乙醇精餾節(jié)能展望

1、山東科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 乙醇精餾節(jié)能展望 專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 年 級 # 姓 名 # 指導(dǎo)教師 # 定稿日期： 2014 年 4 月 20日目 錄1 引言1二乙醇精餾提純的基本原理2三.乙醇精餾提純的研究2 1.進(jìn)料狀態(tài)和進(jìn)料位置的選擇 2 2.塔頂回流比的選擇3 3.精餾過程進(jìn)料溫度的選擇44.集熱共沸精餾4 5.多效精餾節(jié)能技術(shù)56.高效導(dǎo)向篩板6 7.乙醇精餾的新進(jìn)展及發(fā)展方向6 8.分割式熱泵精餾節(jié)能技術(shù)7 9.乙醇精餾的新進(jìn)展及發(fā)展方向84 結(jié)論8參考文獻(xiàn)8致謝8乙醇精餾節(jié)能展望# 摘要：精餾塔廣泛應(yīng)用于工業(yè)乙醇的生產(chǎn)中，精餾過程的能耗占總能耗的比例相當(dāng)大，精餾系統(tǒng)

2、的節(jié)能在化學(xué)工業(yè)的節(jié)能中占有越來越重要的地位，也是企業(yè)的節(jié)能重點(diǎn)。因此，在精餾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。實(shí)際上，在精餾塔設(shè)計(jì)時(shí)如果能夠合理選擇進(jìn)料狀態(tài)和最佳回流比，以及進(jìn)料位置和進(jìn)料溫度的合理確定，采用節(jié)能工藝回收利用余熱，均能得到較好的節(jié)能效果。不同的乙醇混合物精餾所采用的工藝參數(shù)是不同的，本文結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容及實(shí)習(xí)期間學(xué)到的知識以乙醇-水的混合物精餾展開研究。Future ethanol distillationZhang Jianliang Abstract: distillation is widely used in the industrial production of ethan

3、ol, the energy consumption of distillation process accounted for the proportion of total energy consumption is quite large, energy-saving distillation system plays more and more important role in energy saving of the chemical industry, energy saving is the key of enterprise. Therefore, in the design

4、 of distillation system is required when the energy optimization. In fact, in the distillation tower design if reasonable selection of tower and filler, select the optimum reflux ratio, and reasonably determine the feed temperature and position, can get good effect of energy saving. 一引言 乙醇是重要的有機(jī)溶劑,廣

5、泛用于醫(yī)藥、涂料、衛(wèi)生用品、化妝品、油脂等各個(gè)方面。 乙醇做為一種有機(jī)溶劑，用于消毒劑、洗滌劑、工業(yè)溶劑、稀釋劑、涂料溶劑等幾大方面，其中用量最大的是消毒劑，濃度為70%75%的乙醇溶液的殺菌能力最強(qiáng)；做為基本有機(jī)化工原料，乙醇可用來制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取醫(yī)藥、染料、涂料、洗滌劑等產(chǎn)品的原料；乙醇還可以調(diào)入汽油，作為車用燃料，美國銷售乙醇汽油已有20年歷史。中國乙醇在汽油的比重占10%。無水乙醇又稱無水酒精，指濃度大于99(質(zhì)量)的乙醇。主要作為溶劑，用于化妝品、制藥等工業(yè)。 精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操

6、作方式又可分為連續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸氣由塔底進(jìn)入，與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點(diǎn))組分不斷地向蒸氣中轉(zhuǎn)移，蒸氣中的難揮發(fā)(高沸點(diǎn))組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸氣愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達(dá)到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸氣進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸氣返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕?。精餾塔的工作原理是根據(jù)各混合氣體的汽化點(diǎn)（或沸點(diǎn)）的不同，控制塔各節(jié)的不同溫度，達(dá)到分離提純的目的。 化工生產(chǎn)常需

7、進(jìn)行液體混合物的分離以達(dá)到提純或回收有用組分的目的，精餾操作在化工、石油化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中中占有重要的地位。為此，掌握氣液相平衡關(guān)系，熟悉各種塔型的操作特性，對選擇、設(shè)計(jì)和分析分離過程中的各種參數(shù)是非常重要的。要想把低純度的乙醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾的方法，因?yàn)橐掖己退膿]發(fā)度相差不大。精餾是多數(shù)分離過程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程，因此可使混合液得到幾乎完全的分離?；S中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內(nèi)進(jìn)行的，塔內(nèi)裝有若干層塔板或充填一定高度的填料。為實(shí)現(xiàn)精餾分離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引入下降液。可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，還必

