專利名稱：一種基于甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵料分離乙醇的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從固態(tài)發(fā)酵料分離乙醇的蒸餾-精餾耦合方法及系統(tǒng)，特別是涉及一種基于甜高粱稈發(fā)酵料固態(tài)蒸餾-精餾耦合分離乙醇的技術(shù)與裝備，屬于固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
步入21世紀，為實現(xiàn)能源、環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，包括中國在內(nèi)的世界各國都致力于可再生能源開發(fā)，以加速能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐。因此，開發(fā)可再生的生物質(zhì)能源具有重要戰(zhàn)略意義。燃料乙醇是世界上規(guī)模最大的生物燃料，我國生產(chǎn)燃料乙醇的資源十分豐富，是發(fā)展生物質(zhì)能源的首選產(chǎn)品。為落實“不爭糧、不爭地”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展原則，我國積極開發(fā)非糧原料生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)。國際研發(fā)機構(gòu)也在探索替代石油能源的途徑，瞄準了借助光合作用有效利用太陽能的綠色能源作物——甜高粱。甜高粱是極具潛力的生產(chǎn)燃料乙醇原料，具有不爭糧、不爭地等優(yōu)點。雖然甜高粱可以大面積種植，但是將甜高粱轉(zhuǎn)化為乙醇的技術(shù)一直沒有實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。目前甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇主要采用固態(tài)和液態(tài)兩種發(fā)酵方式。
液態(tài)發(fā)酵一般是將鮮甜高粱莖稈進行榨汁，汁液進行液態(tài)發(fā)酵，而壓榨后的固體物未加以作發(fā)酵用，其中還殘留有許多糖分；同時，高粱汁需要濃縮后儲存，需要消耗大量能量；濃縮的糖汁需要加水稀釋才能完成乙醇發(fā)酵過程，產(chǎn)率相對較低。使得榨汁法工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)較為困難。
固態(tài)法是將甜高粱桿粉碎后直接發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇具有獨特的優(yōu)勢，能夠從根本上克服液態(tài)發(fā)酵工藝路線的先天性不足，降低對原料預(yù)處理強度的要求，顯著提高產(chǎn)乙醇產(chǎn)率。但是，目前由于傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵法采用的白酒釀造工藝，發(fā)酵周期延長；同時，由于發(fā)酵產(chǎn)物為固態(tài)料，采用傳統(tǒng)甑桶蒸餾和過汽冷凝技術(shù)只能是間歇操作，勞動強度大，得到68％(v/v)以下不同酒度的粗醇溶液，需要大量的加熱蒸汽和冷卻用水，使其生產(chǎn)成本居高不下，且無法實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模運作。傳統(tǒng)的固態(tài)蒸餾工藝在理論與技術(shù)方面都沒有深入的研究。
因此，在前一發(fā)明《一種基于甜高粱莖稈固體發(fā)酵制備乙醇的方法及系統(tǒng)》(申請?zhí)?00710080388.0)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于固態(tài)發(fā)酵料連續(xù)分離乙醇的新型蒸餾裝置以大幅降低生產(chǎn)成本和節(jié)約能耗是當(dāng)務(wù)之急。
