用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能装置的制作方法

本实用新型涉及酒精生产工艺技术领域，尤其涉及用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能装置。

背景技术：

近年来，国家大力推广燃料乙醇，2017年国家发改委等15部委联合印发的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》中提出“到2020年实现乙醇汽油全国基本覆盖”目标。2018年8月22日的国务院召开常务会议，当时的国常会决定“有序扩大车用乙醇汽油推广使用，并在全国26个省市推广”。目前，我国燃料乙醇生产能力不足300万吨，而目前国内汽油用量约为1.3亿吨，按照10％的添加比例计算，若要在2020年实现全国基本覆盖，燃料乙醇的需求量1300万吨，缺口达1000万吨，市场潜力巨大。

目前，国内外的酒精脱水技术主要有四种方法：

(1)采用苯或环己烷共沸蒸馏的方法脱水，该方法能耗比较高，而且产品中容易有苯或环己烷残留，已逐步淘汰。

(2)采用乙二醇加盐萃取脱水，该方法无残留，产品质量较好，但能耗仍比较高。

(3)采用分子筛吸附法脱水，该方法无残留，产品浓度高，能耗相对较低。

(4)采用渗透汽化膜分离技术，该方法无残留，能耗较低。

在能源日益紧缺的当下，对能耗的要求越来越高，需要能耗更低的酒精脱水技术。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能装置。采用三效热耦合脱水工艺，利用前一效的无水酒精蒸汽作为后一效的原料酒精蒸发器的热源，实现了热量的重复利用。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

本实用新型的第一方面提供一种用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能装置，所述装置包括原料预热器；所述原料预热器通过第一酒精进料管连接第一酒精蒸发脱水系统，所述原料预热器通过第二酒精进料管连接第二酒精蒸发脱水系统，所述原料预热器通过第三酒精进料管连接第三酒精蒸发脱水系统；再沸器通过第一再沸器管与第一酒精蒸发脱水系统连接，所述第一酒精蒸发脱水系统通过第一无水酒精蒸汽管与第二酒精蒸发脱水系统连接；所述第二酒精蒸发脱水系统通过第二无水酒精蒸汽管与第三酒精蒸发脱水系统连接；所述第二酒精蒸发脱水系统通过第一酒精出料管依次连接第一酒精蒸发脱水系统和成品冷却器，所述第三酒精蒸发脱水系统通过第二酒精出料管依次连接第二酒精蒸发脱水系统连接和成品冷却器，所述第三酒精蒸发脱水系统通过第三无水酒精蒸汽管连接成品冷却器；

所述第一酒精蒸发脱水系统包括一效蒸发回收塔和一效膜组件；所述一效蒸发回收塔的上部通过第一酒精进料管依次与一效进料二级预热器、一效进料一级预热器和原料预热器连接，所述一效蒸发回收塔的顶部与一效膜组件连接；所述一效蒸发回收塔的底部与淡酒精二级预热器连接；

所述第二酒精蒸发脱水系统包括二效蒸发器和二效膜组件；所述二效蒸发器的中部通过第二酒精进料管依次与二效进料二级预热器、二效进料一级预热器和原料预热器连接，所述二效蒸发器的顶部与二效膜组件连接；

所述第三酒精蒸发脱水系统包括三效蒸发器和三效膜组件；所三效述蒸发器的中部通过第三酒精进料管依次与三效进料预热器和原料预热器连接，所述三效蒸发器的顶部与三效膜组件连接。

优选的，所述一效蒸发回收塔顶部和一效膜组件通过一效过热器连接；所述二效蒸发器顶部和二效膜组件通过二效过热器连接；所述三效蒸发器顶部和三效膜组件通过三效过热器连接。

优选的，所述一效膜组件通过第一无水酒精蒸汽管与二效蒸发器上部连接；所述二效膜组件通过第二无水酒精蒸汽管与三效蒸发器上部连接；所述三效膜组件通过第三无水酒精管依次连接原料预热器、三效冷凝器和成品冷却器。

