年產(chǎn)3萬(wàn)噸酒精工藝設(shè)計(jì)

年產(chǎn)3萬(wàn)噸酒精工藝設(shè)計(jì)AnnualOutputof30kTonsofProcessDesignofAlcohol目錄摘要IAbstractII引言1第一章概述21.1乙醇的性質(zhì)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)21.1.1物理性質(zhì)21.1.2化學(xué)性質(zhì)21.1.3生化性21.1.4質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)31.2乙醇生產(chǎn)的意義及發(fā)展31.2.1乙醇生產(chǎn)的意義32.2乙醇生產(chǎn)發(fā)展41.3乙醇的應(yīng)用領(lǐng)域5第二章乙醇生產(chǎn)方法介紹62.1合成法62.2發(fā)酵法72.1淀粉質(zhì)原料的發(fā)酵工藝72.2糖蜜原料的發(fā)酵工藝9第三章工藝流程介紹及精餾塔設(shè)備選型113.1總生產(chǎn)工藝流程介紹113.1.1原料的處理111.2原料輸送123.1.3糖化和發(fā)酵121.4濃縮123.1.5精餾12精餾概述13塔設(shè)備選型13第四章塔設(shè)備及附件設(shè)計(jì)154.1物料衡算151.1理論糖蜜消耗量154.1.2實(shí)際糖蜜消耗量154.1.3精餾塔全塔物料衡算154.2塔板數(shù)的確定164.2.1理論板數(shù)N的求取164.2.2實(shí)際塔板數(shù)的確定184.3精餾塔操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算204.4塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算274.4.1塔徑274.4.2塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算284.5塔板的流動(dòng)性能校核314.5.1氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降314.5.2淹塔校核324.5.3物沫夾帶校核335.4漏液校核344.6塔板的負(fù)荷性能圖354.7附件設(shè)計(jì)394.7.1接管394.7.2筒體與封頭404.7.3除沫器404.7.4裙座404.7.5吊柱414.7.6人孔414.8塔體高度的設(shè)計(jì)41第五章塔附屬設(shè)備設(shè)計(jì)42 Q Q5.1確定冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷c，r425.2冷凝器的選擇425.3再沸器的選擇43結(jié)論44致謝45參考文獻(xiàn)46附錄47年產(chǎn)3萬(wàn)噸酒精工藝設(shè)計(jì)摘要：酒精又叫乙醇，是一種用途最為廣泛重要的工業(yè)產(chǎn)品之一。因其熱值高、燃燒充分、燃燒產(chǎn)物無(wú)污染被稱(chēng)為新時(shí)代的綠色能源。其種類(lèi)眾多，燃料酒精是其中一種，主要用于車(chē)用汽油。酒精生產(chǎn)方法有很多，主要有合成法和發(fā)酵法。本設(shè)計(jì)選用的是單糖連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)酒精生產(chǎn)工藝方法，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程做了簡(jiǎn)單地介紹，主要對(duì)酒精精餾工藝過(guò)程中精餾塔進(jìn)行了詳細(xì)工藝的計(jì)算，物料衡算及其輔助設(shè)備的計(jì)算。精餾過(guò)程中主要設(shè)備是精餾塔，本設(shè)計(jì)的精餾塔選用的是浮閥塔，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得到酒精精餾塔的塔體高度為23.44m，塔徑為2m，經(jīng)過(guò)精餾后酒精的含量達(dá)到95%，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞：酒精；工藝設(shè)計(jì)；精餾工藝；浮閥塔 IAnnualoutputof30ktonsofprocessdesignofalcoholAbstract:Alcohol,whichisnamedethanol，isoneofthemostwidelyusedkindofimportantindustrialproducts.Itiscalledanewgreenenergyinmodernerabecauseofitshighcalorificvalue,combustion,nocombustionpollution.Fuelrodctsethanolisoneofalotofspecies，whichmainlyusedformotorgasoline.Themethodsofproducingalcoholarevary，mainlyincludesynthesismethodandfermentationmethod.Thedesignissimplyintroduceasinglecontinuousfermentationoalcoholproductionprocess,mainlyforcalculatingdistillationcolumnsindetail，theprocessofcalculatingthemassbalanceanditsauxiliaryequipmentindetailofalcoholdistillationprocess.Themainequipmentinthedistillationprocessisdistillationcolumns.Theftowerisselecteddistillationcolumninthisdesign.wehavedrawntheconclusionthatoftowerheightis23.14mandthediameteroftoweris2mbydesignandcalculation,Fithedistillationofdimethylethercontentreached95%,achievedthedesiredgoal.Keywords:ethanol;producedesign;distillationproduce;floatvalvecontinuousII引言酒精又叫乙醇，因其熱值高、燃燒充分、燃燒產(chǎn)物無(wú)污染被稱(chēng)為新時(shí)代的綠色能源。它是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)產(chǎn)品之一，其種類(lèi)眾多，被用于生產(chǎn)和生活的方方面面[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)燃料能源（石油、天然氣、煤礦等）的需求越來(lái)越大，而燃料能源儲(chǔ)量越來(lái)越少，價(jià)格越來(lái)越低，人們迫切需要找到一種新的可再生能源代替現(xiàn)有的燃料能源。其中，燃料酒精成為可替代的一種綠色清潔能源。原因有以下幾點(diǎn)[2]：來(lái)源廣，可再生?？梢砸怨任锏矸蹫樵仙a(chǎn)燃料酒精，以植物秸稈等纖維素為原料生產(chǎn)燃料酒精，以甘蔗作為原料生產(chǎn)燃料酒精，以蜜生產(chǎn)燃料酒精等等。無(wú)污染。石油、天然氣、煤礦等燃料能源的使用產(chǎn)生了很多環(huán)境問(wèn)題。例如：酸雨等環(huán)境污染。而燃料酒精產(chǎn)生的是二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。熱值高、燃燒充分，單位燃燒的釋放的熱量和單位天然氣燃燒釋放的熱量相當(dāng)。（4）燃料酒精又稱(chēng)變性燃料乙醇，是清潔汽油的主要代替物，已在一些國(guó)家和地區(qū)得到大量使用。（5）生產(chǎn)方法多種多樣，技術(shù)路線(xiàn)較為成熟，能大規(guī)模進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。酒精生產(chǎn)方法有許多種，主要可以分為兩大類(lèi)：合成法和發(fā)酵法。本設(shè)計(jì)采用發(fā)酵法中單濃度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵法。由于發(fā)酵過(guò)程的復(fù)雜性及查詢(xún)資料的有限性，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的介紹下發(fā)酵過(guò)程，主要對(duì)精制工藝部分進(jìn)行了詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、物料衡算及塔設(shè)備和附屬設(shè)備選型計(jì)算。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得出了精餾塔的塔徑2m，塔體高度23.44m，產(chǎn)物純度達(dá)到了95%，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。