年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计--学士学位论文.doc

海 南 大 学

《生物工艺学课程设计》

说 明 书

题 目：年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计
──发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计
学 院： 材料与化工学院
专 业： 生物工程
班 级： 2008级生物工程2班
学 号： 20080404B067
姓 名： 徐 仁 强
指导教师： 刘平怀老师
时 间: 2011年6月

目录

摘要 ………………………………………………………………………………（3）
1 绪论 …………………………………………………………………………（4）
1.1 设计的目的和意义 ………………………………………………………（4）
1.2 设计指导思想和原则…………………………………………………………（5）
1.3 设计依据 …………………………………………………………………（5）
1.3.1 设计课题 …………………………………………………………（5）
1.3.2 设计条件 …………………………………………………………（5）
2 生产工艺流程选择和论证 ……………………………………………………（6）
2.1 酒精生产工艺流程 ………………………………………………………（6）
2.2 发酵成熟醪粗馏与精馏工艺流程 ………………………………………（6）
2.2.1 发酵成熟醪粗馏与精馏工艺流程的选择 …………………………（6）
2.2.2 发酵成熟醪粗馏与精馏工艺流程的论证 …………………………（6）
2.2.3 发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺优化最新研究进展…………………（7）
2.3 乙醇脱水工艺流程 …………………………………………………………（7）
2.3.1乙醇脱水工艺流程的选择………………………………………………（8）
2.3.2 乙醇脱水工艺流程的论证………………………………………………（8）
2.3.3 乙醇脱水工艺最新研究进展……………………………………………（8）
3 生产工艺操作参数设计 ………………………………………………………（9）
3.1 设计任务……………………………………………………………………（9）
3.2 设计工艺方案的计算………………………………………………………（10）
3.2.1粗馏塔的物料衡算与热量衡算…………………………………………（11）
3.2.2 精馏塔的物料衡算与热量衡算………………………………………（12）
4无水燃料酒精生产设备设计与选型 ………………………………………（15）
4.1主要生产设备——粗馏与精馏塔的设计与选择 ………………………（15）
4.1.1塔型，塔板选定的原则及选择 ……………………………………（16）
4.1.2粗馏塔设备部分参数的确定 ………………………………………（17）
4.1.3精馏塔设备部分参数的确定 ……………………………………（19）
4.2 乙醇蒸馏辅助设备 ………………………………………………………（19）
4.2.1 蒸馏辅助设备 ………………………………………………………（20）
4.2.2 辅助设备的参数计算…………………………………………………（35）
5 蒸馏废醪后处理工艺 …………………………………………………………（36）
6 设计结果评论 ………………………………………………………………（37）
7 总结感想 ……………………………………………………………………（38）
8 附图 …………………………………………………………………………（38）
9参考文献 ……………………………………………………………………（39）

摘要
70年代开始，能源危机成为了各个国家急需解决的问题。由于石油的不可再生性和一些政治因素的影响，许多国家纷纷开始研究石油替代能源，利用廉价的糖源生产燃料酒精是解决世界能源危机的最有效途径。生物物燃料乙醇作为可再生资源的重要组成部分在能源替代，改善环境，促进农业产业化，实现经济可持续发展具有重要意义。
本课程设计题为年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计。本设计是以木薯发酵成熟醪为原料，经粗馏、精馏，脱水等处理，从而得到成品的燃料乙醇。基于工厂设计中节能和减少投资成本等因素，以两塔气相过塔蒸馏的为主要精馏设备，采用合理的工艺流程，选择实用的设备，既达到了工业上对燃料酒精的要求，又降低了很多不必要的设备投资和操作的复杂性。
关键词：燃料酒精 木薯 两塔气相过塔蒸馏 粗馏 精馏

