食用酒精的精馏方法

专利名称：食用酒精的精馏方法
技术领域：
本发明涉及一种食用酒精的精馏方法。
目前我国实行的食用酒精国家标准(GB10343-89)把食用酒精产品分为优级与普通级两个级别。而发酵法生产的食用酒精的产品质量，主要取决于精馏。精馏地主要目的就是清除粗酒精中的杂质。按挥发度的大小，可把杂质分为三类头级杂质，中级杂质，尾级杂质。尾级杂质的产品也称杂醇油。
我国目前绝大多数厂家采用的是两塔精馏流程，产品只能达到食用普通级标准。用常规方法，提高酒精产品的质量，必须增加塔的数量。通常的三塔、四塔精馏技术，可有效地清除甲醇、乙醛、低沸点脂类等头级杂质，使该类及相关指标达到优级标准。但是，对杂醇油等以及相关的其它指标，却没有一个较为理想的方法。近年来，国内少数厂家为使产品达到食用优级标准，采用多塔重复蒸馏，多次取油的方法，但这样做，产品得率低，而且大大增加了设备投资、能源的消耗和生产成本。
1989年，我国只有几个引进国外技术和设备的厂家，采用差压稀释蒸馏工艺，使产品质量指标全部达到食用优级标准。但是，该工艺在生产过程中，将酒精加水稀释，然后重新蒸馏，大量增加了能耗，由于采用了差压蒸馏技术，才使热能得到部分回收，而电耗又大幅度增加。尤其该流程塔系庞大，塔器需要承受不同的压力，需配加真空系统，因此，投资巨大，运行费用高，绝大多数厂家难以接受。
于92年4月开始，国内自行开发的几家四塔差压蒸馏装置开始投入生产。但在提高酒精质量方面，技术上与常规四塔流程相同，没有新的突破。
在酒精生产中，将酒精和其它挥发性杂质从发酵醪液中分离出来的过程，称为蒸馏，得到的产品，因含有许多挥发性杂质，故称为粗酒精。为适应各种需要，粗酒精还需进一步通过精馏，除去其中的杂质，得到不同标准的酒精产品。
通常，精馏操作所以能够分离互溶的液体混合物，是由于溶液中各组分的沸点不同，即在同温度下，各组分的饱和蒸气压不同，饱和蒸气压较大的液体，其沸点较低，反之，沸点较高。沸点低的组分容易气化，称为易挥发组分，也叫轻组分。而沸点高的组分不易气化，称为难挥发组分，也叫重组分。因此，对混合液加热使其部分气化后，所得的蒸汽或馏出液中，低沸点组分的浓度增大，而残留的釜液中，高沸点组分的浓度增大，如果分别将液相和气相反复进行部分冷凝和部分气化，就可以在气相得到含高沸点物质足够少的低沸点组分，而在液相得到含低沸点物质足够少的高沸点组分。
显然，酒精的蒸馏和精馏，两者实质上都属于精馏，在化工原理中，精馏属于蒸馏的范畴。
然而，在粗酒精中，某些杂质具有特殊的物理、化学性质，在一定的条件下，某些低沸点组分反而比高沸点组分难挥发，如果单纯地依据杂质组分的沸点高低，是不能确切地说明杂质在精馏过程中的积聚动态的。通常，采用酒精和杂质的挥发系数K，做为酒精精馏的参数。
杂质的挥发系数KC由下式表示同样，可以写出酒精的挥发系数KA
当挥发系数K＞1时，表明该组分在气相中的含量大于液相中的含量，也就是说该组分向气相积聚。
当K＜1时，表明该组分在气相中的含量小于液相中的含量。也就是说该组分向液相积聚。
当K＝1时，表明该组分在气相中的含量等于液相中的含量。
表1为酒精和粗酒精中部分杂质的挥发系数，可以看出，随着酒精浓度的变化，杂质的挥发系数是变化的。
不难理解，在精馏系统中，杂质的挥发系数KC与酒精的挥发系数KA的差别越大，杂质就容易分离，为了更明显地表明杂质与酒精分离的难易程度，通常把酒精作为基准组分，直接引用杂质的精馏系数K′进行比较。
很明显，当K′＞1时，表示杂质较酒精易挥发，K′值越大，杂质越容易分离。
当K′＝1时，表示杂质和酒精的挥发系数相等，此时，杂质与酒精含量的相对比例，在气相和液相中是相同的。
当K′＜1时，表示杂质比酒精难挥发，K′值越小，就越容易分离。由于KA≥1，所以
有三种情况当KC＜1时，杂质向液相积聚当KC＝1时，杂质在气相中的含量等于液相中的含量。当KC＞1时，杂质向气相积聚。
表2为杂质在不同酒精浓度下的精馏系数K′
从粗酒精中分离各种杂质，是多组分精馏，多组分精馏与两组分精馏的基本原理无本质上的区别，为便于对多组分精馏方案的评价，可以首先对两组分精馏的原理进行分析。
