专利名称：一种超声雾化浓缩乙醇的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种利用超声雾化浓缩乙醇的装置和方法，特别涉及一种高效回收超声雾化产生的雾状物的方法。
背景技术：
生物质泛指所有的以植物为来源的含碳有机物质，植物接受太阳提供的光和热，通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为含碳有机物物质，同时将部分能量贮存下来。生物质以其可再生、产量巨大、可储存、碳循环等优点而引人注目，并且在多种清洁后续能源中，唯一可转化为液体燃料，与化石燃料具有很大的兼容性。因此，以高技术开发和利用生物质制备液体燃料，日益引起世界各国的重视。生物质可大体分为糖质原料、淀粉质原料和纤维素原料。糖质原料、淀粉质原料制取燃料酒精的技术已很 成熟，在巴西、美国等国家已经大量应用。但从总体看，依靠糖蜜、粮食淀粉原料解决用量很大的燃料问题显然是不现实的，特别是对于人口压力较大的国家和地区更是如此。纤维素发酵制备乙醇的主要过程包括预处理、水解、发酵、提浓等步骤，具有生产流程长、能耗高、废水多等不足，影响工业应用的经济性。美国《工业酶学》认为:“如果乙醇工业要生存，就必须利用木质纤维素生产”。利用葡萄糖直接发酵制备乙醇是粮食发酵工业一个比较成熟的工艺，而在纤维素发酵制备乙醇过程中，套用该工艺使纤维素发酵乙醇至今未能走出技术经济关。目前纤维乙醇工艺中的乙醇提浓都是采用的传统的蒸馏法，所用能耗占整个工艺的一半以上。因此，研究新的低能耗的稀乙醇提浓方法具有非常重要的意义。超声提浓是本领域出现的新颖的乙醇浓缩方法。乙醇具有表面浓度过高的物性，超声浓缩正是利用了乙醇的这一性质。超声提浓装置通常由超声波振荡器、鼓风机、冷凝回收装置几部分构成。由于输送给振荡器的能量比待浓缩乙醇溶液的潜热小得多，超声浓缩方法可比蒸馏浓缩方法节约更多的能量，且该方法特别适用于稀乙醇溶液的提浓。超声雾化产生的雾滴十分微小，采用一般的冷凝方法或捕集法，很难将其凝集后收集。JP2005066554提出了几种凝集雾状物的方法，其中包括:加大回收单元的体积、冷却凝集、回收单元密闭、喷淋吸收、向雾状物强制吹风搅拌、设置挡板、设置雾状物振动器，这些方法可以配合使用，提高对雾状物的凝集效率。该回收系统设备复杂，其中单独设置雾状物振动器的装置并不能十分高效地工作，尤其在雾状物处理量很大的情况下只依靠雾状物振动器是不能完全满足需要的。而如果串联其它回收装置则会加大成本。在乙醇超声提浓装置中，鼓风设备的作用一般是提供给气体(通常为空气)循环动力，尤其是使超声产生的雾状物随气流到达捕集器中。例如 JP2005066526、JP2005066553、JP2005066554、CN200810011464.7中都有带鼓风设备的超声工艺的实例。采用鼓风设备的超声提浓装置中，鼓风设备的动力效率较低，能耗相对较高；同时需要补充适量气体；对载气压力和速率也有潜在的要求，例如对于常见的盘管式冷凝捕集装置，盘绕的冷凝管给气体的流动造成了相当的阻力，要使夹带着雾状物的气体顺利通过，鼓风设备必须提供给气体高于特定值的压力，然而气压过大气流速度过大会使雾状物在捕集设备中的停留时间大大缩短，不利于其被顺利捕集、凝聚，未被捕集的雾状物又随着气流在整个环路中不断循环直至在某次循环中被凝集，这个过程中又消耗了不少的传送能量，因此需进一步提高以鼓风为动力的超声提浓装置的经济性。采用这些方法的回收系统设备复杂，且大部分使用了鼓风设备输送动力，有的还使用了制冷设备，经济性存一些问题。首先，封闭循环系统内的鼓风设备对载气压力和速率要求很高，鼓风机的实际动力效率偏低；其次，扇叶与输送管道的接合精密度要求较高，对载气压力和速率也有严格的要求；使用制冷设备能耗偏高。_
发明内容
