燃料乙醇蒸馏工段课程设计.doc

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1、目 录评分表 （1）第1章 化工原理课程设计任务书 （5）1.1 设计题目 （5）1.2 设计基础条件 （5） 1.2.1 原料 （5） 1.2.2 产品 （5） 1.2.3 生产规模 （5） 1.3 工作内容及要求 （5） 1.3.1 工艺流程设计 （5） 1.3.2 设备选型及典型设备设计 （5） 1.3.3 车间设备布置设计 （5） 1.3.4 设计说明书及工程图样的编制 （6）第2章 绪论 （6） 2.1 项目概况 （6） 2.2 项目依据 （6） 2.3 项目背景 （6） 2.4 国外有关研究项目 （7） 2.4.1 成功的巴西 （8) 2.4.2 玉米大国美国 （8） 2.4.3

2、我国的发展 （9）第3章 项目简介 （9） 3.1 乙醇燃料的概念 （9） 3.2 项目名称 （9） 3.3 项目简介 （10） 3.3.1 解决能源紧张 （10） 3.3.2 减少环境污染 （10） 3.3.3 能源战略储备 （10）第4章 项目技术简介 （11） 4.1 生物乙醇的原料 （11） 4.1.1 生物乙醇生产的原料概况 （11） 4.1.2 生物乙醇生产的选用原料 （11） 4.1.3 原料的预处理 （11） 4.2 生产燃料乙醇的工艺流程 （11） 4.2.1工艺流程 （11） 4.2.2工艺流程图 （12） 4.3 发酵成熟醪液粗馏与精馏 （14） 4.3.1发酵成熟醪液粗

3、馏与精馏的工艺流程选择 （14） 4.3.2 发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺流程的论证 （14） 4.3.3发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺优化最新研究进展 （14） 4.4 乙醇脱水工艺流程 （15） 4.4.1乙醇脱水工艺流程的选择 （15） 4.4.2 乙醇脱水工艺流程的论证 （16） 4.4.3 乙醇脱水工艺最新研究进展 （17）第5章 工艺技术及主设备设计 （18） 5.1 设计任务 （18） 5.2 设计工艺方案的计算 （18） 5.2.1 粗馏塔的物料衡算与热量衡算 （18） 5.2.2 精馏塔的物料衡算与热量衡算 （19）5.3 无水燃料酒精生产设备的选型 （24） 5.3.1 主要设备

4、粗馏塔与精馏塔的设计与选择 （24） 5.3.2 粗馏塔部分设备参数的计算 （27） 5.3.3 精馏塔部分设备参数的计算 （28） 5.3.4 塔板结构尺寸的确定 （36） 5.3.5 乙醇蒸馏辅助设备 （45） 5.3.6 辅助设备的参数计算 （45）第6章 蒸馏废醪后处理工艺 （47） 6.1燃料酒精发酵副产物主要包括酒糟液 （47） 6.1.1淀粉质原料酒精糟处理液回用技术理论：“三个平衡和一个稳定”理论 （47） 6.1.2 淀粉质原料酒精糟处理液回用技术的应用实践 （48） 6.1.3 工艺流程 （48） 6.1.4 酒精酵母的综合利用 （48）第7章 设计结果概要 （49）第8章

5、 设计评述及结论 （52）第9章 总结感想 （52）附录 （55）参考文献 （55）第1章 化工原理课程设计任务书1.1 设计题目燃料乙醇是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇，以玉米、薯类、纤维素等为原料，经发酵、蒸馏等工艺制成。燃料乙醇作为燃烧清洁的高辛烷值燃料，是最具前景的一种生物质能源，其研究和应用得到广泛关注。本任务是以红薯为原料生产燃料乙醇蒸馏工段的设计。1.2 设计基础条件1.2.1 原料来自于红薯为原料生产燃料乙醇发酵工段的发酵成熟醪。对原料发酵成熟醪的组成要求由各设计组根据本组采用的技术方案自行拟订。1.2.2 产品 产品的规格需满足下游的脱水工段要求。1.2.3 生产规模

