化工原理-酒精差压蒸馏

第十三章酒精差压蒸馏技术蒸馏的基本原理

差压蒸馏的理论基础

差压蒸馏的工艺特征

国内外差压蒸馏应用实例燃料乙醇产业的兴起……/节能

蒸馏

是分离液体混合物的典型化工单元操作，它利用液体混合物中各组分挥发性的不同，达到将各组分分离的目的。酒精蒸馏包括两个过程:（1）将酒精和所有易挥发性物质从发酵醪液中分离出来的过程，称之为粗馏；（2）进一步提高酒精浓度，并除去粗酒精中的杂质，使之成为各种规格的成品酒精，称之为精馏。常压蒸馏：

各座塔设备均在常压下工作，每一座塔底用蒸汽加热，而塔顶需用冷却水移走热量，蒸馏能耗较大。

差压蒸馏：

差压蒸馏是根据多效蒸馏的原理，把各座塔有机地结合在一起。各座塔在不同的压力下工作，利用高压塔塔顶待冷凝的酒精蒸汽作为低压塔的驱动热源，并在低压塔的再沸器中被冷凝，节约了蒸汽和冷凝水。

从下表可以知道：差压蒸馏可节约蒸汽40-50%，节约冷凝水30%以上；酒糟排放量减少15%以上。另外，如粗塔在真空下工作，低沸点杂质的挥发能力加大，有利于提高酒精质量。第一节基本原理

酒精发酵醪液蒸馏的理论基础是拉乌尔定律。一、挥发系数K同理，某杂质的挥发系数K’/表示该杂质挥发性的强弱。K=ω1/ω2汽液平衡时，乙醇

ω1汽相中乙醇质量分数

ω2液相中乙醇质量分数

ω1'

汽相中某杂质质量分数

ω2'

液相中某杂质质量分数

ω1'K杂=

ω2'二、杂质的精馏系数

杂质的精馏系数是指杂质的挥发系数和酒精的挥发系数之比，用表示。

某杂质精馏系数大于1，说明该杂质挥发比乙醇快。

精馏系数更为精确地描述了杂质和酒精在塔内的相互关系以及它们和酒精分离的难易程度。K=ω1/ω2

ω1'K杂=

ω2'K'==ω1'ω2'ω2ω1x三、杂质的分类

（1）头级杂质

典型的头级杂质的精馏系数始终大于1，它们在塔内的运动方向是往上的，其浓度在塔顶最高，如乙醛、甲酸乙酯、乙酸甲酯等。（2）尾级杂质

尾级杂质的精馏系数小于1，它们在塔内的运动方向向下，在塔底随废醪排出。而杂醇油在精馏塔的精馏段也是逐板向下运动的，所以杂醇油同样属于尾级杂质的概念范畴。（3）中级杂质

中级杂质的精馏系数约等于1，它们在成品酒精采出口部位浓缩，因而很难和酒精分离，如异戊酸、异戊酯、乙酸戊酯等。第二节差压蒸馏的基础理论

一、热力学分析

蒸馏过程的节能途径归纳起来有三个方面：（1）蒸馏过程热能的充分回收利用，使散失到系统之外的热量降到最低限度；（2）减少蒸馏过程本身需要的热量，如采用最佳回馏比、适当的塔板结构和塔板数等。（3）提高蒸馏系统的热力学效率，（1）属于“回收型”节能途径。（2）、（3）两类节能途径的出发点是如何减少蒸馏过程的驱动热源，它属于“节减型”节能途径。

