年产6000吨医用酒精精馏车间工艺设计

医用酒精精馏车间工艺设计TheTechnicalDesignontheDistillationPlantofMedicalAlcohol专业：制药工程姓名：陈少真指导老师：王朝阳教授实习单位：生命科学与工程学院医用酒精精馏车间工艺设计西南科技大学制药工程专业20233438陈少真指导老师：王朝阳【摘要】对年产量6000吨的医用酒精精馏车间的工艺设计。选用番薯经糖化再由酵母发酵，发酵形成的发酵缪经预热器与精馏塔出来的酒精蒸汽热交换进入粗馏塔，再经精馏塔精制，通过气相过塔的两塔蒸馏制得95%医用酒精。并进行物料衡算，热量衡算，冷凝器设备选型计算。利用AutoCAD软件绘制了带控制点工艺流程图，精馏车间设备布置图，车间布置图，及主要设备图。粗馏塔采用F-1型浮阀塔，塔板数为8个，塔径为1.2m，板间距为0.45m。精馏塔采用F-1浮阀塔，塔板数为24个，塔径为1.2m，板间距为0.45m。两塔塔底采用直接蒸汽加热，精馏塔塔顶排出的酒精蒸汽95%〔质量分数〕，直接送入冷凝器进一步回流提纯。【关键词】医用酒精；精馏；工艺设计1.总论1.1医用酒精的简介酒精是一种无色透明、易挥发、易燃烧，不导电的液体。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇，分子式C2H6O，热值3×10^7J/kg，比热容2.4×10^3J/〔kg·℃〕密度0.8×10^3kg/cm^3。酒精既是食品、化工、医药、染料、国防等工业十分重要的根底原料，又是可再生的清洁能源。我国发酵法酒精的年产量〔商品酒精〕在200万吨左右；另有酿酒厂自产自用的酒精约100万吨。液态法白酒的开展，大大地促进了我国酒精工业的开展，这是我国酒精工业开展的一大特色。现在，我国是世界上发酵法酒精产量占第三位的酒精生产大国，也是食用酒精产量最大的国家。其生产方法，有以植物系物质为原料的发酵法和以石油系物质为原料的化学合成法。现世界上的酒精生产仍以发酵法为主，我国的发酵法酒精产量占95%以上。根据GB394-81，酒精按杂质的含量分为优级、一至四级四个级别，医用酒精属于一级酒精，甲醇含量≤0.12%。医用酒精的成份主要是乙醇。日常生活中，常见一些人用医用酒精来擦洗伤口，以到达灭菌消毒的目的。医用酒精是用淀粉类植物经糖化再发酵经蒸馏制成，相当于制酒的过程，但蒸馏温度比酒低，蒸馏次数比酒多，酒精度高，制成品出量高，含酒精以外的醚、醛成分比酒多，不能饮用，但可接触人体医用。值得注意的是，在药店买到的酒精有75%和95%两种浓度，这两种浓度的酒精用途是不一样：95%的酒精常用于擦拭紫外线灯。这种酒精在医院常用，而在家庭中那么只会将其用于相机镜头的清洁。75%的酒精用于消毒。这是因为，过高浓度的酒精会在细菌外表形成一层保护膜，阻止其进入细菌体内，难以将细菌彻底杀死。假设酒精浓度过低，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。1.2酒精精馏原理将液相屡次局部汽化，移走气相，终得纯B；将气相屡次局部冷凝，移走液相，终得纯A。精馏的主要过程就是屡次局部汽化和屡次局部冷凝。A——易挥发组分；B——难挥发组分。而在酒精精馏中酒精为易挥发组分，水为难挥发组分，1.3工艺设计1.工艺流程设计的重要性(1)生产工艺流程设计是工艺设计的根底，所涉及面很广，是淀粉酶工厂设计的核心和重要局部。在设计中必须做到技术先进、经济合理、成熟可靠；在保证产品质量条件下，力求工艺流程简化，生产管理方便；把各个生产过程按一定顺序、要求组合起来，编制成工艺流程图等来完成工艺流程设计。因为工艺流程设计的质量直接决定车间的生产产品质量、生产能力、操作条件、平安生产、三废治理、经济效益等一系列根本性问题。(2)工艺流程设计图是物料衡算、设备选型的根底。从其它角度来说，工艺流程设计是定性分析工作阶段，物料衡算是定量计算阶段。一般来说，先定性后定量，所以，工艺流程设计是物料衡算的前提和根底。2.工艺流程设计的原那么产品质量符合要求；技术和设备先进、成熟、可靠；环保到达要求；平安生产；机械化和自动化程度高。3．工艺设计流程设计〔一〕气相过塔的两塔蒸馏流程来自发酵车间的发酵成熟醪酒精含量10%〔质量分数〕经预热器3与精馏塔的酒精蒸气进行热交换，加热至80℃后进入粗馏塔的顶部。酒精糟〔不含乙醇〕由粗馏塔底部排出。酒精含量为49.18%(质量分数)左右的酒精—水蒸气从粗馏塔顶部引进精馏塔。