優(yōu)級(jí)酒精蒸餾工藝中脫甲醇塔模擬與研究

張惠婷

(廣東中科天元新能源科技有限公司，廣東　廣州　510640)

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優(yōu)級(jí)酒精蒸餾工藝中脫甲醇塔模擬與研究

張惠婷

(廣東中科天元新能源科技有限公司，廣東廣州510640)

以優(yōu)級(jí)酒精差壓蒸餾工藝中脫甲醇塔為基礎(chǔ)，考察不同塔板層數(shù)、進(jìn)料位置、回流比對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響。通過優(yōu)化分析，脫甲醇塔設(shè)置60層，進(jìn)料層數(shù)定在30層，回流比定在3.00左右時(shí)，優(yōu)級(jí)成品酒精中甲醇含量可降到9.91 mg/L。分析結(jié)果可為企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和診斷優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

酒精蒸餾；脫甲醇塔；模擬

甲醇(CH3OH)，同酒精一樣，是無色透明的液體。釀酒原料中的果膠質(zhì)、甲基戊糖在蒸煮過程中，在熱、酸、堿和酶的作用下，水解生成甲氧基(-OCH3)，甲氧基還原便形成甲醇[1]。甲醇是酒精中的主要雜質(zhì)，甲醇對(duì)人體的中樞神經(jīng)有抑制作用，可經(jīng)消化道、呼吸道以及粘膜滲透侵入人體而導(dǎo)致中毒。因此，國內(nèi)外對(duì)食用或藥用酒精及酒精飲料中的甲醇含量均嚴(yán)加控制。其中，歐盟尤其是北歐的酒精生產(chǎn)商所用原料是以馬鈴薯和葡萄為主，歐盟中性酒精標(biāo)準(zhǔn)中甲醇含量偏高，達(dá)500 mg/L；墨西哥中性酒精標(biāo)準(zhǔn)中甲醇含量為40 mg/L以下；瑞士控制在30 mg/L以下；巴西控制在18 mg/L；芬蘭優(yōu)質(zhì)中性酒精甲醇含量控制在1 mg/L以下。而我國食用酒精國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10343-2008要求優(yōu)級(jí)酒精甲醇含量控制在50 mg/L以下，特級(jí)酒精甲醇含量控制在2 mg/L以下[2]?，F(xiàn)代企業(yè)為了追求更高的品質(zhì)，對(duì)酒精中甲醇含量的要求亦日趨低化。

本文以優(yōu)級(jí)酒精五塔蒸餾工藝為基礎(chǔ)，采用穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件Aspen Plus對(duì)脫甲醇塔進(jìn)行模擬優(yōu)化，考察脫甲醇塔不同塔板層數(shù)、進(jìn)料位置以及回流比對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響，為優(yōu)級(jí)酒精生產(chǎn)中脫甲醇塔的生產(chǎn)實(shí)踐和診斷優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

1　酒精蒸餾理論

1.1甲醇的分離理論

酒精與雜質(zhì)的分離是利用兩者之間揮發(fā)性的差異來實(shí)現(xiàn)的。酒精蒸餾理論引入揮發(fā)系數(shù)和精餾系數(shù)來描述揮發(fā)性雜質(zhì)的揮發(fā)性能，如式(1)、式(2)所示：

K雜=α/β

(1)

K′=K雜/K酒精

(2)

式中，K雜為雜質(zhì)的揮發(fā)系數(shù)，α和β分別為雜質(zhì)在氣相和液相中的百分濃度，反映雜質(zhì)的揮發(fā)能力；K′為雜質(zhì)的精餾系數(shù)，K雜和K酒精分別為雜質(zhì)和酒精的揮發(fā)系數(shù)。精餾系數(shù)反映雜質(zhì)的揮發(fā)能力與酒精揮發(fā)能力的差異。表1為不同酒精濃度溶液中酒精的揮發(fā)系數(shù)、甲醇的揮發(fā)系數(shù)及甲醇的精餾系數(shù)[3]。

