五、酒精蒸馏

ξ8、发酵成熟醪的蒸馏和精馏一、概述：成熟醪含6~11%（V）酒精，还含甲醇、杂醇油等挥发性杂质及酒糟等不挥发杂质，要得到的成品酒精含量是95%（V）左右，用蒸馏方法提浓1]蒸馏（粗馏）：指将酒精和所有挥发性杂质从发酵成熟醪中分离出来的过程.2]精馏：指除去粗酒精中挥发性杂质和绝大部分水分而得到高浓度、高酒精度的酒精成品过程。精馏结果：各级成品酒精和杂醇油等副产物；3]蒸馏精馏过程:合二为一，习惯称为蒸馏。蒸馏二、成熟醪的组成及杂质分类：1]组成：酒精:6—10%(V)或5-8%(W);水:82—90%(干物质3—7%);发酵副产物：醇、醛、酸、酯等；发酵残余物：残糖、非发酵糖、菌体细胞、植物皮壳、纤维等；其它夹杂务：沙石、绳头等物2]杂质分类：A]不挥发性杂质：不溶性固性物：酵母菌体、皮壳、纤维、不溶性淀粉及蛋白等杂质。可溶性杂质：残糖、糊精、可溶性蛋白、无机盐及甘油、乳酸、琥珀酸等代谢产物。不挥发性杂质较易分离，从醪塔的底部排出，形成水酒糟，每产1T酒精产水酒糟约12—26T。B]挥发性杂质（70%±）：酒精的0.5-0.7%。醇：甲醇：≤0.2%，杂醇油：≤0.3--0.35%；醛、酸、酯等。这些挥发性杂质，蒸馏时随酒精水蒸气一起从醪塔顶部排出，一起进入精馏塔，在精馏塔内分离提纯，得到我们所需产品（挥发性杂质难分离）。三、酒精蒸馏的基本原理：1、拉乌尔定律：混合溶液中，低沸点组分在气相中的含量总比在液相中高。反之亦然。酒精蒸馏是以拉乌尔定律为基础的。由于醪液中各组分挥发性能不同，蒸馏时，液相组分和气相组分是不同的，气相中含有较多挥发组分，经反复汽化和冷凝，将易挥发组分和难挥发组分分开。2、酒精的挥发系数：在酒精-水混合液达到沸腾状态时，平衡系统中，气相中酒精含量A%与液相中酒精含量a%的比值，称为酒精的挥发系数。用K表示。即K=A/a。它表示酒精溶液中乙醇挥发性能的强弱。K值随溶液中酒精浓度的增加而变小。在酒精浓度达到95.57%（m/m）之前，K1，这就是说，可用蒸馏方法使酒精变浓。3、酒精-水系统的恒沸混合物：常压下，气相中酒精浓度=液相中酒精浓度(95.57%m)，此时的沸点为78.15℃78.3℃、100℃，K=1，这个混合物称恒沸混合物。此沸点称最低恒沸点。4、压力对恒沸点的影响：从175页表3-43可以看出：在高酒精浓度时，压力降低，会使蒸汽中水分含量减少，即减压蒸馏可将恒沸点往增加酒精含量的方向移动，所以，当压力降低到一定程度，可使蒸汽中酒精含量达100%。[0.933×104Pa]。5、蒸馏塔的基本原理：A：沸点组成图可知：酒精-水溶液加热沸腾时，蒸汽中酒精含量较溶液中高；酒精-水溶液的酒精含量越高，升温和汽化所需要的热量越少，依此为据，设计蒸馏塔来获得高浓度酒精。95.57%m酒精浓度温度88781002465B：简单蒸馏与连续蒸馏：简单蒸馏一般是间歇加热。因不断有产品提出，造成塔内酒精度下降，操作不稳定，得不到高浓度酒精。如：白酒。连续蒸馏：蒸馏过程中，随酒精成品的提出，不断有成熟醪（加入粗塔，粗酒精蒸气进入精塔）加入和回流，使各个塔板浓度差和温度差相对稳定，这样，使精馏操作稳定，产品酒精度较高。D：蒸馏塔的工作原理：177页。从下层塔板上升的气体与上层板下流的液体在中间板上进行传质传热，其结果是下板上的气体发生部分冷凝，上层来的液体易挥发组分发生部分汽化，从而使酒精逐板提浓。E：回流问题：[连续条件：热源、回流]回流比：R=回流量/产量最适R=3—4。R大，回流量大，产品质量高，塔板数少，但塔的直径会增加，所以投资增加，操作费用也高；R过小，传质传热不充分，会导致塔板数多，投资也会高，建塔时应考虑选最适宜的回流比R值四、酒精精馏的基本原理：1、杂质的分类：[粗塔气体]头级杂质、尾级杂质、中级杂质。2、杂质的挥发系数和精馏系数：为了解杂质的挥发性与酒精的挥发性的关系，引入杂质的挥发系数和精馏系数。