本發(fā)明公開的新型固態(tài)蒸餾-精餾耦合技術(shù)及其配套的關(guān)鍵設(shè)備，能夠?qū)⑻鸶吡欢捁虘B(tài)發(fā)酵料中乙醇高效快速提取，提高實際乙醇收率，實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)操作，顯著節(jié)約能耗和降低成本，將對生物質(zhì)資源化和能源化利用提供切實保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對甜高粱乙醇生產(chǎn)中液態(tài)發(fā)酵路線存在原料預(yù)處理成本高、發(fā)酵周期長，同時傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵路線采用釀酒工藝效率低下等缺陷，以發(fā)明人提出的蒸-精餾耦合技術(shù)為基礎(chǔ)，配合密閉環(huán)狀多孔旋轉(zhuǎn)圓盤固態(tài)蒸餾和精餾集成工藝，從固態(tài)發(fā)酵料中連續(xù)分離乙醇，提高乙醇實際收率，降低能源消耗，進而與分子篩脫水等后處理單元匹配，實現(xiàn)甜高粱莖桿固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇新工藝的商業(yè)化運行。
本發(fā)明提出一種基于甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵料蒸-精餾耦合分離乙醇的方法，其特征在于所述方法含有以下工藝步驟(1)發(fā)酵料的密閉輸送發(fā)酵料通過密閉隧道皮帶輸送以防乙醇揮發(fā)造成損失；(2)連續(xù)進出料與固態(tài)蒸餾發(fā)酵料經(jīng)料斗和布料器連續(xù)移入多孔旋轉(zhuǎn)圓盤，形成5～100cm的均勻料層，物料在水平圓周運動過程中與自下而上的蒸汽錯流接觸，發(fā)酵料中乙醇轉(zhuǎn)入汽相，糟渣經(jīng)真空抽提區(qū)回收乙醇蒸氣后連續(xù)移出；(3)蒸-精餾耦合工藝分離乙醇在自主研發(fā)的固態(tài)蒸餾設(shè)備上分離乙醇，經(jīng)收集管獲得30～40％(w/w)的乙醇蒸氣，直接作為原料入精餾塔，獲取95.5％的乙醇；(4)節(jié)能降耗和余熱利用固態(tài)蒸餾汽相產(chǎn)物經(jīng)收集后作為原料直接入精餾塔增濃，有效避免固態(tài)蒸餾工序汽相冷凝和精餾工序原料預(yù)熱所需能耗。在上述的方法中，所述步驟1的原料粉碎是將成熟后的甜高粱秸稈粉碎到直徑1～2mm，長度小于30mm后通過輸送機送入固態(tài)發(fā)酵罐的進料倉。
在上述的方法中，所述步驟1的密閉輸送是為有效防止乙醇揮發(fā)造成的損失，采用密閉隧道皮帶輸送發(fā)酵料。
在上述方法中，所述步驟2的連續(xù)進出料與固態(tài)蒸餾是通過密閉多孔旋轉(zhuǎn)圓盤固態(tài)蒸餾系統(tǒng)對固態(tài)發(fā)酵料實行高效分離乙醇和固態(tài)物料連續(xù)移入移出設(shè)備，在一定停留時間和料層厚度下，最大限度提高實際乙醇收率，為下一步甜高粱乙醇大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)保障。
在上述的方法中，所述步驟3的蒸-精餾耦合工藝分離乙醇是針對甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵料，采用密閉環(huán)槽環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤連續(xù)固態(tài)蒸餾，產(chǎn)生的30～40％(w/w)乙醇蒸氣直接作為精餾原料入塔，由精餾塔頂餾出乙醇蒸氣經(jīng)冷凝冷卻器后匯集于乙醇收集罐中，得到95.5％(w/w)的乙醇；糟渣連續(xù)移出入飼料加工車間。蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽分別經(jīng)環(huán)形均勻布孔的蒸汽分布器進入固態(tài)蒸餾設(shè)備和精餾塔底部提供熱源。
在上述方法中，所述步驟4的節(jié)能降耗和余熱利用是通過將新型固態(tài)蒸餾系統(tǒng)和精餾塔集成，有效避免了固態(tài)蒸餾過程乙醇蒸氣冷凝和精餾過程原料預(yù)熱所需的能耗，實現(xiàn)余熱利用。
