[发明专利]一次相变法制备燃料乙醇的生产工艺及装置

说明书

本发明涉及一种一次相变法制备燃料乙醇的生产工艺，包括以下步骤：(1)固态发酵步骤；(2)固态蒸馏步骤；(3)蒸汽渗透步骤。采用本发明的生产工艺可从节约能源、减少污染物排放和节省设备投资等多方面大幅降低燃料乙醇生产成本，是绿色节能可持续的生物质燃料乙醇生产技术。

技术领域

本发明属于生物新能源和高效节能技术领域，尤其涉及一种以糖料作物为原料通过固态发酵、固态蒸馏和蒸汽渗透技术集成，全过程仅需一次相变制燃料乙醇的工艺技术。

背景技术

在全球气候变暖和世界能源供应日趋紧张的背景下，清洁低碳发展成为全球能源格局大势，生物燃料乙醇以其可再生、环境友好、技术成熟、使用方便、易于推广等综合优势，成为化石燃料的理想替代品。

目前，我国燃料乙醇生产工艺以液态发酵为主，配合传统的双塔精馏技术，精馏塔为板式塔或填料塔。通常需要先将液态发酵后的乙醇通入闪蒸罐，闪蒸后的粗乙醇加热至45℃左右进入预精馏塔，利用水和乙醇的沸点不同，加热至一定温度使其部分气化，逐层提浓。预精馏塔一般将溶液精馏至50wt%左右，进入主精馏塔，进一步把低沸点的重馏分脱除。精馏至95.5wt%共沸点后，乙醇从塔顶或测线采出，经冷凝器冷却至常温后，进一步脱水至无水乙醇。常用的脱水方法包括变压分子筛吸附法、共沸精馏法、萃取精馏法等均存在诸多缺点，整个生产工艺复杂、生产效率低、能耗高、设备投资高，导致最终产品成本高。

在固态发酵方面，发明专利CN102071222A提出了一种转鼓式连续固态发酵装置，改变了传统固态发酵间歇式的生产方式，实现了固态发酵工艺的自动化连续生产。发明专利CN102094045A针对固态物料无流动性的缺点，采用布料栅板和转动式栅格的结构，实现了固态发酵料中蒸馏提醇过程的连续操作。以上发明专利为本发明前序工段，为本发明提供了工艺前提，但目前固态发酵法制燃料乙醇实际生产中仍需要采用精馏和变压吸附法等方法制备燃料乙醇。

据统计，在燃料乙醇生产过程中，精馏和脱水环节能耗占整个生产能耗的45%以上，主要原因由于精馏过程回流的需要，已经汽化的乙醇需要经过冷却回流，塔顶出料再汽化进入下一段精馏塔，塔釜还需要再沸器提供上升蒸汽以维持气液接触。多次反复相变的过程需要大量能量，同时消耗大量冷却水。因此，找到一种分离效率高、能量消耗少的单元操作代替精馏操作，就成为整个燃料乙醇生产中实现节能目标的关键。同时在液态发酵榨汁废液和精馏的塔釜液中产生大量BOD废水，废水处理困难且投资巨大。而以蒸汽渗透为代表的致密膜分离技术是代替精馏的理想选择。

蒸汽渗透（Vapor Permeation，简称VP）是以蒸汽进料，在混合物中各组分蒸汽分压差的推动下, 利用各组分在致密膜内溶解和扩散性能的差异以实现混合物分离的一种新型膜技术，兼具气体分离和渗透汽化的优点，具有设备简单、选择性好、单级分离度高、传质速率大、无污染和易操作、易放大等优点，在石油化工、医药、食品和环境保护等工业领域中具有广阔的应用前景和市场。

发明专利CN108083979A以液态发酵和精馏为前序工艺，提出利用蒸汽渗透透水膜对精馏塔塔顶或侧线乙醇水蒸汽共沸物脱水的方法。发明专利CN1450166A用渗透汽化的方法减少液态发酵过程中乙醇对发酵过程产生的反馈抑制作用，采用真空泵和渗透汽化膜抽出发酵过程的气态乙醇经蒸汽渗透脱水制备无水乙醇。以上专利虽然在一定程度上利用了膜分离的方法提高了乙醇脱水或发酵过程的效率，但主要工艺流程仍以精馏操作为主，这是由于液态发酵本身操作对象为榨汁后的糖料作物，糖分在液态中发酵为乙醇，若采用蒸汽渗透技术需要将液态醇-水混合物再相变为蒸汽，实际相当于部分精馏过程，因此在以液态发酵为基础的燃料乙醇生产工艺中，蒸汽渗透技术利用空间不大。而固态发酵和蒸馏由于需要蒸汽汽提发酵料中的乙醇，汽提后的蒸汽本身为气态，采用蒸汽渗透方法可以使整个过程始终保持气态，这也是一次相变法分离乙醇技术的基础。

发明内容

发明要解决的技术问题