（应用化学专业论文）从杂醇油中制备Clt5gt醇的分离研究及过程模拟和优化.pdf

水平， 其分离效率已基本上能达到小规模工业化生产高纯度的2 一 甲 基一 i 一 丁醇和 s ( - ) - 2 一 甲 基一 i 一 丁醇产品的 要求， 可用于工业化生产。 最后，实验测定了光学戊醇一异戊醇一乙二醇三元体系在常压下的汽液相 平衡数据，分别用w i l s o n 方程和w e i d l i c h的 修正u n i f a c模型对其进行了关 联和预测， 并得到了 三个二元休系的w i l s o n 二元交互作用能量参数。 这两个活 度系数模型均能较好地关联或预测此三元体系常压下的汽液相平衡数据， 可直 接用于以乙二醇为萃取剂的萃取精馏工艺的开发设计和模拟计算。 关键词:杂醇油 c s 醇 间歇精密精馏 过程模拟及优化 汽液相平衡 r e s e a r c h ， p r o c e s s s i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n o f s e p a r a t i o n o f a m y l a l c o h o l f r o m f u s e l o i l ma j o r: a p p l i e d c h e m i s t r y g r a d u a t e s t u d e n t : l i u l i a n g m i n g s u p e r v i s o r : p r o f s o n g h a n g s e p a r a t i o n o f 2 - m e t h y l - 1 - b u t a n o l a n d 3 - m e t h y l 小b u t a n o l fr o m f u s e l o i l c a n n o t o n l y c h a n g e w as t e s i n t o v a l u a b le s b u t h a v e i m p o r ta n t e c o n o m i c , s o c i a l a n d t e c h n o l o g y in n o v a t i v e b e n e f i t s . t h e i n d u s t r ia l s e p a r a t i o n o f t h e fu s e l o i l , w h i c h w as t h e b y p r o d u c t o f a l c o h o l ma d e t h r o u g h z y m o t e c h n i q u e , w as s t u d i e d i n t h i s t h e s i s . f i r s t l y , a p r e c i s e b a t c h - d i s t i l l i n g t o w e r , w h i c h w o u l d b e a d a p t a b l e t o o p e r a t e in i n d u s t ry o r m i d d l e s c a l e e x p e r i m e n t , h as b e e n d e s i g n e d a n d s e t 叩. t h e o p t i m i z e d o p e r a t io n c o n d it io n s o f re fl u x ( 8 0 : 1 ) , v a p o r in g q u a n t it y ( 9 - 1 0 m l m in ) , a n d r a w m a t e r i a l c o n c e n t r a t i o n ( 6 0 % m as s o f 2 - m e t h y l- l - b u t a n o l ) w e re f o u n d . u n d e r t h i s c o n d i t i o n , t h e y ie l d o f 2 - m e t h y l - l - b u t a n o l ( ? 