1]杂质的挥发系数以及精馏动态：A：杂质的挥发系数：在乙醇-水-杂质三元混合物达沸腾状态时，杂质在汽相中的含量a和在液相中的含量β的比值。即K杂=a/β见180页表3-47列举了酒精-水-杂质三元混合物中，酒精和杂质的挥发系数，从表中可看出3点规律：3点规律：[1]所有杂质的挥发系数随酒精浓度增加逐渐减小，即所有杂质随酒精浓度增加在汽相中含量逐渐降低，这一特点有利于除杂。[2]酒精浓度55%（V）时，所有杂质（含酒精）的挥发系数都大于1，即此时，酒精和杂质在汽相中的含量较液相中高。所以蒸馏时控制粗塔塔顶酒精浓度55%，即可将酒精和挥发性杂质从醪液中提取出来。[3]有些杂质的挥发系数始终大于1，有些在酒精浓度高时，K杂由大于1变成小于1。B：杂质的精馏动态（分布规律）：即杂质移动方向、富集部位及去除方法。[1]：K杂1（始终）：即头级杂质，杂质在汽相中的含量始终大于液相中含量，也就是说，它在塔内的移动方向是上行的，随酒精蒸汽沿塔而上，在塔顶汽相富集。排除：在塔顶或冷凝器中通过排醛、提取酒头等法例甲醇、乙醛、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯等。精馏动态[2]：K杂1（始终）：即尾级杂质，杂质在汽相中的含量始终小于液相中的含量，与上情况相反，它向塔的下行方向移动，越往下浓度越高，沿塔而下，在塔底液相中富集。分离方法：排除废液酒糟。如：乙酸、糠醛。[3]：K杂随酒精度的变化而变化：即中间杂质（难分离），酒精浓度低时，K杂1，沿塔而上；酒精浓度高时，K杂1，沿塔而下；在某一酒精浓度时K杂=1，这类杂质在塔中部的K杂=1处集聚，汽相、液相均富集。分离方法：在K杂=1附近提取杂醇油，汽相、液相均可，但工厂多在进料塔板以上2、4、6块塔板液相提取。如：戊醇、异戊醇、异丁醇、异丙醇、丙醇、异丁酸异酯、异戊酸异酯、乙酸异戊酯。2]杂质的精馏系数K′：在酒精-水-杂质三元混合体系中，杂质的挥发系数K杂与酒精的挥发系数K酒精之比称精馏系数，它反映出杂质与酒精的可分离程度。通过杂质K′来判断，杂质在气相中究竟是增加还是在减小，以便更好的确定杂质在塔内集聚区域。精馏系数意义：[1]：K'1，表示杂质较酒精更易挥发，汽相中杂质含量较液相中增加的较多，在塔内向上运动速度快与酒精，在气相中集聚。[2]：K'1，表示杂质比酒精难挥发，表示杂质在给定条件下的挥发性能小于酒精。有两种情况：K杂1（在此酒精浓度下），K酒精1，该杂质在液相的含量大于气相，沿塔而下。K杂1，（在此酒精浓度下），但K杂K酒精（数值小），杂质沿塔向上，但速度比酒精慢。[3]：K'=1，表示挥发性能与酒精相同，蒸馏中不发生分离现象，难分离。精馏分离示意图冷却器排醛器回流入塔成品酒精[4~6块板]工业进料杂醇油[进料上246液相提取]进汽废液精馏分离图（1)几种主要杂质的特性及分离对策：A：甲醇：来源于蒸煮时果胶质的分解及甲基戊糖的水解，占酒精量≤0.2%以下，食用优级酒精≤0.01%，是生产食用酒精的关键。它的挥发系数始终大于1，属头级杂质，蒸馏时沿塔而上，但精馏系数随酒精含量而变化，当酒精浓度低时（40%），甲醇下移[分子间H键起作用]，酒精浓度高时，甲醇上移[分子量起作用]。故又称端级杂质，当酒精浓度达95%时，精馏系数高达1.92，此时甲醇的挥发性能比乙醇将近高1倍，所以高酒精浓度排除甲醇时最合理。杂质分离具体方法：[1]提高第2冷凝器的温度，在第3冷凝器多去工业酒精（甲醇多）;[2]设置甲醇塔（填料塔）。B：杂醇油的分离提取（占酒精0.3--0.35%）：中级杂质，酒精浓度低时，沿塔而上，汽相富集；酒精浓度高时，沿塔而下，液相富集，酒精度55%时，其挥发系数=1，此时，汽相、液相中含量相当，杂醇油聚集最集中。提取部位：进料塔板以上或以下2-6块塔板提取，提取温度93℃，多在进料板上层液相2、4、6块板提取（酒度42%V）。分离方法：液液萃取，用25-30℃软水（或精馏废热水冷却）先稀释至酒精度8.3%（W）以下，使其分层。