燃料乙醇生产工艺初步设计

兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文）摘要以乙烯为原料，采用直接水合法进行了100kt/a燃料乙醇生产工艺初步设计。设计内容包括：第一部分阐述了乙醇的性质、用途、国内外应用概况和发展趋势；燃料乙醇的生产方法、生产方案的确定、生产流程的简述以及流程图；第二部分进行了物料衡算和热量衡算，并确定出各设备的出入口物料；第三部分时主要设备的工艺尺寸计算，重点对精馏塔进行了设计；第四部分是辅助设备的计算和选型；最后根据计算结果和设计要求绘制出了物料平衡图、带控制点的工艺流程图以及精馏塔的工艺条件图。关键词：燃料乙醇；直接水合法；乙烯；工艺设计；精馏塔兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文）ABSTRACTThefuelethanolmanufacturingtechniqueof100kt/aweredesignedwiththeethylenedirecthydrationmethodinthiswork.Firstly,thedesignintroducedthephysicalandchemicalcharactersofethanol,andthedomesticandoversea’sproductionwereinferred.Also,theproductionmethodoffuelethanolweretalked,thedesignschemeandthemainoperationparameterswereselected,whiletheprocessandflowsheetweredescribedbriefly.Inthesecondsection,themassbalanceandheatbalanceweremadeandthengottenthefinalfluxofin/outmaterials.Thethirdpartmainlyincludedthefractionatingtowerdesignandthecalculationsincalculationsresults.Inaddition,theappropriateequipmentswereselectedwhichdependingoncalculationsresultsabove.Atlast,accordingtothecalculationsinchemicalengineeringtechnology,massbalance,thetechnologicalflowchartwithmaincontrolpointandthefractionatingtowercolumnwithmaintechnicalsizesweredrawn.Keyword:fuelethanol;directhydrationmethod;ethylene;techniquedesign;distillationcolumn兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文）第一章前言1乙醇的主要性质与用途1.1乙醇的物理性质乙醇(ethan)又称酒精，是由C、H、O3种元素组成的有机化合物，乙醇分子由烃基(-C2H5)和官能团羟基(-OH)两部分构成，分子式为C2H50H，相对分子量为46.07，常温常压下,乙醇是无色透明的液体,具有特殊的芳香味和刺激味、吸湿性很强。可与水以任何比例混合并产生热量，混合时总体积缩小。纯乙醇的相对密度为0.79，沸点78.3℃，凝固点为-130℃。燃点为424℃，乙醇易挥发、易燃烧。乙醇能使细胞蛋白凝固，尤以体积分数为75％的乙醇作用最为强烈，浓度过高。细胞表面的蛋白质迅速凝固形成一层薄膜，阻止乙醇向组织内部渗透，作用效果反而降低，浓度过低则不能使蛋白质凝固。因此，常用75％(体积分数)的乙醇作消毒杀茵荆。[4]乙醇易被人体肠胃吸收，吸收后迅速分解放出热量。少量乙醇对大脑有兴奋作用。若数量较大则有麻醉作用，大量乙醇对肝脏和神经系统有毒害作用。工业酒精含乙醇约95％．含乙醇达99.5％以上的酒精称为无水乙醇。含乙醇95．