DE102007043998A1 - Device for ethanol production - Google Patents
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Abstract
Bei einer Vorrichtung für die Ethanolgewinnung, bei der einer Destillationskolonne eine Maische zugeführt wird, erfolgt eine Zuführung des Destillats 28 der einen Destillationskolonne 27 an wenigstens zwei in einer Kaskade 29 zusammenwirkende Filtervorrichtungen 30, 31, werden die Permeate 32, 33 der Filtervorrichtungen 30, 31 erneut der Destillationskolonne 27 zugeführt und wird das Retentat 35 der letzten Filtervorrichtung 31 als das Endprodukt Ethanol abgeführt.In a device for ethanol production in which a distillation column is supplied with a mash, the distillate 28 of a distillation column 27 is fed to at least two filter devices 30, 31 cooperating in a cascade 29, the permeates 32, 33 of the filter devices 30, 31 again fed to the distillation column 27 and the retentate 35 of the last filter device 31 is discharged as the final product ethanol.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Ethanolgewinnung, insbesondere von Ethanol aus einer Maische.The Invention relates to a device for ethanol production, especially from ethanol from a mash.
Bei einem herkömmlichen Verfahren der Destillation und Dehydrierung von Ethanol aus einer Biermaische, nach einer Fermentation etwa 10% Ethanol, 85% Wasser und 5% Feststoffe aufweisend, wird diese vorgewärmt einer ersten Destillationskolonne zugeführt. In der ersten Destillationskolonne wird die Maische verdampft, wodurch Festbestandteile ausgefällt und als Sumpfprodukt mit Wasser abgeführt werden können. Ein Teil dieses Sumpfproduktes wird üblicherweise der Destillationskolonne nach einer Erwärmung wieder zurückgeführt.at a conventional process of distillation and dehydration of ethanol from a beer mash, after a fermentation about Having 10% ethanol, 85% water and 5% solids, this will preheated fed to a first distillation column. In the first distillation column, the mash is evaporated, whereby Solid ingredients precipitated and as a bottoms product with water can be dissipated. Part of this sump product is usually the distillation column after a Heating brought back again.
Das erste dampfförmige Destillat, nur noch enthaltend Wasser und Ethanol, wird, ggfls. über einen Sammel- und Mischtank, einer zweiten Destillationskolonne zugeführt, die als Rektifizierkolonne regelmäßig ausgebildet ist. In dieser Rektifizierkolonne erfolgt eine weitgehende Trennung zwischen Wasser und Ethanol. Während das in der zweiten Destillierkolonne ausgefällte reine Wasser als Sumpfprodukt im Wesentlichen abgeführt und damit aus dem Produktionsprozess ausscheidet, während eingeringer Anteil nach Erwärmung erneut der Rektifizierkolonne zurückgeführt wird, wird das zweite Destillat, nach wie vor Wasser und Ethanol enthaltend, teilweise der ersten und zweiten Destillationskolonne wieder zurückgeführt, ggfls. über den bereits erwähnten Sammeltank.The first vaporous distillate, containing only water and ethanol, is, if necessary. via a collecting and mixing tank, fed to a second distillation column, which serves as a rectification column is regularly trained. In this rectification column takes place a substantial separation between water and ethanol. While the precipitated in the second distillation column pure Water as the bottom product substantially dissipated and thus is eliminated from the production process while a fractional share returned to the rectification column after heating becomes the second distillate, still water and ethanol containing, in part, the first and second distillation column again returned, if necessary. on the already mentioned collection tank.
Die das zweite Destillat darstellende Ethanol-Wassermischung von etwa 95% Ethanol und 5% Wasser erfährt eine letzte Dehydrierung, um möglichst reines Ethanol von einem Reinheitsgrad von 99 bis 99,8% zu erhalten. Diese letzte Dehydrierung erfolgt mittels molekularwirkender Siebe, bei denen kristalline Zeolithe schwammartig H2O Moleküle adsorbieren.The ethanol-water mixture of about 95% ethanol and 5% water representing the second distillate undergoes a final dehydration in order to obtain as pure as possible a purity of 99 to 99.8% ethanol. This last dehydration occurs by means of molecular sieves, in which crystalline zeolites adsorb spongy H 2 O molecules.