优选的，所述二效蒸发器下部通过第一酒精出料管依次连接一效进料一级预热器、淡酒精一级预热器和成品冷却器；所述三效蒸发器下部通过第二酒精出料管依次连接二效进料一级预热器和成品冷却器。

优选的，所述一效膜组件通过管道依次连接一效解析冷凝器、淡酒精一级预热器、淡酒精二级预热器，再与一效蒸发回收塔的中部连接；所述二效膜组件通过二效解析冷凝器与淡酒精一级预热器连接；所述三效膜组件通过三效解析冷凝器与淡酒精一级预热器连接。

优选的，所述再沸器与一效蒸发回收塔分别通过第一再沸器管和回水管连接，所述再沸器通过第二再沸器管道依次连接一效进料二级预热器、二效进料二级预热器和三效进料预热器。

本实用新型的第二方面提供制备无水酒精的节能方法，包括以下步骤：

(1)蒸汽进入再沸器，在0.6mpa的压力下将一效蒸发回收塔回流出的水加热至160℃，再进入一效蒸发回收塔成为153℃的热水，为一效蒸发回收塔提供热量对原料酒精进行蒸发；再沸器壳程中的凝结水进入一效进料二级预热器，为一效进料二级预热器提供热量使温度达到125℃，加热一效二级预热器后的热水再进入二效进料二级预热器，为二效进料二级预热器提供热量使温度达到113℃，加热二效进料二级预热器后的热水再进入三效进料预热器，为三效进料预热器提供热量使温度达到100℃；

(2)原料酒精进入原料预热器被预热至80℃，然后分成三部分：第一原料酒精、第二原料酒精和第三原料酒精；

(3)第一原料酒精进入一效进料一级预热器被加热至115℃，再进入一效进料二级预热器被加热至125℃，最后进入一效蒸发回收塔进行蒸发得到125℃的酒精蒸汽，125℃的酒精蒸汽通过一效过热器变为过热酒精蒸汽，过热酒精蒸汽进入一效膜组件进行脱水得到第一无水酒精蒸汽，第一无水酒精蒸汽进入二效蒸发器，为二效蒸发器提供热量，使二效蒸发器的温度维持在118℃，然后进入一效进料一级预热器，维持一效进料一级预热器的温度，再进入淡酒精一级预热器，为淡酒精一级预热器提供热量，最后进入成品冷却器冷却，得到无水酒精；

第二原料酒精进入二效进料一级预热器被加热至108℃，再进入二效进料二级预热器被加热至113℃，最后进入二效蒸发器进行蒸发得到118℃的酒精蒸汽，118℃的酒精蒸汽通过二效过热器变为过热酒精蒸汽进入二效膜组件进行脱水得到第二无水酒精蒸汽，第二无水酒精蒸汽进入三效蒸发器，为三效蒸发器提供热量，使三效蒸发器的温度维持在112℃，再进入二效进料一级预热器，维持二效进料一级预热器的温度，最后进入成品冷却器冷却，得到无水酒精；

第三原料酒精进入三效进料预热器被加热至100℃，然后进入三效蒸发器进行蒸发得到112℃的酒精蒸汽，112℃的酒精蒸汽通过三效过热器变为过热酒精蒸汽进入三效膜组件进行脱水得到第三无水酒精蒸汽，第三无水酒精蒸汽进入原料预热器，为原料预热器提供热量，再经三效冷凝器冷凝后进入成品冷却器冷却，得到无水酒精；

(4)一效膜组件对酒精蒸汽脱水后还分离出含少量无水酒精的水蒸汽，进入一效解析冷凝器变为淡酒精，淡酒精进入淡酒精一级预热器和淡酒精二级预热器后被逐渐加热，最后进入一效蒸发回收塔中部，将淡酒精分离出无水酒精和水，无水酒精进行蒸发回收，水进入一效蒸发回收塔底部通过回水管进入再沸器进行加热至160℃循环利用；

