年产12万吨乙醇-水精馏装置的设计论文.doc

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 化工系化工系) 题题 目目 年产年产 12 万吨乙醇万吨乙醇-水精馏装置的设计水精馏装置的设计 专专 业业 应用化工应用化工 班班 级级 姓姓 名名 0000 学学 号号 指导教师指导教师 00000 完成日期完成日期 济源职业技术学院毕业设计(论文) 目录 摘要1 第一章 综 述2 1.1 精馏2 1.1.1 精馏的含义2 1.1.2 精馏的原理2 1.2 相和相平衡3 1.3 精馏的分类3 1.3.1 精馏的分类方式3 1.3.2 间歇精馏3 1.3.3 连续精馏3 1.3.4 减压精馏及其应用4 1.3.5 加压精馏及其应用4 1.3.6 常压精馏4 1.3.7 恒沸精馏4 1.3.8 萃取精馏5 1.4 常用精馏塔的结构形式5 1.4.1 填料塔.6 1.4.2 板式塔8 1.4.3 怎样合理地选择精馏塔的操作条件.10 1.5 乙醇的性质及作用 .10 1.5.1 乙醇的物理性质 .10 1.5.2 乙醇的化学性质.11 1.5.3 乙醇的危害.12 1.5.4 乙醇的用途.13 1.5.5 乙醇的工业制法.14 第二章 工艺计算15 2.1 设计任务及要求 .15 2.2 计算过程 .15 济源职业技术学院毕业设计(论文) I 2.2.1 塔形的选择 .15 2.2.2 操作压力 .16 2.3 有关工艺计算 .16 2.4 最小回流比及操作回流比的确定 .17 2.5 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 .17 2.6 理论塔板层数的确定 .18 2.7 全塔效率的估算 .19 2.8、实际塔板数.20 P N 第三章 精馏塔主题尺寸的计算21 3.1 精馏段与提馏段的体积流量 .21 3.1.1 精馏段 .21 3.1.2 提馏段 .22 3.2 塔径的计算 .23 3.3 塔高的计算 .25 结论.26 致谢.27 参考文献.28 济源职业技术学院毕业设计(论文) 0 摘要 人类与化工的关系十分密切，在现代生活中，几乎随时随地都离不开化工产品， 从衣、食、住、行等物质生活，到文化艺术、娱乐等精神生活，都需要化工产品为 之服务。有些化工产品在人类发展历史中，起着划时代的重要作用。它们的生产和 应用，甚至代表着人类文明的一定历史阶段。化工生产常需进行液体混合物的分离 以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同 并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。我们在生产中常用的 精馏设备是板式塔和精馏塔。 然而乙醇已经同时也成为人们生活中不可缺少的东西了。例如，乙醇可以做成 不同浓度的消毒剂;乙醇是酒的主要组成部分;乙醇可以调入汽油，作为车用燃 料 关键词关键词：水：水 、 乙醇乙醇 、 精馏塔精馏塔 、 济源职业技术学院毕业设计（论文） 0 第一章 综 述 1.11.1 精馏精馏 1.1.11.1.1 精馏的含义精馏的含义 一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的 液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。把液体混 合物进行多次部分气化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离成为所 要求组分的操作过程称为精馏。 1.1.21.1.2 精馏的原理精馏的原理 为什么把液体混合物进行多次部分气化同时又多次部分冷凝，就能分离为纯或 比较纯的组分呢？由于液体混合物中所含组分的沸点不同，当其在一定温度下部分 气化时，因低沸点物易于气化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物 的浓度较气相高。这就改变了汽液两相的组成。当对部分气化所得的蒸汽进行部分 冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而未冷凝气 中低沸点物的浓度比冷凝液中要高。这样多次地进行部分气化和部分冷凝，将最终 在液相中留下基本上是高沸点，在气相中留下基本是低沸点组分。由此可见，部分 气化和部分冷凝，都使汽液相的组成发生了变化，多次部分气化和多次部分冷凝同 时进行，就可以将混合物分离为纯的或比较纯的组分。 塔内所发生的传质、传热过程如下：（1）汽液两相进行热的交换利用部分 气化所得气体混合物中的热来加热部分冷凝所得的液体混合物；（2）气、液两相在 热交换过程中同时进行质的交换。温度较低的液体混合物被温度较高的气体混合物 加热而部分汽化。此时，因挥发能力的差异，低沸点组分比高沸点组分挥发的多， 结果表现为低沸点组分从液相转入气相，气相中易挥发组分增浓；同理，温度较高 的气体混合物，因加热了温度较低的液体混合物，而使自己部分冷凝，同样因为挥 发能力的差异，使高沸点组分从气相转入液相，液相中难挥发组分增浓。