在典型的两组分精馏塔内，自下而上的上升蒸气，每经一块塔板，与板上的液层接触一次，就部分冷凝一次，蒸气中易挥发组分就增大一次。而从塔顶经每块塔板下降的回流液体，每经一块塔板，就部分气化一次，混合液中易挥发组分就减少一次。为了在塔顶和塔底分别得到足够纯净的易挥发组分和难挥发组分，常把精馏塔设计为两个部分。进料板以上的部分作为精馏段，而进料板以下的部分(包括进料板)作为提馏段。精馏段的作用是自下而上逐步增浓气相中易挥发组分，同时重组分被逐步清除。提馏段的作用是自上而下逐步增浓液相中的难挥发组分，同时轻组分被逐步分离，对轻组分来说，精馏段是提高它的浓度，提馏段是增加它的收率，对重组分来说，则正好相反。于是，对于一般二组分挥发系数不同的互溶混合物(具有恒沸点液体除外)一个精馏塔只要有足够数量的塔板，便可以把两个组分充分地分离。
通过上述分析，可以得出
典型的精馏塔充分分离两组分混合液体，必须具备两个条件
1、要想得到足够纯净的轻组分，必须有精馏段；要想得到足够纯净的重组分必须有提馏段。
2、混合液中的两组分在精馏过程中，积聚动态不同，轻组分向气相积聚，沿塔上升，重组分向液相积聚沿塔下降，并且被分离的两组分出料部位在进料板的两侧各自的富集区。
除上述两个必要条件外，精馏的效果主要取决于混合液中两组分的挥发系数差别的大小，这是常规精馏的最基本的条件。根据挥发系数的定义
知，挥发系数也可以理解为进行一次简单蒸馏以后，该组分向气相积聚的倍数。
K＞1时，该组分向气相积聚，K值越大，向气相积聚速度越快。
K＜1时，该组分向液相积聚，我们也可以用它的倒数
来表示该组分向液相积聚的倍数，
越大，表示该组分向液相积聚的速度越快。
在同一物系中，轻组分的挥发系数K轻越大，同时重组分的挥发系数K重越小，这时分离的速度越快，精馏所需的理论塔板就越少，得到的产品就越纯净。因此，我们可以用两组分挥发系数的比值作为评价精馏系统的指标。
对于酒精精馏，粗酒精是一个多组分非理想溶液，在不同的酒精浓度下分离杂质，杂质和酒精的挥发系数是不同的，因此，选取不同的酒精浓度范围，对杂质进行分离，直接影响精馏方案的优劣。
杂质和酒精的挥发系数是酒精浓度的函数，在通常情况下，很难在某一酒精浓度范围内直接对其大小进行比较。为了便于理论分析，评价精馏工艺的优劣，该发明试提出一个新的定义精馏塔分离系数K。
分离系数K是指在两组分精馏塔中，确定的工艺条件下，轻组分的挥发系数与重组分的挥发系数之比的算术平均值。
因此，对两组分精馏塔，总有K≥1，当K＝1，时，两组分就很难用常规的精馏方法得到充分分离。
在同一设计参数、同一物系的精馏塔中，分离系数K大，表明该塔每次气液传质时两组分分别向气相或液相积聚的倍数的平均值大，分离的速度快。对于同一分离要求，该塔所需的理论塔板就少，对于同样的塔板数量，两组分分离的更纯净。
对于多组分精馏，可以参照两组分精馏塔分离系数的概念，根据分离的目的，将重关键组分与轻关键组分进行对比，或者将塔顶馏出液中某一组分与塔底馏出液中某一组分进行比较，或者将各个不同出料口之间的某两组分进行比较，来确定我们所关心的某两个组分的分离系数。
酒精的精馏，属于多组分精馏，不管采用何种精馏方法，其目的都是将各种杂质从粗酒精中分离出去，所以，对于各种不同的酒精精馏塔，我们主要是根据分离的目的确定出酒精与该塔所要分离的某特定杂质的分离系数，来评价所选择的分离方案的优劣。
在酒精精馏塔中，确定的压力或温度下，对于任一酒精浓度X，杂质都各自对应一个唯一确定的精馏系数K′(X)，不难判断，K′(X)是一个连续的单值函数，定义域为(0，1.00)
设精馏塔内，酒精液相的最低浓度为X1，最高浓度为X2，则
在酒精浓度X的区间(X1、X2)内，当杂质的精馏系数K′≥1时
当杂质的精馏系数K′＜1时，杂质为重组分，则
我们可以写出分离系数K的数学表达式
如果我们对某杂质的精馏系数K′(X)与酒精浓度之间的关系，还没有建立数学模型，那么，我们也可以将表2中的酒精浓度(X1、X2)区间内的精馏系数代入下式来近似表示分离系数。
Ki为酒精浓度X(X1、X2)区间内，杂质的第i个精馏系数。
至此，我们可以试用本文提出的精馏塔充分分离两组分混合液体的两个必要条件和分离系数的定义，对目前的各种精馏塔进行评价。
1、醪塔