二效膜组件分离出的含少量无水酒精的水蒸汽，进入二效解析冷凝器变为淡酒精，淡酒精进入淡酒精一级预热器和淡酒精二级预热器后被逐渐加热，最后进入一效蒸发回收塔中部，将淡酒精分离出无水酒精和水，无水酒精进行蒸发回收，水进入一效蒸发回收塔底部通过回水管进入再沸器进行加热至160℃循环利用；

三效膜组件分离出的含少量无水酒精的水蒸汽，进入三效解析冷凝器变为淡酒精，淡酒精进入淡酒精一级预热器和淡酒精二级预热器后被逐渐加热，最后进入一效蒸发回收塔中部，将淡酒精分离出无水酒精和水，无水酒精进行蒸发回收，水进入一效蒸发回收塔底部通过回水管进入再沸器进行加热至160℃循环利用。

优选的，步骤(1)中，所述原料酒精的浓度为95％(v/v)；所述第一原料酒精占原料酒精的质量分数为42％，所述第二原料酒精占原料酒精的质量分数为33％，所述第三原料酒精占原料酒精的质量分数为25％。

优选的，步骤(2)中，所述一效膜组件、二效膜组件和三效膜组件均为多个串联的管壳式膜结构，每个管壳式膜结构均包括外壳以及位于外壳内部的内管，所述内管包括陶瓷管以及覆在陶瓷管外表面的分子筛膜。

优选的，所述再沸器、二效蒸发器和三效蒸发器均为管壳式结构，包括壳体以及位于壳体内部的内管；所述原料预热器、一效进料一级预热器、一效进料二级预热器、二效进料一级预热器、二效进料二级预热器、三效进料预热器、淡酒精一级预热器、淡酒精二级预热器均为螺旋板式换热器。

再沸器管程内通一效蒸发回收塔内流出的水，壳程内通蒸汽，蒸汽加热管程内的水同时蒸汽变为凝结水。

二效蒸发器的壳程内通第一无水酒精蒸汽，管程内通原料酒精，原料酒精通过第一无水酒精的热量变为酒精蒸汽；

三效蒸发器壳程内通第二无水酒精蒸汽，管程内通原料酒精，原料酒精通过第二无水酒精的热量变为酒精蒸汽；

原料预热器、一效进料一级预热器、一效进料二级预热器、二效进料一级预热器、二效进料二级预热器、三效进料预热器、淡酒精一级预热器、淡酒精二级预热器均为螺旋板式换热器。由于各预热器与管道内均在饱和压力以上工作，在压力作用下，虽然原料酒精和水(再沸器加热的水)的温度均高于100℃，但仍以液体的形式存在。

原料预热器内为原料酒精与第三无水酒精蒸汽换热(预热至80℃)；

一效进料一级预热器内为原料酒精与第一无水酒精蒸汽冷凝后的冷凝液换热(预热至115℃)；

一效进料二级预热器内为原料酒精与再沸器中流出的凝结水换热(预热至125℃)；

二效进料一级预热器内为原料酒精与第二无水酒精蒸汽冷凝后的冷凝液换热(预热至108℃)；

二效进料二级预热器内为原料酒精与再沸器中流出的凝结水换热(预热至113℃)；

三效进料预热器内为原料酒精与再沸器中流出的凝结水换热(预热至100℃)；

淡酒精一级预热器内为淡酒精与第一无水酒精蒸汽冷凝后的冷凝液换热；

淡酒精二级预热器内为淡酒精与一效蒸发回收塔底排出的废水换热(预热至153℃)。

本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型的方法与单效渗透汽化膜分离技术相比，采用三效热耦合脱水工艺，利用前一效的无水酒精蒸汽作为后一效的原料酒精蒸发器的热源，实现了热量的重复利用，吨无水酒精耗汽不超过0.2吨，与单效渗透汽化膜分离脱水工艺相比，节能55％以上。