精馏塔是 由若干塔板组成的，塔的最上部称为塔顶，塔的最下部称为塔釜。一块塔板只进行 一次部分气化和部分冷凝，塔板数越多，部分气化和部分冷凝的次数就越多，分离 效果就越好。 通过整个精馏过程，最终由塔顶得到的易挥发组分（塔顶馏出物） 。塔釜得到的 济源职业技术学院毕业设计（论文） 1 基本上是难挥发组分。 1.21.2 相和相平衡相和相平衡 相就是指在系统中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分，不同相之间，往 往有一个相界面，把不同的相分别开。如，水和冰混合在一起，水为液相，冰为固 相；空气为多种气体的混合物，只具有一相；糖溶解在水里形成糖水，形成均匀一 相，若糖有不溶解的，就形成为两相。 在一定的温度和压力下，如果物料系统中存在两个和两个以上的相，物料在 各相的相对量以及物料中各组分在各相中的浓度不随时间变化，我们称系统处于平 衡状态。平衡时，物质还是在不停的运动，但是，各相的量和各组分在各相的浓度 不随时间变化，当条件改变时，将建立起新的相平衡，因此相平衡是运动的、相对 的，而不是静止的、绝对的。 1.31.3 精馏的分类精馏的分类 1.3.11.3.1 精馏的分类方式精馏的分类方式 精馏可以从三个角度去分类。 第一、按精馏操作的方式的不同，间歇精馏和连续精馏。 第二、按精馏操作的条件（如压力）不同，可分为加压精馏、常压精馏、减压 精馏等。 第三、按精馏分离原理的不同，可分为一般精馏和特殊精馏。特殊精馏又包括 恒沸精馏、萃取精馏、水蒸汽蒸馏及分子蒸馏等。 1.3.21.3.2 间歇精馏间歇精馏 间歇精馏就是将处理的物料一次加入精馏塔釜内，然后加热进行精馏，直到塔 顶和塔釜产品不符合要求为止。排出残余的物料后，再装入一批物料进行精馏。其 精馏塔没有提馏段和精馏段之分。 操作时，釜液经间接加热至沸腾，釜中产生的蒸气上升到精馏塔内，在此进行 热的交换和质的交换。塔内上升的蒸气从塔顶引致分凝器；分凝器所得冷凝液的一 部分再引致塔顶部的塔板，作为回流；而未冷凝的蒸气及另一部分冷凝液则进入冷 凝冷却器，在其中使蒸气全部冷凝，并使馏出液冷却至一定温度进入贮槽，若需要 获得不同沸点范围的馏出液时，则应装置若干个贮槽，按沸点范围的不同分别收集。 济源职业技术学院毕业设计（论文） 2 1.3.31.3.3 连续精馏连续精馏 连续精馏指的是精馏操作连续进行、连续采出。连续精馏的塔一般一般是由精 馏段和提馏段组成，此两段是以进料板为分界，进料板以上的部分为进料段，进料 板以下的部分为提馏段（包括进料板） 。但是少数的连续精馏塔，他们或者只有精馏 段而无提馏段，或者只有提馏段而无精馏段。 操作时，原料液经换热器换热到指定的温度，从提馏段的最上一层塔板（即 进料板）加入塔内。如果液体进料，则物料在该板与精馏段的回流液汇合，然后逐 层下流至塔釜。在逐层下降的同时就从液体中不断蒸出了易挥发（低沸点）组分， 从而使下流至塔釜的液态含有较多的难挥发组分（高沸点） 。把塔釜液的一部分连续 引至贮槽；另一部分送至塔底部的蒸发釜（再沸器）加热气化。蒸发釜中产生的蒸 气自塔底逐层上升，使蒸气中易挥发组分逐渐增浓，然后进入塔顶分凝器。一部分 蒸气在分凝器中冷凝，所得的液体送回塔顶作为回流；其余部分蒸气或者作为气相 产品直接引出，或者进入冷凝冷却器，将未冷凝的蒸气全部冷凝，冷凝液流至产品 贮槽。 这种把原料液不断地加入塔内，又从塔顶和塔釜连续不断地采出的过程，就称 为连续精馏。 1.3.41.3.4 减压精馏及其应用减压精馏及其应用 在减压（低于一个大气压）下进行分离混合物的精馏叫做减压精馏。 减压下，纯物质的沸点较正常压力下要低。减压精馏，就是借助降低系统压力， 使混合液的泡点下降，在较低压力下沸腾，以达到降低精馏操作的温度。不言而喻， 减压精馏适用于高沸点物质的混合物，以及在高温下精馏会引起物质的聚合或分解 变质的混合物。 1.3.51.3.5 加压精馏及其应用加压精馏及其应用 指塔顶压力高于大气压力下操作的精馏过程叫加压精馏。 加压精馏常用于被分离混合物沸点较低情况下，如在常温常压下混合物为气态 的物料。如从烃类裂解气中分离出甲烷、氢的精馏。 1.3.61.3.6 常压精馏常压精馏 在大气压（常压）下操作的精馏过程叫常压精如果被分离的混合物在常压下有 较大的相对挥发度，并且塔顶物料可以用水来冷凝冷却，塔釜物料可以用水蒸汽来 济源职业技术学院毕业设计（论文） 3 加热，这时应采用常压精馏。例如乙醇和甲醇的提纯。 1.3.71.3.7 恒沸精馏恒沸精馏 在被分离的物系中加入共沸剂（或称共沸组分） ，该共沸剂必须能和物系中一个 或几个组分形成具有最低沸点的恒沸物，以致于使需要分离的几种物质间的沸点差 （或相对挥发度）增大。在精馏时，共沸组分能以恒沸物的形式从精馏塔顶蒸出， 工业上把这种操作称为恒沸精馏。 恒沸精馏的过程中，所加入的共沸组分必须从塔顶蒸出，而后冷凝分离，循环 使用。因而恒沸精馏消耗的能量较多。 1.3.81.3.8 萃取精馏萃取精馏 在被分离的混合物中加入萃取剂，萃取剂的存在能使被分离混合物的组分间的 相对挥发度增大。精馏时，其在各板上基本保持恒定的浓度，而且从精馏塔的塔釜 排除，这样的操作称为萃取精馏。 萃取剂的选择原则： （1）萃取剂的选择性要大。