一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置及新工艺
阅读说明：本技术 一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置及新工艺 (Device and novel process for producing fuel ethanol and electronic grade ethanol by rectification-membrane separation coupling method ) 是由 顾学红 罗虎 孙振江 洪周 李永恒 王圣贤 陈莽 许旺发 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及乙醇生产领域,具体公开了一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置及新工艺。该装置包括原料泵(1)、醪液预热器(2)、粗馏塔(3)、粗馏塔塔顶冷凝器(4)、粗馏塔塔底再沸器(5)、Ⅰ精馏塔(6)、Ⅰ精馏塔塔顶冷凝器(7)、Ⅰ精馏塔塔底再沸器(8)、闪蒸罐(9)、Ⅱ精馏塔(10)、Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器(11)、Ⅱ精馏塔塔底再沸器(12)、蒸汽渗透膜分离装置(13)、冷凝罐(14)、去离子膜装置(15),能同时生产燃料乙醇和电子级乙醇两种产品,适应市场多元化的需求。此外,能有效利用装置的富余热能,实现能量充分地互相匹配利用,节约蒸汽消耗,与传统的工艺相比可节省蒸汽达20％以上。(The invention relates to the field of ethanol production, and particularly discloses a device and a novel process for producing fuel ethanol and electronic grade ethanol by a rectification-membrane separation coupling method. The device includes raw material pump (1), mash preheater (2), gas retort (3), gas retort top condenser (4), gas retort bottom reboiler (5), I rectifying column (6), I rectifying column top condenser (7), reboiler (8) at the bottom of I rectifying column, flash drum (9), II rectifying column (10), II rectifying column top condenser (11), reboiler (12) at the bottom of II rectifying column, vapor permeable membrane separator (13), condensing tank (14), deionization membrane device (15), can produce two kinds of products of fuel ethanol and electronic grade ethanol simultaneously, the demand of adaptation market