本发明提供了一种超声雾化浓缩乙醇的装置及浓缩乙醇的方法，本发明具有超声雾化后的雾状物回收效率高，装置简单等优点。本发明超声雾化浓缩乙醇的装置，包括设有超声雾化器的超声雾化罐、凝集器和收集器，其中凝集器由筒体、雾状物振动器和在筒体内往复运动的活塞构成，活塞将筒体分隔为左右两个压缩缸，两个压缩缸内的活塞止点位置之前上方设置雾状物振动器，两个压缩缸内活塞止点位置之前的下方设置物料出口，两个压缩缸外端分别设有物料入口。凝集器的物料入口设置物料流入单向阀，凝集器的物料出口设置物料流出单向阀，凝集器的物料入口与超声雾化罐的雾状物导出口相通，凝集器的物料出口与收集器入口相通，其中一个压缩缸进气的同时另一个压缩缸进行压缩并排放至收集器，两个压缩缸交替进行吸气一压缩一排气工作。本发明装置中，超声雾化器及超声雾化罐可采用本领域常规的装置。超声雾化器中设有振荡器，用于使待浓缩的乙醇溶液超声雾化。超声雾化罐设有待浓缩的乙醇溶液的入口，还设有稀乙醇溶液的排放口，以及雾状物导出口，具体位置是可以按需要具体确定，一般待浓缩的乙醇溶液的入口设置在超声雾化罐的中上部，稀乙醇溶液的排放口设置在超声雾化罐的下部，雾状物导出口设置在超声雾化罐的上部或顶部。本发明装置中，两个压缩缸内的活塞止点位置之前上方设置有雾状物振动器，雾状物振动器在所在压缩缸进行压缩时工作，在所在压缩缸进行吸气时停止工作。雾状物振动器是由电振动一机械振动变换器和电源组成的。电振动一机械振动变换器是:放射可听频率声音的扬声器、放射出频率高于可听频率超声波的超声波振子等。通过一定频率的电振动一机械振动变换可使雾状物产生共振，进一步提高碰撞几率。具体振动频率范围为
0.02MHz 1MHz。每一压缩缸内电振动一机械振动变换器可以是一个或者几个。雾状物振动器可以使用市售商品。本发明装置中，物料入口设置物料流入单向阀以及物料出口设置物料流出单向阀为机械式单向阀，由活塞往复运动时的压力变化自动控制单向阀的开启和关闭。上述单向阀也可以是所有可实现自动控制的单向阀，由活塞往复运动时的压力变化、活塞位置、温度变化等条件自动控制单向阀的开启和关闭。本发明装置中，凝集器的筒体可以是各种适宜形状，如圆柱筒或棱柱筒，优选前者，活塞的形状与筒体的截面形状对应。凝集器可以设置一个，也可以并列设置几个。本发明装置中 ，收集器为常规结构的容器，收集器最好上部装有填料，进一步捕集回收雾状物。填料可以采用本领域常规的填料，填料的高度一般情况下不应少于300_。收集器内也可以设置喷淋装置，以增加雾状物的回收效果。本发明浓缩乙醇的方法，采用单级浓缩或多级浓缩，其中至少一级浓缩采用本发明上述超声雾化浓缩装置。乙醇溶液的原料为任意发酵过程得到的含乙醇溶液，或其它工业方法得到的含乙醇溶液。超声波振荡器的频率为I 10MHz。雾状物振动器在使用时连续工作，或者在所在压缩缸进行压缩时工作，在所在压缩缸进行吸气时停止工作。雾化物振动器具体可以有如下几种工作方式:a、在压缩缸开始进行压缩的一瞬间开始工作；b、在压缩缸开始压缩后、停止压缩前的任何时间开始工作；c、在压缩缸开始压缩后至停止压缩，雾状物振动器功率从O增加至额定功率；d、在压缩缸开始进行压缩后陆续开始工作(多个雾状物振动器)，在压缩至止点时全部投入工作等等。这主要取决于处理量的大小以及止点的位置。雾状物振动器的作用是提高雾状物振动相互碰撞的几率。与现有技术相比，本发明取消了通常乙醇超声提浓工艺中作为转移雾状物动力来源的送风设备，采用活塞运动使一侧筒体内产生负压，将雾状物吸入，同时使另一侧筒体内产生正压，在雾化物振动器的协同作用下，迅速将雾状物压缩凝集成乙醇溶液，并排入收集罐。收集罐上部连有填料塔，填料塔可将未凝结的少量雾状物吸收，吸收液再经塔壁流下，回滴到收集罐中。相对于鼓风循环中途捕集的装置，采用本发明的活塞加压耦合雾化物振动器捕集装置雾状物凝集效果好，回收效率极高，同时避免了重复循环输送雾状物的动力消耗，节约能量。在本发明中，双缸活塞式结构不仅起到了压缩凝集处理雾状物的作用，同时它也提供了连续的传送动力，该动力包括将雾状物吸入凝集器以及将凝集液压出凝集器进而压入收集罐的动力。而其 他装置，处理动力往往和传送动力分立，仍以鼓风冷凝超声提浓装置为例，其传送动力由鼓风设备提供，其处理动力却是冷却介质提供给雾状物的温差，这就引入了冷却介质的花费以及为冷却介质降温的冷却设备成本和冷却操作成本。相比于单独使用雾化物振动器的装置，活塞加压耦合雾化物振动器使得待处理雾化物在不断被压缩凝集的同时受雾化物振动器的影响产生共振，雾化物振动器需要工作更少的时间去处理更高浓度的雾化物，使雾滴碰撞凝集变得更容易，进而能更高效地凝集雾化物。因此，本发明装置结构比较简单，雾化物回收效率更高，经济性更好。