8、須有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時(shí)還要配原料液預(yù)熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。 乙醇是用途廣泛和用量極大的工業(yè)原料之一，在國民經(jīng)濟(jì)各部門中占有重要地位，與人民生活有著密切的關(guān)系。乙醇廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥、染料、國防等行業(yè)，同時(shí)也是十分重要的清潔能源。精餾技術(shù)還是目前分離乙醇水體系的主要方法，但精餾技術(shù)能耗很高，特別是處于能源緊缺的現(xiàn)代，而且乙醇一水體系又是具有最低共沸物的體系，體系沸點(diǎn)組成及物理性質(zhì)如下表所示：名稱分子式分子相對質(zhì)量密度20kg/m沸點(diǎn)101.33kPa比熱容20kg/(kg)粘度20mPa.S導(dǎo)熱系數(shù)20/（m）表面張力1020 N/m水H2O1899810

9、04.1831.0050.59972.8乙醇C2H5OH4678978.32.392.150.17222.8 二乙醇精餾提純的基本原理 精餾是化工生產(chǎn)中分離互溶液體混合物的典型單元操作，其實(shí)質(zhì)是多級蒸餾，即在一定壓力下，利用互溶液體混合物各組分的沸點(diǎn)和飽和蒸汽壓的不同，使輕組分（即沸點(diǎn)低和飽和蒸汽壓高的組分）汽化，經(jīng)過多次液相汽化和氣相冷凝，使氣相中的輕組分和液相中的重組分濃度逐漸升高，從而實(shí)現(xiàn)分離。 精餾過程中的主要設(shè)備有精餾塔、再沸器、冷凝器、預(yù)熱器、儲罐和輸送設(shè)備。精餾塔以進(jìn)料板為界限，上部為精餾段，下部為提餾段。一定溫度和壓力的物料進(jìn)入精餾塔后，輕組分（ CH3CH2OH ）在精餾段逐

10、漸濃縮，離開塔頂后經(jīng)冷凝器冷卻全部進(jìn)入回流罐，餾出的輕組分（ CH3CH2OH ）一部分做為做為成品，一部分做為回流液重新進(jìn)入精餾塔，進(jìn)入精餾塔的目的主要有兩個(gè)原因，一是補(bǔ)充塔板上的輕組分，使塔板上的液體組成保持穩(wěn)定，二是將精餾塔頂溫控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，保證精餾操作連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。而重組分（即殘液）做為塔釜產(chǎn)品排除。 精餾過程中絕大部分能量都消失在塔頂冷凝器中的泠凝水水和塔釜?dú)堃褐小?三.乙醇精餾提純的研究 1.進(jìn)料狀態(tài)和進(jìn)料位置的選擇 進(jìn)料分為5種狀態(tài)，分為過冷進(jìn)料（q1）；泡點(diǎn)進(jìn)料（q=1）;氣液混合進(jìn)料（0q1）；飽和蒸汽進(jìn)進(jìn)料（q=0）；過熱蒸汽進(jìn)料（q0）；泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾

11、段的塔徑相等，設(shè)計(jì)和制造比較方便，是精餾塔較為理想的進(jìn)料狀況，當(dāng)進(jìn)料狀況發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)適當(dāng)改變進(jìn)料位置，并及時(shí)調(diào)節(jié)回流比R。一般精餾塔常設(shè)幾個(gè)進(jìn)料位置，以適應(yīng)生產(chǎn)中進(jìn)料狀況，保證在精餾塔的適宜位置進(jìn)料。如進(jìn)料狀況改變而進(jìn)料位置不變，必然引起餾出液和釜?dú)堃航M成的變化。 進(jìn)料位置對精餾操作有著重要意義。不同的進(jìn)料狀況，都顯著地直接影響提餾段的回流量和塔內(nèi)的汽液平衡。當(dāng)進(jìn)料口位置高于最佳進(jìn)料口時(shí)，會(huì)使在此狀態(tài)下的進(jìn)料板的液相組成中的輕組分（CH3CH2OH ）高于最佳位置下該板的液相組成的輕組分（CH3CH2OH ），重組分（HO）低于最佳位置下的液相組成，相對于最佳位置而言，精餾段的塔板數(shù)減少，提