酒精蒸气从塔顶依次经过成熟醪预热器3和冷凝4、5、6。预热器3和冷凝器4、5中的冷凝液全部回入精馏塔作为回流，回流液温度均为95%酒精-水混合液的泡点78℃。粗馏塔和精馏塔均用直接蒸汽加热。冷凝器6中的冷凝液作为醛酯馏分(工业酒精占成品酒精2%)取出，废气排放至大气。成品酒精在塔顶回流管以下4～6层塔板上液相取出，经冷却器后进入医用酒精库。废水从精馏塔2的底部排出。杂醇油从进料层往上2～4层塔板液相取出(也可从进料层往下2～4层塔板气相取出)。经冷却、乳化和别离得粗杂醇油，去杂醇库。所有冷凝器入水口温度均为27℃蒸汽蒸汽医用酒精杂醇工业酒精1.粗馏塔2.精馏塔3.预热器4.分凝器5.分凝器6.全凝器7.冷却器8.换热器〔冷却〕9.杂醇酒别离器发酵缪图1两塔气相过塔蒸馏流程图Fig.1twodistillationtowersgasflowchartofthetower2．物料衡算2.1生产规模年生产能力：6000t／y年连续工作日:250d／y连续每小时产量：根据设计任务，医用酒精的年生产能力6000t／y全年365d，除去机械维修、节假日等，实际连续工作日250d每昼夜24h连续生产，那么每小时生产能力：kg/h蒸馏过程采用气相过塔两塔蒸馏流程，塔底采用直接蒸汽加热，压力为0.12MPa，温度为104℃。设蒸汽总损耗0.25%，其中精馏和粗馏各占一半，在粗馏和精馏损耗中，设备的蒸汽渗漏损耗和废酒糟带走的酒精各占一半，两外提取杂醇油带走的酒精又占成品酒精总量0.48%2.2各塔物料衡算图2粗馏塔物料进出Fig.2Figureoutcrudedistillationcolumnmaterials对整个粗馏塔进行全塔总物料衡算；式中F0——发酵缪蒸汽量，kg/h；——发酵缪中酒精摩尔分率S——加热蒸汽量，kg/h；L——上升蒸汽量，kg/h；——上升蒸汽的摩尔分率W0——废液量，kg/h；——废液中的摩尔分率粗馏塔热量衡算：式中：——成熟缪的热焓，kJ/kg；——加热蒸汽的热焓，kJ/kg；——废液的热焓，kJ/kg；——上升酒精蒸汽的热焓，kJ/kg；图2精馏塔物料进出Fig.2Figureoutdistillationcolumnmaterials现在以每小时成品酒精的产量为基准，对整个精馏塔进行总物料衡算如下：其中故：式中F——粗酒精蒸汽量，kg/h；V0——加热蒸汽量，kg/h；V——塔顶上升的酒精蒸汽量，kg/h；V’——酒精蒸汽渗漏损失量，kg/h；Q——回流入塔的冷凝酒精量，kg/h；P’——杂醇酒精蒸汽量，kg/h；P——成品酒精量，kg/h；W——废液量，kg/h；R——回流比。精馏塔热量衡算：式中——粗酒精蒸汽的热焓，kJ/kg；——加热蒸汽的热焓，kJ/kg；——回流液的热焓，kJ/kg；——上升酒精蒸汽的热焓，kJ/kg；——成品酒精的热焓，kJ/kg；——杂醇酒精的热焓，kJ/kg；——废液的热焓，kJ/kg；——热损失，kJ/h.加热蒸汽：压力为0.3MPa〔绝对〕，其热焓：Is=2723(kJ/kg)成熟缪：酒精含量：，温度：80℃比热：=4.174kJ/kg.℃，热焓：kJ/kg成品酒精：P=1000kg/h，酒精含量：=95%(气相中酒精质量分数)=88.13%〔气相中酒精分子摩尔分数〕，温度：78.3℃=351.45K，比热：3.35kJ/kg.℃热焓:kJ/kg进料层气相酒精浓度：y0=xf=49.18%(质量分数)=27.5%〔摩尔分数〕与之相平衡的液相浓度x0=5.3%〔摩尔分数〕，那么最小回流比：取最适宜的回流比:那么上升酒精蒸汽量：kg/h酒精浓度与成品酒精相同，温度为351.45K，其热焓为Iv=1187kJ/kg回流冷凝酒精量:kg/hkJ/kg废液：一般精馏塔塔底压力为0.12MPa〔绝对〕，相对应温度为377.15K，比热容为4.178kJ/kg.K，其热焓Iw=435kJ/kg杂醇酒精：含量60%〔质量分数，下同〕，其中杂醇油含量为45%，含酒精量55%，那么杂醇酒精中酒精含量：,杂醇酒精中带走的酒精占成品酒精的0.48%，那么：杂醇酒精蒸汽量：kg/h杂醇酒精的温度354.15K，比热为4.10kJ/kg.K,其热焓kJ/kg精馏酒精蒸汽渗漏损耗和废液带走酒精损耗为kg/hkg/h热损失按每100kg成品酒精24166kJ计算，那么：kJ/h将数据代入那么得：解得：kg/h热焓：kJ/kg根据工艺设计，粗馏塔的上升蒸汽量等于精馏塔的粗酒精蒸汽量，即:kg/hkJ/kg根据精馏塔和粗馏塔的损耗各占一半，可知粗馏塔的损耗kg/h将数据代入解得：kg/h将数据代入和那么解方程组得:kg/h粗塔废液酒精的含量：将数据代入和那么解方程组得：kg/h废液中酒精含量：3.