本發(fā)明提出一種基于甜高粱莖桿固態(tài)發(fā)酵料分離乙醇的蒸餾-精餾耦合系統(tǒng)，其特征在于所述的用于運輸發(fā)酵料去蒸餾系統(tǒng)的輸送皮帶(6)置于密閉隧道(5)中，一端與轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵罐系統(tǒng)(4)相連，另一端與進料倉(7)相連；布料器(8)一端與進料倉(7)下部相連，另一端與密閉環(huán)槽(9)相連；所述環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)和環(huán)形蒸汽分布器(11)置于密閉環(huán)槽(9)中，環(huán)槽下部為環(huán)形蒸汽分布器(11)，中上部為環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)，環(huán)槽上部與錐形乙醇蒸氣收集裝置(12)相連；控制元件(17)監(jiān)控減速電機(16)調(diào)整環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)的轉(zhuǎn)數(shù)；所述環(huán)形蒸汽分布器(11)均勻布置了排汽孔，使蒸汽均勻進入密閉環(huán)槽(9)；所述出料口(14)位于密閉環(huán)槽(9)末端，緊鄰進料倉(7)，出料口(14)與乙醇蒸氣回收區(qū)(15)相連，真空抽吸系統(tǒng)(13)一端與乙醇蒸氣回收區(qū)(15)上部相連，另一端與錐形乙醇蒸氣收集裝置(12)相連；所述蒸汽鍋爐(19)為固態(tài)蒸餾系統(tǒng)(由部件7-17組成)和精餾塔系統(tǒng)(18)提供高壓蒸汽；精餾塔系統(tǒng)(18)塔頂乙醇蒸氣經(jīng)冷凝冷卻器(20)冷卻，被乙醇接收罐(21)收集。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)通過密閉隧道皮帶輸送富含乙醇的發(fā)酵料，防止揮發(fā)造成的乙醇損失；(2)通過采用新型環(huán)狀密閉旋轉(zhuǎn)圓盤進行固態(tài)蒸餾，實現(xiàn)對固態(tài)發(fā)酵料連續(xù)分離乙醇；通過固態(tài)蒸餾體系與精餾系統(tǒng)集成，直接生產(chǎn)95.5％的乙醇；(3)采用密封旋轉(zhuǎn)圓盤固態(tài)蒸餾裝置可以充分提取發(fā)酵料中乙醇并實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，實現(xiàn)甜高粱為原料商業(yè)化生產(chǎn)乙醇；(4)通過固體蒸餾和精餾集成，顯著降低乙醇分離過程能耗，可實現(xiàn)余熱有效利用。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選的甜高粱乙醇生產(chǎn)工藝流程示意圖。
圖2為本發(fā)明優(yōu)選的固態(tài)蒸-精餾集成工藝示意圖。
圖3為本發(fā)明固態(tài)蒸餾環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤。
圖4為本發(fā)明蒸汽分布器結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明本發(fā)明采用的技術(shù)方案是固態(tài)發(fā)酵料連續(xù)分離乙醇的技術(shù)和裝備包括以下工序和配套裝備(1)發(fā)酵料的密封輸送固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)對成熟的甜高粱莖稈粉碎料直接進行固態(tài)發(fā)酵；發(fā)酵料通過密閉隧道皮帶輸送防止乙醇揮發(fā)；(2)連續(xù)進出料與固態(tài)蒸餾通過采用密封環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤固態(tài)蒸餾體系，使發(fā)酵料連續(xù)移入和糟渣連續(xù)移出，并實現(xiàn)乙醇與糟渣的高效分離；(3)蒸-精餾耦合工藝分離乙醇通過將固態(tài)蒸餾和精餾集成，實現(xiàn)對發(fā)酵料連續(xù)處理，直接生產(chǎn)95.5％的乙醇；(4)節(jié)能降耗和余熱利用通過將固態(tài)蒸餾和精餾耦合，實現(xiàn)節(jié)能降耗和余熱利用。
所述的發(fā)酵料密閉輸送是為有效防止乙醇揮發(fā)，采用密閉隧道皮帶輸送發(fā)酵料。
所述連續(xù)進出料與固態(tài)蒸餾是通過密閉多孔旋轉(zhuǎn)圓盤固態(tài)蒸餾系統(tǒng)對固態(tài)發(fā)酵料實行高效分離乙醇和固態(tài)物料連續(xù)移入移出設(shè)備，在一定停留時間和料層厚度下，最大限度提高實際乙醇收率，為下一步甜高粱乙醇大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)保障。
