【正文】 ence factors, technological design and equipment constitute. It theoretically support the rectification technology of ethanolwater solution and equipment design, and it also provides a brief description and production base for the practical application of industrial rectification equipment. Secondly, through the calculation of the parameters of the equipment and process, a plete set of applicable to 5000 tons per year of distillation process and apparatus recovery of 70% ethanol has been designed. Key Words: Ethanol。Technology。除了大量應(yīng)用于化學(xué)、化工、制酒業(yè)、醫(yī)療外 ,還可以在一定程度上可以代替化石能源 [2]。 在對比綜述了多種分離乙醇 水體系多種方法的基礎(chǔ)上 , 發(fā)現(xiàn)共沸精餾法具有生產(chǎn)連續(xù)、機(jī)械化程度高、產(chǎn)量大、消耗能源品位低、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn) , 在目前諸多的生產(chǎn)無水乙醇的工藝中占主要地位 , 是工業(yè)化生產(chǎn)無水乙醇的主要方法 [3]。 研究的問題 （ 1）設(shè)計(jì)一套 5000 噸 /年 70%乙醇水溶液精餾純化到 %的工藝和裝置。 （ 3）制定合理可行的工藝流程，確定操作條件，如操作壓力、進(jìn)料狀態(tài)、加熱方式等，確定回流比，計(jì)算塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量，加熱蒸汽量和釜?dú)堃毫?，估算全塔效率，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、物料衡算、熱量衡算。其次，根據(jù)化工工藝設(shè)計(jì)手冊和化工物性算圖手冊進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、物料衡算、熱量衡算，制定合理可行的工藝流程，對制備條件進(jìn)南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 行研究，包括進(jìn)料量、精餾時間、溫度等。 （ 2）設(shè)計(jì)思路： 70%乙醇溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用離心泵送入精餾塔。塔釜再沸器采用間接蒸汽供熱，塔底產(chǎn) 品經(jīng)冷卻后送入貯槽。 濃度 95%的酒精在預(yù)熱器內(nèi)用鍋爐蒸汽間接加熱到 100～ 120oC,進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生 105～ 125 oC 的酒精蒸汽 ,酒精蒸發(fā)器用鍋爐蒸汽作為熱源 ,產(chǎn)生的酒精蒸汽進(jìn)入過熱器 ,用高壓蒸汽加熱到過熱狀態(tài) 130～ 145 oC,過熱酒精蒸汽進(jìn)入分子篩吸附塔 I,酒精蒸汽中的氣態(tài)水分子被分子篩吸附 ,吸附以后的酒精蒸汽 經(jīng)過冷凝、冷卻后得到濃度為 99%的酒精。 總結(jié) 要想設(shè)計(jì)出一個有高收益，高效率，有實(shí)際操作意義的精餾裝置，需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算， 根據(jù)設(shè)計(jì)的任務(wù) ,精確的計(jì)算精餾塔 、換熱器 的操作條件、相關(guān)工藝運(yùn)行參數(shù)、精餾塔的塔型設(shè)計(jì)、連接管管道的尺寸等。 乙醇的介紹 乙醇是一種有機(jī)物，俗稱酒精，化學(xué)式為 ）OHHC或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。 第一章 緒論 3 乙醇的物理和化學(xué)性質(zhì) （ 1） 物理性質(zhì) 乙醇液體密度是 (20℃ ) ，乙醇?xì)怏w密度為 ，沸點(diǎn)是℃，熔點(diǎn)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。 （ 2） 化學(xué)性質(zhì) 乙醇分子中含有 極化的氧氫鍵，電離時生成烷氧基負(fù)離子和質(zhì)子。乙醇的酸性很弱，可以和高活躍性金屬發(fā)生反應(yīng) ,生成醇鹽和氫氣。 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。 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(diǎn)較低的乙醇，塔底 得到沸點(diǎn)較高的水。由于乙醇和水能形成恒沸物，其恒沸點(diǎn)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 壓力下具有恒沸點(diǎn)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］ 。 精餾方法 目前國內(nèi)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]。 （ 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(diǎn)，操作靈活，通過一個塔可以得到多個產(chǎn)品，而且溶劑也可以在 同一個塔中得到回收 ［ 19］ 。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。萃取精 餾過程成敗的關(guān)鍵是萃取劑的選擇和萃取精餾操作條件的優(yōu)化。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(shè)備防腐性能要求高 ［ 22］ 。 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(diǎn)或最高恒沸點(diǎn)恒沸物的物系，加入的另一組 分稱為挾帶劑 [23]。在工業(yè)生產(chǎn)中，加入適量的挾帶劑苯進(jìn)入精餾塔，苯，水，乙醇形成三元共沸物從塔頂餾出。乙醇從塔底排出。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(fù) 荷是萃取蒸餾法的一半 [27]。 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。 在恒沸精餾中，需選擇適宜的夾帶劑。 如用共沸精餾法進(jìn)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(yīng)的恒沸點(diǎn)為 ℃，環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %）。 由于常壓下此三組分恒沸液的恒沸點(diǎn)為 ℃，故其由塔 頂蒸出，塔底產(chǎn)品為近于純態(tài)的乙醇。輕相返回塔 1 作為補(bǔ)充回流。塔 2 的蒸汽由塔頂引出也進(jìn)入冷凝器 4中，塔 2底部的產(chǎn)品為稀乙醇，被送到乙醇回收塔 3中。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(bǔ)充一定量的環(huán)己烷。該公司近期研發(fā)的改進(jìn)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]。 其特點(diǎn) :( 1 )回收產(chǎn)量高 , 處理量 2 ht/ 。設(shè)計(jì)中采用能量守恒定律 ,提高了回收產(chǎn)量； (3)采用全自動控制編程 ,造型新穎、結(jié)構(gòu)緊湊。 其參數(shù) :精餾塔直徑 800 mm；處理量≤ 2 ht/ ；稀乙醇濃度 60%~55% 。排放殘留率≤ %。 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。 塔壓波動對塔的操作將產(chǎn)生 如下的影響 ：影響產(chǎn)品質(zhì)量和物料平衡，改變組分間的相對揮發(fā)度，改變塔的生產(chǎn)能力，引起溫度和組分間相對應(yīng)關(guān)系的混亂[32]。 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]。當(dāng)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]。因此需要根據(jù)實(shí)際 情況選擇合適的回流比，才能達(dá)到最高的收益。進(jìn)料熱狀況會對精餾耗能產(chǎn)生較 大影響 [35]。當(dāng)進(jìn)料中重組分的濃度增加時 ,精餾段的負(fù)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(chǎn)品質(zhì)量不合格。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 進(jìn)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(nèi)上升 蒸汽的速度 [37]。進(jìn)料量的變化超出塔頂冷凝器，再沸器的范圍，會造成塔內(nèi)上升蒸汽速度改變， 而且塔頂溫度，塔釜溫度也會相應(yīng)改變。實(shí)驗(yàn) 對純?nèi)軇┮叶?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(jìn)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]。實(shí)驗(yàn)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]。 乙醇這一傳統(tǒng)產(chǎn)品，經(jīng)過半個多世紀(jì)的沉淪之后。 乙醇已不單是一種優(yōu)良燃料，它與我們的生活息息相關(guān)，提純精餾后的乙醇大量應(yīng)用于化學(xué)、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。 更重要的是，乙醇的整個生產(chǎn)和消費(fèi)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。 設(shè)計(jì)要求：年產(chǎn)量 5000 噸，乙醇含量不低于 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。塔釜乙醇含量不超過 5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ,計(jì)算時使用 5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） [45]。每天按 24小時算。若將分離效率最高時的氣液負(fù)荷作為最佳負(fù)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。 為某一定值時，氣相與液相的操作彈性。