乙醇精馏节能展望Word格式文档下载.docx
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4.集热共沸精馏·
5.多效精馏节能技术·
5
6.高效导向筛板·
6
7.乙醇精馏的新进展及发展方向·
8.分割式热泵精馏节能技术·
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9.乙醇精馏的新进展及发展方向·
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4．结论·
参考文献·
致谢·
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摘要：
精馏塔广泛应用于工业乙醇的生产中，精馏过程的能耗占总能耗的比例相当大，精馏系统的节能在化学工业的节能中占有越来越重要的地位，也是企业的节能重点。
因此，在精馏系统的设计时需进行节能优化。
实际上，在精馏塔设计时如果能够合理选择进料状态和最佳回流比，以及进料位置和进料温度的合理确定，采用节能工艺回收利用余热，均能得到较好的节能效果。
不同的乙醇混合物精馏所采用的工艺参数是不同的，本文结合学习内容及实习期间学到的知识以乙醇-水的混合物精馏展开研究。
Futureethanoldistillation
ZhangJianliang
Abstract:
distillationiswidelyusedintheindustrialproductionofethanol,theenergyconsumptionofdistillationprocessaccountedfortheproportionoftotalenergyconsumptionisquitelarge,energy-savingdistillationsystemplaysmoreandmoreimportantroleinenergysavingofthechemicalindustry,energysavingisthekeyofenterprise.Therefore,inthedesignofdistillationsystemisrequiredwhentheenergyoptimization.Infact,inthedistillationtowerdesignifreasonableselectionoftowerandfiller,selecttheoptimumrefluxratio,andreasonablydeterminethefeedtemperatureandposition,cangetgoodeffectofenergysaving.
一．引言
乙醇是重要的有机溶剂,广泛用于医药、涂料、卫生用品、化妆品、油脂等各个方面。
乙醇做为一种有机溶剂，用于消毒剂、洗涤剂、工业溶剂、稀释剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是消毒剂，浓度为70%～75%的乙醇溶液的杀菌能力最强；
做为基本有机化工原料，乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取医药、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料；
乙醇还可以调入汽油，作为车用燃料，美国销售乙醇汽油已有20年历史。
中国乙醇在汽油的比重占10%。
无水乙醇又称无水酒精，指浓度大于99％（质量）的乙醇。
主要作为溶剂，用于化妆品、制药等工业。
精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。
有板式塔与填料塔两种主要类型。
根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发（低沸点）组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发（高沸点）组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。
由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。
塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
精馏塔的工作原理是根据各混合气体的汽化点（或沸点）的不同，控制塔各节的不同温度，达到分离提纯的目的。
化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中中占有重要的地位。
为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。
要想把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。
精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。
化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。
为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。
可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。
乙醇是用途广泛和用量极大的工业原料之一，在国民经济各部门中占有重要地位，与人民生活有着密切的关系。
乙醇广泛应用于食品、化工、医药、染料、国防等行业，同时也是十分重要的清洁能源。
精馏技术还是目前分离乙醇水体系的主要方法，但精馏技术能耗很高，特别是处于能源紧缺的现代，而且乙醇一水体系又是具有最低共沸物的体系，体系沸点组成及物理性质如下表所示：
名称
分子式
分子相对质量
密度20℃kg/m³
沸点101.33kPa℃
比热容20℃kg/（kg•℃）
粘度20℃mPa.S
导热系数20℃ω/（m•℃）
表面张力σ×
10³
20℃N/m
