年度产6000吨医用酒精精馏车间基本工艺设计.doc
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1、医用酒精精馏车间工艺设计The Technical Design on the Distillation Plant of Medical Alcohol专 业: 制药工程姓 名: 陈少真 指引教师: 王朝阳 专家 实习单位: 生命科学与工程学院医用酒精精馏车间工艺设计西南科技大学 制药工程专业3438 陈少真 指引教师:王朝阳【摘 要】对年产量6000吨医用酒精精馏车间工艺设计。选用番薯经糖化再由酵母发酵,发酵形成发酵缪经预热器与精馏塔出来酒精蒸汽热互换进入粗馏塔,再经精馏塔精制,通过气相过塔两塔蒸馏制得95%医用酒精。并进行物料衡算,热量衡算,冷凝器设备选型计算。运用AutoCAD软件绘制
2、了带控制点工艺流程图,精馏车间设备布置图,车间布置图,及重要设备图。粗馏塔采用F-1型浮阀塔,塔板数为8个,塔径为1.2m,板间距为0.45m。精馏塔采用F-1浮阀塔,塔板数为24个,塔径为1.2 m,板间距为0.45m。两塔塔底采用直接蒸汽加热,精馏塔塔顶排出酒精蒸汽95%(质量分数),直接送入冷凝器进一步回流提纯。【核心词】 医用酒精;精馏;工艺设计1. 总论 1.1 医用酒精简介 酒精是一种无色透明、易挥发、易燃烧,不导电液体。有酒气味和刺激辛辣滋味,微甘。学名是乙醇, 分子式C2H6O,热值3107 J/kg,比热容2.4103 J/(kg)密度0.8103 kg/cm3。酒精既是食品
3、、化工、医药、染料、国防等工业十分重要基本原料,又是可再生清洁能源。国内发酵法酒精年产量(商品酒精)在200万吨左右;另有酿酒厂自产自用酒精约100万吨。液态法白酒发展,大大地增进了国内酒精工业发展,这是国内酒精工业发展一大特色。当前,国内是世界上发酵法酒精产量占第三位酒精生产大国,也是食用酒精产量最大国家。其生产办法,有以植物系物质为原料发酵法和以石油系物质为原料化学合成法。现世界上酒精生产仍以发酵法为主,国内发酵法酒精产量占95%以上。依照GB394-81,酒精按杂质含量分为优级、一至四级四个级别,医用酒精属于一级酒精,甲醇含量0.12%。 医用酒精成分重要是乙醇。寻常生活中,常用某些人用
4、医用酒精来擦洗伤口,以达到灭菌消毒目。医用酒精是用淀粉类植物经糖化再发酵经蒸馏制成,相称于制酒过程,但蒸馏温度比酒低,蒸馏次数比酒多,酒精度高,制成品出量高,含酒精以外醚、醛成分比酒多,不能饮用,但可接触人体医用。值得注意是,在药店买到酒精有75%和95%两种浓度,这两种浓度酒精用途是不同样: 95%酒精惯用于擦拭紫外线灯。这种酒精在医院惯用,而在家庭中则只会将其用于相机镜头清洁。75%酒精用于消毒。这是由于,过高浓度酒精会在细菌表面形成一层保护膜,制止其进入细菌体内,难以将细菌彻底杀死。若酒精浓度过低,虽可进入细菌,但不能将其体内蛋白质凝固,同样也不能将细菌彻底杀死。1.2 酒精精馏原理将液
5、相多次某些汽化,移走气相,终得纯B;将气相多次某些冷凝,移走液相,终得纯A。精馏重要过程就是多次某些汽化和多次某些冷凝。A易挥发组分;B难挥发组分。而在酒精精馏中酒精为易挥发组分,水为难挥发组分,1.3 工艺设计1 .工艺流程设计重要性(1)生产工艺流程设计是工艺设计基本,所涉及面很广,是淀粉酶工厂设计核心和重要某些。在设计中必要做到技术先进、经济合理、成熟可靠;在保证产品质量条件下,力求工艺流程简化,生产管理以便;把各个生产过程按一定顺序、规定组合起来,编制成工艺流程图等来完毕工艺流程设计。由于工艺流程设计质量直接决定车间生产产品质量、生产能力、操作条件、安全生产、三废治理、经济效益等一系列
6、主线性问题。(2)工艺流程设计图是物料衡算、设备选型基本。从其他角度来说,工艺流程设计是定性分析工作阶段,物料衡算是定量计算阶段。普通来说,先定性后定量,因此,工艺流程设计是物料衡算前提和基本。2.工艺流程设计原则产品质量符合规定;技术和设备先进、成熟、可靠;环保达到规定;安全生产;机械化和自动化限度高。3工艺设计流程设计(一)气相过塔两塔蒸馏流程来自发酵车间发酵成熟醪酒精含量10%(质量分数)经预热器3与精馏塔酒精蒸气进行热互换,加热至80后进入粗馏塔顶部。酒精糟(不含乙醇)由粗馏塔底部排出。酒精含量为49.18%(质量分数)左右酒精水蒸气从粗馏塔顶部引进精馏塔。酒精蒸气从塔顶依次通过成熟醪
