CN101367710A - 一种生产无水乙醇的工艺方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型共沸精馏工艺方法及装置，具体是指一种利用共沸精馏隔壁塔(5)生产无水乙醇的工艺方法及装置。共沸精馏隔壁塔(5)是在常规精馏塔内垂直方向上设置一块隔壁(6)。隔壁(6)将塔内空间分为功能不同的三个区域：公共精馏段(1)、脱水段(2)和侧线提馏段(3)。需分离的乙醇水溶液从脱水段(2)上部进入塔内，在脱水段(2)底部获得无水乙醇，三元共沸物从塔顶蒸出，经冷凝器(7)冷凝后在分相器内分为轻重两相液体，轻相(夹带剂)回流，重相则为侧线提馏段(3)的进料，在侧线提馏段(3)底部得到含少量乙醇的水。利用本发明所提供的装置及其工艺流程可得到无水乙醇，并可简化流程，降低能耗和设备投资。

Description

一种生产无水乙醇的工艺方法及装置
技术领域
本发明涉及一种生产无水乙醇的工艺方法及装置，具体是指一种利用共沸精馏隔壁塔生产无水乙醇的工艺方法及其装置，可将乙醇共沸精馏塔、夹带剂回收塔集成到同一个塔内。
背景技术
无水乙醇是一种常用的化学原料，不仅在电子、航天等工业有重要用途，在医药、农药及油脂浸出等方面作溶剂，而且将无水乙醇与汽油混合(俗称汽油醇)可作为内燃机的燃料。世界上有些国家已决定将汽油醇作为动力燃料，随着世界石油资源的减少，作为生物燃料的无水乙醇可能在今后的动力燃料中占有一席之地。此外，也可以作为高级化妆品的原料(以苯为夹带剂除外)以及化学试剂。
目前，生产无水乙醇的常用方法有萃取蒸馏法、离子交换树脂法、共沸精馏法。萃取蒸馏法中，溶剂盐的回收是一个有待于解决的问题。而离子交换树脂法只能用于间歇生产，且具有产量小、能耗大、再生困难、乙醇损耗及劳动强度大等缺陷。由于共沸精馏具有生产连续、机械化程度高、消耗能源品位低、产品纯度高等优点，因此是工业化生产无水乙醇的主要方法。
美国专利US4256541提供了一种无水乙醇的生产方法：装置由一个汽提塔、一个精馏塔、一个脱水塔，一个分相器以及其他附属设备组成。低浓度的乙醇水溶液经汽提塔汽提之后进入精馏塔精馏，经提浓得到的乙醇水溶液进入脱水塔在高压下利用环己烷作为夹带剂进行共沸精馏，在塔底得到无水乙醇产品。脱水塔塔顶设置一个分相器，轻相回流，重相返回进入精馏塔。该工艺流程复杂，设备投资费用较高。
美国专利US4422903提供了一套利用糖类发酵而得到的产物(乙醇质量含量为0.5％～20％)作为原料来生产无水乙醇的装置：该装置由一个汽提塔、一个精馏塔、一个脱水塔、一个夹带剂回收塔以及其他附属设备组成。原料经汽提塔汽提之后进入精馏塔，经精馏乙醇浓度得到提高之后进入脱水塔，在脱水塔内利用苯作为夹带剂进行共沸精馏，塔底得到无水乙醇产品，塔顶的气相经过分离后分成轻重两相，轻相回流，利用夹带剂回收塔回收重相中的夹带剂进行重复利用。该工艺操作较为复杂，设备投资和能耗较高。
中国专利CN 200410064085.0提供了燃料乙醇的生产方法：采用蒸馏方法得到的共沸乙醇气相，经分子筛脱水后得到无水燃料乙醇产品。蒸馏***由醪塔和脱水塔2台塔组成，且还需经过分子筛脱水，具有能耗高、产量小的缺点。
中国专利CN 200610035950.3提供了一种燃料乙醇脱水装置：采用了串联设置的精馏塔和汽提塔、并联设置的两个分子筛、过热器、产品冷却器、进料预热器。该装置虽然能够实现热量的回收利用、生产过程无污染，但是整个流程复杂，能耗高。
中国专利CN 02148634.4提供了一种利用生产原料液(乙醇质量含量为5％～30％)为原料制取超纯乙醇工艺，该生产装置主要由粗馏塔、脱醛塔、精制塔、脱甲醇塔和回收塔组成，该工艺的优点在于：脱醛塔和精制塔为板式塔和填料塔复合结构，脱醛塔实现一次对酯类、醛类和杂醇油等杂质进行整体除杂，精馏塔实现对杂醇油和醛类等杂质第二次整体除杂。但是整个工艺流程复杂、能耗高。
常规的乙醇水溶液共沸精馏装置为两塔流程，包括一个乙醇共沸精馏塔和一个夹带剂回收塔。共沸精馏隔壁塔则是将共沸精馏过程应用于隔壁塔中，在一个塔内同时完成乙醇和水的分离、夹带剂回收等任务。相比于常规的两塔共沸精馏流程，省去了一个精馏塔与一个冷凝器。而且，共沸精馏隔壁塔可有效避免常规流程中的返混效应，热力学效率较高，因此可有效地降低能耗和减少设备投资，提高经济效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用共沸精馏隔壁塔生产无水乙醇的工艺方法及装置。本发明将乙醇和水的分离、夹带剂回收集成到同一个塔内，可以直接得到无水乙醇，简化了常规共沸精馏流程，有效地降低了能耗和设备投资。
