酒精蒸馏设备精选课件.ppt

1,第六章 酒精蒸馏设备,酒精蒸馏概述酒精蒸馏流程蒸馏塔的类型及选择粗馏塔的设计精馏塔设计脱甲醇塔设计蒸馏附属设备,2,3,4,5,6,7,6.1 酒精蒸馏概述,发酵成熟醪组成酒精蒸馏杂质概念及分离原理杂质分类及分类意义酒精分类情况及质量标准,8,6.1.1发酵成熟醪组成,发酵成熟醪,水,挥发性物质,不挥发性物质,乙醇,其它挥发性物质,9,醇类,酸类,酯类,醛类,甲醇,高级醇,活性戊醇,异戊醇,异丁醇,异丙醇,正丙醇,其它挥发性物质,10,高级醇在酒精蒸过程作为一个馏分分离出来，有油的特性（不溶入水），所以这个馏分被称为杂醇油。 杂醇油除了含有上述的高级醇外，还含有一定量的水和乙醇及少量其它挥发性物质。 杂醇油是酒精蒸馏的一个副产物,有很好的经济价值。,11,6.1.2酒精蒸馏杂质的概念及分离原理,杂质概念 在高纯度酒精蒸馏中，乙醇以外的物质统称为杂质。杂质可分为挥发性杂质和不挥发性杂质，挥发性杂质又可分为大量的挥发性杂质和少量的挥发性杂质。,12,蒸馏分离原理 蒸馏是挥发性物质之间的分离，分离原理是利用各组分挥发能力之间的差异。 化工原理，用挥发度表示挥发能力，用相对挥发度表示挥发能力之间差异。 在酒精蒸馏中，用挥发系数（K）表示挥发能力，用精馏系数（K）表示杂质相对乙醇的挥发能力。,13,用Kn表示某一杂质的挥发系数，用K乙表示乙醇的挥发系数。 K= Kn/ K乙 K 1或1，表明杂质与乙醇易分离。 K接近1，表明杂质与乙醇难分离。 K= 1， 表明杂质与乙醇不能分离。 精馏系数是判断杂质与乙醇分离难易程度的依据。,14,表6-1乙醇与部分杂质的挥发系数（ K）,乙醇含量 乙醇 异戊醇 异戊酸 乙 酸 异戊酸 异丁酸 乙酸 乙酸 甲酯 乙醛 %V/V 异戊酯 异戊酯 乙 酯 乙 酯 乙酯 甲酯 乙酯10 5.10 29.015 4.10 21.520 3.31 18.025 2.68 5.55 15.230 2.31 3.00 12.635 2.02 2.45 10.5 12.540 1.80 1.92 8.6 10.545 1.63 1.50 3.5 7.1 9.0 4.5 50 1.50 1.20 2.8 5.8 7.9 4.355 1.39 0.98 2.2 4.9 7.0 12.6 4.1560 1.30 0.80 1.30 1.7 2.3 4.2 4.3 6.4 10.4 4.065 1.23 0.65 1.05 1.4 1.9 2.9 3.9 5.9 9.4 3.970 1.17 0.54 0.82 1.1 1.7 2.3 3.6 5.4 8.5 3.875 1.12 0.44 0.65 0.9 1.5 1.8 3.2 5.0 7.8 3.780 1.08 0.34 0.50 0.8 1.3 1.4 2.9 4.6 7.2 3.685 1.05 0.32 0.40 0.7 1.1 1.2 2.7 4.3 6.5 3.590 1.02 0.30 0.35 0.6 0.9 1.1 2.4 4.1 5.8 3.495 1.004 0.23 0.30 0.55 0.8 0.95 2.1 3.8 5.1 3.397.2 1,15,表6-2部分杂质的精馏系数( K),16,表6-3甲醇的挥发系与精馏系数,酒精含量%(V/V) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 93 95K 2.96 2.61 2.21 2.08 1.90 1.71 1.55 1.49 1.52 1.69 1.93K0.58 0.79 0.96 1.16 1.26 1.32 1.33 1.38 1.49 1.68 1.92,17,6.1.3杂质的分类及意义,82年以前分为三类: 比乙醇易挥发的杂质称头级杂质； 挥发能力与乙醇接近的杂质称为中级杂质；比乙醇难挥发的杂质称为尾级杂质。