1、食品工程原理课程设计说明书设计题目: 转盘塔萃取过程工艺设计设计者:学院: 食 品 科 技 学 院班级: 食科 1045姓名: 潘月银学号: 200411111521日期: 2007年 6月 516日指导教师:(签名 ) 叶盛权目 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 3四 设计结果一览表 13五 结构设计说明 13六 符号说明 15七 设计的心得与体会16八 参考文献 16一 设计任务书1 题目转筒干燥器2 设计条件 处理量： 9500kg/h 原料组成：湿含量 X1=0.0525kg/kg 绝干料，X2=0.001kg/kg 绝干料。空气状况 新鲜空气温度 t0=2
2、7，湿度 H0=0.0082kg/kg 绝干气；离开预热器的温度操作压力：常压 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；5) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。二 设计方案简介1、萃取剂的选择正丁醇在水中的溶解度很小 1.8g/L，属于难溶，而丁二酸在正丁醇中溶解度很大，因此选用正丁醇作为萃取剂。2、流程选择考虑到过程的经济性，需要对萃取剂 C 进行回收，循环使用，同时由于 C 组分基本不溶于水，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
3、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。3、 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，排除的萃取相中溶质 A 的浓度不断升高，当萃取相出口中溶质A 的浓度 y0达到与原料液中溶质浓度 x
4、0呈平衡浓度 y0 时，萃取剂用量最小，故将上式中的 y0用 y0 代替，且取溶剂的入口浓度4、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5、设计任务:用正丁醇从稀的丁二酸水溶液中萃取丁二酸。水溶液中含丁二酸 3.56（质量）要求回收率不小于 90，处理量为 850kg/h。由于萃取剂循环使用，正丁醇中含丁二酸0.25（质量） 。小型实验时，正丁醇
5、溶液为分散相。参加文献资料,查得已知 25常压时，正丁醇溶液的密度为 866.5kg/m3,其粘度为uD0.374910 -3pas；水溶液是 995.6kg/m3，水溶液粘度 uc1.53610 -3pas，界面张力=0.009N/m 。两相流比 LR2.0。分配系数 m= =1.15yx三、 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/ ）r3m粘度 （pas） 液滴分散系数(m2/s) 界面张力 s（N/m）连续相 995.6 3_1056. 0.5310_9分散相 866.5 749 2.310_90.0092. 萃取塔直径的计算：假设塔径 0
6、.6m，根据公式：TD0.124 0.142*0.6 =0.1mH0.68T68.00.50 =0.50*0.6=0.3mR0.67 =0.67*0.6=0.402mSDT基于大量的实验观察和生产经验，一些研究者认为转盘塔的结构尺寸应在下列范围内选择：15 ; 23TCD8THb当 时 =0.0225 ；2sT-而 0.4.3510.7624SRTD取 .12b-=由公式 0.9.02.30.92.72STRkCRRHDguDNAsrm=0.0184 m/s0.91.02.30.92.72.1.84150.125363556 =已知两相流比 =2.0RL220.38283131DFRj=+由公
7、式得由已知条件，得 850.237369.4CDRVL=取 f0.6，由公式得 4()(0.237.04).6035162CDTFVfupp+=2 22 2()(0.184(0.38)(1.)0.161. 3CFkDFDujj-=与假设基本相符合，取 DT 0.6m HT0.10m DR0.35m DS0.42m3. 表面传质单元数的计算：因为是稀溶液，由已知条件得：303.56.180./9CMxkmolr=310 31(.)./25180.4/6Dlykmolr-=由全塔物料衡算001101()(.3.0).1840.22)5(.3.6).02819ln014lnCDmVyxymyx-+-
