第六章酒精蒸馏原理及设备

※杂质挥发系数KC及其在蒸馏中的指导意义



在酒精蒸馏中，一切杂质(包括乙醇在内)的KC 随乙醇浓度的增加而变小。 乙醇浓度低于55％ (V)时，一切杂质的KC都大于1。有些杂质的KC 始终大于l；有些杂质的KC始终小于1；有些则 在酒精浓度高时KC由大于1变成小于1 . KC大于1就意味着该成分是沿着塔往上移动(浓 缩)， KC小于1就意味着该成分沿塔往下移动。 如果某组分随着酒精浓度增高而在某一浓度时 KC由大于1变为小于1，则该组分就浓缩在与该 酒精浓度相应的塔板上。

第一节 酒精蒸馏分离原理


一、酒精－水混合液的相图
酒精－水溶液属非理想溶液。 酒精－水溶液的蒸汽分压与组成的关系即p－x 图如图2—6—l 所示。 图中虚线为与之相对应的理想溶液的行为。从 图中可以看出：酒精－水溶液对拉乌尔定律具 有（正）偏差。 图中：A为易挥发组分即乙醇，B为水。 （具有较高蒸汽压的物质称为易挥发物；蒸汽压 较低的物质称为难挥发物质。）

图2—6—2系在一定压力(101.3KPa)下绘出的； 当压力改变时，图形会随之而改变。在一般情 况下，压强降低，沸点升高，酒精含量也随之 提高。 采用真空蒸馏的方法，可以得到较高浓度的酒 精或无水酒精。 (对于常压蒸馏，当乙醇的含量小于95.57 (质 量分数) ，无论如何精馏，都得不到无水乙醇。 CaCl 只有加入 、分子筛等吸水剂，使乙醇含 量超过95.57，再精馏可得无水乙醇。) 由乙醇—水的T-x(y)图可绘制出乙醇—水的y-x 图(乙醇—水的气—液平衡曲线图)，见图2— 6 —3 。
一、粗馏塔塔板类型及结构来自1、泡罩塔板优点：操作十分稳定。当 负荷有较大的变动时都能 较稳定的操作。适宜处理 易起泡的液体，对设计的 准确性也无过高的要求。 历史悠久，应用广泛。 缺点：塔板结构较复杂， 塔板效率偏低，压降大。
2、S形塔板


S形塔板是由数个S形的泡罩互相搭接而成。如图 2—6—12所示。 该塔板借气体喷出时的动能，推动液体流动。 因此该塔板有下述特点： ⑴板上液层分布比较均匀； ⑵液面落差小； ⑶雾沫夹带少； ⑷气液接触充分而密切； ⑸生成的蒸汽同时产生一股向上升腾的作用力， 可将物料之中污秽物质带走。
溶液中各组分的挥发度v可用它在蒸汽中的 分压和它在与蒸汽成平衡的液相中的摩尔 分数之比来表示。 习惯上将溶液中易挥发组分的挥发度与难 挥发组分的挥发度之比称为相对挥发度， 以 αAB或α表示。 相对挥发度的数值的大小可以用来判断混 合液是否能用蒸馏的方法加以分离及了解 分离的难易程度。

vA= pA / xA , αAB= vA / v B = α=
在多次部分汽化和部分冷凝过程中发生了热质传递使混合物得到了分离塔顶得a塔底二精馏计算基本公式二精馏计算基本公式wxdxfxdxfx易挥发组分的回收率22精馏塔的操作线方程精馏塔的操作线方程dxlxvyn1提馏段操作线方程泡点进料时提馏段操作线方程对控制体作物料衡算有
第六章
酒精蒸馏原理及设备
蒸馏分离提纯操作，主要是指将某些 液相和液相的混合物分离开，或将其 某组分再进行提纯的化工单元操作。 生物工程中采用蒸馏方法提取或提纯 的主要有白酒、酒精、甘油、丙酮、 丁醇等工业产品，以及某些萃取过程 中的溶剂回收。 本章主要讨论酒精的蒸馏和提纯。



上述传质和传热的结果是顶釜中的酒精蒸气的 组成高，而底釜残留液体中的酒精组成低。 将顶釜的酒精蒸气在冷凝器冷凝后所得的部分 冷凝液回流至顶釜(回流)。同时在底釜中又不 断添加原混合液，就可使各釜中气、液两相的 组成保持不变，操作达到稳定持久。顶釜内汽 化的蒸汽中酒精组成就稳定。这样，酒精—水 溶液达到精馏分离提纯的目的。 工业生产上的精馏装置称为精馏塔。它是由多 块层板组成，每一块层板代替了上述过程中的 一个釜。



浮阀波纹筛板如图2—6—14所示。它是一种新 型穿流式塔板。是在普通波纹筛板的基础上，在 波峰处增加一定数量的与波峰同弧形的条状阀片。 此种塔板不设溢流管，上下相邻两层板的安装方 位成90°交错。 这种塔板液体分布均匀，整个板面无死角，板效 率高，生产能力大。且具有自净排杂的作用和不 易堵塞、操作稳定等特点。 该塔板用于粗馏塔，也可用于精馏塔和排醛塔。