12、留段的塔板數(shù)增加，所以此時(shí)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)下降，同理，當(dāng)進(jìn)料口位置低于最佳進(jìn)料口時(shí)，會(huì)使在此狀態(tài)下的進(jìn)料板的液相組成中的輕組分（CH3CH2OH ）低于最佳位置下該板的液相組成的輕組分（CH3CH2OH ），重組分（HO）高于最佳位置下的液相組成，相對于最佳位置而言，精餾段的塔板數(shù)增加，提留段的塔板數(shù)減少，所以此時(shí)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)提高重組分（CH3CH2OH）的含量。 在相同的分離條件下,非最佳進(jìn)料位置將增大回流比,導(dǎo)致塔釜熱負(fù)荷增大。從理論上分析,當(dāng)塔有幾股進(jìn)料時(shí),不同組成的物料進(jìn)入不同的位置,其分離效果最佳,節(jié)能也較顯著,這是因?yàn)椴煌M成的物料混合就是有效能損失的過程。2.塔頂回流比的選擇 （

13、1）回流比R對設(shè)計(jì)的影響 回流比R是精餾過程的設(shè)計(jì)和操作的重要參數(shù)。R直接影響精餾塔的分離能力和系統(tǒng)的能耗，同時(shí)也影響設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸。 當(dāng)回流比增大時(shí)精餾段操作線斜率R/(R+1)增大，則精餾段操作線遠(yuǎn)離平衡線，如圖中綠線所示。使得精餾塔內(nèi)各板傳質(zhì)推動(dòng)力及增大，使各板分離能力提高。為此，完成相同分離要求，所需理論板數(shù)將會(huì)減少，由13塊減為10塊理論板。然而由于R的增加導(dǎo)致塔內(nèi)氣、液兩相流量增加，從而引 起再沸器熱流提高。從而使精餾過程能耗增加，氣相流量V及V將影響塔徑的設(shè)計(jì)。需要的理論板數(shù)N的減少，可降低塔的高度。 （2） 隨著回流比R的減小，則精餾過程的能耗下降，塔徑D也回隨之減小。但因R減

14、小，使操作線交點(diǎn)向平衡移動(dòng)，導(dǎo)致過程傳質(zhì)推動(dòng)力減小，使得完成相同的分離要求所需理論板數(shù)N隨之增加，使塔增高。如圖所示：當(dāng)回流比繼續(xù)減小，使兩操作線交點(diǎn)落在平衡曲線上，如圖中E點(diǎn)所示。此時(shí)完成規(guī)定分離要求所需理論板數(shù)為。此工況下的回流比為該設(shè)計(jì)條件下的最小回流比Rmin。由圖可得 式中 xe平衡曲線上E點(diǎn)液相摩爾分?jǐn)?shù)； ye平衡曲線上E點(diǎn)氣相摩爾分?jǐn)?shù)。 3.精餾過程進(jìn)料溫度的選擇 精餾塔的分離動(dòng)力來自塔釜再沸器的熱量,而且全塔上下的負(fù)荷并不均勻,它與側(cè)線采出和進(jìn)料工況有關(guān)。一般說來,塔底的氣液量比塔頂?shù)拇?塔的液泛都從塔底開始。當(dāng)進(jìn)料是冷態(tài)時(shí),則要求塔釜再沸器提供較多的熱量,也增加了塔底氣液量。

15、對于給定的分離要求,精餾系統(tǒng)所需的熱量基本不變,當(dāng)提高進(jìn)料溫度時(shí),就會(huì)減少再沸器的熱負(fù)荷。 進(jìn)料溫度的降低，將增加塔底再沸器的熱負(fù)荷，減少塔頂冷凝器的冷負(fù)荷；進(jìn)料溫度升高，則增加塔頂冷凝器的冷負(fù)荷，減少塔底再沸器的熱負(fù)荷；當(dāng)進(jìn)料溫度的變化幅度過大時(shí)，常會(huì)影響整個(gè)塔身的溫度，從而改變氣液平衡組成。另一方面，進(jìn)料溫度的變化，意味著進(jìn)料狀態(tài)的改變，因此，進(jìn)料溫度是影響精餾操作的重要因素之一。乙醇-水的精餾采用泡點(diǎn)進(jìn)料溫度可大大降低精餾過程的能耗，同時(shí)也可以達(dá)到理想的分離目的。 4.集熱共沸精餾節(jié)能技術(shù) 在串連兩塔以上的精餾全過程中,采用塔群間的熱量集成是一種極為有效的節(jié)能措施,乙醇與水共沸精餾雙塔間