被分离组分在萃取剂中相对挥发度的大小称为萃取 剂的选择性。被分离组分在萃取剂中相对挥发度增大的多，分离就容易，也就是选 择的萃取剂选择性大。选择性是选择萃取剂最主要的依据。因为选择性的大小也就 是决定了被分离组分中轻重关键组分分离的难易程度。因此塔板数的多少、回流比 的大小也与它有密切的关系。 （2）萃取剂对被分离组分的溶解度要大，这样塔板上的液体才能形成均相，不 会分层。 （3）萃取剂的沸点应比被分离组分的沸点高的多，否则萃取剂易从塔顶挥发损 失掉。 （4）热稳定性、化学稳定性要好，无毒性，不腐蚀设备。 （5）回收容易价格易得。 1.41.4 常用精馏塔的结构形式常用精馏塔的结构形式 对精馏过程来说，精馏设备是使过程得以进行的重要条件。性能良好的精馏设 备，为精馏过程的进行创造了良好的条件。它直接影响到生产装置的产品质量、生 产能力、产品的收率、消耗定额、三废处理以及环境保护等方面。 常用的精馏塔型式有填料塔和板式塔，填料塔有拉西环填料塔、鲍尔环填料塔、 济源职业技术学院毕业设计（论文） 4 鞍型填料塔、波纹填料塔、丝网填料塔、丝网波纹填料塔等。丝网波纹填料塔因其 在保持高传质效率的前提下，降低了造价，也越来越受到青睐。对于甲醇来说予塔 采用这种塔型的为数不少。 无论采用哪种塔都必须以下共同的要求： （1）具有适宜的流体力学条件，达到汽液两相的良好接触。 （2）结构简单，制造成本低，安装检修方便。在使用过程中耐吹冲，局部的损 坏影响范围小。 （3）要求有较高的分离效率和较大的处理量，同时要求在宽广的汽液负荷范围 内塔板效率高而且稳定。 （4）蒸气通过塔的阻力小，压降小。 （5）塔的操作稳定可靠，反应灵敏，调节方便。 1.4.11.4.1 填料塔填料塔 填料塔是塔设备的一种。塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触 表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。 气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构较简 单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作 （一）填料塔的结构原理 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔是一 直立是圆筒，底部装有填料支撑板，填料以 以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流 吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送 入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连 续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连 续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连 续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流 量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从 而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。 液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液 体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 济源职业技术学院毕业设计（论文） 5 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿 填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进 料和出料等复杂精馏不太适合等。 （二）填料塔的发展历史 填料塔 70 年代以前，在大型塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过许多新型 填料塔 塔板。70 年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的发展，填料塔 日益受到人们的重视，此后的 20 多年间，填料塔技术有了长足的进步，涌现出不少 高效填料与新型塔内件，特别是新型高效规整填料的不断开发与应用，冲击了蒸馏 设备以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势。最大直径规整填料塔已达 1420m，结束了填料塔只适用于小直径塔的历史。这标志着填料塔的塔填料、塔内 件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段。纵观填料塔的发展，可以看出， 直至 80 年代末，新型填料的研究始终十分活跃，尤其是新型规整填料不断涌现，所 以当时有人说是规整填料的世界。