【文章內容簡介】 OHC（OHCHCH 526223 或EtOH，是帶有一個羥基的飽和一元醇，在常溫、常壓下是一種易燃、易揮發(fā)的無色透明液體，它的水溶液具有酒香的氣味，并略帶刺激。有酒的氣味和刺激的辛辣滋味，微甘。 第一章 緒論 3 乙醇的物理和化學性質 （ 1） 物理性質 乙醇液體密度是 (20℃ ) ，乙醇氣體密度為 ，沸點是℃，熔點是 ℃，易燃，其蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，能與水以任意比互溶。能與水、氯仿、乙醚、甲醇、丙酮和其他多數(shù)有機溶劑混溶，相對密度 ()。 （ 2） 化學性質 乙醇分子中含有 極化的氧氫鍵，電離時生成烷氧基負離子和質子。乙醇具有還原性，可以被氧化成為乙醛。乙醇的酸性很弱，可以和高活躍性金屬發(fā)生反應 ,生成醇鹽和氫氣。乙醇還具有還原性、氧化性、酯化反應等性質。 精餾原理和方法的概述 精餾原理 圖 141 乙醇－水體系二元混合物氣液相圖 乙醇精餾分離的依據(jù)是混合液中各組分揮發(fā)能力存在差異。乙醇多塔蒸餾的實質是在幾個完整塔或不完整塔上分別重復單塔操作的重復蒸餾 ［ 4］ 。 在乙醇－水雙組分液態(tài)混合物中，經(jīng)過多次部分汽化和部分冷凝，塔頂?shù)玫椒悬c較低的乙醇，塔底 得到沸點較高的水。分離次數(shù)越多，所得氣相產品中輕組分的濃度就越高。由于乙醇和水能形成恒沸物，其恒沸點為 ℃，恒沸混合物沸騰時氣象組成與液相組成相同，部分汽化或部分液化均不能改變混合物的組成，故在指定南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 壓力下具有恒沸點的而組分液態(tài)混合物經(jīng)過精餾后只能得到一個純組分和恒沸混合物，而不能同時得到兩個純組分 ［ 5］ 。需采用特殊的蒸餾方法對其分離，如萃取蒸餾，恒沸蒸餾，水蒸汽蒸餾和分子蒸餾等 ［ 6］ 。 精餾方法 目前國內制備無水乙醇的方法主要有共沸精餾法 [79]、膜分離法 [1013]、間歇萃取精餾法 [1416]和分子篩吸附法 [1718]。下面主要介紹間歇萃取精餾法和恒沸精餾法。 （ 1）間歇萃取精餾 間歇萃取精餾同時具有間歇精餾和萃取精餾的優(yōu)點，操作靈活，通過一個塔可以得到多個產品，而且溶劑也可以在 同一個塔中得到回收 ［ 19］ 。 萃取精餾的特點是在精餾分離的原溶液中添加高沸點（難揮發(fā)）的溶劑 —— 萃取劑。萃取劑的作用是增大原溶液中組分間的相對揮發(fā)度或破壞原溶液的恒沸物，且萃取劑不與任一原組分形成恒沸物。萃取劑同某一組分由塔底排出，由塔頂則可得到純度甚高的另一組分 ，從而有效的分離原溶液的組分 ［ 20］ 。萃取精 餾過程成敗的關鍵是萃取劑的選擇和萃取精餾操作條件的優(yōu)化。適宜的萃取劑主要考慮因素為：溶劑的高選擇性和溶解性，經(jīng)濟性，熱穩(wěn)定性，化學穩(wěn)定性和毒性等 ［ 21］ 。如用乙二醇和氫氧化鉀的混合劑作為萃取劑分離效果較好，耗能較少，但對設備防腐性能要求高 ［ 22］ 。 （ 2）恒沸精餾 若在兩組分恒沸液中加入第三組分（稱為夾帶劑），該組分能與原料液中的一個或兩個組分形成新的恒沸液，從而使原料液能用普通精餾方法予以分離，這種精餾操作稱為恒沸精餾。 恒沸精餾用以分離相對揮發(fā)度接近 1 及具有最低恒沸點或最高恒沸點恒沸物的物系，加入的另一組 分稱為挾帶劑 [23]。