1、醫用酒精精餾車間工藝設計The Technical Design on the Distillation Plant of Medical Alcohol專 業： 制藥工程姓 名： 陳少真 指導老師： 王朝陽 教授 實習單位： 生命科學與工程學院醫用酒精精餾車間工藝設計西南科技大學 制藥工程專業20083438 陳少真 指導老師：王朝陽【摘 要】對年產量6000噸的醫用酒精精餾車間的工藝設計。選用番薯經糖化再由酵母發酵，發酵形成的發酵繆經預熱器與精餾塔出來的酒精蒸汽熱交換進入粗餾塔，再經精餾塔精制，通過氣相過塔的兩塔蒸餾制得95%醫用酒精。并進行物料衡算，熱量衡算，冷凝器設備選型計算。利用Au

2、toCAD軟件繪制了帶控制點工藝流程圖，精餾車間設備布置圖，車間布置圖，及主要設備圖。粗餾塔采用F-1型浮閥塔，塔板數為8個，塔徑為1.2m，板間距為0.45m。精餾塔采用F-1浮閥塔，塔板數為24個，塔徑為1.2 m，板間距為0.45m。兩塔塔底采用直接蒸汽加熱，精餾塔塔頂排出的酒精蒸汽95%（質量分數），直接送入冷凝器進一步回流提純。【關鍵詞】 醫用酒精；精餾；工藝設計1. 總論 1.1 醫用酒精的簡介 酒精是一種無色透明、易揮發、易燃燒，不導電的液體。有酒的氣味和刺激的辛辣滋味，微甘。學名是乙醇， 分子式C2H6O，熱值3×107 J/kg，比熱容2.4×103 J/

3、（kg·）密度0.8×103 kg/cm3。酒精既是食品、化工、醫藥、染料、國防等工業十分重要的基礎原料，又是可再生的清潔能源。我國發酵法酒精的年產量（商品酒精）在200萬噸左右；另有釀酒廠自產自用的酒精約100萬噸。液態法白酒的發展，大大地促進了我國酒精工業的發展，這是我國酒精工業發展的一大特色。現在，我國是世界上發酵法酒精產量占第三位的酒精生產大國，也是食用酒精產量最大的國家。其生產方法，有以植物系物質為原料的發酵法和以石油系物質為原料的化學合成法。現世界上的酒精生產仍以發酵法為主，我國的發酵法酒精產量占95%以上。根據GB394-81，酒精按雜質的含量分為優級、一至四

4、級四個級別，醫用酒精屬于一級酒精，甲醇含量0.12%。 醫用酒精的成份主要是乙醇。日常生活中，常見一些人用醫用酒精來擦洗傷口，以達到滅菌消毒的目的。醫用酒精是用淀粉類植物經糖化再發酵經蒸餾制成，相當于制酒的過程，但蒸餾溫度比酒低，蒸餾次數比酒多，酒精度高，制成品出量高，含酒精以外的醚、醛成分比酒多，不能飲用，但可接觸人體醫用。值得注意的是，在藥店買到的酒精有75%和95%兩種濃度，這兩種濃度的酒精用途是不一樣： 95%的酒精常用于擦拭紫外線燈。這種酒精在醫院常用，而在家庭中則只會將其用于相機鏡頭的清潔。75%的酒精用于消毒。這是因為，過高濃度的酒精會在細菌表面形成一層保護膜，阻止其進入細菌體內

5、，難以將細菌徹底殺死。若酒精濃度過低，雖可進入細菌，但不能將其體內的蛋白質凝固，同樣也不能將細菌徹底殺死。1.2 酒精精餾原理將液相多次部分汽化，移走氣相，終得純B；將氣相多次部分冷凝，移走液相，終得純A。精餾的主要過程就是多次部分汽化和多次部分冷凝。A易揮發組分；B難揮發組分。而在酒精精餾中酒精為易揮發組分，水為難揮發組分，1.3 工藝設計1 .工藝流程設計的重要性(1)生產工藝流程設計是工藝設計的基礎，所涉及面很廣，是淀粉酶工廠設計的核心和重要部分。在設計中必須做到技術先進、經濟合理、成熟可靠；在保證產品質量條件下，力求工藝流程簡化，生產管理方便；把各個生產過程按一定順序、要求組合起來，編