6、生产规模为年产10万吨燃料乙醇。1.3 工作内容及要求 1.3.1 工艺流程设计（1）工艺方案选择及论证；（2）绘制物料流程图和带控制点工艺流程图；（3）编制物料及热量平衡计算书。1.3.2 设备选型及典型设备设计（1）典型非标设备精馏塔的工艺设计，编制计算说明书。（2）典型标准设备换热器的选型设计，编制计算说明书。（3）其他重要设备的设计及选型说明。（4）编制设备一览表。1.3.3 车间设备布置设计对主要生产车间进行合理的布置，并对布置方案进行必要的说明；（1）绘制车间平面布置图；（2）绘制车间立面布置图。1.3.4 设计说明书及工程图样的编制（1）对设计内容汇总，按规定的格式编写设计说明书

7、；（2）设计说明书要求用MS-Word编辑，保存为DOC格式；（3）图纸必须要有一张手工图（A1），其他的图纸用AutoCAD绘制。 第2章 绪 论2.1 项目概况 发展燃料乙醇作为清洁燃料是国家发展可再生能源的一条重要途径。国家可再生能源中长期发展规划中提出“到2010年，增加非粮原料燃料乙醇年利用量200万吨。到2020年，生物燃料乙醇年利用量达到1000万吨”。在非粮能源作物中，相比于其他薯类和甜高粱等，红薯具有很多优势，因而现已生产燃料乙醇的几家企业如河南天冠和新批试点的省份如重庆等省市均在大力发展原料红薯。 本项目的目标是为建一座以红薯为原料生产清洁燃料乙醇的化工厂。要求从化学工程的

8、角度分析利用红薯为原料生产清洁燃料乙醇，联产具有较高经济价值和符合可持续发展观念的化工产品，降低现在不可再生资源的利用以及大力发展生物能源的开发和利用。2.2 调研依据化工建设项目可行性研究报告内容和深度规定 2005年10月2.3 项目背景 乙醇俗称酒精，主要以玉米，薯类等含淀粉质植物为原料，经糖化、发酵、蒸馏等工艺提制而成。燃料乙醇是将乙醇进一步脱水，再与汽油调合而成的改进型混合燃料，是可再生能源的重要组成部分，在替代能源，改善环境，促进农业产业化，实现农业增效、农民增收等方面具有重要作用。近年来国际油价持续走高，世界各国都加紧了替代能源的开发和使用，燃料乙醇是人们首先研制成功并应用到生活

9、中的可再生能源之一，在国际形成了用燃料乙醇取代部分汽油的趋势。在我国以生物燃料乙醇为代表的生物能源发展历时5年，取得了阶段性成果，具备了加快发展的条件，已成为关系国计民生的新兴战略型产业。用燃料乙醇取代部分原油，减少原油消费，可以综合解决我国原油短缺、农民增收及环境恶化等热点问题，并且对我国的农业、能源、环保等方面将起到积极的推动作用，具有较好的经济、社会和环境效益。近年来，由于石油、天然气、煤炭等能源的过量开采，我国已面临严重的能源危机，寻找新型可替代能源，成为中国未来能源战略的关键0。人大常委会已审议通过了可再生能源法，燃料乙醇作为重要的再生能源之一成为了政府重点推广的新型能源。在国际原油

10、价格高、国内对石油需求量日益大增的情况下，乙醇汽油的推广和普及对替代和缓解我国石油不足具有重要意义。而下表是美国美国能源信息署（EIA）2007年对我国中远期能源结构的预测:2010年水电、可再生能源能够满足4.9%的能源需求；其中包括生物质能源燃料乙醇发展较快。中国能源需求结构的预测 因此根据国务院关于投资体制改革的决定（国发200420号），本项目属由国务院投资主管部门核准项目。目前国内已投产或即将投产的几家燃料乙醇项目是有的原料为陈化小麦、玉米等。按照国家发改委、财政部关于加强生物燃料乙醇项目建设管理，促进产业健康发展的通知（发改工业20062842号）的要求“因地制宜，非粮为主。重点支