挾帶劑能與原料液中一個或兩個組分形成新的最低恒沸物，由塔頂蒸出，使精餾分離稱為恒沸物－純組分的分離，且因具有較大的相對揮發(fā)度而使分離變得容易實現(xiàn) [24]。在工業(yè)生產中，加入適量的挾帶劑苯進入精餾塔，苯，水，乙醇形成三元共沸物從塔頂餾出。在乙醇水體系中，異辛烷也可對乙醇脫水作用有一定效果 [25]。乙醇從塔底排出。恒沸精餾不同于普通精餾，它不可能把輕重兩種組份完全分開，塔頂總是得到沸點較低的恒沸物，塔底得到相對于恒沸物沸點較高的組份 [26]。恒第一章 緒論 5 沸蒸餾法的耗能相對于萃取蒸餾法要更為小，總熱負 荷是萃取蒸餾法的一半 [27]。恒沸精餾可分離具有最低恒沸點的溶液、具有最高恒沸點的溶液以及揮發(fā)度相近的物系。 共沸精餾是常用的化工分離方法之一 ,常用于恒沸物或近恒沸物的分離。在常壓下無法制取無水乙醇的情況下 ,采用向其加入夾帶劑進行精餾，此時夾帶劑與酒精溶液中的乙醇、水形成新的三元恒沸物 ,這時三元恒沸物與純組分酒精或水之間的沸點差較大，從而較容易地通過精餾獲得純度高的乙醇。 在恒沸精餾中，需選擇適宜的夾帶劑。對夾帶劑的要求是：①夾帶劑應能與被分離組分形成新的恒沸液，最好其恒沸點比純組分的沸點低，一般兩者沸點差不小于 10℃；②新恒沸液所含夾帶劑的量愈少愈好，以便減少夾帶劑用量及汽化、回收時所需的能量；③新恒沸液最好為非均相混合物，便于用分層法分離；④無毒性、無腐蝕性，熱穩(wěn)定性好；⑤來源容易，價格低廉。 如用共沸精餾法進行操作，則流程為：在原料液中加入適量的夾帶劑環(huán)己烷，環(huán)己烷與原料液形成新的三元非均相恒沸液（相應的恒沸點為 ℃，環(huán)己烷質量分數(shù)為 %）。只要環(huán)己烷的加入量適當，原料液中的水可全部轉入到三元恒沸液中，從而使乙醇 — 水混合液得以分離。 由于常壓下此三組分恒沸液的恒沸點為 ℃，故其由塔 頂蒸出，塔底產品為近于純態(tài)的乙醇。塔頂蒸汽進入冷凝器 4中冷凝后，部分液相回流到塔 1，其余的進入分層器 5，在器內分為輕重兩層液體。輕相返回塔 1 作為補充回流。重相送入環(huán)己烷回收塔 2，以回收其中的環(huán)己烷。塔 2 的蒸汽由塔頂引出也進入冷凝器 4中，塔 2底部的產品為稀乙醇，被送到乙醇回收塔 3中。塔 3中塔頂產品為乙醇 — 水恒沸液，送回塔 1作為原料，塔底產品幾乎為純水。在操作中環(huán)己烷是循環(huán)使用的，但因有損耗，故隔一段時間后需補充一定量的環(huán)己烷。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 1恒沸精餾塔； 2環(huán)己烷回收塔； 3乙醇回收塔； 4全凝器； 5分層器 精餾裝置介紹 瑞安凱迪藥化機械有限公司是專業(yè)生產中藥提取與濃縮設備、鋁塑泡罩包裝機、智能化高效包衣機等制藥機械的制造商。該公司近期研發(fā)的改進型的乙醇、甲醇精餾回收裝置可適用于乙醇、甲醇的精餾回收 [28]。 其原理 :利用乙醇沸點低于水及其他溶液沸點的原理 ,用稍高于酒精沸點的溫度 ,將需要回收的稀乙醇溶液進行加熱揮發(fā) ,經(jīng)塔體精餾后 ,析出純乙醇氣體 ,提高乙醇溶液的濃度 ,達到回收乙醇的目的 [29]。 其特點 :( 1 )回收產量高 , 處理量 2 ht/ 。乙醇回收成品濃度可達 % 5 9 ~ % 3 9 ,甲醇回收成品濃度可達 98%~96% ； (2)節(jié)能顯著 ,乙醇損耗率≤ %,排放殘留率≤ 。設計中采用能量守恒定律 ,提高了回收產量； (3)采用全自動控制編程 ,造型新穎、結構緊湊。