1.绪论
1.1 设计的目的及意义
在学习掌握所学的生物工艺学、生物工程设备、化工原理等课程的基本理论和基础知识的基础上，通过本次课程设计，培养我们综合运用这些知识分析和解决实际问题的能力以及协作攻关的能力，训练我们使用文献资料和进行技术设计、运算的能力，提高文字和语言表达能力，为其它专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。
随着国际燃油价格的不断攀升，能源的短缺及燃料酒精的推广使用，燃料酒精行业获得了大好的发展时机。从资源、技术和经济性分析，我国发展生物质能源产业时机基本成熟，需要加快发展步伐。且生物质能源能有效降低污染，与普通汽油相比，使用车用乙醇汽油后，一氧化碳的排放可降低7%，碳氢化合物可降低48%。因此，开发和使用生物质能源符合保护环境，实现循环经济和可持续发展的要求。目前，发展生物质能源替代石油，已确定为我国的一项重要战略决策。
为避免燃料乙醇与人“争粮”问题的进一步发展，我国科技工作者努力寻求各种非粮材料以替代玉米、小麦等。所以第二代生产燃料乙醇的基础原料是非粮材料，包括薯类物质、稻草和其他植物纤维材料等。发展燃料乙醇的重点在于推进“非粮”原料的应用，以推进第二代生物燃料乙醇的产业化发展。
我国木薯资源总量巨大，而现在其利用率极低，相当数量的都烂在地窖里。木薯是多年生植物，盛产于我国南方，主要是碳水化合物，其他成分，如蛋白质、脂肪、果胶质等含量都比较少，因此被誉为“淀粉之王”。鲜木薯淀粉含量高达25%～30%，木薯干的淀粉含量高达70%～78%，是世界公认的一种具有很大发展潜力的酒精生产再生资源。一般可分为甜味木薯和苦味木薯，前者无毒但产量低，不适合作为大规模生产的原料；后者产量高，但因含有剧毒物质氢氰酸0.07%～0.24%而得名有毒木薯，不过作为酒精生产原料，蒸煮时大部分氢氰酸蒸发出去，并不影响发酵及成品质量。同时，利用木薯作为生产燃料酒精的原材料还有极大地成本优势，相关数据显示1吨木薯酒精原料成本为2600元/吨左右，1吨蔗糖酒精原料成本为3500元/吨左右，而1吨玉米酒精需成本达到了4000多元/吨。而且以木薯生产酒精，每亩土地可得到的酒精量是玉米、稻米的两倍。为更进一步推进“非粮”原料生产燃料乙醇产业化发展；同时也为更好的促进对我国木薯价值的开发利用，增加农民收入，推进农业的进步，将木薯作为我国生产燃料酒精的主要非粮原材料，不失为一项明智的选择。
1.2 设计指导思想和原则
一、设计按照设计任务书进行，尽量符合任务书的要求，各种计划进程在任务书的可控范围内。
二、工厂充分考虑现今的一些技术，设备，以及设计先进理念，以“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”为原则，各种设计方案综合比较，取长补短，制定一个高产节能的设计方案，高效生产合格燃料乙醇。
三、设计尽量贴近实际，并且努力使其经济效益最大化，在各种设备选型中，合理考虑性价比和地区特性，不盲目追求新设备，新生产线。
1.3 设计依据
1.3.1设计课题
年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计 （《海南大学生物工程课程内容任务书》）
1.3.2 设计条件
生产能力：年产2万吨99.5%酒精含量燃料乙醇
原料：木薯（海南产）发酵而来的成熟发酵醪液
生产方法: 二塔式蒸馏、分子筛脱水技术
生产时间：全年生产300天（24小时），连续操作
工厂厂址：海口郊区
厂址地域与自然条件：
当地气候条件（来自海南气象台资料）：
温度 高温39℃ 最低温度6 平均温度23.8
湿度 最高湿度92% 平均湿度85%
水温 河水（>1米） 最高30 最低10
自来（饮用）水 最高30 最低10
深井水 平均18
风频率 年平均风速：3.3m/s
降水量 年平均：1691ml/a
风向 东北风和东风
产品：根据GB18350—2001要求，生产含酒精含量95%的成品。
2 生产工艺流程选择和论证
2.1 燃料酒精生产流程（附图1）
2.2 发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺流程
2.2.1发酵成熟醪液粗馏与精馏的工艺流程选择
两塔气相过塔蒸馏是成熟发酵醪经预热器与精馏塔的酒精蒸汽进行热交换（充分利用了热能，节省了预热发酵醪的加热蒸汽和冷却精馏塔的酒精蒸汽的冷却水），进入粗馏塔顶部进行蒸馏，从塔底排除的酒糟可以用来喂养畜牲，粗酒精直接以气相进入精馏塔，不经过冷却，节省了冷却水。精馏过程中，酒精蒸汽回流一部分依靠冷凝器与冷却水进行交换，一部分利用预热器与成熟发酵醪进行热交换。
发酵成熟醪经预热器（热交换器）与精馏塔的酒精蒸气进行交换，加热至55度左右后直接进入粗馏塔的顶部。醪塔底用直接蒸气加热，酒精含量为30%（体积分数）左右的酒精—水蒸气从醪塔顶部引进精馏塔的中部，酒精糟由醪底排出。精馏塔也采用直接蒸气加热的方式，其产生的废热水可以循环以加热发酵醪液。酒精蒸气从塔顶顺次经过成熟醪的预热器和冷凝器，预热器和冷凝器的冷凝液全部回入精馏塔作为回流。如此不断地进行着部分冷凝，部分蒸发的过程，从而使酒精浓度得到提高。注入精馏塔顶的回流液是由精塔顶蒸发排出的气体，经过各冷凝器逐级冷却回流到精塔顶的。一些比酒精更易挥发的杂质，如甲醇，乙醛等，则从冷凝器直接排出。