水
H2O
18
998
100
4.183
1.005
0.599
72.8
乙醇
C2H5OH
46
789
78.3
2.39
2.15
0.172
22.8
二．乙醇精馏提纯的基本原理
精馏是化工生产中分离互溶液体混合物的典型单元操作，其实质是多级蒸
馏，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点和饱和蒸汽压的不同，使轻组分（即沸点低和饱和蒸汽压高的组分）汽化，经过多次液相汽化和气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离。
精馏过程中的主要设备有精馏塔、再沸器、冷凝器、预热器、储罐和输送设
备。
精馏塔以进料板为界限，上部为精馏段，下部为提馏段。
一定温度和压力的物料进入精馏塔后，轻组分（CH3CH2OH）在精馏段逐渐浓缩，离开塔顶后经冷凝器冷却全部进入回流罐，馏出的轻组分（CH3CH2OH）一部分做为做为成品，一部分做为回流液重新进入精馏塔，进入精馏塔的目的主要有两个原因，一是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体组成保持稳定，二是将精馏塔顶温控制在一个稳定的范围内，保证精馏操作连续稳定的进行。
而重组分（即残液）做为塔釜产品排除。
精馏过程中绝大部分能量都消失在塔顶冷凝器中的泠凝水水和塔釜残液中。
三.乙醇精馏提纯的研究
1.进料状态和进料位置的选择
进料分为5种状态，分为过冷进料（q>
1）；
泡点进料（q=1）;
气液混合进料
（0<
q<
饱和蒸汽进进料（q=0）；
过热蒸汽进料（q<
0）；
泡点进料时精馏段和提馏段的塔径相等，设计和制造比较方便，是精馏塔较为理想的进料状况，
当进料状况发生变化时，应适当改变进料位置，并及时调节回流比R。
一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况，保证在精馏塔的适宜位置进料。
如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。
进料位置对精馏操作有着重要意义。
不同的进料状况，都显著地直接影响提馏段的回流量和塔内的汽液平衡。
当进料口位置高于最佳进料口时，会使在此状态下的进料板的液相组成中的轻组分（CH3CH2OH）高于最佳位置下该板的液相组成的轻组分（CH3CH2OH），重组分（H₂O）低于最佳位置下的液相组成，相对于最佳位置而言，精馏段的塔板数减少，提留段的塔板数增加，所以此时塔顶产品质量会下降，同理，当进料口位置低于最佳进料口时，会使在此状态下
的进料板的液相组成中的轻组分（CH3CH2OH）低于最佳位置下该板的液相组成的轻组分（CH3CH2OH），重组分（H₂O）高于最佳位置下的液相组成，相对于最
佳位置而言，精馏段的塔板数增加，提留段的塔板数减少，所以此时塔顶产品质量会提高重组分（CH3CH2OH）的含量。
在相同的分离条件下,非最佳进料位置将增大回流比,导致塔釜热负荷增大。
从理论上分析,当塔有几股进料时,不同组成的物料进入不同的位置,其分离效
果最佳,节能也较显著,这是因为不同组成的物料混合就是有效能损失的过程。
2.塔顶回流比的选择
（1）回流比R对设计的影响回流比R是精馏过程的设计和操作的重要参数。
R直接影响精馏塔的分离能力和系统的能耗，同时也影响设备的结构尺寸。
当回流比增大时精馏段操作线斜率R/（R+1）增大，则精馏段操作线远离平衡线，如图中绿线所示。
使得精馏塔内各板传质推动力
及
增大，使各板分离能力提高。
为此，完成相同分离要求，所需理论板数将会减少，由13块减为10块理论板。
然而由于R的增加导致塔内气、液两相流量增加，从而引
起再沸器热流提高。
从而使精馏过程能耗增加，气相流量V及V'
将影响塔径的设计。
需要的理论板数N的减少，可降低塔的高度。
（2）随着回流比R的减小，则精馏过程的能耗下降，塔径D也回随之减小。
但因R减小，使操作线交点向平衡移动，导致过程传质推动力减小，使得完成相同的分离要求所需理论板数N随之增加，使塔增高。
如图所示：
当回流比继续减小，使两操作线交点落在平衡曲线上，如图中E点所示。
此时完成规定分离要求所需理论板数为∞。
此工况下的回流比为该设计条件下的最小回流比Rmin。
由图可得
式中xe－平衡曲线上E点液相摩尔分数；
ye－平衡曲线上E点气相摩尔分数。
3.精馏过程进料温度的选择
精馏塔的分离动力来自塔釜再沸器的热量,而且全塔上下的负荷并不均匀,它与侧线采出和进料工况有关。
一般说来,塔底的气液量比塔顶的大,塔的液泛都从塔底开始。
当进料是冷态时,则要求塔釜再沸器提供较多的热量,也增加了塔底气液量。
对于给定的分离要求,精馏系统所需的热量基本不变,当提高进料温度时,就会减少再沸器的热负荷。
进料温度的降低，将增加塔底再沸器的热负荷，减少塔顶冷凝器的冷负荷；
进料温度升高，则增加塔顶冷凝器的冷负荷，减少塔底再沸器的热负荷；
当进料温度的变化幅度过大时，常会影响整个塔身的温度，从而改变气液平衡组成。
另一方面，进料温度的变化，意味着进料状态的改变，因此，进料温度是影响精馏操作的重要因素之一。
乙醇-水的精馏采用泡点进料温度可大大降低精馏过程的能耗，同时也可以达到理想的分离目的。
4.集热共沸精馏节能技术
在串连两塔以上的精馏全过程中,采用塔群间的热量集成是一种极为有效的节能措施,乙醇与水共沸精馏双塔间的集热流程[4]中,主要设备有提浓塔和脱水塔,指定塔压,使提浓塔冷凝器的热负荷Qc1满足脱水塔再沸釜所需的热量QRB2,产物流热量用于预热进料液,得以回收,因而提浓塔再沸釜的热负荷QRB1即为整
个流程所需的全部热量。
用质量浓度分别为10%和6%的乙醇水溶液,以戊烷和苯作为夹带剂,模拟集热共沸精馏流程,其计算结果如下：
由以上计算结果可知:
（1）在乙醇—水二塔共沸精馏流程中,采用热量集成是一种有效的节能途径,可节能40%以上。
（2）在乙醇—水系统中,夹带剂戊烷的作用优于苯,体现在提浓塔所需塔板数相同,而戊烷脱水塔的
塔板数较苯脱水塔减少了一半,耗能量也少。
这是由于戊烷较苯能提高水的活性,具有较高的挥发性和较低的气化热.