醪塔的作用，主要是将酒精从成熟醪中充分分离出来，因此，酒精为轻关键组分，而水为重关键组分。一些挥发性杂质将随酒精积聚于气相、非挥发性物质(纤维、皮壳、残糖、甘油、非挥发性酸、酵母等)将随水从塔底排出，因此，可把该系统简化为酒精——水二元系统进行评价
(1)醪塔一般只有提馏段，进料板在塔顶，所以醪塔排出的釜液中，几乎不含酒精，但由于没有精馏段，粗酒精中的水份得不到去除，酒精浓度较低。
(2)两组分积聚方向相反，两组分的提取部位，在进料板两侧各自的富集区，满足条件2。
(3)求分离系数K
因酒精挥发系数KA是酒精与水两组分混合液中气液平衡时，蒸气中酒精的百分含量(a)与液体中酒精百分含量(b)之比。所以，酒精的每个挥发系数KA值，都对应一个水的挥发系数KHO，根据定义，我们可以导出
通常，发酵醪的酒精浓度为8-10％(V)，而塔底酒精浓度约为零，可取X1＝0，X2＝0.10，在此区间，挥发系数表只有一个数据，则
2，甲醇塔
(1)甲醇塔有提馏段与精馏段两部分，满足条件1。
(2)甲醇为轻组分，酒精为重组分，两者积聚动态不同。两者的提取部位分别在进料板两侧各自的富集区。满足条件2。
(3)分离系数K
在甲醇塔中，酒精浓度X的区间，近似为一个点，即X≌0.95(V)，因此，Ki只有一个值。＝1.92
该K值虽然较低，但与精馏系数表中的甲醇的精馏系数的最大值相等，且满足充分分离的两个必要条件，因此，该塔轻为理想。
3、稀释塔
稀释塔与醪塔相似，只有提馏段。
由表2知，粗酒精中的中级杂质、尾级杂质的精馏系数，随酒精浓度降低，逐渐由K′＜1变为K′＞1，浓度越底，K′值越大，尤其对中级杂质而言，在高浓度酒精中，由于其精馏系数K′＝1，所以很难将其分离，但在酒精浓度较低的情况下，中级杂质的精馏系数有较大值，这就给分离带来了方便，稀释塔加水稀释进行精馏的方法，与萃取精馏很相似，它改变了组分的相对挥发度。
在稀释塔中，根据分离目的，应将尾级杂质作为轻关键组分，酒精作为重关键组分进行控制，但由于酒精的挥发系数K＞1，其积聚方向不是塔底。所以把水作为重关键组分较为合适，而酒精就成为中间组分。这就是多组分精馏中的非清晰分割的情况。这样，我们只要控制轻关键组分——尾级杂质在釜液中的含量，中级杂质、头级杂质(甲醇这时为中间组分)等轻组分，必然得到充分分离。
在稀释塔中，中间组分——酒精始终向气相积聚，逐板上升的酒精蒸气不断被增浓，同时又被塔顶下降的稀释水、不断地冲稀。最后在塔顶分离出少量的工业酒精后重新回塔。回流下降的液相不断地被部分气化、由于轻组分杂质的精馏系数K′＞＞1，所以向气相积聚的速度较快，一般约需30-50层塔板，就可以达到分离要求，这样在塔釜就可以得到充分分离了轻组分、浓度约为10-15％(V)的稀酒精。在稀释塔中，酒精的精馏动态与在醪塔相似，但有着本质上的区别，在醪塔中，酒精是轻关键组分，在塔顶提取，在稀释塔中，酒精是中间组分，它虽然也有部分残留于轻组分中，但它的提取部位在塔底，这个过程需要在塔顶连续加水来维持。
分离条件评价
(1)稀释塔一般只有提馏段，所以在釜液中轻组分杂质可得到充分地分离，由于不需要对轻组分杂质进行严格的分离纯化，所以可以不设精馏段。
(2)两关键组分的积聚方向相反，两关键组分提取部位，在进料板两侧各自的富集区。
(3)分离系数K
在稀释塔中，把水作为重关键组分，酒精作为中间组分，是一个精馏方法问题，而将轻组分从酒精中分离出去，才是稀释塔分离的目的，因此，评价的依据仍然是酒精与轻组分中各杂质的分离系数。
在稀释塔，塔顶酒精被稀释至30％(V)以下，塔底稀酒精为10％(V)，因此，酒精浓度区间为0.10，0.30。
由于在稀释塔中分离的轻组分较多，本文只将异戊醇、乙酸乙脂作为示例。
例(a)异戊醇与酒精的分离系数
异戊醇为轻组分，乙醇为重组分
设酒精浓度X的区间为0.10，0.30则
＝2.04* 注由于X＝10％处，表中空缺，用直线代替实际曲线的办法来推出近似值(KA＝2.79)。
例(b)乙酸乙酯与酒精的分离系数
条件同上，则
＝5.60
4、酒精精馏塔
酒精精馏塔除在塔底塔顶分别有一个出料口外，还设有两个侧线出料口，因此，可同时分离四个组分头级杂质、尾级杂质、酒精和水。能使酒精产品达到GB10343-89食用普通级标准。