2.2.2 发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺流程的论证
液相过塔流程是成熟醪经预热器之后进入粗馏塔，在塔内被加热，酒精蒸发，在冷凝器冷凝成液体后，或直接流入精馏塔或回流到粗馏塔再由粗馏塔顶层塔板液相取料至精馏塔。液相过塔（间接式）方案与直接式相比，多了一套醪塔冷凝系统，一次性投资相应增加，蒸汽及冷却水耗量比直接式要大，从能源角度讲，不经济。单塔系酒精蒸馏组，即用一个塔从发酵成熟醪中分离获得酒精成品，它适用于对成品质量与浓度要求不高的工厂。他的缺点有难以分离更多的杂质，酒精质量差，塔设备厂房偏高，不经济，酒糟含水量大，处理困难，如将原液作为饲料，运输不便。而三塔及多塔系是为了获得高纯度酒精或食用级酒精，而我们制备的燃料酒精乙醇浓度为92.1%,不需要花高投资和大量能耗来生产。两塔差压蒸馏虽然说是可以充分利用固定冷热源之间的过剩温差，从而降低了有效能量的损失，使得总能量逐渐降低，充分利用了各级品位的能量，提高了蒸馏系统的热力学效率。但是从实际情况考虑，年产2万吨燃料乙醇的小规模生产，采用该套设备，一次性投资太大，管道太复杂，维修清洁等都不经济。粗馏塔和精馏塔的加热方式是用一次蒸汽直接加热。即把从锅炉来的一次蒸汽通入馏塔塔釜，通入管道要设计好多股抛器以使蒸汽分布均匀。蒸汽直接加热效率高，但蒸汽质量要纯净，以免影响酒精质量。
2.2.3发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺优化最新研究进展
燃料乙醇的精馏脱水工段能耗占整个燃料乙醇生产过程的50％～80％．随着燃料乙醇计划的实施，如何高效节能地制备燃料乙醇成为一个迫切需要解决的问题．国内外专家学者做了大量的调查、分析，找出了系统用能中存在的问题，指出了节能的方向和途径．将工业乙醇生产的一级精馏系统和燃料乙醇生产的加盐萃取精馏系统合并作为一个整体考虑其用能问题．采用有效能分析法找出系统能耗高的问题所在，为进一步制定节能措施提供依据[7]．
许天开等将该塔的进料段以上的“精馏段”(或称浓缩段) 移植于去掉顶盖的醪塔顶之上, 通过耦合段( 过渡段) 而成为复合塔; 而将醪塔当作精塔的耗竭段( 或称脱水段) 。如此结构可有机地互补, 相辅相成, 达到高效节能[8]。
在蒸馏塔的塔型选择上，规整填料塔有以下优点
1)压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5～1/6；
2)热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；
3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%～110%，筛板塔的调节范围在70%～100%；
4)液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；
5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5%左右；
6)塔径可以减小。
此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，提取率提高10%～15%
规整填料塔规整填料由厚约0.22mm的金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸气相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面积约是填料为筛板的30倍，液氧持留量仅为筛板的35%～40%。而且，因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向浓度梯度的问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气体穿过填料液膜的压差比穿过筛板液层的压差要小得多，约只有50Pa。上塔底部压力的下降，必然可导致下塔压力降低，进而主空压机的出口压力相应降低，使整套空分的能耗降低。同时，规整填料液体的滞留量小，因此，对负荷变化的应变能力较强。规整填料精馏塔一般分为3～5段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为110～160mm，而规整填料的等板高为250～300mm，因此填料塔的高度会增加。一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于50mg/m2。
当然，规整填料的成本要比浮阀塔高，价格较贵，塔身也较高且技术不是太成熟，所以相比之下本次设计还是选择浮阀塔[9][10]。