6、制成工藝流程圖等來完成工藝流程設計。因為工藝流程設計的質量直接決定車間的生產產品質量、生產能力、操作條件、安全生產、三廢治理、經濟效益等一系列根本性問題。(2)工藝流程設計圖是物料衡算、設備選型的基礎。從其它角度來說，工藝流程設計是定性分析工作階段，物料衡算是定量計算階段。一般來說，先定性后定量，所以，工藝流程設計是物料衡算的前提和基礎。2.工藝流程設計的原則產品質量符合要求；技術和設備先進、成熟、可靠；環保達到要求；安全生產；機械化和自動化程度高。3工藝設計流程設計（一）氣相過塔的兩塔蒸餾流程來自發酵車間的發酵成熟醪酒精含量10%（質量分數）經預熱器3與精餾塔的酒精蒸氣進行熱交換，加熱至80

7、后進入粗餾塔的頂部。酒精糟（不含乙醇）由粗餾塔底部排出。酒精含量為49.18%(質量分數)左右的酒精水蒸氣從粗餾塔頂部引進精餾塔。酒精蒸氣從塔頂依次經過成熟醪預熱器3和冷凝4、5、6。預熱器3和冷凝器4、5中的冷凝液全部回入精餾塔作為回流，回流液溫度均為95%酒精-水混合液的泡點78。粗餾塔和精餾塔均用直接蒸汽加熱。冷凝器6中的冷凝液作為醛酯餾分 (工業酒精占成品酒精2%)取出，廢氣排放至大氣。 成品酒精在塔頂回流管以下46層塔板上液相取出，經冷卻器后進入醫用酒精庫。廢水從精餾塔2的底部排出。雜醇油從進料層往上24層塔板液相取出(也可從進料層往下24層塔板氣相取出)。經冷卻、乳化和分離得粗雜醇

8、油，去雜醇庫。所有冷凝器入水口溫度均為27 蒸汽醫用酒精雜醇工業酒精1.粗餾塔2.精餾塔3.預熱器4.分凝器5.分凝器6.全凝器7.冷卻器8.換熱器（冷卻）9.雜醇酒分離器發酵繆 圖1 兩塔氣相過塔蒸餾流程圖 Fig.1 two distillation towers gas flow chart of the tower2 物料衡算2.1 生產規模年生產能力：6000ty年連續工作日:250dy連續每小時產量：根據設計任務，醫用酒精的年生產能力6000 ty全年365d，除去機械維修、節假日等，實際連續工作日250d每晝夜24h連續生產，則每小時生產能力： kg/h蒸餾過程采用氣相過塔兩塔蒸

9、餾流程，塔底采用直接蒸汽加熱，壓力為0.12MPa，溫度為104。設蒸汽總損耗0.25%，其中精餾和粗餾各占一半，在粗餾和精餾損耗中，設備的蒸汽滲漏損耗和廢酒糟帶走的酒精各占一半，兩外提取雜醇油帶走的酒精又占成品酒精總量0.48%2.2 各塔物料衡算 圖2 粗餾塔物料進出 Fig.2 Figure out crude distillation column materials對整個粗餾塔進行全塔總物料衡算；式中 F0發酵繆蒸汽量，kg/h；發酵繆中酒精摩爾分率 S 加熱蒸汽量，kg/h； L 上升蒸汽量，kg/h；上升蒸汽的摩爾分率 W0 廢液量，kg/h； 廢液中的摩爾分率粗餾塔熱量衡算：式