本发明所采用的装置为共沸精馏隔壁塔(5)，即在常规精馏塔内垂直方向上设置一块从塔底部延伸到塔上部的隔壁(6)，隔壁(6)将共沸精馏隔壁塔(5)塔内空间分为三个区域，其中区域(1)是公共精馏段，区域(2)是脱水段，区域(3)是侧线提馏段。隔壁(6)为偏心或中心设置，脱水段(2)与侧线提馏段(3)的横截面积比为3:1～1:1。共沸精馏隔壁塔(5)可以是板式塔、填料塔或者两者的任意组合。
本发明所述的方法为：乙醇水溶液由脱水段(2)上部进料，补充夹带剂由分相器(4)加入。在公共精馏段(1)中，由于夹带剂的作用，使乙醇和水的共沸体系被打破，形成新的三元共沸物，乙醇、水及夹带剂三元共沸物从塔顶蒸出，经冷凝器(7)冷凝后在分相器(4)内分为轻重两相液体，轻相回流，重相送入侧线提馏段(3)的上部，作为侧线提馏段(3)的进料。从隔壁(6)顶部流入脱水段(2)与侧线提馏段(3)的液体质量流量之比为15:1～5:1。在脱水段(2)底部得到无水乙醇产品，在侧线提馏段(3)底部得到含少量乙醇的水。本发明所用到的夹带剂为环己烷、苯和环戊烷等中的一种。在操作过程中，塔顶温度为45～110℃，脱水段(2)塔釜温度为70～130℃，侧线提馏段(3)塔釜温度为90～155℃，分相器(4)的温度为20～50℃。塔的操作压力为0.05～0.5MPa。
本发明中塔底得到无水乙醇产品(乙醇质量分数含量99.5％以上)，夹带剂循环利用，获得同样纯度的无水乙醇产品所需能量比常规共沸精馏流程节省20～40％，并能节省设备投资。
附图说明
图1是共沸精馏隔壁塔流程示意图。
图2是常规共沸精馏流程示意图。
图中，1为公共精馏段，2为脱水段，3为侧线精馏段，4、12为分相器，5为共沸精馏隔壁塔，6为隔壁，7、13、14为冷凝器，10为脱水塔，11为提浓塔，8、9、15、16为再沸器。
具体实施方案
下面借助于实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例。
实例1：如图1所示流程。共沸精馏隔壁塔(5)为一直径为1000mm，高度为31000mm的板式塔。其中公共精馏段(1)塔板数为5，脱水段(2)塔板数为60，侧线提馏段(3)塔板数为54。脱水段(2)与侧线提馏段(3)的横截面积之比为1.38:1，进入脱水段(2)与侧线提馏段(3)的液体质量流量比为12.11:1。本实例中以环己烷为夹带剂，原料乙醇水溶液进料位置(从上往下数，下同)为脱水段(2)的第8块塔板，分相器(4)中的重相回流进料位置为侧线提馏段(3)的第1块塔板，补充夹带剂从分相器(4)加入。塔顶温度为62.8℃，压力为0.1MPa，脱水段(2)塔釜温度为78.6℃，侧线提馏段(3)塔釜温度为98.1℃，分相器(4)温度为25.0℃。各物流流量及组成如表1所示。
表1 实例1各物流质量流量及各组分质量分数
 
采出/进料部位 质量流量/(kg/h) 乙醇/％ 水/％ 环己烷％
乙醇水溶液进料补充夹带剂进料脱水段(2)塔釜采出侧线段(3)塔釜采出 10002900102 90099.82 100098 010.20
实例2：如图1所示流程。共沸精馏隔壁塔(5)为一直径为1200mm，高度为30000mm的塔盘和填料混合塔，其中公共精馏段(1)使用填料，填料层高度为1000mm，脱水段(2)与侧线提馏段(3)使用塔板，其中脱水段(2)塔板数为60，侧线提馏段(3)塔板数为54。脱水段(2)与侧线提馏段(3)的横截面积之比为1.31:1，进入脱水段(2)与侧线提馏段(3)的液体质量流量比为10.60:1。进料热状态、进料组成、进料流量同实例1，夹带剂仍为环己烷，只是进料位置有所变化，进料位置为脱水段(2)的第10块塔板，各物流流量及组成如表2所示。塔顶温度为67.8℃，压力为0.12MPa，脱水段(2)塔釜温度为83.7℃，侧线提馏段(3)塔釜温度为104.8℃，分相器(4)的温度为25.0℃。
表2 实例2各物流质量流量及各组分质量分数
 