表1　不同酒精濃度溶液中酒精的揮發(fā)系數(shù)、甲醇的揮發(fā)系數(shù)及甲醇的精餾系數(shù)

續(xù)表1

601.301.711.32701.171.551.32801.081.491.38901.021.521.49931.0061.691.68951.0041.931.92

由表1可知，在不同的酒精濃度下，甲醇的揮發(fā)系數(shù)均大于1。但在酒精濃度低于40%(V/V)時(shí)，甲醇的揮發(fā)系數(shù)比酒精的揮發(fā)系數(shù)小，甲醇的精餾系數(shù)小于1。隨著酒精濃度的升高，甲醇的精餾系數(shù)不斷增大。酒精濃度達(dá)95%(V/V)時(shí)，甲醇的揮發(fā)系數(shù)比酒精的揮發(fā)系數(shù)高近1倍，其精餾系數(shù)達(dá)1.92。因此，工業(yè)上分離酒精中的甲醇，通常是設(shè)置脫甲醇塔，利用高酒精濃度時(shí)甲醇與乙醇明顯的揮發(fā)能力差異進(jìn)行分離[4]。

1.2優(yōu)級(jí)酒精蒸餾工藝簡介

優(yōu)級(jí)酒精生產(chǎn)目前通常采用先進(jìn)的五塔二效差壓蒸餾工藝[5]，五塔工藝主要配置粗餾塔、水洗塔、精餾塔、脫甲醇塔、回收塔以及換熱裝置等。

發(fā)酵后的成熟醪原料首先進(jìn)入粗餾塔進(jìn)行初步分離，粗餾塔分離出的粗酒精進(jìn)入水洗塔加水洗滌，從水洗塔頂部采出醛酯雜質(zhì)，水洗塔底部的稀釋酒精進(jìn)入精餾塔濃縮。從精餾塔進(jìn)料層偏上幾層塔板采出雜醇油雜質(zhì)，從精餾塔上部側(cè)線采出高濃度酒精進(jìn)入脫甲醇塔。從脫甲醇塔頂部采出富含甲醇的工業(yè)酒精，從甲醇塔底部采出優(yōu)級(jí)酒精成品。各塔采出的含雜質(zhì)酒在回收塔中分離掉雜質(zhì)后，再進(jìn)入水洗塔重新處理以提高優(yōu)級(jí)酒精產(chǎn)率。從精餾塔采出的95.6%(V/V)以上的半成品酒精進(jìn)入脫甲醇塔，脫甲醇塔塔頂酒汽在粗餾塔再沸器中供熱，冷凝液回流至脫甲醇塔頂部。少部分未冷凝的酒汽進(jìn)入脫甲醇塔末級(jí)冷凝器，脫甲醇塔末級(jí)冷凝器出來的冷凝液作為副產(chǎn)品工業(yè)酒精，不參與回流。甲醇塔塔底出來的酒精作為優(yōu)級(jí)成品。甲醇塔的運(yùn)行工況為：塔頂表壓為70～90 kPa，溫度92～95 ℃。

2　模擬分析

圖1　優(yōu)級(jí)酒精蒸餾工藝脫甲醇塔系統(tǒng)圖

以安徽某日產(chǎn)180噸優(yōu)級(jí)酒精工廠脫甲醇塔生產(chǎn)狀況為依據(jù)，采用Aspen Plus對(duì)脫甲醇塔進(jìn)行建模。乙醇-甲醇-水體系屬于非理想系液相混合物，一般采用活度系數(shù)法校正其物性。本案例采用NRTL方法計(jì)算液相活度，采用Redlich-Kwong-ASPEN方法計(jì)算氣相逸度[6]。脫甲醇塔設(shè)計(jì)為50層塔板，進(jìn)料層為25層。脫甲醇塔系統(tǒng)如圖1所示。精餾塔采出進(jìn)入脫甲醇塔的半成品酒液質(zhì)量為7700 kg/h，酒精濃度為95.8%(V/V)，溫度111.2 ℃，甲醇含量約為420 mg/L，工業(yè)酒精采出量約為200 kg/h。