所述蒸-精餾耦合工藝分離乙醇是針對甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵料，采用密閉環(huán)槽環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤連續(xù)固態(tài)蒸餾所產(chǎn)生的乙醇蒸氣直接作為精餾原料入塔，由精餾塔頂餾出乙醇蒸氣經(jīng)冷凝冷卻器后匯集于乙醇收集罐中，得到95.5％的乙醇；糟渣連續(xù)移出入飼料加工車間。蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽分別經(jīng)環(huán)形均勻布孔的蒸汽分布器進入固態(tài)蒸餾設(shè)備和精餾塔底部提供熱源。
所述節(jié)能降耗和余熱利用是通過將固態(tài)蒸餾系統(tǒng)和精餾塔集成，有效避免了固態(tài)蒸餾過程乙醇蒸氣冷凝和精餾過程原料預(yù)熱所需的能耗，實現(xiàn)余熱利用。
參閱圖1～3圖1甜高粱稈乙醇生產(chǎn)工藝流程，其中1-粉碎機，2-粉碎料，3-輸送皮帶，4-進料倉，5-推料絞輪，6-接種口，7-種子罐，8-斜面轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵罐，9-排氣口，10-拖輪，11-控制元件，12-減速電機，13-輸送皮帶，14-密封隧道，15-進料斗，16-真空泵，17-布料器，18-環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤，19-乙醇蒸氣收集裝置，20-精餾進料管，21-糟渣出料裝置，22-控制元件，23-變頻電機，24-蒸汽分布器，25-精餾塔，26-殘液排口，27-冷凝器，28-乙醇接收罐在附圖的實施中，成熟的甜高粱莖桿粉碎料經(jīng)低于48小時的發(fā)酵后，發(fā)酵料經(jīng)出料口通過密封隧道14由輸送皮帶13送往固態(tài)蒸-精餾集成系統(tǒng)進料斗15，在布料器17的作用下，使發(fā)酵料均勻灑落在環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤18上，形成10～30mm厚度的均勻料層，借助環(huán)形旋轉(zhuǎn)圓盤18的轉(zhuǎn)動做水平圓周運動，來自蒸汽鍋爐的高壓蒸汽經(jīng)蒸汽分布器24自下而上穿越料層，使發(fā)酵料中乙醇進入汽相而形成乙醇蒸氣，通過錐形乙醇蒸氣收集裝置19和精餾塔25的進料管20入塔，實現(xiàn)進一步提濃，并經(jīng)塔頂冷凝器27冷凝后匯集于乙醇收集罐28。糟渣經(jīng)真空收集區(qū)進一步收集乙醇蒸氣后由糟渣出料裝置21和皮帶輸送到飼料加工車間。同時高壓蒸汽從精餾塔25底部氣體分布器入塔。
圖2固態(tài)蒸-精餾集成工藝流程，其中1-密封隧道，2-輸送皮帶，3-進料斗，4-乙醇蒸氣收集裝置，5-布料器，6環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤，7-控制元件，8-變頻電機，9-糟渣出料裝置，10-真空泵，11-密閉環(huán)槽，12乙醇蒸氣進料管，13-蒸汽分布器，14-精餾塔，15-冷凝器，16-餾處管，17-乙醇收集罐，18-殘液口，19-蒸汽管圖3固態(tài)蒸餾環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤，圖4蒸汽分布器結(jié)構(gòu)圖，其中1-密封隧道，2-輸送皮帶，3-進料斗，4-乙醇蒸氣收集裝置，5-布料器，6環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤，7-控制元件，8-變頻電機，9-糟渣出料裝置，10-真空泵，11-密閉環(huán)槽，12乙醇蒸氣進料管，13-蒸汽分布器
權(quán)利要求
1.一種基于甜高粱莖桿固體發(fā)酵料分離乙醇的方法，其特征在于所述方法采用蒸餾-精餾耦合工藝方法，它含有以下步驟(1)發(fā)酵料的密閉輸送甜高粱稈粉碎料經(jīng)直接固態(tài)發(fā)酵后制備得到發(fā)酵料，發(fā)酵料通過密閉隧道皮帶輸送以防乙醇揮發(fā)造成損失；(2)連續(xù)進出料與固態(tài)蒸餾發(fā)酵料經(jīng)料斗和布料器連續(xù)移入多孔旋轉(zhuǎn)圓盤，形成5～100cm的均勻料層，物料在水平圓周運動過程中與自下而上的蒸汽錯流接觸，發(fā)酵料中乙醇轉(zhuǎn)入汽相，糟渣經(jīng)真空抽提區(qū)回收乙醇蒸氣后連續(xù)移出；(3)蒸-精餾耦合工藝分離乙醇在蒸餾裝置上蒸餾分離乙醇，經(jīng)收集管獲得30～40％(w/w)的乙醇蒸氣直接作為原料入精餾塔，獲得95.5％的乙醇