11、持以薯类、甜高粱及纤维资源等非粮原料产业发展”。 目前湖南近邻省市除广东外，重庆、湖北、江西、广西等均已试点生产燃料乙醇，广西中粮已投产。处于这种包围之中，湖南必须与会必然发展燃料乙醇。事实上，湖南省发改委正在积极向国家发改委申请燃料乙醇的试点。湖南省作为全国中部交通枢纽，能源需求虽巨大，但也是能源资源极其紧缺的地方，尽管2005年的销售计划比去年同期增长了15%，但仍无法满足用油增速达20%的要求，预计今后湖南省油品消耗量将更大。面对湖南省油品供应的严峻形势，投资建设燃料乙醇等石油替代品的生产装置，同时采取节约石油资源的措施，势在必行。 燃料乙醇项目的一个发展瓶颈是原料能否满足生产。因此，为

12、保证燃料乙醇的生产，必须发展足够面积和产量的原料。原料作物红薯的大规模生产将拉开帷幕。 而长沙作为湖南的省会城市相对于其他的市区来说有着更好的经济发展以及发达的交通作为后盾，因此在长沙建立工厂是在省内发展清洁能源至关重要的一点。2.4 国内外有关研究项目开发燃料乙醇，国外主要是利用甘蔗（巴西）、玉米（美国）生产燃料乙醇，他们已取得了很大的成绩。2007-2008年各地区燃料乙醇产量统计表 （单位百万加仑）2.4.1 成功的巴西 巴西是世界上唯一不供应纯汽油的国家，而且试验成功完全以乙醇为燃料的汽车和飞机。图12.4.2 玉米大国美国美国是全球粮食和植物油生产生物燃料的领头羊，2007年生产玉米

13、燃料乙醇1.98107 t，生物柴油1.5106 t。并且在2007年底通过的能源独立和安全法2007中明确了到2022年生物能源产品达到1.1108 t，这对世界粮食和食用油的影响都是负面的。图22.4.3 我国的发展 我国不能照搬巴西和美国的做法，最初的国家新建的燃料乙醇项目是以消化陈化粮（玉米）为原料，现在陈化粮已用完。我国是世界人口大国，人均耕地面积不多，粮食必须立足自给自足，如果大量的用粮食生产燃料乙醇，势必产生粮食危机，这是绝对不允许的，而且国家已明令禁止新批粮食生产燃料乙醇项目。所以我国开发燃料乙醇，必须坚持“不与人争粮”、“不与粮争地”的方针。那么，生产燃料乙醇的原料主要靠甘蔗

14、、甜菜、甜高粱、木薯、红薯、马铃薯等非粮能源作物。在这些非粮能源作物中，红薯堪称能源作物之王。第3章 项目简介 3.1 燃料乙醇的概念 燃料乙醇，一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。乙醇俗称酒精，它以红薯、玉米、小麦等为原料，经发酵、蒸馏而制成，将乙醇经过不同形式的变性处理后成为变性燃料乙醇。变性燃料乙醇是以淀粉、糖质为原料，经发酵、蒸馏制得的乙醇，脱水后再添加变性剂而得。加变性剂后水分应小于0.8%，不可食用。3.2 项目名称以红薯为原料生产年产10万吨的燃料乙醇项目。3.3 项目简介乙醇是重要的基础化工原料，在化工、医药、食品和能源

15、等工业中有着广泛应用。随着全球石油资源日益紧缺，燃油供应日趋偏紧，价格日见上涨。燃料乙醇，作为一种能减少燃油消耗并可替代其功能的新型产品，早在上世纪中期就得到许多发达国家的关注和重视，并积极开展了由可再生物质来生产乙醇的研发工作，而且早在上世纪70年代该产品就已经在某些国家的燃料市场上得到大量使用。目前，在巴西、美国和欧洲一些国家，燃料乙醇业已大量掺入汽油中使用，其不仅可以提高燃料的辛烷值、压缩比和抗震性，降低汽油的消耗，而且还可减轻大气污染、保护环境。本项目是以红薯为原料，来生产燃料乙醇，项目设计生产规模为年产燃料乙醇10万吨。3.3.1 解决能源紧张根据联合国能源组织的评估，地球的石油储量

16、再有50年左右将基本耗尽我国将比这一时间还短，只有大约30年。液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。再此背景下，生物质作为唯一可转化为液体的可再生资源，正日益受到重视。地球上的生物资源十分丰富，估计其年产量相当于目前所需能源的10倍，但目前作为能源利用的还不多1%，故生物质制的液体燃料的技术很有发展前途，其中又以生物质制燃料乙醇最易工业化，是人类可以利用的大宗能源之一。与普通汽油相比，乙醇以其燃烧更完全、CO排放量较低、燃烧性能与汽油相似等优良特性，被誉为21世纪的“绿色能源。3.3.2 减少环境污染 使用乙醇汽油作为燃料，可以明显降低汽车废气的排放，有效改善大气环境质量。目前世界上汽车对乙醇

