生物工業(yè)下游技術第十三章

生物工業(yè)下游加工技術

李剛副教授第十三章酒精差壓蒸餾技術第一節(jié)蒸餾的基本原理第二節(jié)差壓蒸餾的基礎理論第三節(jié)差壓蒸餾的工藝特征第四節(jié)酒精差壓蒸餾的發(fā)展動態(tài)知識要點（1）掌握蒸餾技術的基本原理。（2）掌握差壓蒸餾法的工藝特征。（3）能夠靈活應用差壓蒸餾的基本理論設計工藝流程解決工業(yè)上的實際問題。酒精差壓蒸餾技術蒸餾：蒸餾是一種熱力學的分離工藝，它利用混合液體或液-固體系中各組分沸點不同，使低沸點組分蒸發(fā)，再冷凝以分離整個組分的單元操作過程，是蒸發(fā)和冷凝兩種單元操作的聯(lián)合。與其它的分離手段，如萃取、吸附等相比，它的優(yōu)點在于不需使用系統(tǒng)組分以外的其它溶劑，從而保證不會引入新的雜質(zhì)。但缺點是能耗大，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的氣相或液相。蒸餾技術發(fā)展簡史蒸餾可以分為有塔蒸餾和無塔蒸餾。從世界蒸餾發(fā)展史來看，3000-5000年前，酒類生產(chǎn)中，就有了分離提純的要求。在古希臘時代，亞里士多德曾經(jīng)寫道：“通過蒸餾，先使水變成蒸汽，繼而使之變成液體狀，可使海水變成可飲用水”。這說明當時人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了蒸餾的原理。古埃及人曾用蒸餾術制造香料。在中世紀早期，阿拉伯人發(fā)明了酒的蒸餾。在十世紀，一位名叫Avicenna的哲學家曾對蒸餾器進行過詳細的描述。蒸餾技術發(fā)展簡史西安考古發(fā)現(xiàn)的西漢末年王莽時期的銅蒸餾器，可能是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的歷史上最早的蒸餾器。蒸餾技術發(fā)展簡史長期以來，古代所釀的酒一直在15-20度左右，經(jīng)歷了無法科學家的攻關，原始的蒸餾設備被發(fā)明出來，42-56度含量的白酒是一個提純高峰，也就是現(xiàn)在白酒的含量范圍。200多年前，法國發(fā)明家采用蒸餾豎塔，生產(chǎn)出了95%含量的乙醇，獲得了蒸餾界的公認記錄。30多年后，英國發(fā)明家在蒸餾豎塔基礎上，發(fā)明了精餾塔，生產(chǎn)出了99-99.9%純度的乙醇，第一次產(chǎn)生了“酒精”一詞。即酒的精華。酒精蒸餾的兩個過程粗餾：將酒精和所有易揮發(fā)物質(zhì)從發(fā)酵醪液中分離出來的過程。粗餾一般通過粗餾塔實現(xiàn)，從來的粗酒精（氣相或液相）作為過程的一個中間產(chǎn)物，送入精餾塔進一步提純。精餾：進一步提高酒精的濃度，并除去粗酒精中的雜質(zhì)，使之成為各種規(guī)格的成品酒精。精餾通過精餾塔來實現(xiàn)，最終產(chǎn)物是成品酒精和雜醇油等副產(chǎn)物。蒸餾的設備主要有粗鎦塔和精餾塔組成，根據(jù)不同的原料和對產(chǎn)品規(guī)格的要求，可增加排醛塔和甲醇塔等輔助塔設備。各種塔設備均在常壓下工作，每一座塔底用蒸汽加熱，而塔頂需要冷卻水移走熱量，蒸餾能耗較大。蒸餾塔原理圖和實物圖差壓蒸餾多效蒸餾：將幾個蒸發(fā)器串聯(lián)進行蒸發(fā)操作，以節(jié)省熱量的蒸餾方法。差壓蒸餾：是根據(jù)多效蒸餾的原理，把各座塔有機地結(jié)合在一起。各座塔在不同的壓力下工作，利用高壓塔塔頂待冷凝的酒精蒸汽作為低壓塔的驅(qū)動熱源，并在低壓塔的再沸器中被冷凝，節(jié)約了蒸汽和冷凝水。再沸器：再沸器也稱加熱釜或重沸器，使被蒸餾液體氣化的加熱設備。