無水酒精工藝設計

/仲愷農(nóng)業(yè)工程學院生物工藝設計說明書書目1.緒論22.背景和發(fā)展狀況……………………22.1工藝設計背景………………22.2國外國內(nèi)發(fā)展的狀況………2國外發(fā)展的狀況……………………2國內(nèi)發(fā)展的狀況……………………23.無水酒精的制備方法………………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………7酒精氣相脫水過程……………………74.無水酒精的工藝設計………………84.1．設計方案……………………84.2．主要工藝條件………………84.3.工藝流程圖…………………84.4．操作留意事項………………95.結束語………………96.參考文獻……………9緒論酒精學名乙醇，相對分子質(zhì)量為46。酒精既是食品、化工、醫(yī)療、染料、國防等工業(yè)特別重要的基礎原料，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，即化學合成法和生物發(fā)酵法?；瘜W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微生物發(fā)酵產(chǎn)生酒精，其雜質(zhì)含量較低，廣泛應用于飲料、食品、香精、調(diào)味品和醫(yī)藥等工業(yè)。酒精在國民經(jīng)濟中占用較重要的地位，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，世界石油儲量的銳減、環(huán)境愛惜工作的加強和車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、加拿大等國早已將燃料酒精的開發(fā)利用列入支配付諸實施。無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，削減了汽油燃燒時一氧化碳、氮氧化物和鉛的污染，有利于愛惜環(huán)境。因此，無水酒精的生產(chǎn)特別必要。其次節(jié)背景和發(fā)展狀況2.1工藝設計背景20世紀以來，經(jīng)濟的快速發(fā)展導致人類對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。自然化石燃料資源日趨枯竭，嚴峻掣肘了經(jīng)濟的發(fā)展。1973年的世界石油危機，嚴峻沖擊了全球的經(jīng)濟發(fā)展。為了慢慢擺脫經(jīng)濟對石油的依靠，人們把眼光投向了可再生資源的探討，在此沖擊下，巴西、美國領先推行“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國外國內(nèi)發(fā)展的狀況2.2.巴西是世界上最大的乙醇生產(chǎn)國，年產(chǎn)乙醇300億升，無水乙醇占1/3。是推廣燃料乙醇最成功的國家。美國是世界上其次大乙醇生產(chǎn)國，約占世界產(chǎn)量的33%。目前，美國的乙醇年產(chǎn)量超過60億加侖（1800萬噸）。國內(nèi)發(fā)展的狀況我國對汽油醇的探討起步較晚，改革開放以來，我國糧食大幅度增產(chǎn)，由早期的牽強滿足自給變?yōu)槭袌鱿鄬^剩。20世紀90年頭后期，我國對燃料乙醇進行試生產(chǎn)。2000年政府確定將燃料乙醇的開發(fā)生產(chǎn)、運用列入第十個五年規(guī)劃。2001年，國家投資建立了4個大型燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)。并于2004年推廣運用燃料乙醇。2007年9月，發(fā)改委頒布了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，燃料乙醇作為再生能源成為了政府重點推廣的新型能源。另外，《國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出：到2020年，生物燃料乙醇年利用量要達到1ⅹ107噸第三節(jié)無水酒精的制備方法無水酒精，又稱確定酒精，是由95.57%（質(zhì)量分數(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，使酒精凈含量達到99.5%（質(zhì)量分數(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：能使共沸點移動的鹽類溶液，如氯化鈣，醋酸鉀蒸汽通過微孔隔板的擴散現(xiàn)象來脫水真空脫水法有機物作吸附劑制備無水酒精，如用玉米粉或玉米淀粉蒸餾和膜分別相結合的方法脫水3.1酒精的共沸脫水法及其原則恒沸精餾：通過向酒精—水溶液添加夾帶劑(如苯、環(huán)己烷、戊烷等)進行精餾的,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。在有苯存在時進行酒精水溶液的精餾，則沸點為64.85℃的共沸混合物作為頭級雜質(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，但這個水分不能過大。進行脫水的水-酒精溶液的酒度不能低于80%(W)三元蒸餾的結果，在塔的底部得到無水酒精。無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相，并分別回入濃縮塔和共沸塔的有關部位。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酸性樹脂)，操作流程：3.3加鹽脫水法通過加入某種添加劑來變更原溶液中酒精和水的相對揮發(fā)度,從而使原料的分別變得簡潔。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)化為簡潔分別的物系、分別成本降低。試驗證明，當氯化鈣在酒精水溶液中的濃度達到10g/100ml時，張力曲線上的共沸點就消逝，蒸餾過程中酒精濃縮程度也相應提高。