丙酮水课程设计--用苯萃取水中乙基香兰素的萃取装置设计.doc

食品工程原理课程设计题目用苯萃取水中乙基香兰素的萃取装置设计姓名谢岸欢学号201011211124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21日 目录一、设计任务简介 - 3二、设计条件 - 3三、萃取剂的选择 - 3四、流程选择 - 5五、溶剂用量确定 - 5六、萃取设备的选择 - 6七、萃取塔的工艺设计 - 9 1、物性数据 - 9 2、萃取塔直径 - 9 3、塔高计算 - 104、计算结果汇总 - 145、主要符号说明 - 156、结构设计 - 16八、设计的心得与感想 - 18一、设计任务简介现拟用以萃取过程萃取水溶液中丙酮，已知丙酮质量分数是7.9，处理量21000kg/h，要求最后的萃余相中丙酮的质量分数低于0.5 。 二、 设计条件 处理量： 21000kg/h 原料组成：7.9（质量分数）分离要求：萃余相中丙酮质量分数低于0.5操作温度：25操作压力：常压 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：粘度、界面张力、两相密度差（2） 萃取剂的选择性（3） 萃取容量（4） 溶解度（5） 溶剂的可回收性综合考虑以上几点初步选择三氯乙烷作为萃取剂（1）查参考文献资料,查得已知25常压时，连续相密度c=997kg/m3 , 流动相粘度c1.010-3pas,分散相的密度为d=1325kg/m3,其粘度为d0.8610-3pas；界面张力=0.028N/m DC=0.9610_9 m2/s, DD =2.0910_9 m2/s从以上物性数据可以看出：粘度 d0.8610-3pas较小有利于扩散，分散时消耗的能量较小。密度差 328 kg/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 =0.028N/m大小适中兼顾分散与分离（2）查得丙酮水三氯乙烷的溶解度与联结线数据如下：溶解度数据 单位：三氯乙烷 水 丙酮三氯乙烷 水 丙酮99.89 0.11 094.73 0.26 5.0190.11 0.36 9.5379.58 0.76 19.6670.36 1.43 28.21 64.17 1.87 33.96 60.06 2.11 37.83 54.88 2.98 42.14 48.78 4.01 47.2138.31 6.84 54.8531.67 9.78 58.5524.04 15.37 60.59 15.39 26.28 58.33 9.36 35.38 54.99 4.35 48.47 47.18 2.18 55.97 41.85 1.02 71.80 27.18 0.44 99.56 0 联结线数据 单位：%水相中丙酮 5.96 10.0 14.0 19.1 21.0 27.0 35.0 三氯乙烷相中丙酮 8.75 15.0 21.0 27.7 32.0 40.5 48.0依以上数据分别做溶解度曲线与分配曲线由上述数据做得曲线可以看出水与三氯乙烷互溶很少，三氯乙烷基本不溶于水，这样三氯乙烷在水中得溶解度很低，则萃余相带走得溶剂就很低，溶剂得损失就少，溶剂回收处理也随之降低。上图分配曲线近似为直线，分配系数较大，可见三氯乙烷对丙酮具有一定的选择性。从以上分析来看三氯乙烷做为萃取剂基本符合要求由分配曲线可知在操作段范围内基本呈直线，通过作图求得在操作条件下，在所涉及的浓度范围内丙酮在两相间的平衡关系为y=1.4976x-0.0005 式中 y-丙酮在萃取相中的质量分数 x-丙酮在萃余相中的质量分数四、 流程选择考虑过程的经济性，需要对萃取剂三氯乙烷进行回收，循环使用，同时由于三氯乙烷基本不溶于水，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丙酮的浓度较低，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。E(y0-y1)=R(x0-x1)当萃取剂用量不断减少时，排除的萃取相中丙酮的浓度不断升高，当萃取相出口中丙酮的质量分数y0达到与原料液中丙酮质量分数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，三氯乙烷中丙酮质量分数为0.1，则可得过程的最小溶剂比为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。因为液液两相的密度差远不及气液两相的密度差大，且随着两相中溶质的提高，逐渐趋近临界混溶点，导致两相密度差迅速下降，使得液液两相流动得体积力随之减少，湍流减慢，影响了萃取过程的分离效率和生产能力。影响萃取过程的因素较多，故针对某一体系，在一定条件下，选择一合适的萃取设备以满足生产要求是十分必要的。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 328 （ 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=12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转盘塔的结构如下图所示：将需要的部分放大后（如下图）再采取图解法求解七、 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9970.028分散相13252、 萃取塔直径 先假定该萃取塔的直径为 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，查操作区得“界面张力功率因子”图，取功率因子则 根据该转盘塔的结构尺寸，可知（）/ D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: 代入求得: 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:转盘塔再操作条件下，,由公式求得dp：（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，然后根据实验数距加以修正，以估算真是的总传质系数。对于停带液滴：Pe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 （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（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： 4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（）21000原料中丙酮质量分数溶剂得流量（）15216原料中丙酮质量分数（）79萃取相丙酮质量分数（）9.943萃余相中丙酮质量分数（）0.49996溶剂中丙酮得质量分数（）0.1上表中萃余相最后的质量分数为0.49996%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/m205转盘直径/m0.5转盘间距/m0.2固定环直径/m0.75转速/0.85、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(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6.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. 参考文献：1 贺匡国主编.化工容器及设备简明设计说明书.北京：化学工业出版社，20022 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 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，2005.44 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 王松汉主编，石油化工设计手册，第三卷，化工单元过程.北京：化学工业出版社6 李洲等.液液萃取过程和设备.下册.北京：原子能出版社，1985 7 贾绍义 柴诚敬 主编 .化工原理课程设计，天津：天津出版社 8 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,20039 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,200610 天津大学物理化学教研室 编 物理化学,下册,北京:高等教育出版社,2001.12八、设计的心得与感想由于课程设计期间接踵而来的考试，加上最后感冒发烧了好几天，使得此设计进展不快。不过我还是趁着身体有点好转，捉紧时间投入设