论文总字数：22435字

摘 要

Abstract VI

第一章 前言 1

1.1研究背景 1

1.2 研究任务 1

1.3乙醇的理化性质 1

1.3.1物理性质^［1］ 1

1.3.2化学性质 2

1.4乙醇的精馏原理 2

1.5几种精馏方法 3

1.5.1间歇萃取精馏 3

1.5.2恒沸精馏 3

1.6乙醇精馏装置介绍 5

1.7影响乙醇精馏效率的因素 6

1.7.1塔釜状态对乙醇精馏的影响 6

1.7.2回流比对乙醇精馏的影响 6

1.7.3进料对乙醇精馏的影响 6

1.7.4萃取剂对萃取精馏的影响 7

第二章 工艺计算^［32］ 8

2.1 设计任务及要求 8

2.2 塔型选择及精馏流程 8

2.2.1 塔型的选择 8

2.2.2精馏流程 10

2.3塔的物料衡算 11

2.3.1料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 11

2.3.2平均摩尔质量 11

2.3.3物料衡算 12

2.4 塔板数的确定 12

2.4.1. 乙醇—水物系的气液平衡数据 12

2.4.2. 最小回流比及操作回流比  12

2.4.3. 操作线方程  13

2.4.4. 图解法求理论塔板层数 14

2.4.5 实际塔板数 15

2.5 塔的工艺条件及物性数据计算 17

2.5.1. 操作压力 17

2.5.2. 平均摩尔质量  17

2.5.3. 平均密度  18

2.5.4. 液体表面张力 19

2.6  气液相流量换算 20

第三章 精馏塔的计算 22

3.1 塔径的计算 22

3.1.1求空塔气速u 22

3.2溢流装置 24

3.2.1溢流堰长 25

3.2.2出口堰高度 25

3.2.3堰高 25

3.2.4弓形降液管高度Wd及降液管面积Af 25

3.2.5降液管底隙高度需小于堰高因此取 26

3.3塔板布置 26

3.3.1塔板的分块 26

3.3.2边缘区宽度确定 26

3.3.3开孔区面积计算 26

3.4气体通过筛孔气速 27

3.5塔的高度 27

3.6塔板力学性能校验 28

3.6.1塔板阻力 28

3.6.2.验算液体在降液管中停留时间 29

3.6.3降液管泡沫层高度 30

3.6.4雾沫夹带量校核 31

3.6.5漏液点 33

第四章 操作负荷性能曲线 36

4.1漏液线 36

4.2过量雾沫夹带线 37

4.3液相负荷下限线 38

4.4液相负荷上限线 38

4.5液泛线 39

第五章 塔体结构及次要附属设备的设计 41

5.1接管的尺寸及选择 41

5.1.1进料管 41

5.1.2塔顶蒸汽出口管 41

5.1.3回流管直径 41

5.1.4法兰的选择 42

5.2筒体与封头 42

5.2.1筒体 42

5.2.2封头 42

5.2.3支座 43

5.2.4除沫器 43

5.2.5手孔 43

第六章 总结 44

6.1设计成果 44

6.2总结 44

参考文献 46

致 谢 50

摘 要

乙醇在人类的生活与社会发展中一直处于重要地位，多年来，乙醇在各种类型实验和生产中使用的比例很大，寻找一种将乙醇能够高效回收的方法将对国家的能源环境有很大的益处，节约资源和成本。精馏则是利用液体各组分的挥发度不同对液体混合物分离提纯常用的方法，本文先通过对乙醇的理化性质，精馏原理，装置构成，精馏方法和影响因素等方面进行了综述，从而对乙醇水精馏装置设计给出了理论支持，其次根据化工工艺设计手册和化工物性算图手册进行工艺设计、物料衡算、热量衡算，制定合理可行的工艺流程，对制备条件进行研究，为精馏装置的实际应用提供了简要说明。本文通过对各项参数的计算，设计出了一套完整的适用于5000吨／年70%乙醇的回收精馏装置和工艺。

关键词：乙醇 精馏 装置设计

Abstract

Ethanol has been in an important position in human life and social development, such that ethanol is in the wine, the vehicle fuel and disinfectants. Over the years, the proportion of ethanol used in the production and various types of experiments is very large. To find a method for efficient recovery of ethanol can give the country benefits of energy and environment, and save resources and cost. Distillation is a method commonly used in the separation and purification of liquid mixtures of different components with the different liquid volatility. In this paper, the physical and chemical properties of ethanol, the distillation principle, the device configuration, distillation methods and influencing factors were reviewed firstly. Thus, the design of ethanol water distillation plant has the theoretical support and a brief description of practical application. Secondly, through the calculation of the parameters, a complete set of applicable to 5000 tons per year of distillation apparatus and process recovery of 70% ethanol has been designed.