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,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)無水酒精的能耗遠低于傳統(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,由于水分子和親水基團的相互作用,水可以比乙醇更快更強力的被吸附。關于溫度對生物質(zhì)吸附劑吸附性能的影響,一般都認為80～100℃是比較志向的吸附溫度。此時,生物質(zhì)吸附劑對乙醇的吸附相對很小,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力,依靠各組分在膜中的溶解和擴散速率不同的性質(zhì)來實現(xiàn)混合物分別的過程。料液進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)動下,組分通過膜向膜后側(cè)擴散,并汽化成蒸汽而離開膜器。其中擴散快的組分較多的透過膜進入膜后側(cè),擴散慢的組分較少的或很少透過膜,因此可以達到分別料液的目的。滲透汽化過程依據(jù)膜的親水性和親有機物性,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,可制得無水酒精;優(yōu)先透有機物性膜則適宜分別含酒精量低的酒精水溶液,如將發(fā)酵過程和滲透汽化過程耦合,能剛好分別出對發(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年來發(fā)展起來的方法,它在工業(yè)上已經(jīng)有大規(guī)模應用。分子篩是一類具有骨架結構的硅鋁酸鹽晶體,它對H2O、NH3、H2S、CO2等高極性分子具有很強的親和力,特別是對水,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。分子篩吸附法實現(xiàn)分別的原理主要是位阻效應。因為水的分子直徑只有0.28nm,而酒精的分子直徑為0.44nm,因此,水分子可以進入分子篩內(nèi)部,而酒精分子則被阻擋在外,從而實現(xiàn)對水、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、抗碎和抗磨損強度高、抗污染實力強（3）能經(jīng)受住600～700℃的短暫高溫，再生溫度不宜超過600℃（4）分子篩不溶于水，但溶解于強酸和強堿，可在pH5～11的介質(zhì)中運用氣、液相深度干燥必需的首選干燥劑（5）利用效率高、運用壽命長酒精分子篩氣相脫水工藝特點常規(guī)分子篩脫水方法接受液相濃度95％Vol的酒精進入分子篩床。依據(jù)分子篩對氣相水分子的吸附實力較強的特點，本工藝接受氣相脫水，酒精蒸汽在過熱狀態(tài)進入分子篩床，避開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程，接受高溫、負壓脫析工藝，有利于分子篩中水分子的脫析。壓力下降時，分子篩靜吸附容量削減，原來被吸附的水分子會從分子篩中解析出來。解析時，塔內(nèi)溫度慢慢降低，當溫度降低到設定值時，解析停止；通過限制系統(tǒng)切換閥門，進行下一周期的吸附過程。常規(guī)分子篩脫吸再生工藝接受熱空氣作為脫析載體，熱風系統(tǒng)須要投入電加熱器、羅茨風機、空氣緩沖罐等設備，且生產(chǎn)中消耗大量的電力能源用來加熱空氣。本工藝脫吸過程接受過熱無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系統(tǒng)設備投資，同時生產(chǎn)運行耗電少，但是須要高溫、高壓蒸汽作為熱源，對企業(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，對酒精中的色素有確定的去除效果。分子篩可以多次重復再生運用，只需定期補充少量損耗即可。酒精氣相脫水過程將濃度95％Vol的酒精蒸汽過熱至確定溫度進入分子篩吸附塔(分子篩對高溫狀態(tài)下的氣相水分子的吸附實力較強)。酒氣中的水分子流經(jīng)分子篩填料層過程中，因分子篩的微孔對水分子有很強的親和力，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，實現(xiàn)酒氣脫水。從脫水裝置排出的酒精氣體再進行冷凝、冷卻后得到濃度為99．5％～99．9％Vol的無水酒精。第四節(jié)無水酒精的工藝設計4.1．設計方案先經(jīng)過精餾制得95%(體積)的工業(yè)乙醇,在經(jīng)過分子篩脫水制得無水乙醇。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①系統(tǒng)投入運行以前，必需先進行分子篩置換再生；②吸附和脫吸時間周期依據(jù)無水酒精產(chǎn)品的含水狀況進行調(diào)整；③嚴格限制進入分子篩床的酒精蒸汽溫度，保證分子篩吸附過程所需溫度指標，防止在分子篩床形成液相酒精；④嚴格限制解析Ⅱ級冷凝器尾氣溫度，防止溫度過高導致酒精隨不凝氣損失⑤防止系統(tǒng)超壓，防止液相酒精進入分子篩床；⑥遇長時間停機，應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)結束語本設計接受精餾和分子篩工藝結合的方法，工藝路途比較成熟。和其他無水乙醇生產(chǎn)方法相比，本設計具有低能耗、易操作、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點,已經(jīng)大量應用于無水酒精的規(guī)模化生產(chǎn),其發(fā)展前景主要為進一步優(yōu)化工藝參數(shù)和提高吸附劑性能。由于設計者水平有限，缺乏實際閱歷，設計過程中數(shù)據(jù)均以參考資料為基礎，可能導致一些設備的設計結果和工廠實際狀況有差距。