9 9 % , m as s ) w as i n c r e as e d b y a b o u t 2 % t o 8 4 .4 1 % c o m p a re d w it h t h a t o f l a b o r a t o ry , a n d t h e s p e c i f i c p r o d u c t i v i t y o f 1 2 m l m in i w as 3 ti m e s a s t h a t o f l a b o r a t o ry . i n a d d it io n , th e s e p a r a t iv e e ff ic ie n c y o f s ( - ) - 2 - m e t h y l - l - b u t a n o l b y t h i s d i s t i ll i n g t o w e r w as a l s o g o o d , t h e m a x im u m o p t i c a l p u r i t y o f 9 8 % w as as s a m e as t h a t o f l a b o r a t o ry , a n d t h e y ie ld r a t i o o f s ( +2 - m e th y l - l - b u t a n o l ( o p t i c a l p u r i t y o v e r 9 0 % , m as s ) w a s i n c r e as e d a b o u t 1 0 % t o 4 0 . 6 8 %. s e c o n d l y , t h e o p t i m u m o p e r a t in g c o n d it io n s o f t h e b a t c h d i s t i l l in g t o w e r f o r s e p a r a t i n g a m y l a lc o h o l fr o m t h e f u s e l o i l w e r e f o u n d b y a p p l y i n g c c - b a t c h , a b a t c h d i s t i l la t io n m o d e l o f t h e c h e m i c a l e n g in e e r i n g s i m u l a t i v e s y s t e m n a m e d c h e m c a d 5 .0 , t o s i m u l a t e a n d c a l c u l a t e t h e s p e c i a l t e c h n o l o g i c a l p ro c e s s o f s a lt o u t i n g - s p e c ia l b a t c h d i s t i l l a t i o n . t h e s i m u l a t i n g re s u l t s w e re c o n s i s t e n t w i t h t h e e x p e r im e n ta l r e s u l t s . i t w o u l d b e g r e a t l y b e n e fi c i a l t o i n d u s t r i a l i z e d p r o d u c t io n o r m id d l e s c a l e e x p e r i m e n t s . t h e r e s u l t s o f s im u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t s i n d i c a t e d t h a t t h e s e p a r a t i v e e f f i c i e n c y o f p r o d u c i n g 2 - m e t h y l - l - b u t a n o l ( ? 9 9 % , m a s s ) a n d s ( - ) - 2 - m e t h y l 小b u t a n o l w i t h h i g h o p t i c a l p u r i t y b y u s i n g t h i s m a g n i f i e d d i s t i l l i n g t o w e r w e r e s u p e r i o r to t h a t o f l a b o r a t o r y . t h e s e p a r a t i v e e f fi c ie n c y w as u p t o i n d u s t r i a l i z e d p a r a n d t h i s d i s t i l l i n g t o w e r c a n b e u s e d i n i n d u s t ry . a t la s t , i s o b a r i c v l e d a t a f o r t h e t e r n a r y s y s t e m o f 2 - m e t h y l - l - b u t a n o l , 3 - m e t h y l - l - b u t a n o l a n d e t h y l e n e g l y c o l w e r e m e as u re d a t 1 0 1 . 