且安裝便捷 ,運行見效快 ,占地面積小 ,操作方便、經(jīng)濟效率高 [30]。 其參數(shù) :精餾塔直徑 800 mm；處理量≤ 2 ht/ ；稀乙醇濃度 60%~55% 。回收成品量 ~1 ht/ ；乙醇回收成品濃度 95%~93% ，甲醇回收成品濃度 98%~96% ；乙醇損耗率≤ %。排放殘留率≤ %。 第一章 緒論 7 乙醇精餾的影響因素主要有塔釜的溫度和壓力，塔內回流情況，萃取劑的選擇有關。 塔釜狀態(tài)對乙醇精餾的影響 塔釜的溫度和壓力對乙醇的萃取有直接的影響。乙醇水會隨著塔釜的溫度升高而加快分離速度 ,當溫度達到一個極限時 , 混合液的分離速度達到最理想的狀態(tài) ,繼續(xù)加溫后 ,會發(fā)現(xiàn)分離速度開始下降 ,并且混合液中的一些組分會在高溫下發(fā)生反應 , 提取出的高純度乙醇的質量受到影響 [31]。 塔壓波動對塔的操作將產生 如下的影響 ：影響產品質量和物料平衡，改變組分間的相對揮發(fā)度，改變塔的生產能力，引起溫度和組分間相對應關系的混亂[32]。因此在正常操作中需要維持恒定的壓力，在工藝指標允許范圍內適當調節(jié)壓力。 回流比對乙醇精餾的影響 隨著回流比的增大，易揮發(fā)組份的回收率呈現(xiàn) 現(xiàn)增加后減小的趨勢 [33]。塔釜乙醇產量先增加后趨于穩(wěn)定。當回流比大于三時，其他操作條件相同，塔釜回流操作的乙醇收率比塔頂回流操作的乙醇收率高 [34]。回流比過大 ,將會造成塔內物料的循環(huán)量過大 ,甚至能導致液泛 ,破壞塔的正常操作。因此需要根據(jù)實際 情況選擇合適的回流比，才能達到最高的收益。 進料對乙醇精餾的影響 進料量大小，溫度以及組成變化都會對精餾操作產生一定影響。進料熱狀況會對精餾耗能產生較 大影響 [35]。 進料組成的變化直接影響著精餾操作。當進料中重組分的濃度增加時 ,精餾段的負荷增加 ,對于固定了精餾段板數(shù)的塔來說 ,將造成重組分帶到塔頂 ,使塔頂產品質量不合格。 若進料組分中輕組分的濃度增加 ,此時 提餾段的符合增加 ,對于固定了提餾段塔板數(shù) 的塔來說 ,將造成提鎦段的輕組分蒸出不完全 ,釜液中輕組分 的損失加大 [36]。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 進料量變動的范圍只要不 超出塔頂冷凝器和塔底加熱釜的符合范圍時，塔頂溫和釜溫不會有顯著影響，而只影響塔內上升 蒸汽的速度 [37]。進料量增加對傳質是有利的，在蒸汽上升速度接近夜飯速度時傳質效果為最好 [38]。進料量的變化超出塔頂冷凝器，再沸器的范圍，會造成塔內上升蒸汽速度改變， 而且塔頂溫度，塔釜溫度也會相應改變。 萃取劑對萃取精餾的影響 選擇萃取劑應使原溶液中組分間的相對揮發(fā)度顯著增大，萃取劑的沸點應高于原溶液各組份的沸點（即揮發(fā)度?。┣也慌c原組分生成共沸物，且需要無毒無腐蝕性熱穩(wěn)定 性好，價廉易得 [39]。實驗 對純溶劑乙二 醇，混合溶劑：乙二醇和氯化鈣，乙二醇和醋酸鉀，乙二醇和氫氧化鉀，乙二醇和氫氧化鈉對乙醇誰 體系的分離效果進行了比較 ,乙二醇和氫氧化鉀的混合溶劑做萃取劑分離效果較好[40]。在工業(yè)生產中，常采用苯做萃取劑 [41],其他溶劑還有環(huán)己烷，戊烷，乙醚等[42]。實驗研究表明溶堿苯萃取劑相對于傳統(tǒng)的溶鹽苯萃取劑可以更好的提高分離效果 [43]。因此 ,選擇萃取劑時 ,可已加入適量的堿性溶液或提高混合液中乙醇的含量 ,有效的提高乙醇純度 [44]。 