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1、精选优质文档-倾情为你奉上 食品工程原理课程设计题目用无水乙醚从醋酸水溶液中萃取醋酸装置设计姓名学号专业班级食品科学与工程1101班指导教师叶盛权设计时间2012年12月24日目 录一 设计任务书 3二 设计方案简介 3三 萃取塔的工艺设计 4四 设计结果一览表 12五 结构设计说明 12六 符号说明 14七 设计的心得与体会14八 参考文献 15一、设计任务简介用无水乙醚以萃取过程从醋酸水溶液中萃取醋酸。水溶液中含醋酸30（质量分数），处理量为4000kg/h。由于萃取剂循环使用，无水乙醚溶液为分散相，要求最后的萃余相中醋酸的组成低于22、设计任务及操作条件、设计任务：处理量：4000kg/
2、h 原料组成：30（质量分数）分离要求：萃余相中醋酸质量分数低于2、 操作条件操作温度：25操作压力：常压、 设备型式 ：转盘萃取塔 3 设计萃取塔萃取塔类型和规格：自选。（4） 设计内容：1) 萃取塔的物料衡算；2) 萃取塔的工艺尺寸计算；3) 绘制萃取塔生产工艺流程图；4) 绘制萃取塔设计条件图；对设计过程的评述和有关问题的讨论二、概述与设计方案简介1、概述 萃取的基本原理是：向待分离溶液（料液）中加入与之不相互溶解（至多是部分互溶）的萃取剂，形成共存的两个液相。利用原溶剂与萃取剂对各组分的溶解度（包括经化学反应后的溶解）的差别，使它们不等同地分配在两液相中，然后通过两液相的分离，实现组分
3、间的分离。最基本的操作有是单级萃取。单级萃取对给定组分所能达到的萃取率（被萃组分在萃取液中的量与原料液中的初始量的比值）较低，往往不能满足工艺要求，为了提高萃取率，可以采用多种方法：多级错流萃取 多级逆流萃取 连续逆流萃取2、设计方案简介现以无水乙醚从水溶液中萃取醋酸。含30%（质量）醋酸的溶液以4000kg/h的流量由塔顶进入。无水乙醚以4710.8kg/h的流量由塔底进入。大约90%的醋酸被萃取，也就是说出口水溶液中醋酸的浓度为2%（质量分数）。3、本设计按照萃取的基本操作的和分离效果，选用多级逆流萃取的操作进行萃取。多级逆流萃取的料液与萃取剂分别从（或）的两端加入，在级间作逆向流动，最后
4、成为萃余液和萃取液,各自从另一端离去，料液和萃取剂各自经过多次萃取，因而萃取率较高，萃取液中被萃组分的浓度也较高，这是工业萃取常用的流程。以下是多级逆流萃取的流程图示： 图1. 多级逆流萃取的流程图于是醋酸水进料混合物进入塔顶，乙醚溶剂萃取相物流由塔顶离开。在塔底，乙醚纯溶液做为萃取剂从塔底进入，而萃余的水相物流离开。三、萃取剂的选择萃取剂的选择直接关系到萃取的投资费和操作费的大小，影响萃取生产过程的经济性。因此，为保证萃取剂具有较大的处理能力和较高的传质的效率，以降低过程的成本，通常溶剂的选择应考虑以下几点：（1） 萃取剂的物性：密度、粘度、界面张力、两相密度差、分配系数（2） 萃取剂的选择
5、性（3） 萃取剂S与稀释B的互溶度（4） 萃取剂回收的难易与经济性综合考虑以上几点初步选择无水乙醚作为萃取剂（1）查参考文献资料,查得已知25常压时，连续相密度c=996kg/m3 , 流动相粘度c0.89510-3pas,分散相的密度为d=714kg/m3,其粘度为d=0.2410-3pas；界面张力=0.028N/m DC=0.9610_9 m2/s, DD =2.0910_9 m2/s 分配系数 m=1.15从以上物性数据可以看出：粘度 d=0.2410-3pas较小有利于扩散，分散时消耗的能量较小。密度差 282kg/m3较大有利于两相的澄清及分离，有利于提高设备生产能力 界面张力 =
