年处理乙醇水混合液10万吨的浮阀精馏装置设计Word文件下载.docx

年处理乙醇水混合液10万吨的浮阀精馏装置设计Word文件下载.docx

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Therearetwomethodsofethanolproduction:

fermentationandsynthesis.Ethanol-wateristhemostcommonsolventintheindustry,isoneoftheveryimportantchemicalrawmaterials.Ethanolasagreenfuelresearchinrecentyears.Butbecauseoftheethanol-waterazeotrope,ordinarydistillationofhardtogetpureethanol.Therefore,studyandimprovementofethanol-watersystemofdistillationequipmentisnecessary.

Thisarticleisbasedontheprincipleofrectificationof,accesstorelatedpropertiesofethanol-watersystem,designedayear100,000tonnesofamixtureofethanol-waterfloatvalvedistillationunit.Thekeyfeaturesofthedesignare:

materialbalance,heatbalance,processdesign,processdesignoftrays,aswellassomemechanicaldesign.

Keywords:

ethanol-water；

distillationtowerdesign;

mechanicaldesign

第1章绪论

1.1概述

乙醇俗称酒精,系醇类代表,是一种无色透明易挥发和易燃的液体。

其分子式C2H6O,结构式CH3-CH2-OH,分子量46。

历史上，关于蒸馏乙醇的最早描述者是MappaeClavicula他在自己的记述中谈到了乙醇可以用作燃料和溶剂的情况。

15世纪以前,乙醇仅作为饮料和药剂，并非大量生产的化学品。

18世纪末,才首次有关于无水乙醇生产方法的报道，但真正的工业化乙醇生产是在19世纪末开始发展起来的,到第二次世界大战期间发酵法生产乙醇达到了高峰。

发酵法是经典的乙醇生产方法。

在一个相当长的时期里,它是许多国家乙醇的主要来源。

目前在一些农副产品资源丰富的国家,发酵法仍然是生产乙醇的主要方法。

但是发酵法受到原料来源和成本的限制，因此合成法逐渐兴起，自1923年起美国和前苏联同时开始了直接水合法的研究。

1945年,美国壳牌化学公司把磷酸吸附在颗粒状硅藻土上,制备成固体催化剂,解决了直接水合法自1923年有报道以来一直没有实用价值催化剂的问题。

并在1948年建成年产60kt的乙醇工厂。

50年代末,原联邦德国维巴化学公司（Veba-Chemie）在壳牌法基础上改进了催化剂,发展为维巴公司自己的直接水合法技术。

到60年代,美国的伊斯特曼-柯达（EastmanKodak）公司,在水合工艺方面进行了改进,发展成为伊斯特曼-柯达公司的直接水合法技术,并在1972年建成一套年产200kt规模的合成乙醇生产工厂。

60年代后期,苏联也广泛开展了直接水合法工艺的研究,对水合催化剂进行了改进和提高,最后确定为磷酸-硅藻土催化剂。

1970年,苏联直接水合法制取乙醇的产量就已达600kt左右,占其乙醇总产量的55%左右。

直接水合法制乙醇自40年代末期工业化以来,经过不断发展,目前已成为世界合成乙醇的主要方法。

我国的乙醇工业是上世纪50年代发展起来的。

我国于1958年从前苏联引入年产20kt的间法生产技术,1962年我国开展了直接水合法的研究工作,到70年代建立起年产3kt和50kt的生产装置。

合成乙醇工业是在80年代开始投入大规模的生产,如吉化公司的乙烯合成乙醇年产能力已达120kt。

1949年我国乙醇年产量只有10kt,而到1987年,总产量超过1000kt,近几年的发展更是迅速,1994年我国的乙醇产量已突破2000kt的大关。

乙醇广泛地应用于国民经济的许多部门,它是许多化工产品不可缺少的基础原料和溶剂,利用乙醇可以合成橡胶、聚氯议席、聚苯乙烯、乙二醇、冰醋酸、苯胺、乙醚、酯类、环氧乙烷等；

它也是生产油漆和化妆品不可缺少的原料。

在医药工业和医疗事业中,乙醇用来配制提取医药制剂和作为消毒剂；

染料工业,国防工业等其他工业部门也大量使用乙醇；

在食品工业中,乙醇是配制各类白酒、果酒、葡萄酒、药酒和生产食用醋酸及食用香精的主要原料。

随着能源短缺情况的日益严重，代用燃料得到广泛重视，乙醇作为一种可能的潜在能源而身价百倍。

在汽油中添加5%～20%无水乙醇而成的汽油醇应运而生。

另外，乙醇还可以作为抗爆剂添加到汽油中代替四乙基铅。

长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇-水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。

