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/ω2ω1'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：）（＋－＝出入总6.13STmbmbWg0当过程可逆进行时，熵增率Sg=0，此时可得最小分离功耗为：）（－入出总7.13mbmbWmin分离过程热力学效率定义为最小分离功耗和实际功耗（净功耗）之比。即：）（＝总总8.13WWmin实际的分离过程都是不可逆过程，最小分离功耗（可逆功耗）是前者的极限，它由原料和产品的组成、温度、压力所决定，是个定值。因而，要提高热力学效率，只能采取措施降低过程的净功耗W总，或者说，尽可能降低过程的不可逆性。精馏塔的不可逆性表现在以下几个方面：1、流动液体有阻力。2、塔内上升蒸汽与下流液体直接接触产生热交换时的温差以及再沸器和冷凝器中传热介质和物料之间的温差。3、上升蒸汽与下流液体进行传质时，两相浓度和平衡浓度之差。为了降低过程的不可逆性，较常用的方法是设置中间再沸器和中间冷凝器，使之接近所谓的“可逆蒸馏”。中间再沸器中间冷凝器多效蒸馏是以多塔代替原先的单塔，使各塔在不同压力下工作，前一效压力高于后一效的压力，前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液体的沸腾温度。第一效塔釜用蒸汽加热，塔顶蒸汽作为第二效塔釜再沸器的加热介质，蒸汽在塔釜再沸器中冷凝。依次逐效进行，直到最后一效塔顶蒸汽用外来冷却水冷凝。多效蒸馏有效地利用了固定冷、热介质之间的过剩温差，使得总能量逐塔、逐级降低，充分利用了各级品位的能量，从而降低了有效能的损失，提高了热力学效率。二、多效蒸馏的原理三、多效蒸馏的工艺流程多效蒸馏中最常用的工艺流程为双效蒸馏，根据进料方式和汽液之间相互流动方式的不同，可以把双效蒸馏分成五种基本组合方式，如图三、多效蒸馏的工艺流程对于选用何种工艺流程方案和操作压力，要受以下几个重要因素限制：（1）体系的相对挥发度；（2）板效率；（3）物料的热状态；（4）进料中低、高沸点物质的组成；（5）热源蒸汽压力和冷却介质温度；（6）现有塔设备的利用。四、多效蒸馏节能效果和效数的关系）（％－9.1310011N其中，N为效数。从公式可以看出，虽然增加效数可以进一步降低能耗，但效数的增加和能耗的降低并不是线性关系，随着效数的增加，各效之间换热器的温差减小，因此，换热器传热面积增加；如果增加首效和尾效的温差，首效的压力更高；从而设备费用也增加。和石油化工相比，酒精蒸馏的规模和分离所需塔板数都很小，因此，从目前我国酒精工业的水准来看，酒精差压蒸馏以二效蒸馏为宜。五、差压蒸馏的理论依据差压蒸馏是多效蒸馏的延伸和发展。酒精发酵液能否采用多效蒸馏呢？从图中我们可以得出几个结论：（1）酒精发酵液不论在加压和减压下蒸馏，汽相中的易挥发组份的浓度均高于液相，其浓度和常压蒸馏相近。（2）当液相浓度较低时，减压蒸馏的汽相中易挥发组份，略低于常压蒸馏的汽相中易挥发组份；加压蒸馏时汽相中易挥发组份，略高于常压蒸馏的汽相中易挥发组份；（3）当液相浓度较高时，减压蒸馏的汽相中易挥发组份略高于常压蒸馏的汽相中易挥发组份；加压蒸馏时的汽相中易挥发组份，略低于常压蒸馏的汽相中易挥发组份。因此，从理论上，在设有两座或两座以上蒸馏塔的酒精蒸馏系统中，都可以采用差压蒸馏。表13-2是常压蒸馏和差压蒸馏操作条件的对比（我与张老师的研究数据）：第二节差压蒸馏的工艺特征一、加压精馏塔回流比的确定回流是保证精馏过程连续稳定操作的必要条件。回流比又直接影响蒸馏能耗。在高压下酒精对水的相对挥发系数会降低，因此，在加压条件下要获得与常压蒸馏条件下相同规格的酒精，须增加回流比（或增加塔板数）。增加回流比能耗增加，增加塔板数投资增加。回流比和压力的关系（不仅节能，也要保证产品质量）A线为不同压力下获得馏出酒精浓度为95.3％（V）所需的回流比，但是，在A线回流比条件下，具有代表性的正丙醇、异戊醇等杂质（简称杂醇油）在塔中的聚积峰发生漂移。