17、汽油的使用方法一般有两大类：(1)用汽油发动机的汽车，酒精加入量为5-22%；(2)专用发动机的汽车，酒精加入量为85-100%。这样汽车就可以降低一氧化碳排放量约30-38%，挥发性有机化合物(VOC)约12%，氮氧化物排放量约略有上升(绝对量极少)，有害物质排放平均降低1/3以上。可以看出，用酒精作增氧剂，可显著降低汽车尾气中的有害物，起到净化空气的功效。3.3.3能源战略储备纵观全球目前的发展情况，我国是石油大国但石油储备量却相当不足，一旦发生战争我国的能源储备将面临严峻的考验，因此发展可代替能源刻不容缓用以减少我国的石油消耗。 第4章 项目技术简介4.1 生物乙醇的原料4.1.1 生物

18、乙醇生产的原料概况生产燃料乙醇的原料是能将那些糖类或经过处理能够分级成单糖或寡聚糖。目前，使用的主要原料是，糖类生物质，淀粉类生物质，甜高粱茎秆汁液，废糖蜜、甘蔗和甜菜，纤维类生物质。现在国内外常用的原料有玉米、小麦、甜高粱、甘蔗、木薯等，使用红薯的并不多见。其实红薯是单位面积产能量最高的生物质原料，以湖南永州市为例，其培育的良种红薯超然“996”一般亩产7500公斤，最高亩产15000公斤，淀粉含量28.77%，按测算每公顷可产95度燃料乙醇8吨以上，玉米每公顷仅产3.5吨，甜高粱、甘蔗、木薯每公顷产5吨。由此可见，选择单位面积产量高、淀粉含量高的良种红薯作为乙醇的生产原料是发展燃料乙醇的首

19、选方案。4.1.2 生物乙醇生产的选用原料 红薯为淀粉质原料，因红薯中的淀粉含量较高，大约为26%，而一份淀粉可转化为1.08份葡萄糖（经验系数），一份葡萄糖可产95%以上的乙醇0.46份（经验系数）。4.1.3原料的预处理 将红薯与水按2:1的比例，在126 、pH 2.5条件下预处理5 min，液化，糖化时加入果胶酶40 U/g醪液, 纤维素酶0.5 U/g醪液. 糖化2 h后, 醪液DE值最高可达99.3，粘度4.5104 mPa.s，而采用传统糖化工艺，糖化2 h后，醪液DE值仅为85.8，粘度大于1.0105 mPa.s。此预处理方法也可用于快速糖化不加水的醪液. 经预处理，糖化2

20、h，醪液DE值可达97.6，而对照仅为76.6。4.2 生产燃料乙醇的工艺流程4.2.1 工艺流程总工艺流程 鲜红薯 红薯干 鲜红薯原料处理 红薯干原料处理 淀粉浆 淀粉浆 液化酶、糖化 酶、硫酸 蒸煮液化、糖化工段 糖化醪 水 CO2气体回收 酵母 发酵工段 CO2气体 洗涤塔 发酵成熟醪液 淡酒 杂醇油 蒸馏工段 酒槽 精制乙醇蒸汽 分子筛脱水工段 液体燃料乙醇（中间产品） 燃料乙醇贮罐 汽油 调配 燃料乙醇成品4.2.2 工艺流程图1. 粗馏阶段工艺流程图图32. 精馏阶段工艺流程图图44.3 发酵成熟醪液粗馏与精馏 4.3.1发酵成熟醪液粗馏与精馏的工艺流程选择两塔气相过塔蒸馏是成熟发