能量不仅有数量上的大小，而且有品位上的高低。热量不可能全部转换为功，只有部分转化为功，另一部分必须传给低温热源，而能够转化为功的那一部分正是我们所关心的，它的数量大小取决于体系所处的状态，体系在不同状态下，具有不同的做功本领。稳态蒸馏过程如图一所示稳态下的有效能平衡方程：当过程可逆进行时，熵增率Sg=0，此时可得最小分离功耗为：分离过程热热力学效率率定义为最最小分离功功耗和实际际功耗（净净功耗）之之比。即：实际的分离离过程都是是不可逆过过程，最小小分离功耗耗（可逆功功耗）是前前者的极限限，它由原原料和产品品的组成、、温度、压压力所决定定，是个定定值。因而，要提提高热力学学效率，只只能采取措措施降低过过程的净功功耗W总，或者说，，尽可能降低低过程的不不可逆性。。精馏塔的不可逆性表现在以下下几个方面面：1、流动液液体有阻力力。2、塔内上升升蒸汽与下流流液体直接接接触产生热交交换时的温差差以及再沸器器和冷凝器中中传热介质和和物料之间的的温差。3、上升蒸汽汽与下流液体体进行传质时时，两相浓度度和平衡浓度度之差。为了降低过程程的不可逆性性，较常用的的方法是设置置中间再沸器器和中间冷凝凝器，使之接接近所谓的““可逆蒸馏”。中间再沸器中间冷凝器多效蒸馏是以以多塔代替原先的单塔，使各塔在不不同压力下工工作，前一效效压力高于后后一效的压力力，前一效塔塔顶蒸汽冷凝凝温度略高于于后一效塔釜釜液体的沸腾腾温度。第一一效塔釜用蒸蒸汽加热，塔塔顶蒸汽作为为第二效塔釜釜再沸器的加加热介质，蒸蒸汽在塔釜再再沸器中冷凝凝。依次逐效效进行，直到到最后一效塔塔顶蒸汽用外外来冷却水冷冷凝。多效蒸馏有效效地利用了固固定冷、热介介质之间的过剩温差，使得总能量量逐塔、逐级级降低，充分分利用了各级品位的能能量，从而降低了了有效能的损损失，提高了了热力学效率率。二、多效蒸蒸馏的原理三、多效蒸馏馏的工艺流程程多效蒸馏中最常用的工工艺流程为双双效蒸馏，根根据进料方式式和汽液之间间相互流动方方式的不同，，可以把双效效蒸馏分成五种基本组合方式式，如图三、多效蒸馏馏的工艺流程程对于选用何种种工艺流程方方案和操作压压力，要受以以下几个重要要因素限制：：（1）体系的的相对挥发度度；（2）板效率率；（3）物料的的热状态；（4）进料中中低、高沸点点物质的组成成；（5）热源蒸蒸汽压力和冷冷却介质温度度；（6）现有塔塔设备的利用用。四、多效蒸馏馏节能效果和和效数的关系系其中，N为效数。从公式可以看看出，虽然增增加效数可以以进一步降低低能耗，但效数的增加和和能耗的降低并不是线性关关系，随着效数的增增加，各效之之间换热器的的温差减小，，因此，换热热器传热面积积增加；如果果增加首效和和尾效的温差差，首效的压压力更高；从从而设备费用用也增加。和石油化工相相比，酒精蒸蒸馏的规模和和分离所需塔塔板数都很小小，因此，从从目前我国酒酒精工业的水水准来看，酒酒精差压蒸馏馏以二效蒸馏馏为宜。五、差压蒸蒸馏的理论依依据差压蒸馏是多多效蒸馏的延延伸和发展。。酒精发酵液能能否采用多效效蒸馏呢？从图中我们可可以得出几个个结论：（1）酒精发酵液不不论在加压和和减压下蒸馏馏，汽相中的的易挥发组份份的浓度均高高于液相，其其浓度和常压压蒸馏相近。。（2）当液相浓度较较低时，减压压蒸馏的汽相相中易挥发组组份，略低于于常压蒸馏的的汽相中易挥挥发组份；加加压蒸馏时汽汽相中易挥发发组份，略高高于常压蒸馏馏的汽相中易易挥发组份；；（3）当液相浓度较较高时，减压压蒸馏的汽相相中易挥发组组份略高于常常压蒸馏的汽汽相中易挥发发组份；加压压蒸馏时的汽汽相中易挥发发组份，略低低于常压蒸馏馏的汽相中易易挥发组份。。因此，从理论论上，在设有有两座或两座座以上蒸馏塔塔的酒精蒸馏馏系统中，都都可以采用差差压蒸馏。表13-2是常压蒸馏和和差压蒸馏操操作条件的对对比（我与张老师师的研究数据据）：第二节差差压蒸馏的的工艺特征一、加压精馏馏塔回流比的的确定回流是保证精馏过过程连续稳定定操作的必要条件。回流比又直接影响蒸蒸馏能耗。