第一章概述1.1乙醇的性質(zhì)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.1.1物理性質(zhì)乙醇是無(wú)色透明的液體，比水輕，具有特殊的芳香氣和刺激味，吸濕性很強(qiáng)，可與水以任何比例混合并產(chǎn)生熱量。乙醇易揮發(fā)易燃燒，燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，燃燒產(chǎn)物是水和二氧化碳。乙醇蒸汽與空氣能形成爆炸性混合氣體，爆炸極限為3.5%-18%（體積分?jǐn)?shù)）。乙醇的物理指標(biāo)：熔點(diǎn)(℃)：-114.1沸點(diǎn)(℃)：78.3相對(duì)密度(水=1)：0.79相對(duì)蒸氣密度(空氣=1)：1.59飽和蒸氣壓(kPa)：5.33(19℃)燃燒熱(kJ/mol：)1365.5蒸發(fā)熱(kJ/L：)918.76臨界溫度(℃)：243.1臨界壓力(MPa)：6.38辛醇/水分配系數(shù)的對(duì)數(shù)值：0.32閃點(diǎn)(℃)：12引燃溫度(℃)：363溶解性：與水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多數(shù)有機(jī)溶劑。1.1.2化學(xué)性質(zhì)乙醇氧化反應(yīng)2CHOH+O→2CHCHO+2HO25 2 3 2CHOH+O→CHCOOH+HO25 2 3 2CHOH+O→2CO+3HO 2 2 2堿金屬，堿土金屬與乙醇的反應(yīng)2Na+2CHOH→2CHONa+H↑25 55 2Mg+2CHOH→C(CHO)Mg+H↑ 25 25 2 2酸與乙醇的反應(yīng)CHCOOH+CHOH→CHCOOCH+HO25 3 25 2乙醇的脫水反應(yīng)CHCHOH→CH=CH↑+HO2 2 2 22CHCHOH→CHOCH+HO 3 2 25 25 21.1.3生化性乙醇能使細(xì)胞蛋白質(zhì)凝固，尤以75%（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇作用最為強(qiáng)烈，濃度過(guò)高，細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)迅速凝固形成一層薄膜，阻止乙醇向內(nèi)部滲透，作用效果反而降低，濃度過(guò)低則不能使蛋白質(zhì)凝固。因此常選用75%（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇作消毒劑。乙醇易被人體腸胃吸收，吸收后迅速解放出熱量。少量乙醇對(duì)大腦有興奮作用，數(shù)量較大則有麻醉作用，大量乙醇對(duì)肝臟和神經(jīng)系統(tǒng)有害作用。1.1.4質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)乙醇作為一種原料性的產(chǎn)品，其產(chǎn)品質(zhì)量必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。通常，乙醇按含雜質(zhì)多少分為：無(wú)水乙醇、試劑乙醇、食用乙醇，醫(yī)藥乙醇，工業(yè)乙醇。其食用乙醇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如表1.1所示。表1.1乙醇的質(zhì)量指標(biāo)表項(xiàng)目特級(jí)優(yōu)級(jí)普通級(jí)色度/號(hào)≤101010乙醇/％（體積分?jǐn)?shù)）≥96.095.595.0硫酸試驗(yàn)/號(hào)≤51060氧化時(shí)間/min≥403020醛/mg/L≤1330甲醇/mg/L≤250150正丙醇/mg/L≤235100異丁醇＋異戊醇/mg/L≤1230酸（以乙酸計(jì)）/mg/L≤71020酯（以乙酸乙酯計(jì)）/mg/L≤101825不揮發(fā)物/mg/L≤102025重金屬（以Pb計(jì)）/mg/L≤111氰化物（以HCN計(jì)）/mg/L≤5551.2乙醇生產(chǎn)的意義及發(fā)展1.2.1乙醇生產(chǎn)的意義[1]乙醇是可再生能源,若采用小麥、玉米、稻谷殼、薯類(lèi)、甘蔗、糖蜜等生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,其燃燒所排放的二氧化碳和作為原料的生物源生長(zhǎng)所消耗的二氧化碳,在數(shù)量上基本持平,這對(duì)減少大氣污染及抑制溫室效應(yīng)意義重大。發(fā)展乙醇不僅可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并且可以作為清潔能源代替汽油或汽油添加劑，減少工業(yè)大氣污染，保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也可緩解原油進(jìn)口的壓力。由于燃料乙醇在中國(guó)的推廣使用還處在初級(jí)階段．產(chǎn)銷(xiāo)各個(gè)環(huán)節(jié)政府行為色彩比較濃，離真正的市場(chǎng)化有很遠(yuǎn)的距離。為了合理利用資源。國(guó)家對(duì)燃料乙醇的立項(xiàng)投產(chǎn)非常謹(jǐn)慎。目前，獲得國(guó)家批準(zhǔn)生產(chǎn)的企業(yè)有4家：河南天冠燃料乙醇有限公司、吉林燃料乙醇股份有限責(zé)任公司、安徽豐原生物化工有限公司、黑龍江華潤(rùn)酒精有限公司，已形成燃料乙醇生產(chǎn)能力122萬(wàn)t。目前中國(guó)生產(chǎn)的燃料乙醇總量為102萬(wàn)t。大約使用糧食400萬(wàn)t，基本使用陳化糧。目前中國(guó)石油供應(yīng)緊張問(wèn)題日趨嚴(yán)重：2005年，中國(guó)原油消費(fèi)量3.23億t，居世界第二，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)原油1．81億t，凈進(jìn)口原油1.19億t，凈進(jìn)口輕柴油、航煤、燃料油等石油產(chǎn)品l746萬(wàn)t。原油及石油產(chǎn)品凈進(jìn)口量1.46億t。石油對(duì)外依存度為45％。到2020年，估計(jì)國(guó)內(nèi)自產(chǎn)石油2.O億t．缺口25億t，對(duì)外依存度55％。因此，燃料酒精在中國(guó)市場(chǎng)的前景比較大，潛力也比較深。1.2.2乙醇生產(chǎn)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化新中國(guó)成立前，我國(guó)乙醇工業(yè)的規(guī)模很小，生產(chǎn)工藝均為間歇式，以麥芽作淀粉糖化劑，原料不經(jīng)粉碎，淀粉利用率只有60%左右。20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始進(jìn)行技術(shù)革新，首先在糖化劑方商采用微生物糖化劑代替麥芽，1964年推行機(jī)械通風(fēng)制曲，隨后普遍應(yīng)用液體曲，1978年開(kāi)發(fā)出高活力糖化酶新菌種（UV-11）進(jìn)入20世紀(jì)90年代后逐步使用具有國(guó)際水平的耐高溫X-淀粉酶和高轉(zhuǎn)化率糖化酶。在淀粉質(zhì)原料的蒸煮、糖化工藝方面采用一級(jí)真空冷卻連續(xù)糖化。在發(fā)酵方面，出現(xiàn)了應(yīng)用耐高溫酵母、釀酒用活性干酵母（或鮮酵母）及固定化酵母的新工藝。在蒸餾方面乙醇蒸餾的塔器配置從兩塔、三塔/四塔、五塔發(fā)展到八塔蒸餾，近年來(lái)差壓蒸餾等新技術(shù)正在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。50年來(lái)，我國(guó)的乙醇生產(chǎn)技術(shù)得到很大發(fā)展，淀粉利用率達(dá)90%以上，水平高的企業(yè)淀粉出酒率達(dá)55～56%；發(fā)酵液乙醇濃度由5%提高到10%左右；每噸乙醇耗煤從過(guò)去普遍在2噸以上降到1噸以下（最低達(dá)500公斤）。進(jìn)入90年代后，隨著食用乙醇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂和實(shí)施，我國(guó)乙醇工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平得到了普遍性的提高建立了完善的乙醇產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，具有生產(chǎn)多種規(guī)格乙醇產(chǎn)品的實(shí)力20世紀(jì)50年代初期，我國(guó)乙醇產(chǎn)品無(wú)統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。