一般與精餾塔結(jié)合使用，直接裝于精餾塔的底部或塔外。第一節(jié)蒸餾的基本原理酒精發(fā)酵醪液蒸餾的理論基礎是拉烏爾定律。拉烏爾定律：混合液中，蒸汽壓高的組分，在氣相中的含量總是比液相中的高；反之，蒸汽壓低的組分，在液相中的含量總是比氣相中的高。在酒精發(fā)酵醪液中，由于酒精和其他各組分的揮發(fā)性能的不同，經(jīng)過多次反復汽化和冷凝，使酒精得以增濃和提純。一、揮發(fā)系數(shù)K揮發(fā)系數(shù)K在酒精精餾塔內(nèi)，一切雜質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)隨酒精濃度的增加而變小。揮發(fā)系數(shù)大于1，該成分是沿著塔向上移動，即濃縮；揮發(fā)系數(shù)小于1，該成分沿著塔向下移動；如果某組分（如異戊醇）隨著酒精濃度變化而在某一濃度時期揮發(fā)系數(shù)約等于1，則該組分就濃縮在與該酒精濃度相應的塔板附近。雜質(zhì)的精餾系數(shù)雜質(zhì)的分類（1）頭級雜質(zhì)：其精餾系數(shù)始終大于1，它們在塔內(nèi)向上運動，其濃度在塔頂最高。（2）尾級雜質(zhì)：其精餾系數(shù)小于1，它們在精餾塔的精餾段是逐板向下運動的。另有一類雜質(zhì)，它們在塔內(nèi)的運動方向始終向下，在塔底隨廢醪排出。（3）中級雜質(zhì)：其精餾系數(shù)約等于1，它們在成品酒精采出口部位濃縮，因而很難和酒精分離。第二節(jié)差壓蒸餾的基礎理論一、熱力學分析：蒸餾過程的節(jié)能途徑歸納起來有3個方面：（1）蒸餾過程熱能的充分回收利用，使散失到系統(tǒng)之外的熱量降低到最低限度（如酒糟、溜出液的顯熱回收，以及塔頂酒精蒸汽潛熱的回收）；這是以熱力學第一定律為基礎的。屬于“回收型”節(jié)能途徑。熱力學第一定律：隔離系統(tǒng)無論經(jīng)歷何種變化，其能量守恒。也就是說，隔離系統(tǒng)中能量的形式可以互相轉(zhuǎn)換，但不會憑空產(chǎn)生，也不會自行消失。一、熱力學分析蒸餾過程的節(jié)能途徑歸納起來有3個方面：（1）“回收型”節(jié)能途徑；（2）減少蒸餾過程本身需要的熱量（如采用最佳回餾化、適當?shù)乃褰Y(jié)構(gòu)和塔板數(shù)等）；（3）提高蒸餾系統(tǒng)的熱力學效率，這是以熱力學第二定律為基礎的。熱力學第二定律：克勞修斯說法：熱不能自動從低溫流向高溫。開爾文說法：不可能從單一熱源吸收熱作功而無其它變化。一、熱力學分析由熱力學第二定律可知，熱量和功之間的轉(zhuǎn)換是有方向和限度的，也就是體系從高溫熱源吸收的熱量永遠不可能全部轉(zhuǎn)化為功，只有部分轉(zhuǎn)化為功，另一部分必須傳給低溫熱源。熱量要想最大限度地轉(zhuǎn)化為功，體系的變化過程應是可逆過程?？赡孢^程是指體系在一系列無限接近平衡條件下進行的過程。體系從某個狀態(tài)變化到與環(huán)境平衡狀態(tài)所能輸出的最大功，定義為有效能。根據(jù)有效能的概念，可以對化工過程或裝置進行有效能衡算，從而確定有效能效率，評價能量利用情況，揭示有效能損失的原因，指明減少損失、提高熱力學效率的方向。熱力學效率分離過程的熱力學效率定義為最小分離功耗和實際功耗（凈功耗）之比。要提高熱力學效率，只能采取措施降低過程的凈功耗，或者盡可能降低過程的不可逆性。精餾塔的不可逆性表現(xiàn)在：（1）流動液體有阻力。（2）塔內(nèi)上升蒸汽與下流液體直接接觸產(chǎn)生熱交換時的溫差以及再沸器和冷凝器中傳熱介質(zhì)和物料之間的溫差。（3）上升蒸汽與下流液體進行傳質(zhì)時，兩相濃度和平衡濃度之差。