采出/进料部位 质量流量/(kg/h) 乙醇/％ 水/％ 环己烷％
乙醇水溶液进料补充夹带剂进料脱水段(2)塔釜采出侧线段(3)塔釜采出 10002900102 90099.72.6 1000.197.4 010.20
实例3：如图1所示流程。共沸精馏隔壁塔(5)为一直径为1000mm，高度为31000mm的板式塔。其中公共精馏段(1)塔板数为5，脱水段(2)塔板数为60，侧线提馏段(3)塔板数为54。脱水段(2)与侧线提馏段(3)的横截面积之比为1.57:1，进入脱水段(2)与侧线提馏段(3)的液体质量流量比为8.80:1。进料热状态、进料流量同实例1，夹带剂仍为环己烷，只是进料中的乙醇含量变为92％(质量分数)，进料位置为脱水段(2)的第12块塔板，各物流流量及组成如表3所示。塔顶温度为68.5℃，压力为0.12MPa，脱水段(2)塔釜温度为85.0℃，侧线提馏段(3)塔釜温度为104.5℃，分相器(4)的温度为25.0℃。
表3 实例3各物流质量流量及各组分质量分数
 
采出/进料部位 质量流量/(kg/h) 乙醇/％ 水/％ 环己烷/％
乙醇水溶液进料补充夹带剂进料脱水段(2)塔釜采出侧线段(3)塔釜采出 1000292082 92099.64.3 800.295.7 010.20
实例4：如图1所示流程。共沸精馏隔壁塔(5)为一直径为1200mm，高度为26000mm的填料塔。其中公共精馏段(1)填料层高度为2000mm，脱水段(2)和侧线提馏段(3)的填料层高度均为21000mm。脱水段(2)与侧线提馏段(3)的横截面积之比为1.34:1，进入脱水段(2)与侧线提馏段(3)的液体质量流量比为6.25:1。进料热状态、进料流量、进料组成、进料位置同实例1，以苯作为夹带剂，各物流流量及组成如表4所示。塔顶温度为64.8℃，压力为0.1MPa，脱水段(2)塔釜温度为78.6℃，侧线提馏段(3)塔釜温度为100.6℃，分相器(4)的温度为25.0℃。
表4实例4各物流质量流量及各组分质量分数
 
采出/进料部位 质量流量/(kg/h) 乙醇/％ 水/％ 苯/％
乙醇水溶液进料补充夹带剂进料脱水段(2)塔釜采出侧线段(3)塔釜采出 1000292082 92099.55.6 800.394.2 010.20.2

Claims (7)

1.一种生产无水乙醇的装置，包括共沸精馏隔壁塔(5)、冷凝器(7)、再沸器(8、9)、分相器(4)及其他辅助设备。共沸精馏隔壁塔(5)内部设置一块垂直隔壁(6)，隔壁(6)从塔的底部延伸到塔的上部。隔壁(6)将共沸精馏隔壁塔(5)塔内空间分为三个区域，其中区域(1)是公共精馏段，区域(2)是脱水段，区域(3)是侧线提馏段。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是隔壁(6)为中心设置或偏心设置，使脱水段(2)与侧线提馏段(3)的横截面积比为3:1～1:1。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是共沸精馏隔壁塔(5)可以是板式塔、填料塔或者两者的任意组合。
4.一种生产无水乙醇的工艺方法，具体包括以下步骤：
a)原料(乙醇水溶液)由脱水段(2)上部进料，补充夹带剂由分相器(4)进料。
b)乙醇、水及夹带剂形成的三元共沸物从塔顶蒸出，经冷凝器(7)冷凝后在分相器(4)内分为轻重两相液体。
c)分相器(4)中得到的轻相液体(富含夹带剂)进入公共精馏段(1)循环利用。重相送入侧线提馏段(3)的上部，作为侧线提馏段(3)的进料。
d)在脱水段(2)的底部得到无水乙醇产品，在侧线提馏段(3)底部得到含少量乙醇的水。
5.如权利要求4所述的工艺方法，其特征是夹带剂为环己烷、苯和环戊烷等中的一种。
6.如权利要求4所述的工艺方法，其特征是从隔壁(6)顶部流入脱水段(2)与侧线提馏段(3)的液体质量流量之比为15:1～5:1。
7.如权利要求4所述的工艺方法，其特征是塔顶温度为45～110℃，脱水段(2)塔釜温度为70～130℃，侧线提馏段(3)塔釜温度为90～155℃，分相器(4)的温度为20～50℃。塔的操作压力为0.05～0.5MPa。
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