有的廠(chǎng)"夠度"即算合格，有的廠(chǎng)參考外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)自行規(guī)定一些檢查項(xiàng)目，也有的廠(chǎng)按中華藥典中醫(yī)藥乙醇的要求生產(chǎn)。1954年，哈爾濱、濟(jì)南、天津等乙醇廠(chǎng)應(yīng)軍工的需要按原蘇聯(lián)的乙醇標(biāo)準(zhǔn)（roct5921-51）試制成功"精餾酒精"，并按此生產(chǎn)。1956年，原食品工業(yè)部參照原蘇聯(lián)乙醇標(biāo)準(zhǔn)及中華藥典制訂了"精餾酒精"（食酒0301-56）和"醫(yī)藥酒精"（食酒0302-56）的部頒標(biāo)準(zhǔn)。至此，我國(guó)乙醇工業(yè)有了全國(guó)統(tǒng)一的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)今，我國(guó)已經(jīng)具備較完整的乙醇產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，并正在對(duì)食用乙醇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB13043-89）組織進(jìn)行修訂，以使其進(jìn)一步和國(guó)際先進(jìn)水平接軌。不斷提高并有著先進(jìn)性的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，有力促進(jìn)了我國(guó)乙醇生產(chǎn)和質(zhì)量水平的不斷提高?，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)都能生產(chǎn)普級(jí)食用乙醇，相當(dāng)一部分企業(yè)具有生產(chǎn)優(yōu)級(jí)食用乙醇的實(shí)力，有多家企業(yè)進(jìn)行著高純度特級(jí)乙醇的生產(chǎn)。(3）糟液治理與綜合利用取得長(zhǎng)足發(fā)展過(guò)去，糟液除略行簡(jiǎn)單過(guò)濾直接用作飼料外，基本上不予處理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)糟液的治理逐步引起重視，20世紀(jì)60年代用薯類(lèi)乙醇糟液大規(guī)模進(jìn)行沼氣發(fā)酵取得成功，逐步推廣并不斷完善，現(xiàn)在最大的沼氣發(fā)酵罐容已達(dá)5000立方米。針對(duì)沼氣發(fā)酵后消化液的進(jìn)一步處理，好氧法取得一定成效；近來(lái)南陽(yáng)乙醇總廠(chǎng)開(kāi)發(fā)出一套實(shí)用而有效的治理措施，采用物理化學(xué)法去除懸浮揚(yáng)（制得部分干酒糟和肥料），利用生物法去除可溶性有機(jī)物（獲得沼氣），從而使薯類(lèi)乙醇糟液的治理實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)上有利的達(dá)標(biāo)排放。1.3乙醇的應(yīng)用領(lǐng)域乙醇的用途很廣，主要有：消毒劑：醫(yī)院用的一般用濃度為70%～75%的乙醇溶液，因?yàn)檫@種濃度的乙醇溶液殺菌能力最強(qiáng)；此外也是碘酒消毒劑的成分之一。飲料：乙醇是酒主要成分（含量和酒的種類(lèi)有關(guān)系）如白酒為56度的酒。基本有機(jī)化工原料：乙醇可用來(lái)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、洗滌劑等產(chǎn)品的原料。汽車(chē)燃料：乙醇可以調(diào)入汽油，作為車(chē)用燃料，美國(guó)銷(xiāo)售乙醇汽油已有20年歷史。此外乙醇還做：稀釋劑、有機(jī)溶劑、涂料溶劑等幾大方面，其中用量最大的是消毒劑。第二章乙醇生產(chǎn)方法介紹2.1合成法化學(xué)合成法是利用煉焦炭、裂解石油的廢氣為原料，經(jīng)過(guò)化學(xué)合成反應(yīng)而制成乙醇。目前工業(yè)上采用的合成法主要是乙烯直接水合法，即將乙烯在浸漬有磷酸的固體催化劑上進(jìn)行水合反應(yīng)。所得稀乙醇溶液需經(jīng)過(guò)精餾提純以除去部分水和副產(chǎn)物。此外還有乙烯間接水合法、乙醛加氫法、CO-H合成乙醇等。21.乙烯直接水合法乙烯直接水合法就是乙烯和水在高溫、加壓、催化劑條件下直接加成得到乙醇的方法。2.乙烯間接水合法間接水合法生產(chǎn)乙醇的出現(xiàn)早于直接水合法。在1825年，就已經(jīng)出現(xiàn)了乙烯在硫酸介質(zhì)存在下，液相水合為乙醇的實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)后乙烯用硫酸吸收再經(jīng)水解制備乙醇的方法獲得了工業(yè)化。乙醇間接水合法又稱(chēng)硫酸法，采用硫酸作催化劑，經(jīng)過(guò)兩步反應(yīng)，由水與乙烯合成乙醇。第一步：乙烯與硫酸作用生成硫酸氫乙酯或硫酸二乙酯；CH=CH+HSO→CHCH-OSOOH2 2 2 4 3 2 2或2CH=CH+HSO→(CHCHO)SO2 2 4 3 2 2第二步：硫酸氫乙酯或硫酸二乙酯水解，生成乙醇，釋放出硫酸：CHCH-OSOOH+HO→CHCHOH+HSO2 2 2 3 2 2 4或(CHCHO)SO+2HO→2CHCHOH+HSO 3 2 2 2 3 2 2 4硫酸氫乙酯、硫酸二乙酯水解過(guò)程中伴隨有副產(chǎn)物乙醚的生成。3.乙醛加氫法此法是將乙醛在160～200℃，銅催化劑的存在下加氫制得乙醇，其他化學(xué)反應(yīng)式如下： CHCHO+H CHCHOH23 2乙烯氧化發(fā)生產(chǎn)乙醛又分為氧氣法和空氣法。氧氣法是在120～130℃，300kPa左右的壓力下進(jìn)行反應(yīng)；空氣法是在100～105℃，壓力1～1.2MPa下進(jìn)行反應(yīng)。利用氯化鈀做催化劑，在鹽酸溶液中使乙烯被空氣或氧氣直接氧化成乙醛.4.CO-H合成乙醇2一氧化碳和氫氣混合氣來(lái)源十分廣泛，我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，大力開(kāi)發(fā)煤氣化制備CO-H混合氣具有廣泛的發(fā)展前景。22CO+H→CHOH+HO 2 25 23CO+H→CHOH+CO 2 25 2由反應(yīng)式可知。CO與H的摩爾比應(yīng)符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系，［CO］:［H］=1:2或1:1。 2 2因此實(shí)際生產(chǎn)中為使混合氣的摩爾比恰好為1:2，可采用向欲轉(zhuǎn)化的烴類(lèi)中通CO以調(diào)整2轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物中的分子比例。即：3CH+2HO+CO→4CO+8H2 2 2從熱力學(xué)角度看，合成乙醇在較低的溫度下進(jìn)行比較適宜，但低溫下反應(yīng)速度太慢，為提高反應(yīng)速度，應(yīng)適當(dāng)提高反應(yīng)溫度。然而隨著溫度的提高，副反應(yīng)增多并加劇，而且無(wú)論從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，溫度提高對(duì)副反應(yīng)的生成較乙醇的生成更便利，因此為使反應(yīng)向主反應(yīng)方向進(jìn)行，必須尋找一種選擇性高、催化性好的催化劑，這是由CO-H2合成乙醇的關(guān)鍵。2.2發(fā)酵法發(fā)酵法采用各種含糖（雙糖）、淀粉（多糖）、纖維素（多縮己糖）的農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)物及野生植物為原料，經(jīng)過(guò)水解（即糖化）、發(fā)酵使雙糖、多糖轉(zhuǎn)化為單糖并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙醇。淀粉質(zhì)在微生物作用下，水解為葡萄糖，再進(jìn)一步發(fā)酵生成乙醇。發(fā)酵法制酒精生產(chǎn)過(guò)程包括原料預(yù)處理、蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾、廢醪處理等。2.2.1淀粉質(zhì)原料的發(fā)酵工藝乙醇的發(fā)酵工藝分為間歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵三種。1.間歇發(fā)酵間歇發(fā)酵也稱(chēng)單罐發(fā)酵，發(fā)酵的全過(guò)程在一個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)完成。根據(jù)糖化醪的添加方式分為以下幾種。一次加滿(mǎn)法。該法是將糖化醪冷卻到27-30℃后，送入已經(jīng)清洗、滅菌的發(fā)酵罐中，一次加滿(mǎn)，同時(shí)加入10%的酒母醪，經(jīng)60-72h發(fā)酵即得到成熟發(fā)酵醪。該法具有操作簡(jiǎn)單，易于管理的優(yōu)點(diǎn)。