但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇-水体系的精馏设备是非常必要的。

精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业得到广泛应用。

精馏过程在能量计的驱动下，使气、液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，从而实现原料混合物中各组成分离。

该过程是同时进行传质传热的过程。

蒸馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。

这一过程是借助板式塔设备实现的。

塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。

它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。

可在塔设备中完成的常见的单元操作有：

精馏、吸收、解吸和萃取等。

塔设备经过长期发展，形成了形式繁多的结构，但是长期以来，最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类。

在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。

两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。

目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。

对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等也都做了较多的研究，并推广应用于生产。

其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀-筛板复合塔盘等多种塔型的试验工作也在进行，有些已取得了一定的成果并用于生产。

乙醇-水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。

因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。

近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。

山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。

多年来，蒸馏工艺被认为是最经济的工业化回收乙醇的方法，但是随着能源短缺情况日益严重，研究节能型蒸馏工艺和非蒸馏回收乙醇工艺已成为乙醇工业研究的重要课题。

1.2工艺流程

发酵法和合成法，本设计采用直接合成法制乙醇。

反应方程式：

主反应：

C2H4+H2O→C2H5OH

副反应：

C2H5OH+C2H5OH→C2H5OC2H5+H2O

C2H5OH→C2H4O+H2

合成法生产乙醇的工艺流程图见图1，装置图见图2：

图1合成法生产乙醇的工艺流程图

含乙烯99%的原料气经原料气压缩机压到7.0MPa，与循环压缩机出口的循环气汇合。

乙烯气经换热后与高压蒸汽混合加热，合成气终温达到290℃进水合器，大约有7%的乙烯反应，物料温升大约20℃。

反应后的气体经过一系列换热器换热冷却，温度降到50℃左右进入分离系统。

图2合成法生产乙醇的装置图

设计的分离系统大致分为三个部分：

反应产物预处理、粗醇精馏、乙醇精制。

反应产物预处理：

由于乙烯的转化率很低，反应后的物料大部分是未反应的乙烯气体和水，因此我们选用一个高压分离器把不凝气和水、乙醇等产物分开，高压分离器的压力为6.5-7.0MPa。

从高压分离器顶部流出的气体再送入一个醇洗塔，把随气体排出的乙醇用水吸收。

从醇洗塔出来的气体做循环气和进料气混合再参加反应。

部分循环气排出用水吸收。

部分循环气排出系统以防止惰性气体积累，从高压分离器合醇洗塔底部流出的液相进入下一级粗醇精馏。

经过预处理后的粗醇组成主要是水、乙醇、乙醚、乙醛、其它杂质如正丁醇和辛烯、乙烯和其它气体。

由于乙醚和乙醛是轻组分，因此先在乙醚塔中分离它们。

再经过粗醇浓缩塔，使乙醇含量到达一定的浓度。

然后对于难于精馏除去的羰基化合物在催化剂存在下处理后，进入萃取精馏塔处理，萃取剂为水。

将多级萃取精馏脱杂质的乙醇液再进行精馏，得到符合市场要求乙醇。

图3板式精馏塔的工艺流程简图

如图3所示。

原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。

操作时连续地从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液），再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。

塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。

部分冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。

为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽、产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽，且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表），以测量物流的各项参数。

第2章设计任务书

2.1设计题目及原始条件

分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计

生产能力：

年处理乙醇-水混合液10万吨（开工率300天/年）

原料：

乙醇含量为35%（质量百分比，下同）的常温液体

分离要求：

塔顶乙醇含量不低于94%

塔底乙醇含量不高于0.2%

第3章塔板的工艺设计

3.1精馏塔全塔物料衡算

F：

原料液流量（kmol/s）XF：

原料组成（摩尔分数，下同）

D：

塔顶产品流量（kmol/s）XD：

塔顶组成

W：

塔底残液流量（kmol/s）XW：

塔底组成

原料乙醇组成：

塔顶组成：

塔底组成：

进料量：

物料衡算式：

F=D+W

FXD=DXD+WXW

联立代入求解：

D=0.034kmol/s，W=0.1346kmol/s

3.2计算温度、密度、表面张力、粘度、相对挥发度

表3-1乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系

温度/℃

液相

气相

100

82.7

23.37

54.45

79.3

57.32

68.41

95.5

1.90

17.00

82.3

26.08

55.80

78.74

67.63

73.85

89.0

7.21

38.91

8