8万吨每年无水乙醇萃取精馏工艺设计

青岛科技大学本科毕业设计（论文）1前言无水乙醇在制药工业，农药生产，电子，军工，化工和航天等领域都有广泛的应用，是用量昀大的溶剂之一[1]。将含量95%左右的乙醇制成含水量小于0.5%的无水乙醇有多种方法，但都有一定缺点。例如：产量小，生产成本高、操作困难，产品易被污染、恒沸剂易损失、能耗大、投资大等。加盐萃取精馏制取无水乙醇克服以上传统工艺的缺点，是以任意规模制取无水乙醇的理想工艺，它具有下述特点：（1）提高了溶剂效果。与通常萃取精馏相比，溶剂循环量减少1⁄4~1⁄5，理论板数减少1⁄3，从而降低了能耗，减小了设备投资[2]。（2）连续化生产，生产效率高，溶剂损耗低、乙醇回收率高、生产成本低[3]。（3）没有污染，产品质量好。加盐萃取精馏制取无水乙醇曾多次获奖，在国内已有多家工厂应用，经多年实践表明技术非常成熟。在此前提下进行模拟优化有不小的难度。经过对比，本文选择昀常用萃取剂乙二醇，用传统双塔流程通过AspenPlus模拟软件对萃取精馏制取无水乙醇工艺进行模拟优化，以得到昀优化的工艺参数。8万吨/年无水乙醇萃取精馏工艺设计21总论无水乙醇是指乙醇浓度大于99.5%的乙醇，是重要的有机溶剂和重要的基本化工原料。在无水乙醇中添加适量改性剂得到变性燃料乙醇[4]。把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混合可形成一种新型汽车燃料,即车用乙醇汽油(国际上称汽油醇,商品名GASOHOL)。无水乙醇作为一种可再生能源,可以部分取代矿物能源已经受到了普遍的关注。向汽油中添加的变性燃料乙醇[5]可提高汽油的抗爆性能;代替四乙基铅作为汽油添加剂,可消除空气中铅的污染;取代甲基叔丁醚(MTBE),可避免对地下水的污染;能改善燃烧,有效降低汽车尾气的排放。更重要的是在无水乙醇的整个生产和消费过程中可形成CO2的闭合循环过程[6],对维持地球温室气体的平衡,将会起到积极的作用。1.1无水乙醇结构性质无水乙醇为无色澄清液体，有灼烧味，易流动，极易从空气中吸收水分，能与水和氯仿、乙醚等多种有机溶剂以任意比例互溶。而且能与水形成共沸混合物(含水4.43%)，共沸点78.15℃，相对密度0.789，熔点-114.1℃，沸点78.5℃，折光率(n20D)1.361。闭杯时闪点（在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的空气混合，达到一定浓度时可被火星点燃时的温度）13℃，易燃。无水乙醇蒸气与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极限3.5%～18.0%（体积）。1.1.1无水乙醇的结构C、O原子均以sp3杂化轨道成键、极性分子。无水乙醇的分子结构见图1-1。图1-1无水乙醇分子结构图Fig.1-1Themolecularstructureofabsolutealcohol1.1.2无水乙醇的性质1.1.2.1物理性质无水乙醇（分子式：C2H6O）为无色澄清液体，有酒香，有灼烧味，易流动，极易从空气中吸收水分，能与水和氯仿、乙醚等多种有机溶剂以任意比例互溶。而且能与水形成共沸混合物(含水4.43%)，共沸点78.15℃，相对密度0.789，熔点-114.1℃，沸点78.5℃，折光率(n20D)1.361。闭杯时闪点（在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的空气混合，达到一定浓度时可被火星点燃时的温度）13℃，易燃。无水乙醇蒸气与空气能青岛科技大学本科毕业设计（论文）3形成爆炸性混合物，爆炸极限3.5%～18.0%（体积）。饱和蒸气压(kPa)：5.33(19℃)；燃烧热(kJ/mol)：1365.5；临界温度(℃)：243.1；临界压力(MPa)：6.38；辛醇/水分配系数的对数值：0.32；闪点(℃)：12；爆炸上限%(V/V)：19.0；引燃温度(℃)：363；爆炸下限%(V/V)：3.3；纯度高达99.5%的乙醇。