热量衡算3.1精馏塔冷却器7的热量衡算冷却器的95%乙醇入口的温度t为78.3℃，出口温度t030℃；冷却器的水入口温度为27℃，出口温度为50℃；95%乙醇的无相变传热kJ/h水的无相变传热水的流量为kg/h4.设备设计计算4.1精馏塔冷却器7设计计算4.1.1冷却面积计算95%乙醇给冷却器的最大传热量为kJ/h,采用竖式列管冷却器,经查表,总传热系数K=2.09×103kJ/〔m2·h·℃〕,95%乙醇进口温度为78.3℃，出口温度为30℃，冷却水的进口温度为t1=27℃,出口温度为t2=50℃,平均温差Δtm为：78.3℃→30℃27℃→50℃51.3℃20℃℃℃代入数据得：℃冷却面积：m24.2精馏塔设计计算精馏塔塔板数计算乙醇-水的气-液平衡y-x如下列图4：图中曲线表示在一定外压下乙醇蒸汽的组成y和与之相平衡的液相组成x之间的关系〔均为摩尔分数〕。图中平衡曲线与对角线相交于M点，此点为恒沸点。在此点，y=x,即蒸汽中的酒精含量和与之相平衡的液相中的酒精含量相等〔y=x=0.894〕图4乙醇—水的气—液平衡y-x图Fig.4Ethanol—watervapor—liquidequilibriumy-xdiagram精馏段操作方程是基于该段物料衡算得出的：式中——由n+1层上升蒸汽中的酒精的摩尔分率；——由n层下降的回流液中的酒精的摩尔分率；——成品酒精的摩尔分率；R——回流比。酒精蒸馏为别离水为重组分的物料。可将加热蒸汽直接通入精馏塔塔釜加热，采用直接蒸汽加热，对精馏段方程不影响，提馏段的操作线与间接蒸汽加热精馏过程略有差异。提馏段的操作方程：式中V0——加热蒸汽量；W——废液量；——废液中酒精的摩尔浓度；其他同上q线方程或进料方程，加料热状态一定时，q线方程式为一直线〕：饱和蒸汽进料时，q=0，q线方程为回流比R=3.5，故精馏段操作方程：当时，代入上式得，即在对角线上以a〔88.13,88.13〕点表示。精馏段操作线在y轴上的截距为17.626%根据物料衡算结果，提馏段操作方程为：提馏段操作线在y轴上的截距为-0.117%根据平衡线，精馏段操作线和提馏段操作线，采用图解法求出塔板数。如图5可知，理论塔板数数为12个实际板数〔个〕4.2.4.2.2.1浮阀板兼有泡罩板和筛板的优点，而且操作弹性大，操作灵活，板间压降小，液面落差小，浮阀的运动具有去污作用，不易积垢堵塞，操作周期长，结构简单，容易安装，操作费用少，其制作费用仅为泡罩板的60%—80%；又由于F1型浮阀塔结构简单，制造方便，节省材料，性能良好；另轻阀压降虽小但操作稳定性差，低气速是易漏液。综上所述，应选用F1型重浮阀塔4.2.2精馏塔塔顶压力一般为0.105MPa〔绝对〕，其酒精度为95%〔质量分数〕=88.13%〔摩尔分数〕，该酒精密度为1.51kg/m3那么该酒精蒸汽的体积流量为：m3/s精馏段液相流量：kg/h，酒精浓度88.13%〔摩尔分数〕，温度为351.45K,其密度为793kg/m3。那么液相体积流量为：m3/s动能因素：从图5中差的负荷系数，酒精外表张力N/cm2代入式得：最大允许空塔速度m/s取空塔速度为m/s塔径：m即取塔径m根据浮阀塔板间距参考值，选用板间距mm=0.45m精馏塔塔高m，动能参数图5史密斯关联图Fig.5underdifferentkineticparametersoftheseparationspaceandtherelationshipbetweenloadfactor4.3粗馏塔设计计算4.3.1xxWyq0xDxF图6粗馏塔塔板数图解法Fig.6Crudedistillationplatenumbergraphicalsolution粗馏塔同精馏塔一样采用直接蒸汽加热，故根据物料衡算结果，其操作方程为：其在y轴上的截距为0.061%饱和蒸汽进料，q=0，q线方程为粗馏塔求解塔板数稍有不同，按图6所示求解塔板数，由下列图7可知，理论塔板数为4个那么实际塔板数〔个〕塔板设计计算4.3.2同上精馏塔的选型。.2浮阀塔板间距的选择与塔径的估算原料液流量较大，塔径选为为m根据浮阀塔板间距参考值，塔板间距为600mm=0.6m塔高：m，5.