但就其整体来说，塔填料结构的研究又始终是沿 着两个方面进行的，即同步开发散堆填料与规整填料。另一个研究方向是进行填料 材质的更换，以适应不同工艺要求，提高塔内气液两相间的传质效果，以及对填料 表面进行适当处理(包括在板片上碾压细纹或麻点，在板片上粘接石英砂，表面化学 改性等)，以改变液相在填料表面的润湿性。 填料塔从 ACHEMA94 和 ACHEMA97 两届展览会展出情况来看，进入 90 年代后， 填料的发展较慢，仿佛进入一个相对稳定期，或者说是处于巩固阶段。如 1994 年展 出的最具代表性的产品仍是 Sulzer 公司 1991 年展出的 Optiflow 规整填料，而 1997 年也只展出了一种新型填料的几何形状，即 Raschig 公司的 Supekpak300 型板 济源职业技术学院毕业设计（论文） 6 式规整填料，其余都是一些老填料的新改进(如 Rombopak 改进型填料)。填料领域最 多的发展还是在气液分布器方面。国外大公司对液体分布装置的研究较成熟，但对 气体分布器的研究是几年前才起步的。与此相反的是，近五六年来，塔器中板式塔 技术却又有了明显的进步。 尽管如此，新型填料的开发与应用仍将会有发展，其重点亦仍是规整填料。预 计今后填料塔的发展仍应归结到以下三个方面：新型填料及塔内件的开发。填 料塔的性能研究。填料塔的工业应用。 1.4.21.4.2 板式塔板式塔 板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定 间距水平装置在塔内的若干塔板组成。广泛应用于精馏和吸收,有些类型（如筛板塔） 也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例） ，液 体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出；气体在压力差推动下， 自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气 体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。 工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。筛板塔出现于 1830 年，很长一段时间 内被认为难以操作而未得到重视。泡罩塔结构复杂，但容易操作，自 1854 年应用于 工业生产以后，很快得到 板式塔 推广，直到 20 世纪 50 年代初，它始终处于主导地位。第二次世界大战后，炼油和 化学工业发展迅速，泡罩塔结构复杂、造价高的缺点日益突出，而结构简单的筛板 塔重新受到重视。通过大量的实验研究和工业实践，逐步掌握了筛板塔的操作规律 和正确设计方法，还开发了大孔径筛板，解决了筛孔容易堵塞的问题。因此，50 年 代起，筛板塔迅速发展成为工业上广泛应用的塔型。与此同时，还出现了浮阀塔， 它操作容易，结构也比较简单，同样得到了广泛应用。而泡罩塔的应用则日益减少， 济源职业技术学院毕业设计（论文） 7 除特殊场合外，已不再新建。60 年代以后,石油化工的生产规模不断扩大,大型塔的 直径已超过 10m。为满足设备大型化及有关分离操作所提出的各种要求，新型塔板 不断出现，已有数十种。 （一）板式塔的操作特性 各种塔板只有在一定的气液流量范围内操作，才能保证气液两相有效接触，从而得 到较好的传质效果。可用塔板负荷性能图(图 5)来表示塔板正常操作时气液流量的 范围，图中的几条边线所表示的气液流量限度为：漏液线。气体流量低于此限时， 液体经开孔大量泄漏。过量雾沫夹带线 板式塔 。气体流量高于此限时，雾沫夹带量超过允许值，会使板效率显著下降。液流下 限线。若液体流量过小，则溢流堰上的液层高度不足，会影响液流的均匀分布，致 使板效率降低。液流上限线。液体流量太大时，液体在降液管内停留时间过短,液 相夹带的气泡来不及分离,会造成气相返混，板效率降低。液泛线。气液流量超过 此线时，引起降液管液泛，使塔的正常操作受到破坏。如果塔板的正常操作范围大， 对气液负荷变化的适应性好，就称这些塔板的操作弹性大。浮阀塔和泡罩塔的操作 弹性较大，筛板塔稍差。这三种塔型在正常范围内操作的板效率大致相同。 （二）板式塔的工业要求 工业生产对塔板的要求主要是： 通过能力要大，即单位塔截面能处理的气液流量大。 板式塔 塔板效率要高。 济源职业技术学院毕业设计（论文） 8 塔板压力降要低。 操作弹性要大。 结构简单，易于制造。在这些要求中，对于要求产品纯度高的分离操作，首 先应考虑高效率；对于处理量大的一般性分离（如原油蒸馏等） ，主要是考虑通过能 力大。 1.4.31.4.3 怎样合理地选择精馏塔的操作条件怎样合理地选择精馏塔的操作条件 精馏塔的操作条件主要是指温度、压力。一般地说，主要根据物料的性质，原 料的组成，对产品纯度的要求，设备材料的来源，工厂生产的规模等具体情况，选 择合理的操作条件。例如对于各组分间相对挥发度相差较大的混合物采用一般精馏； 对于相对挥发度接近，甚至相等的混合物，采用萃取精馏或恒沸精馏；对沸点高的 混合物，采用减压精馏或水蒸气蒸馏；对于沸点低的混合物，采用加压精馏，以适 当提高冷凝温度等。 