10、中： 成熟繆的熱焓，kJ/kg； 加熱蒸汽的熱焓，kJ/kg； 廢液的熱焓，kJ/kg； 上升酒精蒸汽的熱焓，kJ/kg； 圖2 精餾塔物料進出 Fig.2 Figure out distillation column materials現在以每小時成品酒精的產量為基準，對整個精餾塔進行總物料衡算如下： 其中 故： 式中 F 粗酒精蒸汽量，kg/h； V0 加熱蒸汽量，kg/h； V 塔頂上升的酒精蒸汽量，kg/h； V 酒精蒸汽滲漏損失量，kg/h； Q 回流入塔的冷凝酒精量，kg/h； P 雜醇酒精蒸汽量，kg/h； P 成品酒精量，kg/h； W 廢液量，kg/h； R 回流比。精餾塔熱

11、量衡算： 式中 粗酒精蒸汽的熱焓，kJ/kg； 加熱蒸汽的熱焓，kJ/kg； 回流液的熱焓，kJ/kg； 上升酒精蒸汽的熱焓，kJ/kg； 成品酒精的熱焓，kJ/kg； 雜醇酒精的熱焓，kJ/kg； 廢液的熱焓，kJ/kg； 熱損失，kJ/h.加熱蒸汽：壓力為0.3MPa（絕對），其熱焓：Is=2723(kJ/kg)成熟繆：酒精含量：，溫度：80比熱：=4.174 kJ /kg. ，熱焓： kJ/kg成品酒精：P=1000 kg/h，酒精含量：=95%(氣相中酒精質量分數)=88.13%（氣相中酒精分子摩爾分數），溫度：78.3=351.45K，比熱：3.35kJ/kg. 熱焓: kJ/kg進

12、料層氣相酒精濃度： y0=xf=49.18%(質量分數)=27.5%（摩爾分數）與之相平衡的液相濃度x0=5.3%（摩爾分數），則最小回流比：取最適宜的回流比: 則上升酒精蒸汽量： kg/h酒精濃度與成品酒精相同，溫度為351.45K，其熱焓為Iv=1187kJ/kg回流冷凝酒精量: kg/h kJ/kg廢液：一般精餾塔塔底壓力為0.12MPa（絕對），相對應溫度為377.15K，比熱容為4.178 kJ/kg.K，其熱焓Iw=435 kJ/kg雜醇酒精：含量60%（質量分數，下同），其中雜醇油含量為45%，含酒精量55%，則雜醇酒精中酒精含量：, 雜醇酒精中帶走的酒精占成品酒精的0.48%，

13、則：雜醇酒精蒸汽量： kg/h雜醇酒精的溫度354.15K，比熱為4.10 kJ/kg.K,其熱焓 kJ/kg精餾酒精蒸汽滲漏損耗和廢液帶走酒精損耗為 kg/h kg/h熱損失按每100kg成品酒精24166 kJ計算，則： kJ/h將已知數據代入則得：解得： kg/h熱焓： kJ/kg根據工藝設計，粗餾塔的上升蒸汽量等于精餾塔的粗酒精蒸汽量，即: kg/h kJ/kg根據精餾塔和粗餾塔的損耗各占一半，可知粗餾塔的損耗 kg/h將已知數據代入解得：kg/h將已知數據代入和則解方程組得: kg/h粗塔廢液酒精的含量：將已知數據代入和則解方程組得：kg/h廢液中酒精含量：3. 熱量衡算3.1 精餾

14、塔冷卻器7的熱量衡算冷卻器的95%乙醇入口的溫度t為78.3，出口溫度t0 30；冷卻器的水入口溫度為27，出口溫度為50；95%乙醇的無相變傳熱 kJ/h水的無相變傳熱水的流量為kg/h4. 設備設計計算4.1 精餾塔冷卻器7設計計算4.1.1 冷卻面積計算95%乙醇給冷卻器的最大傳熱量為kJ/h,采用豎式列管冷卻器,經查表,總傳熱系數K=2.09×103 kJ/（m2·h· ）,95%乙醇進口溫度為78.3，出口溫度為30，冷卻水的進口溫度為t1=27,出口溫度為t2=50,平均溫差tm為：78.3 3027 5051.3 20 代入數據得： 冷卻面積：m24