但存在初始酵母密度低，發(fā)酵除患期延長(zhǎng)，初始生長(zhǎng)和發(fā)酵速度低的缺點(diǎn)。分次添加法。此法操作時(shí)，糖化醪分幾批加入發(fā)酵罐。一般先打入發(fā)酵罐容積約1/3糖化醪，直至加入8%-10%的酒母醪，每隔3-6h左右，加入第二和第三1/3的糖化醪，直至加滿(mǎn)容積的90%以上為止。該法的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)酵旺盛，延緩期短，有利于抑制雜菌繁殖。采用這種方法最好使酵母增殖發(fā)酵、糖耗同步，然后及時(shí)補(bǔ)充糖化醪。間隔時(shí)間不要太短，否則會(huì)影響酵母的增殖間隔時(shí)間也不易過(guò)長(zhǎng)否則可能造成原料發(fā)酵不徹底，成熟醪殘?zhí)沁^(guò)高。連續(xù)添加法。即使酒母醪打入發(fā)酵罐中，同時(shí)連續(xù)添加糖化醪。糖化醪流加速度應(yīng)根據(jù)工廠(chǎng)生產(chǎn)量來(lái)定，一般應(yīng)控制在6-8h內(nèi)加滿(mǎn)幾個(gè)發(fā)酵罐。流加過(guò)慢，會(huì)延長(zhǎng)滿(mǎn)灌時(shí)間，還可能造成發(fā)酵物質(zhì)的損失。流加過(guò)快，則會(huì)造成發(fā)酵醪中酵母密度小，對(duì)雜菌無(wú)抑制，可能造成染菌。分割主發(fā)酵醪法。該法是將處于旺盛主發(fā)酵階段的發(fā)酵醪分割出1/3-1/2到第二罐，然后兩罐同時(shí)補(bǔ)加新鮮糖化醪至滿(mǎn)罐，繼續(xù)發(fā)酵。放第二罐又處于主發(fā)酵階段時(shí)，再次進(jìn)行分割。該法的前提是發(fā)酵醪基本不染菌。它具有節(jié)省酵母用量，接種量大，發(fā)酵時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，但易染雜菌，一般不主張采用[3]。2.半連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵時(shí)主發(fā)酵階段采用連續(xù)發(fā)酵，后發(fā)酵階段采用間歇發(fā)酵的方法。更具糖化醪流加方式的不同，半連續(xù)發(fā)酵又分為以下兩種方法。第一種方法是將一組發(fā)酵罐連接起來(lái)，使前幾只發(fā)酵罐始終保持主發(fā)酵狀態(tài)。從第三只發(fā)酵罐流出的發(fā)酵液分別順次加滿(mǎn)其他發(fā)酵罐，完成后發(fā)酵。應(yīng)用該方法可節(jié)省大量酒母，縮短發(fā)酵時(shí)間，但必須注意消毒殺菌，防止雜菌污染。第二種方法是將7-8只發(fā)酵罐組成一個(gè)罐組，每只發(fā)酵之間溢流管連接。生產(chǎn)時(shí)，先制備發(fā)酵罐提交1/3的酒母，加入第1只發(fā)酵罐內(nèi)，并在保持主發(fā)酵狀態(tài)的前提下流加糖化醪。滿(mǎn)罐后，通過(guò)溢流管流入第2只罐，當(dāng)充滿(mǎn)1/3體積時(shí)，糖化醪改為流加入第2罐，當(dāng)?shù)?罐加滿(mǎn)后，溢流入第3只罐，然后重復(fù)第2只罐的操作，直至最后1只罐滿(mǎn)罐。最后，從罐至末罐逐個(gè)順次將成熟發(fā)酵罐送去蒸餾[4]。該法可以節(jié)省大量酒母，發(fā)酵時(shí)間縮短，但每次新發(fā)酵周期開(kāi)始時(shí)要制備新的酒母。3.連續(xù)發(fā)酵間歇發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵罐中的培養(yǎng)液始終不斷更新，因此，發(fā)酵過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，如糖濃度、乙醇濃度、菌體數(shù)、pH等會(huì)不斷發(fā)生變化，酵母菌受到環(huán)境變化的影響較大，不能始終保持最高的發(fā)酵狀態(tài)。另外，間歇發(fā)酵過(guò)程的輔助時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備利用率也較低，且控制不易全部自動(dòng)化。如果采用連續(xù)發(fā)酵的方法，就能很好地解決上述問(wèn)題。連續(xù)發(fā)酵可分為全混連續(xù)發(fā)酵和階梯式連續(xù)發(fā)酵兩類(lèi)：全混連續(xù)發(fā)酵是微生物在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行的，液體培養(yǎng)基混合攪拌良好，以保證整個(gè)罐的均一性。根據(jù)控制的方法又可分為化學(xué)控制器法（恒化器法）和濁度控制器法（恒濁器法）兩類(lèi)。階梯式連續(xù)發(fā)酵是乙醇發(fā)酵較常采用的發(fā)酵形式。發(fā)酵過(guò)程是在同一組罐內(nèi)進(jìn)行的，每個(gè)罐本身參數(shù)基本不變，但罐和罐之間按一定規(guī)律形成一個(gè)梯度。從首罐至末罐，可發(fā)酵物濃度逐罐遞減，乙醇濃度逐罐增加。發(fā)酵時(shí)，糖化醪連續(xù)從首罐加入，成熟發(fā)酵醪連續(xù)從末罐流出[5]。幾種常見(jiàn)具體工藝如下。循環(huán)發(fā)酵。該發(fā)酵罐組由6-8只罐組成，每個(gè)罐之間用溢流管數(shù)次自上而下連續(xù)。糖化醪進(jìn)料通往大酒母罐和發(fā)酵罐組的第一和最末兩只發(fā)酵罐。發(fā)酵開(kāi)始時(shí)，糖化醪和成熟酒母醪同時(shí)流入罐組的第1只罐，充滿(mǎn)后，發(fā)酵醪沿溢流管流入第2只罐，然后順次流入充滿(mǎn)至最后第2只罐。大概需時(shí)60h左右，然后不再流加醪液，各自進(jìn)行間歇后發(fā)酵。這是糖化醪和酒母醪開(kāi)始流入最后一個(gè)發(fā)酵罐，當(dāng)這只罐充滿(mǎn)時(shí)，原來(lái)的最后第2罐已經(jīng)發(fā)酵結(jié)束，并已防空清洗殺菌完畢，發(fā)酵醪由溢流管流入，發(fā)酵的第2各循環(huán)沿反方向開(kāi)始進(jìn)行。順式連續(xù)發(fā)酵法。該法發(fā)酵開(kāi)始時(shí)，酒母醪和糖化醪一起流入第1只發(fā)酵罐中，充滿(mǎn)后，發(fā)酵醪沿溢流管依次流入第2、第3、直至充滿(mǎn)整個(gè)罐組。成熟發(fā)酵醪從最后一只發(fā)酵罐中流出，送去蒸餾。如此操作連續(xù)不斷。2.2.2糖蜜原料的發(fā)酵工藝糖蜜乙醇發(fā)酵的機(jī)理和營(yíng)養(yǎng)要求與淀粉質(zhì)原料乙醇發(fā)酵完全相同。但糖蜜乙醇發(fā)酵也有自己特有的特點(diǎn)。這里主要介紹糖蜜發(fā)酵的工藝。蜜糖乙醇發(fā)酵的方法很多，也可以非為間歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和聯(lián)系發(fā)酵。1.間歇發(fā)酵又分為一下幾種操作方式。普通間歇發(fā)酵。發(fā)酵罐空罐清洗后用蒸汽殺菌100℃保溫0.5-1h，冷卻至30℃后，接入培養(yǎng)成熟的酒母醪液，并補(bǔ)入溫度為27-30℃的發(fā)酵糖液進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵溫度控制在33-35℃的發(fā)酵。發(fā)酵時(shí)間一般為32-36h，通常40-50h即可送去蒸餾，成熟醪酒度為6.5%-7%（體積分?jǐn)?shù)），發(fā)酵效率達(dá)86%-87%[6]。分割式間歇發(fā)酵。該法是第1只發(fā)酵罐按間歇發(fā)酵進(jìn)行至主發(fā)酵階段，從該罐分割1/3-1/2發(fā)酵醪至第2罐中，用稀糖液加滿(mǎn)兩罐，第1至繼續(xù)發(fā)酵直至終了，送去精餾。第2罐進(jìn)入主發(fā)酵階段后，再分割1/3-1/2至第3罐，再用稀糖液加滿(mǎn)兩罐，如此繼續(xù)下去。稀糖液濃度一般為18%-20%，發(fā)酵溫度為33-35℃，發(fā)酵時(shí)間30-36h，成熟醪酒度6%-7%。該法可省去大部分發(fā)酵制備時(shí)間，但容易染菌。為此，除了認(rèn)真進(jìn)行糖蜜酸化（pH4.0）和添加五氯苯酚鈉外，每天還應(yīng)更換一次新鮮菌種。分批流加間歇發(fā)酵。該法是在發(fā)酵罐內(nèi)加入10%-20%的酒母后，分3次加入基本稀糖液，第一、二次加入罐容積約20%的今本稀糖液，第三次加入40%-50%的基本稀糖液，以后保持罐內(nèi)醪液糖濃度一致，有利于酵母的發(fā)酵。連續(xù)流加間歇發(fā)酵法。連續(xù)流加發(fā)酵的特點(diǎn)在于基本稀糖液是按一定速度連續(xù)加入發(fā)酵罐中，直至罐滿(mǎn)。該法先將發(fā)酵醪總量20%-30%的成熟酒母醪送入發(fā)酵罐。然后加入數(shù)量相同的酒母稀糖液（14%濃度）。通風(fēng)培養(yǎng)2h，是發(fā)酵醪濃度降至7.0%-7.5%。開(kāi)始連續(xù)流加濃度為33%-35%的基本稀糖液，保持發(fā)酵醪的濃度在10%左右。流加至滿(mǎn)罐后，任其發(fā)酵結(jié)束。