6、0.028N/m大小适中兼顾分散与分离（2）常温下，醋酸水无水乙醚系统的平衡数据如下： 溶解度曲线数据 单位:%乙醚层水层乙醚水醋酸乙醚水醋酸97.72.306.793.3092.63.63.86.988.05.187.35.07.37.284.08.880.37.212.58.078.213.871.510.418.19.572.118.461.315.123.611.965.023.147.723.628.716.455.727.9依以上数据分别做溶解线曲线与分配曲线如下：根据上述表格数据和物系情况，采取溶剂乙醚作萃取剂，在所涉及的浓度范围内，水与乙醚基本不互溶，可以近视为完全不互溶物系。
7、在操作条件下，在所涉及的浓度范围内醋酸组分在两相间的平衡关系如下： y=1.0562x 0.0122 式中 y-醋酸在萃取相中的质量分数 x-醋酸在萃余相中的质量分数1、醋酸-水-乙醚系统溶解线曲线2、醋酸-水-乙醚分配曲线四、流程选择考虑过程的经济性，需要对萃取剂无水乙醚进行回收，循环使用，同时由于无水乙醚基本不溶于水，故采用下图所示的萃取过程原则流程图。原料液送入萃取塔，经过萃取后，萃取相含有大量的萃取剂C和溶质A组分，将该股物流送入精馏塔，经精馏过程脱除萃取剂C，使萃取剂C和溶质A组分得以分离，萃取剂返回萃取塔循环使用，精馏塔顶得到溶质A作为产品，萃取塔底得到的萃余相中含有水和少量的溶质
8、A，送入下一道工序进行处理。五、溶剂用量确定由于原料液中溶质的浓度较低，在萃取过程中，可以近似认为萃取相和萃余相的流量基本不变，所以可依全塔物料衡算方程及相平衡方程计算过程的溶剂用量。如图所示，全塔的物料衡算方程为: E(y0-y1)=R(x0-x1)当萃取剂用量不断减少时，排除的萃取相中醋酸的浓度不断升高，当萃取相出口中醋酸的质量分数y0达到与原料液中醋酸质量分数x0呈平衡质量分数y0时，萃取剂用量最小，故将上式中的y0用y0代替。由于萃取剂循环利用，无水乙醚中醋酸质量分数为0.1，则可得过程的最小溶剂比为（E/R）=（X0-X1）/(Y0*-Y1)=(0.30-0.02)/(1.0562*
9、0.30-0.0122-0.001)=0.9814取实际溶剂比为最小溶剂比的1.2，则实际溶剂比为于是的萃取剂用量为 根据塔的物料衡算，可得该萃取塔得操作线方程为利用操作线方程，可以求得萃取相出口溶质得质量分数为根据分散相及连续相的选择原则，这里选择萃取相为分散相，而萃余相（原料液）作为连续相。六、萃取设备的选择根据两相接触方式的不同，萃取设备可分为逐级接触式和微分接触式两类。在逐级接触式设备中，每一级均进行两相的混合与分离，故两液相的组成在级间发生阶跃式变化。而在微分接触式设备中，两相逆流连续接触传质，两液相的组成则发生连续变化。 根据外界是否输入机械能，萃取设备又可分为有外加能量和无外加能