21、酵醪经预热器与精馏塔的酒精蒸汽进行热交换（充分利用了热能，节省了预热发酵醪的加热蒸汽和冷却精馏塔的酒精蒸汽的冷却水），进入粗馏塔顶部进行蒸馏，从塔底排除的酒糟可以用来喂养畜牲，粗酒精直接以气相进入精馏塔，不经过冷却，节省了冷却水。精馏过程中，酒精蒸汽回流一部分依靠冷凝器与冷却水进行交换，一部分利用预热器与成熟发酵醪进行热交换。 发酵成熟醪经预热器（热交换器）与精馏塔的酒精蒸气进行交换，加热至55度左右后直接进入粗馏塔的顶部。醪塔底用直接蒸气加热，酒精含量为30%（体积分数）左右的酒精水蒸气从醪塔顶部引进精馏塔的中部，酒精糟由醪底排出。精馏塔也采用直接蒸气加热的方式，其产生的废热水可以循环以加热

22、发酵醪液。酒精蒸气从塔顶顺次经过成熟醪的预热器和冷凝器，预热器和冷凝器的冷凝液全部回入精馏塔作为回流。如此不断地进行着部分冷凝，部分蒸发的过程，从而使酒精浓度得到提高。注入精馏塔顶的回流液是由精塔顶蒸发排出的气体，经过各冷凝器逐级冷却回流到精塔顶的。一些比酒精更易挥发的杂质，如甲醇，乙醛等，则从冷凝器直接排出。4.3.2 发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺流程的论证液相过塔流程是成熟醪经预热器之后进入粗馏塔，在塔内被加热，酒精蒸发，在冷凝器冷凝成液体后，或直接流入精馏塔或回流到粗馏塔再由粗馏塔顶层塔板液相取料至精馏塔。液相过塔（间接式）方案与直接式相比，多了一套醪塔冷凝系统，一次性投资相应增加，蒸汽及

23、冷却水耗量比直接式要大，从能源角度讲，不经济。单塔系酒精蒸馏组，即用一个塔从发酵成熟醪中分离获得酒精成品，它适用于对成品质量与浓度要求不高的工厂。他的缺点有难以分离更多的杂质，酒精质量差，塔设备厂房偏高，不经济，酒糟含水量大，处理困难，如将原液作为饲料，运输不便。而三塔及多塔系是为了获得高纯度酒精或食用级酒精，而我们制备的燃料酒精乙醇浓度为92.1%,不需要花高投资和大量能耗来生产。两塔差压蒸馏虽然说是可以充分利用固定冷热源之间的过剩温差，从而降低了有效能量的损失，使得总能量逐渐降低，充分利用了各级品位的能量，提高了蒸馏系统的热力学效率。但是从实际情况考虑，年产2万吨燃料乙醇的小规模生产，采用

24、该套设备，一次性投资太大，管道太复杂，维修清洁等都不经济。粗馏塔和精馏塔的加热方式是用一次蒸汽直接加热。即把从锅炉来的一次蒸汽通入馏塔塔釜，通入管道要设计好多股抛器以使蒸汽分布均匀。蒸汽直接加热效率高，但蒸汽质量要纯净，以免影响酒精质量。4.3.3发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺优化最新研究进展燃料乙醇的精馏脱水工段能耗占整个燃料乙醇生产过程的50%80%。随着燃料乙醇计划的实施，如何高效节能地制备燃料乙醇成为一个迫切需要解决的问题国内外专家学者做了大量的调查、分析，找出了系统用能中存在的问题，指出了节能的方向和途径将工业乙醇生产的一级精馏系统和燃料乙醇生产的加盐萃取精馏系统合并作为一个整体考虑其用

25、能问题采用有效能分析法找出系统能耗高的问题所在，为进一步制定节能措施提供依据7许天开等将该塔的进料段以上的“精馏段”(或称浓缩段) 移植于去掉顶盖的醪塔顶之上, 通过耦合段( 过渡段) 而成为复合塔; 而将醪塔当作精塔的耗竭段( 或称脱水段) 。如此结构可有机地互补, 相辅相成, 达到高效节能8。在蒸馏塔的塔型选择上，规整填料塔有以下优点1)压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/51/6；2)热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，

26、适应性强。负荷调节范围可以在30%110%，筛板塔的调节范围在70%100%；4)液体滞留量少，启动和负荷调节速度快； 5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07 MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5%左右；6)塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，提取率提高10%15%规整填料塔规整填料由厚约0.22 mm的金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸气相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面积约是填料为筛板的30倍，液氧持留量仅为筛板的35%40%。而且，因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3，填料垂