8、+=-=-0.3.()281oxpNUT1m-=D=964. 操作条件下的分散相带留率的计算操作条件：NR =1.40r/s2240.37.089/6.4.160.18/,().67.390.184()1CTDkCDkDDDVumsmsu因 为 将 其 代 入 下 式 得 : 用 试 差 法 得 出 pjjj jjj=+-5. 液滴平均直径和传质比表面的计算： 220.167.0839.0165/10.4()().960.15.3749CDssRTstRstRu msCuCu由 公 式 在 转 盘 塔 内 ,考 虑 到 垂 直 方 向 的 流 动 截 面 的 收 缩 ,通 常 认 为 最 小
9、截 面 处 的 液 滴 运 动 速 度 相 当 于沉 降 速 度 截 面 收 缩 系 数 为液 滴 的 沉 降 速 度 为 jj=+=-=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。tuKleeTrebal 的研究表明：液滴的自由沉降速度随液滴直径的变化可分为两个区域，在区域 I，沉降速度随液滴直径的增大而增大；在区域 ，随着液滴直径的增大，沉降速度基本不变，他们给出的计算式为当 dpdpc 时得u =0.03370.28.10.80.280.10.185 .54.964961369739CtIurmsD=t转盘塔再操作条件下， ,由公式求得 dp：tuI
10、0.45.1 0.450.10.7 .78 .8D2D39636()( )08312739/dp0.8tCudp mmp 在 转 盘 内 ,相 以 液 滴 形 式 分 散 在 另 一 相 中 ,单 位 体 积 液 体 所 具 有 的 相 际 传 质 a(比 表 面 ),取 决 于 液 滴 平 均 直 径 d和 分 散 相 滞 留 率 其 间 有 如 下 关 系传 质 比 表 面 ：61 - -=D=rmjja36. 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,oysK数据加以修正，以估算真是的总传质系数 。对于停带液滴：oy
11、K229525.310.710/380.165.6/DCsk msdpu c对 于 停 滞 液 滴 ,Treybal提 出 的 计 算 滴 外 传 质 分 系 数 的 近 似 式 为 :-=按双膜理论,总传质系数可表示成如下公式,oysK1 1565.()()0.728/.70DCmmsk- -+=+=参考图加以修正，操作条件下转盘塔内液滴群的 Pleclet 准数为：Pe239.0.871.650.91023sDdpu-=忽略传质方向的影响，从图，对于正常操作的转盘塔： 442, 3 3420.941.(10).()2636.910).8oysKPePe- - -+= 5,1.570/oys
12、Kms-=35Dox1.6() 0.1947mu2.301.194HTU()0.832DoyCoyHTUmm萃 取 相 真 空 传 质 单 元 高 度萃 取 因 子萃 取 相 真 实 传 质 单 元 高 度（ ） ae-=7. 轴向扩撒系数的计算：Stemerding 等人对转盘塔的轴向扩散系数进行了广泛研究,他们采用的实验塔的塔径范围很宽(0.064-2.18),因而数据较为可靠,考虑到 Stemerding 的计算公式是根据各种塔的实验数据关联出来的，因此采用这种计算公式：223 320.5120.51408989601/SRCTcTDNEuHums- -=+ =3320.1./DCEms
13、-=8. 萃取段高度的计算：因为萃取相为连续相，萃取相为分散相，所以 C oxp,1HTUxDyCxDyuuE先 估 算 时 ， （ ） 的 近 似 值 。e=()oxpHTU330.0.91().843670.843.951.7oxyum-+=根据已知条件,可计算出萃取塔高的初值得初值 m()()1.0796.28ooxpxopLHTUN=真实的传质单元数,根据已知的真实传质单元高度和塔高求得。所以，真实传质单元数为： 0.28() 1.9()43oxoxNT为计算分散弹元高度，先计算由关中间变量。0.9080.50.511()682.9683oxxUfNTe+=1.0460.50.5().