15、.2 精餾塔設計計算 精餾塔塔板數計算乙醇-水的氣-液平衡y-x如下圖4：圖中曲線表示在一定外壓下乙醇蒸汽的組成y和與之相平衡的液相組成x之間的關系（均為摩爾分數）。 圖中平衡曲線與對角線相交于M點，此點為恒沸點。在此點，y=x,即蒸汽中的酒精含量和與之相平衡的液相中的酒精含量相等（y=x=0.894） 圖4 乙醇水的氣液平衡y-x圖Fig.4 Ethanol water vaporliquid equilibrium y-x diagram精餾段操作方程是基于該段物料衡算得出的：式中由n+1層上升蒸汽中的酒精的摩爾分率； 由n層下降的回流液中的酒精的摩爾分率； 成品酒精的摩爾分率； R回流比

16、。酒精蒸餾為分離水為重組分的物料。可將加熱蒸汽直接通入精餾塔塔釜加熱，采用直接蒸汽加熱，對精餾段方程不影響，提餾段的操作線與間接蒸汽加熱精餾過程略有差異。提餾段的操作方程：式中 V0 加熱蒸汽量； W 廢液量； 廢液中酒精的摩爾濃度； 其他同上q線方程或進料方程，加料熱狀態一定時，q線方程式為一直線）： 飽和蒸汽進料時， q=0，q線方程為回流比R=3.5，故精餾段操作方程：當時，代入上式得，即在對角線上以a（88.13,88.13）點表示。精餾段操作線在y軸上的截距為17.626%根據物料衡算結果，提餾段操作方程為：提餾段操作線在y軸上的截距為-0.117%根據平衡線，精餾段操作線和提餾段操

17、作線，采用圖解法求出塔板數。如圖5可知，理論塔板數數為12個實際板數（個）4.2.2 塔板設計計算4.2.2.1 塔板類型：選用F1型重浮閥塔浮閥板兼有泡罩板和篩板的優點，而且操作彈性大，操作靈活，板間壓降小，液面落差小，浮閥的運動具有去污作用，不易積垢堵塞，操作周期長，結構簡單，容易安裝，操作費用少，其制作費用僅為泡罩板的60%80%；又由于F1型浮閥塔結構簡單，制造方便，節省材料，性能良好；另輕閥壓降雖小但操作穩定性差，低氣速是易漏液。綜上所述，故選用F1型重浮閥塔4.2.2.2 浮閥塔板間距的選擇與塔徑的估算 精餾塔塔頂壓力一般為0.105MPa（絕對），其酒精度為95%（質量分數）=8

18、8.13%（摩爾分數），該酒精密度為1.51kg/ m3則該酒精蒸汽的體積流量為： m3/s精餾段液相流量：kg/h，酒精濃度88.13%（摩爾分數），溫度為351.45K,其密度為793 kg/m3。則液相體積流量為： m3/s動能因素：從圖5中差的負荷系數，酒精表面張力N/cm2代入式得：最大允許空塔速度 m/s取空塔速度為 m/s塔徑：m即取塔徑 m根據浮閥塔板間距參考值，選用板間距 mm=0.45m精餾塔塔高m ， 動能參數圖5 史密斯關聯圖Fig.5 under different kinetic parameters of the separation space and the