27、直排列，不存在水平方向浓度梯度的问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气体穿过填料液膜的压差比穿过筛板液层的压差要小得多，约只有50 Pa。上塔底部压力的下降，必然可导致下塔压力降低，进而主空压机的出口压力相应降低，使整套空分的能耗降低。同时，规整填料液体的滞留量小，因此，对负荷变化的应变能力较强。规整填料精馏塔一般分为35段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为110160mm，而规整填料的等板高为250300 mm，因此填料塔的高度会增加。一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于50 mg/m2。当

28、然，规整填料的成本要比浮阀塔高，价格较贵，塔身也较高且技术不是太成熟，所以相比之下本次设计还是选择浮阀塔910。4.4 乙醇脱水工艺流程4.4.1乙醇脱水工艺流程的选择脱水工艺流程图图5 原料为95%（体积分数）的乙醇蒸气，通过再沸器加热，在适当压力下分子筛塔A的顶部，然后沿塔向下运动，边进入，边脱水，脱水后60%85%无水乙醇蒸气在底部排出。其余的无水乙醇蒸气用于分子筛塔B中的分子筛的脱水再生。分子筛塔B处于负压状态，以利脱水。两个分子筛塔如此周期性切换，通过调整压力、温度、流速完成吸水和再生。当分子筛塔由吸水转为再生时，顶部进口的压力缓慢下降；两个分子筛塔切换后，作为具有脱水功能的分子筛塔

29、“压力上升”到分子筛吸水时的压力，另外一个分子筛塔在负压条件下压力降低至分子筛自身的脱水压力，这样分子筛自身不断地重复吸水和再生的循环。通常已再生的分子筛塔脱除气相原料（95%乙醇蒸气）中的水仅需要310min。4.4.2 乙醇脱水工艺流程的论证乙醇分子筛脱水技术在燃料乙醇工业上已经大规模应用，至今已成为燃料乙醇生产的首选脱水技术。分子筛脱水技术具有以下优点：产品质量高（分子筛本身纯净、脱水过程中不会带入其他杂质），脱水能力强，乙醇脱水后其浓度最高可达到99.995%（体积分数）；分子筛使用寿命长，正常操作条件更换周期可达5-7年；95%（体积分数）乙醇单程回收率可以达到85%；按分子筛的脱水

30、原理以及设备结构特点可以保证无故障操作，年连续工作时间可达到300天以上；设备紧凑，占地面积少，流程短，投资少；操作温度低，能耗低，在不考虑与其他生产工艺过程集成而进行能量综合利用的前提下，能耗小于560 kJ/h乙醇；因分子筛脱水是一个物理过程，不会引起环境污染和造成“三废”排放问题；计算机自动化控制，每班只需要1名操作人员。4.4.3 乙醇脱水工艺最新研究进展1.渗透蒸发或称渗透汽化（Pervaporation，简称PV） 该技术的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务。它特别适于传统精馏方法难于分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有

31、机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势；还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，使反应转化率明显提高。所以，渗透蒸发技术在石油化工、医药、食品、环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场，国际学术界的专家们称之为二十一世纪最有前途的高技术之一。渗透蒸发法制备无水乙醇时，原料的含水量原则上没有限制，通常为5%20%。为使过程保持高的渗透通量，通常采用较高的料液温度和较低的膜后侧压力。料液温度一般为60 120 ，膜后侧压力为5002000 Pa，冷凝温度为-20 。Lurgi公司以及膜专家Sander和Soukup在其先后的研究中得到的工

32、业数据显示，从94%的乙醇/水溶液制备99.9%的无水乙醇时，与传统的恒沸精馏法比较，渗透汽化的操作费用要节省60%。但一套渗透气化装置投资较高，有数据表示，就一个年产5万6万吨燃料乙醇的工厂来说，仅一套渗透气化装置的投资回收期就需要11.5年，因此，目前国内应用此技术的企业仍然较少。2.生物质吸附法 常华等9发现乙醇和水的混合气相在稻谷粉和玉米粉上吸附时，乙醇吸附量远小于工业上允许的乙醇损失量(0.5)，研究表明，在操作中存在一个最佳气速，使吸附性能最佳。马晓建等10使用恒温固定吸附床对乙醇蒸气脱水的生物质吸附剂的吸附性能进行研究，考查了床层温度、进料浓度、表观气速和吸附剂粒径对吸附性能的影