,头级杂质,尾级杂质,中级杂质,18,82年以后分为四类： 头级杂质 中级杂质 尾级杂质 端级杂质,19,头级杂质： 精馏系数K始终1的为头级杂质，如乙醛、甲酸乙酯、乙酸乙酯等。中级杂质： 酒精浓度低，精馏系数K 1 ，酒精浓度高，精馏系数K 1的杂质。如异戊醇、异丁醇、异丁酸乙酯、异戊酸异戊酯等。,20,尾级杂质： 精馏系数K 始终1的为尾级杂质，如水，不挥发性物质。端级杂质： 酒精浓度低，精馏系数K 1 ，酒精浓度高，精馏系数K 1的杂质；如甲醇。 两者分类的依据，均为精馏系数，前者在粗酒精的基础上，后者在发酵醪基础上。,21,90年有学者提出用挥发系数为依据，将杂质分为三类：头级杂质： 挥发系数k始终1的杂质。中级杂质： 酒精浓度低，挥发系数 K 1 ，酒精浓度高，挥发系数K 1的杂质。尾级杂质： 挥发系数k始终 1的杂质。 这种分类就把甲醇分为头级级杂质，并认为甲醇是典型头级杂质。,22,讨论题： 你认为甲醇是头级杂质还是端级杂质？ 杂质分类的依据是精馏系数还是挥发系数？,23,杂质分类的意义 科学设计蒸馏流程，确定塔的数量。 N塔分离N+1个组分，酒精蒸馏可以把一类杂质看作一个组分。,24,6.1.4酒精分类情况及质量指标,81年以前依据酒精质量不同分为四类： 高纯度酒精、精馏酒精、医药酒精、工业酒精。81年国家制定了酒精质量标准，分为五级： 优级、一级、二级、三级、四级89年国家制定了食用酒精标准，分为两级： 优级、普级94年国家制定了工业酒精标准，分为四级： 优 级、一级、二级、三级,25,2002年国家制定了新的食用酒精标准分为三级： 特级、优级、普级2003年我国生产汽油醇（汽油+酒精） 用于生产汽油醇的酒精称燃料酒精 另外，将普通酒精（95%（v/v）经特殊蒸馏制备成无水酒精。即酒精分为四大类：食用酒精、工业酒精、燃料酒精、无水酒精,26,1981年国家酒精质量标准（GB393-1981）,27,1989年国家食用酒精质量标准（GB10343-89）,28,2002年国家食用酒精质量标准 （GB10343-2002）,29,酒精质量情况（1）,2000年针对食用酒精新的标准对正丙醇的分离进行研究，调查酒精质量况：1、有一资料介绍四个厂家的酒精甲醇、正丙醇、异丁醇、异戊醇含量如下表：,30,酒精质量情况（2）,1998年孔府宴酒厂测的几家酒精甲醇、正丙醇、异丁醇、异戊醇含量如下：,31,酒精质量（3）,2001年3月从五个厂家取了6个样品由景芝酒厂测的情况如下：,32,6.2 酒精蒸馏流程,两塔蒸馏流程两塔三段蒸馏流程（强制回流）三塔蒸馏流程四塔流程五塔蒸馏流程五塔差压蒸馏流程,33,两塔蒸馏流程,1、粗馏塔；2、精馏塔；3、预热器；4、5、6、7冷凝器；8、成品冷却器；9、杂醇油分离器；10、排糟器；,34,高级醇在精馏塔板层上的分布,35,两塔三段蒸馏流程（强制回流）,Z,Z,W,P,zc,s,s,Z、蒸气；w、发酵醪；p、成品酒精；zc、杂醇油；s、废液；cp、次酒精,2,3,4,5,5,5,5,6,7,7,1、粗馏塔；2、精馏塔下段；3精馏塔上段；4、预热器；5、冷凝器；6、回流罐7、回流泵；,cp,1,36,Z,Z,W,P,zc,s,s,Z、蒸气；w、发酵醪；p、成品酒精；zc、杂醇油；s、废液；cp、次酒精,1,2,3,4,5,5,5,5,6,7,7,1、粗馏塔；2、精馏塔下段；3精馏塔上段；4、预热器；5、冷凝器；6、回流罐7、回流泵；,cp,两塔三段蒸馏流程（强制回流）,37,三塔蒸馏流程,1,2,3,次酒精,次酒精,蒸气,蒸气,蒸气,杂醇油,废水,废水,成品酒精,发酵醪,冷凝水,4,4,5,1、粗馏塔；2、精馏塔；3、脱甲醇塔；4、冷凝器；5、再沸器；,38,四塔蒸馏流程,1、粗馏塔；2、排醛塔；3、精馏塔； 