2.3 乙醇脱水工艺流程
2.3.1乙醇脱水工艺流程的选择

工艺流程如图所示：原料为95%（体积分数）的乙醇蒸气，通过再沸器加热，在适当压力下分子筛塔A的顶部，然后沿塔向下运动，边进入，边脱水，脱水后60%~85%无水乙醇蒸气在底部排出。其余的无水乙醇蒸气用于分子筛塔B中的分子筛的脱水再生。分子筛塔B处于负压状态，以利脱水。两个分子筛塔如此周期性切换，通过调整压力、温度、流速完成吸水和再生。当分子筛塔由吸水转为再生时，顶部进口的压力缓慢下降；两个分子筛塔切换后，作为具有脱水功能的分子筛塔“压力上升”到分子筛吸水时的压力，另外一个分子筛塔在负压条件下压力降低至分子筛自身的脱水压力，这样分子筛自身不断地重复吸水和再生的循环。通常已再生的分子筛塔脱除气相原料（95%乙醇蒸气）中的水仅需要3~10min。
2.3.2 乙醇脱水工艺流程的论证
乙醇分子筛脱水技术在燃料乙醇工业上已经大规模应用，至今已成为燃料乙醇生产的首选脱水技术。
分子筛脱水技术具有以下优点：产品质量高（分子筛本身纯净、脱水过程中不会带入其他杂质），脱水能力强，乙醇脱水后其浓度最高可达到99.995%（体积分数）；分子筛使用寿命长，正常操作条件更换周期可达5-7年；95%（体积分数）乙醇单程回收率可以达到85%；按分子筛的脱水原理以及设备结构特点可以保证无故障操作，年连续工作时间可达到300天以上；设备紧凑，占地面积少，流程短，投资少；操作温度低，能耗低，在不考虑与其他生产工艺过程集成而进行能量综合利用的前提下，能耗小于560kJ/h乙醇；因分子筛脱水是一个物理过程，不会引起环境污染和造成“三废”排放问题；计算机自动化控制，每班只需要1名操作人员。
2.3.3 乙醇脱水工艺最新研究进展
渗透蒸发或称渗透汽化（Pervaporation，简称PV）
该技术的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务。它特别适于传统精馏方法难于分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势；还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，使反应转化率明显提高。所以，渗透蒸发技术在石油化工、医药、食品、环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场，国际学术界的专家们称之为二十一世纪最有前途的高技术之一。渗透蒸发法制备无水乙醇时，原料的含水量原则上没有限制，通常为5%~20%。为使过程保持高的渗透通量，通常采用较高的料液温度和较低的膜后侧压力。料液温度一般为60℃~120℃，膜后侧压力为500~2000Pa，冷凝温度为-20℃。Lurgi公司以及膜专家Sander和Soukup在其先后的研究中得到的工业数据显示，从94%的乙醇/水溶液制备99.9%的无水乙醇时，与传统的恒沸精馏法比较，渗透汽化的操作费用要节省60%。但一套渗透气化装置投资较高，有数据表示，就一个年产5万~6万吨燃料乙醇的工厂来说，仅一套渗透气化装置的投资回收期就需要1~1.5年，因此，目前国内应用此技术的企业仍然较少。
生物质吸附法