2.一種實現(xiàn)基于甜高粱稈固體發(fā)酵料分離乙醇方法的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)含有粉碎機(1)，輸送皮帶(2)，種子罐(3)，轉(zhuǎn)鼓式固態(tài)發(fā)酵罐系統(tǒng)(4)，密閉隧道(5)，輸送皮帶(6)，進料倉(7)，布料器(8)，密閉環(huán)槽(9)，環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)，環(huán)形蒸汽分布器(11)，錐形乙醇蒸氣收集裝置(12)，真空抽吸系統(tǒng)(13)，出料口(14)，乙醇蒸氣回收區(qū)(15)，減速電機(16)，控制元件(17)，精餾塔系統(tǒng)(18)，蒸汽鍋爐(19)，冷凝冷卻器(20)，乙醇接收罐(21)；所述輸送皮帶(6)用于將發(fā)酵料運送至蒸餾系統(tǒng)，它置于密閉隧道(5)中，一端與固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)(4)相連，另一端與進料倉(7)相連；所述布料器(8)一端與進料倉(7)下部相連，另一端與密閉環(huán)槽(9)相連；所述環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)和環(huán)形蒸汽分布器(11)置于密閉環(huán)槽(9)中，環(huán)槽下部為環(huán)形蒸汽分布器(11)，中上部為環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)，環(huán)槽上部與錐形乙醇蒸氣收集裝置(12)相連；所述控制元件(17)監(jiān)控減速電機(16)，調(diào)整環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)的轉(zhuǎn)數(shù)；所述環(huán)形蒸汽分布器(11)均勻布置了排汽孔，使蒸汽均勻進入密閉環(huán)槽(9)；所述出料口(14)位于密閉環(huán)槽(9)末端，緊鄰進料倉(7)，出料口(14)與乙醇蒸氣回收區(qū)(15)相連，真空抽吸系統(tǒng)(13)一端與乙醇蒸氣回收區(qū)(15)上部相連，另一端與錐形乙醇蒸氣收集裝置(12)相連；所述蒸汽鍋爐(19)為固態(tài)蒸餾系統(tǒng)，它由部件7-17組成，并精餾塔系統(tǒng)(18)提供高壓蒸汽；所述精餾塔系統(tǒng)(18)塔頂?shù)囊掖颊魵饨?jīng)冷凝冷卻器(20)冷卻，被乙醇接收罐(21)收集。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形多孔旋轉(zhuǎn)圓盤(10)的孔徑為2～5mm，且均勻排布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵料分離乙醇的方法及系統(tǒng)，屬于固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇技術(shù)領(lǐng)域。所述方法含有粉碎后的高粱莖稈經(jīng)固態(tài)發(fā)酵后形成發(fā)酵料，通過密閉隧道皮帶輸送到蒸餾系統(tǒng)；發(fā)酵料連續(xù)進入環(huán)形旋轉(zhuǎn)圓盤并與自下而上，來自高效氣體分布器的蒸汽錯流接觸而使乙醇由固相轉(zhuǎn)入汽相，糟渣連續(xù)移出；蒸－精餾耦合工藝分離乙醇，直接獲得95.5％(w/w)的工業(yè)乙醇。本發(fā)明利用蒸－精餾耦合連續(xù)分離技術(shù)，可充分提取甜高粱稈發(fā)酵料中乙醇，提高乙醇實際收率；采用密閉隧道皮帶輸送，顯著降低了發(fā)酵料輸送過程中乙醇揮發(fā)；采用環(huán)形旋轉(zhuǎn)圓盤進行固態(tài)蒸餾，發(fā)酵料呈水平環(huán)狀移動，蒸汽自下而上錯流穿透料層，改善傳質(zhì)和實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。
文檔編號C12M1/00GK101085995SQ20071010032
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者李十中, 李天成 申請人:清華大學(xué) 被以下專利引用 (7),