酒精精馏塔对头级杂质的分离过程
典型的头级杂质，无论酒精的浓度如何，它们的挥发系数和精馏系数始终大于1(甲醇例外)，比酒精更易挥发。在塔顶由于酒精已达其沸点浓度，头级杂质仍有较大的挥发系数，所以，头级杂质在塔顶气相中浓度最高，我们可以通过分凝器将塔顶蒸气分级冷凝，回流入塔，在最后一个冷凝器，将气相中头级杂质随不凝气体排出，并在其液相取出1-2％的冷凝液作为工业酒精。这样，在酒精精馏塔顶向下6-10板(目前有的已超过10板)可导出头级杂质含量较低的产品酒精。
在头级杂质中，甲醇较为特殊，在酒精浓度低于30％(V)时，它的精馏系数K′＜1，这与它和酒精的分子中含有羟基(-OH)有关，但这时仍然有甲醇的挥发系数K＞＞1，甲醇向气相积聚，是轻组分。所以说，甲醇的精馏动态与分离方法在酒精精馏塔中与其它头级杂质都是相同的。
酒精精馏塔对杂醇油的分离过程
杂醇油是含有多种高级醇的混合物，与甲醇相似，分子中也含有羟基(-OH)，所以在酒精——水的混合液中，杂醇油的挥发系数、精馏系数，也受到氢键作用的影响，如表1、表2，由于在精馏塔的上部，杂醇油的挥发系数K＜1，向液相积聚，随回流下降，而在塔的下半部，杂醇油的挥发系数K＞1，向气相积聚上升，最终便富集于塔中部的杂醇油的挥发系数K＝1处，因此，在该处可将杂醇油侧线抽取分离。
酒精精馏塔对水的分离过程
在酒精精馏塔，水是重组分，其精馏动态与典型的两组分精馏塔中的重组分相同。
通过上述分析，我们可以根据酒精精馏塔分离各类杂质的不同特点，将其化简为各类杂质与酒精组成的两组分系统，逐个地加以评价
A、头级杂质分离条件
(1)头级杂质在酒精精馏塔中，与酒精的积聚动态相同，富集区都在塔顶。酒精产品与头级杂质的取料部位也都在塔顶，在进料板的同一侧。这样沿塔上升的粗酒精蒸气都要通过产品取料板进行气液传质，因此，产品酒精必然受到污染，酒精精馏塔不具备充分分离头级杂质的条件。
(2)分离系数K
以甲醇和乙酸乙脂为例，由于在塔顶头级杂质的精馏系数K′＞1，所以甲醇和乙酸乙脂应作为轻组分，乙醇为重组分，则
甲醇的分离系数为
＝1.26乙酸乙脂的分离系数为
＝3.88
B、尾级杂质分离条件
(1)在挥发系数K＞1区间，尾级杂质与酒精的积聚动态相同，不能充分分离。
在挥发系数K＜1区间，尾级杂质与酒精积聚动态相反，经组分——酒精被增浓，重组分——尾级杂质被清除，与两组分精馏塔的精馏段基本相同，但是提取部位不在进料板两侧，除此之外，尾级杂质的挥发系数不同，各自的富集部位就不相同，分布范围较宽，取油部位的选择很难与其适应，并且尾级杂质的富集区均在进料板的上方，上升的酒精蒸气必须通过该富集区，先受到污染，然后才能逐板上升被分离净化。如果我们降低富集区的尾级杂质的浓度，就会减轻污染的程度，但酒精的得率就会受到损失。由于还需要兼顾头级杂质的分离，酒精出料板的位置受到限制，出料口升高，尾级杂质的含量就会降低，但甲醇的含量将会升高。因此，解决了上述的两个矛盾，就可以充分分离尾级杂质。
(2)分离系数
异戊醇是杂醇油的主要成分，约占杂醇油总量的50-70％，计算尾级杂质的分离效率，可以以异戊醇为例，根据异戊醇的积聚动态，可以在挥发系数KC＝1处作为分界点，把酒精浓度X划为两个区间(0，0.55)和(0.55. 0.95)来分析计算分离系数。
在(0，0.55)区间，异戊醇与酒精都是轻组分，为寻找两者分离的可行性，可将异戊醇作为易挥发组分，酒精作为难挥发组分来计算分离系数K
＝1.405
在(0.55，0.95)区间，酒精为易挥发组分，异戊醇为难挥发组分。
＝3.0
C、水的分离条件
(1)具备精馏段和提馏段
(2)积聚动态与酒精相反，两组分提取部位分别在进料板两侧。
(3)分离系数K
酒精的浓度区间为(0，0.95)则
＝3.755、醛塔