16、的集熱流程4 中,主要設(shè)備有提濃塔和脫水塔,指定塔壓,使提濃塔冷凝器的熱負(fù)荷Qc1滿足脫水塔再沸釜所需的熱量QRB2 ,產(chǎn)物流熱量用于預(yù)熱進(jìn)料液,得以回收,因而提濃塔再沸釜的熱負(fù)荷QRB1即為整個(gè)流程所需的全部熱量。用質(zhì)量濃度分別為10 %和6 %的乙醇水溶液,以戊烷和苯作為夾帶劑,模擬集熱共沸精餾流程,其計(jì)算結(jié)果如下： 由以上計(jì)算結(jié)果可知:(1) 在乙醇水二塔共沸精餾流程中,采用熱量集成是一種有效的節(jié)能途徑,可節(jié)能40 %以上。(2) 在乙醇水系統(tǒng)中,夾帶劑戊烷的作用優(yōu)于苯,體現(xiàn)在提濃塔所需塔板數(shù)相同,而戊烷脫水塔的塔板數(shù)較苯脫水塔減少了一半,耗能量也少。這是由于戊烷較苯能提高水的活性,具有

17、較高的揮發(fā)性和較低的氣化熱.5. 多效精餾節(jié)能技術(shù) 為將低能耗，加熱劑最高溫度略高于塔底溫度，冷卻溫度略低于塔頂溫度。而實(shí)際情況是，最方便廉價(jià)的冷卻劑是水或空氣，最常用的加熱劑是水蒸氣。但是，這些熱劑或冷劑很難符合上述要求，所已精餾塔經(jīng)常無為地多消耗了不少有效能。為此可以采用多效精餾，只要精餾塔塔底和塔頂溫度之差比實(shí)際可用的加熱劑和冷卻劑見的溫差小很多，就可以考慮多效精餾，多效精餾通?？梢源蠓冉档湍芎摹６嘈Ьs是通過擴(kuò)展工藝流程來節(jié)減精餾操作能耗的，它是以多塔代替單塔，各塔的能位級別不同，能位較高的塔排出的能量用于能位較低的塔。各塔操作壓力不同，塔的操作壓力由第1效到第N效逐漸降低，前一效的

18、塔頂蒸汽冷凝溫度略高于后一效的塔釜液沸點(diǎn)溫度。第一效的塔釜由水蒸氣加熱，其塔頂蒸汽作為熱源加熱第2效的塔釜，同時(shí)被冷凝得到產(chǎn)品。依次逐效進(jìn)行，直到最后一效塔頂蒸汽被冷卻介質(zhì)冷凝。這樣在整個(gè)流程中只有第一效加入新鮮蒸汽，在最后一效加入冷卻介質(zhì)，中間各塔則不再需要外加蒸汽和冷卻介質(zhì)，因此多效精餾充分利用了冷熱介質(zhì)之間過剩的溫差。盡管總能量降級和單塔一樣，但它不是一次性降級的，而是逐塔降低的，這樣，每個(gè)塔的塔頂、塔底溫差減小了，降低了有效能損失，從而達(dá)到節(jié)能目的。但多效精餾的投資費(fèi)用高于常規(guī)精餾。6. 高效導(dǎo)向篩板高效導(dǎo)向篩板是北京化工大學(xué)在對包括篩板塔板在內(nèi)的各種塔板進(jìn)行深入細(xì)致研究的基礎(chǔ),發(fā)揮篩

19、板塔結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉的特點(diǎn),克服其漏點(diǎn)高、效率低的缺點(diǎn),并且通過對各種塔板進(jìn)行深入研究、綜合比較,結(jié)合塔板上流體力學(xué)和傳質(zhì)學(xué)的研究開發(fā)的一種新型高效塔板。高效導(dǎo)向篩板是在高效導(dǎo)向篩板上開設(shè)了大量篩孔及少部分導(dǎo)向孔,通過篩孔的氣體在塔板上與液體錯(cuò)流,穿過液層垂直上升,通過導(dǎo)向篩板的氣體沿塔板水平前進(jìn),將動(dòng)量傳遞給塔板上水平流動(dòng)的液體,從而推動(dòng)液體在塔板上均勻穩(wěn)定前進(jìn),克服了原來塔板上的液面落差和液相返混,提高了生產(chǎn)能力和板效率,解決了堵塔、液泛等問題。另外,在傳統(tǒng)塔板上,由于液面梯度,在塔板的上游總存在個(gè)非活化區(qū),在此區(qū)域內(nèi)氣流無法穿過液層而上升鼓泡。實(shí)驗(yàn)測定,非活化區(qū)的面積約占塔截面積的1