2.本实用新型的方法与单效渗透汽化膜分离技术相比，脱水产生的淡酒精不会被废弃或者另外再进行回收纯化，可以在不额外耗能的情况下，完成淡酒精的提纯。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能工艺流程图。

图中：1.原料预热器，2.一效蒸发回收塔，3.二效蒸发器，4.三效蒸发器，5.成品冷却器，6.再沸器，7.一效进料一级预热器，8.二效进料一级预热器，9.一效进料二级预热器，10.二效进料二级预热器，11.三效进料预热器，12.淡酒精一级预热器，13.淡酒精二级预热器，14.一效过热器，15.一效膜组件，16.一效解析冷凝器，17.二效过热器，18.二效膜组件，19.二效解析冷凝器，20.三效过热器，21.三效膜组件，22.三效解析冷凝器，23.三效冷凝器，24.第一再沸器管，25.回水管，26.第二再沸器管道，27.第一无水酒精蒸汽管，28.第二无水酒精蒸汽管，29.第三无水酒精蒸汽管，30.第一酒精进料管，31.第二酒精进料管，32.第三酒精进料管，33.第一酒精出料管，34.第二酒精出料管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为一般表述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

正如背景技术所述，目前酒精脱水采用渗透汽化膜分离技术能耗最低，渗透汽化膜分离技术是先将原料酒精送入蒸馏塔进行蒸馏，再送入一效膜组件进行纯化得到无水酒精蒸汽，冷却后得到无水酒精。但这一过程中，很多热量只利用一次，且纯化得到的淡酒精一般废弃或者额外在进行回收，不仅热量浪费，再回收淡酒精还要额外耗能。

基于此，本实用新型提供用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能装置，将原料酒精进行蒸馏产生的热量多次利用，还能不消耗多余能量就将淡酒精进行分离回收纯化。

本实用新型的用于制取无水酒精的三效膜分离脱水节能装置，包括原料预热器1，再沸器6，成品冷却器5，第一酒精蒸发脱水系统，第二酒精蒸发脱水系统和第三酒精蒸发脱水系统；所述原料预热器1通过第一酒精进料管30连接第一酒精蒸发脱水系统，所述原料预热器1通过第二酒精进料管31连接第二酒精蒸发脱水系统，所述原料预热器1通过第三酒精进料管32连接第三酒精蒸发脱水系统；所述再沸器6通过第一再沸器管24与第一酒精蒸发脱水系统连接，所述第一酒精蒸发脱水系统通过第一无水酒精蒸汽管27与第二酒精蒸发脱水系统连接；所述第二酒精蒸发脱水系统通过第二无水酒精蒸汽管28与第三酒精蒸发脱水系统连接；所述第二酒精蒸发脱水系统通过第一酒精出料管33依次连接第一酒精蒸发脱水系统和成品冷却器5，所述第三酒精蒸发脱水系统通过第二酒精出料管34依次连接第二酒精蒸发脱水系统连接和成品冷却器5，所述第三酒精蒸发脱水系统通过第三无水酒精蒸汽管29连接成品冷却器5；

所述第一酒精蒸发脱水系统包括一效蒸发回收塔2和一效膜组件15；所述一效蒸发回收塔2的上部通过第一酒精进料管30依次与一效进料二级预热器9、一效进料一级预热器7和原料预热器1连接，所述一效蒸发回收塔2的顶部与一效膜组件15连接；所述一效蒸发回收塔2的底部与淡酒精二级预热器13连接；

所述第二酒精蒸发脱水系统包括二效蒸发器3和二效膜组件18；所述二效蒸发器3的中部通过第二酒精进料管31依次与二效进料二级预热器10、二效进料一级预热器8和原料预热器1连接，所述二效蒸发器3的顶部与二效膜组件18连接；