3 k p a . t h e e x p e r i m e n ta l d a t a w e re s a t i s f a c t o r i l y c o r r e l a t e d w it h wi l s o n e q u a t i o n , a n d o b t a i n e d t h e b i n a ry i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s o f w i l s o n e q u a t io n . t h e y w e r e a l s o c o m p a r e d w i t h t h e p r e d i c t i o n s b y we id l i c h s m o d i f i e d u n i f a c g r o u p c o n t r i b u t io n m e t h o d , a n d t h e d e v i a t io n s w e re a l s o s m a l l . t h e b o t h m o d e l s a re s a t i s f i e d w i th t h e a c c u r a c y d e m a n d e d o f p ro c e s s d e v e l o p m e n t , d e s ig n a n d s i m u l a t i o n . k e y w o r d s : f u s e l o i l s i mu l a t i o n a m y l a lc o h o l p r e c i s e b a t c h d i s t i l l a t io n p r o c e s s a n d o p t i m i z a t i o n v a p o r - l i q u i d - e q u i l i b r i u m ( v l e ) 四川大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 . 1概述 1 . 1 . 1杂醇油及应用现状 在以 糖蜜 发 酵 法 生 产 酒 精的 同 时 ， 副 产 约0 .2 - 1 . 1 % 的 杂 醇 油 i 。 杂 醇 油 中 含 有多种有效成分，其中混合戊醇 4 5 - 7 0 %，乙醇、丙醇、异丁醇、正丁醇约 1 54 0 % ， 水1 0 -3 0 % 。 除此之外， 还有少 量 庚醛、己 醇、 辛醇、壬 醇等高 级醇 类 及 醋 类 共2 0 多 种 物 质 2 1 不同标准的酒精对杂醇油含量要求也不同。例如，在我国生产量很大的白 酒行业中， 对杂醇油的含量就有比较严格的 控制，因为如果食用酒精中杂醇油 的量过高， 不 仅会对人体有害， 并 且也 是会 使白 酒出 现浑 浊的原因 之一 3 1 。因 而，在酒精蒸馏过程中，分离除去杂醇油就显得比较重要。 就酒精生产而言， 怎样更好地分离提取杂醇油以及杂醇油的综合利用和深加工，一直是人们关心 的 问 题 4 1 我国 地域辽阔， 每 年发酵酒精产量 约为2 0 0 多 万吨 5 1 ， 这样全国 每年 产生的 杂醇油量就有近万吨。而四川是糖酒生产的大省，如将各生产厂家的副产物杂 醇油回收可达千吨以上，对其进行回收利用，既可以作为生产其它高附加值精 细化工产品的 优质原料加以 利用6 , 7 1 。 又 可消除对环境造成的 污染。 在我国尽管早在1 9 5 8 年就建立了 杂醇油的 工业分离装置。 其后的戊醇的生 产8 1 ， 但始终 停留 在对杂醇油的 初级的 简单处理 水平上， 所得 产品 只能 做为一 般性的溶剂或食用香料使用，产品附加值并不高。目 前国内企业对杂醇油的处 理方式主要有:作为废弃物直接排放;对其作简单的脱水除杂之后作为一般性 的溶剂出售:在对其进行精制 ( 主要是脱水除杂)的基础上，通过精馏等方法 制备浓度较高的混合戊醇。而以混合戊醇为原料，分离制备其中具有更高附加 值的 光 学 戊醇的 工 业 化生 产 在我国 还 未 见 工 业 化 报道 19 1 。 近十多 年 来，由 于 香 料和医药工业的迅速发展，原有异戊醉的生产能力已不能满足需要，并且从杂 醇油中能够提取的一些高附加值产品 ( 如光学戊醇) 只能 依靠进口， 从而引起 一些企业和科研机构对杂醇油的综合利用及深加工进行开发研究的关注。 第一章 绪论 1 . 1 . 2混合戊醇及 其应用前景 木文中的混合戊醇是指2 一 甲基一 1 一 丁醇和3 一 甲基一 1 一 丁醇( 异戊醇) 的混合物。 混合戊醉是重要的有机化工原料和溶剂， 可用于医药、 摄影、 香料等多种行业。 由 精馏法分离得到的混合戊醇可作为成品出售， 是重要的油漆合成溶剂和掺合 剂，也可以作为原料进一步加工生产其它精细化工产品。 