《燃料乙醇的工藝路線的選擇與設(shè)計》2800字

燃料乙醇的工藝路線的選擇與設(shè)計綜述由于乙醇-水是一種共沸體系，用傳統(tǒng)的精餾方法很難將其分離。在乙醇的合成純化過程中，脫水是最關(guān)鍵的一步，因為這一步直接影響到產(chǎn)品的純度。燃料乙醇蒸餾和脫水環(huán)節(jié)的能耗占燃料乙醇整個生產(chǎn)過程的50%~80%。[13]隨著燃料乙醇工程的實施，如何高效節(jié)能地生產(chǎn)燃料乙醇已成為一個迫切需要解決的問題。由于脫水過程消耗大量能量，因此有必要選擇合適的蒸餾方法進行分離。1.1精餾方案的選擇1.1.1常壓精餾常壓蒸餾主要是利用兩種組分相對揮發(fā)性的差異進行分離的一種方法。兩組分的混合液體進入精餾塔，上升氣和下降液逐步接觸，塔底再沸器加熱的蒸汽為分離提供穩(wěn)定的動力流。[14]最后，輕組分在塔頂蒸餾，重組組分在塔底萃取。常壓蒸餾主要適用于兩組分相對揮發(fā)差較大的系統(tǒng)。根據(jù)常壓下乙醇-水的相圖分析，它們存在共沸點，常壓蒸餾不能得到高純度的乙醇。1.1.2減壓精餾減壓蒸餾適用于對壓力變化較為敏感的兩種物質(zhì)的揮發(fā)程度，減壓蒸餾可以降低混合物中各組分的沸點，更適用于高溫蒸餾分解物質(zhì)和分離高沸點混合物。減壓蒸餾法又稱真空脫水法。減壓蒸餾法是在真空條件下開發(fā)酒精和水的共沸混合物，提高乙醇濃度的方法，在達到一定程度的真空后，通過蒸餾得到無水乙醇?；驹硎且掖?水的最小共沸混合物的組成隨壓力而變化。也就是說，摩爾汽化熱的低的成分，隨著壓力的降低而增加。[15]由于乙醇的蒸發(fā)摩爾熱比水的摩爾熱低，當(dāng)壓力降低時，共沸混合物中的乙醇含量增加。當(dāng)壓力小于95mmhg時，不存在共沸混合物。1.1.3熱泵精餾精餾熱泵依靠機械工作的補償或消耗將精餾塔內(nèi)的冷熱傳遞至底部溫度，因此塔頂?shù)睦湔羝挥米麇仩t的熱源。根據(jù)熱泵所消耗的各種能量，熱泵蒸餾可以分為蒸汽壓法和吸收法。根據(jù)蒸汽壓縮方法可以分為兩種類型:直接壓縮和間接壓縮。1.1.4共沸精餾共沸蒸餾是分離接近沸騰的混合物和接近沸騰的混合物的常用方法。分離出來的原料中兩種成分的沸點相似的情況下，兩種成分之間的相對揮發(fā)性接近于1。使用常規(guī)的精餾方法，理論段數(shù)和精餾塔的回流比增加，從而增加。設(shè)備成本和運營成本的經(jīng)濟性。在分離的成分之間形成共沸混合物的情況下，由于共沸點、操作線以及氣液平衡線的存在，傳統(tǒng)的蒸餾不能超過共沸點的生成物。[17]為了解決這兩個原料的分離問題,第三個組件可以被添加到原料,該組件和原材料形成共沸混合物與一個或兩個組件,從而改變組件之間的氣液平衡關(guān)系使原材料容易分開。這種蒸餾方法稱為共沸蒸餾。[18]1.1.5萃取精餾當(dāng)常規(guī)精餾不能得到較高濃度的產(chǎn)品時，可以考慮萃取精餾。萃取精餾是一種特殊的精餾，在蒸餾過程中加入第三種組分，使其存在于分離體系中，增加分離體系之間的相對揮發(fā)性，從而分離出近沸點混合物或共沸物質(zhì)[19]。第三種成分通常稱為萃取劑或溶劑。萃取精餾中萃取劑的種類很多，如有機溶劑、溶解鹽、復(fù)合萃取劑、離子液體等。我們可以根據(jù)需要的產(chǎn)品選擇合適的萃取劑。1.1.6吸附蒸餾工藝由于固體存在表面力，當(dāng)流體與固體接觸時，流體中的某些物質(zhì)有附著于固體表面的趨勢，這種現(xiàn)象稱為吸附。被吸附的流體叫吸附質(zhì)，固體叫吸附劑。吸附的逆過程稱為脫附。吸附法就是利用吸附劑對流體混合物中不同組分的選擇性吸附實現(xiàn)分離的方法。吸附劑的性能對吸附分離的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)起著決定性作用。工業(yè)吸附劑的要求有：表面積大，選擇性高，機械強度好，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，廉價易得等?？