6％、水4%的酒精是恒沸混合液，沸点为78.15℃，其中少量的水无法用蒸馏法除去。制取无水乙醇时。通常把工业酒精与新制生石灰混合，加热蒸馏才能得到。工业酒精和医用酒精中含有少量甲醇，有毒．不能掺水饮用。1.2乙醇的化学性质乙醇属于饱和一元醇。乙醇能够燃烧。能够和多种物质如强氧化物、酸类、酸酐、碱金属、胺类发生化学反应。在乙醇分子中，由于氧原子的电负性比较大。使C-0键和O-H键具有较强的极性而容易断裂，这是乙醇易发生反应的两个部位。1.2.1乙醇燃烧反应机理乙醇燃烧反应机理和烃的燃烧反应机理有很多相似的地方，都是先裂解成为碳和氢气，然后燃烧，所以从燃烧机理上来讲乙醇也适合用作内燃机燃料。在较高的温度下．乙醇可以发生分子内脱水生成烯烃，可以认为，乙醇燃烧的反应首先是分子内脱水形成烯烃，烃再裂解形成碳和氢气，然后碳和氢气在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，乙醇燃烧反应的总反应式：CH3CH2OH+3O2--2CO2+3H2O+Q1.2.2乙醇的着火和燃烧特性乙醇的引燃温度为434℃。在空气中燃烧表现活化能为176．7kJ／tool。火焰呈蓝色，最高火焰温度可以达到1000℃以上。乙醇闪点较低，闭口状态下只有12．5℃。最小点火能量也仅为0．63mI，所以非常易于引燃。另外乙醇的爆炸极限上下限范围也较宽．有爆炸的危险性。[5]兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文）1.3变性燃料乙醇按照我国国家标准“变性燃料乙醇”(GBl8350—2001)和“车用乙醇汽油”(GBl835l一2001)的规定，燃料乙醇是未加变性剂的、可作为燃料用的无水乙醇。变性燃料乙醇是以淀粉、糖质为原料，经发酵、蒸馏制得，脱水后，再添加变性剂改性的乙醇。车用乙醇汽油．就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一种汽车燃料，是替代和节约汽油的最佳燃料。随着化石资源渐趋枯竭，越来越多的国家已经将乙醇等替代能源为代表的能源供应多元化战略当成能源政策的一个主要方向。石油价格的上涨、燃料乙醇制造技术的不断进步、乙醇燃料汽车的广泛使用和燃料乙醇可再生原料来源的拓展，使燃料乙醇产业具有可靠的经济可行性和技术可行性。另外．燃料乙醇在柴油机上的应用，可以进一步扩大燃料乙醇的应用范围，这将为燃料乙醇的利用提供更广阔的空间。为规范燃料乙醇发展。一些国家制定了相应的国家标准，表1为我国变性燃料乙醇国家标准(GBl8350—2001)。表1.1我国变性燃料乙醇国家标准(GBl8350—2001)项目指标外观清澈透明．无肉眼可见悬浮物和沉淀物乙醇/％(V/V)≥92.1甲醇/％(V/V)胶质／mg·(100mL)4水分/％(V/V)无机氯(以Cl计)／rag·L-1酸度(以乙酸计)mg·L-1铜／mg.LpH值≤0.5≤5.0≤0.8≤32≤55≤0.086.5-9.0由表1可见．乙醇中改性剂的体积分数为1．96％一4．76％。由于水分的增加易造成乙醇汽油相分离。导致汽车运转故障。同时。乙醇有较强的吸湿性，必须对水分严加控制。以避免出现油水相分离的问题．所以水的体积分数对于车用乙醇汽油是一个非常重要的指标。国标要求加变性后，水份应小于0．8％，为防止车用乙醇汽油在发动机燃烧过程中腐蚀金属部件及堵塞管路系统。标准中还规定了甲醇、实际胶质、无机氯、酸度、铜的限量指标。[6-7]2燃料乙醇主要特点及用途2.1辛烷值及抗爆性乙醇的辛烷值(RON)达到111，辛烷值(MON)为91。添加乙醇可以较有效地提高汽油的抗爆性．有关研究结果显示，国内典型催化裂化汽油中添加体积分数为1的乙醇后，其辛烷值(RON)提高3．4个单位。辛烷值(MON)增加1．4个单位。乙醇对烷烃类汽油族组兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文）成(烷基化油、轻石脑油)的辛烷值调合效果好于烯烃类汽油族组成(催化裂化汽油)和芳烃类汽油族组成。可见乙醇辛烷值高，抗爆性能好。2.2乙醇的体积分数对调合蒸汽压的影响乙醇在40℃时的饱和蒸气压为18kPa。但研究表明．乙醇调入汽油后．