酒精提纯初步方案的制定

酒精提纯初步方案的制定一、酒精的性质和用途二、发酵法酒精生产工艺三、酒精提纯工艺四、总结提高一、酒精的性质和用途酒精的化学名称是乙醇，分子式为C2H5OH，相对分子质量46.07。是无色透明、易挥发、具有特殊芳香和强烈刺激味的易燃液体。乙醇蒸汽与空气可形成爆炸性混合物。酒精在国民经济中占有重要的地位，特别是对食用酒和燃料酒精的需求很大。酒精的用途按需求量多少可分为三方面：燃料酒精、食用酒精和化工医药用酒精。酒精的性质酒精的用途原料的种类发酵法酒精生产工艺：以淀粉（红薯干或者玉米）为原料，经处理、蒸煮、糖化、发酵、粗馏、精馏而成。二、发酵法酒精生产工艺用于生产酒精的淀粉原料主要有：薯类（甘薯、马铃薯、木薯、山药等）；粮谷类（高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍等）；糖质原料（甘蔗、甜菜、糖蜜等）；野生植物（橡子仁，土茯苓、蕨根、石蒜等）；农产品加工副产品（米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等）；纤维质原料（秸秆、甘蔗渣等）等。原料的的除杂原料的粉碎原料的输送原料处理泥沙、石块和金属杂质除杂方法有筛选、风送除杂和电磁除铁三种原料经粉碎后，受热面积可增加，利于淀粉原料的吸水膨化糊化粉碎方法有干法和湿法粉碎两种原料输送方法有机械输送，气流输送和混合输送3种蒸煮在高温高压条件下进行蒸煮，使植物组织和细胞彻底破裂，淀粉由颗粒变成溶解状态的糊液，目的是使它易受淀粉酶的作用，把淀粉水解成可发酵性糖。通过高温高压蒸煮后，对原料进行了灭菌作用。温水蒸汽↓↓原料→除杂→粉碎→拌料→泵→蒸煮→成熟蒸煮醪送入糖化锅糖化糖化的目的是将淀粉水解成可发酵性糖。糖化的基本工艺流程：蒸煮醪冷却至糖化温度→加糖化剂使蒸煮醪化液→淀粉糖化→物料巴氏灭菌→糖化醪冷却到发酵温度→用泵将醪液送往发酵或酒母车间发酵酒精发酵的目的是可发酵性糖在酵母菌的作用下，转变为酒精和二氧化碳，获得酒精产品。蒸馏发酵成熟醪的化学组成一般为：含水82%~90%，酒精7%~11%还含有醇、醛、酸、酯等挥发性物质，浸出物、无机盐、酵母泥和其他不挥发性物质以及夹杂物。要得到高浓度和高纯度的酒精，就需要用蒸馏和精馏的方法，把酒精从成熟醪中分离出来。三、酒精提纯工艺蒸馏的基本原理蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性的不同而分离组成的方法。通常把酒精和其他挥发性杂质从发酵成熟醪中分离出来的过程，称为蒸馏，也称为粗馏。蒸馏所得到的是含挥发性杂质较多的粗酒精，所用的设备称作醪塔，也称粗馏塔。从塔底排出的废液称为酒糟，其主要成分是水和少量不挥发性物质。三、酒精提纯工艺蒸馏的基本原理除去混在粗酒精中的挥发性杂质和一部分水，进一步提高酒精浓度和纯度的操作过程，称为精馏。精馏有的结果可以得到各种符合产品质量要求的酒精（医药酒精或精馏酒精），所用的设备称为精馏设备。精馏设备除了精馏塔以外，还要视其产品质量要求，安装排醛塔（也称分馏塔）或甲醇塔等。四、总结提高蒸馏分离的目的和依据•目的：对液体混合物的分离，提取或回收有用组分•依据：液体混合物中各组分挥发性的差异液体混合物：(如:酒精水溶液)挥发性大（乙醇），称为易挥发组分或轻组分（A）挥发性小（水），称为难挥发组分或重组分（B）蒸馏过程的分类简单蒸馏按蒸馏方式：平衡蒸馏精馏常压蒸馏按操作压力：加压蒸馏减压（真空）蒸馏按物系的组分数双组分蒸馏多组分蒸馏间歇蒸馏连续蒸馏按操作方式：普通蒸馏特殊蒸馏按分离难易：BBBAAAxppxpp00pA，pB——溶液上方A、B组分的分压，Pa；pA0，pB0——溶液温度下纯组分的饱和蒸汽压，Pa；xA，xB——液相中A、B组分的摩尔分率。对于理想溶液：1.