pluralism. In addition, the surplus heat energy of the device can be effectively utilized, the energy is fully matched and utilized, the steam consumption is saved, and compared with the traditional process, the steam can be saved by more than 20%.)
技术领域
本发明涉及乙醇生产领域，具体是涉及一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置及新工艺。
背景技术
随着电子科技的不断发展，精密电子元器件、芯片的清洗问题越来越被关注。超净高纯化学试剂主要用于解决上述问题，其中电子级无水乙醇作为超净高纯化学品的一种，目前已被广泛地应用于军工、化工、电子、能源、机械、环保、医药等各个领域。由于电子级乙醇对质量要求高，对生产环境有严格的要求，无法广泛生产。常用的提纯技术有蒸馏、精馏、减压蒸馏、气体吸收等技术，这些提纯技术各有特性，其设备投资又较大、能耗较高，而未被广泛应用。在资源日益紧缺的情况下，急需开放出一种低能耗生产电子级乙醇的新工艺。中国专利CN102260140A中提出，将精馏塔顶接近共沸组成的气体全部冷凝为液体，然后加热到80-90℃再送入渗透汽化膜组件，此过程造成能耗的巨大浪费，同时，在液体渗透汽化过程中产生严重的浓差极化和温差极化的现象。中国专利CN206980234U中提出了一种特定电子级乙醇的过滤设备，但其过滤效果不明显，并不能广泛的适用于市场需求。中国专利CN204310984U公开了七塔多效差压蒸馏技术联产优级酒精和燃料乙醇装置，所述装置能联产优级酒精和燃料乙醇，但无法同时生产电子级无水乙醇。
发明内容
有鉴于此，本发明期望提供一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置及新工艺，本发明能在一套装置中同时生产燃料乙醇和电子级无水乙醇两种产品，同时采用精馏-蒸汽渗透耦合方式，有效利用装置的富余热能，实现能量充分的循环利用，达到降低成本和环境友好的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置，包括原料泵、醪液预热器、粗馏塔、粗馏塔塔顶冷凝器、粗馏塔塔底再沸器、Ⅰ精馏塔、Ⅰ精馏塔塔顶冷凝器、Ⅰ精馏塔塔底再沸器、闪蒸罐、Ⅱ精馏塔、Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器、Ⅱ精馏塔塔底再沸器、冷凝罐，其特征在于：还包括蒸汽渗透膜分离装置、去离子膜装置；所述原料泵、醪液预热器、粗馏塔、粗馏塔塔顶冷凝器、粗馏塔塔底再沸器之间通过管线依次连通；所述Ⅰ精馏塔、Ⅰ精馏塔塔顶冷凝器、Ⅰ精馏塔塔底再沸器、闪蒸罐之间通过管线依次连通；所述Ⅱ精馏塔、Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器、Ⅱ精馏塔塔底再沸器之间通过管线依次连通；所述蒸汽渗透膜分离装置、冷凝罐、去离子膜装置之间通过管线依次连通；所述醪液预热器出料口与所述粗馏塔的进料口管线相连；所述粗馏塔塔顶冷凝器出料口与所述Ⅰ精馏塔进料口管线相连；所述闪蒸罐出料口与所述所述Ⅱ精馏塔进料口管线相连；所述Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器出料口与所述蒸汽渗透膜分离装置进料口管线相连；所述冷凝罐下管线上具有燃料乙醇出口；所述去离子膜装置具有电子级乙醇出口。