脫甲醇塔系統(tǒng)模擬結(jié)果見表2所示。

表2　脫甲醇塔系統(tǒng)模擬結(jié)果

由表2可知，甲醇塔頂溫、甲醇塔底溫、工業(yè)酒精甲醇含量、優(yōu)級(jí)成品酒精甲醇含量、回流比這5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相比，模擬誤差控制在10%以內(nèi)，最大誤差在-7.65%。說明模型建立可靠，模擬結(jié)果能很好的反映實(shí)際生產(chǎn)狀況。

3　脫甲醇塔優(yōu)化分析

在酒精生產(chǎn)工藝中，蒸餾過程是整個(gè)生產(chǎn)線中能量消耗最多的環(huán)節(jié)，也是排除雜質(zhì)提升酒精口感的主要環(huán)節(jié)。以該日產(chǎn)180噸優(yōu)級(jí)酒精工廠脫甲醇塔系統(tǒng)為優(yōu)化基礎(chǔ)，以優(yōu)級(jí)成品酒精中甲醇含量≤10 mg/L為目標(biāo)，根據(jù)建立的脫甲醇塔模型，對(duì)脫甲醇塔進(jìn)行工藝優(yōu)化。在其它條件不變的情況下，考察不同塔板層數(shù)、進(jìn)料位置、回流比對(duì)甲醇塔能耗和優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響。

3.1塔板層數(shù)對(duì)成品質(zhì)量的影響

圖2　不同塔板層數(shù)對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響

設(shè)定進(jìn)料溫度、進(jìn)料濃度、甲醇塔頂部壓力、頂部溫度、熱負(fù)荷以及工業(yè)酒采出量不變，進(jìn)料層固定為25層進(jìn)料，單板壓降恒定為500 Pa。優(yōu)化結(jié)果見圖2。

由圖2可看出，隨著塔板層數(shù)的增加，成品酒精中甲醇的含量下降，且下降幅度逐漸變小。說明塔板層數(shù)越高，甲醇與乙醇的分離效果越好。但更高的塔板層數(shù)勢必會(huì)導(dǎo)致設(shè)備投資增加和脫甲醇塔壓降增大。塔板層數(shù)從50層增加到60層，成品酒精中甲醇含量從21.61 mg/L降到11.36 mg/L，降幅達(dá)47.43%。

3.2進(jìn)料層數(shù)對(duì)成品質(zhì)量的影響

設(shè)定塔板層數(shù)為60層，考察不同進(jìn)料層數(shù)對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響。其中，進(jìn)料溫度、進(jìn)料濃度、甲醇塔頂部壓力、頂部溫度、塔壓降、熱負(fù)荷以及工業(yè)酒采出量不變。優(yōu)化結(jié)果見圖3。

圖3　不同進(jìn)料層數(shù)對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響

由圖3可看出，隨著進(jìn)料層數(shù)的增加，成品酒精中甲醇的含量先下降后上升，在30層時(shí)，甲醇含量最低，為8.23 mg/L。說明進(jìn)料層數(shù)過低，進(jìn)料層與塔釜采成品區(qū)越近，成品中甲醇濃度越高，而進(jìn)料層數(shù)過高，相應(yīng)的脫甲醇塔精餾段層數(shù)減少，甲醇與酒精的分離區(qū)域不夠。綜合考慮，進(jìn)料層數(shù)定在30層為宜。

3.3回流比對(duì)成品質(zhì)量的影響

酒精工業(yè)生產(chǎn)中，脫甲醇塔的回流比常定義為塔頂冷凝液回流量與塔釜成品酒精采出量的比值。設(shè)定塔板層數(shù)為60層，進(jìn)料層數(shù)為30層，考察回流比對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響。其它條件不變。優(yōu)化結(jié)果見圖4。