异戊醇 ( 3 一 甲基一 1 一 丁醇)是一种重要的有机合成中间体，可用于合成乙酸 异戊醋、乳酸异戊酷、丁酸异戊醋、 植酸异戊醋、亚硝酸异戊酷、异戊钾、 异 戊醛、 异戊酸、诺 氟沙 星原 药 等 重要 的 精细 化 工 产品 . 0 . 1 1 1 ， 这 些产品 广 泛 应用 于日 用香精、食用香料、有机溶剂、医药、 涂料、塑料、摄影药品、有色金属 矿物浮选等行业。目 前以 异戊醇为原料的香 料商品 就有几十种之多p 2 1 异戊醇的制法有两种:一种是通过精馏从杂醇油中提取;另一种是以戊烷 为原料经氯化并水解后生成混合醉，再经分馏而得。国内目 前基本上采用前一 种方法。在用精馏的方法从杂醇油中 提取的混合戊醇中除了 异戊醇外， 还含有 一种比异戊醇具有更高附加值的成分， 即2 一 甲 基小丁醇。 它可以直接作为有机 合成的中间体应用于各种精细化工行业中， 如以它为原料合成的2 一 甲基丁酸甲 ( 乙) 酷是白 兰花头香的主成分i 3 1 。 另 外， 它还是一 个手性异构体， 有s 一 型和 r 一 型两种构型，s ( - ) - 2 一 甲 基一 1 一 丁醇俗称为光学戊醇。 光学戊醇是一种高附 加值 的精细化工产品， 它的价格要比戊醇高许多倍，它在手性化合物合成中具有相 当重要的作用，是引入手性戊基的一个重要的中间体，已在精细有机合成中得 到了 广 泛的 应 用 i 4 , i s 目 前 用它 作为 添加 剂 所 合成的 旋 性液晶为 光活型液晶， 色泽鲜艳、性能稳定、能耗低， 可用来做新型彩色电 视，对于电 视机、显示器 等产品的换代具有重要的意义。 随着国内经济的迅速发展，食品、化妆品行业得到突飞猛进的发展，这使 得作为方便食品配料及化妆品香精使用的异 戊醇的前景十分看好:另外，随着 液晶显示器的流行，作为手性液晶材料合成的重要中间体，光学戊醇的需求量 也将激增。 此外， 它们在医药、 选矿、 溶剂等其他应用领域中的需求量，预计 也将呈逐年上升的 趋势。因此，混合戊醇及其单一成份具有十分广阔的应用和 市场前景， 加强对其的开发研究， 扩大它的 生产能力， 不仅可以 补充国内 市场 所需，也可以实现在我国光学戊醇的工业化生产。 四川大学硕十研究生毕业论文 1 . 2 2 一 甲基一 1 一 丁醇与3 一 甲基一 1 一 丁醇的分离方法 用精馏的方法从杂醇油中提取混合戊醇达到9 8 % 是比 较容易的， 其中2 一 甲 基一 1 一 丁醇的浓度一般为 1 5 - - 3 0 %，其余为异戊醇。 但要将这二者分离开来且使 它们的浓度均能达到 9 5 %以上是很困难的，因为它们二者它们的沸点差仅有 2 .8 0c ，常压下的相对挥发度也只有 1 .0 7 8 。目 前国内外分离这两种物质的方法 主要有:普通精馏、精密精馏、萃取精馏、 共沸精馏、化学分离法、气相色谱 柱分离法、热扩散法等。 ( 1 ) 普通精馏 此方法相对容易实 现， 但收率很 低， 一 般只有1 0 0/ 0 左 右( 1 6 1 ( 2 ) 精密精馏 精密精馏与普通精馏二者在原理上无本质区别， 只是后者是精馏分离过程 的强化，是普通精馏的强化。 采用高效填料，工艺上以及操作上的改进，从而 使具有一定沸点差的同分异构体得以 分离。国内 学者对利用这一方法对其进行 分离的研究相对要多一些，从公开的文献看，他们的研究基本上都只停留在小 试阶 段，并 且2 一 甲 基一 i 一 丁 醇 纯度最高 也只 有9 5 % 左右 5 , 9 1 。目 前只 有本 课题组 过去在小试上运用盐析一特殊精密精馏从杂醇油出发，对 2 一 甲基一 1 一 丁醇和 3 - 甲 基 一 i 一 丁醇进行分离， 使2 一 甲 基一 1 一 丁醇 纯度达9 9 % 以 上， 收率 达7 8 .5 % 17 1 . ( 3 )共沸精馏 在杂醇油中加入一种共沸剂使 z 一 甲基一 1 一 丁醇与 3 一 甲基一 1 一 丁醇的相对挥发 度提高而达到使其分离的目的，但由于共沸剂与 2 一 甲基 1 一 丁醇一起从塔顶馏 出， 单一 工艺过程不能获得纯 度高的2 一 甲 基 一 i 一 丁醇 产品 i 8 , 1 9 1 ( 4 )萃取精馏 一 般 采用2 , 3 一 二 氯 丙 醇 2 a 1 . 2 , 3 一 二 澳 丙 醇 2 0 1 、 乙 二 醇 2 1 , 2 2 1 为 萃 取剂 ， 理 论 板数和操作条件可以 得到明显的改善， 但所得产品的 纯度也不高， 除了 在全回 流操作状态下， 塔顶2 一 甲基一 1 一 丁醇的纯度一般在8 0 %以下， 并且有些萃取剂价 格贵、有毒性、不耐高温。另外，由 于萃取剂的加入使得塔的处理负荷增大， 工艺流程加长，运行成本上升，过程控制也变得更为复杂。除某些情况外， 萃 取精馏的这些不足在很大程度上削弱了 它的工业应用开发价值。 ( 5 ) 气相色谱分离 法 第一章 绪论 分别以 经过热处理并加入聚酷的粉红色担体12 3 ) , 1 , 2 , 3 一 三氰基乙 氧基丙 烷2 4 1 、 丁四 醇 涂渍的6 2 0 1 红色 担 体 12 5 )作为 气 相色 谱固 定 相， 都能 很 好 地分 离 这两种同分异构体。但由于这种方法处理量太小，没有工业应用价值，只能作 为一种分析检测手段。 ( 6 )化学分离法 将2 - 甲 基 - 1 - 丁醇和3 一 甲 基一 1 - 丁醇制成酸式硫酸酷的 钡盐， 利用这些钡盐的 溶解 度不同 将 它们分 开2 6 1 。 此工 艺十分 复 杂， 三 废严重， 成品 的 纯 度并 不高， 实际意义不大，难以 工业化。 从以上各种分离方法的 特点、成本、收率等方面可以 看出，精密精馏、萃 取精馏和共沸精馏是能使这两种同分异构体实现工业化分离的三种可行的方 法，在这三种精馏方法中，精密精馏具有设备单一、操作方便简单、能保证具 有较高产品纯度以及能耗小等特点。当混合戊醇的原料量不太大且不连续时， 精密精馏应是首选的一种分离方法。而当混合戊醇的原料量很充足宜采用连续 精馏生产时，后两种精馏方法将更具优势。我国地域广阔，各酒精厂的分布极 为分散，杂醇油只是副产物，不易集中，即便是集中了，由于运费以及杂醇油 在路途中会因发酵而变质等原因，在成本上也不一定划算。因而，结合以上国 情和精细化工产品发展的特点，在国内采用间歇精密精馏的分离方法是十分有 益的，它不但投资少，产品质量便于控制，也易于在众多中小企业推广应用。 1 . 3 本课题组过去的研究进展 2 0 - 3 0 %. 8 0 c 的饱和食盆水 一 m . o0 1y 6 13 (1 0 0 % , r q 一or a 梦钟 解 的id t 且浓度的为6 0 %) 心 若少 叫脱 水 % 4 16m t 一 般蒸馏脱色 除渣及部分 轻，重组分 精馏制备混合 戊醉 ( 第一精 馏阶段) 梢密精馏预 提浓 ( 第二 精馏阶段) 特殊精密精 馏 ( 第三精 馏阶段 ) ， % 的“ c o , a 梢 制 森_ .t fl m p a no 2 : 3 - 4 粼 7m (lh r ta lif s 9 j 图卜1 盐析一特殊精密精馏工艺及产品馏出 路线示意图 f i g . l - 1 a s p e c i a l t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f s a l t o u t i n g - s p e c i a l d i s t i l l a t i o n 在以 杂 醇油为 原 料制 备 具有高 浓 度 ( 质量 浓度_ 9 9 0/ 6 ) 2 一 甲 基 - 1 - 丁 醇 和3 一 甲 基 四川大学硕十研究生毕业论文 小丁醇的过程中。 本课题组过去研究出一套盐析一特殊精密精馏的分离工艺路 线，可以用图1 - 1 所示的工艺及产品馏出路线示意图来表示，下面将沿着这个 工艺路线对过去的研究进展及存在的问 题作一概述: ( 1 ) 杂醇油预处理过 程 该过程主要包括以脱水为主的物理过程，以除杂质为主的化学过程以及两 者都除的物理化学过程。通常以盐水洗涤除水分，以强氧化剂、酸碱液洗涤除 有色杂质。这一过程将粗制的杂醇油经脱水、脱色、除杂等工序制成可以作为 市售商品 或进一步加工的 原 料的精制杂醇油。 其相应的 工艺条件可参见图1 - l 0 此阶段只是一些简单的物理及化学过程，其工艺条件已较成熟，既可用于实验 室，也可直接用于工业化生产。 ( 2 ) 精馏制备混合戊醇过程 这一过程目的是从精制的杂醇油中提取高浓度的混合戊醇。 本课题组已 在 这方面做了 大量的小试及一定的工业化实验工作，并为 此设计、建造了 一套直 径为1 5 0 m m、理论塔板数约为1 2 块的工业化精馏装置。由于种种原因， 对该 塔的工业化实验进行的次数不太多。在一定的操作条件下能得到质量浓度在 9 8 % 以 上的混合戊醇产品， 单程收率可达8 5 % 左右 1 7 1 ， 但该 塔相对最优的 操作 条件及操作方式还没能确定。 ( 3 ) 精馏制备最终产品 一高浓度的2 一 甲 基一 1 一 丁醇和3 一 甲 基一 1 一 丁 醇过程 这一过程的目的是将高浓度的混合戊醇 ( 总的质量浓度在9 8 %以上， 其中 含2 一 甲基一 1 一 丁醇约在1 5 - 2 5 % 之间。 )中的2 一 甲 基一 1 一 丁醇和3 一 甲基一 1 一 丁醇分离 开来，使它们各自 的纯度均达到 9 9 %以 上。本课题组为此建造了一套直径为 2 0 m m 、 理论塔板数约为 1 0 0块的实 验 精密精馏塔并在此精馏装置上进 行了 大 量的实验室研究工作。 最初直接以2 一 甲 基一 1 一 丁醇浓度约为2 0 %的混合戊醇为原 料 进 行 精馏， 收率 特别 低 ( 1 0 % 以 下 ) ; 后 来考 察了 原 料中2 一 甲 基 小丁 醇 浓 度对 收率的 影响， 发现当混合戊醇中2 一 甲 基一 1 一 丁醇浓度在6 0 % 左右时， 目 标产品的 收率能达到相对最优值。 