1.51.5 乙醇的性质及作用乙醇的性质及作用 乙醇分子是由乙基和羟基两部分组成，可以看成是乙烷分子中的一个氢原子被 羟基取代的产物，也可以看成是水分子中的一个氢原子被乙基取代的产物。乙醇分 子中的碳氧键和氢氧键比较容易断裂。 1.5.11.5.1 乙醇的物理性质乙醇的物理性质 无色、透明，具有特殊香味的液体（易挥发） ，密度比水小，能跟水以任意比 互溶（一般不能做萃取剂） 。乙醇是一种很好的溶剂，既能溶解许多无机物，又能溶 解许多有机物，所以常用乙醇来溶解植物色素或其中的药用成分，也常用乙醇作为 反应的溶剂，使参加反应的有机物和无机物均能溶解，增大接触面积，提高反应速 率。例如，在油脂的皂化反应中，加入乙醇既能溶解 NaOH，又能溶解油脂，让它们 在均相（同一溶剂的溶液）中充分接触，加快反应速率，提高反应限度。 乙醇的物理性质主要与 其低碳直链醇的性质有关。分子中的羟基可以形成氢键， 因此乙醇黏度很大，也不及相近相对分子质量的有机化合物极性大。室温下，乙醇 是无色易燃，且有特殊香味的挥发性液体。 作为溶剂，乙醇易挥发，且可以与水、乙酸、丙酮、苯、四氯化碳、氯仿、乙 醚、乙二醇、甘油、硝基甲烷、吡啶和甲苯等溶剂混溶。此外，低碳的脂肪族烃类 济源职业技术学院毕业设计（论文） 9 如戊烷和己烷，氯代脂肪烃如 1,1,1-三氯乙烷和四氯乙烯也可与乙醇混溶。随着碳 数的增长，高碳醇在水中的溶解度明显下降。 由于存在氢键，乙醇具有潮解性，可以很快从空气中吸收水分。羟基的极性也 使得很多离子化合物可溶于乙醇中，如氢氧化钠、氢氧化钾、氯化镁、氯化钙、氯 化铵、溴化铵和溴化钠等。氯化钠和氯化钾则微溶于乙醇。此外，其非极性的烃基 使得乙醇也可溶解一些非极性的物质，例如大多数香精油和很多增味剂、增色剂和 医药试剂。 1.5.21.5.2 乙醇的化学性质乙醇的化学性质 （一）酸性 乙醇分子中含有极化的氧氢键，电离时生成烷氧基负离子和质子。 CH3CH2OH（可逆）CH3CH2O- + H+ 乙醇的 pKa=15.9，与水相近。 乙醇的酸性很弱，但是电离平衡的存在足以使它与重水之间的同位素交换迅速 进行。 CH3CH2OH+D2O（可逆）CH3CH2OD+HOD 因为乙醇可以电离出极少量的氢离子，所以其只能与少量金属（主要是碱金属） 反应生成对应的醇金属以及氢气： 2CH3CH2OH + 2Na2CH3CH2ONa + H2 乙醇可以和高活跃性金属反应，生成醇盐和氢气。 醇金属遇水则迅速水解生成醇和碱 结论： （1）乙醇可以与金属钠反应，产生氢气，但不如水与金属钠反应剧烈。 （2）活泼金属（钾、钙、钠、镁、铝）可以将乙醇羟基里的氢取代出来。 （二）还原性 乙醇具有还原性，可以被氧化成为乙醛。酒精中毒的罪魁祸首通常被认为是有 一定毒性的乙醛，而并非喝下去的乙醇。例如 2CH3CH2OH + O2 2CH3CHO + 2H2O（条件是在催化剂 Cu 或 Ag 的作用下加热） 实际上是乙醇先和氧化铜进行反应，然后氧化铜被还原为单质铜，现象为：黑 色氧化铜变成红色。 济源职业技术学院毕业设计（论文） 10 乙醇也可被高锰酸钾氧化，同时高锰酸钾由紫红色变为无色。乙醇也可以与酸性重 铬酸钾溶液反应，当乙醇蒸汽进入含有酸性重铬酸钾溶液的硅胶中时，可见硅胶有 橙红色变为草绿色，此反应现用于检验司机是否醉酒驾车。 （三）酯化反应 乙醇可以与乙酸在浓硫酸的催化并加热的情况下发生酯化作用，生成乙酸乙酯 （具有果香味） 。 C2H5OH+CH3COOH浓 H2SO4(可逆)CH3COOCH2CH3+H2O（此为取代反应） “酸”脱“羟基” ， “醇”脱“羟基”上的“氢” 与氢卤酸反应 乙醇可以和卤化氢发生取代反应，生成卤代烃和水。 C2H5OH + HBrC2H5Br + H2O 或写成 CH3CH2OH + HBr CH3CH2Br + H-OH C2H5OH + HXC2H5X + H2O 注意：通常用溴化钠和硫酸的混合物与乙醇加热进行该反应。故常有红棕色气体产 生。 （五）氧化反应 （1）燃烧：发出淡蓝色火焰，生成二氧化碳和水（蒸气） ，并放出大量的热， 不完全燃烧时还生成一氧化碳，有黄色火焰，放出热量 完全燃烧：C2H5OH+3O22CO2+3H2O （2）催化氧化：在加热和有催化剂（Cu 或 Ag）存在的情况下进行。 2Cu+O2加热2CuO C2H5OH+CuOCH3CHO+Cu+H2O 即催化氧化的实质(用 Cu 作催化剂） 总式：2CH3CH2OH+O2Cu 或 Ag2CH3CHO+2H2O （工业制乙醛） 乙醇也可被浓硫酸跟高锰酸钾的混合物发生非常激烈的氧化反应,燃烧起来。 （切记 要注酸入醇，酸与醇的比例是 1:3） 消去反应和脱水反应 乙醇可以在浓硫酸和高温的催化发生脱水反应，随着温度的不同生成物也不同。 （1）消去（分子内脱水）制乙烯（170浓硫酸）制取时要在烧瓶中加入碎瓷 片以免爆沸。 济源职业技术学院毕业设计（论文） 11 C2H5OHCH2=CH2+H2O （2）缩合（分子间脱水）制乙醚（130-140 浓硫酸） 2C2H5OH C2H5OC2H5 + H2O（此为取代反应） 1.5.31.5.3 乙醇的危害乙醇的危害 对身体的危害：本品为中枢神经系统抑制剂。首先引起兴奋，随后抑制。