C：醛酯类馏分的排除（头级和中级杂质）：醛酯类头级杂质分离：[1]简单排醛：适当提高第2冷凝器温度，在第3冷凝器排出一定量的醛酯馏分，设置排醛管。[2]在精馏塔前设置排醛塔。两次排醛，可得食用酒精或二级以上的优质酒精。[3]在蒸馏前排醛，脱醛酒液再入蒸馏塔或精馏塔。醛酯类中级杂质分离：主要为：异戊酸乙酯、异丁酸乙酯。杂质的挥发系数在酒精90%（V）左右从大于1变为小于1，挥发性能与酒精相进，难分离。前苏联一般从酒精度为80%（V）附近塔板取出少量杂醇酒（重质酒精）。我国以往不重视。五、酒精蒸馏、精馏工艺流程：1、单塔蒸馏：指用一个塔从成熟醪中分离提取酒精成品，浓度低、质量差均不用。2、两塔蒸馏：蒸馏和精馏过程分别在粗塔和精塔两个塔中进行，粗塔的作用是将乙醇以及挥发杂质从成熟醪蒸馏出来，排除酒糟；精塔的作用是将从粗塔蒸馏过来的粗酒精进行分离提纯、提浓，使产品达到一定要求。工艺流程根据进料方式不同：汽相过塔、液相过塔两种。A：气相进塔：流程189页，3-100。以往我国多用（瓜干\玉米）。糖蜜多用液相过塔。双塔气相过塔流程图冷却器成熟醪回流成品精流塔[提浓13~18块，18~22块精馏段40~60块]粗馏塔流程图某酒厂蒸馏系统：粗塔S塔板，25块，板间距450mm，塔高13.05m，直径1200mm；脱水塔：30块塔板，直径1000mm；下面22块泡罩塔板，上面8块斜孔塔，泡罩板间距320mm，斜孔板350mm；15~16板之间进酒汽，16、17、18、19、20、21、22板留取油口。调试后，在19、20板取油；精塔斜孔塔，直径1000mm，45块板，板距350mm。21、22块板取成品；醪液预热3.5m2，分凝器分别为78m2/48/35/35B：液相进塔：190页，图3-101。在粗塔与精塔之间设置一组冷凝器，对粗酒精蒸气进行冷却，取出部分醛酯酒，不凝性气体由排醛管排出，绝大部分酒精溶液以液态进入精塔进料塔板。特点：增加一次排醛机会，成品质量好；两塔不直接相连，相互影响小，易操作；冷却水、蒸气耗量大，能耗高，且需增加一组冷凝设备。3：三塔流程：设置排醛塔或甲醇塔组成三塔蒸馏。根据醛塔和精塔的进料状态分：直接式、半直接式、间接式三种。直接式特点：直接蒸汽过塔，耗汽量少；低酒度排醛，效果好；三塔气相相通，互相影响，操作不稳定；酒精质量不稳定（口味和气味）A：三塔直接式流程：191页，图3-103。B：半直接式流程：醪塔与醛塔之间蒸汽过塔，醛塔与精塔之间液相过塔，三塔底部直接蒸汽加热。成品质量较高，操作稳定。C：间接式流程：三塔均液相过塔；蒸汽耗量大；投资费用高，很少用。图3-105。蒸馏发展的方向：向多塔发展，以提高酒精质量，国外有的达19塔。[四塔蒸馏：粗塔—精塔—脱水塔--最终精制塔，可达优级]。4：后馏塔（甲醇塔、附加塔）：我国多用，装在精塔后，对降低成品酒精中的甲醇含量效果明显，可达食用酒精标准。甲醇的精馏系数随酒精浓度的增加而变大，所以，在高酒精度时易于分离。甲醇塔：30块塔板。提馏段：20块；浓缩段：10块。加热方式：塔底用列管加热器间接加热，底部温度控制79—80℃。酒精成品从塔底取出。回流比大，取头级杂质0.5—1%。蒸馏设备：醪塔：泡罩塔：传统塔形，操作稳定，弹性大，但效率低，结构复杂。斜孔塔、S塔、浮阀波纹塔板。精塔：浮阀塔：操作弹性大，浮阀易脱落。S塔：有死角，压损大。筛板塔：结构简单，易加工。肥城轻工机械厂加工。斜孔塔、伞形泡罩塔（肥城）、波纹浮阀塔（肥城）、导向筛板塔（肥城）[以前山东酒精总厂用精塔]。ξ9、淀粉出酒率和原料利用率（238页）淀粉出酒率和原料利用率是衡量整个酒精生产的综合技术指标之一。它的高低直接与原料消耗有关。一、淀粉的理论出酒率：有反应方程式得100千克淀粉生产无水酒精：162：92=100：XX=100×92/162=56.78千克工厂不生产无水酒精，常折算为96%（V）酒精作为计算淀粉出酒率标准，56.78/0.9385=60.54千克。即100千克淀粉理论出酒