排醛塔也稱分餾塔,其任務是分離醛類和低沸點酯類等頭級雜質。按進料位置將塔分為兩段,上段精餾段為聚醛段,下段為提餾段。
可知雜質在聚醛段和提餾段中的揮發係數,隨著酒精濃度與塔板層數而變化的情況,以乙酸甲酯為代表的頭級雜質,在排醛塔的所有塔板上,其揮發係數均大於1,因此,它在醛塔中往上運動,即濃度越往上越濃,最後可在第三冷凝器和排醛管中排出。以乙酸異戊酯為代表的中級雜質,其揮發係數在聚醛段自上向下數第9塊塔板處由大於1變為小於1,即它們將在這裏聚集。中級雜質在聚醛段上部的含量較少。以戊醇為代表的尾級雜質,其揮發係數在聚醛段自上向下數第10塊塔板處已從大於1變為小於1,所以它們一般到達不了聚醛段的頂部。因此,排醛塔能有效地排除以醛類為代表的頭級雜質,中級和尾級雜質則隨高濃度的酒精溶液截留而回流至提餾段,最後隨脫醛酒流往精餾塔。
為了更清楚地了解這些雜質在排醛塔內分布和活動情況。
可以看出各類雜質在排醛塔各層塔板上的分布情況。由於這些雜質在進料層都有很大的揮發係數,所以它們都揮發上升。頭級雜質一直上升到聚醛段頂層仍然很易揮發,能繼續上升。中級雜質和尾級雜質則揮發上升不到2~3層塔板便被截留而回流至提餾段,而且尾級雜質還比中級雜質截留得更早。
(五)雜醇油的分離理論
在酒精精餾過程,提取雜醇油是為了提高成品酒精的質量,同時獲得副產品雜醇油。
1.雜醇油的分離理論基礎
雜醇油是酒精蒸餾的主要副產物,它是一些飽和一元醇的混合物,主要包括異戊醇、異丁醇、正丙醇等,其分離水平對成品酒精質量有重大影響。雜醇油的組成、數量與原料的品種、生產工藝和酵母菌的生理狀態有關。澱粉質原料和糖蜜原料酒精生產中,雜醇油的數量按無水酒精計為0.2%~0.4%。其主要成分是異戊醇,而異戊醇在不同酒精濃度下的揮發係數和精餾係數不同。
可知,在精餾塔下部塔板上,由於酒精濃度較低(55%以下),異戊醇的揮發係數大於1,這裏氣相中的異戊醇高於液相,異戊醇的運動方向向上。當酒精濃度為55%(體積分數)時,異戊醇的揮發係數接近1,此時異戊醇在氣相和液相中濃度相當,塔上部的異戊醇下行,塔下部的異戊醇上行,這樣就使異戊醇聚集在與酒精濃度為55%(體積分數)相當的塔板上,所以異戊醇的提取應在此部位。在實際生產中,由於塔板上的蒸氣壓力不很均勻,塔內酒精負荷也有變動,再加上雜醇油本身是多種高級醇的混合物,所以雜醇油是集中分布在幾塊塔板上,而不是聚集在某一塊塔板處。
2.雜醇油提油方式
雜醇油的提取有氣相和液相提油兩種方式。
(1)氣相提取雜醇油,組分則常在進料層以下第2、4塊塔板處,相應的酒精濃度為42%(體積分數)。
(2)液相提取雜醇油的位置是在進料層以上的第2、4、6塊塔板處,相應的溫度為86~93℃,酒精濃度為55%~70%(體積分數)。
3.雜醇油分離
從精餾塔取出的雜醇油是水、酒精和雜醇油的混合物,需要進一步處理才能將雜醇油的不同組分從混合液中分離出來。雜醇油的分離流程如下:
(1)雜醇油組成成分的分離過程 該分離過程是一個液液萃取過程。在此過程中酒精被水萃取,水是萃取劑。向雜醇油液體中加水會使混合物分成兩層,下層含水和酒精,稱萃取相。上層主要含雜醇油,稱萃餘相。所以在雜醇油分離設備中同時發生兩個過程:酒精被水萃取和混合物分層。
前蘇聯學者研究了丁醇-水-酒精和異戊醇-水-酒精係統中各組分的互溶情況。在低酒精濃度[8.3%(質量分數)以下]時,酒精被水吸收的量較多,當酒精濃度超過8.3%(質量分數)後,酒精在丁醇中的含量相對增加。根據這種情況,為了使雜醇油能較好地與酒精和水分離,應盡量減少雜醇油中酒精的含量,分層時的酒精濃度應控製在8.3%(質量分數)以下。一般從精餾塔中取出的雜醇油要加水稀釋,使其酒精濃度低到上述水平。
(2)溫度對分層過程的影響 溫度升高對分層過程不利,因為隨著溫度升高,係統的多相區域縮小。但是,隨著溫度降低,對雜醇油乳濁液狀態的破壞速度會變慢,這對雜醇油的分離是不利的。為此,適宜的雜醇油分離溫度應該是20~25℃,即要用25℃左右的軟水來稀釋。酒精工廠可將精餾廢水冷卻至25~35℃後供稀釋雜醇油用。
(六)甲醇的分離理論
甲醇不是酒精發酵過程中酵母的代謝產物。澱粉質原料蒸煮,亞硫酸法紙漿進行蒸煮,原料中的果膠質、甲基戊糖水解生成的甲氧基(—OCH3)還原即為甲醇。
在不同的酒精濃度下,甲醇的揮發係數均大於1,所以在酒精蒸餾中甲醇隨粗酒精蒸氣一起從醪塔排出進入精餾塔。在精餾塔中甲醇的運動方向也是始終向上的。但甲醇的精餾係數隨酒精濃度的升高呈現非常特殊的現象,甲醇在酒精濃度低於40%(體積分數)時精餾係數小於1,但隨著酒精濃度的增加而增加,當酒精濃度為95%時,精餾係數達到1.92。這時甲醇的揮發性能比酒精的揮發性能高近1倍。
由此可見,要使甲醇和酒精徹底分離,最合理的方法就是在高酒精濃度時進行排除。
根據上述理論,在酒精蒸餾時,甲醇排除的措施有:提高第二冷凝器溫度,在第三冷凝器收取工業酒精,使一部分甲醇進入工業酒精中,一部分甲醇隨排醛管排至大氣;增加精餾塔塔板數,降低取成品塔板位置;把第二、第三冷凝器回流液同預熱器、第一冷凝器的回流液分開,並把第二、第三冷凝器回流下移,設在取成品以下的塔板位置上;在精餾塔後增加一甲醇塔,以進一步排除甲醇。