19、relationship between load factor4.3 粗餾塔設計計算4.3.1 粗餾塔塔板數計算 xWyq0xDxF 圖6 粗餾塔塔板數圖解法 Fig.6 Crude distillation plate number graphical solution粗餾塔同精餾塔一樣采用直接蒸汽加熱，故根據物料衡算結果，其操作方程為：其在y軸上的截距為0.061%飽和蒸汽進料，q=0，q線方程為粗餾塔求解塔板數稍有不同，按圖6所示求解塔板數，由下圖7可知，理論塔板數為4個則實際塔板數（個） 塔板設計計算4.3.2.1 塔板選型：同上精餾塔的選型。 .2浮閥塔板間距的選擇與塔徑的估算原料

20、液流量較大，塔徑選為為m根據浮閥塔板間距參考值，塔板間距為600mm=0.6m塔高： m，5. 車間設備工藝布置設計5.1 生產車間工藝布置設計5.1.1 車間工藝布置的原則間設備布置是酒精精餾車間工藝設計的一個重要環節，所以設備布置時要考慮以下原則：（1）依據生產工藝流程和設備選型，盡可能保證工藝流程順暢，保證水平方向和垂直方向的連續性，縮短工藝管路。（2）滿足設備安裝、檢修、傳動設備所需要車安全防護距離等對設備布置的要求。（3）滿足建筑、結構對設備布置的要求，對于大型、較重設備和運轉時產生較大震動的設備，盡可能布置在車間底層。設備布置時應考慮柱網、主要高度等以免與大設備發生碰撞。（4）保證

21、工人操作設備所需要的安全距離，如設備之間凈距離和設備與墻之間的距離等，要滿足操作要求。（5）留有必要的運輸通道、消防通道以及出入口。（6）應注意車間的通風、采光、降溫、采暖等設施的安排6、設計結果一覽表表1 精餾塔設計結果參數一覽表 Table 1 Distillation tower design parameters of the result list項目 指標 項目 指標 塔徑（m） 1.2 浮閥數（個） 448 塔板數（個） 24 板間距（m） 0.45 空塔速度（m/s） 0.732 中心距（等邊三角形排列）（m） 0.0885 塔高（m） 10.35 塔板上的液層深度（m） 0.

22、05 表2 粗餾塔設計結果參數一覽表 Table 2 Crude Distillation tower design parameters of the result list項目 指標 項目 指標 塔徑（m） 1.8 浮閥數（個） 148 塔板數（個） 8 板間距（m） 0.6 空塔速度（m/s） 1.54 中心距（等邊三角形排列）（m） 0.1085 塔高（m） 4.2塔板上的液層深度（m） 0.05 7、設備一覽表通過設備的工藝計算，可以列出所用的設備，如表3表3 年產6000噸后醫用酒精精餾車間設備一覽表Table 3 The distillation plant of medical

23、 alcohol equipment list位號設備名稱臺數 型號材質B-501往復泵1WFB2-120A3鋼H-502管式預熱器1YD-GS-10SUS304不銹鋼T-503粗餾塔1F-1浮閥塔SUS304不銹鋼B-504汽包V=50 m3A3鋼T-505精餾塔1F-1浮閥塔SUS304不銹鋼H-506換熱器1LQF4WA3鋼R-507熱水箱1V=50m3SUS304不銹鋼B-508離心泵2GNF×4A3鋼R-510分離器1XGLJ55-90A3鋼H-511板式換熱器1S=3.0mSUS304不銹鋼H-512列管換熱器2LQF4WSUS304不銹鋼R-513雜醇油分離器2XGLJ

24、55-90A3鋼R-514a-b計量柜3V=50 m3A3鋼R-516貯罐1V=50m3SUS304不銹鋼R-517回收水箱1V=50m3A3鋼R-518熱水箱1V=50m3SUS304不銹鋼H-519預熱器1YD-GS-10SUS304不銹鋼H-520冷凝器3GBNL3-8A3鋼R-523高位水箱1V=100m3SUS304不銹鋼B-524水包1V=50m3SUS304不銹鋼附表：表4 乙醇水溶液氣液相平衡數據（摩爾分數） Table 4 Ethanolwater vapor-liquid equilibrium data (mole fraction) x y x yxy 0.000040

