[重點掌握]兩塔、三塔酒精蒸餾工藝流程和技術條件;五塔差壓蒸餾、六塔差壓蒸餾、八塔差壓蒸餾生產特級酒精工藝流程和技術條件;塔開停操作方法;無水酒精生產技術。
[一般掌握]提高酒精質量的技術措施;蒸餾過程中常見異常情況的處理方法。
[了解]發酵成熟醪的組成,蒸餾和精餾的原理,脫甲醇塔的工作原理及在六塔差壓蒸餾中的應用。
一、發酵成熟醪的化學組成
發酵成熟醪的化學組成隨原料種類、加工方法、菌種性能以及操作條件不同而有較大變化。發酵成熟醪化學組成一般為:含水82%~90%(質量分數),酒精及揮發性雜質5%~8%(質量分數)或6%~10%(體積分數),幹物質3%~7%(質量分數)。
(一)揮發性雜質
揮發性雜質主要是除酒精以外的雜醇油、醛、酸和酯等,它們和酒精蒸氣一起從醪塔頂部排出,把這些揮發性雜質再進一步分離就比較困難,必須通過精餾等方法。
(1)甲醇主要來自原料中果膠質的分解,薯類原料發酵成熟醪液中甲醇含量比較高;使用黑曲黴UV-11作為製備糖化劑菌種,生成的甲醇較黃曲黴多;蒸煮溫度和壓力過高,時間過長也會增加甲醇含量。
(2)異戊醇、異丁醇和丙醇是雜醇油的主要成分,是發酵過程中的產物,在穀物原料的發酵成熟醪中,雜醇油含量高一些,達酒精總量0.3%~0.35%。
(3)乙酸、丁酸、丙酸、乳酸和戊酸主要是發酵過程中雜菌產生的,其含量可占酒精總量的0.005%~0.1%。
(4)醛類主要是乙醛,用糖蜜作原料發酵酒精的醪液中乙醛含量約占酒精總量的0.05%,是穀物原料的10~50倍。
(5)酯類主要有乙酸乙酯、乙酸甲酯和異丁酸乙酯。
醪塔排出的蒸氣中雜質的組成和含量。
(二)不揮發性物質
(1)正常發酵成熟醪的酸度可達2.5,pH5.4左右。
(2)正常發酵成熟醪中的CO2含量,不回收CO2的工藝每升約含1.5g;回收CO2的工藝CO2含量明顯減少。
(3)玉米粉發酵醪液中幹物質主要有酵母菌體、不溶性澱粉、玉米粉中的短纖維等不溶性物質。
(4)未發酵的殘糖、糊精、蛋白質、無機鹽和甘油、琥珀酸、乳酸等不揮發性的微生物代謝產物。
二、酒精蒸餾原理
蒸餾是利用液體混合物中各組分揮發性能的差異將各組分分離的操作。
(一)酒精的揮發係數
拉烏爾定律指出:混合液中,蒸氣壓高(沸點低)的組分,在氣相中的含量總是比液相中高;反之,蒸氣壓低(沸點高)的組分,在液相中含量總是比氣相中高。酒精發酵醪蒸餾就是以拉烏爾定律為基礎。
在常壓下測定的沸騰時酒精-水溶液和蒸氣中酒精濃度。
可知,在平衡的酒精沸騰水溶液中,氣相中的酒精濃度均高於液相,我們用A和c分別表示氣相和液相中酒精的濃度,兩者之比稱為酒精的揮發係數,通常用K表示,即,K=A/c。可以看出,酒精的揮發係數隨溶液中酒精濃度的增加而減少,但在酒精濃度達到97.6%(體積分數)或95.57%(質量分數)以前,K均大於1,這說明通過常規的蒸餾方法可以使酒精變濃。
(二)酒精-水係統的恒沸混合物
酒精濃度達到質量分數95.57%(體積分數97.6%)時,其揮發係數等於1,即氣液兩相中的酒精濃度相等,此時溶液的沸點為78.15℃,較純酒精沸點78.30℃和水的沸點(100℃)均低。蒸餾到此濃度時,用常規蒸餾方法已不能使酒精變濃,此沸點稱為酒精-水溶液的最低恒沸點,相應的酒精-水溶液稱為恒沸混合物。由此可見,在常壓下用常規的蒸餾方法不可能得到無水酒精。
根據數據,可繪出曲線。從這兩個曲線可以看出在常壓下酒精-水溶液與蒸氣中酒精含量與沸點的關係。例如,酒精濃度為20%(質量分數)的酒精-水溶液,其沸點為87℃,平衡時蒸氣中酒精含量為65%(質量分數)。可以看出,在酒精濃度為95.57%(質量分數)處存在共沸點a。
(三)負壓蒸餾原理
溶液蒸發所得蒸氣的組成隨壓力的變化而改變,當壓力增高時,蒸發需要能耗高的組分在蒸氣中的濃度增加。
在蒸氣張力曲線存在最大值的係統中,壓力增高,蒸發能耗高的組分在恒沸混合物中的濃度增加。相反,壓力降低時,蒸發能耗低的組分在恒沸混合物中的濃度增加。
低濃度的酒精-水溶液,壓力增高,氣相中酒精濃度增加;相反,高濃度的酒精水溶液,壓力增高,氣相中的水分增高。因此進行減壓蒸餾,可將恒沸點往增加酒精濃度的方向移動。當壓力降至0.933×104Pa時,就可以得到100%的酒精。
(四)蒸餾塔工作原理
多級蒸餾原理和設想裝置。
A、B、C、D均為獨立的蒸餾釜,每個釜的底部都有多孔加熱蛇管a、b、c、d。除a蛇管與熱源(蒸汽)相連接外,其餘則與前一個蒸餾釜的蒸汽導出管相接。每個釜底部還裝有回流管O、P、Q、R、S。除A釜的O管可將蒸餾殘液排出釜外,其餘的回流管都將蒸餾液導至前一個蒸餾釜內,作為回流用。
在蒸餾開始之前,假設A釜中裝入已達沸點95℃的5%(體積分數)酒精水溶液,B釜中裝已達沸點83.5℃的36%(體積分數)酒精水溶液,C和D釜中分別裝的沸騰酒精。蒸餾釜A導入100℃的水蒸氣,由於釜中溶液溫度為95℃,所以導入的水蒸氣全部凝結成水,釋放出來的潛熱使釜中酒精溶液氣化,這時釜頂酒精蒸氣中酒精濃度為36%(體積分數)(氣液平衡狀態下),該氣體經b蛇管導入B釜,而B釜中液體氣化,得到73%濃度的酒精蒸氣,經c蛇管導入C釜,如此逐級推進,就能進行多級蒸餾。但是,如果不設回流管,則每個蒸餾釜酒精濃度降低,沸點升高,各釜之間液體間溫差消失,上述蒸餾就會無法進行。