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(qiáng)，從而可降低塔底溶液泡點(diǎn)，降低對塔釜加熱劑的要求，還可防止塔底物料的分解；（ 5）結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備取材面廣，便于加工制造與維修，價格低廉，適用面廣。其各自結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)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。當(dāng)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。由于多種弱點(diǎn)，該塔在當(dāng)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。當(dāng)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。又因氣體在閥片下側(cè)水平方向進(jìn)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(zhì)效果。 但浮閥易損壞，維修費(fèi)用高。塔總高一般為浮閥塔的一半。 （ 4）新型垂直篩板塔：新型垂直篩板塔的傳質(zhì)單元，是由塔板開有升氣孔及罩于其上的帽罩組成。板上液面梯度小，液面橫向混合好、無流動及傳質(zhì)死區(qū)。 精餾流程及 分子篩吸附過程 乙醇 — 水溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用泵送入精餾塔。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。 水分子直徑 ,是高度的極性分子 ,具有很強(qiáng)的正負(fù)電子第二章 工藝計(jì)算 11 密度 ,很容易被分子篩吸附 ,即使在濕氣相當(dāng)?shù)偷那闆r下也是如此 ,水分子一旦被吸附就會牢牢地固定在晶體上。,依據(jù)水分子和酒精分子直徑的不同 ,酒精脫水選用 3197。 3197。 ,主要用于吸附臨界直徑不大于 3197。 的任何分子。分子篩的分子式為 : A12O3 。 (2)能耗較低。 (3)操作簡便 ,勞動強(qiáng)度小 ,可以全過程采用自動化控制。 (5)分子篩使用壽命長 ,正常操作條件更換周期可達(dá) 5～ 7年。酒氣冷凝系統(tǒng)采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，酒精冷卻器夏季用冷凍水或溫度較低的一次水進(jìn)行冷卻。再生系統(tǒng)后冷凝器尾氣與真空系統(tǒng)相連 ,通過真空泵保持解析系統(tǒng)的真空度。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 222分子篩吸附流程 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù) 本設(shè)計(jì)要求如下表 料液組成 （乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 液料量 塔頂產(chǎn)品純度 （乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 塔底釜底純度 (乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 70% 表 231 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求 %10048/3046/70 46/70nn n O2HOH2CH3CH OH2CH3CHFx ?????? 1100%5/ 1895/ 4695/ 46nn n O2HOH2CH3CH OH2CH3CHDx ?????? 0100%/ 18595/ 46 5/ 46nn n O2HOH2CH3CH OH2CH3CHWx ?????? 其中： fx — 原料液摩爾分?jǐn)?shù) Dx — 塔頂摩爾分?jǐn)?shù) Wx — 塔釜摩爾分?jǐn)?shù) 第二章 工藝計(jì)算 13 平均摩爾質(zhì)量 l3 1 . 3 5 6 g / m o)x(118x46M fff ?????? l4 2 . 6 6 8 g / m o)x(118x46M DDD ?????? g / m o l5 6 )x(118x46M WWW ?????? 其中： fM — 原料液 的平均摩爾質(zhì)量 DM — 錯誤 !未找到引用源。 已知： WDF ?? , WDf WxDxFx ?? 根據(jù) 可知 0 . 0 2 0X，0 . 8 8 1X，0 . 4 7 7X WDf ??? 因?yàn)? k m o l/ h 1 6. 8 3 ＝7 18 . 4 0k g / h =D 又因?yàn)? 1 k m o l/h 3 1 . 7＝W +D=F 所以 ol/ =W 所以 % = /F xDx=η fD 查取乙醇溶液的沸點(diǎn)，以上計(jì)算結(jié)果如下表所示 名稱 原料液（ F） 塔頂液 (D) 塔釜液 (W) G 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 70% 95% 5% X 摩爾分?jǐn)?shù) 物質(zhì)流量 kmol/h 沸點(diǎn)溫度 t/℃ 表 233 原料液、塔頂液、塔釜液的流量數(shù)據(jù) 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 塔板數(shù)的確定 乙醇 — 水物系的氣液平衡數(shù)據(jù) 圖 241 乙醇水物系氣液平衡數(shù)據(jù) 最