發(fā)酵溫度控制在33-34℃，總發(fā)酵時(shí)間在16-20h，發(fā)酵醪乙醇含量在9%（體積分?jǐn)?shù)）以上。半連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵是主發(fā)酵采用連續(xù)發(fā)酵，后發(fā)酵采用間歇發(fā)酵的發(fā)酵方式。具體的方法與淀粉質(zhì)原料發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵相同。連續(xù)發(fā)酵糖蜜連續(xù)發(fā)酵乙醇的工藝已比較成熟，也是目前最合理的發(fā)酵工藝，已報(bào)道的連續(xù)發(fā)酵工藝的方案很多，歸納起來(lái)有兩種基本流程，即：?jiǎn)螡舛攘骷舆B續(xù)發(fā)酵法和雙濃度流加連續(xù)發(fā)酵法。單濃度單流加連續(xù)發(fā)酵法。該法是一種濃度的糖液進(jìn)行單流加以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵的流程。該流程以稀糖液與成熟酵母同時(shí)進(jìn)入第1只發(fā)酵罐內(nèi)，酵母繁殖和稀糖液同時(shí)進(jìn)行，產(chǎn)生含足夠量的酵母細(xì)胞的發(fā)酵醪，并且連續(xù)加入稀糖液，發(fā)酵罐滿(mǎn)罐后依次進(jìn)入下一罐連續(xù)發(fā)酵直至發(fā)酵成熟。雙濃度雙流加連續(xù)發(fā)酵法。該法是使用兩種不同的糖液，即酒母稀糖液和發(fā)酵稀糖液（基本稀糖液）進(jìn)行雙流加以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵流程。一般對(duì)質(zhì)量好、純度高的糖蜜采用單濃度單流加連續(xù)發(fā)酵與雙濃度雙流加發(fā)酵法均可，單對(duì)純度低、質(zhì)量差的糖蜜不宜采用單濃度單流加發(fā)酵法而應(yīng)當(dāng)采用雙濃度雙流加連續(xù)發(fā)酵法。雙濃度雙流加連續(xù)發(fā)酵法中，低濃度糖液（酒母糖液）與高濃度糖液（發(fā)酵糖液）流加液比通常為1:1，而六角糖比例為優(yōu)質(zhì)糖蜜4:6，劣質(zhì)糖蜜3:7。本設(shè)計(jì)采用單濃度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵方法，原料選用為蔗糖，此原料來(lái)源范圍較廣、原料在全國(guó)各地普遍存在而且價(jià)格較為便宜。但是由于發(fā)酵工藝過(guò)程極其復(fù)雜以及查詢(xún)資料的有限性，故本設(shè)計(jì)對(duì)糖化，發(fā)酵等工藝簡(jiǎn)單介紹，不作為工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本設(shè)計(jì)主要側(cè)重于對(duì)酒精精制工藝部分進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及其塔設(shè)備和附件的計(jì)算選型。由于發(fā)酵的產(chǎn)物主要是酒精和水，故本設(shè)計(jì)主要是對(duì)乙醇和水分離進(jìn)行精餾工藝設(shè)計(jì)。第三章工藝流程介紹及精餾塔設(shè)備選型3.1總生產(chǎn)工藝流程介紹總工藝流程圖原料——除雜粉碎——拌料——糖化——發(fā)酵——濃縮——精餾——乙醇3.1.1原料的處理蔗糖原料在進(jìn)行正式生產(chǎn)之前，必須預(yù)處理，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行和提高生產(chǎn)的效益，預(yù)處理包括除雜和粉碎兩個(gè)工序。原料除雜蔗糖在收獲和干燥過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)摻夾進(jìn)泥土、沙石、粗纖維、金屬雜質(zhì)等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)如果沒(méi)有在正式投入生產(chǎn)之前清除，會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。石塊和金屬雜質(zhì)會(huì)使粉碎機(jī)的篩板磨損或者損壞，造成生產(chǎn)的中斷；機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)部位，會(huì)因泥沙的存在而加速磨損，雜物還易造成堵塞閥門(mén)、管道、泵和關(guān)鍵設(shè)備，使生產(chǎn)過(guò)程不能正常進(jìn)行，泥沙等雜質(zhì)也會(huì)影響正常的發(fā)酵過(guò)程。所以用蔗糖原料生產(chǎn)酒精前，必需進(jìn)行除雜，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行和提高生產(chǎn)的效益。原料除雜通常采用篩選和磁選。篩選多選用振動(dòng)篩除去原料中的較大雜質(zhì)及泥沙。振動(dòng)篩是一種平面篩，常用的有兩種：一種是由金屬絲（或其他絲線(xiàn)）編織而成的；另一種是沖孔的金屬板。開(kāi)孔率越大，篩選效率越高，但開(kāi)孔率過(guò)大會(huì)影響篩子的強(qiáng)度]。磁選多選用磁力除鐵器除去原物料中的磁選雜質(zhì)，如鐵定和螺母等，常見(jiàn)設(shè)備為永久性磁力除鐵器和電磁除鐵器。原料粉碎原料進(jìn)入下一工序之前必須進(jìn)行粉碎，這樣有助于提高原料的利用率和發(fā)酵效率。原料的粉碎按帶水與否可分為：干式粉碎和濕式粉碎，實(shí)際生產(chǎn)中多采用干式粉碎。國(guó)內(nèi)乙醇生產(chǎn)原料粉碎設(shè)備主要是錘片式粉碎機(jī)，合理的干式粉碎應(yīng)采用粗碎和細(xì)碎兩級(jí)粉碎工藝，在進(jìn)入錘碎機(jī)前先經(jīng)過(guò)粗碎，把大塊原料初步打碎成小塊原料，再經(jīng)過(guò)錘碎機(jī)，將小塊原料打碎成較細(xì)的粉末原料。濕式粉碎是指粉碎時(shí)將拌粉用水和原料一起加到粉碎機(jī)中去進(jìn)行粉碎。3.1.2原料輸送原料輸送常用方法是機(jī)械輸送、氣流輸送。機(jī)械輸送通常多用于固體物料的輸送。常用的輸送機(jī)械有皮帶輸送器、螺旋輸送器和斗式提升機(jī)。前兩種多用于水平方向輸送，后者多用于垂直方向輸送。氣流輸送也稱(chēng)風(fēng)送或氣力輸送。本設(shè)計(jì)中原料粉碎采用風(fēng)送工藝，除掉了原料中的沙、石雜質(zhì)，提高了設(shè)備粉碎能力。3.1.3糖化和發(fā)酵蔗糖液化是糖化的前提。工業(yè)生產(chǎn)中一般根據(jù)使用-蔗糖酶的不同，液化的工藝條件會(huì)略有不同。使用耐高溫-蔗糖酶，采用80℃的處理溫度，使用普通-蔗糖酶，采用70℃的處理溫度。采用高溫液化可以提高酶反應(yīng)速度，但溫度高于酶的最適作用溫度時(shí)，酶活力損失加快。此外，生產(chǎn)中有時(shí)也添加CaCl或CaSO，Ca2+的存在有助于提高酶 2 4對(duì)熱的穩(wěn)定性，一般Ca2+濃度控制在0.01mol/L左右。-蔗糖酶的用量一般為每克淀粉使用2～10U，含單寧多的原料用量可適當(dāng)增大。液化時(shí)間，一般控制在45～90min，蔗糖液化不需要進(jìn)行的非常的徹底，一般控制淀粉水解程度在葡萄糖值為10～20之間較好。噴射液化是目前使用最廣泛的液化工藝，它是利用低壓蒸汽噴射器來(lái)完成蔗糖的液化。蔗糖在-蔗糖酶的水解作用和噴射發(fā)生地剪切作用下，能很快地將蔗糖液化。噴射液化連續(xù)液化、操作穩(wěn)定、液化均勻、蔗糖利用率高等優(yōu)點(diǎn)，此外對(duì)蒸汽壓力要求低，且不易堵塞，無(wú)震動(dòng)。用于乙醇生產(chǎn)的酵母，直接利用蔗糖進(jìn)行乙醇發(fā)酵的效率不高，蔗糖必須水解成單糖糖類(lèi)利用，這樣有助于發(fā)酵效率的提高。發(fā)酵過(guò)程中蔗糖轉(zhuǎn)化為單糖選擇的酶為-蔗糖酶作為催化轉(zhuǎn)化酶，該酶轉(zhuǎn)化效率極高，少量的該酶就可催化大量的蔗糖。3.1.4濃縮從發(fā)酵罐出來(lái)的發(fā)酵液，雜質(zhì)含量很小，其主成分是酒精和水，但酒精含量很低，約占8%左右，需要進(jìn)入繆塔中進(jìn)行蒸餾濃縮處理，蒸發(fā)一部分水分，經(jīng)濃縮后的原料，酒精的含量可達(dá)到25%-40%。濃縮后的原料液進(jìn)入下一工序，進(jìn)行酒精精制提純。3.1.5精餾從上一工序流出的濃縮酒精蒸汽經(jīng)過(guò)冷卻后進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，通過(guò)泵進(jìn)入原料預(yù)熱器，經(jīng)醪塔濃縮分離后的酒精含量可達(dá)到25%-40%，本設(shè)計(jì)中采用30%乙醇和水進(jìn)料液。在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料混合物就分開(kāi)了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，而其中的氣態(tài)部分重新回流精餾塔中，繼續(xù)精餾提純。