降低過程的不可逆性較常用的方法是設置中間再沸器和中間冷凝器，但在酒精工業(yè)上實際意義不大，因為其規(guī)模和分離所需塔板數(shù)都太小。更實用的方法是采用多效蒸餾。二、多效蒸餾的原理多效蒸餾充分利用了冷、熱介質(zhì)之間過剩的溫差，回收了大量熱能，即降低了過程的不可逆性，其原理圖如下所示。多效蒸餾的原理多效蒸餾是以多塔代替原來的單塔，使各塔在不同壓力下工作，前一效壓力高于后一效的壓力，前一效塔頂蒸汽冷凝溫度略高于后一效塔釜液體的沸騰溫度。第一效塔釜用蒸汽加熱，塔頂蒸汽作為第二效塔釜再沸器的加熱介質(zhì)，蒸汽在塔釜再沸器中冷凝。依次逐效進行，直到最后一效塔頂蒸汽用外來冷卻水冷凝。這樣，就有效地利用了固定冷、熱介質(zhì)之間的過剩溫差，使得總能量逐塔、逐級降低，充分利用了各級品味的能量，從而降低了有效能的損失，提高了熱力學效率。三、多效蒸餾的工藝流程多效蒸餾中最常用的工藝流程為雙效（二級）蒸餾。進料和氣液之間相互流動方式的不同分為五種組合方式。操作壓力組合方式：加壓——常壓加壓——減壓常壓——減壓減壓——減壓多效蒸餾的工藝流程對于選用何種工藝流程方案和操作壓力，要受以下幾個重要因素限制：（1）體系的相對揮發(fā)度；（2）板效率；（3）物料的熱狀態(tài)；（4）進料中低、高沸點物質(zhì)的組成；（5）熱源蒸汽壓力和冷卻介質(zhì)溫度；（6）現(xiàn)有塔設備的利用。四、多效蒸餾節(jié)能效果和

效數(shù)的關系理論上，多效蒸餾節(jié)能效果和效數(shù)的關系可以用公式表示為：（1-1/n）×100%公式中：n=效數(shù)理論上，效數(shù)約高，節(jié)能效果越好。在生產(chǎn)實踐中，雙效節(jié)能效果為30-40%，三效、四效、六效的節(jié)能效果為60%、70%和80%左右。增加蒸餾設備的費用，是多效蒸餾的一個缺點。從我國酒精蒸餾目前的生產(chǎn)水準來看，酒精差壓蒸餾以二效蒸餾為宜。五、差壓蒸餾的理論依據(jù)在多效蒸餾中，各效分離的物料及分離要求均相同，而差壓蒸餾中各塔分離的物料、各塔的作用及分離要求均不相同。因此，差壓蒸餾是多效蒸餾的延伸和發(fā)展。酒精和水的混合物不論在加壓和減壓下蒸餾，氣相中的易揮發(fā)組分的濃度均高于液相，其濃度和常壓蒸餾相近。當液相濃度較低時，減壓蒸餾的氣相中易揮發(fā)組分略低于常壓蒸餾的氣相中易揮發(fā)組分；加壓蒸餾時氣相中易揮發(fā)組分，略高于常壓蒸餾的氣相中的易揮發(fā)組分。五、差壓蒸餾的理論依據(jù)當液相濃度較高時，減壓蒸餾的氣相中易揮發(fā)組分，略高于常壓蒸餾的氣相中易揮發(fā)組分；加壓蒸餾時的氣相中易揮發(fā)組分，略低于常壓蒸餾的氣相中易揮發(fā)組分。各種濃度的酒精-水混合物，在不同的壓力下有不同的沸點，并且成正比關系，即壓力高，沸點高。壓力低，沸點低。不同壓力下各塔的操作條件

操作條件蒸餾方式塔底壓力（絕壓）/kPa塔底溫度/C塔頂溫度/C常壓蒸餾粗鎦塔196-245137-157103-107103-10693-9578-79精餾塔常壓粗餾塔蒸餾精餾塔50.730481.6132.964-66107注：本例為兩塔差壓蒸餾技術中試數(shù)據(jù)第三節(jié)差壓蒸餾的工藝特征一、加壓精餾塔回流比的確定：將引回塔內(nèi)的部分產(chǎn)品稱為回流?；亓魇潜ＷC精餾過程連續(xù)穩(wěn)定操作的必要條件。若回流比過大，則精餾能耗增大；若回流比過小，則所需理論塔板數(shù)過多，同時會影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，實際回流比往往需權衡產(chǎn)品質(zhì)量和蒸餾能耗來決定。