所述第三酒精蒸发脱水系统包括三效蒸发器4和三效膜组件21；所三效述蒸发器4的中部通过第三酒精进料管32依次与三效进料预热器11和原料预热器1连接，所述三效蒸发器4的顶部与三效膜组件21连接。

进一步，所述一效蒸发回收塔2顶部和一效膜组件15通过一效过热器14连接；所述二效蒸发器3顶部和二效膜组件18通过二效过热器17连接；所述三效蒸发器4顶部和三效膜组件21通过三效过热器20连接。

进一步，所述一效膜组件15通过第一无水酒精蒸汽管27与二效蒸发器3上部连接；所述二效膜组件18通过第二无水酒精蒸汽管28与三效蒸发器4上部连接；所述三效膜组件21通过第三无水酒精蒸汽管29依次连接原料预热器1、三效冷凝器23和成品冷却器5。

进一步，所述二效蒸发器3下部通过第一酒精出料管33依次连接一效进料一级预热器7、淡酒精一级预热器12和成品冷却器5；所述三效蒸发器4下部通过第二酒精出料管34依次连接二效进料一级预热器8和成品冷却器5。

进一步，所述一效膜组件15通过管道依次连接一效解析冷凝器16、淡酒精一级预热器12、淡酒精二级预热器13，再与一效蒸发回收塔2的中部连接；所述二效膜组件18通过二效解析冷凝器19与淡酒精一级预热器12连接；所述三效膜组件21通过三效解析冷凝器22与淡酒精一级预热器12连接。

进一步，所述再沸器6与一效蒸发回收塔2分别通过第一再沸器管24和回水管25连接，所述再沸器6通过第二再沸器管道26依次连接一效进料二级预热器9、二效进料二级预热器10和三效进料预热器11。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或者按照试剂公司所推荐的条件；下述实施例中所用的试剂、耗材等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。

实施例

95％(v/v)的原料酒精通过原料预热器1进行预热后分成三部分：

(1)占质量分数42％的原料酒精通过第一酒精进料管30先进入一效进料一级预热器7被预热至115℃，再进入一效进料二级预热器9被加热至125℃，最后进入一效蒸发回收塔2上部进行蒸馏。一效蒸发回收塔2塔底的水通过回水管25进入再沸器6，蒸汽进入再沸器6将水加热至160℃，蒸汽压力为0.6mpa，加热后的热水通过第一再沸器管24进入一效蒸发回收塔2，使一效蒸发回收塔2塔底的温度为153℃，为原料酒精的蒸馏提供热量，使原料酒精变为酒精蒸汽。再沸器6壳程中的凝结水通过第二再沸器管道26道依次进入一效进料二级预热器9、二效进料二级预热器10和三效进料预热器11提供热量，提供热量后的热水回到锅炉房，变成蒸汽继续为再沸器6加热。酒精蒸汽进入一效过热器14进一步加热，再进入一效膜组件15进行脱水纯化，酒精蒸汽进入一效膜组件15的壳程内，在0.5mpa的压力下，通过道尔顿分压定律，酒精蒸汽中的水蒸汽渗入带有分子筛膜的内管，同时，有少量酒精蒸汽由水蒸汽带着渗入内管，内管中的液体成为淡酒精蒸汽。淡酒精蒸汽通过一效解析冷凝器16冷却成为淡酒精，淡酒精依次进入淡酒精一级预热器12和淡酒精二级预热器13预热，最后进入一效蒸发回收塔2中部，淡酒精被加热，分离出的酒精蒸汽向塔顶运动与塔上部的原料酒精蒸汽汇合继续下一步脱水纯化。淡酒精中分离出的水向一效蒸发回收塔2底部运动，通过回水管25进入再沸器6加热，再通过第一再沸器管24回到塔底继续提供热量。塔底的废水通过淡酒精二级预热器13后被排出并为淡酒精二级预热器13提供热量。一效膜组件15纯化后得到第一无水酒精蒸汽，进入二效蒸发器3上部向下运动为二效蒸发器3提供蒸馏热量使二效蒸发器3的温度维持在118℃，然后从二效蒸发器3下部流出通过第一酒精出料管33进入一效进料一级预热器7为其提供热量，使一效进料一级预热器7的温度维持在115℃；再进入淡酒精一级预热器12，为其提供热量，最后进入成品冷却器5，冷却后成为成品无水乙醇。

