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1、乙醇精馏塔设计毕业论文 乙醇精馏塔设计毕业论文 目录 摘要. I Abstract. II 第一章绪论 (1) 1.1 设计的目的和意义 (1) 1.2 产品的性质及用途 (1) 1.2.1 物理性质 (1) 1.2.2 化学性质 (2) 1.2.3 乙醇的用途 (2) 第二章工艺流程的选择和确定 (3) 2.1 粗乙醇的精馏 (3) 2.1.1 精馏原理 (3) 2.1.2 精馏工艺和精馏塔的选择 (3) 2.2 乙醇精馏流程 (5) 第三章物料和能量衡算 (7) 3.1 物料衡算 (7) 3.1.1 粗乙醇精馏的物料平衡计算 (7) 3.1.2 主塔的物料平衡计算 (8) 3.2 主精馏塔
2、能量衡算 (9) 3.2.1 带入热量计算 (9) 3.2.2 带出热量计算 (10) 3.2.3 冷却水用量计算 (10) 第四章精馏塔的设计 (11) 4.1 主精馏塔的设计 (11) 4.1.1 精馏塔全塔物料衡算及塔板数的确定 (11) 4.1.2 求最小回流比及操作回流比 (12) 4.1.3 气液相负荷 (12) 4.2 求操作线方程 (12) 4.3 图解法求理论板 (13) 4.3.1 塔板、气液平衡相图 (13) 4.3.2 板效率及实际塔板数 (14) 4.4 操作条件 (14) 4.4.1 操作压力 (14) 4.4.2 混合液气相密度 (15) 4.4.3 混合液液相密
3、度 (16) 4.4.4 表面力 (16) 4.5 气液相流量换算 (19) 第五章塔径及塔的校核 (21) 5.1 塔径的计算 (21) 5.2 溢流装置 (23) 5.2.1 堰长 (23) 5.2.2 出口堰高 (23) 5.2.3 弓形降液管的宽度和横截面积 (23) 5.2.4 降液管底隙高度 (24) 5.3 塔板布置 (24) 5.4 浮阀数目与排列 (24) 5.5 气相通过浮阀塔板的压降 (26) 5.6 淹塔 (27) 5.7 塔板负荷性能图 (28) 5.7.1 雾沫夹带线 (28) 5.7.2 液泛线 (29) 5.7.3 液相负荷上限线 (30) 5.7.4 漏液线
4、(30) 5.7.5 液相负荷下限线 (31) 第六章塔附件设计 (34) 6.1 接管设计 (34) 6.2 壁厚 (35) 6.3 封头 (35) 6.4 裙座 (35) 6.5 塔高的计算 (35) 6.5.1 塔的顶部空间高度 (35) 6.5.2 塔的底部空间高度 (36) 6.5.3 塔立体高度 (36) 第七章总结 (37) 致谢 (38) 参考文献 (39) 第一章绪论 1.1 设计的目的和意义 由于我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，寻求替代能源已成为我国经济发展的关键。乙醇作为石油的补充已成为现实，发展乙醇工业对我国经济发展具有重要的战略意义。煤在世界化石
5、能源储量中占有很大比重（我国情况更是如此），而且煤制乙醇的合成技术很成熟。随着石油和天然气价格的迅速上涨，煤制乙醇更加具有优势。本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、安全环保”的原则；结合乙醇的性质特征设一座年产20万吨煤制乙醇的生产车间。 作为替代燃料，近几年，汽车工业在我国获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的，而乙醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并开展了这方面的工作。 通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识，培养分析解决问题的能力；还可以
6、培养创新精神，树立良好的学术思想和工作作风。通过完成设计，可以知道乙醇的用途；基本掌握煤制乙醇的生产工艺；了解国外乙醇工业的发展现状；以及乙醇工业的发展趋势。 1.2 产品的性质及用途 1.2.1 物理性质 乙醇是一种很好的溶剂，既能溶解许多无机物，又能溶解许多有机物，所以常用乙醇来溶解植物色素或其中的药用成分，也常用乙醇作为反应的溶剂，使参加反应的有机物和无机物均能溶解，增大接触面积，提高反应速率。例如，在油脂的皂化反应中，加入乙醇既能溶解NaOH，又能溶解油脂，让它们在均相（同一溶剂的溶液）中充分接触，加快反应速率，提高反应限度。 乙醇的物理性质主要与其低碳直链醇的性质有关。分子中的羟基可