三、多塔蒸馏
多塔式酒精连续精馏含有三个以上的塔。 可根据产品质量的特殊要求而增加一个 或数个蒸馏塔。例如试剂厂生产试剂用 酒精采用六塔蒸馏。但一般工厂以不超 过四塔为宜。 由于各个塔的任务和要求不同，故各塔 的塔板类型和板间距都有差异。

第三节 粗馏塔



粗馏塔的主要作用就是从发酵成熟醪中将酒精 成分提取出来。 粗馏塔处理的对象是成熟醪，其中含有许多固 形物，黏度大，易起泡，腐蚀性强。 对蒸馏塔板的要求： ①处理能力大； ②塔板效率高； ③塔板压降低； ④操作弹性大； ⑤结构简单，制造成本低； ⑥不易堵塞，抗腐蚀等。
从图2-6-2中我们可以看出：
⑴混合溶液在沸点下汽化时，所产生的 蒸汽中易挥发的酒精组分的含量比在原 混合液中多。 ⑵图中两条曲线的两端点分别代表纯酒 精和纯水在大气压力下的沸点温度。 ⑶对于酒精—水溶液，若增加液相中的 酒精含量，会促使液面上的蒸汽总压加 大，即在一定的外压下，使溶液的沸点 降低。但增长的比例是不一致的。



成品酒精在塔顶回流管以下4～6层塔板上液相 取出，经冷却器、检酒器后进入酒库。 废水从精馏塔2的底部排出。 杂醇油从进料层往上2～4层塔板液相取出(也可 从进料层往下2～4层塔板气相取出)。经冷却、 乳化和分离得粗杂醇油，再经盐析后进入贮器。 淡酒回入精馏塔底部相应的塔板中。 当精馏塔精馏段的塔板层数达到一定数量时(其 他条件稳定)，以淀粉质为原料，完全可以生产 出符合标准的食用酒精。且节省加热蒸汽和冷 却用水。故该流程多被淀粉质原料厂家采用。
B
A
图2—6—l 酒精－水溶液p－x 图
T—x（y）图更具有实际意义
图2—6—2为酒精—水溶液在一个大气压下 的T—x （y）图。图中： 上面的曲线为酒精和水的混合液在其沸点 下所产生蒸汽的平衡组成； 下面的曲线为酒精和水的混合液在其沸点 下液体的平衡组成。

图2—6—2 酒精—水溶液的T—x （y）图
二、三塔式蒸馏
三塔式蒸馏流程是由粗馏塔、排醛塔、精 馏塔3个塔组成。 根据排醛塔和精馏塔的进料情况，可分为 直接式、半直接式和间接式三类。 另有一类是在两塔式蒸馏的基础上，精馏 塔后再增加一个排甲醇塔，也组成三塔蒸 馏。 ．

（一）直接式三塔流程
粗酒精由粗馏塔进入排醛塔以及脱醛酒进 入精馏塔都是气相过塔。 该流程虽然蒸汽消耗量较低，但排除杂质 的效率不高，酒精的质量不易保证，且操 作不稳定，废水与酒精糟一起排放，增加 了酒糟处理的难度。因此工厂不再采用。
v B = p B / xB p A / xA p B / xB =
,
yA xB xA yB
y/x
（1 - y）/ （1 – x）
表2—6—1列出了酒精—水溶液的相对挥 发度的部分数据。 从此表可以看出： ⑴酒精—水溶液的相对挥发度α>1，表示 酒精较水容易挥发。 ⑵在酒精浓度较低时，α值较大，即表示容 易分离； ⑶当酒精浓度· 较高时，α值变小，则较难 分离。
※杂质挥发系数KC及其在蒸馏中的指导意义



头级杂质的KC始终大于1，它们在精馏塔内运 动的方向是往上的，其浓度在塔顶最多。如醛 类、乙酸乙酯等部分酯类。 尾级杂质在酒精浓度低时KC大于1，随着酒精 浓度的不断升高KC逐渐变小至小于1。它们在 精馏塔内下部的运动是往上、而在顶部则是往 下的。结果便集中在与KC等于1的相应的附近 塔板上。如杂醇油。 中级杂质在酒精大于70％时，其KC才从大于1 变为小于1。对这些杂质的分离是比较困难的。 如异戊酸异戊酯、乙酸戊酯等。
四、酒精精馏原理

发酵成熟醪经蒸馏后所获得的粗酒精，杂 质较多。为了除去粗酒精中的杂质，进一 步提高酒精含量，利用气液两相的互相接 触、反复进行部分汽化和部分冷凝，使粗 酒精分离成高浓度的纯净酒精。这一过程 的实质是利用传质和传热原理，是使其多 次汽化和多次冷凝的简单蒸馏过程的集合。 如下图所示。