B线回流比不仅保证了馏出液酒精浓度，而且保证杂醇油等杂质高效采出，但是B线回流比并不能完全弥补压力对杂醇油等杂质分布的影响。C线回流比完全弥补了压力的影响，塔内酒精分布和常压条件下完全相同。*日本的研究结果二、减压条件下杂质的分布塔压的上升同时需要增加回流比，增加回流比意味着增加蒸馏能耗，压力过高从节能的观点来看并非上策，因此，差压蒸馏系统中受热一侧常采用减压，以减少精馏塔的负荷。粗馏塔采用减压蒸馏，不仅有节能的效果，也有利于提高杂质的去除率。由于减压条件下，杂质对酒精的相对挥发系数增大，乙醛和甲醇在减压条件下，具有在粗馏塔顶浓缩段更易聚集的倾向。乙醛甲醇三.低压降塔板的应用•差压蒸馏中的另一个节能途径是低压降塔板的应用。110220QTT1QTT1W）－－（）－＝（总若塔底输入系统和塔顶输出系统的物料之间的焓差很小，与输入系统的热量相比可以忽略不计，即Q1=Q2=Q，则：）（）－（总10.13T11210TQTW因此，为了减少有效能损失，应减小塔顶、塔底间温差，其极限是塔釜沸点和塔顶冷凝温度之差。其有效的解决方法是采用低压降塔板。四.差压蒸馏的动态控制在酒精差压蒸馏中，由于将一个塔的再沸器和另一个塔的冷凝器合并组成一个耦联系统，就出现了单塔系统中所没有的问题：即联效两塔之间存在着动态过程相互影响，增加了过程控制的难度。自动控制技术第四节酒精差压蒸馏的发展动态我国酒精工业近年技术进步较大，和国际水平相比，原料利用率相差无几，但在能耗方面要比发达国家高50％以上。在酒精生产过程中，蒸馏能耗约占总能耗的60－70％。因而，推广使用酒精差压蒸馏技术，是我国酒精蒸馏技术进步的必然趋势。特别是大规模的“燃料乙醇”产业。二、国际上先进的差压蒸馏技术1、二塔差压蒸馏生产燃料酒精工艺流程该流程为二塔差压蒸馏系统，两只塔分别由提馏段和精馏段组成，即将精馏塔安装在醪塔上面，组成一个塔。两塔同时进料，塔顶同时出成品酒精。其中一个塔加压，另一个塔是常压，加压塔用直接蒸汽加热，该塔塔顶的酒精蒸汽则作为常压塔塔釜的热源。该流程的蒸汽消耗只有1.5-2.0吨/吨酒精。一般3-3.5吨/吨酒精。2、四塔差压蒸馏生产优质酒精工艺流程该流程中包含两组双效差压蒸馏：加压精馏塔用蒸汽加热，塔顶酒精蒸汽加热醪塔，塔底高温余馏水在自蒸发器（16）中自蒸发，产生的二次蒸汽加热排醛塔，排醛塔顶的酒精蒸汽用来加热甲醇塔。3、无水酒精差压蒸馏工艺流程该流程实质上是三效蒸馏，有三个压力梯度，所以节能效果明显，和生产无水酒精的一般方法相比，平均节约蒸汽耗量50％以上。三、国内差压蒸馏工艺流程1、针对糖蜜和玉米原料的四塔差压蒸馏流程2、针对薯干原料的三塔差压蒸馏流程3、差压蒸馏在造纸废液发酵酒精蒸馏上的应用四、差压蒸馏的应用前景节能降耗是一个永久的课题。酒精差压蒸馏通过多次重复利用热能，极大地节约了燃料，具有积极的经济效益和社会效益。另一方面，酒精的质量相当程度上依赖于蒸馏技术，因此，酒精质量要求的提高，也对酒精蒸馏技术提出了更高的要求。差压蒸馏不仅降低了能耗，同时也提高了酒精质量，较好地解决了这个在常规蒸馏中不可调和的矛盾。四、差压蒸馏的应用前景/实例丙酮丁醇蒸馏、稀酒精回收等℃℃℃℃冷却水说明：1、正压塔+负压塔2、双塔并联，料液平行进出3、正压塔顶温高于负压塔底温25℃用于汽液传热双效蒸馏流程示意图F--料液S--生蒸汽P--产品实际应用中两效间有20℃的温差，即可进行应用较多AB缺点是醪塔底再沸器（10）容易结垢，使传热效果恶化，而且，由于和酒糟分离连锁，不利于系统稳定操作特点是酒精浓度很低两塔常压蒸馏工艺流程排废液方式塔板数？水冷系统热驱动系统真空泵发酵液粗塔精塔蒸汽成品废液废水负压塔加压塔不同压力下水-酒精系统的平衡数据020406080100020406080100液相酒精浓度气相酒精浓度常压加压减压精塔蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水精塔效数和节能效果关系图3040506070809023456效数节能效果