7、以形成氢键，因此乙醇黏度很大，也不及相近相对分子质量的有机化合物极性大。室温下，乙醇是无色易燃，且有特殊香味的挥发性液体。 1.2.2 化学性质 乙醇具有酸性（不能称之为酸，不能使酸碱指示剂变色，也不与碱反应，也可说其不具酸性）乙醇分子中含有极化的氧氢键，电离时生成烷氧基负离子和质子。乙醇的pKa=15.9，与水相近。乙醇的酸性很弱，但是电离平衡的存在足以使它与重水之间的同位素交换迅速进行。因为乙醇可以电离出极少量的氢离子，所以其只能与少量金属（主要是碱金属）反应生成对应的醇金属以及氢气。醇可以和高活跃性金属反应，生成醇盐和氢气。醇金属遇水则迅速水解生成醇和碱。 （1）乙醇可以与金属钠反应，产
8、生氢气，但不如水与金属钠反应剧烈。 （2）活泼金属（钾、钙、钠、镁、铝）可以将乙醇羟基里的氢取代出来。 1.2.3 乙醇的用途 乙醇可作为溶剂、各种化合物的结晶、洗涤剂、萃取剂；可用于有机合成；食用酒精可以勾兑白酒；可用作粘合剂、硝基喷漆、清漆、化妆品、油墨、脱漆剂等的溶剂以及农药、医药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂等的制造原料、还可以做防冻剂、燃料、消毒剂等。一般使用 95%的酒精用于器械消毒；7075%的酒精用于杀菌，例如 75%的酒精在常温（25）下一分可以杀死大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、白色念球菌、铜绿假单胞菌等；更低浓度的酒精用于降低体温，促进局部血液循环等。但是研究表明，
9、乙醇不能杀死细菌芽孢，也不能杀死肝炎病毒（如：乙肝病毒）。故乙醇只能用于一般消毒，达不到灭菌标准！因其是良好的有机溶剂，所以中医用它来送服中药，以溶解中药中大部分有机成分并对中药有防腐作用。乙醇也可调入汽油，作为车用燃料。乙醇汽油也被称为（E型汽油），我国使用乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。 第二章工艺流程的选择和确定 2.1 粗乙醇的精馏 在乙醇合成时，因合成条件如压力、温度、合成气组成及催化剂性能等因素的影响，在产生乙醇反应的同时，还伴随着一系列的副反应。所得产品除乙醇为，还有乙醇、水、醚、醛、酮
10、、酯、烷烃、有机酸等几十种有机杂质。由于乙醇作为有机化工的基础原料，用它加工的产品种类很多，因此对乙醇的纯度均有一定的要求。乙醇的纯度直接影响下游产品的质量、消耗、安全生产及生产过程中所用的催化剂的寿命，所以粗乙醇必须提纯。 2.1.1 精馏原理 精馏是将沸点不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中，同时多次部分气化和多次部分冷凝，使其分离成纯态组分的过程。其分离的原理如下： 对于由沸点不同的组分组成的混合液，加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离。因低沸点组分易于气化，则所得气相中低沸点组分含量高于液相中的含量，而液相中高沸点组分含量，较气相中高。若将气相混合蒸汽再部分冷凝下来，将冷凝
11、液再加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离，则所得气相冷凝液中的低沸点组分又高于原气相冷凝液。如此反复，低沸点组分不断提高，到最后制得接近纯态的低沸点组分。 2.1.2 精馏工艺和精馏塔的选择 乙醇精馏按工艺主要分为两种：双塔精馏工艺技术和三塔精馏工艺技术。双塔精馏工艺技术由于具有投资少、建设周期短、操作简单等优点，其在联醇装置中得到了迅速推广。三塔精馏工艺技术是为减少产物在精馏中的损耗和提高热利用率，而开发的一种先进、高效和能耗较低的工艺流程。近年来在大、中型企业中得到了推广和应用。 a .双塔精馏工艺 国中、小乙醇厂大部分都选用双塔精馏工艺传统的主、预精馏塔几乎都选用板式结构。来
12、自合成工段的粗乙醇，经减压进入粗乙醇贮槽。经粗乙醇预热器加热到45后进入预精馏塔。乙醇的精馏分2个阶段：先在预塔中脱除轻馏分后进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，从塔顶或侧线采出.经精馏乙醇冷却器冷却至常温后，就 可得到纯度较高的精乙醇产品。该工艺具有流程简单，运行稳定，操作方便，一次投资少的特点。 b.三塔精馏工艺 近年来，许多企业原有乙醇双塔精馏装置已不能满足企业的需要。随着生产的强化，不仅消耗大幅度上升，而且残液中的乙醇含量也大大超过了工艺指标。对企业的达标排放构成了较大的威胁。乙醇三塔精馏工艺技术是为了减少乙醇在精馏过程中的损耗，提高乙醇的收率和产品质量而设计的。预精馏塔后的