Die Zeolithe eines Molekularsiebes sind allerdings rasch wassergesättigt. Für eine gleich bleibende Dehydrierung müssen daher wassergesättigte Zeolithe regeneriert werden. Infolge finden Molekularsiebe regelmäßig paarweise Verwendung. Es kann dann von einem arbeitenden Molekularsieb hochreines Ethanol zur Verfügung gestellt werden, das auch für die Regenerierung des anderen Molekularsiebes herangezogen werden kann und das nach der Regenerierung der ersten und/oder der zweiten Destillationskolonne zurückgeführt wird und damit nicht als verwendbares Endprodukt zur Verfügung steht. Darüber hinaus werden weitere ca. 30% des erhaltenen reinen Ethanols eines Molekularsiebes einer Rektifizierkolonne zurückgeführt.The However, zeolites of a molecular sieve are rapidly saturated in water. For a consistent dehydration need Therefore, water-saturated zeolites are regenerated. As a result find molecular sieves regularly in pairs use. It can then from a working molecular sieve high purity ethanol be made available for that too Regeneration of the other molecular sieve can be used and that after the regeneration of the first and / or the second distillation column is returned and therefore not as usable End product is available. Furthermore be further about 30% of the obtained pure ethanol of a molecular sieve returned to a rectification column.
Die Dehydrierung von Ethanol ist ein energieintensiver Prozess. Insbesondere die Verdampfung der Maische in der ersten Destillationskolonne wie auch die Notwendigkeit großer Rücklaufmengen der Destillate verursachen erhebliche Betriebs- und Investitionskosten.The Dehydration of ethanol is an energy-intensive process. Especially the evaporation of the mash in the first distillation column like also the need for large return volumes of Distillates cause significant operating and investment costs.
Aus
der
Tatsächlich
bedarf das Verfahren gemäß
Um die Wirtschaftlichkeit einer Vorrichtungen für die Gewinnung von Ethanol weiter zu erhöhen, wird ein insbesondere energetisch in sich geschlossenes System angestrebt, bei dem eine Energiezufuhr von außen auf ein Minimum reduziert ist.Around the economy of a device for the extraction Ethanol continues to increase, particularly energetic sought in a self-contained system in which an energy supply from the outside to a minimum.
Gelöst wird diese technische Problematik bei einer Vorrichtung für die Ethanolgewinnung, bei der einer Destillationskolonne eine Maische zugeführt wird, gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahmen, dass das Destillat der einen Destillationskolonne wenigstens zwei in einer Kaskade zusammenwirkenden Filtervorrichtungen zugeführt wird, dass die Permeate der Filtervorrichtungen erneut der Destillationskolonne zugeführt werden und dass das Retentat der letzten Filtervorrichtung als das Endprodukt Ethanol abgeführt wird.Solved This technical problem is in a device for the ethanol production, in which a distillation column is a mash supplied according to the claim 1 by the measures that the distillate of a distillation column at least two filter devices cooperating in a cascade is fed, that the permeates of the filter devices be returned to the distillation column and that the retentate of the last filter device as the final product ethanol is dissipated.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird auf eine zweite Destillationskolonne, die Rektifizierkolonne, verzichtet. Entsprechend entfällt der Energiebedarf für den Betrieb einer solchen zweiten Destillationskolonne vollständig.at the apparatus according to the invention is based on a second distillation column, the rectification column, omitted. Accordingly deleted the energy requirement for the operation of such a second Distillation column completely.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass eine Dehydrierung des Ethanols im Destillat der einzigen verbleibenden Destillationskolonne energetisch günstig in wenigstens zwei in einer Kaskade zusammenwirkenden Filtervorrichtungen erfolgen kann. In einer derartigen Kaskade wird das Retentat einer ersten Filtervorrichtung einer nachfolgenden zweiten Filtervorrichtung zugeführt.Surprisingly It has been shown that dehydration of the ethanol in the distillate the only remaining distillation column energetically favorable in at least two filter devices cooperating in a cascade can be done. In such a cascade, the retentate of a first filter device of a subsequent second filter device fed.
Werden hierbei nach Membran-Trennverfahren arbeitende Filtervorrichtungen verwendet, bedarf es lediglich zweier Filtervorrichtungen, die vollständig ausreichend sind, Ethanol von einem Reinheitsgrad von 0,999% zur Verfügung zu stellen, wenn das Destillat der einen Destillationskolonne ca. 50% Ethanol enthält.Be here after Membrane Trennverfah used only one filter device, which is completely sufficient to provide ethanol of a purity of 0.999% available when the distillate of a distillation column contains about 50% ethanol.
Die Permeate der Filtervorrichtungen werden vorzugsweise getrennt der einzigen Destillationskolonne wieder zugeführt. Hierbei wird bevorzugt, dass das Permeat einer ersten Filtervorrichtung der Kaskade in einer dampfförmigen Phase der Destillationskolonne zugeführt wird.The Permeate the filter devices are preferably separated single distillation column fed again. in this connection it is preferred that the permeate of a first filter device the cascade in a vapor phase of the distillation column is supplied.
