無(wú)水酒精工藝設(shè)計(jì)

/仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院生物工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)書(shū)目1.緒論22.背景和發(fā)展?fàn)顩r……………………22.1工藝設(shè)計(jì)背景………………22.2國(guó)外國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀況………2國(guó)外發(fā)展的狀況……………………2國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀況……………………23.無(wú)水酒精的制備方法………………33.1酒精的共沸脫水法及其原則………………33.2離子交換脫水法……………43.3加鹽脫水法…………………53.4生物質(zhì)吸附…………………53.5滲透汽化法…………………63.6分子篩吸附法………………6分子篩特性……………6酒精分子篩氣相脫水工藝特點(diǎn)………7酒精氣相脫水過(guò)程……………………74.無(wú)水酒精的工藝設(shè)計(jì)………………84.1．設(shè)計(jì)方案……………………84.2．主要工藝條件………………84.3.工藝流程圖…………………84.4．操作留意事項(xiàng)………………95.結(jié)束語(yǔ)………………96.參考文獻(xiàn)……………9緒論酒精學(xué)名乙醇，相對(duì)分子質(zhì)量為46。酒精既是食品、化工、醫(yī)療、染料、國(guó)防等工業(yè)特別重要的基礎(chǔ)原料，又是可再生的清潔能源。酒精生產(chǎn)工業(yè)化始于19世紀(jì)末，至今已有百余年歷史。酒精工業(yè)化生產(chǎn)有兩種方法，即化學(xué)合成法和生物發(fā)酵法?；瘜W(xué)合成法是以乙烯為原料加水合成酒精，其雜質(zhì)含量較多，應(yīng)用受到限制。生物發(fā)酵法是以淀粉為原料或糖蜜原料等通過(guò)微生物發(fā)酵產(chǎn)生酒精，其雜質(zhì)含量較低，廣泛應(yīng)用于飲料、食品、香精、調(diào)味品和醫(yī)藥等工業(yè)。酒精在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占用較重要的地位，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界石油儲(chǔ)量的銳減、環(huán)境愛(ài)惜工作的加強(qiáng)和車(chē)用汽油醇需求量的增加，酒精的用途將更為廣泛，酒精的需求量將和日俱增，酒精工業(yè)的前途將日趨絢麗。人類始終在找尋新的能源替代物，巴西、美國(guó)、加拿大等國(guó)早已將燃料酒精的開(kāi)發(fā)利用列入支配付諸實(shí)施。無(wú)水酒精添加到汽油中，不僅可以代替部分汽油，而且可以提高汽油的辛烷值，增加汽油的抗爆性，免去了汽油中防爆劑鉛化合物，削減了汽油燃燒時(shí)一氧化碳、氮氧化物和鉛的污染，有利于愛(ài)惜環(huán)境。因此，無(wú)水酒精的生產(chǎn)特別必要。其次節(jié)背景和發(fā)展?fàn)顩r2.1工藝設(shè)計(jì)背景20世紀(jì)以來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致人類對(duì)能源的渴望急劇攀升，不行再生資源的消耗呈幾何倍率增長(zhǎng)。自然化石燃料資源日趨枯竭，嚴(yán)峻掣肘了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。1973年的世界石油危機(jī)，嚴(yán)峻沖擊了全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了慢慢擺脫經(jīng)濟(jì)對(duì)石油的依靠，人們把眼光投向了可再生資源的探討，在此沖擊下，巴西、美國(guó)領(lǐng)先推行“汽油醇支配”，自此燃料乙醇產(chǎn)業(yè)步入了良性發(fā)展的軌道。2.2國(guó)外國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀況2.2.巴西是世界上最大的乙醇生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)乙醇300億升，無(wú)水乙醇占1/3。