在高压下酒精精对水的相对对挥发系数会降低，因此此，在加压条条件下要获得得与常压蒸馏馏条件下相同同规格的酒精精，须增加回流比（或增加塔板数）。增加回流比能耗增加，增增加塔板数投资资增加。回流比和压力力的关系（不仅节能，，也要保证产产品质量）A线为不同压力下下获得馏出酒酒精浓度为95.3％（（V）所需的的回流比，但但是，在A线线回流比条件件下，具有代代表性的正丙丙醇、异戊醇醇等杂质（简简称杂醇油））在塔中的聚聚积峰发生漂漂移。B线回流比不仅保保证了馏出液液酒精浓度，，而且保证杂杂醇油等杂质质高效采出，，但是B线回回流比并不能能完全弥补压压力对杂醇油油等杂质分布布的影响。C线回流比完全全弥补了压压力的影响响，塔内酒酒精分布和和常压条件件下完全相相同。*日本的研究究结果二、减压压条件下杂杂质的分布布塔压的上升升同时需要要增加回流流比，增加加回流比意意味着增加加蒸馏能耗耗，压力过过高从节能能的观点来来看并非上上策，因此此，差压蒸蒸馏系统中中受热一侧侧常采用减减压，以减减少精馏塔塔的负荷。。粗馏塔采用用减压蒸馏馏，不仅有有节能的效效果，也有有利于提高高杂质的去去除率。由于减压条条件下，杂杂质对酒精精的相对挥挥发系数增增大，乙醛醛和甲醇在在减压条件件下，具有有在粗馏塔塔顶浓缩段段更易聚集集的倾向。。乙醛甲醇三.低压压降塔板的的应用差压蒸馏中中的另一个个节能途径径是低压降降塔板的应应用。若塔底输入入系统和塔塔顶输出系系统的物料料之间的焓焓差很小，，与输入系系统的热量量相比可以以忽略不计计，即Q1=Q2=Q，则：：因此，为了了减少有效效能损失，，应减小塔塔顶、塔底底间温差，，其极限是是塔釜沸点点和塔顶冷冷凝温度之之差。其有有效的解决决方法是采采用低压降降塔板。四.差差压蒸馏的的动态控制制在酒精差压压蒸馏中，，由于将一个个塔的再沸器和另一个塔塔的冷凝器合并组成一一个耦联系统，就出现了了单塔系统统中所没有有的问题：：即联效两塔之之间存在着着动态过程程相互影响响，增加了了过程控制制的难度。。自动控制技技术第四节酒酒精差差压蒸馏的的发展动态态我国酒精工工业近年技技术进步较较大，和国国际水平相相比，原料料利用率相相差无几，，但在能耗耗方面要比比发达国家家高50％以上。在酒精生产产过程中，，蒸馏能耗耗约占总能能耗的60－70％。因而，推推广使用酒酒精差压蒸蒸馏技术，，是我国酒酒精蒸馏技技术进步的的必然趋势势。特别是是大规模的的“燃料乙醇醇”产业。二、国际上上先进的差差压蒸馏技技术1、二塔差差压蒸馏生生产燃料酒酒精工艺流流程该流程为二二塔差压蒸蒸馏系统，，两只塔分分别由提馏馏段和精馏馏段组成，，即将精馏馏塔安装在在醪塔上面面，组成一一个塔。两塔同时进进料，塔顶顶同时出成成品酒精。。其中一个个塔加压，，另一个塔塔是常压，，加压塔用用直接蒸汽汽加热，该该塔塔顶的的酒精蒸汽汽则作为常常压塔塔釜釜的热源。。该流程的蒸蒸汽消耗只只有1.5-2.0吨/吨酒酒精。一般3-3.5吨/吨酒精。。2、四塔差差压蒸馏生生产优质酒精工艺流程该流程中包包含两组双双效差压蒸蒸馏：加压压精馏塔用用蒸汽加热热，塔顶酒酒精蒸汽加加热醪塔，，塔底高温温余馏水在在自蒸发器器（16））中自蒸发发，产生的的二次蒸汽汽加热排醛醛塔，排醛醛塔顶的酒酒精蒸汽用用来加热甲甲醇塔。3、无水水酒精差压压蒸馏工艺艺流程该流程实质质上是三效效蒸馏，有有三个压力力梯度，所所以节能效效果明显，，和生产无无水酒精的的一般方法法相比，平平均节约蒸汽耗量50％以上。三、国内内差压蒸馏馏工艺流程程1、针对糖糖蜜和玉米米原料的四四塔差压蒸蒸馏流程2、针对薯薯干原料的的三塔差压压蒸馏流程程3、差压蒸蒸馏在造纸纸废液发酵酵酒精蒸馏馏上的应用四、差压压蒸馏的应应用前景节能降耗是是一个永久久的课题。。酒精差压压蒸馏通过过多次重复复利用热能能，极大地地节约了燃燃料，具有有积极的经经济效益和和社会效益益。另一方面，，酒精的质量量相当程度上上依赖于蒸蒸馏技术，，因此，酒酒精质量要要求的提高高，也对酒酒精蒸馏技技术提出了了更高的要要求。差压蒸馏不不仅降低了了能耗，同同时也提高高了酒精质质量，较