在高壓下酒精對水的相對揮發(fā)系數(shù)會降低，因此，在加壓條件下，要獲得與常壓蒸餾條件下相同規(guī)格的酒精，必須增加回流比。加壓蒸餾塔回流比的確定二、減壓條件下雜質(zhì)的分布采用減壓蒸餾，不僅有節(jié)能的效果，也有利于提高雜質(zhì)的去除率。減壓蒸餾可以獲得更高濃度的恒沸混合物，其實質(zhì)是因為酒精對水的相對揮發(fā)系數(shù)增大?？梢酝茰y，在減壓條件下某些雜質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)也會增大。甲醛和甲醇分布實驗結(jié)論甲醇和甲醛在減壓條件下，具有在粗餾塔頂濃縮段更易聚集的傾向。在減壓粗餾塔頂設置一組冷凝器，可以排除大部分低沸點雜質(zhì)。實踐證明，采用這種工藝流程生產(chǎn)的酒精，成品酒精氧化時間指標較好。三、低壓降塔板的應用差壓蒸餾中的另一個節(jié)能途徑是低壓降塔板的應用。為了減少有效能損失，應減少塔頂、塔底間溫差，其極限是塔釜沸點和塔頂冷凝溫度之差。其有效的解決方法是采用低壓降塔板。降低塔板壓力，不僅能起到節(jié)能的效果，同時也為了適應減壓蒸餾的需要。目前較為常用的一種低壓降塔板是方形浮閥。方形浮閥由四周折邊的波浪形正方形不銹鋼閥片和鋼絲限位架組成，促使氣流分散，因而傳質(zhì)傳熱效果好，而且由于質(zhì)量輕而減少了塔板壓力降。四、差壓蒸餾的動態(tài)控制任何蒸餾過程都需要進行控制，使蒸餾過程在穩(wěn)態(tài)下進行。在酒精差壓蒸餾中，聯(lián)效兩塔之間存在著動態(tài)過程，相關影響，增加了過程控制的難度。一個好的控制過程可以使得系統(tǒng)由一個穩(wěn)態(tài)過程很快達到另一個穩(wěn)態(tài)過程。在酒精差壓蒸餾過程中，經(jīng)常采用控制壓力、流量以及回流比等方案，以消除各種因素對蒸餾穩(wěn)態(tài)的影響。第四節(jié)酒精差壓蒸餾的發(fā)展動態(tài)一、我國酒精工業(yè)蒸餾技術現(xiàn)狀我國酒精總產(chǎn)量已達到360萬噸，但技術水平比較落后，與發(fā)達國家相比，原料利用率相差無幾，但在能耗方面要高50%以上。在酒精生產(chǎn)過程中，蒸餾能耗占總能耗的60-70%。我國的酒精蒸餾主要采用傳統(tǒng)的常壓蒸餾，蒸餾汽耗為4.5t-6.0t/t酒精，而發(fā)達國家采用差壓蒸餾技術的蒸餾汽耗僅為2.0-2.4t/t酒精。國際上先進的差壓蒸餾技術其中一個塔加壓，另一個塔是常壓。加壓塔直接用蒸汽加熱，該塔頂?shù)木凭羝麆t作為常壓塔的加熱釜的熱源。該流程的能耗只有1.2-1.5kg/L，充分顯示了差壓蒸餾的節(jié)能效果。國際上先進的差壓蒸餾技術該流程中包括兩組雙效差壓蒸餾。醪塔和甲醇塔在負壓下運行，精餾塔在加壓下運行。排醛塔在常壓下進行。加壓精餾塔用蒸汽加熱，塔頂酒精蒸汽加熱醪塔，塔底高溫余餾水在自蒸發(fā)器中自蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽加熱排醛塔，排醛塔頂?shù)木凭羝脕砑訜峒兹┧?。尾氣吸收塔回收在醪塔頂冷凝器中溢出的酒精蒸氣，?jīng)脫水塔增濃后回到醪塔。國際上先進的差壓蒸餾技術該流程實質(zhì)上是三效蒸餾。粗餾塔塔頂?shù)南【凭魵饧訜崤湃┧途s塔，并在再沸器中冷凝。液體和脫水塔塔頂出來的三元共沸物蒸汽在冷凝蒸發(fā)器中換熱，產(chǎn)生的二次蒸汽和閃蒸產(chǎn)生的二次蒸汽，供給粗餾塔和回收塔。在該流程中，有三個壓力梯度，所以節(jié)能效果明顯。與生產(chǎn)