是推廣燃料乙醇最成功的國(guó)家。美國(guó)是世界上其次大乙醇生產(chǎn)國(guó)，約占世界產(chǎn)量的33%。目前，美國(guó)的乙醇年產(chǎn)量超過(guò)60億加侖（1800萬(wàn)噸）。國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀況我國(guó)對(duì)汽油醇的探討起步較晚，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)糧食大幅度增產(chǎn)，由早期的牽強(qiáng)滿足自給變?yōu)槭袌?chǎng)相對(duì)過(guò)剩。20世紀(jì)90年頭后期，我國(guó)對(duì)燃料乙醇進(jìn)行試生產(chǎn)。2000年政府確定將燃料乙醇的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)、運(yùn)用列入第十個(gè)五年規(guī)劃。2001年，國(guó)家投資建立了4個(gè)大型燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)。并于2004年推廣運(yùn)用燃料乙醇。2007年9月，發(fā)改委頒布了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，燃料乙醇作為再生能源成為了政府重點(diǎn)推廣的新型能源。另外，《國(guó)家可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中提出：到2020年，生物燃料乙醇年利用量要達(dá)到1ⅹ107噸第三節(jié)無(wú)水酒精的制備方法無(wú)水酒精，又稱確定酒精，是由95.57%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的酒精經(jīng)脫水精制而成的含水量較少的酒精。核心技術(shù)就是脫去酒精和水共沸混合物中的水含量，使酒精凈含量達(dá)到99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上。其制備方法分累有：固體吸附劑(低溫下)去水，如氧化鈣脫水法和分子篩脫水法液體吸水劑去水，如用甘油、汽油等共沸現(xiàn)象：如用苯、戊烷、環(huán)己烷等的共沸脫水法鹽脫水法：能使共沸點(diǎn)移動(dòng)的鹽類溶液，如氯化鈣，醋酸鉀蒸汽通過(guò)微孔隔板的擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)脫水真空脫水法有機(jī)物作吸附劑制備無(wú)水酒精，如用玉米粉或玉米淀粉蒸餾和膜分別相結(jié)合的方法脫水3.1酒精的共沸脫水法及其原則恒沸精餾：通過(guò)向酒精—水溶液添加夾帶劑(如苯、環(huán)己烷、戊烷等)進(jìn)行精餾的,夾帶劑和酒精溶液中的酒精和水形成三元共沸物。酒精-苯-水組成的三元混合物具有最低的沸點(diǎn)。在有苯存在時(shí)進(jìn)行酒精水溶液的精餾，則沸點(diǎn)為64.85℃的共沸混合物作為頭級(jí)雜質(zhì)從塔頂解除酒精-苯-水組成的三元恒沸物帶走了被蒸餾系統(tǒng)中的全部水分，但這個(gè)水分不能過(guò)大。進(jìn)行脫水的水-酒精溶液的酒度不能低于80%(W)三元蒸餾的結(jié)果，在塔的底部得到無(wú)水酒精。無(wú)苯的稀酒精從濃縮塔的底部解除，并送往蒸餾塔頂部。斜析器中下層富苯相流入濃縮塔的中下偏上部位。在加料板以上，液相中苯和酒精變得越來(lái)越濃，一部分這種液體在濃縮塔中部引出送入共沸塔中部。無(wú)水酒精是該塔的塔底產(chǎn)物。濃縮塔和脫水塔頂部產(chǎn)生的三元共沸物經(jīng)冷凝和分層后得到富含苯和水的兩個(gè)相，并分別回入濃縮塔和共沸塔的有關(guān)部位。恒沸精餾3.2離子交換脫水法離子交換法(選用聚苯乙烯鉀型強(qiáng)酸性樹(shù)脂)，操作流程：3.3加鹽脫水法通過(guò)加入某種添加劑來(lái)變更原溶液中酒精和水的相對(duì)揮發(fā)度,從而使原料的分別變得簡(jiǎn)潔。在酒精水溶液中添加萃取劑(如乙二醇、醋酸鉀、氯化鈣、氯化鈉、氯化銅、乙二醇的鹽溶液等)可以變更其平衡曲線,從而可以使難分別物系轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)潔分別的物系、分別成本降低。