常华等[9]发现乙醇和水的混合气相在稻谷粉和玉米粉上吸附时，乙醇吸附量远小于工业上允许的乙醇损失量(0．5％)，研究表明，在操作中存在一个最佳气速，使吸附性能最佳。马晓建等[10]使用恒温固定吸附床对乙醇蒸气脱水的生物质吸附剂的吸附性能进行研究，考查了床层温度、进料浓度、表观气速和吸附剂粒径对吸附性能的影响，结果表明，降低床层温度、减小粒径、增大停留时间都将有利于吸附操作。张琳叶等[11]研究发现木薯吸附剂具有良好的吸附性能，可用于吸附法制无水乙醇。吴勇[12]董科[13]对燃料乙醇专用吸附剂进行了热力学和含水乙醇气相吸附脱水研究，利用小麦粉和玉米粉为主要原料经粉碎造粒制备的燃料乙醇专用吸附剂，用反气相色谱法来研究不同粒度和温度对吸附性能的影响，其结果表明，在70C一150℃范围内，温度越低越有利于吸附，在80—140目粒度内，粒度越小吸附的效果越好。同时，Vareli等[14]发现吸附后的生物质解吸再生也较容易，最终不能再使用的吸附剂，还可以作为饲料或酿酒的原料，对环境不会造成污染。
因此，生物质吸附法是最有前景的分离方法，它具有原料来源广泛、能耗低、无污染的特点。一方面，生物质既是发酵法生产乙醇的原料，又是吸附剂；另一方面，用作吸附剂再生失效后可直接作发酵原料，能够节省大量的能耗，从传统的6MJ／kg～9MJ／kg，降低为4MJ／kg，是一种符合可持续发展战略的“清洁工艺”。我国目前正在大力推行“燃料乙醇”计划，在生物质吸附法制备无水乙醇的热力学、动力学、工业应用等方面的研究已经取得了一定的进展，但是对其吸附机理及利用薯类等非粮食类作物作为吸附剂还有待进一步的研究，而且在吸附实验数据的基础上，应该进行工业生产应用的研究以及研发相应的吸附工艺和设备，以实现生产过程的连续化。
3 生产工艺操作条件
3.1 设计任务
（1）原料液（成熟发酵醪年产：12477Kg/t）乙醇含量7.14%（质量分数）
发酵醪液组成: 含水约85%（质量分数）、干物质约7.3%（质量分数）、甲醇约2%（体积）、杂醇油约0.3%-0.6%（体积）
（2）精馏塔中产品乙醇含量不低于94%
（3）塔底残液中乙醇含量不高于0.3%
（4）生产能力为年产2吨99.5%的无水乙醇产品
3.2 设计工艺方案的计算
3.2.1 粗馏塔的物料衡算与热量衡算
本工段设计进入醪塔酒精质量分数为7.14﹪，出醪塔酒精质量分数为30﹪.
醪液预热至55℃，进入醪塔蒸馏，已知酒精沸点92.4℃，取上升蒸汽浓度为30﹪（v），即25.46﹪（w）。设塔顶温度75℃，塔底温度85℃，塔顶上升蒸汽热焓量i=2045kJ/kg。加热蒸汽取0.05MPa绝对压力，查表知热焓量I=2644KJ/kg。

馏出液流量 V

热损失 Q

成熟醪液 F

醪 塔

加热一次蒸汽 D

蒸馏残液 W + D

图3-1 醪塔的物料和热量平衡图
总物料衡算：
F + D = W + V + D 即 F = W + V
酒精衡算式：

式中：XF—成熟发酵醪内酒精含量[﹪（W）]，XF=7.14﹪。
XD—塔顶上升蒸汽中酒精浓度[﹪（W）]，XD =25.46 ﹪。
XW—塔底排出废糟内的酒精浓度[﹪（W）]，塔底允许逃酒在0.03﹪以下，取XW=0.03﹪。
热量衡算式：