急性 中毒：急性中毒多发生于口服。一般可分为兴奋、催眠、麻醉、窒息四阶段。患者 进入第三或第四阶段，出现意识丧失、瞳孔扩大、呼吸不规律、休克、心力循环衰 竭及呼吸停止。慢性影响：在生产中长期接触高浓度本品可引起鼻、眼、粘膜刺激 症状，以及头痛、头晕、疲乏、易激动、震颤、恶心等。长期酗酒可引起多发性神 经病、慢性胃炎、脂肪肝、肝硬化、心肌损害及器质性精神病等。皮肤长期接触可 引起干燥、脱屑、皲裂和皮炎。 乙醇具有成瘾性及致癌性，但乙醇并不是直接导致 癌症的物质，而是致癌物质普遍溶于乙醇。在中国传统医药观点上，乙醇有促进人 体吸收药物的功能，并能促进血液循环，治疗虚冷症状。药酒便是依照此原理制备 出来的。 易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与 氧化剂接触发生化学反应或引起燃烧。在火场中，受热的容器有爆炸危险。其蒸气 比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。 。 1.5.41.5.4 乙醇的用途乙醇的用途 乙醇的用途很广，主要有： （1）不同浓度的消毒剂： 99.5的酒精称为无水酒精。生物学中的用途：叶绿体中的色素能在有机溶剂 无水乙醇（或丙酮）中，所以用无水乙醇可以提取叶绿体中的色素 95%的酒精用于擦拭紫外线灯。这种酒精在医院常用，而在家庭中则只会将其用 于相机镜头的清洁。 70%75%的酒精用于消毒。这是因为，过高浓度的酒精会在细菌表面形成一层 保护膜，阻止其进入细菌体内，难以将细菌彻底杀死。若酒精浓度过低，虽可进入 细菌，但不能将其体内的蛋白质凝固，同样也不能将细菌彻底杀死。其中 70%的酒 精消毒效果最好。 40%50%的酒精可预防褥疮。长期卧床患者的背、腰、臀部因长期受压可引发 褥疮，如按摩时将少许 40%50%的酒精倒入手中，均匀地按摩患者受压部位，就能 济源职业技术学院毕业设计（论文） 12 达到促进局部血液循环，防止褥疮形成的目的。 25%50%的酒精可用于物理退热。高烧患者可用其擦身，达到降温的目的。因 为用酒精擦拭皮肤，能使患者的皮肤血管扩张，增加皮肤的散热能力，酒精蒸发， 吸热，使病人体表面温度降低，症状缓解。但酒精浓度不可过高，否则可能会刺激 皮肤，并吸收表皮大量的水分。 （2）饮料： 乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为 56 度的酒。注意：我们 喝的酒内的乙醇不是把乙醇加进去，而是发酵出来的乙醇，当然根据使用的发酵酶 不同还会有乙酸或糖等有关物质。 （3）基本有机化工原料： 乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、 涂料、洗涤剂等产品的原料 （4）汽车燃料： 乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，我国雅津甜高粱乙醇在汽油中占 10%。美 国销售乙醇汽油已有 20 年历史。 此外乙醇还做：稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是 消毒剂。 1.5.51.5.5 乙醇的工业制法乙醇的工业制法 工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇： 1发酵法 发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的，在相当长的历史时期内，曾是生 产乙醇的唯一工业方法。发酵法的原料可以是含淀粉的农产品，如谷类、薯类或野 生植物果实等；也可用制糖厂的废糖蜜；或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这 些物质经一定的预处理后，经水解（用废蜜糖作原料部经这一步） 、发酵，即可制得 乙醇。 发酵液中的质量分数约为 6%10%，并含有其他一些有机杂质，经精馏可得 95%的 工业乙醇。 2乙烯水化法 乙烯直接水化法，就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下，是乙烯与水直 接反应，生产乙醇： 济源职业技术学院毕业设计（论文） 13 CH2CH2 + HOHC2H5OH（该反应分两步进行，第一步是与醋酸汞等汞盐 在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物，而后用硼氢化钠还原） 此法中的原料乙烯可大量取自石油裂解气，成本低，产量大，这样能节约大 量粮食，因此发展很快。 