，培养工程、经济和环保意识，提高分析工程问题的能力。设计思路 在一常压操作的连续精馏塔内内分离乙醇水混合物。原料液的组成，塔顶馏出液的产量、组成，塔底釜液的组成。乙醇产量3吨/年，乙醇纯度93%，原料的纯度30%釜液中乙醇含量0.03%。设计条件如下： 操作压力 4kPa(塔顶表压)： 进料热状况 自选； 回流
4、比 自选： 单板压降 0.7kPa； 全塔效率 ET55：根据上述工艺条件做出筛板塔的设计计算。设计计算（一）设计方案的确定 本设计任务为分离乙醇水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送至精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。（二）精馏塔的物料衡算1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 MA=46.07kg/knol水的摩尔质量 MB=18.0
5、1kg/kmolXF=XD=XW=2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=MD=MW=3.物料衡算原料处理量 F=kmol/h总物料衡算 189.12=D+W乙醇物料衡算 联立解得 D=30.19kmol/h W=158.93 kmol/h(三)塔板数的确定1.理论板层数NT的求取乙醇水属理想物系，可采用图解法求理论板层数。（1）根据下列图表液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数液相中乙醇的摩尔分数气相中乙醇的摩尔分数0.00.00.250.550.010.110.300.5750.020.1750.240.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.0
6、80.3920.70.7550.10.430.80.820.140.420.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0乙醇水物系的气液平衡数据绘图XY （1） 求最小回流比及操作回流比 采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e(0.144,0.144)作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为yq=0.348 Xq=0.144 故最小回流比为Rmin=取操作回流比 R=2 Rmin=2（2） 求精馏塔的气、液相负荷L=RD=2.430.19=72.456kmol/hV=(R+1)D=(2.4+1)30.19=102.65 kmol/hL=
7、L+F=72.456+189.12=261.58 kmol/hV=V=102.65kmol/h(4)求操作线方程 精馏段操作线方程为y=提留段操作线方程为 y=(5)图解法求理论板层数采用图解法求理论板层数，如上图所示。求解结果为总理论板层数 NT=9(不包括在沸器)进料板位置 NF=3.52.实际板层数的求取精馏段实际板层数 N精=提留段实际板层数 N提=（四）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算以精馏段为例进行计算1操作压力的计算塔顶操作压力 pD=101.3+4=105.3kPa每层塔板压降 p=0.7 kPa进料板压力 PF=105.3+0.7精馏段平均压力 Pm=kPa2操作温度的计
8、算由安托尼方程计算，计算过程如下:方程为P=pADxA+pBDxA式中：X溶液中组分的摩尔分数;P溶液上方的总压，Pa;PD 同温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa(下标A表示易挥发组分，B表示难挥发的组分)安托尼方程为：lgP0=A-式中：P0在温度为T是的饱和蒸汽压，mmHgT温度。A. B.C为安托尼常数，其值见下表安托尼常数组分ABC乙醇8.044961554.3222.65水7.966811668.21228108.04496-+107.96681-=105.3利用试参的方法求出 塔顶温度 tD=81.8同样的方法求出 进料板温度tF=99.5 精馏段平均温度 tm=塔顶平均摩尔质量计算由
9、xD=y1=0.839,查平衡曲线得 X1=0.771 MvDm=kg/kmol MLDm=kg/kmol进料板平均摩尔质量计算由图解理论版得 yF=0.348查平衡曲线得 xF=0.144 Mvfm=kg/kmol MLFM=kg/kmol精馏段平均摩尔质量 MVM=kg/kmol MLM=kg/kmol4.平均密度计算（1）气相平均密度计算由理想气体状态方程计算即 VM= (2)液相平均密度计算液相平均密度计算依下式计算即 塔顶液相平均密度计算由tD=81.8由下表温度/2030405060708090100110乙醇密度/kg/m37957857777657557467357307167
10、03水的密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0A=734.1kg/ m3同样的方法求出： B=970.65kg/ m3kg/ m3进料板的液相平均密度的计算进料板液相平均密度的计算由tf=99.5同塔顶液相平均密度的计算过程A=716.7kg/ m3 B=958.75kg/ m3进料板液相的质量分率 A= kg/ m3精馏段的平均密度LM=(746.84+870.55)/2 = 808.70kg/ m35. 液体平均表面张力的计算 LM=塔顶液相平均表面张力的计算由tD=81.8温度/2030405060708090
11、100110乙醇表面张力x10-3/N/m22.321.220.419.818.81817.116.215.214.4水表面张力x10-3/N/m72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9A=16.98mN/m B=62.26mN/mLDm=0.83916.98+0.16162.26=24.27mN/m进料板液相平均表面张力的计算由tF=81.8同塔顶液相平均密度的计算过程A=15.52mN/m B=58.90mN/mLFm=0.34815.25+0.65258.90=43.71mN/m精馏段的液相平均表面张力为LM =（24.27+43.71）/2=33