5.多效精馏节能技术
为将低能耗，加热剂最高温度略高于塔底温度，冷却温度略低于塔顶温度。
而实际情况是，最方便廉价的冷却剂是水或空气，最常用的加热剂是水蒸气。
但是，这些热剂或冷剂很难符合上述要求，所已精馏塔经常无为地多消耗了不少有效能。
为此可以采用多效精馏，只要精馏塔塔底和塔顶温度之差比实际可用的加热剂和冷却剂见的温差小很多，就可以考虑多效精馏，多效精馏通常可以大幅度降低能耗。
多效精馏是通过扩展工艺流程来节减精馏操作能耗的，它是以多塔代替单塔，各塔的能位级别不同，能位较高的塔排出的能量用于能位较低的塔。
各塔操作压力不同，塔的操作压力由第1效到第N效逐渐降低，前一效的塔顶蒸汽
冷凝温度略高于后一效的塔釜液沸点温度。
第一效的塔釜由水蒸气加热，其塔顶蒸汽作为热源加热第2效的塔釜，同时被冷凝得到产品。
依次逐效进行，直到最后一效塔顶蒸汽被冷却介质冷凝。
这样在整个流程中只有第一效加入新鲜蒸汽，在最后一效加入冷却介质，中间各塔则不再需要外加蒸汽和冷却介质，因此多效精馏充分利用了冷热介质之间过剩的温差。
尽管总能量降级和单塔一样，但它不是一次性降级的，而是逐塔降低的，这样，每个塔的塔顶、塔底温差减小了，降低了有效能损失，从而达到节能目的。
但多效精馏的投资费用高于常规精馏。
6.高效导向筛板
高效导向筛板是北京化工大学在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入细致研究的基础,发挥筛板塔结构简单、造价低廉的特点,克服其漏点高、效率低的缺点,并且通过对各种塔板进行深入研究、综合比较,结合塔板上流体力学和传质学的研究开发的一种新型高效塔板。
高效导向筛板是在高效导向筛板上开设了大量筛孔及少部分导向孔,通过筛孔的气体在塔板上与液体错流,穿过液层垂直上升,通过导向筛板的气体沿塔板水平前进,将动量传递给塔板上水平流动的液体,从而推动液体在塔板上均匀稳定前进,克服了原来塔板上的液面落差和液相返混,提高了生产能力和板效率,解决了堵塔、液泛等问题。
另外,在传统塔板上,由于液面梯度,在塔板的上游总存在个非活化区,在此区域内气流无法穿过液层而上升鼓泡。
实验测定,非活化区的面积约占塔截面积的1/3左右。
高效导向筛板在液流入口处增加了向上凸成斜台状的鼓泡促进器,促使液体一进入塔板就能产生鼓泡,带来了良好的气液接触与传质。
7.分割式热泵精馏节能技术
分割式热泵精馏节能技术乙醇一水溶液是非理想溶液，属于正偏差溶液，其相平衡存在拐点，可以把乙醇一水单塔精馏分解成双塔精馏，并在上塔安装热泵装置，这就构成了分割式热泵精馏流程，如图1所示。
该塔类似于常规的直接式热泵精馏，只不过多了一个进料口，分割式泵精馏的方法，是将塔顶气相冷凝放出的热量传递到塔釜再沸器，以充分利用能量，达到降低能量消耗的目的。
由于上塔的物料在恒沸点附近，温差较小，从而所需压缩机的压比也较小，压缩比只需1:
2左右，选择单级压缩机，投资额小，追加投资回收期短。
下塔类似于常规精馏的提馏段，进料来白上塔的釜液，蒸汽出料则进人上塔塔底，其回流比与上塔比较，可大大减小，因为下塔的组分平均相对挥发度比上塔的大很多，降低回流比可使精馏过程进一步节能。
分割式热泵精馏操作控制简单，基本上解决了大温差高温精馏的热泵应用问题，拓宽了热泵精馏的应用范围，其节能效果明显，并可得到95%以上的无水乙醇，其能耗如表2所示。