7、预热器3和冷凝4、5、6。预热器3和冷凝器4、5中冷凝液所有回入精馏塔作为回流,回流液温度均为95%酒精-水混合液泡点78。粗馏塔和精馏塔均用直接蒸汽加热。冷凝器6中冷凝液作为醛酯馏分 (工业酒精占成品酒精2%)取出,废气排放至大气。 成品酒精在塔顶回流管如下46层塔板上液相取出,经冷却器后进入医用酒精库。废水从精馏塔2底部排出。杂醇油从进料层往上24层塔板液相取出(也可从进料层往下24层塔板气相取出)。经冷却、乳化和分离得粗杂醇油,去杂醇库。所有冷凝器入水口温度均为27 蒸汽医用酒精杂醇工业酒精1.粗馏塔2.精馏塔3.预热器4.分凝器5.分凝器6.全凝器7.冷却器8.换热器(冷却)9.杂醇酒
8、分离器发酵缪 图1 两塔气相过塔蒸馏流程图 Fig.1 two distillation towers gas flow chart of the tower2 物料衡算2.1 生产规模年生产能力:6000ty年持续工作日:250dy持续每小时产量:依照设计任务,医用酒精年生产能力6000 ty全年365d,除去机械维修、节假日等,实际持续工作日250d每昼夜24h持续生产,则每小时生产能力: kg/h蒸馏过程采用气相过塔两塔蒸馏流程,塔底采用直接蒸汽加热,压力为0.12MPa,温度为104。设蒸汽总损耗0.25%,其中精馏和粗馏各占一半,在粗馏和精馏损耗中,设备蒸汽渗漏损耗和废酒糟带走酒精各
9、占一半,两外提取杂醇油带走酒精又占成品酒精总量0.48%2.2 各塔物料衡算 图2 粗馏塔物料进出 Fig.2 Figure out crude distillation column materials对整个粗馏塔进行全塔总物料衡算;式中 F0发酵缪蒸汽量,kg/h;发酵缪中酒精摩尔分率 S 加热蒸汽量,kg/h; L 上升蒸汽量,kg/h;上升蒸汽摩尔分率 W0 废液量,kg/h; 废液中摩尔分率粗馏塔热量衡算:式中: 成熟缪热焓,kJ/kg; 加热蒸汽热焓,kJ/kg; 废液热焓,kJ/kg; 上升酒精蒸汽热焓,kJ/kg; 图2 精馏塔物料进出 Fig.2 Figure out dis
10、tillation column materials当前以每小时成品酒精产量为基准,对整个精馏塔进行总物料衡算如下: 其中 故: 式中 F 粗酒精蒸汽量,kg/h; V0 加热蒸汽量,kg/h; V 塔顶上升酒精蒸汽量,kg/h; V 酒精蒸汽渗漏损失量,kg/h; Q 回流入塔冷凝酒精量,kg/h; P 杂醇酒精蒸汽量,kg/h; P 成品酒精量,kg/h; W 废液量,kg/h; R 回流比。精馏塔热量衡算: 式中 粗酒精蒸汽热焓,kJ/kg; 加热蒸汽热焓,kJ/kg; 回流液热焓,kJ/kg; 上升酒精蒸汽热焓,kJ/kg; 成品酒精热焓,kJ/kg; 杂醇酒精热焓,kJ/kg; 废液
11、热焓,kJ/kg; 热损失,kJ/h.加热蒸汽:压力为0.3MPa(绝对),其热焓:Is=2723(kJ/kg)成熟缪:酒精含量:,温度:80比热:=4.174 kJ /kg. ,热焓: kJ/kg成品酒精:P=1000 kg/h,酒精含量:=95%(气相中酒精质量分数)=88.13%(气相中酒精分子摩尔分数),温度:78.3=351.45K,比热:3.35kJ/kg. 热焓:kJ/kg进料层气相酒精浓度: y0=xf=49.18%(质量分数)=27.5%(摩尔分数)与之相平衡液相浓度x0=5.3%(摩尔分数),则最小回流比:取最适当回流比: 则上升酒精蒸汽量: kg/h酒精浓度与成品酒精相似