13、冷凝器采用一级冷凝，用以脱除二甲醚等低沸点的杂质，控制冷凝器气体出口温度在一定围。在该温度下，几乎所有的低沸点馏分都为气相，不造成冷凝回流。脱除低沸点组分后，采用加压精馏的方法，提高乙醇气体分压与沸点，减少乙醇的气相挥发，从而提高了乙醇的收率。作为一般要求的精乙醇经加压精馏塔后就可以达到合格的质量。如作为特殊需要，则再经过常压精馏塔的进一步提纯。生产中加压塔和常压塔同时采出精乙醇，常压塔的再沸器热量由加压塔的塔顶气提供，不需要外加热源。粗乙醇预热器的热量由精乙醇提供，也不需要外供热量。因此.该工艺技术生产能力大，节能效果显著，特别适合较大规模的精乙醇生产。 c.双塔与三塔精馏技术比较 （1）工
14、艺流程。三塔精馏与双塔精馏在流程上的区别在于三塔精馏采用了2台主精馏塔(其中1台是加压塔)和1台常压塔，较双塔流程多1台加压塔。这样，在同等的生产条件下，降低了主精馏塔的负荷，并目常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏既节约蒸汽，又节省冷却水。 （2）蒸汽消耗。在消耗方面，由于常压塔加压塔的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏的蒸汽消耗相比双塔精馏要低。 （3）产品质量。三塔精馏制取的精乙醇纯度较高，含有的有机杂质相对较少。 （4）设备投资。三塔精馏的流程较双塔精馏流程要复杂，所以在投资方面，同等规模三塔精馏的设备投资要比双塔精馏高出20%30%。 （5）操作方面。由于双塔精馏
15、具有流程简单，运行稳定的特点，所以在操作上较三塔精馏要方便简单。 本设计中乙醇产量为20万t/a，属于中型产量，由于生产能力小，蒸汽消耗量对全厂成本及蒸汽平衡影响比较小，可选用二塔流程。乙醇与水共沸物浓度为95.6%，双塔精馏大可满足精馏纯度的要求。通过上述比较可知，三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高出20%到30%。乙醇精馏综合考虑各项因素，所以设计可采用双塔精馏工艺。粗乙醇降压到0.05MPa后人闪蒸槽，释放出溶解在粗乙醇中的大部分气体，出来的粗乙醇则进入精馏塔。其中一个塔为粗馏塔，另一个为精馏塔，两塔之间不直接连通，互相影响较小，操作方便。乙醇混合液首先通过蒸发得到一定浓度的乙醇溶液
16、，再通过精馏系统达到乙醇的共沸浓度，最后通过分子筛脱水得到无水乙醇。 d.精馏塔的选择 精馏塔是粗乙醇精馏工序的关键设备，它直接制约着生产装置的产品质量、消耗、生产能力及对环境的影响。所以要根据企业的实际条件选择合适的高效精馏塔。目前常用的精馏塔主要有四种塔型：泡罩塔，浮阀塔，填料塔和新型垂直筛板塔。其各自结构及特点如下： （1）泡罩塔泡罩塔十多层板式塔，每层塔板上装有一个活多个炮罩。该类型塔塔板效率高，操作弹性大，塔阻力小，但单位面积的生产能力低，设备体积大，结构复杂，投资较大。该塔已经逐渐被其他塔代替。 （2）浮阀塔浮阀塔的塔板结构与泡罩相似，致使浮阀代替了泡罩及其伸气管。该类型塔板效率高
17、，单位面积生产能力大，造价较低。但浮阀易损坏，维修费用高。 （3）填料塔填料塔是在塔装填新型高效填料，如不锈钢网波纹填料，每米填料相当5块以上的理论板。塔总高一般为浮阀塔的一半。该塔生产能力大，压降小，分离效果好，结果简单，维修量极小，相对投资较小，是目前使用较多的塔型之一。 （4）新型垂直筛板塔新型垂直筛板塔的传质单元，是由塔板开有升气孔及罩于其上的帽罩组成。该塔传质效率高，传质空间利用率好，处理能力大，操作弹性大，结构简单可靠，抗结垢、防堵塞性能好,由于操作气速高，气流自清洗能力强且升气孔直径大，很不容易堵塞，投资省，传质单元的间距较大，便于布置加热和冷却排管。板上液面梯度小，液面横向混合
18、好、无流动及传质死区。 综合比较上面四种塔，可以知道浮阀塔和新型垂直筛板塔性质更加优越，同时浮阀塔技术更成熟，操作简单，而且维修费用较低，所以设计选用了浮阀塔。 2.2 乙醇精馏流程 精馏系统采用双塔蒸馏流程，其中一个塔为粗馏塔，另一个为精馏塔，两塔之间不直接连通，互相影响较小，操作方便。乙醇混合液首先通过蒸发得到一定浓度的乙醇溶液，再通过精馏系统达到乙醇的共沸浓度，最后通过分子筛脱水得到无水乙醇。 来自合成工段的粗乙醇，经减压进入粗乙醇贮槽。经粗乙醇预热器加热到45后进入预精馏塔。从塔顶出来的气体先经过一级冷凝器冷却，冷凝液体进入预精馏塔回流槽，通过预塔回流泵回流到预精馏塔顶部，未冷凝气体进入二级冷凝器，其中不凝气体通过预塔水封放空。其中冷凝液进入二级冷凝液储槽，进行脱盐水萃取，萃取后的乙醇水进入预精馏塔回流槽进行回流，预塔回流槽中需要通过碱液泵加入2%到5%的碱液，用于防腐蚀。在预塔中脱除轻馏分后进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，从塔顶或侧线采出。经精馏乙醇冷却器冷却至常温后，通过分子筛脱水得到无水乙醇。塔底的废水经常压塔废水冷却器冷却，并经过常压塔废水泵送到废水处理工段，工艺流程如图2-1：