33、响，结果表明，降低床层温度、减小粒径、增大停留时间都将有利于吸附操作。张琳叶等11研究发现红薯吸附剂具有良好的吸附性能，可用于吸附法制无水乙醇。吴勇12董科13对燃料乙醇专用吸附剂进行了热力学和含水乙醇气相吸附脱水研究，利用小麦粉和玉米粉为主要原料经粉碎造粒制备的燃料乙醇专用吸附剂，用反气相色谱法来研究不同粒度和温度对吸附性能的影响，其结果表明，在70C一150 范围内，温度越低越有利于吸附，在80140目粒度内，粒度越小吸附的效果越好。同时，Vareli等14发现吸附后的生物质解吸再生也较容易，最终不能再使用的吸附剂，还可以作为饲料或酿酒的原料，对环境不会造成污染。 因此，生物质吸附法是最有

34、前景的分离方法，它具有原料来源广泛、能耗低、无污染的特点。一方面，生物质既是发酵法生产乙醇的原料，又是吸附剂；另一方面，用作吸附剂再生失效后可直接作发酵原料，能够节省大量的能耗，从传统的6 MJkg9 MJkg，降低为4 MJkg，是一种符合可持续发展战略的“清洁工艺”。我国目前正在大力推行“燃料乙醇”计划，在生物质吸附法制备无水乙醇的热力学、动力学、工业应用等方面的研究已经取得了一定的进展，但是对其吸附机理及利用薯类等非粮食类作物作为吸附剂还有待进一步的研究，而且在吸附实验数据的基础上，应该进行工业生产应用的研究以及研发相应的吸附工艺和设备，以实现生产过程的连续化。第5章 工艺技术及主设备设

35、计5.1 设计任务（1）原料液（成熟发酵醪年产：12477 Kg/t）乙醇含量7.14%（质量分数） 发酵醪液组成: 含水约85%（质量分数）、干物质约7.3%（质量分数）甲 醇约2%（体积）、杂醇油约0.3%-0.6%（体积）（2）精馏塔中产品乙醇含量不低于94%（3）塔底残液中乙醇含量不高于0.3%（4）生产能力为年产10万吨99.5%的无水乙醇产品5.2 设计工艺方案的计算5.2.1 粗馏塔的物料衡算与热量衡算 本工段设计进入醪塔酒精质量分数为7.14%，出醪塔酒精质量分数为30%.醪液预热至55 ，进入醪塔蒸馏，已知酒精沸点92.4 ，取上升蒸汽浓度为30%（v），即25.46%（w）

36、。设塔顶温度75 ，塔底温度85 ，塔顶上升蒸汽热焓量i=2045 kJ/kg。加热蒸汽取0.05 MPa绝对压力，查表知热焓量I=2644 KJ/kg。醪塔的物料和热量平衡图馏出液流量 V 热损失 Q成熟醪液 F醪 塔加热一次蒸汽 D蒸馏残液 W + D图6总物料衡算： F + D = W + V + D 即 F = W + V 酒精衡算式： 式中：XF成熟发酵醪内酒精含量%(W)，XF=7.14%。 XD塔顶上升蒸汽中酒精浓度%(W)，XD =25.46%。 XW塔底排出废糟内的酒精浓度%(W)，塔底允许逃酒在0.03%以下，取XW=0.03%。热量衡算式： 式中：CF成熟发酵醪液比热KJ

37、/(kgh)，CF=3.98 KJ/(kgh) CW塔底釜残液比热KJ/(kgh)，CW =4.04 KJ/(kgk) Ce -上升蒸汽比热KJ/(kgh)，Ce =4.18 KJ/(kgk) tF 成熟发酵醪进塔温度 ，tF =55 tW塔底釜残液温度， tW=85 F成熟发酵醪液进塔流量kg/h，F=34658.336 (kg/h)取热损失Q=1DI联立方程式解得：V=48396.2925（kg/h），W=124895.3875（kg/h），D=45960.6978（kg/h）一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为：G=W+D=124895.3875+45960.6978=170856.084（kg/h）粗馏塔热量衡算：Q1=FCFtF=173291.683.9855=3.79335107 KJ/hQ2=DI=45960.69782644=