《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2％2、设计任务及操作条件⑴、设计任务：处理量：4000kg/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％⑵、操作条件操作温度：25℃操作压力：常压⑶、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：①多级错流萃取②多级逆流萃取③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0L 进入塔顶，乙醚溶剂萃取相物流1S 由塔顶离开。

在塔底，乙醚纯溶液做为萃取剂从塔底进入1N S +，而萃余的水相物流N L 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ρc =996kg/m 3, 流动相粘度μc ＝0.895×10-3pa ·s,分散相的密度为ρd =714kg/m 3,其粘度为μd=0.24×10-3pa ·s ；界面张力σ=0.028N/m D C=0.96×10_9m 2/s, D D =2.09×10_9 m 2/s 分配系数 m=yx =1.15从以上物性数据可以看出：粘度 μd=0.24×10-3pa ·s 较小有利于扩散，分散时消耗的能量较小。

∆＝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密度差ρ界面张力σ=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:%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。

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(y 0-y 1)=R(x 0-x 1)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y 0达到与原料液中醋酸质量分数x 0呈平衡质量分数y 0＊时，萃取剂用量最小，故将上式中的y 0用y 0＊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 ）=（X 0-X 1）/(Y 0*-Y 1)=(0.30-0.02)/(1.0562*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min1.2 1.20.9814 1.1777E E R R ⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭ 于是的萃取剂用量为1.0907 1.177740004710.8E R ==⨯= ()kg h根据塔的物料衡算，可得该萃取塔得操作线方程为110.8491(0.8491*0.020.001)0.84910.016R R y x x y x x E E ⎛⎫=--=--=- ⎪⎝⎭利用操作线方程，可以求得萃取相出口溶质得质量分数为0.8491*0.300.0160.24y =-=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()3V q L m h ⎡⎤⎣⎦40004710.810.61996714V q =+= 物理性质 ()()12120.0282829.810.0032g σρ∆=⨯=密度差 ρ∆＝282（ kg/3m ） 两相粘度：连续相粘度30.89510C μ-=⨯ （pa ·s ）分散相粘度30.2510D μ-=⨯ （pa ·s ）两液相比 4710.8/4000 1.1777d c F F ==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2、 萃取塔直径的计算先假定该萃取塔的直径T D ＝1.0m ，根据转盘萃取塔的尺寸比例关系得 转盘直径 10.52R T D D == m 固定环直径 0.670.67S D D == m 转盘间距 10.25TH D == 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 ＝D C u u ＝D C V V ＝4710.87141.64284000996= 则依20.5(8)34(1)D L L LL ϕ+-=-得D ϕ＝()()0.521.64288 1.64283 1.64280.362341 1.6428+⨯-⨯=-（2） 特性速度根据体系界面张力()0.028N m σ=，查“转盘塔工作区”图，取功率因子352 1.2R R T T N D H D =则 1.97R N === ()r s 根据该转盘塔的结构尺寸，可知（S D －R D ）/()10.670.5 1.00.1524T D =-=> 故取式0.9 1.0 2.30.92.612K CS T R C R R R R u D H D g K D N D D D μρσρ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭中常数1K ＝0.012得特性速度为0.9 1.0 2.30.9 2.6320.0282829.810.670.20.50.0120.895109960.5 1.970.50.5 1.00.08642k u -⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⨯ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭=（3） 液泛速度依据2(12)(1)Cf k f f u u φφ=--和22(1)Df k f f u u φφ=- 得液泛速度为20.08642(120.3623)(10.3623)0.009679Cf u =⨯-⨯-= ()m s 220.086420.3623(10.3623)0.01447Df u =⨯⨯⨯-= ()m s取连续相得表观流速为液泛气速的50％，则有C u ＝0.50.0096790.00484⨯=所以D 0.5419=圆整后，取塔径为1.0。