拉乌尔定律（Raoult’sLaw）7.2.1气液相平衡第二节双组分溶液的气液相平衡BBBAAAxppxpp00)1(0000ABAABBAABAxpxpxpxpppp000BABAppppx2、道尔顿分压定律：——泡点方程液相组成x与温度（泡点）的关系气相组成yA与温度（露点）的关系00000BABAAAAppppppxppy——露点方程AApypBBpyp3、组成~温度图（t~x~y图)两条线：气相线（露点线）yA~t关系曲线液相线（泡点线）xA~t关系曲线三个区域：液相区气、液共存区气相区4、x~y图•对角线y=x为辅助曲线•x~y曲线上各点具有不同的温度；•平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，物系越易分离。7.2.2挥发度与相对挥发度组分的挥发度:是该物质挥发难易程度的标志，表示。pA、pB——汽液平衡时，组分A,B在气相中的分压；xA、xB——汽液平衡时，组分A,B在液相中的摩尔分率。BBBAAAxpxp,混合液某组分挥发度:1.挥发度理想溶液则:oBBBoBBBBoAAAoAAAApxxpxppxxpxp2.相对挥发度(以α表示)BBAABAxpxp理想气体：BBAAxyxy一般物系：对于二元物系：yB=1-yAxB=1-xA即xxy)1(1——相平衡方程00BApp理想溶液：4.平均相对挥发度釜顶m3.α的物理意义•气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比的倍数•α标志着分离的难易程度:•α愈大,平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；•α=1,无法用普通蒸馏方法分离。7.2.3非理想溶液1.具有正偏差的溶液正偏差溶液：x=0.894，最低恒沸点，78.15℃乙醇－水溶液相图硝酸－水溶液相图负偏差溶液：x=0.383，最高恒沸点，121.9℃2.具有负偏差的溶液7.3.1简单蒸馏和平衡蒸馏一.简单蒸馏1.装置第三节蒸馏与精馏原理二.平衡蒸馏(又叫闪蒸)1.流程2、特点:•一次进料，粗分•xD,xW是一对平衡组成进料板：原料液进入的那层塔板精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段7.3.3连续精馏装置流程１.连续精馏装置2、塔板的作用•塔板提供了汽液分离的场所。•每一块塔板是一个混合分离器•足够多的板数可使各组分较完全分离特点：回流的作用：提供不平衡的气液两相，是构成气液两相传质的必要条件。精馏的主要特点就是有回流3、精馏过程的回流回流包括：塔顶回流液(液相）塔底回流汽（气相）塔顶液相回流：（1）泡点回流（全冷凝）。冷凝成饱和液体。（2）冷液回流。冷凝成低与饱和温度下的液体。（3）分凝器产生液相回流（部分冷凝）。得到平衡的气液两相，其中液相组成回流。塔釜气相回流7.3.4理论板的概念和衡摩尔流的假设理论板：离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板。假设：（1）、两组分的摩尔汽化潜热相等；（2）、两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计；（3）、塔设备保温良好，热损失可以忽略不计。2、恒摩尔流的假设1、理论板的概念精馏段，每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：V1=V2=……V=常数V1’=V2’=……V’=常数式中：V------精馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h;V’-----提馏段上升蒸汽的摩尔流量，kmol/h。（1）恒摩尔汽化精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都相等，提馏段也一样。