醛塔的主要作用是排除部分头级杂质，如醛类和低沸点脂类。醛塔通常设有28-40层塔板，有精馏段(聚醛段)和提馏段，并且采用冷凝面积很大的冷凝器，在醛塔提馏段，杂质和酒精的积聚动态以及获得产品的方法与稀释塔极为相似，甚至有的厂还采用在进料板加水的方法，以保证进塔酒精浓度在35-40％(V)之间，以增大杂质的精馏系数。所不同的是，醛塔设有精馏段，塔顶酒精浓度较高，一般控制在95％(V)以上，这时尾级杂质及中间杂质的挥发系数K＜1，向液相积聚，与酒精精馏塔相似，最后富集于醛塔中部。但由于该塔一般不设排油口，所以塔中尾级杂质，中级杂质的浓度不断增高，并向塔顶和塔底扩散。当塔顶和塔底排出的尾级杂质，中级杂质的总量与进塔的数量相等时，该浓度就达到了平衡状态。该类杂质绝大部分在塔底随酒精进入酒精精馏塔然后排出。
综上所述，在醛塔，酒精和头级杂质的精馏动态和分离方法与稀释塔相同，水为重关键组分，头级杂质(甲醇除外)为轻关键组分，甲醇、中级杂质、尾级杂质和酒精为中间组分。
醛塔的分离条件评价
(1)醛塔有提馏段和精馏段。
(2)两组分的积聚动态相反，提取部位在各自的富集区。
(3)分离系数K
酒精浓度区间为(0.30，0.95)，以乙酸乙脂为例
＝3.46
我们将上述各塔的几种杂质的分离系数K汇总于表3。
在进行分离系数比较时应该注意，分离系数K并不是评价精馏工艺的唯一指标，杂质分离系数K只有在具备充分分离的两个必要条件下作评价指标才有意义。在比较各塔的分离系数时，必须首先判定是否满足充分分离的两个必要条件，否则，将导出错误的结论。
工艺流程评价
通过上述评价可以看出，目前的酒精精馏技术存在如下问题
(1)常规的醪塔与精馏塔组成的两塔流程，精馏塔不满足充分分离头级杂质和尾级杂质的两个必要条件，液相过塔的醪塔只能通过分凝器分离部分头级杂质、中级杂质。气相过塔的醪塔不能分离挥发性杂质，只相当于精馏塔的提馏段，所以，常规两塔流程的产品很难全部达到食用优级的标准。
(2)由醪塔——精馏塔——甲醇塔和由醪塔——醛塔——精馏塔组成的两种三塔流程以及由醪塔——醛塔—精馏塔——甲醇塔组成的四塔流程，只能充分分离头级杂质，可以使该项指标达到食用优级标准，但不能充分分离尾级杂质。
根据化工原理知，n个塔可充分分离n＋1个组分，三个塔可以分离四个组分，四个塔可充分分离五个组分，如果有侧线出料口，分离的组分还应该多，但上述的三塔，四塔流程只能充分分离酒精——水——头级杂质三个组分，显然流程有待改进。
同样，加水稀释的五塔流程，也只能充分分离四个组分(酒精——水——头级杂质——中、尾级杂质)同时投资大，能耗高。
本发明的目的是提供新的食用酒精的精馏方法，该方法不仅可有效地分离各种杂质，使产品达到食用优级标准，而且可节约大量的能源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是本发明包括采用头级精馏塔分离头级杂质工序，其特征是将醪液通过预热后首先进入提取精馏塔，从提取精馏塔获得高浓度粗酒精；粗酒精在尾级精馏塔中，酒精做轻关键组分，尾级杂质或中级杂质做重关键组分，尾级杂质被分离，粗酒精在头级精馏塔中，头级杂质被分离；从提取精馏塔获得的粗酒精无论先进入尾级精馏塔，再进入头级精馏塔，还是先进入头级精馏塔再进入尾级精馏塔，都可获得产品酒精。
按照本发明的精馏方法，从提取精馏塔获得的高浓度粗酒精的浓度，以满足尾级杂质的挥发系数K＜1为基准，浓度越高越理想。
按照本发明的精馏方法，尾级精馏塔分离尾级杂质是在挥发系数K＜1的条件下进行的。
按照本发明的精馏方法，醪液通过预热后先进入提取精馏塔，所获得的高浓度粗酒精进入尾级精馏塔，在尾级精馏塔塔底杂醇油被分离，所获得的粗酒精气相进入头级精馏塔，头级杂质在头级精馏塔塔顶被分离，在塔底获得产品酒精。
按照本发明的方法，醪液通过预热后，先进入提取精馏塔，所获得的高浓度粗酒精进入头级精馏塔，在该塔头级杂质被分离后，所得粗酒精进入尾级精馏塔，尾级杂质在尾级精馏塔塔底被分离，在塔顶获得产品酒精。
为实现本发明的目的，本发明采用同一发明构思的另一个技术方案是将醪液预热后，先进入提取精馏塔，在提取精馏塔中，酒精做轻关键组分，尾级杂质做重关键组分，水做重组分，分离尾级杂质和部分头级杂质后，所得的高浓度粗酒精进入头级精馏塔，在头级精馏塔塔顶部将残存的头级杂质分离，在塔底获得产品酒精。
下面对本发明的第一个方案即由提取精馏塔，尾级精馏塔、头级精馏堪组成的三塔流程方案的分离条件进行评价。
提取精馏塔如