脫甲醇塔的回流比與脫甲醇塔再沸器熱負(fù)荷是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，再沸器熱負(fù)荷越大，回流比越大。由圖4可知，隨著熱負(fù)荷的加大，回流比增加，成品酒精中甲醇的含量呈下降趨勢。說明回流比越大，脫甲醇塔除甲醇效果越好。但是回流比取值越大，熱負(fù)荷也就越大，操作費(fèi)用就越高，因此脫甲醇塔通常在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下在最適宜的操作回流比下運(yùn)行。熱負(fù)荷為4.8 MMkcal/h時(shí)，成品中甲醇含量已降為9.91 mg/L，此時(shí)對(duì)應(yīng)的回流比為2.97。說明脫甲醇塔實(shí)際操作回流比在3.00左右為宜。

圖4　不同回流比對(duì)優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響

4　結(jié)　論

以優(yōu)級(jí)酒精差壓蒸餾工藝中脫甲醇塔為基礎(chǔ)，在其它條件不變的情況下，考察不同塔板層數(shù)、進(jìn)料位置、回流比對(duì)甲醇塔能耗和優(yōu)級(jí)成品酒精品質(zhì)的影響，通過工藝優(yōu)化分析，結(jié)論如下：

(1)脫甲醇塔塔板層數(shù)越高，脫甲醇效果越好。但更高的塔板層數(shù)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備投資增加以及脫甲醇塔壓降增大。脫甲醇塔設(shè)計(jì)60層時(shí)，成品酒精中甲醇含量可降到11.36 mg/L。

(2)隨著脫甲醇塔進(jìn)料層數(shù)增加，成品酒精中甲醇的含量先下降后上升，說明進(jìn)料層數(shù)過低或過高，脫甲醇塔的除甲醇效果都會(huì)降低。綜合考慮，進(jìn)料層數(shù)定在30層為宜。

(3)脫甲醇塔的回流比越大，除甲醇效果越好。但越高的回流比需要越大的熱負(fù)荷，從而造成公用工程消耗量的增加?；亓鞅葹?.8 MMkcal/h時(shí)，成品中甲醇含量已降為9.91 mg/L，此時(shí)對(duì)應(yīng)的回流比為2.97。綜合考慮，脫甲醇塔實(shí)際操作回流比定在3.00左右為宜。

[1]賈樹彪, 李盛賢, 吳國峰, 等. 新編酒精工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009: 100-106.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB 10343-2008 食用酒精[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[3]章克昌. 酒精與蒸餾酒工藝學(xué)[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2005: 187.

[4]王蓬際. 酒精中雜醇油和甲醇的分離特性[J]. 釀酒科技, 2005(8): 84-85.

[5]滕海濤, 李璟, 姜新春, 等. 五塔二級(jí)差壓酒精蒸餾工藝的生產(chǎn)應(yīng)用[J]. 廣東化工, 2015, 42(13): 88-89.

[6]梁劍斌,王紅林,嚴(yán)忠誠,等. 高純度酒精蒸餾中常見揮發(fā)性雜質(zhì)的分離過程模擬[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2010, 27(11): 1545-1549.

Simulation and Research on Demethanol Column in Alcohol Distillation Process of Guaranteed Reagent Grade

ZHANG Hui-ting

(Guangdong Zhongke Tianyuan New Energy Technology Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510640, China)

A demethanol column in alcohol distillation process of guaranteed reagent grade was researched. The effects of different tray numbers, feed position and reflux ratio on guaranteed reagent grade alcohol quality were analyzed. Optimization results showed that when demethanol column was designed with 60 layers, the feed stage was located on the 30th tray, and reflux ratio was about 3.00, the methanol concentration in guaranteed reagent grade alcohol can be reduced to 9.91 ppm. The analysis results can provide data support for enterprise production diagnosis and optimization.

alcohol distillation; demethanol column; simulation

張惠婷(1987-)，女，本科，主要從事化工工藝設(shè)計(jì)。

TQ028.3

A

1001-9677(2016)016-0183-03