Das Permeat der ersten Filtervorrichtung nach der Erfindung liegt bei einem Vakuum von ca. 400 mbar noch dampfförmig vor. Da dieses Permeat noch Ethanol in nicht zu vernachlässigender Menge enthält, wird es zweckmäßigerweise der einen Destillationskolonne zurückgeführt. Darüber hinaus weist dieses Permeat die gesamte Verdampfungswärme noch auf. Diese kann voll genutzt werden, wenn die Rückführung des Dampfes in die Kolonne mittels einer Dampfkompression erfolgt. Dabei wird der Dampf von einem Vakuum auf den Kolonnendruck komprimiert und kann so dampfförmig unmittelbar in die Kolonne eingespeist werden. Erst dort erfolgt eine Kondensation, wodurch die Kondensationsenthalpie in die Energiebilanz der Kolonne integriert wird.The Permeate of the first filter device according to the invention is included a vapor of about 400 mbar still in vapor form. There this permeate still ethanol in not negligible Contains quantity, it is expediently the returned a distillation column. In addition, this permeate still has the entire heat of vaporization on. This can be fully utilized if the return of the vapor into the column by means of vapor compression. The steam is compressed by a vacuum to the column pressure and can thus be fed directly into the vapor in vapor form become. Only there does a condensation, whereby the condensation enthalpy is integrated into the energy balance of the column.
Für eine derartige Dampfkompression stehen Dampfkompressoren unterschiedlicher Bauart zur Verfügung, beispielsweise mechanischer Bauart wie Kolben-, Schrauben- oder Zentrifugalverdichter und alternativ thermische Bauarten wie Dampfejektoren.For Such vapor compression are different from vapor compressors Type available, for example, mechanical design such as Piston, screw or centrifugal compressor and, alternatively, thermal Types such as steam ejectors.
Auch das Permeat der der ersten Filtervorrichtung nachfolgenden Filtervorrichtungen kann in einer dampfförmigen Phase der Destillationskolonne zugeführt werden, um deren Energiebilanz zu verbessern. Bei einer später nachfolgenden Filtervorrichtung der Kaskade wird jedoch das Permeat lediglich in einer geringen Menge vorliegen, der Druck des Permeats erheblich abgesunken sein und der Wassergehalt so abgenommen haben, dass es zweckmäßiger ist, dass das Permeat einer weiteren Filtervorrichtung der Kaskade in einer flüssigen Phase der Destillationskolonne zugeführt wird.Also the permeate of the filter device following the first filter device can be fed in a vapor phase of the distillation column to improve their energy balance. At a later subsequent filter device of the cascade, however, the permeate are present only in a small amount, the pressure of the permeate have dropped significantly and the water content has decreased so that it is more appropriate that the permeate a another filter device of the cascade in a liquid Phase of the distillation column is supplied.
Eine Druckerhöhung für das Einspeisen in die eine Destillationskolonne erfolgt mittels einer Pumpe, nachdem dem Permeat über beispielsweise einen Wärmetauscher noch nutzbare wärme entzogen wurde.A Pressure increase for feeding into the one distillation column takes place by means of a pump, after the permeate via, for example, a Heat exchanger still usable heat was withdrawn.
In die Vorrichtung nach der Erfindung ist vorzugsweise eine Biogasanlage integriert, deren nutzbare Gase in die energetische Gesamtbilanz bei dem Prozessablauf in der Vorrichtung mit einbezogen werden, um so den Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung weiter zu erhöhen.In the device according to the invention is preferably a biogas plant integrated, their usable gases in the overall energy balance involved in the process flow in the device, so as to further increase the efficiency of the entire device.
Hierzu ist vorgesehen, dass das Sumpfprodukt der Destillationskolonne einem Biogas erzeugenden Autoklav zugeführt wird, insbesondere dass das Sumpfprodukt in einer Filtriervorrichtung in eine feststoffhaltige und in eine feststofffreie Phase getrennt wird und dass die feststofffreie Phase einem Biogas erzeugenden Autoklav zugeführt wird.For this is provided that the bottom product of the distillation column a Biogas-producing autoclave is fed, in particular that the bottom product in a filtration device in a solids-containing and is separated into a solids-free phase and that the solids-free Phase is fed to a biogas-producing autoclave.