(2)占质量分数33％的原料酒精通过第二酒精进料管31进入二效进料一级预热器8被预热至108℃，再进入二效进料二级预热器10，最后进入二效蒸发器3蒸馏成酒精蒸汽，酒精蒸汽进入二效过热器17进一步加热，再进入二效膜组件18进行脱水纯化，酒精蒸汽进入二效膜组件18的壳程内，在0.5mpa的压力下，通过道尔顿分压定律，酒精蒸汽中的水蒸汽渗入带有分子筛膜的内管，同时，有少量酒精蒸汽由水蒸汽带着渗入内管，内管中的液体成为淡酒精蒸汽。淡酒精蒸汽通过二效解析冷凝器19冷却成为淡酒精，淡酒精依次进入淡酒精一级预热器12和淡酒精二级预热器13预热，最后进入一效蒸发回收塔2中部，淡酒精被加热，分离出的酒精蒸汽向塔顶运动与塔上部的原料酒精蒸汽汇合继续下一步脱水纯化。淡酒精中分离出的水向一效蒸发回收塔2底部运动，通过回水管25进入再沸器6加热，再通过第一再沸器管24回到塔底继续提供热量。塔底的废水通过淡酒精二级预热器13后被排出。二效膜组件18纯化后得到第二无水酒精蒸汽，进入三效蒸发器4上部向下运动为三效蒸发器4提供蒸馏热量使三效蒸发器4的温度维持在112℃，然后从三效蒸发器4下部通过第二酒精出料管34进入二效进料一级预热器8为其提供热量，使二效进料一级预热器8的温度维持在108℃；最后进入成品冷却器5，冷却后成为成品无水乙醇。

(3)占质量分数25％的原料酒精通过第三酒精进料管32进入三效进料预热器11被预热至100℃，再进入三效蒸发器4蒸馏成酒精蒸汽，酒精蒸汽进入三效过热器20进一步加热，再进入三效膜组件21进行脱水纯化，酒精蒸汽进入三效膜组件21的壳程内，在0.5mpa的压力下，通过道尔顿分压定律，酒精蒸汽中的水蒸汽渗入带有分子筛膜的内管，同时，有少量酒精蒸汽由水蒸汽带着渗入内管，内管中的液体成为淡酒精蒸汽。淡酒精蒸汽通过三效解析冷凝器22冷却成为淡酒精，淡酒精依次进入淡酒精一级预热器12和淡酒精二级预热器13预热，最后进入一效蒸发回收塔2中部，淡酒精被加热，分离出的酒精蒸汽向塔顶运动与塔上部的原料酒精蒸汽汇合继续下一步脱水纯化。淡酒精中分离出的水向一效蒸发回收塔2底部运动，通过回水管25进入再沸器6加热，再通过第一再沸器管24回到塔底继续提供热量。塔底的废水通过淡酒精二级预热器13后被排出。三效膜组件21纯化后得到第三无水酒精蒸汽，通过第三无水酒精蒸汽管道29进入原料预热器1使原料预热器1的温度维持在80℃，再通过三效冷凝器23冷凝最后进入成品冷却器5，冷却后成为成品无水乙醇。

表1为背景技术提到的四种脱水技术的蒸汽能耗量和实施例的蒸汽能耗量。

表1生产每吨无水酒精的蒸汽能耗量

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。