图1所示，提取精馏塔有提馏段和精馏段两部分，它将常规的粗馏塔、精馏塔的作用集于一塔，各组分在塔内始积聚动态与常规的酒精精馏塔相同，因此，该塔可排出糟液，获得较高浓度的粗酒精，并初步分离头级杂质和杂醇油。该塔也可以用现有的两塔(醪塔、精馏塔)流程替代。
对提取精馏塔的分离条件评价
提取精馏塔中，酒精为轻关键组分，水为重关键组分。根据尾级精馏塔和头级精馏塔对粗酒精的要求，应尽量提高粗酒精的浓度，其浓度以满足尾级杂质的挥发系数K＜1为基准，浓度越高，杂质的分离效果越好。为达到理想效果、可设定该塔的出料粗酒精浓度为95％(V)以上。
1、该塔有提馏段和精馏段。
2、两关键组分的积聚动态相反、提取部位在进料板两侧各自的富集区。
3，分离系数K(与常规酒精精馏塔相同)
＝3.75
尾级精馏塔如图2所示，其主要作用是分离粗酒精中的尾级杂质和中级杂质。在塔中，酒精为轻关键组分，重关键组分可以是尾级杂质、也可以是中级杂质。当尾级杂质为重关键组分时，中级杂质就成为中间组分，此时中级杂质就可能混入酒精中，影响产品质量；如果中级杂质作为重关键组分，中级杂质、尾级杂质将得到充分分离，但设备投资将有所增加，所以应根据产品的质量要求和工程投资选择确定。尾级精馏塔与现有的其它精馏塔分离尾级杂质的方法是不同的。尾级精馏塔有提馏段和精馏段两部分，提馏段的作用是提高酒精的得率，精馏段的作用是充分分离尾级杂质(包括中级杂质)，它主要是到用尾级杂质在酒精浓度较高时，挥发系、精馏系数均小于1，向液相积聚的特性。将分离过程设定在高浓度酒精的条件下进行，并且在杂质的富集区及提取部位有K′＜1及K＜1。由尾级杂质的精馏系数可以推出，酒精浓度越高，尾级杂质的分离系数越大，分离效果就越好。因此，尾级精馏塔要求进塔的粗酒精浓度较高，尾级精馏塔可以从顶部将酒精直接气相过塔，也可以在塔顶加装冷凝器，分离出部分头级杂质后、将产品液相过塔。
对尾级精馏塔的分离条件评价
为便于比较，将酒精作为轻关键组分，尾级杂质作为重关键组分。设提取精馏塔提供的粗酒精浓度为95％(V)
1、该塔有提馏段和精馏段。
2、两关键组分的积聚动态相反，提取部位在进料板两侧各自的富集区。
3、分离系数K
酒精浓度区间近似一个点0.95，以异戊醇为例
头级精馏塔如图3所示，其原理与常规的甲醇塔完全相同，酒精为重关键组分，甲醇为轻关键组分，乙醛等头级杂质为轻组分，头级精馏塔的作用是充分分离甲醇、乙醛等头级杂质，使该类指标达到优级标准，其他分离条件及分离效率评价的结果与甲醇塔完全相同。
下面对本发明的第二个方案即由提取精馏塔——头级精馏塔组成的二塔流程方案进行分析、评价。
前面对常规的酒精精馏塔已作过评价，酒精精馏塔对尾级杂质具备充分分离的部分条件，并且分离效率较高，但有两个问题需要解决，一个是需要兼顾头级杂质的分离，另一个是需要解决尾级杂质富集区对分离过程的污染。如果用提取精馏塔代替酒精精馏塔，把酒精做轻关键组分，尾(中)级杂质作为重关键组分，把分离头级杂质的作用放在次要的位置上，留给后一级的头级精馏塔处理，就可以解决上述的第一个问题。而在提取精馏塔采用多点排油及连续排油方法，控制富集区尾级杂质的浓度，保证有足够的塔板，就可以充分分离尾级杂质，从而解决上述的第二个问题。由于采取该法提取的杂醇油中，酒精含量较高，可用杂醇油分离器将酒精分离，然后回收重蒸。这样，一个提取精馏塔就同时充分分离了酒精中的水和尾级杂质，再经过头级精馏塔分离头级杂质后，即得产品酒精。
对提取精馏塔——头级精馏塔所组成的二塔流程的分离条件评价
提取精馏塔
在提取精馏塔，酒精为轻关键组分，尾(中)级杂质为重关键组分。对于尾级杂质与酒精的分离、主要在K＜1的区间，而在K＞1区间，尾级杂质是轻组分与酒精相同，没有分离的作用，所以只评价尾级杂质在K＜1区间的分离条件及分离系数。
(1)该塔在尾级杂质的挥发系数K＜1所对应的酒精浓度X的区间内的作用与精馏段相同。
(2)两组分的积聚动态相反，但尾级杂质的富集区及提取部位与酒精在出料板的同一侧，所以只部分满足充分分离条件。
(3)分离系数K(以异戊醇为例)
头级精馏塔
其分离条件及分离系数的评价结果与甲醇塔相同。
