乙醇水精馏装置的设计解析

2022-09-10

乙醇是一种无色、无毒、污染性小的化学试剂, 广发应用在化工生产、医学、日常生活等各个领域。随着油料价格的上涨, 乙醇燃料有了代替传统燃料的趋势。普通的乙醇水精馏装置无法萃取到高纯度的乙醇, 为满足工艺和日常需求, 要改进乙醇水蒸馏装置, 提高乙醇纯度的生产量。

一、乙醇的性质及作用

1. 乙醇的物理性质

乙醇时一种无色、透明、易燃、具有特殊香味的液体, 乙醇的密度比水小, 能与水任意比例相溶, 具有挥发性。乙醇的溶解性高, 是很好的溶剂, 能溶解很多无机物和有机物。

2. 乙醇的化学性质

乙醇具有酸性, 乙醇分子中含有氢氧键, 电离时会生成烷氧基负离子和质子。乙醇的酸性很弱, 可以和高活跃性金属发生反应, 生成醇盐和氢气。乙醇还具有还原性、氧化性、酯化反应等性质。

3. 乙醇的作用

乙醇的作用很广, 可以用作消毒剂、制酒原料、基本的有机化工原料, 汽车燃料。此外, 乙醇还能做稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等方面, 其中乙醇的最大用量是做消毒剂。

二、乙醇水精馏

1. 精馏的含义

精馏是利用液体回流使混合物分流, 用蒸馏法分离出想要得到的物质。精馏是工业上应用最广的分离液体混合液的方法。将混合液体进行多次汽化, 把产生的蒸汽冷凝, 使混合物分离, 这个过程成为精馏。

2. 精馏的原理

由于乙醇水混合液中, 各组分的沸点的不同, 在一定温度下, 沸点低的物质容易汽化, 在气相中浓度高, 液相中高沸点的物质浓度高, 打破了汽液两相的平衡状态。经过多次冷凝, 液相中最终留下的都是高沸点物质, 气相中留下的都是低沸点物质, 最后通过蒸馏冷凝将各组分彻底分离。

三、常用的精馏节能技术

目前常用的精馏节能技术有分割式热泵精馏技术、加碱精馏技术、双效精馏技术等。

1. 分割式热泵精馏技术

乙醇—水是非理想溶液, 溶液的平衡点存在拐点。在乙醇—水的双塔精馏上安装热泵装置, 就可以形成分割式热泵精馏。这种装置, 同常规的直接式热泵精馏装置类似, 只是多了一个进料口。分割式热泵精馏, 能充分利用塔内能量, 将塔顶气体冷凝释放出的热量传递到塔釜继续沸腾, 降低能量消耗。分割式热泵精馏操控简单, 安全性较高, 适用范围广, 有很高的利用价值。

2. 加碱精馏技术

乙醇和水存在共沸点, 普通的精馏方法难以制取高纯度的乙醇。现在, 常用萃取精馏的方法来分离乙醇和水。乙二醇是常用的萃取溶剂, 在乙二醇中加入适量的碱性试剂, 能有效的提高溶剂的选择性。由于碱液和溶剂的组分发生相互作用, 改变了混合液原有的平衡关系, 增大了混合液的相对挥发度, 消除了乙醇和水的共沸点, 在常温下就可以提取到高纯度的无水乙醇, 降低了能源的消耗。

3. 双效精馏技术

双效精馏是一种减少精馏操作中能量消耗的技术, 它可以通过扩展工艺流程降低精馏操作的消耗, 用多塔代替单塔, 能为高的塔将排出的热量作用在能为低的塔身上, 达到节能的目的。使用双效精馏时, 需要有不同压力的塔, 高压塔顶的气体在低压塔中冷凝沸腾, 释放热量。

四、乙醇精馏的影响因素

乙醇的精馏的影响因素主要有:塔釜的温度、压力, 塔内回流情况, 萃取剂的选择。

1. 塔釜的影响

塔釜的温度和压力对乙醇的萃取有直接的影响。乙醇水会随着塔釜的温度升高而加快分离速度, 当温度达到一个极限时, 混合液的分离速度达到最理想的状态, 继续加温后, 会发现分离速度开始下降, 并且混合液中的一些组分会在高温下, 发生反应, 提取出的高纯度乙醇的质量受到影响, 还浪费了许多能量。因此, 在使用精馏装置萃取乙醇时, 要控制好塔釜的温度, 在保证质量的同时, 尽可能的降低能量消耗。

塔釜压力对乙醇萃取的影响同温度相似, 塔内压力过大, 混合液的物理性质可能改变, 影响分离速度;压力不够, 分离速度慢, 达不到很好的效果。

2. 回流情况

适当的增大塔内回流, 可以提高混合液的分离效率, 但降低了乙醇的流出量, 增大了能耗量, 因此, 要根据实际情况合理的选择混合液的回流比, 尽量达到理想的效果。

3. 萃取剂的合理选择

萃取剂选择的基本原则是:

(1) 萃取剂的选择性大。萃取剂的选择性大, 在混合液中的相对会发度大, 分离就容易, 选择性是选择萃取剂的主要依据;

(2) 萃取剂的沸点高。萃取剂的沸点要比混合液中分离组分的沸点高, 防止萃取剂在塔顶会发损失;

(3) 萃取剂溶解性高, 防止在塔内形成分层现象;

(4) 萃取剂的化学稳定性高, 无毒, 不腐蚀设备;

(5) 成本低, 来源广。

在工业上乙二醇是常用的萃取剂, 萃取剂的浓度不同对乙醇的萃取有很大的影响, 在固定的萃取剂浓度下, 混合液中乙醇的浓度不同, 萃取乙醇的速度也会受到影响。

研究表明, 在乙二醇中加入适当的盐类溶液, 能够有效地提高溶剂的选择性。加盐或碱后的, 萃取精馏相同纯度的无水乙醇, 会大大较少萃取剂的消耗量, 能有效的提高乙醇水体系的分离效果。乙醇—水体系中乙醇的含量越高, 萃取剂的分离效果就越高。因此, 选择萃取剂时, 可已加入适量的碱性溶液或提高混合液中乙醇的含量, 有效的提高乙醇纯度。