10、量两类。若两相密度差较大，萃取时，仅依靠液体进入设备时的压力差及密度差即可使液体有较好分散和流动，此时不需外加能量即能达到较好的萃取效果；反之，若两相密度差较小，界面张力较大，液滴易聚合不易分散，此时常采用从外界输入能量的方法来改善两相的相对运动及分散状况萃取设备应为萃取过程提供良好的传质条件，使液液两相充分接触，同时伴有高度的湍流流动，保证两相之间能迅速有效地进行质量传递，同时，还应该能够及时地分离。影响萃取过程的因素较多，对于具体的萃取过程，选择萃取设备的原则是：在满足工艺条件和要求的前提下，使设备费和操作费之和趋于最低。通常选择萃取设备时应考虑以下因素：1需要的理论级数 2生产能力3物系
11、的物性4物系的稳定性和液体在设备内的停留时间可以通过对通过能力、理论级数、物理性质、密度差、粘度、两液相比等来选择适宜设备。对于选择的物系有：通过能力 物理性质 密度差 282（ kg/）两相粘度：连续相粘度 （pas） 分散相粘度 （pas）两液相比 对于理论级数N根据下面分配曲线与操作线采取图解法解得： N=根据上述一些内容查“萃取器得选型”表，选用转盘萃取塔进行萃取设备类型 考虑因素喷洒塔填料塔筛板塔转盘塔往复筛板 脉动筛板离心萃取器混合-澄清器工艺条件理论级数多0000处理量大00两相流比大00物系性质密度差小00粘度高00界面张力大000腐蚀性强000有固体悬浮物00设备费用制造成本
12、00000操作费用00维修费用0000安装场地面积有限高度有限00转盘塔是一种机械搅拌萃取塔，其塔壁上设有一系列等距离的定环，塔内有用电机带动的中心轴，轴上装有水平转盘，每个转盘位于相邻两个定环的中间。转盘塔利用旋转圆盘所施加的机械能，使两相得到很好的分散与混合，以获得高的传质速率。由于它处理能力大，分离效率较高，结构较简单和操作稳定，因此得到广泛的应用转盘塔的结构如下图所示：七、萃取塔的工艺设计1、 物性数据 所涉及的物性数据如下表所示。物性数据参数密度（kg/）粘度（pas）液滴分散系数(m2/s)界面张力/（N/m）连续相9960.89510-30.028分散相71340.2410-32
13、、 萃取塔直径的计算 先假定该萃取塔的直径1.0m，根据转盘萃取塔的尺寸比例关系得转盘直径 m 固定环直径 m转盘间距 m（1） 分散相得滞留分率 计算分散相得滞留分率，先求得两相得表观流速比为：L则依得（2） 特性速度 根据体系界面张力，查“转盘塔工作区”图，取功率因子则 根据该转盘塔的结构尺寸，可知（）/故取式中常数0.012 （3） 液泛速度 依据和 得液泛速度为 取连续相得表观流速为液泛气速的50，则有所以D圆整后，取塔径为1.0。于是，实际上，塔内连续相的流速为分散相的流速为3、塔高计算（1）轴向扩散系数 Stemerding提出连续相的轴相扩散系数可由下式计算分散相扩散系数（2）传
14、质单元数 采用平均推动力法计算过程得传质单元数（3）液滴平均直径和传质比表面的计算：利用KleeTrebal方法由计算dp，先判断液滴平均直径是否大于临界值。当dpdpc时得,临界液滴平均直径如下表示:代入 得: 在区域,沉降速度随液滴走私的增加而增加,在区域,随着液滴的直径的增加,沉降速度基本不变,计算公式为:转盘塔在操作条件下，,由公式求得dp：在转盘塔内。一相以液滴形式分散在另一相中，单位体积混合液体所具有的相际传质面积（比表面）取决于液滴平均直径和分散相滞留率传质比表面：（4）传质系数和真实传质单元高度的计算：利用Strand等人的实验数据，先计算停带液滴的总传质系数，然后根据实验数距