溶解性：与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂。1.1.2.2化学性质无水乙醇是非电解质，在溶液中不电离，其官能团是羟基（—OH）。无水乙醇可发生以下化学反应：1、消去反应无水乙醇在浓硫酸条件下迅速加热升至170℃，生成乙烯，浓硫酸作为脱水剂、催化剂。2、取代反应无水乙醇与氢溴酸在加热条件下反应，生成溴乙烷和水。3、分子内脱水无水乙醇在浓硫酸条件下加热至140℃，生成乙醚和水。4、酯化反应无水乙醇与羧酸在浓硫酸存在下加热，可生成对应的酯类化合物。5、与金属钠反应无水乙醇与金属钠反应，生成乙醇钠和氢气。6、与强氧化剂反应乙醇与酸性高锰酸钾溶液或酸性重铬酸钾溶液反应，可被氧化为乙酸。1.2无水乙醇的用途无水乙醇是一种重要的化工原料，广泛应用于医药、农药、油漆、食品、化妆品、橡胶、电子工业等行业中。另外，在无水乙醇中添加改性剂可形成变性燃料乙醇，变性燃料乙醇以一定比例与汽油调和，形成车用乙醇汽油，可用作汽车的环保燃料。近年来，随着能源价格的持续走高，节约石油资源的举措已列入国家科技发展计划纲要，车用无水乙醇项目正在一些省份得到积极推广。1.3无水乙醇的制备方法目前，无水乙醇的生产方法有共沸精馏法、分子筛吸附脱水法、氧化钙脱水法、渗透汽化法、真空脱水法及萃取精馏法等[7-9]。其中，萃取精馏是向精馏塔顶连续加入高沸点添加剂，改变料液中被分离组分间的相对挥发度，使普通精馏难以分离的液体混合物变得易于分离的一种特殊精馏方法。萃取精馏制取无水乙醇[10]具有低能耗、无污染、设备简单、操作方便等优点而备受关注。随着无水乙醇需求的不断增加，对其生产过程进行优化变得8万吨/年无水乙醇萃取精馏工艺设计4十分重要。本文将采用AspenPlus化工流程模拟软件，对萃取精馏制取无水乙醇的影响因素进行模拟计算，以期达到工艺流程的昀优化[11]。1.4AspenPlus软件模拟简介1.4.1AspenPlus软件简介AspenPlus是美国Aspen技术公司80年代初推向市场的、具有准确单元操作模型和昀新计算方法的大型工艺流程模拟计算软件。它用严格和精确的计算方法进行单元和全过程的计算，为企业提供准确的单元操作模型[12]，还可以寻找己有装置的优化操作条件和进行新建、改建装置的优化设计。它还配有较完整的物性数据库，并能进行灵敏度分析及过程优化。AspenPlus是化工过程建模的基础平台，没有它，其他套件就没法使用。它提供了大量的化工单元操作模型，包括反应器、分离操作单元、换热器等；同时它还提供了大量的物性数据，几乎包括所有的化学物质，绝大多数化学物质的物性数据都能从它的物性数据库中查找。AspenPlus单独使用可以对一般的化工过程进行模拟分析，还能对操作参数进行优化。其主要功能特点是：(1)具有开放式结构。用户可任意选用任意组合单元过程模块以模拟不同的工艺流程组分数目物流数目塔板数目及循环回路等不受限制。(2)具有广泛全面的单元过程模块，包括混合和分离，闪蒸和加热，精馏反应，泵和压缩机管路压降结晶固体生化和聚合等。(3)具有丰富和昀新的物性数据(几乎每年更新物性数据库)。RELEASE9.2提供近5000种组份包括2000种固体和900种离子的物性数据，37000对双参数物性数据和1600对可溶溶剂的HENRY常数,并具有物性常数估算和数据回归系统。(4)包含多种运行类型:流程模拟(flowsheetsimulation)，物性估算(propertyconstantestimation)，物性表生成(propertytablegeneration)，石油馏份物性数据分析估算(assaydataanalysicpcs)，物性库扩充(propertiesplus)，经济成本分析(costingonly)，物性数据回归(propertydataregression)等。(5)具有智能化图形窗口，输入输出系统，超文本在线帮助系统，典型丰富的应用例子库，完备的文档系统以及与CAD软件AUTOCAD，电子表格EXCEL，流程动态模拟软件SPEEDUP及换热网络设计软件ADVENTHTRIHTIS和BJAC等良好接口。