برج تقطیر اتانول چیست؟

یک برج تقطیر اتانول یک ظرف جداسازی عمودی است که از اختلاف نقطه جوش بین اتانول (78.37 درجه سانتیگراد) و آب (100 درجه سانتیگراد) برای تغلیظ و خالص سازی اتانول از ماده اولیه تخمیر شده استفاده می کند. مایع خوراک در نقطه وسط ستون وارد می شود. بخار بالا می رود و به تدریج در اتانول غنی می شود زیرا با مایع نزولی در هر مرحله تماس می گیرد، در حالی که جریان ته آب به طور فزاینده ای غنی از آب می شود. یک ستون که به درستی طراحی شده باشد می تواند در یک پاس مداوم، 10 تا 15 درصد حجم آبجو را به 95 درصد حجم در حجم برساند.

برج‌های تقطیر با دستگاه‌های تقطیر ساده از این جهت متفاوت هستند که به طور مداوم کار می‌کنند و به مراحل تئوری بسیار بیشتری در یک فضای فشرده دست می‌یابند - دلیلی کلیدی که آنها بر تولید سوخت صنعتی-اتانول، نوشیدنی-الکل و درجه دارویی در مقیاس‌هایی از چند صد لیتر در ساعت تا صدها هزار تسلط دارند.

ستون های سینی در مقابل ستون های بسته بندی شده: انتخاب طراحی هسته

دو پیکربندی داخلی غالب، هر کدام بسته به توان عملیاتی، مشخصات محصول و تمایل رسوب دهی خوراک، دارای مزایای متمایز هستند.

برای آبگوشت های تخمیری مبتنی بر دانه یا ملاس - که حامل مواد جامد معلق، سلول های مخمر و پروتئین هستند. ستون های سینی غربالی یا سینی شیر انتخاب استاندارد هستند زیرا سینی ها را می توان در طول چرخش های برنامه ریزی شده بررسی و با آب شستشو داد. بسته بندی ساختاری (به عنوان مثال، Sulzer MellapakPlus، Koch-Glitsch FlexiPac) برای اتانول دارویی و ارواح حاوی اسانس که در آن افت فشار بسیار کم و HETP کمتر از 300 میلی متر مورد نیاز است، ترجیح داده می شود.

آزئوتروپ اتانول-آب و نحوه برخورد برج های تقطیر با آن

یک محدودیت حیاتی برای هر مهندس برج تقطیر اتانول این است آزئوتروپ اتانول-آب در 95.63% v/v و 78.15 درجه سانتی گراد (در 1 اتمسفر). تقطیر معمولی اتمسفر نمی تواند از این مرز ترکیب عبور کند، به این معنی که یک ستون سلب به تنهایی هرگز نمی تواند اتانول بی آب (99.5٪) برای مخلوط کردن درجه سوخت یا استفاده از حلال تولید کند.

کارخانه های صنعتی آزئوتروپ را از طریق یکی از سه استراتژی پایین دستی که با برج تقطیر اصلی ادغام شده است، بررسی می کنند:

• کم آبی غربال مولکولی - سربار نزدیک به آزئوتروپیک (~94-95٪ v/v) از بستری از زئولیت 3Å عبور می کند که به طور انتخابی آب را جذب می کند. به طور مداوم در یک چرخه نوسان دو تخته بازسازی می شود. این فناوری غالب برای کارخانه های سوخت اتانول بالای 100000 لیتر در روز است.
• تقطیر استخراجی - یک حباب سنگین مانند اتیلن گلیکول در بالای خوراک وارد می شود تا فرار نسبی را تغییر دهد و به ستون دوم اجازه دهد تا آب را از مخلوط اتانول-حباب جدا کند. سپس حباب بازیافت و بازیافت می شود.
• تقطیر با نوسان فشار - دو ستون در فشارهای مختلف (به عنوان مثال، 1 بار و 8 بار) کار می کنند، و از تغییر در ترکیب آزئوتروپیک با فشار برای دستیابی به جداسازی متقاطع بدون هیچ حلال اضافه استفاده می کنند.

معیارهای کلیدی عملکرد و نحوه تعیین آنها

هنگام تعیین یا ارزیابی یک برج تقطیر اتانول، مهندسان بر چهار شاخص عملکرد وابسته به یکدیگر تمرکز می کنند:

1. تعداد مراحل نظری (NTS) - وضوح جداسازی را تعیین می کند. یک ستون آبجو معمولاً به 20-40 مرحله نیاز دارد در حالی که یک بخش اصلاح ممکن است به 35-60 برای رسیدن به 95٪ v/v نیاز داشته باشد.
2. نسبت رفلاکس (R/Rmin) - عملکرد در 1.1-1.5 × حداقل رفلاکس استاندارد است. نسبت های بالاتر جداسازی را تیز می کند اما مصرف بخار بخار را به طور متناسب افزایش می دهد.
3. کارایی سینی مورفری (EMV) - سینی های واقعی 60 تا 85 درصد از تعادل نظری را به دست می آورند. بسته بندی ساختاریافته با HETP مشخص می شود، به طور معمول 200-500 میلی متر برای سرویس اتانول.
4. مصرف بخار - هدف سیستم های چند اثره یکپارچه با حرارت مدرن 1.5-2.0 کیلوگرم بخار در هر لیتر اتانول بی آب ، در مقابل 3.5-5 کیلوگرم در لیتر برای طرح های تک جلوه. فشرده سازی مجدد بخار می تواند این را 30 تا 40 درصد کاهش دهد.

ابزارهای شبیه‌سازی مانند Aspen Plus، ProMax و HYSYS به طور معمول برای مدل‌سازی این پارامترها قبل از نهایی شدن هر گونه طراحی مکانیکی استفاده می‌شوند و به مهندسان اجازه می‌دهند ارتفاع، قطر و وظایف مبدل حرارتی ستون را به طور همزمان بهینه کنند.

ملاحظات انتخاب مواد و خوردگی

اتانول در حضور اسیدهای آلی (عمدتا اسید استیک) که در طی تخمیر تولید می شود، به فولاد کربنی خورنده خفیفی است. انتخاب مواد برای یک برج تقطیر اتانول بنابراین به کاربرد محصول و بار اسیدی خوراک بستگی دارد:

• فولاد ضد زنگ 304 / 316L - استاندارد برای اتانول غذایی، نوشیدنی و دارویی؛ مقاوم در برابر اسیدهای آلی تا 120 درجه سانتیگراد 316L ترجیح داده می شود در جایی که آلودگی کلرید ممکن است.
• فولاد کربن با پوشش اپوکسی یا شیشه ای - در ستون های بزرگ آبجو سوخت-اتانول که فشار هزینه بالا و تحمل خلوص محصول گسترده تر است استفاده می شود.
• ضد زنگ دوبلکس (2205) - برای محیط‌های سکون با اسید بالا یا جایی که خطر ترک خوردگی ناشی از تنش بالا است مشخص شده است.
• آلیاژهای مس - از لحاظ تاریخی در یکسو کننده های قابلمه برای ارواح استفاده می شود. مس حذف ترکیبات گوگردی را کاتالیز می کند و مزایای طعمی را به همراه می آورد، اگرچه برای محدود کردن انحلال نیاز به مدیریت دقیق pH دارد.

کاربردهای صنعتی در سراسر بخش ها

برج‌های تقطیر اتانول به مجموعه‌ای از صنایع بسیار متنوع خدمت می‌کنند که هرکدام خلوص، توان عملیاتی و الزامات نظارتی خود را تحمیل می‌کنند:

• اتانول سوخت - بزرگترین برنامه جهانی؛ کارخانه‌های برزیل، ایالات متحده و اتحادیه اروپا از ستون‌هایی بهره می‌برند که می‌توانند 1000 تا 5000 مترمکعب در روز اتانول بی‌آب را تولید کنند که با سیستم‌های تبخیر چند اثره برای غلظت سکون ادغام شده است.
• الکل نوشابه - تقطیرهای صنایع دستی از مس فشرده یا ستون های بسته بندی شده ضد زنگ (50 تا 500 لیتر در ساعت) استفاده می کنند در حالی که کارخانه های بزرگ با روح خنثی از سیستم های چند ستونی پیوسته استفاده می کنند (ستون سر ستون های یکسو کننده ستون استخراجی ستون آبجو).
• اتانول دارویی و آرایشی - نیاز به ≥99.7٪ v/v با محدودیت های سخت برای متانول، آلدئیدها و فلزات سنگین. یکسوسازی خلاء دسته ای یا ستون های یکپارچه غربال مولکولی پیوسته استاندارد هستند.
• بازیابی حلال های صنعتی - جریان‌های ضایعات غنی از اتانول حاصل از سنتز شیمیایی در ستون‌های بازیابی ساخته‌شده مجدداً تقطیر می‌شوند، که اغلب در خلاء کار می‌کنند تا تخریب حرارتی محصولات حساس به حرارت را به حداقل برسانند.

با افزایش تقاضای جهانی برای سوخت‌های کم کربن و حلال‌های مبتنی بر زیست، نقش برج تقطیر اتانول در زنجیره‌های ارزش تثبیت‌شده و نوظهور همچنان در حال رشد است – باعث می‌شود طراحی ستون، یکپارچه‌سازی انرژی و انتخاب مواد به طور فزاینده‌ای تصمیمات استراتژیک برای اپراتورهای کارخانه و مهندسان فرآیند ایجاد کند.