4、脱甲醇塔；5、冷凝器；6、再沸器；,39,五塔蒸馏流程,发酵醪,成品酒精,次酒精,废液,杂醇油,1,2,3,1、醪塔；2、浓缩塔；3、萃取塔；4、精馏塔；5、脱甲醇塔；,次酒精,3,4,5,40,杂醇油,五塔差压蒸馏,发酵液,废液,废液,次酒精,次酒精,成品酒精,发酵液,废液,次酒精,成品酒精,1,2,3,4,5,6,6,41,42,43,44,45,46,47,6.3 蒸馏塔的类型及选择,板式塔,填料塔,有溢流,无溢流,规则填料,不规则填料,筛板塔,浮阀波纹筛板塔,蒸馏塔,蒸馏塔的类型,泡罩塔,浮阀塔,筛板塔,斜孔塔,导向筛板塔,S塔,波纹筛板塔,48,49,50,51,52,53,54,55,56,塔的选择原则,造价低、加工用易；阻力小不用易堵塞塔的效率高操作弹性大操作稳定馏分提取方便,57,粗馏塔 多选泡罩塔、S塔； 精馏塔 大多选斜孔塔、导向筛板塔、浮 阀塔； 脱甲醇塔 大多选填料塔。,58,6.4 粗馏塔的设计,粗馏塔的作用及设计内容物料恒算与热量恒算塔径计算塔板数计算塔板结构设计,59,6.4.1粗馏塔的作用及设计内容,粗馏塔的作用 从发酵成熟醪将乙醇提取出来，它只有提留段，没有精馏段，属于简单蒸馏，因此称粗馏塔。设计主要内容 塔径、板间距、塔板数、塔板结构这些设计都离不开物料恒算和热量恒算。,60,6.4.2物料恒算与热量恒算,物料恒算物料质量平衡 W= F V W/=W+D 酒精质量平衡FXF =V Y+ W/ XW若塔底废液酒精忽略不计FXF =VY,V Y,F XF,D,W / （W+D）,XW,61,塔顶酒精浓度（Y）的确定 塔顶酒精蒸气酒精浓度高低决定于进料醪液酒精浓度和醪液预热温度。有图6-1求出；图6-1，横坐标表示100kg发酵醪有预热温度加热到沸腾温度需要的热量，途中的曲线分别表示不同进塔醪液的酒精浓度，纵坐标表示进料板上的液体酒精浓度，由此浓度通过气液平衡，求出塔顶酒精蒸汽的酒精浓度。,62,63,64,热量恒算,进入塔的热量： Q1= FC1 t Q2= D i 离开塔的热量 Q3= V i Q4= W/ C t Q5(热量损失）,FC1 t,D,V i,W / C t,Q5,65,通过热量恒算求出加热蒸汽量（D） 利用等摩尔气化等摩尔冷凝即可求出塔内上升蒸汽量。,66,6.4.3 粗馏塔塔径计算,塔径的大小决定于塔内上升蒸汽量，空塔气速。 空塔气速决定于板间距的大小，塔板液层高度，物料的性质。塔内上升蒸汽量决定于塔底加热蒸汽量。,67,6.3.4 粗馏塔塔板的计算,理论塔板数计算 依据提馏操作线线方程、进料状态线及气液平衡线 ，塔顶酒精浓度以及塔底废液残留酒精浓度。 提馏操作线方程：,68,69,6.5精馏塔设计,精馏塔的作用物料恒算回流比确定热量恒算塔径计算塔板数计算塔板结构设计,70,精馏塔的作用 1）将酒精浓缩到95%（v/v)以上，达到要求的酒精浓度。 2）分离杂醇 3）分离头级杂质及甲醇等杂质； 在1989年食用酒精标准制定之前，酒精精馏塔塔板数只有54块塔板，其中精馏段36块，提留段18块，随着食用酒质量的提高，精馏塔塔板数增加到了82-86块，有的厂家增加到90块板。增加到了精馏段，在塔顶一下20层板起成品酒精。这主要为了分离甲醇。,71,精馏塔的物料恒算,V塔顶上升酒精蒸汽量，kg/h；L回流量，kg/h；P酒精产品提取量，kg/h；提馏段上升蒸汽量；进料量；L/ 提馏段回流量；D塔底加热蒸汽量；W塔底排出废液量；,（为了简便计算，杂醇油提取可忽略不计）,72,对塔顶物料平衡：V=L+P=P（R+1) (R=L/P)R回流比 通过回流比和产量可求出塔顶上升蒸汽量，进一步求出塔底加热蒸汽量。