(6)通过VirtualDeviceDriver技术，RELEASE9.2能作为DOS应用程序在Windows95与Windows3x操作系统下运行，其CD-ROM版使用户维护与按装更快捷更方便。1.4.2AspenPlus软件模拟模块本设计主要用到的是萃取精馏塔，模拟所用的也是AspenPlus中的精馏模块。在AspenPlus中关于精馏的模块有：青岛科技大学本科毕业设计（论文）51）简捷法模型：包括DSTWU(简捷法精馏设计模型)、Distl(简捷法精馏核算模型)、SCFrac(简捷法多塔蒸馏模型)。2）严格法模型：MultiFrac(严格法多塔精馏模型)、PetroFrac(严格法分馏塔)、RateFrac(精馏的核算与设计模型)、Extract(严格萃取塔模型)。其中RateFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气-液精馏操作，可用于一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。适用于两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具有强的非理想程度系统。对于精馏模拟必须确定以下条件：1）进料性质(包括进料组成、温度、压力、进料量、相数等)和进料位置。2）出料性质(包括相数等)和出料位置。3）塔的性质，如塔板数、塔的压力分布、回流比、气相产品占塔顶总产品比率或塔顶出料、塔底出料、回流量等。对于一个模拟过程来说，准确无误地选择物性是模拟结果好坏的关键。AspenPlus为单元操作计算提供了热力学性质和传递性质，在典型的AspenPlus模拟中，常用的物理性质参数有逸度系数、熵、密度、焓和自由能。1.5本文研究思路现代工业在创造大量财富的同时，也往往存在着高物耗、高能耗和高污染的问题。我国工业的整体水平与发达国家尚有差距，能耗高、物耗高、三废严重已成为建设资源节约型、环境友好型、经济型社会和实现可持续发展战略的瓶颈之一。萃取精馏工艺有较大的能耗，所用溶剂经常有较大的毒性或腐蚀性，因此，萃取精馏工艺的研究主要应从如何降低能耗、如何优选无毒、无腐蚀性的溶剂为出发点。据此，本文按以下思路开展研究：1）在绿色化学12项原则基础上，参考文献报道的汽液平衡实验数据，依据溶剂筛选的基本原则，对工业生产中所用溶剂进行研究分析。昀终选择了适用于分离乙醇-水体系的合适溶剂乙二醇。2）以所选溶剂乙二醇作为萃取剂，通过AspenPlus商业流程模拟软件模拟优化乙醇-水体系的萃取精馏分离工艺，确定适宜的工艺参数。3）针对分离乙醇-水体系的预分离塔、萃取精馏塔和溶剂回收塔进行工艺设计计算，分析精馏塔流体力学性能，绘制塔板的负荷性能图，检验塔的设计是否合理并提出改进意见[12]。4）对换热器设备进行工艺设计计算，确定换热器合理的管程与壳程尺寸、换热器长度、换热器的传热面积等。5）确定整个流程的安全控制方案，绘制带控制点的工艺流程图、车间平面布置图以及主要设备的装配图。8万吨/年无水乙醇萃取精馏工艺设计62工艺设计与计算2.1工艺原理2.1.1萃取精馏技术原理在工业生产中，常需要分离一些近沸点或共沸体系，如生物发酵生产无水乙醇时乙醇与水的分离、C4双烯烃与C4单烯烃的分离、C4烯烃和烷烃的分离等，近沸点或恒沸体系，由于它们的相对挥发度接近1或等于1，若采用普通精馏方法进行分离，不仅设备投资和操作费用很高，有时甚至是不可能的，对于这些体系需用其它分离方法进行分离，如萃取精馏（ExtractiveDistillation）、共沸精馏(AzeotropicDistillation)、萃取(Extraction)、吸附(Adsorption)、结晶(Crystallization)等。其中萃取精馏就是一种很有效的分离方法，其基本原理是在被分离体系中加入萃取剂（也称溶剂，Solvent），以提高被分离组分间的相对挥发度，从而使被分离组分可以通过精馏的方法分离开来[13]。萃取精馏技术已有近60年的历史，早期应用于高纯丁二烯和芳烃的制备，并很快得到了广泛研究和应用。萃取精馏的原理及工艺流程见图2-1[14]。图2-1典型的萃取精馏工艺流程Fig.2-1Schematic