即：L1=L2=······L=常数L1’=L2’=······L’=常数式中：L------精馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h;L’-----提馏段下降液体的摩尔流量，kmol/h。（下标1、2······表示自上而下的塔板序号。）（2）恒摩尔溢流第四节恒沸精馏与萃取精馏前述普通精馏方式是以溶液中各个组分的挥发度不同作为分离的依据，若各组分的挥发度差异越大（即相对挥发度越大），越易分离。但工业生产中需要分离的溶液，也有不少其挥发度很接近或具有恒沸点（最高或最低恒沸点），对于这类溶液的分离，用前诉的普通精馏方式就难以实现。例如：乙醇—水溶液在总压p=1atm时有最低恒沸点78.15℃，恒沸物组成摩尔分率0.894（重量百分率为95.6%），用前述普通精馏方法，最多只能分离得到接近恒沸组成的酒精，这就是工业酒精中含乙醇只能达到95%（重量百分率）的原因。那么，要得到无水酒精怎么办？理论上可采用降低总压的方法，，，，当时，,℃，塔顶上升蒸汽在冷凝器中不能用水将之冷凝下来，必须使用人工制冷，能耗大，一般不用。若两组分的沸点很接近相对挥发度很小，如苯—环己烷的沸点分别为80.1℃和80.8℃，也很难用普通精馏方法将其分离。用普通精馏难以分离的物系必须采用特殊精馏的方法分离。特殊精馏的基本原理是：在双组分溶液中加入第三组分，以改变原双组pMxMtatmp125.099.0Mx34Mt分物系的非理想性或提高其相对挥发度而实现分离。根据第三组分所起作用的不同，又可分为恒沸蒸馏和萃取精馏。恒沸精馏（1）三组分恒沸精馏在A、B双组分恒沸溶液或相对挥发度很小的双组分溶液中加入称为挟带剂的第三组分C，此挟带剂C与原溶液中一个或两个组分形成新的恒沸物（AC或ABC），新的恒沸物的沸点比纯组分B（或A）或原恒沸物（AB）的沸点低得多，使溶液变成“恒沸物—纯组分”的精馏，其相对挥发度大而易于分离。例如：乙醇-水恒沸物+苯（挟带剂）→乙醇-水-苯三元恒沸物+纯乙醇A+B（AB）+C→（ABC）+A（ABC）组成：A（乙醇）0.228，B（水）0.233，C（苯）0.539（ABC）中水对乙醇摩尔比，故只要有足量的苯作为挟带剂，在精馏时水将全部集中于三元恒沸物（ABC）中从Ⅰ塔塔顶带出，而I塔塔底产品为无水酒精，其流程见图，Ⅱ塔用于回收苯，Ⅲ塔用于回收乙醇。作为挟带剂的苯在系统中循环使用，补充损失的苯量在正常情况下低于无水酒精产量的千分之一。除苯以外，乙醇—水溶液恒沸精馏的挟带剂还xx022.1228.0233.0可以用戊烷、三氯乙烯等。（2）恒沸精馏挟带剂的选择在恒沸精馏中，选择适当的挟带剂是恒沸精馏成败的关键，对挟带剂的要求是：①挟带剂应能与被分离组分形成新的恒沸液，其恒沸点要比纯组分的沸点低，一般两者沸点差不小于10℃；②新恒沸液所含挟带剂的量愈少愈好，以便减少挟带剂用量及气化、回收时所需的能量；③新恒沸液最好为非均相混合物，便于用分层法分离；④无毒性、无腐蚀性，热稳定性好；⑤来源容易，价格低廉。（3）双组分非均相恒沸精馏若双组分溶液的恒沸物是非均相的，在恒沸组成下溶液可分为两个具有一定互溶度的液层，此类混合物的分离毋需加入第三组分而只要用两个塔联合操作，便可获得两个纯组分，如糠醛—溶液的分离。P121图9—509.8.2萃取精馏萃取精馏和恒沸精馏相似，也是向原料液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以改变原有组分间的相对挥发度而得到分离。但不同的是要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高得多，且不与组分形成恒沸液。萃取精馏常用于分离各组分沸点（挥发度）差别很小的溶液。例如，