本发明提供的两塔，三塔流程对几个典型杂质的分离系数评价结果汇总于表4，与现有流程相比，分离系数K都是较大的，尤其是尾级精馏塔对异戊醇的分离系数更明显，三塔流程对各类杂质都满足充分分离的两个必要条件，二塔流程虽然部分满足充分分离的两个必要条件，但只要控制得当，仍可使产品达到优级标准。
图1为提取精馏塔结构示意图
图2为尾级精馏塔结构示意图
图3为头级精馏塔结构示意图
图4为本发明三塔流程第一种实施例的流程图
图5为本发明三塔流程第二种实施例的流程图
图6为本发明三塔流程第三种实施例的流程图
图7为本发明二塔流程一种实施例的流程图
图8为本发明二塔流程另一种实施例的流程图
下面结合附图及流程图对本发明做进一步详细的描述。
提取精馏塔的结构示意图如图1所示，醪液从进料板进入提取精馏塔内，进料板以上的部分为精馏段，进料板以下的部分(包括进料板)为提馏段，杂醇油等尾级杂质从精馏段被初步分离出去，从该塔顶部通过冷凝器组初步分离出头级杂质，并获得少量工业酒精，粗酒精从塔上部过塔，蒸汽从塔釜加入，糟液从塔底部排除。
尾级精馏塔的结构示意图如图2所示，粗酒精从进料板进入塔内，尾级杂质从塔底分离出去，分离出尾级杂质的粗酒精从塔顶获得，回流液从塔顶入塔，蒸汽从塔釜加入，排除冷凝水。
头级精馏塔的结构示意图如图3所示，精酒精从进料板进入塔内，在塔顶部通过冷凝器组分离头级杂质，并获得少量工业酒精，产品酒精从塔底获得，蒸汽从塔釜加入，排除冷凝水。
由于上述三塔的内部结构为本专业领域的普通技术人员所共知，因此，不再叙述其内部结构。
图4的三塔流程中，醪液通过预热器初步预热后，进入排糟器再次预热，然后进入提取精馏塔，通过提取精馏塔，一是初步分离出杂醇油，二是通过冷凝器组初步分离头级杂质，经排糟器排出糟液，在该塔所获得的高浓度粗酒精液相进入尾级精馏塔，在尾级精馏塔，杂醇油等尾级杂质富集于塔底被排除，在该塔获得的粗酒精从该塔顶气相进入头级精馏塔，在头级精馏塔中，头级杂质富集于塔顶气相，通过分凝器组分级冷凝，排出不凝气体，在头级精馏塔的底部可获得食用优级酒精。
蒸汽首先加入提取精馏塔，从提取精馏塔排出的二次蒸汽加入尾级精馏塔和头级精馏塔重新利用，尾级精馏塔及头级精馏塔中的冷凝水被排除。
在图5的三塔流程中，醪液通过预热器初步预热后，进入提取精馏塔，通过提取精馏塔，一是初步去除杂醇油，二是通过冷凝器组初步分离头级杂质，并在塔底排除糟液，在提取精馏塔获得的高浓度粗酒精液相进入头级精馏塔，在头级精馏塔中，头级杂质富集于塔顶气相，通过分凝器组分级冷凝，进一步分离排除，在头级精馏塔获得的粗酒精，从塔底部液相进入尾级精馏塔，在尾级精馏塔中，杂醇油等尾级杂质富集于塔底被排除，在尾级精馏塔顶部的气相酒精，通过冷凝器组冷凝，最后获得食用优级酒精。
蒸汽的利用情况同图4的三塔流程。
图6的三塔流程中，醪液通过预热器初步预热后，进入提取精馏塔，通过提取精馏塔，一是初步分离出杂醇油，二是通过冷凝器组初步分离头级杂质，在塔底排出糟液，在提取精馏塔所获得的高浓度粗酒精从塔顶气相过塔，进入尾级精馏塔，在尾级精馏塔中尾级杂质富集于塔底被排除，在塔顶通过冷凝器组分离出头级杂质，回流液分别回流至提取精馏塔和尾级精馏塔，在尾级精馏塔获得的粗酒精从塔顶进入头级精馏塔，在头级精馏塔中头级杂质富集于塔顶，用冷凝器组排除，在头级精馏塔底部提取食用优级酒精。蒸汽直接加入提取精馏塔，尾级精馏塔和头级精馏塔的蒸汽是间接加热，尾级精馏塔、头级精馏塔的冷凝水回收至锅炉。
图7为提取精馏塔与头级精馏塔组成的二塔流程，醪液通过预热器，预热后，进入提取精馏塔，通过提取精馏塔分离杂醇油等尾级杂质，同时在提取精馏塔顶部用冷凝器组初步分离出头级杂质，在提取精馏塔底部排除糟液，高浓度粗酒精从冷凝器组的前级冷凝液中获得，高浓度粗酒精进入头级精馏塔，在头级精馏塔将残存的头级杂质通过冷凝器组分离出去，在塔底部可获得优级食用酒精。
蒸汽首先加入提取精馏塔，从提取精馏塔排出的二次蒸汽加入头级精馏塔重新利用，头级精馏塔的冷凝水被排除。
图8为提取精馏塔与头级精馏塔组成的二塔流程的另一种安装方式，为了增加提取精馏塔的塔板数量，有时受到厂房高度的限制，可将提取精馏塔分为两个部分，平位安装，强制回流。