会产生明显的蒸气压调和效应．调和后的车用乙醇汽油蒸气压显著增加．直到乙醇在混合燃料中的比例达到22％时．饱和蒸气压才降低到和调和组分汽油的值相等。乙醇的体积分数最高可达34．7％．与MTBE相比，乙醇在汽油中的添加量较少(美国含氧汽油中通常需添加乙醇的体积分数为7．7％。新配方汽油通常添加乙醇的体积分教为5．7％)。添加乙醇体积分数为7．7％的汽油，氧的质量分数达到2．7％：乙醇添加体积分数为10％的汽油，氧的质量分数可以达到3．5％。但乙醇调入汽油后会产生蒸气压调合效应，乙醇汽油的调合蒸气压随乙醇的体积分数的增加而提高。2.3乙醇调合汽油对汽车尾气排放的影响通过添加乙醇或其它舍氧化合物．改变汽油组成，美国新配方汽油可以有效降低汽车尾气排放．使用乙醇体积分数为6％的加州新配方汽，与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低10％。C0排放减少21％．氮氧化合物排放减少7o，有毒气体排放降低90％。使用乙醇体积分数为85％、汽油体积分数为15％的混合燃料(E15)，而不改变其他条件，与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低5％，氮氧化合物排放减少40%，CO增加约7％。我国研究结果表明，燃用E15和E25(乙醇体积分数为25％、汽油体积分数为75％的混合燃料)时．碳氢化合物含量比燃用汽油分别下降16．2％和30%．CO排放分别减少30%和47％。[8]2.4乙醇的主要用途乙醇既是一种基本的化工原料．广泛应用于化工、食品、饮料工业，军工、日用化工和医药卫生等领域，同时又是一种绿色新能源．并且乙醇作为一种优良的燃料(其燃烧值达到26900kJ/mol)，可以提高燃油品质。利用燃料乙醇的优点：①可以替代或部分替代汽油作发动机燃料。减少汽油用量，缓解化石燃料的紧张，从而减轻对石油进口的依赖，提高国家能源安全性；②乙醇作为汽油的高辛烷值组分，调和辛烷值一般在120以上，可提高点燃式内燃机的抗爆震性，使发动机运行更平稳：③因乙醇是有氧燃料，掺混到汽油中，可替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE(甲基叔了基醚)。使燃烧更充分，使颗粒物、一氧化碳、挥发性有机化舍物(VOC)等大气污染物排放量平均降低1／3以上．起到节能和环保作用；④可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成．延长主要部件的使用寿命。更重要的是，乙醇是太阳能的一种表现形式．在整个自然界这个大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和非常清洁的闭路循环过程，永恒再生，永不枯竭。2.5燃料乙醇的生产工艺2.5.1我国燃料乙醇生产工艺的选择中粮肇东的三期乙醇装置均采取“半干法粉碎工艺”，彻底抛弃了“湿法”或“改良湿法”的浸泡过程，流程进一步简化，减少了一次水用量。同时“半干法“又克服了“干法”提油困难的缺点，玉米油收率已接近“改良湿法”，在技术及经济上更加合理。“半干法”工艺与“湿兰州理工大学石油化工学院毕业设计（论文）法”工艺相比具有流程短、设备投资少，能耗低和无浸泡等优点，其优势明显，值得推广。其生产特点为：半干法粉碎、双酶法液化糖化、半连续浓醪发酵、五塔差压精馏、分子筛变压吸附脱水、利用废热蒸气处理废醪液和离心清液回配等。吨无水燃料乙醇(99．5％)玉米单耗3．3吨，水耗约8．7吨(主装置)，蒸气消耗4．8吨(主装置)，饲料乙醇比为77％，能量输出输入比为1．09；三期装置产量15万吨，年，引进的美国Delta．T公司的技术，由康泰斯(Chemtex)公司设计，采用玉米半干法生产乙醇。吨无水燃料乙醇(99．5％)玉米单耗3．18吨，新鲜水耗仅为1．66吨(主装置)，蒸气消耗3。3吨(主装置)，饲料乙醇比为87％。此装置技术达到国内领先，国际先进水平，实现了清洁生产。[9]随着燃料乙醇生产实践经验的积累，现在美国大型燃料生产企业尤其是2000—2006年新建厂具有如下特点：(1)多数采用大颗粒玉米粉(3mm，有利于饲料回收)；(2)高温蒸煮(120℃，高温淀粉酶)，采用同步糖化