按照《国家统计局标准》和《炼油厂能量消耗方法》:
lkg的1.OMPa级的水蒸气等价为0.10857标准煤、lkg加热设备凝结水等价为0.0109286kg标准煤、每千瓦时电力等价于0.123kg标准煤，因此，可将总能耗换算成标准煤进行比较。
从表2中可以看出，与常规精馏
相比较，以标准煤为标准，热泵精馏可节省能耗60%，符合热泵精馏节能技术的要求。
分割式热泵精馏与常规精馏的节能效果比较
8.乙醇精馏的新进展及发展方向
乙醇—水系统分离的四种节能方法各有其特点。
随着人类所面临的自然资源减少、能源短缺的问题,人们越来越致力于新型节能技术的研究开发工作。
上面所介绍的四种方法是目前应用研究最广的节能新技术,但不甚完善,还有待于进一步的研究与开发。
溶盐精馏萃取技术是制取无水乙醇的较好的节能技术,但还要进一步寻求更好的溶剂和盐的体系以及更好的工艺过程,使其完善。
热集成和双效精馏技术在具体的生产过程中的控制调节也有待于进一步的完善。
还有,热泵精馏技术能起到很好的节能效果,但缺乏基础研究数据,一次性投资较大,推广困难。
以上这些方面都是今后研究工作应进一步努力的方向。
随着科技的发展,新的节能分离技术也将不断涌现。
用渗透蒸发来进行节能分离,具有选择性好,能耗低,易于操作等特点。
但这一技术的发展主要在于膜技术的发展,即膜的研制与开发,使膜具有高选择性,高通量,高耐性。
另外,还有反应与分离耦合的节能分离新技术,如乙醇发酵是一个产物抑制型过程,对不同的微生物细胞所能耐受的最大乙醇浓度为6%～10%,因而人们作了大量的工作要在线除去乙醇,使反应转化率更高,相应的也使后续的酒精分离所需能耗更少。
所涉及的最热门在线除去乙醇的技术有超滤、溶剂萃取、膜蒸馏、反渗透、渗透蒸发或渗透牵引等[10],但目前这些研究尚处于实验研究阶段。
致力于强化
精馏过程,简化精馏装置系统,降低能耗,省去特殊精馏的添加剂,提高分离效率
和产品的收率的研究是今后乙醇—水精馏节能技术发展的方向。
可以想象,当更多的新技术与新的分离方法结合起来时,新型节能技术的发展前景将更加广阔,更多、更好的新型节能技术将应运而生。
3．结论
综上所述,降低精馏系统能耗的途径是多种多样的,无论采用哪种措施,均可取得一定程度的节能效果,但最终评价则取决于经济效益。
在多数情况下,采用节能技术会使操作费用减小,但增加了节能设备而使设备投资增大。
所以最大限度地节能不一定是最经济的,而且节能措施往往使操作变得更为复杂、苛刻,要求较高的控制水平,这在应用节能技术时是不能忽视的,必须综合权衡,采取最佳方案。
参考文献
[1]张锋,马斌精馏塔节能优化措施研究进展
[2]常秀莲节能型乙醇脱水新技术研究进展
[3]化工原理回流比的选择
[4]杨兆娟乙醇—水体系精馏节能技术分析
[5]谭永东乙醇一水精馏节能技术
致谢
我的毕业论文是在###老师的精心指导和大力支持下完成的，他渊博的知识开阔的视野给了我深深的启迪，论文凝聚着他的血汗，他以严谨的治学态度和敬业精神深深的感染了我对我的工作学习产生了深渊的影响，在此我向他表示衷心的感谢。
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