捎糜谝掖迹蛛x的吸附劑主要有分子篩和生物質(zhì)兩大類。1.1.7滲透汽化及蒸汽滲透工藝滲透汽化是液體混合物在膜下側(cè)負(fù)壓的作用下，利用膜對被分離混合物中某種組分有優(yōu)先透過的特點，使該組分滲透通過膜，在膜的下側(cè)汽化除去，實現(xiàn)分離的膜技術(shù)。滲透汽化的兩個基本參數(shù)是滲透通量和分離因子。滲透汽化的關(guān)鍵是選用合適的膜。用于醇－水滲透汽化分離的膜主要分為親水性膜（優(yōu)先透過水，適宜分離低水量的醇水溶液）和親醇性膜（優(yōu)先透過醇，適宜分離低醇量的醇水溶液）兩類。但不管是親水性膜還是親醇性膜都很難同時滿足滲透通量和分離因子兩個要求。1.2精餾工藝的選擇在對比以上四種工藝，吸附精餾工藝、滲透汽化及正確汽化工藝雖然優(yōu)勢明顯，分離效果好，污染少，但所需知識深奧，個人能力有限，不足以研究這么高深的方法。又由于共沸精餾用苯為夾帶劑的傳統(tǒng)方法設(shè)備投資大能耗高，且由于苯的使用對操作人員的身體有害。所以選擇萃取精餾加共沸精餾法來完成此次研究，使設(shè)備投資少，能耗低，且方法簡便易行。1.3進料狀態(tài)與加熱方式的選擇精餾塔有5種進料方式，即冷液進料、泡點進料、氣液混合進料、飽和蒸汽進料、過熱氣體進料。下面簡介兩種進料方式。1.3.1泡點進料泡點進料也稱為飽和液體進料。泡點給料具有兩大優(yōu)點:(1)泡點給料設(shè)計可避免因春夏秋冬給料溫度變化而引起塔體失穩(wěn)。(2)使氣液負(fù)荷(氣液比)的精餾段和提餾段一致,可以使用相同直徑的設(shè)計塔(精餾段和提餾段的直徑都是一樣的),這是方便加工和設(shè)計。[20]泡點進料常用于甲醇-水分離和芳香烴分離。由于泡點進料可以節(jié)省塔的運行成本，本設(shè)計選用泡點進料。1.3.2露點進料露點進料也稱飽和氣體進料，此時進料溫度等于其露點溫度。露點進料對于塔的操作符合要求高。一般工業(yè)上很少采用這種進料方式。1.3.3進料方式的選擇現(xiàn)有某燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的醪液中含水為85wt%，乙醇為10wt%，環(huán)己醇為5wt%，進料方式為泡點進料，塔頂冷凝器為全冷凝，塔釜再沸器為釜式再沸器。1.3.4加熱方式的選擇工業(yè)用直接蒸汽加熱是將蒸汽直接加入被加熱的材料中，以達到加熱目的的過程。因此，蒸汽中的水分與加熱材料混合，無法分離。當(dāng)蒸汽中的水分和加熱的物體混合后，它就不再重要了。例如，當(dāng)蒸汽直接進入冷水，將冷水加熱成熱水時，蒸汽不僅移動了，而且在熱的過程中也發(fā)生了傳質(zhì)過程。間接蒸汽加熱通過壁殼和盤管等設(shè)備將蒸汽的熱量轉(zhuǎn)移到被加熱的材料上。沒有傳質(zhì)過程，因為蒸汽本身凝結(jié)成水。它用于蒸汽和被加熱物體不能混合的地方。直接加熱的熱效率幾乎100%，間接加熱的凝結(jié)水與蒸汽一起排出，所以直接蒸汽加熱的熱效率比間接加熱的熱效率高。綜合能耗、工藝等因素，本設(shè)計采用蒸汽直接加熱。1.4工藝路線概述由于水和乙醇是共沸物，采用萃取精餾的方式，以乙二醇為萃取劑，大部分水、環(huán)己醇、乙二醇從塔釜流出，流入下一精餾塔，乙醇與少量水從塔頂餾出，進入下一個精餾塔進行下一步精餾。乙醇的進一步提濃在餾出液（乙醇和少量水）中加入萃取劑乙二醇，進行萃取精餾，從塔頂餾出符合標(biāo)準(zhǔn)的99.6%wt乙醇，塔釜流出乙二醇與少量水進入下一反應(yīng)器萃取劑乙二醇的循環(huán)利用。將反應(yīng)液（乙二醇和少量水）加入精餾塔中，水從塔頂餾出，塔底流出乙二醇返回前步驟中重復(fù)利用。環(huán)己醇—水—乙二醇的分離將混合液（環(huán)己醇，乙二醇，水）加入精餾塔中，塔頂餾出水與環(huán)己醇的混合液，塔釜