15、加以修正，以估算真是的总传质系数。对于停带液滴：对于停滞液滴，Treybal等人提出的计算滴外传质分系数KcPe忽略传质方向的影响，把看作是液滴Peclet数的函数，经过回归可以得出如下关联式： 因此，实际操作条件下，总传质单元高度 萃取因子萃取相真实传质单元高度（5）萃取塔高度的计算：因为萃取相为连续相，萃取相为分散相，所以得初值 真实传质单元数为： 为计算分散弹元高度，先计算由关中间变量。 分散单元高度可用下式求得:表观传质单元高度：得L的第一次试验算值此值与L相差较大，所以要重复迭算重复迭代：L-L=12.09-6.67=5.54重设L=8.0m真实传质单元数为： 为计算分散弹元高度，先
16、计算由关中间变量。 分散单元高度可用下式求得:表观传质单元高度：得L的第一次试验算值所以经第二次迭代后得到 L=7.532m,故取萃取段的高度是 L=8.0m（6）澄清段高度的估算：为使两相分离,萃取塔须设澄清段,连续相的澄清段是为了分离被连续相夹带的微小液滴凝聚时间 考虑到转盘的搅拌作用，取实际凝聚时间分散相澄清段体积：分散相澄清段高度：转盘塔总高：取整得：H=9m4计算结果汇总 根据以上计算结果，所设计的转盘萃取塔的主要参数汇总如下：原料流量（）4000溶剂的流量（）4710.8原料中醋酸质量分数（）30萃取相醋酸质量分数（）24萃余相中醋酸质量分数（）溶剂中醋酸的质量分数（）0.1上表中
17、萃余相最后的质量分数为 %满足任务要求转盘塔主要工艺参数转盘塔直径/m1.0转盘塔高度/m9.0转盘直径/m0.5转盘间距/m0.2固定环直径/m0.67转速/0.85.结构设计（1）塔体 转盘塔的塔体,包括筒体和两端的封头.塔体上设置有人孔,视镜,工艺管道及仪表的接管和轴封.塔体底部支承在裙式支座上,顶部设有传动装置的支座.转盘塔操作时的相分散程度不是很高,分离段直径不需扩大,因而塔体是一个等直径的圆筒.在这圆筒的中部装以定环并插入转盘,成为塔的一工作段,它的两端是分离段.转盘塔封头形式,接受压情况选取.筒体与封头的连接取决于内件的结构和安装方式.如果定环是整体的可拆结构,就必须塔体顶部设置
18、法兰,发便定环可在开盖时装入或取出.如果定环用不可拆结构,则可在顶盖上配以直径较小的法兰,只要能取出转盘塔即可.如果定环不需拆卸或可分块,而转盘塔或涡轮可拆卸成小件时,可用整体焊接的塔体,但必须设置一些人孔,供安装及卸运内件时应用.塔内装有底轴承,中间轴承和联轴器的部位,也必须设置人孔,以便安装检修.（2） 固定环固定环的结构分为可拆与不可拆两类。本设计采用固定环，不可拆的固定环结构很简单，可将固定环直径接焊以角钢圈。它是在固定环外侧钻几个均布的孔，穿上相间地套有定距管的拉杆，拉杆的两端用螺母锁紧，于是将固定环组分合成串。成串的固定环在塔内：在塔体底部内壁焊上几个耳环，用以支撑成串的固定环，拉
19、杆用螺距固定在耳架上。固定环的厚度为7mm。拉杆为15mm。(3)转盘转盘以固定与可拆方式联接于转轴上，一般的结构是转盘焊在毂上。毂套在轴上，然后用毂上的紧定螺钉固定在正确位置。也用用毂的长度来保证转盘间距的.大型的转盘,可制成分块式,用螺栓固定在毂上,并相互连接.转盘用钢板制成，板厚用4-6mm。板面必须平整，外缘要光洁，无毛刺。组装完毕的转盘与轴，必须静平横校正，以改善转轴的工作条件。转盘塔中的圆盘,若换成涡轮搅拌器,就成为涡轮搅拌塔.涡轮搅拌器与转轴的可拆连接结构与转盘相同.小塔可用直叶的开式涡轮,大塔有用闭式涡轮的.不论转盘或涡轮,都必须位于定环分隔成的小室中心.因此,不仅要保证各定环