Keywords: Ethanol; Rectification; Plant design

第一章 前言

1.1研究背景

乙醇是一种无色透明的液体，其具有易燃易挥发的特点，使用范围广泛，可以用来制作醋酸，饮料，香精，燃料，染料等，也是一种常用的溶剂，在国防工业，医疗卫生，有机合成，食品工业，工农业生产中都有广泛的用途。为了降低生产成本和节约能源，采用精馏回收乙醇的方法是很必要的。在工业生产上使用最广泛的分离液体混合物的操作方法，是根据液体的回流现象让液体混合物进行高纯度分离的蒸馏方法，这种方法叫做精馏。近年来虽已开发应用不少新型传质的分离方法并取得进展，但精馏仍在传质分离中占主导地位^［1］。

1.2 研究任务

本论文主要任务是设计一套5000吨/年从70%乙醇水溶液精馏纯化到99.0%乙醇的工艺和装置。首先，通过查阅相关文献资料，了解乙醇精馏的相关方法，选取出最合理的精馏纯化方式。其次，根据化工工艺设计手册与化工物性算图手册进行工艺设计、物料衡算、热量衡算，制定合理可行的工艺流程，对制备条件进行研究，包括进料量、共沸剂种类及用量、精馏操作时间、温度等。同时，完成对精馏塔、冷凝器、塔釜、填料等关键设备装置的选型和结构设计。本论文主要负责对精馏塔进行设计。

1.3乙醇的理化性质

1.3.1物理性质^［1］

乙醇常温下是液体状态，密度是 ，乙醇气化后密度为，沸点是，熔点是，具有易燃特点，当乙醇蒸气和空气混合时，可以产生爆炸性混合物，乙醇可以和水以任意比例互溶合。乙醇可以和水、氯仿、乙醚、甲醇、丙酮等大部分有机溶剂相互溶合，相对密度()为。

1.3.2化学性质

有极化的氧氢键存在于乙醇分子中，其通电解离时会产生烷氧基负离子和质子。因为存在还原性，所以乙醇能够被氧化还原成为乙醛。乙醇具有较弱的酸性，所以只能与活泼金属发生反应,产生醇盐和氢气。除了上述性质，乙醇还存在氧化性和酯化反应等性质。

1.4乙醇的精馏原理

图 1-1乙醇水体系二元混合物气液相图

由于乙醇混合溶液中各个成分的挥发性质不同，所以乙醇能够通过精馏分离。乙醇多塔蒸馏的实质是在几个完整塔或不完整塔上分别重复单塔操作的重复蒸馏^［2］。 在乙醇－水两个成分液态混合物中，多次进行部分汽化和部分冷凝过后，会于塔顶产生沸点较低的乙醇，塔底产生沸点较高的水。分离次数越多，得到的气相产品里轻组分的纯度就越高。由于乙醇和水能形成恒沸物，其恒沸点为78.15℃，恒沸混合物沸腾时气象组成与液相组成相同，部分汽化或部分液化都不可以使混合物的组成发生变化，故在指定压力下具有恒沸点的而组分液态混合物经过精馏后只能得到一个纯组分和恒沸混合物，而不能同时得到两个纯组分^［3］。需要使用特殊的蒸馏方法进行产品进行分离，如萃取蒸馏，恒沸蒸馏，水蒸汽蒸馏和分子蒸馏等^［4］。

1.5几种精馏方法

乙醇有以下几种生产方法:氧化钙脱水法、共沸精馏、吸附精馏、渗透汽化、吸附法、萃取精馏法和真空脱水法等^［5］。本文主要对萃取精馏法和恒沸精馏法进行阐述。

1.5.1间歇萃取精馏

间歇萃取精馏同时具有间歇精馏和萃取精馏的优点，能够使用单个精馏塔获得多个产品，同时生产原料也能够于同一个塔中被收集^［6］。萃取剂具有提高原料液各组分的相对挥发度的特点，萃取剂不和原料中任何一个成分共沸，可以从塔底排出萃取剂和某一成分，在塔顶能够获得高浓度的另外一个成分物质从而有效的对原溶液的成分进行分离^［7］。萃取精馏过程能否成功取决于萃取剂的种类和萃取精馏操作条件的优化。要选用适宜的萃取剂，主要影响因素为：溶剂的高选择性与溶解性，经济效益，热稳定性，化学稳定性和毒性等^［8］。例如，选取乙二醇和氢氧化钾的混合物溶液作为萃取剂时，对产品的分离度较高，能耗较低，但要求设备防腐性能较好^［9］。

1.5.2恒沸精馏

若在含有两个成分的恒沸液中加入第三个成分（挟带剂），该成分可以和原料液中的一个或两个成分成为新的恒沸液，由此让原料液可以利用普通精馏进行分离，上述操作被称为恒沸精馏。恒沸精馏通常用来分离相对挥发度接近1以及具有最低恒沸点或最高恒沸点恒沸物的一类物质，添加的另外的成分被称为挟带剂^［10］。挟带剂可以和原料液中的一个或两个成分混合产生另一种最低恒沸物，从塔顶蒸发出来，让精馏分离能够将恒沸物通过分离往纯组分发展，因为挟带剂的相对挥发度较大，分离操作可以更加容易的实现^［11］。在工业生产中，加入适量的挟带剂苯进入精馏塔，苯，水，乙醇产生三元共沸物由塔顶馏出。在乙醇水体系中，异辛烷也可对乙醇脱水作用有一定效果^［12］。乙醇从塔底排出。恒沸精馏与普通精馏不同，恒沸精馏不能使轻重两种成分完全的分开，塔顶总是得到沸点较低的恒沸物，而塔底得到沸点比恒沸物高的成分^［13］。恒沸蒸馏法的耗能相对于萃取蒸馏法要更为小，总热负荷是萃取蒸馏法的一半^［14］。能通过恒沸精馏分离的产品要满足的条件有：含有最低恒沸点的溶液、含有最高恒沸点的溶液以及相对挥发度较小的物系。

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