第二章 工艺计算 2.12.1 设计任务及要求设计任务及要求 原料：乙醇水溶液，年产量 10 万吨 乙醇含量：30%(质量分数)，原料液温度：40 设计要求：塔顶的乙醇含量不小于 92%(质量分数) 塔底的乙醇含量不大于 0.3%(质量分数) 表 2-1 乙醇水溶液体系的平衡数据 液相中乙醇的 含量(摩尔分 数) 汽相中乙醇的 含量(摩尔分 数) 液相中乙醇的 含量(摩尔分 数) 汽相中乙醇的 含量(摩尔分 数) 0.00.00.400.614 0.0040.0530.450.635 0.010.110.500.657 0.020.1750.550.678 0.040.2730.600.698 0.060.340.650.725 0.080.3920.700.755 济源职业技术学院毕业设计（论文） 14 0.100.430.750.785 0.140.4820.800.82 0.180.5130.850.855 0.200.5250.8940.894 0.250.5510.900.898 0.300.5750.950.942 0.350.5951.01.0 2.22.2 计算过程计算过程 2.2.12.2.1 塔形的选择塔形的选择 根据生产任务，若按年工作日 290 天，每天开动设备 24 小时计算，产品流量为 14368kg/h，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔 板液面落差的影响，提高生产效率，选用筛板塔。 2.2.22.2.2 操作压力操作压力 由于乙醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用， 操作压力选为常压 其中塔顶压力为 5 1.01325 10 Pa 塔底压力 5 1.01325 10(265 530)NPa 2.32.3 有关工艺计算有关工艺计算 由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为 摩尔分数。 原料液的摩尔组成： 32 322 30/ 46 0.143 30/ 4670/18 CH CH OH f CH CH OHH O n x nn 同理可求得： 0.82,0.0012 DW xx 原料液的平均摩尔质量： 322 (1)0.143 460.857 1822/ ffCH CH OHfH O Mx MxMkg kmol 济源职业技术学院毕业设计（论文） 15 同理可求得： 40.96/,18.03/ DW Mkg kmol Mkg kmol 40下，原料液中 232 33 971.1/,735/ H OCH CH OH kg mkg m 由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表 2。 表 2-1 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度 名称原料液馏出液釜残液 /% f x 30920.3 (摩尔分数) f x 0.1430.820.0012 摩尔质量（ ）/kg kmol 2240.9618.03 沸点温度 /t83.8378.6299.38 2.42.4 最小回流比及操作回流比的确定最小回流比及操作回流比的确定 由于是泡点进料，过点做直线交平衡0.143 qf xx(0.143,0.143)e0.143x 线于点，由点可读得，因此：dd0.516 q y min(1) 0.820.516 0.815 0.5160.143 dq qq xy R yx 又过点作平衡线的切线，切点为，读得其坐标为(0.82,0.82)ag ，因此：0.55,0.678 qq xy min(2) 0.820.678 0.623 0.7780.55 Dq qq xy R yx 所以， minmin(2) 0.623RR 可取操作回流比 min 1(/1.6)RR R 2.52.5 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 济源职业技术学院毕业设计（论文） 16 以年工作日为 290 天，每天开车 24 小时计，进料量为： 10000000 641.42/ 290 24 22.4 Fkmol h 由全塔的物料衡算方程可写出： (蒸汽) 0 VFDW 0 0y 110.75/Dkmol h 00fDW V yFxDxWx752.17/Wkmol h (泡点) WLLqFRDqF1q 0 221.51/Vkmol h 2.62.6 理论塔板层数的确定理论塔板层数的确定 精馏段操作线方程： 1 0.40.51 11 D nnn xR yxx RR 提馏段操作线方程： 1 00 3.40.0041 nmwm WW yxxx VV 线方程：q0.143x 由相平衡方程式可得 1 (1) x y x (1) (1) y x x y 根据乙醇水体系的相平衡数据可以查得： 0.82 D x 0.84 D y 0.143 F x 0.489 F y 因此可以求得： 1.152 D 5.739 F 全塔的相对平均挥发度： 1.152 5.7392.57 DF 济源职业技术学院毕业设计（论文） 17 由相平衡方程式与上述精馏段操作线方程交替计算： 1 0.82 D yx 1 0.64x 2 0.73y 2 0.59x 3 0.67y 3 0.46x 4 0.58y 4 0.39x 5 0.41y 5 0.301x 6 0.35y 6 0.274x 7 0.23y 7 0.208x 8 0.019y 8 0.173x 9 0.09y 9 0.1040.143 F xx 由上结论可知：第九层为进料板 由相平衡方程式与上述提馏段操作线方程交替计算： 10 0.069y 10 0.085x 