当酒精—水溶液的浓度为x＝0．894(摩尔 ％)或酒精含量为95.57％(质量分数)或97.3 ％(体积分数)时（即M点），它将在一恒 定的温度下沸腾，此时所产生的蒸汽中酒 精含量与原液相同，即y=x=0.894。 M点称为恒沸点，温度是78.15℃。这个 沸点较纯酒精的沸点78.3℃，水的沸点 100℃都低。故称之为最低恒沸点。 具有恒沸点的酒精—水溶液不可能用普通 的常压蒸馏方法得到无水酒精。

三、挥发系数



挥发系数表示某物质在该溶液中的挥发性能强弱。 用Q％表示混合液中的酒精含量(V)，以A％表示 该溶液沸腾时蒸汽中的酒精含量(V)，则 K酒＝ A /Q K酒就是酒精的挥发系数。 以 β％表示杂质在液相中的含量，以 α％ 表示杂 质在气相中的含量，则 KC=α/β KC是杂质的挥发系数。

一、两塔式流程




（一）气相过塔的两塔蒸馏流程（图2—6—5） 发酵成熟醪经预热器3与精馏塔的酒精蒸气进行 热交换，加热至40℃以上后进入粗馏塔1的顶部。 酒精糟由粗馏塔底部排出。 酒精含量为50％(V)左右的酒精—水蒸气从粗馏塔 顶部引进精馏塔2。酒精蒸气从塔顶依次经过成 熟醪预热器3和冷凝4、5、6。 预热器 3和冷凝器4、5中的冷凝液全部回入精馏 塔作为回流。 粗馏塔和精馏塔均用直接蒸汽加热。 冷凝器6中的冷凝液作为醛酯馏分 (工业酒精)取 出，废气排放至大气。

2
图2—6—3 乙醇—水的气—液平衡y-x图
图中曲线表示在一定外压下乙醇蒸汽的 组成y和与之相平衡的液相组成x之间的 关系(均为摩尔分数)。 图中平衡曲线与对角线相交于M点，此 点即恒沸点。在此点，y＝x，即蒸汽中 的酒精含量和与之相平衡的液相中的酒 精含量相等(y＝x=0.894)。

二、相对挥发度和相平衡方程
（二）液相过塔的两塔蒸馏流程



参见（图2—6—6）： 该流程的特点是粗馏塔塔顶的酒精—水蒸气经过 三个冷凝器后，则以酒精—水冷凝液(液相)进入 精馏塔。 可以看出，该流程较两塔式气相过塔多一次排出 醛酯馏分的机会，即在粗馏塔上多一次排出头级 杂质的机会。故此精馏流程所得的成品酒精质量 较高；但蒸汽消耗量也较多。 这种流程大多用于糖蜜为原料的酒精厂。
※精馏的主要过程和精馏原理的总结
将液相多次部分汽化，移走气相， 终得纯B； 将气相多次部分冷凝，移走液相， 终得纯A。 精馏的主要过程就是多次部分汽化 和多次部分冷凝。 A——易挥发组分； B——难挥发组分。

第二节 酒精蒸馏流程
酒精的蒸馏分为间歇蒸馏和连续蒸馏。目 前国内外都已采用连续式蒸馏。 根据产品的质量要求，又有单塔、两塔、 三塔及多塔(三塔以上)的蒸馏。根据采用 的原料的不同，蒸汽耗用量的多少和产品 品质不同，两塔以上的连续蒸馏又有几种 方式的组合流程。 下面介绍能生产食用酒精的几种蒸馏流程。
※杂质挥发系数KC及其在蒸馏中的指导意义


在酒精精馏中，粗馏酒精中的杂质有醛、酯、酸、 醇4大类。 根据它们在精馏过程的行为又可分为头级杂质、 尾级杂质和中级杂质三大类 。 杂质的挥发系数Kc与酒精的挥发系数K酒之比称 为杂质的精馏系数K’.
KC K K酒
'

杂质的精馏系数K’表示在同一液相酒精浓度下该 杂质与酒精两者的挥发性质之比，表达了该杂质 与酒精分离的难易程度。
3、导向筛板
导向筛板是一种改进型的筛板(如图2—6— 13)，即筛板与斜孔板的结合型。又称为林 德筛板。 与普通板型相比，导向筛板具有压降低、 效率高、负荷大的优良性能，并具有结构 简单，加工方便、造价低廉和使用中不易 堵塞的特点。 在我国酒精行业中经常用于粗馏塔或精馏 塔。

4、浮阀波纹筛纹

（二）半直接式三塔流程
参见图2—6—7： 粗酒精由粗馏塔2进入排醛塔3是气相过塔， 而脱醛酒进入精馏塔4是液相进塔。 这种流程的热能虽比直接式大一些，但操 作稳定，酒精质量也较好。因此，在我国 酒精工业上得到广泛应用。

（三）间接式三塔流程
参见图2—6—8： 粗酒精进入排醛塔以及脱醛酒进入精馏塔 都是液相进塔。可以较半直接式多一次驱 除头级杂质的机会。因此可以生产出高纯 度的酒精。 该流程操作稳定，控制和调节都很方便。 其缺点是蒸汽消耗量较大和设备投资较高。 因此目前较少应用。