进一步地，所述去离子膜装置包含离子交换膜或纳滤膜。
进一步地，所述蒸汽渗透膜分离装置的蒸汽渗透膜构型包括板式、管式、中空纤维式。
更进一步地，所述蒸汽渗透膜为有机或无机膜，包括PVA膜、NaA分子筛膜、T型分子筛膜、MOR分子筛膜、ZSM-5分子筛膜。
本发明还提供了一种生产燃料乙醇、电子级乙醇的新工艺，利用上述精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置，所述工艺包括以下步骤：
来自发酵工段成熟醪经预热后进入所述粗馏塔，所述粗馏塔塔顶得到浓度40~60%（v/v）粗酒进入所述Ⅰ精馏塔，脱除水分及杂醇油；
所述Ⅰ精馏塔塔顶得到浓度85~95%（v/v）高浓度酒精由所述闪蒸罐进入所述Ⅱ精馏塔；
同时，所述粗馏塔中约有二分之一的醪液自所述粗馏塔采出进入Ⅱ精馏塔，所述Ⅱ精馏塔进一步脱水后，塔顶得到浓度为85~97%（v/v）酒精蒸汽；
所述酒精蒸汽进入所述蒸汽渗透膜分离装置进行深度脱水，膜渗余测获得浓度达99.5~99.9%（v/v）高纯乙醇蒸汽，渗透侧乙醇含量1-5%（v/v）的料液输送至醪池继续循环回收，将脱水后的乙醇蒸汽冷凝的得到燃料乙醇产品；
部分高纯燃料乙醇产品经过去离子膜脱除微量离子后采出电子级乙醇产品。
进一步地，进入所述粗馏塔的成熟醪由所述粗馏塔的塔釜废醪液，所述Ⅰ精馏塔、所述Ⅱ精馏塔塔底废液以及所述蒸汽渗透膜分离装置的成品无水乙醇预热。
进一步地，所述粗馏塔塔底再沸器热量来源于Ⅱ精馏塔塔顶回流蒸汽，Ⅱ精馏塔塔底再沸器热量来源于Ⅰ精馏塔塔顶回流蒸汽。
进一步地，所述粗馏塔塔顶的操作压力为0~0.12MPa（表压）；所述粗馏塔塔顶的操作温度为75~85℃；所述粗馏塔塔底的操作温度为85~95℃。
进一步地，所述Ⅰ精馏塔塔顶操作压力为0.2~0.35MPa（表压），所述Ⅰ精馏塔塔顶温度为108~120℃，所述Ⅰ精馏塔塔底温度为130~150℃。
进一步地，所述Ⅱ精馏塔塔顶的操作压力为0.12~0.2MPa（表压）；所述Ⅱ精馏塔塔顶的操作温度为95~105℃；所述Ⅱ精馏塔塔底的操作温度为105~115℃。
本发明有益效果如下：
1）本发明提供一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置，通过精馏-膜分离技术相耦合，能在一套工艺装置中同时生产燃料乙醇和电子级乙醇两种产品，实现产品产能在燃料乙醇和电子级乙醇之间灵活调节，适应市场多元化的需求；
2）本发明提供一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的新工艺，用精馏-膜分离耦合节能工艺，能有效利用装置的富余热能，实现能量充分地互相匹配利用，节约蒸汽消耗，整个系统的蒸汽单耗为1.1-1.4吨蒸汽/吨燃料乙醇产品，从而达到系统节能的目的，与传统的工艺相比可节省蒸汽达20％以上；
3）本发明提供一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的新工艺，整个工艺流程具有节能高效，占地面积小，零污染，操作简单，资源利用率高等优点，具有巨大的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明
具体实施方式
精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的工艺流程图