乙醇這一傳統(tǒng)產品，經(jīng)過半個多世紀的沉淪之后。自九十年代以來 ，之所以又重新成為許多國家大力研究和發(fā)展的對象，究其原因是人們對乙醇極優(yōu)越的物理、化學特性有了更深入的認識和了解。 乙醇已不單是一種優(yōu)良燃料，它與我們的生活息息相關，提純精餾后的乙醇大量應用于化學、化工、制酒業(yè)、醫(yī)療業(yè)外 ,還可以在一定程度上可以代替化石能源。在當代社會，尋找一種將乙醇能夠高效回收的方法對國家的經(jīng)濟綠色發(fā)展有很大的益處，能夠節(jié)約資源和降低成本。 更重要的是，乙醇的整個生產和消費過程可形成無污染和潔凈的閉路循環(huán)過程，是永不枯竭的可再生能源。 第二章 工藝計算 9 第二章 工藝計算 要求 原料：乙醇－水溶液，其中乙醇含量 70%（質量分數(shù)），經(jīng)預熱器加熱至泡點進料。 設計要求：年產量 5000 噸，乙醇含量不低于 %（質量分數(shù)）。在精餾塔塔頂生產出的質量分數(shù)為 %乙醇，計算時使用 95%（質量分數(shù)），再經(jīng)分子篩工藝，提純至 99%。塔釜乙醇含量不超過 5%（質量分數(shù)） ,計算時使用 5%（質量分數(shù)） [45]。 一年天數(shù)按 290 天算。每天按 24小時算。 塔型的選擇 精餾塔是粗乙醇精餾工序的關鍵設備，生產上對塔器在工藝上及結構上提出的要求為以下幾方面 ：（ 1)分離效率高，達到一定分離程度所需塔的高度低；（ 2）生產能力大，單位塔截面積處理量大；（ 3）操作彈性大，對一頂?shù)乃鳎僮鲿r企業(yè)流量的變化會影響分離效率。若將分離效率最高時的氣液負荷作為最佳負荷墊，可把分離效率比最高效率下降 15%的最大符合之比成為操作彈性。工程上常用的是液氣負荷比 錯誤 !未找到引用源。 為某一定值時，氣相與液相的操作彈性。操作彈性大的塔適應性強，易于穩(wěn)定操作；（ 4）氣體阻力小 氣體阻力小可使氣體輸送的 功率消耗小。對真空精餾來說，降低塔器對氣流的阻力可減小塔頂，底間的壓差，降低塔底操作壓強，從而可降低塔底溶液泡點，降低對塔釜加熱劑的要求，還可防止塔底物料的分解；（ 5）結構簡單，設備取材面廣，便于加工制造與維修，價格低廉，適用面廣。 目前常用的精餾塔主要有四種塔型：泡罩塔、浮閥塔、填料塔和篩板塔。其各自結構及特點如下： （ 1） 泡罩塔：泡罩塔是多層板式塔，每層塔板上裝有一個活多個炮罩。泡罩塔南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 （ 2） 的最大優(yōu)點是易于操作，操作彈性大。當液體流量變化時，由于塔板上液層厚度主要由溢流堰高度控制，使塔板上液層厚度變化很 小。該類型塔塔板效率高，塔阻力小，但單位面積的生產能力低，設備體積大，結構復雜，投資較大。由于多種弱點，該塔在當今多種優(yōu)良塔板型式比較中處于劣勢，已被其他塔板取代。 （ 2）浮閥塔：浮閥塔是在篩板塔的基礎上在每個篩孔處安置一個可上下移動的閥片。當篩孔氣速高時，閥片被頂起上升，孔速低時，閥片因自重而下降。閥片升降位置隨氣流大小作自動調節(jié)，從而使進入液層的氣速基本穩(wěn)定。又因氣體在閥片下側水平方向進入液層，既減少液沫夾帶量，又延長氣液接觸時間，故收到很好的傳質效果。該類型塔板效率高，單位面積生產能力大，造價較低。 但浮閥易損壞，維修費用高。 （ 3）填料塔：填料塔是在塔內裝填新型高效填料，如不銹鋼網(wǎng)波紋填料，每米填料相當 5塊以上的理論板。塔