14、oxyf=- -26.140.8391.2xeuLPE=17.410.670.9ye =13.661 1011()( ).826.43.067.4exeyePffP- -+=+0.9960.50.52.2()(91oxeNTUj=- 分散单元高度：0.680m0.8()ln06ln.3()3.112oxDeLHPj=+-表观传质单元高度：m()()()0.84.60.74oxpoxoxDTUHTU=得 L 的第一次试验算值()().769.1.3oxpoxpHN此值与 L 相差较大，所以要重复迭算0重复迭代：L- L =2.94重设 L =7.0m0= =83.040()()oxoxLNTUH
15、7.843=0.8740.516()xoxfe+=0.1.+27=1.0670.50.58346.83().yoxNTfU=- -=17.800.97xeuLPE0.169ye =9.351 10()( )0.874.231.067.8exeyePffP- -+=+=0.9950.50.52.21()(39oxeNTUj=- 分散单元高度：0.64707()ln0.5ln.3().112oxDeLHPj=+-表观传质单元高度：0.7313m()()()0.843.67oxpoxoxDTUHTU=m.719pLHN所以经第二次迭代后得到 L=7.03m,故取萃取段的高度是 L=7.05m9. 澄
16、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 250.18C 20.18dpLg.dp1.320.36.7.529.810.7. s970.3 0.3 （ ） （ ） =（ ） （ ） 4mrtssD 考虑到转盘的搅拌作用，取实际凝聚时间 s 58t分散相澄清段体积：3DS22S2V0.47580.9m14.9H.06=L+7.53.1.5mssT 分 散 相 澄 清 段 高 度 ：连 续 相 澄 清 段 高 度 也 可 取 为 8转 盘 塔 总 高 ：圆 整 取 10=tjp四、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
17、数汇总如下表所示：转盘塔主要工艺参数转盘塔直径/m 0.6 塔有效高度/m 10.7 转盘直径/m 0.35 转盘间距/m 0.1 固定环直径/m 0.42 转速/ (r/s) 1.40五、结构设计说明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
18、,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
19、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
20、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,
21、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
22、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
23、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
24、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.六、 相关符号表符号 意义及单位 符号 意义及单位aDDRD
25、sEExEygLHT(HTU)ox(HTU)oxD(HTU)oxpm(NTU)ox(NTU)oxpPeoPexPeyku传质比表面积，m /m23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 /s2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/sxuuyutVersJxy下标CDxy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
26、体积流率，m /s3萃取因子粘度 pa.s密度 kg/m3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七、设计的心得与体会 通过本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、冷却、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
27、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。关于资料的查找方面，由于我们级有 7 个班要同时进行课程设计，相关的化工手册分配不足，相关化工设备资料又由干燥、冷却、分离等操作单元综合交融，总的来说，我们可以查找的资料都集中于一部分人的手上，对资料的查阅带来了一定程度的困难。但由于我们与其他班的同学日常交流甚密，通过这次课程设计，考验了同学们彼此的沟通、交流，加强了大家的团体合作精神，达到资源共享，在收集资料的过程，大家都有着共同的目标，彼此协调沟通，那种集体向着同一个方向努力拼搏的景象，确实令人感动。至于相关数据的查找、分析、计算、校对，对于每位同学来说都是一个极大的考验，能够找到
28、相关参考书已经不容易，加上烦琐的计算、校对过程，实在令不少同学在深夜里挑灯夜战。通过这个过程，让我们的忍耐能力得到极大的提高，真正懂得了刻苦耐劳的精神，彼此鼓励，彼此帮忙，把同学们紧紧地凝聚在了一起。这次课程设计，大大增强了同学们的自主动手能力，但是由于这次课程设计是在考度期间做的，同学们个个都忙不过来，个个都忙着考试，在考完试之后才真正做，所以时间都比较赶，而且我们做的是萃取塔，相关的资料都比较少，这给我们带来了不少困难，但是通过这次设计真的是了解到不少食品的有关机械，对这个萃取过程有了很深刻的了解，加强了我们的动手能力。虽然这次设计是辛苦的，但是能学到东西更辛苦都是值得的七、 参考文献：1
29、. 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，1993。3. 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,2006