因而， 在后来的研究中， 将这一 过程分为两个阶段来进行: 首先将2 一 甲 基 - 1 一 丁醇质量浓度为 1 5 - 2 5 % 的混合戊醇经精密精馏进行预提浓， 使其提高到 6 0 % 左右，同时可得到一定量的3 一 甲 基一 i 一 丁醇产品; 接着以预提浓后的混合戊 第一章 绪论 醇为原料，进一步通过精密精馏得到纯度9 8 % 的2 一 甲 基- 1 - 丁醇和异戊醇产品。 通过大量的实验，本分离过程在小试水平上取得了比 较满意的结果:当蒸 发速率稳定在4 - 5 m l / m i n ，回流比r = 7 5 ，原料中2 一 甲基一 1 一 丁醇浓度6 0 %时， 得到2 一 甲基 - 1 一 丁醇产品 浓度9 9 %以 上， 最高 收率达7 8 . 5 %( 质量) 1 ; 1 。 在这 个过程中， 还制得了高纯度的旋性戊醇。过去在这一分离过程的主要不足之处 在于单位时间的产出率太小。为了满足工业化生产的需求，还得对塔装置进行 放大设计和一系列的优化实验。本课题组也曾在这方面做过一些试探性的工 作，建造了一套直径为6 0 m m的精馏装置，但分离效果并不理想。 ，4 . 本研究的主要工作 本研究的主要目的是在过去研究基础上， 着眼于实现2 一 甲基一 1 一 丁醇和3 一 甲 基一 1 一 丁醇的工业化分离，本文将围绕这一目的开展以下几方面的工作: ( 1 ) 设计并建造一套适宜中 试或小 规模工业化生产的精馏装置; ( 2 )以 混合戊醇为原料， 对精馏的 全过程 ( 如图1 - 1 所示， 包括三个阶段。 ) 进行过程模拟和优化; ( 3 ) 通过化工模拟技术对原有工业( 中 试) 装置和本文所设计的工业( 中试) 装置进行模拟计算，找出它们相应的最优操作条件和操作方式; ( 4 ) 在本研究工作所设计的 精馏装置上进行2 一 甲 基一 1 一 丁醇和3 一 甲 基一 1 一 丁醇 分离的实验研究，对上述模拟出的工艺条件等进行验证及改进; ( 5 ) 另 外， 考虑到企业生产规模因 市场需要而扩大、 杂醇油供应十分丰富时， 萃取精馏的优势将逐渐显现， 它将比精密精馏更具竞争力。 为此，本文还对该 体系的萃取精馏法进行一些初步的基础研究， 主要是测定在常压下 2 一 甲基一 1 - 丁醇、3 一 甲 基- 1 一 丁醇和乙二醉三元体系的汽液相平衡数据。这可为以乙二醇为 萃取剂的萃取精馏法的研究与开发提供重要的基础数据。 四川大学硕士研究生毕业论文 第二章塔装置的设计及性能测定 2 . 1 设计任务及条件 ( 1 ) 设计任务 以 实 验室 研究 数 据 帅 2 0 m m的 塔 ) 为 基 础， 进行 放大 设 计 一 适 合 工 业化 生 产 或进行中 试的精密精馏塔装置， 在分离效率上使其达到或超过小塔的水平，并 且在产量上要成倍地超过小塔。 ( 2 ) 设计条件 根据小 塔的实 验 数据结 果 及有 关 文 献 5 , 1 6 , 1 7 1 ， 在设 计 之前己 知的 条 件有: 操作压强 常压; 理论塔板数 常压下分离操作为9 51 0 0 块; 回流比实验表明，回流比约为8 0 : 1 ; 料液组成 2 一 甲 基一 1 一 丁醇为 6 0 %, 3 - 甲 基一 1 一 丁醇约为4 0 % ; 产品要求 2 一 甲 基- 1 一 丁醇 ( 塔顶产品) x d - 9 9 % , 3 一 甲 基- 1 - 丁醇 ( 塔底 产品)x w 9 9 %; 塔径的选定 一方面由于分离体系所需的理论塔板数在1 0 0 块左右， 另 一方面在国内单个企业所产生的杂醇油量不是很大: 因而既便是工业生产装置， 塔径也不宜太大，否则塔的建造成本将会较高。再考虑到本课题组过去曾建造 过一直径为 6 0 m m 塔，但分离效果不理想，因此初步考虑将塔径控制在 2 0 m m - 6 0 m m之间，因为如果超过6 0 m m， 放大效 应有可能 会更加明显。 在综 合考虑各种因 素后， 最终 将所设计的 塔的 塔径确定为4 0 m m左右。 尽管 中为 4 0 m m 的精馏塔在一些常规和大型的化工工业装置面前会显得十分渺小，但对 于分离这种量小的精细化工产品而言， 用它作为工业化装置应该说 也是可以的， 并且还可以通过增加塔的数量来达到增加产量的目的。 塔型的选定由 于本研究中的分离体系为同分异构体， 其相对挥发度很 小， 需要的理论塔板数很多;所要求设计的塔径又较小; 采用间歇精馏的操作 方式:为常压操作。这就需要所设计的 塔的分离效率要高， 压降和持液量都要 小，所以 对于分离c 5 醇同分异构体系， 适宜的 塔型为填料塔。 因而在本设计中， 主要的 任务是选定 塔填料， 确定 塔高 ( 主 要是填料层高 度) ， 第二章 塔装置的设计与性能测定 以及分布器等塔内件的设计或选择，保证达到要求的分离效果和处理能力。 2 . 2 塔填料的 选择 2 . 2 . 1 填料塔对填料的要求 塔填料的 选择包括填料的 种类、 尺寸及材质等。 