試驗(yàn)證明，當(dāng)氯化鈣在酒精水溶液中的濃度達(dá)到10g/100ml時(shí)，張力曲線上的共沸點(diǎn)就消逝，蒸餾過(guò)程中酒精濃縮程度也相應(yīng)提高。如圖：3.4生物質(zhì)吸附1979年Ladisch和Dyck最早提誕生物質(zhì)吸附，這一工藝精繼承了分子篩吸附低能耗的優(yōu)點(diǎn),接受生物質(zhì)吸附劑消退了生產(chǎn)分子篩的污染和能耗,是分子篩吸附之后的又一創(chuàng)新，并且利用生物質(zhì)吸附生產(chǎn)無(wú)水酒精的能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)精餾法和分子篩吸附法。其原理為:生物質(zhì)高分子中含有大量的親水基團(tuán),由于水分子和親水基團(tuán)的相互作用,水可以比乙醇更快更強(qiáng)力的被吸附。關(guān)于溫度對(duì)生物質(zhì)吸附劑吸附性能的影響,一般都認(rèn)為80～100℃是比較志向的吸附溫度。此時(shí),生物質(zhì)吸附劑對(duì)乙醇的吸附相對(duì)很小,可以得到很好的分別3.5滲透汽化法滲透汽化法(PV)是目前利用膜法生產(chǎn)無(wú)水酒精的主要方法。滲透汽化是以混合物中組分蒸汽壓差為推動(dòng)力,依靠各組分在膜中的溶解和擴(kuò)散速率不同的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物分別的過(guò)程。料液進(jìn)入滲透汽化膜分別器,膜后側(cè)保持低的組分分壓,在膜兩側(cè)組分分壓差的驅(qū)動(dòng)下,組分通過(guò)膜向膜后側(cè)擴(kuò)散,并汽化成蒸汽而離開(kāi)膜器。其中擴(kuò)散快的組分較多的透過(guò)膜進(jìn)入膜后側(cè),擴(kuò)散慢的組分較少的或很少透過(guò)膜,因此可以達(dá)到分別料液的目的。滲透汽化過(guò)程依據(jù)膜的親水性和親有機(jī)物性,可分為兩類膜:一類是優(yōu)先透水性膜,另一類是優(yōu)先透有機(jī)物性膜。優(yōu)先透水性膜適宜分別含水量低的酒精水混合物,如共沸物,可制得無(wú)水酒精;優(yōu)先透有機(jī)物性膜則適宜分別含酒精量低的酒精水溶液,如將發(fā)酵過(guò)程和滲透汽化過(guò)程耦合,能剛好分別出對(duì)發(fā)酵具有抑制作用的產(chǎn)物酒精。3.6分子篩吸附法分子篩吸附法是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的方法,它在工業(yè)上已經(jīng)有大規(guī)模應(yīng)用。分子篩是一類具有骨架結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽晶體,它對(duì)H2O、NH3、H2S、CO2等高極性分子具有很強(qiáng)的親和力,特別是對(duì)水,在低分壓或低濃度、高溫等特別苛刻的條件下仍有很高的吸附容量。分子篩吸附法實(shí)現(xiàn)分別的原理主要是位阻效應(yīng)。因?yàn)樗姆肿又睆街挥?.28nm,而酒精的分子直徑為0.44nm,因此,水分子可以進(jìn)入分子篩內(nèi)部,而酒精分子則被阻擋在外,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水、甲醇等小分子和酒精的選擇性吸附分別。分子篩特性（1）具有吸附性、再生性，熱穩(wěn)定性好（2）吸附速度快、再生次數(shù)多、抗碎和抗磨損強(qiáng)度高、抗污染實(shí)力強(qiáng)（3）能經(jīng)受住600～700℃的短暫高溫，再生溫度不宜超過(guò)600℃（4）分子篩不溶于水，但溶解于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，可在pH5～11的介質(zhì)中運(yùn)用氣、液相深度干燥必需的首選干燥劑（5）利用效率高、運(yùn)用壽命長(zhǎng)酒精分子篩氣相脫水工藝特點(diǎn)常規(guī)分子篩脫水方法接受液相濃度95％Vol的酒精進(jìn)入分子篩床。依據(jù)分子篩對(duì)氣相水分子的吸附實(shí)力較強(qiáng)的特點(diǎn)，本工藝接受氣相脫水，酒精蒸汽在過(guò)熱狀態(tài)進(jìn)入分子篩床，避開(kāi)酒精蒸汽在分子篩床液化，有利于酒精脫水，提高吸附脫水效率。分子篩脫析再生是吸熱過(guò)程，接受高溫、負(fù)壓脫析工藝，有利于分子篩中水分子的脫析。