其中：1是原料泵；2是醪液预热器；3是粗馏塔；4是粗馏塔塔顶冷凝罐；5是粗馏塔塔底再沸器；6是Ⅰ精馏塔；7是Ⅰ精馏塔塔顶冷凝器；8是Ⅰ精馏塔塔底再沸器；9是闪蒸罐；10是Ⅱ精馏塔；11是Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器；12是Ⅱ精馏塔塔底再沸器；13是蒸汽渗透膜分离装置；14是冷凝罐；15是去离子膜装置。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明的特点与技术内容，下面结合附图及实施例对本发明的实现进行详细阐述，所附实施例仅供参考说明之用，并非用来限定本发明。
本发明具体实施方式的核心在于提供一种精馏-膜分离耦合法生产燃料乙醇、电子级乙醇的装置，包括原料泵1、醪液预热器2、粗馏塔3、粗馏塔塔顶冷凝器4、粗馏塔塔底再沸器5、Ⅰ精馏塔6、Ⅰ精馏塔塔顶冷凝器7、Ⅰ精馏塔塔底再沸器8、闪蒸罐9、Ⅱ精馏塔10、Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器11、Ⅱ精馏塔塔底再沸器12、冷凝罐14，其特征在于：还包括蒸汽渗透膜分离装置13、去离子膜装置15；所述原料泵1、醪液预热器2、粗馏塔3、粗馏塔塔顶冷凝器4、粗馏塔塔底再沸器5之间通过管线依次连通；所述Ⅰ精馏塔6、Ⅰ精馏塔塔顶冷凝器7、Ⅰ精馏塔塔底再沸器8、闪蒸罐9之间通过管线依次连通；所述Ⅱ精馏塔10、Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器11、Ⅱ精馏塔塔底再沸器12之间通过管线依次连通；所述蒸汽渗透膜分离装置13、冷凝罐14、去离子膜装置15之间通过管线依次连通；所述醪液预热器2出料口与所述粗馏塔3的进料口管线相连；所述粗馏塔塔顶冷凝器4出料口与所述Ⅰ精馏塔6进料口管线相连；所述闪蒸罐9出料口与所述所述Ⅱ精馏塔10进料口管线相连；所述Ⅱ精馏塔塔顶冷凝器11出料口与所述蒸汽渗透膜分离装置13进料口管线相连；所述冷凝罐14下管线上具有燃料乙醇出口；所述去离子膜装置15具有电子级乙醇出口。
这里，所述去离子膜装置15包含离子交换膜或纳滤膜。
具体地，所述纳滤膜操作压力为0.1～1MPa（表压）。
具体地，所述纳滤膜膜孔径为5nm。
这里，所述蒸汽渗透膜分离装置13的蒸汽渗透膜构型包括板式、管式、中空纤维式。
优选的，所述蒸汽渗透膜为有机或无机膜，包括PVA膜、NaA分子筛膜、T型分子筛膜、MOR分子筛膜、ZSM-5分子筛膜。
具体地，所述板式、管式、中空纤维式的蒸汽渗透膜构型可以以串联、并联其中的一种或两种方式组成。
更具体地，所述蒸汽渗透膜分离装置13由多个管式NaA分子筛膜组件串联而成。
更具体地，所述蒸汽渗透膜分离装置13由多个NaA型中空纤维分子筛膜组件串联而成。
更具体地，所述蒸汽渗透膜分离装置13由多个NaA分子筛膜、T型分子筛膜组件组合串联而成。
本发明具体实施方式还提供了一种生产装置生产燃料乙醇、电子级乙醇的新工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
来自发酵工段成熟醪经预热后进入所述粗馏塔3，所述粗馏塔3塔顶得到浓度40~60%（v/v）粗酒进入所述Ⅰ精馏塔6，脱除水分及杂醇油；
所述Ⅰ精馏塔6塔顶得到浓度85~95%（v/v）高浓度酒精由所述闪蒸罐9进入所述Ⅱ精馏塔10；
同时，所述粗馏塔3中约有二分之一的醪液自所述粗馏塔3采出进入Ⅱ精馏塔10，所述Ⅱ精馏塔10进一步脱水后，塔顶得到浓度为85~97%（v/v）酒精蒸汽；
所述酒精蒸汽进入所述蒸汽渗透膜分离装置13进行深度脱水，膜渗余测获得浓度达99.5~99.9%（v/v）高纯乙醇蒸汽，渗透侧乙醇含量1-5%（v/v）的料液输送至醪池继续循环回收，将脱水后的乙醇蒸汽冷凝的得到燃料乙醇产品；
部分高纯燃料乙醇产品经过去离子膜脱除微量离子后采出电子级乙醇产品。