醪液通过预热器预热后，进入提取精馏塔的A塔段，在A塔段的底部排除糟液，从A塔段获得的高浓度粗酒精气相通过管道进入提取精馏塔的B塔段的底部，B塔段底部的液相粗酒精用泵强制回流至A塔段的顶部，在A塔段用多点连续排油的方法分离出杂醇油，用塔顶冷凝器组分离出一部分头级杂质，冷凝液部分回流至B塔段的塔顶，另一部分冷凝液即粗酒精进入头级精馏塔，在头级精馏塔顶部通过冷凝器组分离头级杂质，在头级精馏塔底部获得产品酒精。
蒸汽的利用情况同图7的二塔流程。
为了充分利用能源，将提取精馏塔的塔釜温度控制在108℃左右，由于尾级精馏塔和头级精馏塔塔釜酒精沸点约为78.5℃，因此可利用各塔釜液沸点的温度差，将蒸汽首先加入提取蒸馏塔间接加热，将排出的二次蒸汽分别进入尾级精馏塔和头级精馏塔，重新利用后回收至锅炉。这样既使热能得到了充分的利用，又减少了糟液排放量，并有利于糟液的浓缩干燥。当然，也可先将蒸汽加入尾级蒸馏塔或头级精馏塔间接加热，将从塔内出来的二次蒸汽再进入提取精馏塔直接加热。
按照本发明，要求粗酒精浓度较高时分离各种杂质，因此避免了差压稀释蒸馏工艺加水重复蒸馏所造成的能量、物料和工艺水的消耗。按照本发明的蒸馏方法，可以利用醪液与酒精沸点的温度差来进行蒸汽的二次利用，从而节省了能源消耗。本发明对头级杂质、尾级杂质的分离较彻底，所生产的酒精达到食用优级标准。
采用本发明的技术方案进行设备改造时，原有的精馏塔和附属设备均可装配使用，不需增加厂房。
本发明给出的附图中，1为提取精馏塔，2为尾级精馏塔，3为头级精馏塔，4为醪液，5为蒸汽(水蒸汽、二次蒸汽)，6为冷凝器组，7为头级杂质，8为工业酒精，9为酒精(粗酒精、优质酒精)，10为杂醇油，11为糟液，12为回流液，13为冷凝水，14为尾级杂质，15为预热器，16为排糟器，17为泵。水蒸汽与二次蒸汽、粗酒精与优质酒精可从上述的叙述中区分。
表1酒精与部分杂质的挥发系数K
表2酒精与部分杂质的精馏系数K′
表3各种塔几种杂质分离系数表
表4两塔、三塔流程中典型杂质的分离系数
权利要求
1、一种食用酒精的精馏方法，包括用头级精馏塔分离头级杂质工序，其特征是醪液经过预热后先进入提取精馏塔，从提取精馏塔获得高浓度粗酒精；粗酒精在尾级精馏塔中，酒精做轻关键组分，尾级杂质或中级杂质做重关键组分，尾级杂质被分离，粗酒精在头级精馏塔中，头级杂质被分离；从提取精馏塔获得的粗酒精无论先进入尾级精馏塔，再进入头级精馏塔，还是先进入头级精馏塔，再进入尾级精馏塔，最后都可获得产品酒精。
2、按照权利要求1所述的食用酒精的蒸馏方法，其特征在于从提取精馏塔获得的高浓度粗酒精的浓度，以满足尾级杂质的挥发系数K＜1为基准，浓度越高越理想。
3、按照权利要求1所述的食用酒精的精馏方法，其特征在于尾级精馏塔分离杂醇油是在挥发系数K＜1的条件下进行的。
4，按照权利要求1、2或3所述的食用酒精的精馏方法，其特征是醪液经过预热后，先进入提取精馏塔，所获得的高浓度粗酒精进入尾级精馏塔，在该塔底杂醇油被分离，所得粗酒精气相进入头级精馏塔、在头级精馏塔塔顶分离出头级杂质、在塔底获得产品酒精。
5、按照权利要求1、2或3所述的食用酒精的精馏方法，其特征是醪液经过预热后，先进入提取精馏塔，所获得的高浓度粗酒精进入头级精馏塔，在该塔头级杂质被分离后，所得的粗酒精进入尾级精馏塔，在尾级精馏塔塔底尾级杂质被分离，在塔顶获得产品酒精。
6、一种食用酒精的精馏方法，其特征在于醪液经过预热后，先进入提取精馏塔，在提取精馏塔中，酒精做轻关键组分，尾级杂质做重关键组分，水作重组分，分离尾级杂质和部分头级杂质后，所得的高浓度粗酒精进入头级精馏塔，在头级精馏塔塔顶将残存的头级杂质分离，在头级精馏塔塔底获得产品酒精。
全文摘要
本发明提供的是食用酒精的精馏方法，该法公开了二种方案一种是提取精馏塔、尾级蒸馏塔、头级精馏塔流程，在提取精馏塔获得高浓度粗酒精，在尾级精馏塔分离杂醇油，在头级精馏塔分离头级杂质；另一种是提取精馏塔、头级精馏塔流程，在提取精馏塔分离尾级杂质和部分头级杂质，在头级精馏塔分离头级杂质。本发明利用了物料固有的沸点差别，不需差压，可节省大量的能源，所生产的酒精达到食用优级标准。
文档编号B01D3/00GK1166372SQ96115749
公开日1997年12月3日 申请日期1996年4月15日 优先权日1996年4月15日
发明者张孝宽 申请人:张孝宽