工业生产对填料的 基本要 求 2 7 1 如下: 传质分离效率高 填料的比表面积a大; 填料表面的安排合理，以防止 填料表面的叠合和出 现干区;填料表面对于液相的润湿性要好。 压降小，汽液相通量大 填料的孔隙率e 大;减少流道的截面变化，可 减少流动的形体阻力;压降就小，通量就大。 具有足够的机械强度和耐蚀性能陶瓷填料容易破碎， 只有在强腐性场 合刁 采用。一般塑料填料不耐高温， 用得广的聚丙烯限于】 2 0 以下。 重量轻、价格低。 上述前二项是最主要的要求。综上所述，填料流体力学和传质性能的最基 本 特性 为比 表 面 积 和 孔隙 率， 1 / , 3 常 称为 干 填 料因 子， 其 值小 表明 它的 处 理能 力较大。 2 . 2 . 2 填料类型的选择 ( 1 )填料类型及特性 填料是填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。常用填料 大致可分为散装填料和规整填料两大类。 散装填料在塔内可乱堆， 也可以整砌。 由于本文所设计的塔的塔径很小，只适宜选用散装填料。而在散装填料的各种 类型中，又以 金属丝网填料的效率最高，因为丝网对液体有毛细管作用，能把 液体铺展开， 而实体则没有这种特性。 所以 在同 样的条件下，网体填料传质性 能要比实体填料的好得多。 ( 2 ) 填料类型的 选择 通过比 较， 本设计选用0 网 环填料。 0 网环又称d i x o n 环， 是用一定网目 的 金 属 丝 网 绕 制 成 单 圈 、 内 有 隔 层 的r as c h i g 环 2 8 1 ， 按 所 需 的 尺 寸 砌 成 小 块 ， 以 经线为圆周成形，中间的隔网是起加强作用，同时亦增加了传质面积。一般情 四川大学硕士 研究生毕业论文 况下填料的直径与高度相等。虽然这种网体填料与实体 填料相比，在强度上要 低得多， 但它的比表面积a 值和效率却提高了 数十倍。 这种填料特别适合实 验 室和小直径的塔使用。它具有下列优点: 等板高度较小， 一般在l 0 0 m m以 下， 比 其它实体填料及板式塔小得多。 压降小， 一般板式塔每块理论板的 压降 大于6 0 - 8 0 m m h 2 0 ， 波纹填 料塔 为4 0 - - 1 2 0 m m h 2 0 ,。 环则小于2 0 m m h 2 0 e 通 量 适 当 ， 如以 动 能 因 子。 饥尹表 示 ， 一 般 实 体 填 料 为0 .3 0 .8 ， 板 式 塔约为1 . 0 - 1 .5 ，而波纹填料塔可达2 . 3 , 0 环则约为1 左右。 其缺点主要为: 制造费 工， 价格昂 贵， 不 适宜于中 1 0 0 m m以 上的 大塔， 安 装要求、液泛要求严。 ( 3 ) 填料尺寸的确定 一 般 要 求 塔 径 与 填 料 尺 寸 之比 d / d 8( 此 比 值 在8 - 1 2 之 间 为 宜 ) 2 9 1 ， 以 便 气、 液分 布均匀。 若d / d 8 ， 在 近 塔 壁处 填 料 层空 隙率比 填料层中 心部 位 的 空隙 率明 显 偏高， 会 影响 气液的 均 匀 分 布 若d / d 值 过 大， 即 填 料 尺寸 偏 小 ， 气流阻力增大。因为0网环填料要求塔径和填料直径比必须大于6 ，本设计塔 径为4 0 t n m ， 所以 填料 尺寸 应小于4 0 / 6 = 6 . 7 m m。 表2 - 1几种0 环不 锈钢丝网 填料的 性能 参数 t a b . 2 - 1 p r o p e rt i e s o f s e v e r a l d i x o n ( o ) s t a in l e s s s t e e l s t u ff i n g 填料规格 ( 直网目 ， 径中 )。m mm m 丝 经 ， 尹 刀刀1 比表面积 “，m- 1 空隙率 a，% 干填料因子 a / s 3 理论板数口 ， 块 / 米 60-750rs25-10-2 981263486399 2 . 5 x 2 . 5 8 0 0 . 1 0 2 6 0 0 . 1 5 3 0 0 0 2 5 0 091 . 5 6 0 o a 5 2 0 0 0 9 3 4 0 0 21 2 0 0 9 5 ijj咔氏u xxx 血、46 * 理论板数测定的条件是: 塔径为5 0 m m :常压; 体系为 苯 一四 氯化碳。 表 2 -1列出了由天津大学填料塔新技术公司提供的几种小规格0 环不锈 钢丝网填料的性能参数。 由 此表可以 看出， 要使所设计的塔的理论板数达到1 0 0 左右， 较 适宜的 规格 有中 2 .5 x 2 .5 和中 3 x 3 两 种。 如 果 选中 3 x 3 以 上 的 填料， 塔 高会比2 .0 米高得多， 这样在设备 投资 上会不利， 并 且也会给在实 验室安 装带 第二章 塔装置的设计与性能测定 来许多不便。