,73,最小回流比,74,假如：成品酒精浓度为95%（v/v），气相进料酒精浓度47.6%(w/w)。求精馏最小回流比Rmin 。95%（v/v)=92.41%（w/w)=82.65%(mol)47.6%(w/w)=26.21%(mol)与气相酒精浓度47.6%（w/w)平衡的液相酒精浓度为8%（w/w）。 8%（w/w）=3.29%（mol）,75,76,酒精精馏塔设计一般取回流比 R=34 回流比取得大，蒸馏消耗的蒸汽量多，需要的理论板数少，反之，消耗蒸汽少，需要的理论板数多。,77,塔底加热蒸汽量计算,利用等分子汽化等分子冷凝原理：提馏段上升蒸汽量：V/ = V V塔底加热蒸汽量（D）：D = V/（V 、V 、V/ 、D 单位均用kmol/h）,78,理论塔板数计算 利用等分子汽化等分子回流概念，可得出：精馏操作线方程：,提馏操作线方程：,79,精馏操作线与提馏操作线、公式符号及单位：Y气相中酒精浓度，%（mol)；X液相中酒精浓度，%（mol)；R回流比；Xp 产品酒精浓度， %（mol)；L回流量，kgmol/h；V/提馏段上升蒸汽量，Kmol/h；利用精馏操作线和酒精气液平衡关系通过图解或逐板计算就可求出理论塔板数,80,图解求解理论塔板数示意图,81,图解求理论塔板数几个注意问题：1、坐标的浓度单位；2、精馏操作线的绘制；3、进料状态线的绘制；4、提馏操作线的绘制；5、阶梯图形的绘制；6、精馏段理论塔板数，提馏段理论塔板数；,82,在气液平衡线和精馏操作线之间绘制的阶梯数即为精馏段理论塔板数，可以准确的求出，但提馏段，在浓度低到0.2%（mol)时图解不精确，可用下式计算：,83,84,85,86,87,6.6 脱甲醇塔设计,脱甲塔的作用回流比的确定物料恒算热量恒算塔径计算塔板数计算塔板结构设计,88,酒精蒸馏甲醇塔理论塔板数的计算,一、计算依据1、塔顶甲醇含量（XP）（决定酒头提取率，及成品得率）；2、进料酒精甲醇含量（XF）；3、塔底成品酒精甲醇含量（XW）；4、回流比R；5、进料状态；二、最小回流比,89,二、最小回流比XP 塔顶次酒精甲醇浓度，%（mol）；Yq 气相进料甲醇浓度，%（mol）；Xq 与气相进料甲醇浓度平衡的液相甲醇浓度，%（mol）；R = (1.2-2)Rmin,90,塔顶酒精甲醇含量（XP）的确定：,FXF,PXP,WXW,依据进料酒精甲醇含量（XF）；成品酒精的率；成品酒精甲醇含量（XP）。假定成品酒精的得率为进料量的99%，,91,92,三、操作线方程,精馏操作线方程：提馏操作线方程：,93,令： (精馏操作线斜率)； （精馏操作线截距）； （提馏操作线斜率 ； （提馏操作线截距）；,94,精馏与提馏操作线方程可分别写成：Y=anX + bnY = aTX + bT精馏操作线Y是离开下一块板上升蒸汽中的甲醇含量，X是离开上一块板液相中甲醇含量。提留操作线Y是离开下一块板上升蒸汽中的甲醇含量，X是离开上一块板液相中甲醇含量。,95,四、逐板计算：Y1=Xp 由Y1及平衡关系（Y=KX）求出X1，由X1利用精馏操作线方程求出Y2，再由Y2及平衡关系求出X2，直至计算的XnXF 精馏段理论板数：,提馏段也如此逐板计算。,96,五、解析计算 精馏段理论板数解析计算式,97,提馏段理论板数解析方计算式：,98,脱甲醇塔工况特点 酒精蒸馏是对少量甲醇馏分得分离，塔顶与塔低乙醇浓度变化不大，相对塔顶甲醇浓度比较低。在这特殊情况下，不仅存在等摩尔气化和等摩尔回流，也存在等质量气化和等质量回流，或等体积气化和等体积回流。所以计算理论塔板数时，甲醇的单位用mg/L或ppm就可计算，不需换算出摩尔百分率，使计算简便。,99,6.7 酒精蒸馏附属设备,预热器冷凝器排糟器杂醇油分离器潜热回收器,100,101,102,