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進(jìn)入再沸器，在再沸器中被加熱到100度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說(shuō)的過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有新鮮原料的加入。最終，基本完成乙醇和水的分離。分離之后塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝后進(jìn)入產(chǎn)品儲(chǔ)罐；塔底得到的釜?dú)堃航?jīng)冷凝器進(jìn)入釜液儲(chǔ)罐區(qū)。3.2精餾概述精餾利用混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，通過(guò)液相和氣相的回流，使氣、液兩相逆向多級(jí)接觸，在熱能驅(qū)動(dòng)和相平衡關(guān)系的約束下，使得易揮發(fā)組分（輕組分）不斷從液相往氣相中轉(zhuǎn)移，而難揮發(fā)組分卻由氣相向液相中遷移，使混合物得到不斷分離，稱(chēng)該過(guò)程為精餾。該過(guò)程中，傳熱、傳質(zhì)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，屬傳質(zhì)過(guò)程控制。原料從塔中部適當(dāng)位置進(jìn)塔，將塔分為兩段，上段為精餾段，不含進(jìn)料，下段含進(jìn)料板為提留段，冷凝器從塔頂提供液相回流，再沸器從塔底提供氣相回流。氣、液相回流是精餾重要特點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中，在精餾塔中精餾時(shí)，部分氣化和部分冷凝是同時(shí)進(jìn)行的。對(duì)理想液態(tài)混合物精餾時(shí)，最后得到的餾液(氣相冷卻而成)是沸點(diǎn)低的物質(zhì)，而殘液是沸點(diǎn)高的物質(zhì)，精餾是多次簡(jiǎn)單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結(jié)果，塔頂冷凝收集的是純低沸點(diǎn)組分，純高沸點(diǎn)組分則留在塔底。3.3塔設(shè)備選型塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備取材面廣等。塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，選擇時(shí)應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步較早，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于放大等特點(diǎn)。常見(jiàn)的板式塔有篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。本次設(shè)計(jì)采用浮閥塔作為精制工藝的精餾塔設(shè)備。主要原因如下：1.浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)。2.生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開(kāi)孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大20%～40%，與篩板塔接近。3.操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比篩板塔，泡罩塔都大。4．塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。5．氣體壓降及液面落差小，因氣液流過(guò)浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。6．塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的50%～80%，但是比篩板塔高20%～30。7.本次設(shè)計(jì)精餾分離介質(zhì)是乙醇和水，無(wú)腐蝕性，不會(huì)造成閥片與塔板粘結(jié)；在操作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象致使塔板效率和操作彈性下降的現(xiàn)象。因此，本設(shè)計(jì)選用浮閥塔作為乙醇精餾的精餾塔。第四章塔設(shè)備及附件設(shè)計(jì)4.1物料衡算4.1.1理論糖蜜消耗量[9]糖蜜原料生產(chǎn)酒精的總化學(xué)反應(yīng)式為：C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2蔗糖葡萄糖乙醇342360184176生產(chǎn)3萬(wàn)噸（3107kg）無(wú)水酒精的理論蔗糖消耗量：3107×（342÷184）﹦5.576107（㎏）生產(chǎn)3萬(wàn)噸（3107kgkg）95%的酒精(酒精中的乙醇95%)的理論蔗糖消耗量：（m）5.576107×95％﹦5.29710107（㎏）4.1.2實(shí)際糖蜜消耗量生產(chǎn)3萬(wàn)噸（3107kg）95%的酒精實(shí)際蔗糖消耗量：生產(chǎn)過(guò)程中蒸餾率為98﹪，發(fā)酵率為95﹪，則實(shí)際蔗糖消耗量為：5.297107÷0.98÷0.95﹦5.681107（㎏）生產(chǎn)3萬(wàn)噸（3107kgkg）95%的酒精糖蜜原料消耗量：糖蜜原料含可發(fā)酵性糖60%，故3萬(wàn)噸95%的酒精糖蜜消耗為：5.68107÷0.6=9.4671107（kg）4.1.3精餾塔全塔物料衡算1.料液及塔頂、塔底產(chǎn)品中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)F：原料液流量（kmol/s）x原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）FD：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/s）x：塔頂組成DW：塔底殘液流量（kmol/s）x：塔底組成W30/46原料中組成x0.164F30/4660/1895/46塔頂組成：x=0.8814D95/465/180.2/46塔底組成：x0.00078W0.2/4699.8/182.平均摩爾質(zhì)量M=460.164+(1-0.164)18=22.592kg/kmolFM=460.8814+(1-0.8814)18=42.68kg/kmolDM=460.00078+(1-0.00078)18=18.02kg/kmolw3.料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率以300天/a計(jì)有：D’=30000000kg/a=3107kg/7200h=4166.7kg/h（95%CHOH）254.全塔物料衡算：D=D’/M=4166.7/42.68=97.6kmol/hDF=D+WxFxDxW F D W即0.164F=0.8814D+0.00078W經(jīng)計(jì)算得：F=514.62kmol/hW=F-D=514.62-97.6=417.02kmol/h4.2塔板數(shù)的確定4.2.1理論板數(shù)N的求取乙醇與水的平均相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算已知乙醇的沸點(diǎn)為78.3℃，水的沸點(diǎn)為100℃。1652.05當(dāng)溫度為78.3℃時(shí)，lgP°7.33827P°101.23KPa78.3231.48 A1657.46lgP°7.07406P°44.20KPa78.3227.02 BPA2.291PB1652.05當(dāng)溫度為100℃時(shí)，lgP°7.33827P°226.16KPa100231.48 A1657.46lgP°7.07406P°101.32KPa100227.02 BPA2.322PB平均揮發(fā)度2.292.322.31 1 2最小回流比及操作回流比計(jì)算因q1，故x=x=0.164 p F a 2.30.164將代入相平衡方程y p 0.312p p1（a1）1（2.311）0.164pxy0.88140.312R=DP3.84minyx0.3120.164PpR=1.5Rmin=5.76逐板法求塔板數(shù)因x=0.164x=0.8814x=0.00078q=1R=5.76a=2.31 F D W y y則相平衡方程x （4-1）(1)y2.311.31y R x精餾段操作線(xiàn)方程y=xD0.852x0.148（4-2） R1 R1塔釜?dú)庀嗷亓鞅?xx xx 0.88140.00078R(R1)F W(q1)D W6.768.30xx xx 0.88140.164 D F D F R1 x提餾段操作線(xiàn)方程yxW1.12x0.000094（4-3） R R（R1）x(q1)x操作線(xiàn)交點(diǎn)橫坐標(biāo)= F D0.164 f Rq理論板數(shù)計(jì)算：先交替使用相平衡方程（4-1）與精餾段操作線(xiàn)方程（4-2）計(jì)算如下y==0.8814→=0.764（相平衡）1 D 1y=0.799→=0.6322 2y=0.686→=0.4863 3y=0.562→=0.3574 4y=0.452→=0.2635 5y=0.372→=0.2046 6y=0.322→=0.1717 7y=0.294→=0.152＜x8 8 f第8板為加料板。