对于前两种规格的填料，其等板高度基本相同的情况，而后者的 空隙率二 要稍大一些，这样它的压降相对而言要小一些， 汽化通量也相应要大 一点。这对本设计非常重要，因为在理论板数基本相同的情况下，汽化通量的 增大意味着单位时间内的产量就会增大。 故综合考虑以上各方面的分析讨论结果，本设计所选的填料规格为 小 3 x 3 m m的不锈钢0 网环填料。 2 . 3 塔装置的几何尺寸及附件的设计 2 . 3 . 1填料层离度的 计算 由于本设计中塔径和理论塔板数都是已知的，因而对于塔体而言，其几何 尺寸只需确定塔的高度， 而塔高主要取决于填料层的高度， 由表2 -1 可知， 对 于中 3 x 3 m m的0 环填料， 其等板高 度h e t p 应在1 2 . 5 m m - 2 0 m m之间。 为了 保 证塔的分离效率，h e t p取上限值 即2 0 m m ) ，又需要的板数为1 0 0 块，所以 填料层高度为: z二n - he t p=1 0 0 x2 0二2 0 0 0 mm=2 . 0 m 考虑到在实际操作中的板效率可能会略低一些，因而实际建成的塔装置的 填料层高度为2 .0 7 m 。 对于这么高的填料层和这么多的理论塔板数， 鉴于可能的沟流和壁流作用， 有必要对其进行分段， 否则柱下段的 逆流传递作用就会不足(3 0 。 分段后， 在塔 的组装及拆卸上也更为方便。考虑到所设计的塔的塔径较小，并且在塔中使用 了液体分布器和再分布器，故只将其分为两段，每段的填料层高度约为一米。 2 . 3 . 2材质及连接方式的选择 鉴于以 下三点原因， 在设计过程中选用玻璃作为该塔的主体材质: 该塔主要用于实验，这样要有利于随时观察塔内的情况; 此塔塔径较小，易于用玻璃加工; 用玻璃作为主体材质， 其造价相对较低。 为了使连接处更为严密和装卸工作更为方便灵活，在本设计中，摒弃了玻 璃仪器贯用的磨口连接方法，而采用了 类似金属管道的连接方式，即 用法兰作 四川大学硕士研究生毕业论文 为连接部件。该连接套件中与塔内 物质直接接触的部分是聚四氟乙烯密封圈， 因而对于一般的物质，是不会产生污染的， 并且也能够承受1 8 0 1c 以下的温度， 对于戊醇体系是完全可行的。 另外，为了缓减冷凝器与塔体之间因玻璃与玻璃的直接连接所产生的刚性 问题 ( 这样易引起玻璃的破碎) ， 选用了 一根聚四氟乙烯软联接管作为它们二者 之间的缓冲连接管。 2 . 3 . 3塔顶蒸汽冷凝装置设计 根据本研究中的被分离体系的特点，在设计中采用全冷凝器，设计的结构 示意图如图2 -1 所示。 针摆电磁回流比控制仪 与 干燥管连接) 图2 - 1 冷凝器结 构示意图 f i g . 2 - 1 s tr u c t u r a l s k e t c h o f c o n d e n s e r 此冷凝器在结构上具有如下特点: 设置有分水器，在精馏中能方便及时地将被分离体系中的水分除去; 冷凝器接头做成扩口形状， 用法兰将其垂直地安装在塔体的 顶部， 能够 第二章 塔装置的设计与性能测定 保证安装的垂直性和易操作性; 考虑到实验中的出 料量不大， 出 料口 采用毛细管制作， 可以 极大程度地 减小死体积对精馏过程地影响; 采用玻璃材质， 易于观察，并且整个冷凝器内表面制作光洁平滑， 其持 液量基本上可以忽略不计; 采用了两个钩状的液封装置，能保证汽流路线与液流路线彻底分隔开， 并在两个汽室间加一联通管，这样保证了整个冷凝器的压力的一致性; 冷凝器上安装的考克 ( 阀门) 全采用聚四氟内塞的玻璃考克， 这样避免 了因用玻璃内塞而要涂抹真空脂对料液造成的污染: 用电 磁法控制回流比， 选针摆式回流比 控制仪。 该法是将一表面覆有玻 璃材料保护的的铁片与电磁铁以及双设定时间继电器结合使用，将冷凝器回流 比转化为时间比，通过双设定时间继电器控制电磁铁通断电时间比以达到控制 回流比的目的，在实验室中操作相当地方便; 塔顶温度的测量采用精密的铂热电阻 ( p t 1 0 0 )并配以具有显示两位小 数值的高精度温度显示仪来测量，这样保证了测量地准确性和读数的方便性。 2 . 3 . 4液体分布器和再分布器 为了减少由于液体不良分布所引起的放大效应，充分发挥填料的效率，必 须在填料塔中安装液体分布器，把液体均匀地分布于填料层顶部。液体初始分 布的质量不仅仅影响着填料的传质效率， 而且还会对填料的操作弹性产生影响。 性能良 好的填料塔，填料本身的高性能固然重要，但与之匹配的塔内件，尤其 是液体分布是至关重要的。否则填料的高性能就不能得以充分的发挥。不良的 液体分分布可能使填料的 性能 下降 5 07 0 % z 7 1 。因此， 液体分布器是填料塔内 极为关键的内 件。塔填料和液体分布器性能的匹配是保证填料发挥高效率的必 要条件。 因为设计精馏塔的塔径很小 ( 仅为4 0 m m ) ，液体分布器和再分布器的选择 设计同 填料支承、填料压板一样力求最简单，以 便制造和安装。 基于这个原则 本设计选用孔盘式分布器。在本设计中，液体分布器和再分布器在结构上是完 全一样的，