12、,温度为351.45K,其热焓为Iv=1187kJ/kg回流冷凝酒精量: kg/h kJ/kg废液:普通精馏塔塔底压力为0.12MPa(绝对),相相应温度为377.15K,比热容为4.178 kJ/kg.K,其热焓Iw=435 kJ/kg杂醇酒精:含量60%(质量分数,下同),其中杂醇油含量为45%,含酒精量55%,则杂醇酒精中酒精含量:,杂醇酒精中带走酒精占成品酒精0.48%,则:杂醇酒精蒸汽量: kg/h杂醇酒精温度354.15K,比热为4.10 kJ/kg.K,其热焓 kJ/kg精馏酒精蒸汽渗漏损耗和废液带走酒精损耗为 kg/h kg/h热损失按每100kg成品酒精24166 kJ计算,
13、则: kJ/h将已知数据代入则得:解得: kg/h热焓: kJ/kg依照工艺设计,粗馏塔上升蒸汽量等于精馏塔粗酒精蒸汽量,即: kg/h kJ/kg依照精馏塔和粗馏塔损耗各占一半,可知粗馏塔损耗 kg/h将已知数据代入解得:kg/h将已知数据代入和则解方程组得: kg/h粗塔废液酒精含量:将已知数据代入和则解方程组得:kg/h废液中酒精含量:3. 热量衡算3.1 精馏塔冷却器7热量衡算冷却器95%乙醇入口温度t为78.3,出口温度t0 30;冷却器水入口温度为27,出口温度为50;95%乙醇无相变传热 kJ/h水无相变传热水流量为kg/h4. 设备设计计算4.1 精馏塔冷却器7设计计算4.1.
14、1 冷却面积计算95%乙醇给冷却器最大传热量为kJ/h,采用竖式列管冷却器,经查表,总传热系数K=2.09103 kJ/(m2h ),95%乙醇进口温度为78.3,出口温度为30,冷却水进口温度为t1=27,出口温度为t2=50,平均温差tm为:78.3 3027 5051.3 20 代入数据得: 冷却面积:m24.2 精馏塔设计计算4.2.1 精馏塔塔板数计算乙醇-水气-液平衡y-x如下图4:图中曲线表达在一定外压下乙醇蒸汽构成y和与之相平衡液相构成x之间关系(均为摩尔分数)。 图中平衡曲线与对角线相交于M点,此点为恒沸点。在此点,y=x,即蒸汽中酒精含量和与之相平衡液相中酒精含量相等(y=
15、x=0.894) 图4 乙醇水气液平衡y-x图Fig.4 Ethanol water vaporliquid equilibrium y-x diagram精馏段操作方程是基于该段物料衡算得出:式中由n+1层上升蒸汽中酒精摩尔分率; 由n层下降回流液中酒精摩尔分率; 成品酒精摩尔分率; R回流比。酒精蒸馏为分离水为重组分物料。可将加热蒸汽直接通入精馏塔塔釜加热,采用直接蒸汽加热,对精馏段方程不影响,提馏段操作线与间接蒸汽加热精馏过程略有差别。提馏段操作方程:式中 V0 加热蒸汽量; W 废液量; 废液中酒精摩尔浓度; 其她同上q线方程或进料方程,加料热状态一定期,q线方程式为始终线): 饱和蒸
16、汽进料时, q=0,q线方程为回流比R=3.5,故精馏段操作方程:当时,代入上式得,即在对角线上以a(88.13,88.13)点表达。精馏段操作线在y轴上截距为17.626%依照物料衡算成果,提馏段操作方程为:提馏段操作线在y轴上截距为-0.117%依照平衡线,精馏段操作线和提馏段操作线,采用图解法求出塔板数。如图5可知,理论塔板数数为12个实际板数(个)4.2.2 塔板设计计算4.2.2.1 塔板类型:选用F1型重浮阀塔浮阀板兼有泡罩板和筛板长处,并且操作弹性大,操作灵活,板间压降小,液面落差小,浮阀运动具备去污作用,不易积垢堵塞,操作周期长,构造简朴,容易安装,操作费用少,其制作费用仅为泡
17、罩板60%80%;又由于F1型浮阀塔构造简朴,制造以便,节约材料,性能良好;另轻阀压降虽小但操作稳定性差,低气速是易漏液。综上所述,故选用F1型重浮阀塔4.2.2.2 浮阀塔板间距选取与塔径估算 精馏塔塔顶压力普通为0.105MPa(绝对),其酒精度为95%(质量分数)=88.13%(摩尔分数),该酒精密度为1.51kg/ m3则该酒精蒸汽体积流量为: m3/s精馏段液相流量:kg/h,酒精浓度88.13%(摩尔分数),温度为351.45K,其密度为793 kg/m3。则液相体积流量为: m3/s动能因素:从图5中差负荷系数,酒精表面张力N/cm2代入式得:最大容许空塔速度 m/s取空塔速度为
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