20、之间,各转盘之间的距离正确,还要保证转盘与相邻定环间的距离.定环的间距可由正确划线或定距管长度来保证,转盘间靠轴上定位孔或毂长来保证,定环与转盘的相关位转,刚需用轴的结构尺寸,轴随位置的调节来保证.(4)转轴与轴承全塔所有的转盘,都安装在直立的转轴上.转盘塔的转轴很长,在加工条件许可时,转轴最好不分段,对于必须分段的长轴,宜用刚性联轴器联成一体.转轴很长,要求刚性好,重量轻,因此转轴的中段常用厚壁无缝钢管,仅在两端焊上实心的轴段,以在此加工成轴颈或装配成轴节. 在转轴的支承方式中,最简单的最两端去承.这时上轴承在们于顶盖的轴承座中并兼作止推轴承,承受转轴和转盘的重量,以及传动件传来的轴向力,下
21、轴承则位于塔内底部,浸没在液体中.悬挂式支承是将一对轴承都安装在顶盖上的轴承中,转轴悬挂在下方.为避免轴端晃动,常在塔底加一底轴承,对于分段的长轴,通常在分段附近加装中间轴承. 安装在塔顶的轴承座.安安装在搅拌反应器顶盖上的搅拌器轴承座,结构形式相同.安装在塔内的轴承,浸没于液体中,不能加润滑油,且受到料液的侵蚀.因此液下轴承都用滑动轴承,而且仅在塔内液体无腐蚀性并有润滑作用时,可采用普通的轴衬材料,其余都诮采用而腐蚀且具有自润滑作用的材料,例如氟塑料或尼龙等.在结构上,底轴承需能允许转轴的轴向移动,而中间轴承还要求能自位,因此宜用具有球面座的轴衬,轴承座用34条支杆撑在塔壁上,支杆的长度应在
22、安装时作仔细调整.(5)轴封 转盘塔大都用机械传动,转轴穿过塔顶封头伸进塔内,如果是压力萃取,则封头上必须有轴封装置,以阻止塔内物料的外漏.当塔的操作压力不很高时,压力萃取的萃取是液化气体时,若采用单级密封结构,可能从轴封处漏出气化了的萃取剂,污染环境,引起危险,因此必须采用双级密封结构.工作液在稍高于塔内操作压力下送进轴封处,于是轴封处向塔内与塔外泄漏的只能是工作液,从而阻止了萃取剂的外漏.工作液的选择根据塔内的料液而定,可用料液,清水或油口品.(6)其他附件在转盘塔的工作段与两端的分离段之间.各安装一稳流件.当液流通过稳流件进入分离段时,可消除它在工作段中获得的旋转动能.以利液滴在分离段中
23、的沉降分离或凝并分层.常用作称件的有金属筛网,蜂窝板,大孔格栅或条栅. 有的设计考虑到转轴对分离段工作的干扰,在转轴外面安装了套管.但实践证明轴的旋转对沉降或分层的影响不大,因而不必加装套管.转盘塔的两相进料都不用分布器.进料管直接连接到工作段两端的塔壁上,即重相进口接管位于最高一屋定环的上方,轻相进口接管位于最低一层定环的下方.为避免进塔液流对工作段内旋转的液流的干扰,进料不宜用径加入,而应采用切向或斜向加入,且使液流的方向与转盘的旋转方向一致.在较大的塔内,采用两个或更多的切向或斜向进口,使液流尽量分布很均匀.两相的出塔接管,安装在塔的两端.以保证液体在分离段中有充分的停留时间.对于操作中