12、.98mN/m6.液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算即lguLm=xilgui塔顶液相平均粘度的计算已知：Lgu乙= 乙醇的 A =686.64 B=300.88塔顶 Lgu乙=乙=0.449mPas 同理水=0.364mPaslglDm=0.839lg0.449+0.161lg0.3564lDM=0.433mPas同理进料板液相平均粘度的计算tF=99.5 乙 =0.364mPas 水=0.219mPaslgLfM=0.144lg0.364+0.856lg0.219lfm=0.236mPas 精馏段液相平均粘度为lm=(0.433+0.236/2=0.3345mPas （五）精馏塔的塔体
13、工艺尺寸计算 1.塔径的计算精馏塔的气，液体体积流率为 Vh=m3/sLh=m3/s由umax=式中的C由公式C=C20=()计算，其中的C20由史密斯关联图查取，图的横坐标为=取板间距HT=0.45m 板上液层高度hL=0.07m,则HT-hL=0.45-0.07=0.38查图10-27得Cs=0.078C=C20=()=0.078 取设计的泛点率为0.7，则空塔气速为D=m按标准塔径圆整后为 D=0.8m塔截面积为 = 实际空塔速度为 2. 精馏塔有效高度的计算精馏段的有效高度为 提馏段的有效高度为 在进料板的上方开一人孔其高度为0.8m,故精馏段的有效高度为 （六）塔板主要工艺尺寸的计算
14、1. 溢流装置的计算因塔径D=0.8m可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下（1）堰长Lw m(2)出口堰高度hW 由 选用平直堰，堰上液层高度即 由液流收缩系数计算图可求E，该状态下的横坐标为：Lh/lw2.5=(0.000773600)/0.5282.5=13.68查图可知：E=1，则 m取板上清液层高度hl=70mm故（3）弓形降液管宽度和截面积由 故 演算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。(4)降液管底细高度h0 取 则 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度=50mm。2.塔板布置（1）塔板的分块因，故塔板采用分块式。查表塔板分为3快。（2）边缘区宽
15、度确定 取 （3）开孔区面积计算 开口区面积Aa按式计算，即其中 故 （4）筛孔计算及其排列本例所处理的物系无腐蚀性，可选用=3mm碳钢板，取筛孔直径d0=5mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为 筛孔数目n为 个开孔率为气体通过阀孔的气速为（七）筛板的流体力学验算1.塔板压降（1）干板阻力hc计算干板阻力hc由式计算，即由，查塔板孔流系数图得，C0=0.765故 液住（2）气体通过液层的阻力hl,由计算得 ，即 （3）液体表面张力的阻力h计算液体表面张力所产生的阻力h由式计算，即2.液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和液流量均不大，故可以忽略液面落差的影响。3.液沫夹带液沫夹带
16、量由式计算，即 故在本设计中液沫夹带量ev在允许范围内。4.漏液对对筛板塔，漏液点气速u0min可由式计算，即 =稳定系数为故在本设计中无明显漏液。5.液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应服从式，即故在本设计中不会发生液泛现象。（八）塔板负荷性能图1.漏液线由 整理得 在操作范围内，任取几个Ls值，以上式计算Vs值，计算结果列于表中。Ls,0.00060.00150.00300.0045Vs,0.4300.4450.4640.480由上表数据即可做出漏液线1.。2.液沫夹带线以由 在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，计算结果列于表Ls,m3/s0.00060.00150.
17、00300.0045Vs,m3/s1.4111.3371.2431.165 由上表数据即可做出液沫夹带线2。3.液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由式得 据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3.4.液相负荷上限线以作为液体在浆液管中停留时间的下限，由式得据此可做出与气体流量无关的垂直液相符合上限线4。5.液泛线 令 忽略，将的关系式带入上式，并整理得将有关的数据带入，得在操作范围内，任取几个值，依上式级算出Vs值，计算结果列于表0.00060.00150.00300.00451.6361.5651.4231.222由商标数据即可做出液线5.根据以上各线方程，
18、可做出筛板塔的负荷性能图缺图？ 在负荷性能图上，做出操作点A，连接OA，即做出操作线。由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下线为漏液控制。由图得缺数据？参考文献1化工过程及设备设计，华南化工学院化工原理教研组，华南化工学院出版社，19862化工原理，上册。陈敏恒，从德兹，方图南，齐鸣斋 编，化学工业出版社，北京20003化工原理，下册。陈敏恒，从德兹，方图南，齐鸣斋 编，化学工业出版社，北京20004华工原理实验，尤小祥，于奕峰，袁中凯 编，天津科学技术出版社，2002结束语本设计采用制造价格较低的筛板塔，尽量减少设备成本和操作成本，但仍不免许多不合理支出，设计方在此建议生产部门采用多塔形式，以求资源的良好整合与利用。通过此次设计，目的是使设备达到最佳的工艺要求，以节省费用，提高经济效益，那么就必须要熟练的掌握分离的作用和设计中注意的变数，另一方面也要考虑数据的特性，合不合符设计的要求，也存在一个合理性的问题，所以计算的范围也必须要从操作中来一个综合的评价。这次的设计使我明白了一般的精馏塔的设备和工作原理，还有在生产中要注意的问题，由于在设计过程中难免会有很多人为的因素，所以也存在不少的问题，希望在以后的学习和生产中，要更加认真和细心去领悟问题的所在，好加以改进，做到最好。