这里，醪液预热温度为75-80℃。
这里，采用压差耦合循环供热，同时精馏塔塔底废水及膜脱水得到乙醇蒸汽在出系统之前均进行了热量的回收利用。
具体地，进入所述粗馏塔3的成熟醪由所述粗馏塔3的塔釜废醪液，所述Ⅰ精馏塔6、所述Ⅱ精馏塔10塔底废液以及所述蒸汽渗透膜分离装置13的成品无水乙醇预热。
这里，所述粗馏塔塔底再沸器5热量来源于Ⅱ精馏塔10塔顶回流蒸汽，Ⅱ精馏塔塔底再沸器12热量来源于Ⅰ精馏塔6塔顶回流蒸汽。
这里，脱水过程无需引入第三组分即可克服气液平衡的限制，同时可避免传统工艺流程过程复杂的缺陷。
这里，利用乙醇和水相对挥发度大，提高了精馏塔中乙醇和水分离效率；精馏塔塔顶输出的蒸汽直接进入蒸汽渗透膜分离装置13，无需额外增加蒸汽供热，不仅提高蒸汽渗透膜分离装置13的脱水速率，获得高纯产品，而且显著节约能耗。
这里，进入所述蒸汽渗透膜分离装置13的乙醇料液为所述Ⅱ精塔10塔顶的酒汽。
这里，所述Ⅱ精馏塔10塔顶蒸汽作为所述粗馏塔3的加热介质，所述Ⅰ精馏塔6塔顶蒸汽作为所述Ⅱ精馏塔10的加热介质。
这里，所述粗馏塔3塔顶的操作压力为0~0.12MPa（表压）；所述粗馏塔3塔顶的操作温度为75~85℃；所述粗馏塔3塔底的操作温度为85~95℃。
这里，所述Ⅰ精馏塔6塔顶操作压力为0.2~0.35MPa（表压），所述Ⅰ精馏塔6塔顶温度为108~120℃，所述Ⅰ精馏塔6塔底温度为130~150℃。
这里，所述Ⅱ精馏塔10塔顶的操作压力为0.12~0.2MPa（表压）；所述Ⅱ精馏塔10塔顶的操作温度为95~105℃；所述Ⅱ精馏塔10塔底的操作温度为105~115℃。
这里，所述去离子膜装置离子去除后的电子级无水乙醇单项阴离子控制在1ppm以下，阳离子控制在10ppb以下。
这里，所述高纯燃料乙醇产品的含水量<0.1%。
实施例1 :
从发酵工段来的成熟醪(乙醇体积含量为10％)经与粗馏塔3废醪液、成品无水酒精经醪液预热器2预热至75℃进入粗馏塔3，粗馏塔3塔釜排出的废醪液经与成熟醪换热后进入废水处理系统。控制粗馏塔3塔顶操作压力为0.1MPa，塔顶温度为78℃，塔底温度为85℃。得到塔顶浓度为55%的粗酒酒气。
采用粗馏塔3塔顶浓度为55%的粗酒汽作为Ⅰ精馏塔6的进料，通过Ⅰ精馏塔6去除水分及杂醇油。通过Ⅰ精馏塔塔底再沸器8进行加热控制塔底温度为135℃；Ⅰ精馏塔6操作压力为0.25Mpa；塔顶操作温度为110℃，Ⅰ精馏塔塔顶得到浓度为90%（v/v）的高浓度乙醇。
Ⅰ精馏塔6得到的高浓度乙醇由闪蒸罐9进入Ⅱ精馏塔10，同时，粗馏塔3中约有二分之一的醪液自粗馏塔3采出进入Ⅱ精馏塔10，Ⅰ精馏塔6的塔顶蒸汽作为Ⅱ精馏塔10加热介质进行加热，控制Ⅱ精馏塔10的塔底操作温度为105℃，保持操作压力为0.15Mpa，塔顶的操作温度为98℃；塔顶得到浓度为90%（v/v）的高纯乙醇蒸汽。
从Ⅱ精馏塔10采出的高纯乙醇蒸汽进入蒸汽渗透膜分离装置13进行深度脱水。其中，蒸汽渗透膜分离装置13由多个管式NaA分子筛膜组件串联而成，总过滤面积达280m2，蒸汽渗透膜渗透侧用真空泵抽吸，真空度为1000pa，使乙醇和水在分子筛膜上进行蒸汽渗透分离，从蒸汽渗透膜渗透侧抽出渗透液乙醇含量约1%（v/v），冷却后收集，经泵输送至醪池。经渗透汽化膜分离装置获得浓度达99.9%的高纯度乙醇蒸汽，将脱水后的乙醇蒸汽经冷凝罐14冷凝得到燃料乙醇产品。
蒸汽渗透膜分离装置13分离出来99.9%的无水乙醇经去离子膜装置15，其中去离子膜装置15为阴阳离子交换膜，过滤后成为超纯的电子级无水乙醇成品。
实施例2:
从发酵工段来的成熟醪(乙醇体积含量为5％)经与粗馏塔3废醪液、成品无水酒精经醪液预热器2预热至80℃进入粗馏塔3，粗馏塔3塔釜排出的废醪液经与成熟醪换热后进入废水处理系统。控制粗馏塔3塔顶操作压力为0.12MPa，塔顶温度为85℃，塔底温度为90℃。得到塔顶浓度为55%的粗酒酒气。
采用粗馏塔3塔顶浓度为55%的粗酒汽作为Ⅰ精馏塔6的进料，通过Ⅰ精馏塔6去除水分及杂醇油。通过Ⅰ精馏塔塔底再沸器8进行加热控制塔底温度为140℃；Ⅰ精馏塔6操作压力为0.3Mpa；塔顶操作温度为118℃，Ⅰ精馏塔塔顶得到浓度为90%（v/v）的高浓度乙醇。
Ⅰ精馏塔6得到的高浓度乙醇由闪蒸罐9进入Ⅱ精馏塔10，同时，粗馏塔3中约有二分之一的醪液自粗馏塔3采出进入Ⅱ精馏塔10，Ⅰ精馏塔6的塔顶蒸汽作为Ⅱ精馏塔10加热介质进行加热，控制Ⅱ精馏塔10的塔底操作温度为110℃，保持操作压力为0.2Mpa，塔顶的操作温度为100℃；塔顶得到浓度为95.5%（v/v）的高纯乙醇蒸汽。
从Ⅱ精馏塔10采出的高纯乙醇蒸汽进入蒸汽渗透膜分离装置13进行深度脱水。其中，蒸汽渗透膜分离装置13由多个NaA型中空纤维分子筛膜组件串联而成，总装填面积为160m2，蒸汽渗透膜渗透侧用真空泵抽吸，真空度为1000pa，使乙醇和水在分子筛膜上进行蒸汽渗透分离，从蒸汽渗透膜渗透侧抽出渗透液乙醇含量约1%（v/v），冷却后收集，经泵输送至醪池。经渗透汽化膜分离装置获得浓度达99.9%的高纯度乙醇蒸汽，将脱水后的乙醇蒸汽经冷凝罐14冷凝得到燃料乙醇产品。
蒸汽渗透膜分离装置13分离出来99.9%的无水乙醇经去离子膜装置15，其中去离子膜装置15为纳滤膜，膜孔径为5nm，纳滤膜过滤操作压力为0.3Mpa，过滤后成为超纯的电子级无水乙醇成品。
实施例3 :
从发酵工段来的成熟醪(乙醇体积含量为13％)经与粗馏塔3废醪液、成品无水酒精经醪液预热器2预热至80℃进入粗馏塔3，粗馏塔3塔釜排出的废醪液经与成熟醪换热后进入废水处理系统。控制粗馏塔3塔顶操作压力为0.12MPa，塔顶温度为85℃，塔底温度为90℃。得到塔顶浓度为55%的粗酒酒气。
采用粗馏塔3塔顶浓度为55%的粗酒汽作为Ⅰ精馏塔6的进料，通过Ⅰ精馏塔6去除水分及杂醇油。通过Ⅰ精馏塔塔底再沸器8进行加热控制塔底温度为145℃；Ⅰ精馏塔6操作压力为0.3Mpa；塔顶操作温度为120℃，Ⅰ精馏塔塔顶得到浓度为90%（v/v）的高浓度乙醇。
Ⅰ精馏塔6得到的高浓度乙醇由闪蒸罐9进入Ⅱ精馏塔10，同时，粗馏塔3中约有二分之一的醪液自粗馏塔3采出进入Ⅱ精馏塔10，Ⅰ精馏塔6的塔顶蒸汽作为Ⅱ精馏塔10加热介质进行加热，控制Ⅱ精馏塔10的塔底操作温度为110℃，保持操作压力为0.2Mpa，塔顶的操作温度为100℃；塔顶得到浓度为93%（v/v）的高纯乙醇蒸汽。
从Ⅱ精馏塔10采出的高纯乙醇蒸汽进入蒸汽渗透膜分离装置13进行深度脱水。其中，蒸汽渗透膜分离装置13由多个NaA分子筛膜、T型分子筛膜组件组合串联而成，总装填面积为260m2，蒸汽渗透膜渗透侧用真空泵抽吸，真空度为1000pa，使乙醇和水在分子筛膜上进行蒸汽渗透分离，从蒸汽渗透膜渗透侧抽出渗透液乙醇含量约1%（v/v），冷却后收集，经泵输送至醪池。经渗透汽化膜分离装置获得浓度达99.9%的高纯度乙醇蒸汽，将脱水后的乙醇蒸汽经冷凝罐14冷凝得到燃料乙醇产品。
蒸汽渗透膜分离装置13分离出来99.9%的无水乙醇经去离子膜装置15，其中去离子膜装置15为纳滤膜，膜孔径为5nm，纳滤膜过滤操作压力为0.3Mpa，过滤后成为超纯的电子级无水乙醇成品。
以上涉及到的公知常识内容不作详细描述，本领域的技术人员能够理解。
以上所述仅为本发明的一些具体实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。