20、/3左右。高效導(dǎo)向篩板在液流入口處增加了向上凸成斜臺狀的鼓泡促進(jìn)器,促使液體一進(jìn)入塔板就能產(chǎn)生鼓泡,帶來了良好的氣液接觸與傳質(zhì)。7.分割式熱泵精餾節(jié)能技術(shù) 分割式熱泵精餾節(jié)能技術(shù)乙醇一水溶液是非理想溶液，屬于正偏差溶液，其相平衡存在拐點(diǎn)，可以把乙醇一水單塔精餾分解成雙塔精餾，并在上塔安裝熱泵裝置，這就構(gòu)成了分割式熱泵精餾流程，如圖1所示。該塔類似于常規(guī)的直接式熱泵精餾，只不過多了一個(gè)進(jìn)料口，分割式泵精餾的方法，是將塔頂氣相冷凝放出的熱量傳遞到塔釜再沸器，以充分利用能量，達(dá)到降低能量消耗的目的。由于上塔的物料在恒沸點(diǎn)附近，溫差較小，從而所需壓縮機(jī)的壓比也較小，壓縮比只需1: 2左右，選擇單級壓縮

21、機(jī)，投資額小，追加投資回收期短。下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段，進(jìn)料來白上塔的釜液，蒸汽出料則進(jìn)人上塔塔底，其回流比與上塔比較，可大大減小，因?yàn)橄滤慕M分平均相對揮發(fā)度比上塔的大很多，降低回流比可使精餾過程進(jìn)一步節(jié)能。分割式熱泵精餾操作控制簡單，基本上解決了大溫差高溫精餾的熱泵應(yīng)用問題，拓寬了熱泵精餾的應(yīng)用范圍，其節(jié)能效果明顯，并可得到95%以上的無水乙醇，其能耗如表2所示。按照國家統(tǒng)計(jì)局標(biāo)準(zhǔn)和煉油廠能量消耗方法:lkg的1. OMPa級的水蒸氣等價(jià)為0. 10857標(biāo)準(zhǔn)煤、lkg加熱設(shè)備凝結(jié)水等價(jià)為0. 0109286kg標(biāo)準(zhǔn)煤、每千瓦時(shí)電力等價(jià)于0. 123kg標(biāo)準(zhǔn)煤，因此，可將總能耗換算成標(biāo)

22、準(zhǔn)煤進(jìn)行比較。從表2中可以看出，與常規(guī)精餾相比較，以標(biāo)準(zhǔn)煤為標(biāo)準(zhǔn)，熱泵精餾可節(jié)省能耗60%，符合熱泵精餾節(jié)能技術(shù)的要求。分割式熱泵精餾與常規(guī)精餾的節(jié)能效果比較8.乙醇精餾的新進(jìn)展及發(fā)展方向 乙醇水系統(tǒng)分離的四種節(jié)能方法各有其特點(diǎn)。隨著人類所面臨的自然資源減少、能源短缺的問題,人們越來越致力于新型節(jié)能技術(shù)的研究開發(fā)工作。上面所介紹的四種方法是目前應(yīng)用研究最廣的節(jié)能新技術(shù),但不甚完善,還有待于進(jìn)一步的研究與開發(fā)。溶鹽精餾萃取技術(shù)是制取無水乙醇的較好的節(jié)能技術(shù),但還要進(jìn)一步尋求更好的溶劑和鹽的體系以及更好的工藝過程,使其完善。熱集成和雙效精餾技術(shù)在具體的生產(chǎn)過程中的控制調(diào)節(jié)也有待于進(jìn)一步的完善。還有,熱泵精餾技術(shù)能起到很好的節(jié)能效果,但缺乏基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù),一次性投資較大,推廣困難。以上這些方面都是今后研究工作應(yīng)進(jìn)一步努力的方向。 隨著科技的發(fā)展,新的節(jié)能分離技術(shù)也將不斷涌現(xiàn)。用滲透蒸發(fā)來進(jìn)行節(jié)能分離,具有選擇性好,能耗低,易于操作等特