以下交替使用提餾段操作線(xiàn)方程（4-3）與相平衡方程（4-1）計(jì)算如下=0.1528y=0.170→=0.0814（相平衡）9 9y=0.091→=0.041710 10y=0.047→=0.020911 11y=0.0233→=0.010212 12y=0.0113→=0.0049213 13y=0.0267→=0.0023514 14y=0.00254→=0.0011015 15y=0.00114→=0.000606﹤16 16總理論板數(shù)為16塊，精餾段理論板數(shù)為7塊。4.2.2實(shí)際塔板數(shù)的確定1.理論塔板數(shù)N的求取T表4.1常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系溫度/℃液相氣相溫度/℃液相氣相溫度/℃液相氣相1000.000.0082.70.2340.54579.30.5730.68495.50.0190.17082.30.2610.55878.740.6760.73989.00.0720.38981.50.3270.58378.410.7470.78286.70.0970.43880.70.3970.61278.150.8940.89485.30.1240.47079.80.5080.65684.10.1660.50979.70.5200.660板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體及流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的程度。板效率計(jì)算可用奧康奈爾公式ET0.49(L)0.245[10]其中：——塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度；L——塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度mPas1.利用表4.1中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得t、t、t F D W 89.086.7 t89.0Ft：0.0720.0970.08910.072t=87.41℃ F F 78.1578.41 t78.15Dt：0.8940.7470.88140.894t=78.17℃ D D 10095.5 t100Wt：00.0190.000780t=99.82℃ W W tt 87.4178.17tF D82.79℃精餾段平均溫度：1 2 2 tttF W93.61℃提餾段平均溫度：2 2 2.精餾塔平均組成：可以由平均溫度計(jì)算精餾段:由t182.79℃84.182.782.7982.7可得液相組成x:,x0.2294 10.1660.234x10.234 1 84.182.782.7982.7氣相組成y: ,y0.54220.5090.545y10.545 1 提餾段：由t293.61C95.589.093.6189.0可得液相組成x: ，x20.03440.0190.072x20.072 95.589.093.6189.0氣相組成y: ，y0.2337 20.1700.389y20.389 2 3.相對(duì)揮發(fā)度x0.2294y0.5422精餾段揮發(fā)度：由A，A0.7706x0.4578 得B ，B x 0.54220.7706所以：AB3.98 yBxA0.45780.2294 （4-4）x'0.0344y'0.0.2337提餾段揮發(fā)度：由A ，A得x'B0.9656，y'B0.7663所以：'yA'xB'0.23370.96568.56yB'xA'0.76630.0344 4.實(shí)際塔板數(shù)精餾段已知：3.98，L10.3643mPas所以：E0.49(3.980.3643)0.2450.447NP精N 7T 15.6（4-5）E 0.447TT故：N16塊P精提餾段已知：'8.56，L20.3009mPas所以：E'T0.49(8.560.3009)0.2450.389 N' 91NT20.6 P提E' 0.389T故：N21塊P提全塔所需實(shí)際塔板數(shù)： NNN 162137塊P P精 P提全塔效率： N 161ET100%40.5% TN 37P加料板位置在第17塊塔板。4.3精餾塔操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算1.平均壓力Pm取每層塔板壓降為0.7KPa精餾塔塔頂?shù)膲毫?KPa(表壓)塔頂：P=101.3+4=105.3KPa加料板：P=105.3+0.716=116.5KPa D F塔底：P=116.5+60.7=131.2KPaW精餾段平均壓力Pm1=（105.3+116.5）/2=110.9KPa提餾段平均壓力Pm2=（116.5+131.2）/2=123.85KPa2.平均溫度由上述計(jì)算知精餾段平均溫度為82.79℃提餾段平均溫度為93.61℃3.平均密度1a a 為平均相對(duì)分子質(zhì)量）(4-6)已知：混合液密度：AB（a為質(zhì)量分?jǐn)?shù)， L A BPM混合氣密度：m(4-7)vRTm精餾段：t182.79℃由上述計(jì)算知精餾段液相組成x=22.94%氣相組成y=54.22%1 M460.229418(10.2294)24.42kg/kmol L1M460.542218(10.5422)33.18kg/kmolV1提餾段：t293.61℃由上述計(jì)算知提餾段液相組成x=3.44%氣相組成y=23.37%2所以M460.034418(10.0344)18.96kg/kmolL2M460.233718(10.2337)24.54kg/kmolV2表4.2不同溫度下乙醇和水的密度溫度/℃/(kgm3)c/(kgm3)w80859095100735730724720716971．8968．6965．3961．85958．4由上表可得出不同溫度下水和乙醇的密度（單位：kgm3）。t182.79℃ 8580 82.7980968.6971.8乙735,732.21kg/m3乙 8580 82.7980 ,970.01kg/m3968.6971.8971.8水水同理：t293.61℃，,721.11kg/m3,962.81kg/m3乙 水在精餾段：液相密度： 1 0.229446/0.2294461810.229410.4321 ,851.06kg/m3 732.21 970.01 L1L1汽相密度：PM123.533.18m 1.38kg/m3v1RT 8.314（273.1582.79）m在提餾段：液相密度： 1 0..34446/0.0344461810.034410.08345 ,936.62kg/m3 721.11 962.81 L2L2汽相密度：PM143.824.54m 1.16kg/m3v2RT 8.314（273.1593.61）m4.混合液體表面張力二元有機(jī)物-水溶液表面張力可用下列公式計(jì)算公式：1/41/41/4(4-8)m SW W S00xV xV 注： W W ， 00 WxVxV 0xVxV W W 00 W W 00xVxV，S00 SW SW S S0 VSq Tq W0ABQ,AlgSW2,1WBlg(w),Q0.441q0V02/3V2/3 SW S0S0式中，下角標(biāo)w、o、s分別代表水，有機(jī)物及表面部分；x、x指主體部分的分子 W 0數(shù)；V、V指主體部分的分子體積；、為純水、有機(jī)物的表面張力；對(duì)乙醇q=2 W 0 W 0精餾段：t182.79℃表4.3不同溫度下乙醇和水的表面張力 溫度/℃ 乙醇表面張力/水表面張力/（103Nm1）（103Nm1）701864.38017.1562.69016.260.710015.258.8 m 18Vw21.15cm3/molmw 851.06 m 46Vo 40.35cm3/molo1.14o 9080 16.217.15乙醇表面張力： 得：16.8859082.7916.2 乙醇乙醇 9080 9082.79水表面張力：得：62.07060.762.660.7水水 2 (xV)2 1xV2wxV(xwVwXV)xVXVowxV o oo w w oo oo w w oo(10.2294)21.1521.46 0.229440.35(0.770621.150.229440.35) 因?yàn)閤=0.2294,所以x=1-0.2294=0.7706 D W2Blg(w)lg1.460.146 o qV2/3 Q0.441ToqowVw2/3 2 16.88540.0352/3 0.441 62.07021.122/30.930 82.79273.15 2 ABQ0.1640.9300.7662聯(lián)立方程組Algswsc，1 sw sc代入求得sw0.270，so0.7401/40.27062.0701/40.74016.8851/4，m25.99m提餾段：t293.61℃ m 18V'w19.22cm3/molw'936.62w m 46V'o56.17cm3/molo'o0.819 10090 10093.61乙醇表面張力： ，'15.839 15.216.215.2' 乙醇乙醇 10090 10093.61水表面張力： ，'60.014 58.860.758.8' 水水 2 (10.0344)19.222 w 10.720.034456.17(0.965619.220.034456.17)o因?yàn)閤'D0.0344所以x'W10.03440.96562B'lg(w)lg13.781.14o 2 15.83936.662/3 Q'0.441 60.01419.222/30.825 93.61273.15 2 A'B'Q'1.140.8250.315聯(lián)立方程組A'lg'2，2'1sw 'sc sw sc代入求得'0.737，'0.263,1/444.03 sw so m5.