25、 0.00053 0.0035 0.0412 0.4427 0.62990.000117 0.00153 0.0039 0.0451 0.4849 0.64700.000157 0.00204 0.0079 0.0876 0.5 400 0.66920.000196 0.00255 0.0119 0.1275 0.58 11 0.68760.000235 0.00307 0.0161 0.1634 0.6252 0.71100.000274 0.00358 0.0286 0.2396 0.6772 0.73610.0003130.00410 0.0416 0.2992 0.7063 0.758

26、20.0003520.00461 0.0551 0.3451 0.7415 0.78000.00040 0.0051 0.0686 0.3806 0.7599 0.79260.00055 0.0077 0.0892 0.4209 0.7788 0.80420.0008 0.0103 0.1100 0.4541 0.7982 0.81830.00120.01570.13770.48460.81820.83250.00160.0198 0.1677 0.5127 0.8387 0.84910.00190.0248 0.2425 0.5522 0.8597 0.86400.00230.0290 0.

27、2980 0.05754 0.8815 0.88250.00270.0333 0.3416 0.5910 0.8941 0.89410.00310.03725 0.40000.6144 表5 主要使用符號說明 Table 5 Symbolic description of the main符號 意義 計量單位 c 負荷系數C 比熱容 kJ/kg. d 塔徑 mF0 成熟繆進料量 kg/hF 粗酒精蒸汽量 kg/hhL 板上液層深度 mHT 板間距 mI 熱焓 kJ/kgK 傳熱系數 kJ/m2·h· L 粗餾塔上升蒸汽量 kg/hLh 液相體積流量 m3/sN 塔板數 個P

28、 成品酒精量 kg/hP 滲漏蒸汽量 kg/hQ 回流入塔的冷凝酒精量 kg/hQC 熱負載 kJ/hq 熱損失量 kJ/kgrf 汽化潛熱 kJ/kmolR 最適回流比Rmin 最小回流比S 粗餾塔加熱蒸汽量 kg/hv 空塔速度 m/sV 精餾塔上升蒸汽量 kg/hV0 加熱蒸汽量 kg/hVh 上升酒精蒸汽體積流量 m3/sV 酒精蒸汽滲漏損失量 kg/hW0 粗餾塔廢液量 kg/hW 精餾塔廢液量 kg/hx 液相中乙醇組分的摩爾分數y 氣相中乙醇組分的摩爾分數Z0 粗餾塔塔高 mZ 精餾塔塔高 m 氣液體密度 kg/m3 酒精表面張力 N/cm2表 6 浮閥塔板間距參考數值Table

29、 6 Board spacing of the F-1 Valve tower 塔徑（m）0.30.5 0.50.8 0.81.6 1.62.0 2.02.4 >2.4板間距(mm) 200300 300350350450 450600 500800600參考文獻：1 陳敏恒，叢德滋，方圖南等. 化工原理（第三版）（下冊）M . 北京：化學化工出版社，2006.5, 151-1572 梁世忠. 生物工程設備M. 北京:中國輕工業出版社, 2002,1-20.3 陳來同，唐運. 生物化學產品制備技術M. 科技技術文獻出版社, 2002,1-20.4 韓冬冰. 化工工藝學M. 北京:中國石化

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32、gAbstract: Process design for the rectification workshop of medical alcohol with annual output of 6000 tons. Select Sweet potato，then we could get the product by the way of saccharification and fermentation ，The Fermentation Liquid, forms during fermentation, go through the preheater, then exchange

33、the heat with the alcohol steam came from the rectification column. Then we could get 95% medical alcohol after going through the Crude distillation tower, refining in the rectification column. Then do the material balance and the heat, compute the condenser equipment selection. Use AutoCAD software to draw the technologica