式中：CF——成熟发酵醪液比热[KJ/（kg·h）]，CF=3.98KJ/（kg·h）
CW —塔底釜残液比热[KJ/（kg·h）]，CW =4.04KJ/（kg·k）
Ce —上升蒸汽比热[KJ/（kg·h）]，Ce =4.18KJ/（kg·k）
tF — 成熟发酵醪进塔温度[℃] ，tF =55℃
tW —塔底釜残液温度[℃]， tW=85℃
F —成熟发酵醪液进塔流量[kg/h]，F=34658.336（kg/h）取热损失Q=1﹪DI
联立方程式解得：
V=9679.2585（kg/h），W=24979.07752（kg/h），D=9192.139568（kg/h）
一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为：
G=W+D=24979.07752+9192.139568=34171.2168（kg/h）
粗馏塔热量衡算：
Q1=FCFtF=34658.336×3.98×55=7.587×106 KJ/h
Q2=DI=9192.139568×2644=2.424×107 KJ/h
Q3= WCWtW=24979.07752×4.04×85=0.856×107 KJ/h
Q4 =Vi=9679.2585×2045=1.9792×107 KJ/h
Q5 =DtWCe=9192.139568×85×4.18=3.266×106 KJ/h
Q6 =Q=0.2424×106 KJ/h

3.2.2 精馏塔的物料衡算与热量衡算

V
冷凝器

馏出液流量 D

泡点
回流V

V
L

粗酒精 F

精馏塔

热损失 Q

V'
L'
一次加热蒸汽 V

蒸馏残液 W

图3-1 精馏塔的物料和热量平衡图
本工段设计从醪塔进入精馏塔的酒精质量分数为30%，出精馏塔产品酒精质量分数为95﹪（由于考虑到操作上的失误等造成的损失，计算时按酒精质量分数96%）
粗酒精液相进入精馏塔,设塔顶温度105℃，塔底130℃，进汽温度取130℃，出塔浓度为96﹪（v），即93.84﹪（w）。
出塔酒精量为：
= 2606.664Kg/h
每小时醛酒量因为醛酒占出塔酒精的2﹪
每小时的醛酒量为：A=2﹪×2606.664=52.133(kg/h)
96%酒精量：P′= P–A =2606.664- 52.133=2554.53(kg/h)
在精馏塔中，塔顶酒精蒸汽经粗馏塔底再沸器冷凝后，除回流外，还将少量酒精送到洗涤塔再次提净。据经验值，此少量酒精约为精馏塔馏出塔酒精的2%左右，则其量为：
Pe=P，×2%=2554.53×2%=51.09（kg/h）
酒精被加热蒸汽汽化逐板增浓,在塔板液相浓度55﹪(v)出汽相抽取部分冷凝去杂醇油分离器,这部分冷凝液称杂醇油酒精,数量为塔顶馏出塔酒精的2﹪左右。
其中包括杂醇油m0=0.3﹪(P′+A)=0.3%×2606.664=7.82kg/h),故H=(P′+Pe)×2﹪=（2554.53+52.133）×2﹪=52.133(kg/h)
在杂醇油分离器内约加入4倍水稀释,分油后的稀酒精用塔底的蒸馏废水经预热到tH=80℃,仍回入精馏塔,这部分稀酒精量为: H′= (1+4)H–m0 = 5H–m0=5×52.133-7.82=252.846(kg/h)
回流比的确定
乙醇的摩尔质量MA=46Kg/Kmol 水的摩尔质量MB=18Kg/Kmol
0.265
= 0.9038
= 0.0012
与之相平衡的液相浓度为
最小回流比：

=2.4
以获得精馏总成本最低的回流比为最优回流比。总成本为投资费用和操作费用之和。而回流比变化对精馏同时存在正、负两方面的影响，如回流比为Rmin，其塔为无穷高，投资费用直线上升为无穷大。
当R适当提高时，投资费用很快下降为有限大小，总成本下降。当回流比继续增大时，则能耗随之增大，则操作费用迅速增大，R增到一定程度，设备费用开始升高，如塔径增大等，将使总成本开始上升。为此，回流比存在一优化的问题。操作费用和投资费用之和最小的回流比为最适宜的回流比