液體的粘度t182.79℃，查表得：'水0.3439mPas，醇0.433mPast293.61℃，查表得：'水0.298mPas，'醇0.381mPas精餾段粘度：x（1x）醇1 水 10.4330.22940.3439(10.2294)0.3634mPas1提餾段粘度：x（1x）醇2 水 20.3810.03440.298(10.0344)0.3009mPas26.相對(duì)揮發(fā)度精餾段揮發(fā)度3.98提餾段揮發(fā)度'8.567.氣液相體積流量計(jì)算精餾段：液體回流摩爾流率L=RD=5.7697.62=562.29kmol/h汽相摩爾流率V=(R+1)D=(5.76+1)97.62=659.9kmol/h已知：ML124.42kg/kmol，MV133.18kg/kmol851.06kg/kmol，1.38kg/kmol L1 v1則有質(zhì)量流量：L=ML=24.42562.29=13731.12kg/h1 L1V=MV=33.18659.9=21895.48kg/h 1 V1體積流量： L 13731.12 L= 1 4.48103m3/sS13600ρ3600851.06L1L=L3600=16.13m3/hh1 S1V=V/(3600ρ)=21895.48/(36001.38)=4.4m3/s S1 1 V1V=3600V=15840m3/h h1 S1提餾段：因本設(shè)計(jì)為飽和液體進(jìn)料，所以q1L,=L+qF=562.29+1467.39=1029.68kmol/hV,=V+(q-1)F=659.9kmol/h已知：M18.96kg/kmol，M 24.54kg/kmol L2 V2936.62kg/kmol，1.16kg/kmolL2 V2則有質(zhì)量流量：L=ML'=18.961029.6819522.73kg/h 2 L2V=MV’=24.54659.916193.95kg/h 2 V2體積流量： L 19522.73 L= 2 5.78103m3/sS236003600936.62L2L=3600L=20.84m3/h h2 S2 V 16193.95V= 2 3.87m3/sS2360036001.16V2V=3600V=13932m3/h h2 S24.4塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算4.4.1塔徑1.精餾段取板間距：H=0.45m及板上液層高度h=0.07m則H-h=0.38m T L T L由u（0.6~0.8）u(4-9)maxuCL V(4-10)max V式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出： L 4.48103851.06由橫坐標(biāo)數(shù)值：S1(L1)1/2( )1/20.0253及H-h=0.38m查圖可 V 4.4 1.38 T L S1 V1 25.99知C0.081，負(fù)荷因子：C=C(L)0.20.081( )0.20.085 20 2020 20 851.061.38泛點(diǎn)氣速：CL V0.0852.11m3/smax 1.38V操作氣速：0.70.72.111.477m3/s1 max精餾段的塔徑：4VD S11.95m，T1 1圓整取2.0mD橫截面積：A(T1)23.14m2T 2此時(shí)的操作氣速： V 4.4 'S1 1.294m/s 1A 3.14T2.提餾段取板間距：H=0.45m及板上液層高度h=0.07m則H-h=0.38m T2 L2 T2 L2 L 5.78103936.62橫坐標(biāo)數(shù)值：S2(L2)1/2( )1/20.0424 Vs 3.87 1.16 2 V2 25.99查圖可知，C0.081負(fù)荷因子：C=C(L)0.20.081( )0.20.085 20 2020 20 '' 936.621.16泛點(diǎn)氣速：'CL V0.0852.41m3/smax ' 1.16V操作氣速：0.70.72.411.687m3/s 1 max4V塔徑：D S21.71m T2 2圓整：2mD橫截面積：A'(T2)3.14m2 T 2V 3.87空塔氣速：'S2 1.23m/s2A'3.14T4.4.2塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算1.溢流裝置堰長(zhǎng)lw取l0.65D0.6521.3m w T出口堰高h(yuǎn)：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上液高度[18]h按下式算 w ow(4-11)近似取精餾段2.8416.13 h （）2/30.01520.006m ow1000 1.3出口堰高h(yuǎn)hh0.07-0.01520.0548m w l ow提餾段 2.84 20.84 h' （ ）2/30.01810.006m ow1000 1.3h'h'h'0.07-0.01810.0519m w l ow2.弓形降液管的寬度和橫截面 L A W由W0.65查弓形降液管幾何關(guān)系圖得：f0.0721,d0.124 D A D T TA0.07213.140.226m2則：f W0.1242.00.248m2d驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間：精餾段： AH 0.2260.45 fT 23.11s L 4.48103S1提餾段： A'H 0.2260.45 'f T 17.60s L' 5.78103S1停留時(shí)間5s（滿(mǎn)足要求）3.降液管底隙高度hoT液體通過(guò)降液管底隙的流速一般為0.07～0.25m/s取液體通過(guò)降液管底隙的流速u(mài)=0.15m/so 精餾段 L 4.48103hS10.023m0Lu1.30.15w0提餾段 L 5.78103h'S20.0296m0Lu'1.30.15w 0降液管底隙高度不宜小于0.02～0.025m，本結(jié)果滿(mǎn)足要求。4.塔板布置本設(shè)計(jì)塔徑D2，采用分塊式塔板，以便通過(guò)人孔裝拆塔板。T邊緣區(qū)寬度W：一般為50～75mm，D﹥2m時(shí)，W可達(dá)80～100mm。 C T C安定區(qū)寬度W:對(duì)于浮閥塔，因閥孔直徑較大，W相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大一些，一般對(duì)分塊塔S S板取80～110mm，對(duì)整塊式塔板取60～70mm。本設(shè)計(jì)取邊緣區(qū)寬度W=0.06m安定區(qū)寬度W=0.10m。 C S 開(kāi)孔區(qū)面積Aa=2[R22R2sin1](4-12） 180 R D 2RTW0.060.94m 2 c2DT(WW)1（0.2480.10）0.652m 2 d s 3.14 0.652故Aa2[0.6520.9420.6522 0.942sin1]2.23m2 180 0.945.浮閥數(shù)目與排列精餾段：取F型浮閥，其閥孔直徑d=40mm取閥孔動(dòng)能因子Fo=12，則孔速u(mài)為1 o 01 F 12 0 10.22m/s 01 1.38V1每層塔板上浮閥數(shù)目為： V 4.4NS1 340 d2u 0.7850.04210.2240 0浮閥排列方式采用等腰三角形叉排[19]，取同一個(gè)橫排的孔心距t=75mm則排間距： Aa 1.89 t' 74mm0.075N0.075340考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距不宜采用74mm，而應(yīng)小些，故取t’=65mm，按t=75mm，t’=65mm，以等腰三角形叉排方式作圖，排得閥數(shù)390個(gè)。按N=390重新核算孔速及閥孔動(dòng)能因子 Vs 4.4閥控氣速u(mài)' 8.98m/s 01Nd 0.7853900.042 4 0F'8.981.3810.550閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在9～13范圍內(nèi)u'1.294塔板開(kāi)孔率=1 100%14.1%u' 8.9801提餾段