In dem Autoklav entstehen im wesentlichen Methan, CO2 und in geringen Mengen Wasser. Das Verhältnis des weiter nutzbaren Methans zu CO2 beträgt etwa 1:0,6.The autoclave produces essentially methane, CO 2 and small amounts of water. The ratio of reusable methane to CO 2 is about 1: 0.6.
In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist vorgesehen, dass das in dem Autoklav erzeugte, brennbare Biogas, insbesondere Methan, für eine Dampferzeugung in einem Boiler herangezogen wird, dass der Dampf einen mit einer Turbine gekoppelten Generator antreibt und dass die erzeugte elektrische Energie innerhalb der Vorrichtung genutzt wird.In further embodiment of the device according to the invention is provided that the combustible biogas produced in the autoclave, in particular methane, used for steam generation in a boiler, that the steam drives a generator coupled to a turbine and that the generated electrical energy within the device is being used.
Für den in der Vorrichtung nach der Erfindung ablaufenden Prozess der Ethanolgewinnung sind Prozesswärme und insbesondere Dampf von erheblicher Bedeutung und ist die Dampferzeugung grundsätzlich kostenintensiv. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung erfolgt die Gewinnung des für eine Einspeisung in den Gesamtprozess der Ethanolgewinnung benötigen Dampfmenge ausschließlich über den erwähnten Boiler durch die Verbrennung der in dem Prozess gewonnenen Biogase.For the running in the apparatus according to the invention process of Ethanol production is process heat and especially steam Of considerable importance and is the generation of steam in principle expensive. In the apparatus according to the invention, the Obtaining for a feed into the overall process the ethanol production need only steam over the boiler mentioned by the burning in the process gained biogas.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der von dem Boiler erzeugte Dampf einen mit einer Turbine gekoppelten Generator antreibt und dass die erzeugte elektrische Energie innerhalb der Vorrichtung genutzt wird.About that In addition, it is provided that the steam generated by the boiler a powered by a turbine coupled generator and that generated electrical energy is used within the device.
Auch der Abdampf der Turbine kann weiter genutzt werden, wobei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass die Turbine derart betrieben ist, dass der Abdampf einem Dampfejektor in der Getreideaufbereitung für den Erhalt einer Maische herangezogen wird, womit auch die Getreideaufbereitung in das Gesamtkonzept der Vorrichtung miteingebunden wird.Also the exhaust steam of the turbine can be used further, whereby in further Embodiment of the invention is provided, that the turbine such is operated that the exhaust steam a steam ejector in the grain preparation for the receipt of a mash is used, which also the cereal processing integrated into the overall concept of the device becomes.
Als eine weitere Maßnahme kann hierbei noch vorgesehen sein, dass der Abdampf in zwei Ströme getrennt dem Dampfejektor und der einen Destillationskolonne zugeführt wird.When another measure can still be provided here, that the exhaust steam is separated into two streams the steam ejector and which is fed to a distillation column.
Durch die Vorrichtung nach der Erfindung wird ein weitestgehend in sich geschlossenes energetisches Konzept der Ethanolgewinnung zur Verfügung gestellt, dass anhand der Zeichnung näher erläutert wird. In der Zeichnung zeigt:By the device according to the invention, a largely self-contained energetic concept of ethanol production is provided that with reference to the drawing he closer is purified. In the drawing shows:
Das
in dem Maischtrog
Durch
den Hochdruckdampfstrahl des Dampfejektors
Die
für den Betrieb des Dampfejektors
In
einem Sterilisator
Von
einem Verdampfer
Mittels
einer Pumpe
Nach
einer Verweildauer von ca. 1 bis 2 Stunden in dem Tank
Die
Maische wird von der Pumpe
Während
das Retentat
Das
energiereiche, einen hohen Ethanolanteil noch aufweisende Permeat
Das
Permeat
Von
einem Verdampfer
Die
Biogase
Der
Abdampf der Turbine
Der
zweite Strom
Auch
die von dem Generator der Turbine
- 11
- Behältercontainer
- 22
- Förderbandconveyor belt
- 33
- MühleMill
- 44
- MühleMill
- 55
- Förderbandconveyor belt
- 66
- Maischtrogmash trough
- 77
- Wasserzufuhrwater supply
- 88th
- Dampfzufuhrsteam supply
- 99
- Mixermixer
- 1010
- Dampfejektorsteam ejector
- 1111
- Dampfzufuhrsteam supply
- 1212
- Sterilisatorsterilizer
- 1313
- VerdampferEvaporator
- 1414
- Pumpepump
- 1515
- Tanktank
- 1616
- Enzymzusatzenzyme addition
- 1717
- Pumpepump
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