11 0.056y 11 0.047x 12 0.049y 12 0.021x 13 0.031y 13 0.0093x 14 0.024y 14 0.0034x 15 0.006y 15 0.00100.0012 W xx 所以：理论板层数15 114N 2.72.7 全塔效率的估算全塔效率的估算 全塔的相对平均挥发度： 1.152 5.7392.57 DF 济源职业技术学院毕业设计（论文） 18 全塔的平均温度： 78.6283.8399.38 87.30 33 DfW m ttt tC 在温度下查得 m t 232 0.327,0.38 H OCH CH OH mPa smPa s 因为 LiLi x 所以，0.174 0.38(1 0.174) 0.3270.336 Lf mPa s 全塔液体的平均粘度： ()/3(0.3270.380.327)/30.344 LmLfLDLW mPa s 全塔效率 0.245 0.245 1 0.49()0.4945% (4.36 0.344) TL E 2.82.8、实际塔板数、实际塔板数 P N 块(含塔釜)/14/0.4532 PTT NNE 其中，精馏段的塔板数为：块。9/0.4520 济源职业技术学院毕业设计（论文） 19 第三章 精馏塔主题尺寸的计算 3.13.1 精馏段与提馏段的体积流量精馏段与提馏段的体积流量 3.1.13.1.1 精馏段精馏段 整理精馏段的已知数据列于表 3-15，由表中数据可知： 液相平均摩尔质量： 1 2238.7 30/ 22 f MM Mkg kmol 液相平均温度： 83.8378.62 81.2 22 fD m tt tC 表 3-1 精馏段的已知数据 位置进料板塔顶(第一块板) 0.30 f x 1 0.92 D yx 质量分数 0.712 f y 1 0.89x 0.143 f x 1 0.82 D yx 摩尔分数 0.21 f y 1 0.64x 22 Lf M38.4 Lf M 摩尔质量/（ ）/kg kmol 32.45 Vf M39.81 Vl M 温度/83.8378.62 济源职业技术学院毕业设计（论文） 20 在平均温度下查得 232 33 971.1/,735/ H OCH CH OH kg mkg m 液相平均密度为： 322 11 LmLm LmCH CH OHH O xx 其中，平均质量分数 0.300.89 0.60 2 Lm x 所以， 3 814/ Lm kg m 精馏段的汽相负荷76.42/LRDkmol h 3 76.42 30 2.82/ 814 n Lm LM Lmh 同理可计算出精馏段的液相负荷。 精馏段的负荷列于表 2。 表 3-2 精馏段的汽液相负荷 名称汽相液相 平均摩尔质量/kg kmol3036.13 平均密度/ 3 /kg m8141.251 体积流量/ 3 /mh2.82(0.000783) 3 /ms2207.8(0.613) 3 /ms 3.1.23.1.2 提馏段提馏段 整理提馏段的已知数据列于表 3-3，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏 段的负荷，结果列于表 3-4。 表 3-3 提馏段的已知数据 位置塔釜进料板 济源职业技术学院毕业设计（论文） 21 0.003 W x 0.30 f x 质量分数 0.0102 W y 0.722 f y 0.0012 W x0.143 f x 摩尔分数 0.011 W y0.21 f y 16.9 LW M22 Lf M摩尔质量/ （）/kg kmol17.5 LV M32.15 Vf M 温度/99.3883.83 表 3-4 提馏段的汽液相负荷 名称液相汽相 平均摩尔质量/ /kg kmol 20.225.6 平均密度/ 3 /kg m9110.816 体积流量/ 3 /mh6.92(0.0047) 3 /ms2397.49(0.67) 3 /ms 3.23.2 塔径的计算塔径的计算 由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径 相等。有以上的计算结果可以知道： 汽塔的平均蒸汽流量： 3 ()0.6130.67 0.6415/ 22 SJST S VV Vms 汽塔的平均液相流量： 3 ()0.0007830.0047 0.00274/ 22 SJST S L Lms 汽塔的汽相平均密度： 济源职业技术学院毕业设计（论文） 22 3 1.251 0.816 1.0335/ 22 VJVT V kg m 汽塔的液相平均密度： 3 814911 863/ 22 LJLT L kg m 塔径可以由下面的公式给出6： 4 S V D u 由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。 max (0.6 0.8)uu max u max LV V uC 取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间：0.4 T Hm 1 600.06hmmm 1 0.40.060.34 T Hhm 功能参数： 0.00146863 ()0.03