这一回流比R通常选最小回流比倍数经验范围：多数建议为[2、3] R=1.1～1.2Rmin，所以取最适宜的回流比：R=1.2Rmin=3.0
物料平衡:
F2 + D2 + H′= P′+ Pe + H + D3 + W’x
则: W’x = F2 + H′-P′-Pe -H
=9679.2585+252.7424-2554.53-51.09-52.1
= 7274.2809(kg/h)
热量平衡:
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=
式中 R—精馏塔回流比，由上讨论知R=3
I2—精馏塔加热蒸汽热含量，0.6Mpa绝对压力，I2=2652(kJ/h)
tH—回流稀酒精进塔温度tH=80℃
CH—为杂醇油分离器稀酒精比热，稀酒精浓度为：
，
查得起比热为CH =4.43KJ/（kg·k），75.2﹪—为杂醇油酒精的重量百分浓度，与液相浓度55﹪（v）相平衡。
tP—出塔酒精的饱和温度(78.3℃)
CP—出塔酒精的比热，应为2.80[kJ/（kg.K）]
i2—塔顶上升蒸汽热含量,i2=1163.2 (kJ/kg)
iH—杂醇油酒精蒸汽热含量,应为iH=1496(kJ/kg)
tw2—精馏塔塔底温度，取100℃
Cw —取4.04KJ/（kg·k）
Qn2—精馏塔热损失,Qn3=2%D2I2
CF2—进塔酒精的比热，取CF3=4.16(kJ/kg)
tF2—进料温度，取90℃
W’x上面算得9092.8341kg/h
计算可得：D2=5712.4969(kg/h)
塔底排出的废水：
G=D2+W，x = 5712.4969+7274.2809=14805.331（kg/h）
计算蒸馏工段的蒸馏效率：

计算精馏塔热量衡算：
Q7= F2CF2tF2=9679.2585×4.16×90=3.624×106 kJ/h
Q8= D2I2=4569.998×2652=1.212×107 kJ/h
Q9=CHtH=252.846×4.43×80=0.896×105 kJ/h
Q10= R(Pe+ P`)Cptp=3×2605.6208×2.80×78.3=1.7136×106 kJ/h
Q11= P′CPtP=2554.53×2.80×78.3=5.6×105 kJ/h
Q12= HiH=52.1×1496=77960.7488 kJ/h
Q13=(Wx+D2) tW 2Cw=11844.265×100×4.04=4.785×106 kJ/h
Q14=(R+1)(Pe+ P`) i2=4×2605.6208×1163.2=1.212×107 kJ/h
Q15= Qn2=2.424×105 kJ/h
计算结果汇总表如下：
表1-1 年产2万吨酒精厂蒸馏工段醪塔物料热量汇总表
进入系统
离开系统

物料符号
质量（kg/h）
热量（kJ/h）

物料符号
质量（kg/h）
热量（kJ/h）
成熟醪液
F
34658.336
9.483×106
蒸汽残液
W
24979.07752
0.856×107
加热蒸汽
D
9192.139568
2.424×107
上升蒸汽
V
9679.2585
1.9792×107

加热蒸汽
D
919.34
5.6024×106

热损失
Q
——
0.41688×106
累计
输入
43850.4756
33.733
累计
输出
43850.4756
33.733

表1-2 年产2万吨酒精工厂蒸馏工段精馏塔物料热量衡算汇总表
进入系统
离开系统

物料符号
质量（kg/h）
热量（kJ/h）

物料符号
质量（kg/h）
热量（kJ/h）
脱醛液
F2
9679.2585
3.624×106
96%酒精
P′
2606.66
5.6×105
加热蒸汽
D2
5712.4969
1.212×107
次级酒精
Pe
51.09
——
稀酒精

252.846
0.896×105
杂醇油酒精蒸汽
H
65.141
77960.7488
回流液
——
——
1.7136×106
蒸馏废水
Wx+D2
13689.0728
4.785×106