壓力下降時(shí)，分子篩靜吸附容量削減，原來(lái)被吸附的水分子會(huì)從分子篩中解析出來(lái)。解析時(shí)，塔內(nèi)溫度慢慢降低，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時(shí)，解析停止；通過(guò)限制系統(tǒng)切換閥門(mén)，進(jìn)行下一周期的吸附過(guò)程。常規(guī)分子篩脫吸再生工藝接受熱空氣作為脫析載體，熱風(fēng)系統(tǒng)須要投入電加熱器、羅茨風(fēng)機(jī)、空氣緩沖罐等設(shè)備，且生產(chǎn)中消耗大量的電力能源用來(lái)加熱空氣。本工藝脫吸過(guò)程接受過(guò)熱無(wú)水酒精蒸汽作為脫析載體，可以削減原有吸附工藝中的熱風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備投資，同時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行耗電少，但是須要高溫、高壓蒸汽作為熱源，對(duì)企業(yè)蒸汽鍋爐有確定的要求。由于分子篩具有良好的微孔通道，對(duì)酒精中的色素有確定的去除效果。分子篩可以多次重復(fù)再生運(yùn)用，只需定期補(bǔ)充少量損耗即可。酒精氣相脫水過(guò)程將濃度95％Vol的酒精蒸汽過(guò)熱至確定溫度進(jìn)入分子篩吸附塔(分子篩對(duì)高溫狀態(tài)下的氣相水分子的吸附實(shí)力較強(qiáng))。酒氣中的水分子流經(jīng)分子篩填料層過(guò)程中，因分子篩的微孔對(duì)水分子有很強(qiáng)的親和力，就將水分子吸附在微孔內(nèi)。酒精蒸汽中的水絕大部分被吸附除去，實(shí)現(xiàn)酒氣脫水。從脫水裝置排出的酒精氣體再進(jìn)行冷凝、冷卻后得到濃度為99．5％～99．9％Vol的無(wú)水酒精。第四節(jié)無(wú)水酒精的工藝設(shè)計(jì)4.1．設(shè)計(jì)方案先經(jīng)過(guò)精餾制得95%(體積)的工業(yè)乙醇,在經(jīng)過(guò)分子篩脫水制得無(wú)水乙醇。4.2．主要工藝條件1.原料組成：含24.18%（體積）乙醇的30℃液體，2.產(chǎn)品要求：含量≥99.9%（體積）30℃3.塔底殘液要求：含乙醇≤0.1%（質(zhì)量）。4.加熱劑：經(jīng)壓力調(diào)整后0.2MPa和0.5MPa的飽合水蒸汽。5.冷卻劑：32℃的循環(huán)冷卻水4.3．工藝流程圖4.4．操作留意事項(xiàng)①系統(tǒng)投入運(yùn)行以前，必需先進(jìn)行分子篩置換再生；②吸附和脫吸時(shí)間周期依據(jù)無(wú)水酒精產(chǎn)品的含水狀況進(jìn)行調(diào)整；③嚴(yán)格限制進(jìn)入分子篩床的酒精蒸汽溫度，保證分子篩吸附過(guò)程所需溫度指標(biāo)，防止在分子篩床形成液相酒精；④?chē)?yán)格限制解析Ⅱ級(jí)冷凝器尾氣溫度，防止溫度過(guò)高導(dǎo)致酒精隨不凝氣損失⑤防止系統(tǒng)超壓，防止液相酒精進(jìn)入分子篩床；⑥遇長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，應(yīng)將分子篩床和外界徹底隔絕，防止分子篩吸附空氣中的水分。第五節(jié)結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)接受精餾和分子篩工藝結(jié)合的方法，工藝路途比較成熟。和其他無(wú)水乙醇生產(chǎn)方法相比，本設(shè)計(jì)具有低能耗、易操作、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)大量應(yīng)用于無(wú)水酒精的規(guī)模化生產(chǎn),其發(fā)展前景主要為進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)和提高吸附劑性能。由于設(shè)計(jì)者水平有限，缺乏實(shí)際閱歷，設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)均以參考資料為基礎(chǔ)，可能導(dǎo)致一些設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)果和工廠實(shí)際狀況有差距。