24、会产生界面污染的物系,在分离段上还需设置排污接管,其位置在界面附近的原连续相一侧.(7)传动装置 转盘塔有机械传动和水力传动等两种传动方式.机械传动是由电动机,经减速装置,带动转轴旋转.它和搅拌反应器的传动装置无很多差别,因此可直接选用适宜的型号.传动轴可从塔的顶部,底部或侧面伸入塔内.从顶部伸入时,伟动装置位于塔顶,虽然安装不便,塔的机械负荷增大.但当轴封失效时引起的损失较小,所以,仍为普通采用的传动方式.在某些设计中,转盘适宜的工作转速应根据工艺条件的改变去选择.这时传动装置需采调整电动机或无级变速机构传动.八、设计的心得与感想食品工程原理对于我来说一直是一门比较难学的课程，这次的设计比往
25、年好像还要早一点进行课程设计。而且这次课程设计的时间又在考试前进行的，设计本来就用的时间比较长，还有用一部分的时间去复习考试，所以时间不是十分的适合，大家都有点不知道怎么安排时间。加上这次做课程设计对于我们来说本来就是一个艰巨的挑战，学院人多，一个人借一两本书，就把图书馆化工原理相关的书借走了，对于课程设计中的难点想去查找一些资料都很难找到相关的书籍，正因为如此，使得我迟迟不知如何下手。再加上，在手头上有的资料中设计形式比较固定，过程单一，计算繁杂，使在设计的过程中遇到不少困难。但是通过这次食品工程原理课程设计，我在查阅资料的过程中，懂得了如何利用丰富的图书馆资源和网络资讯，开阔了眼界，从总体
26、上进一步了解到了化工设备的各单元操作的组成，对课本上介绍的分离、干燥、蒸馏以及萃取设备更是有了更深入的了解。对物料物理、化学性质到设备机构的小部件的工作原理，操作注意事项得到了进一步认识。加强了动手能力和运算能力，培养了统筹设计计划的工作步骤，综合考虑问题的周全思想，在学习上和工作上均得到一定程度的技能提升。在此感谢叶老师的指导，让我们的设计工作能够顺利完成。 九、参考文献：1 冯骉主编 夏素兰 卢晓黎 林庆生 周亚军 徐涵庆参编. 食品工程原理.北京:中国轻工业出版社,2006 2 蒋维钧 雷良恒 刘茂林. 化工原理， 下册，北京：清华大学出版社，19933 贺匡国主编.化工容器及设备简明设
27、计说明书.北京：化学工业出版社，20024化学工程手册编辑委员会主编.萃取与浸取.北京：化学工业出版社4 匡国柱 史启才主编.化工单元过程及设备课程设计，北京：化学工业出版社，20025 陈英南 刘于兰 主编，常用化工单元设备的设计.上海：华东理工大学出版社，2005.46 贾绍义 柴诚敬 主编 .化工原理课程设计，天津：天津出版社 7 化工设备设计全书编辑委员会 路秀林 王者相.塔设备.北京:化学工业出版社,20038化工过程及设备冶金工业出版社 郭年祥主编附：主要符号说明符号意义及单位符号意义及单位DDRDsEExEygLHT(HTU)ox(HTU)oxD(HTU)oxpm(NTU)ox(
28、NTU)oxpPeoPexPey传质比表面积，m/m塔直径，m转盘直径，m固定环直径，m萃取相流率萃余相扩散系数m/s萃取相扩散系数m/s重力加速度,m/s塔高，m转盘间距，m真实传质单元高度，m扩散传质单元高度，m表面传质单元高度，m分配系数真实传质单元数表观传质单元数综合考虑两相轴向混合程度的总贝来（Peclet）数萃余想贝克来数萃取想贝克来数特征速度，m/sxuyutVxy下标CD萃余相空塔速度，m/s萃取相空塔速度,m/s 单液滴在纯连续相中的自由沉降数度，m/s萃取塔内体积流率，m/s萃取因子粘度pa.s密度kg/m表面张力N/m分散相的滞留分率萃取相浓度，质量分数萃余相浓度,质量分数 连续相分散相萃余相萃取相专心-专注-专业