上升蒸汽

1.212×107

热损失
Qn2

2.424×105
累计
输入
16346.8064
1.76×107
累计
输出
16346.8064
1.76×107

4 无水燃料酒精生产设备的选型
4.1 主要设备——粗馏塔与精馏塔的设计与选择
4.1.1 塔型、塔板选择原则及选型
工业生产上对于塔设备具有一定的要求，概括起来有下列几个方面。
（1）生产能力要大，即单位塔截面上单位时间内的物料处理量要大。
（2）分离效率要高，即达到规定分离要求的塔高要低。
（3）操作稳定，弹性要大，即允许气体和（或）液体负荷在一定的范围内变化，塔仍能正常操作并保持较高的分离效率。
（4）对气体的阻力要小，这对于减压蒸馏尤为重要。
（5）结构简单，易于加工制造，维修方便，耐腐蚀，操作清洗方便等。
（6）设备的制造和安装费用要低
（7）设计方法成熟，符合生产企业提出的专业要求以及本国、本地区、本单位的具体情况,如水、电、汽等
应该特别指出,当用于醪液蒸馏时,塔板应具有较好的抗污性能和自净能力。但不论采用何种塔型,物料均应加以沉砂除杂处理,切忌将严重沉淀、酸败、胶粘(生料发酵更有可能产生此种现象)以及杂质垃圾很多的物料加入醪塔中,否则管路、泵、预热器和塔器的严重堵塞将是不可避免的,同时还会严重影响产品的质量和生产的正常进行。
醪塔选型分析：
（1） 普通泡罩板式醪塔抗污性能较差，但改进设计有可能得到改善。
（2） 浮阀板塔不适宜用于蒸馏具有固形悬浮物的污秽物系，不能作醪塔使用，因其极其易堵。
（3） 斜孔板、筛板塔（包括导向筛板塔）抗污性能差，加工粗糙，更易钩挂纤维类杂物而致堵塔。
（4） S型塔因存在“死区”（无效区——据文献介绍占塔截面的8%~20%）和“滞缓区”，有效截面利用率稍低，抗污性能较差。同时物料长期积累其间，有可能会影响成品质量。
（5） 新型SD型醪塔的抗污性能好，自净能力强，基本上克服了堵塔现象，完全适用于酒精的蒸馏。它不仅适用于中、小型酒精厂，而且因其塔板刚性强，物料呈单流向运动，水里坡度小，对大型塔更为适宜，更能显示使其结构的优越性。具SD型塔板的醪塔在国内可能已有数百家工厂使用。据反映比普通泡罩塔要好、相比之下其抗污性能有一定的改善。
木薯的成熟发酵醪液里果胶含量较多，粘度大筛板的筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。浮阀塔板处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降，SD型塔板仍存在一些技术问题，现只限于在一些年产几千吨的小型酒精厂应用，不符合本次生产任务的要求，故本次设计采用泡罩塔板.
泡罩塔板其结构如下图所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有f80、f100、f150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。

操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面. 在泡罩塔板上由于有升气管，即使在很低的气速下操作，也不至于产生严重的漏液现象，当气液负荷有较大波动时，仍能保持稳定操作，塔板效率不变，即操作弹性较大；塔板不易堵塞，适用于处理各种物料。
精馏塔选型分析：
浮阀型塔板是在泡罩塔和筛板塔的基础上开发的一种新型塔板，它取消了泡罩塔上的升气管与泡罩，改在板上开孔，孔的上方安置可以上下浮动的阀片。但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价相对较高，推广受到一定限制。但基于其优点考虑，认为浮阀塔是很优的选择，所以此次的燃料酒精工艺选用浮阀塔。
浮阀塔盘是在塔盘板上开许多圆孔，每一个孔上装一个带三条腿可上下浮动的阀。浮阀有圆形的和长方形的。浮阀-型塔板的优点是结构比较简单，操作弹性大，板效率高。浮阀一般按正三角形排列亦可按等腰三角形排列，浮阀-型塔板的开孔率为5%~15%。浮阀是保证气液接触的元件，浮阀的形式主要有F-1型、V-4型、A型和十字架型等，最常用的是F-1型，如下图示。 F-1型浮阀有轻重两种，轻阀厚1.5mm、重25g，阀轻惯性小，振动频率高，关阀