车间设备工艺布置设计5.1生产车间工艺布置设计5.1.1车间工艺布置的原那么间设备布置是酒精精馏车间工艺设计的一个重要环节，所以设备布置时要考虑以下原那么：〔1〕依据生产工艺流程和设备选型，尽可能保证工艺流程顺畅，保证水平方向和垂直方向的连续性，缩短工艺管路。〔2〕满足设备安装、检修、传动设备所需要车平安防护距离等对设备布置的要求。〔3〕满足建筑、结构对设备布置的要求，对于大型、较重设备和运转时产生较大震动的设备，尽可能布置在车间底层。设备布置时应考虑柱网、主要高度等以免与大设备发生碰撞。〔4〕保证工人操作设备所需要的平安距离，如设备之间净距离和设备与墙之间的距离等，要满足操作要求。〔5〕留有必要的运输通道、消防通道以及出入口。〔6〕应注意车间的通风、采光、降温、采暖等设施的安排6、设计结果一览表表1精馏塔设计结果参数一览表Table1Distillationtowerdesignparametersoftheresultlist工程指标工程指标塔径〔m〕1.2浮阀数〔个〕448塔板数〔个〕24板间距〔m〕0.45空塔速度〔m/s〕0.732中心距〔等边三角形排列〕〔m〕0.0885塔高〔m〕10.35塔板上的液层深度〔m〕0.05表2粗馏塔设计结果参数一览表Table2CrudeDistillationtowerdesignparametersoftheresultlist工程指标工程指标塔径〔m〕1.8浮阀数〔个〕148塔板数〔个〕8板间距〔m〕0.6空塔速度〔m/s〕1.54中心距〔等边三角形排列〕〔m〕0.1085塔高〔m〕4.2塔板上的液层深度〔m〕0.057、设备一览表通过设备的工艺计算，可以列出所用的设备，如表3表3年产6000吨后医用酒精精馏车间设备一览表Table3Thedistillationplantofmedicalalcoholequipmentlist位号设备名称台数型号材质B-501往复泵1WFB2-120A3钢H-502管式预热器1YD-GS-10SUS304不锈钢T-503粗馏塔1F-1浮阀塔SUS304不锈钢B-504汽包V=50m3A3钢T-505精馏塔1F-1浮阀塔SUS304不锈钢H-506换热器1LQF4WA3钢R-507热水箱1V=50mSUS304不锈钢B-508离心泵2GNF×4A3钢R-510别离器1XGLJ55-90A3钢H-511板式换热器1S=3.0mSUS304不锈钢H-512列管换热器2LQF4WSUS304不锈钢R-513杂醇油别离器2XGLJ55-90A3钢R-514a-b计量柜3V=50m3A3钢R-516贮罐1V=50m3SUS304不锈钢R-517回收水箱1V=50m3A3钢R-518热水箱1V=50m3SUS304不锈钢H-519预热器1YD-GS-10SUS304不锈钢H-520冷凝器3GBNL3-8A3钢R-523高位水箱1V=100m3SUS304不锈钢B-524水包1V=50m3SUS304不锈钢附表：表4乙醇—水溶液气液相平衡数据〔摩尔分数〕Table4Ethanol—watervapor-liquidequilibriumdata(molefraction)xyxyxy0.0000400.000530.00350.04120.44270.62990.0001170.001530.00390.04510.48490.64700.0001570.002040.00790.08760.54000.66920.0001960.002550.01190.12750.58110.68760.0002350.003070.01610.16340.62520.71100.0002740.003580.02860.23960.67720.73610.0003130.004100.04160.29920.70630.75820.0003520.004610.05510.34510.74150.78000.000400.00510.06860.38060.75990.79260.000550.00770.08920.42090.77880.80420.00080.01030.11000.45410.79820.81830.00120.01570.13770.48460.81820.83250.00160.01980.16770.51270.83870.84910.00190.02480.24250.55220.85970.86400.00230.02900.29800.057540.88150.88250.00270.03330.34160.59100.89410.89410.00310.037250.40000.6144表5主要使用符号说明Table5Symbolicdescriptionofthemain符号意义计量单位c负荷系数C比热容kJ/kg.℃d塔径mF0成熟缪进料量kg/hF粗酒精蒸汽量kg/hhL板上液层深度mHT板间距mI热焓kJ/kgK传热系数kJ/m2·h·℃L粗馏塔上升蒸汽量kg/hLh液相体积流量m3/sN塔板数个P成品酒精量kg/hP’渗漏蒸汽量kg/hQ回流入塔的冷凝酒精量kg/hQC热负载kJ/hq’热损失量kJ/kgrf汽化潜热kJ/kmolR最适回流比Rmin最小回流比S粗馏塔加热蒸汽量kg/hv空塔速度m/sV精馏塔上升蒸汽量kg/hV0加热蒸汽量kg/hVh上升酒精蒸汽体积流量m3/sV’酒精蒸汽渗漏损失量kg/hW0粗馏塔废液量kg/hW精馏塔废液量kg/hx液相中乙醇组分的摩尔分数y气相中乙醇组分的摩尔分数Z0粗馏塔塔高mZ精馏塔塔高mρ气液体密度kg/m3δ酒精外表张力N/cm2表6浮阀塔板间距参考数值Table6BoardspacingoftheF-1Valvetower塔径〔m〕0.3~0.50.5~0.80.8~1.61.6~2.02.0~2.4>2.4板间距(mm)200~300300~350350~450450~600500~800≥600参考文献：[1]陈敏恒，丛德滋，方图南等.化工原理〔第三版〕〔下册〕[M].北京：化学化工出版社，2006.5,151-157[2]梁世忠.生物工程设备[M].北京:中国轻工业出版社,2002,1-20.[3]陈来同，唐运.生物化学产品制备技术[M].科技技术文献出版社,2002,1-20.[4]韩冬冰.化工工艺学[M].北京:中国石化出版社,2003,1-59.[5]刘道德等.化工设备的选择与工艺设计(第三版)[M].长沙:中南大学出版社,2003，199-205.[6]夏清,陈常贵.化工原理〔上册〕[M].天津：天津大学出版社，2005.1，13-64[7]夏清，陈常贵.化工原理〔下册〕[M].天津：天津大学出版社，2005.1，157-170[8]周国藩.设备安装工程实施编制——通用设备[M].黑龙江科技出版社，1997.6，65-82.[9]章克昌.酒精与蒸馏酒工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，1995.1，21-45[10]唐伦成.化工原理课程设计简明教程[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005.[11]任晓光.化工原理课程设计指导[M].北京：化工工业出版社。2023.1[12]贾树彪，李盛贤，吴国峰.新编酒精工艺学[M].北京：化工工业出版社。2004.7.[13]黄英.化工过程设计[M].西安：西北工业大学出版社，2005.4.[14]潘国昌，郭庆丰.化工设备设计[M].北京：化学工业出版社，1996.12，38-75TheTechnicalDesignontheDistillationPlantofMedicalAlcoholMajor:PharmaceuticalEngineering20233438shaozhenchenSupervisor:zhaoyangwangAbstract:Processdesignfortherectificationworkshopofmedicalalcoholwithannualoutputof6000tons.SelectSweetpotato，thenwecouldgettheproductbythewayofsaccharificationandfermentation，TheFermentationLiquid,formsduringfermentation,gothroughthepreheater,thenexchangetheheatwiththealcoholsteamcamefromtherectificationcolumn.Thenwecouldget95%medicalalcoholaftergoingthroughtheCrudedistillationtower,refiningintherectificationcolumn.Then