图1为本发明的装置示意图。1、待浓缩乙醇溶液的进口 ；2、超声雾化罐；3、振荡器；4、稀乙醇溶液的排放口 ；5、雾状物导出口 ；6、雾化罐进气口 ；7、左侧压缩缸雾状物导入口 ；9、右侧压缩缸雾状物导入口 ；8、左侧压缩缸吸气单向阀；10、右侧压缩缸吸气单向阀；I la、左侧压缩缸；I lb、右侧压缩缸；12、活塞；13、左侧压缩缸排气单向阀；14、左侧压缩缸浓缩乙醇溶液导出口 ；15、右侧压缩缸排气单向阀；16、右侧压缩缸浓缩乙醇溶液导出口 ；17a、左侧压缩缸内雾化物振动器；17b、右侧压缩缸内雾化物振动器；18、浓缩乙醇溶液导入口 ；19、收集罐；20、压力表；21、填料塔；22、产品排放口。
具体实施方式
下面结合附图，具体说明一种本发明装置的详细构成和操作方法。如图1所示，本发明装置的凝集器主要包括:左侧压缩缸11a、右侧压缩缸lib、活塞12、左侧压缩缸内雾化物振动器17a、右侧压缩缸内雾化物振动器17b、左侧压缩缸吸气单向阀8、右侧压缩缸吸气单向阀10、左侧压缩缸排气单向阀13、右侧压缩缸排气单向阀15。稳定工作状态下，活塞12从左至右运动时，左侧压缩缸吸气单向阀8打开，左侧压缩缸排气单向阀13关闭，超声雾化罐2内的雾状物进入左侧压缩缸IIa,左侧雾化物振动器不工作；与此同时右侧压缩缸的吸气单向阀10关闭，右侧压缩缸内雾化物振动器17b开始工作，缸内雾状物被压缩至设定压力时，右侧压缩缸排气单向阀15打开，并将凝集的乙醇溶液和绝大部分缸内气体向后排入收集罐19。活塞停止在止点并开始从右至左运动时，右侧压缩缸内雾化物振动器17b停止工作。右侧压缩缸吸气单向阀10打开，右侧压缩缸排气单向阀15关闭，超声雾化罐2内的雾状物进入右侧压缩缸I Ib ;与此同时左侧压缩缸的吸气单向阀8关闭，左侧压缩缸内雾化物振动器17a开始工作，缸内雾状物被压缩至设定压力时，左侧压缩缸排气单向阀13打开，并将凝集的乙醇溶液和绝大部分缸内气体向后排入收集罐19。如此循环连续工作。吸气单向阀和排气单向阀使用弹簧控制的机械式单向阀，单向阀的打开压力值可以根据需要具体确定。本发明的浓缩乙醇的方法，采用上述的超声雾化浓缩乙醇的装置。首先可以利用泵将待浓缩的乙醇溶液通过待浓缩乙醇溶液的进口 I打入超声雾化罐2中，到达一定液位(振荡器必须浸没在溶液中) ，启动振荡器3，开始超声雾化。经一定时间，产生的雾状物在雾化罐上部达到一定浓度，开启雾状物导出口 5处的阀门，这样雾状物导出口就与左侧压缩缸雾状物导入口 7、右侧压缩缸雾状物导入口 9连通。凝集器中的活塞12从左至右运动时，在左侧压缩缸Ila中产生负压，当罐中压力低于左侧压缩缸雾状物导入口 7处的气体的压力时，左侧压缩缸吸气单向阀8打开，超声雾化罐2内的雾状物被吸入到左侧压缩缸11a，左侧压缩缸内雾化物振动器17a不工作；同时右侧压缩缸内雾化物振动器17b开始工作，右侧压缩缸Ilb中气体被压缩，右侧压缩缸吸气单向阀10受到正压作用而关闭，右侧压缩缸排气单向阀15在压力达到设定值之前保持关闭，雾状物中绝大部分的细小乙醇液滴在压缩、共振作用下凝集至压缩缸底部，当右侧压缩缸Ilb中压力达到设定值时，右侧压缩缸排气单向阀15打开，并将凝集的乙醇溶液和绝大部分缸内气体向后排入收集罐19。活塞到达后止点后，从右至左运动，右侧压缩缸内雾化物振动器17b停止工作，右侧压缩缸吸气单向阀10受负压作用打开，右侧压缩缸排气单向阀15关闭，超声雾化罐2内的雾状物进入右侧压缩缸Ilb ;与此同时左侧压缩缸的吸气单向阀8关闭，左侧压缩缸内雾化物振动器17a开始工作，缸内雾状物被压缩凝集，达到设定压力时，左侧压缩缸排气单向阀13打开，并将凝集的乙醇溶液和绝大部分缸内气体向后排入收集罐19。在压力和位差的作用下，浓缩乙醇溶液经导入口 18进入收集罐19中，并在收集罐底部聚集。收集罐上部存有少量未凝集的雾状物，进入填料塔21中，吸附在填料上，到达一定量后从填料塔的内壁或填料上滑下，重新回到收集罐中，并滴落到收集罐的底部。囤积在收集罐中的乙醇到达一定液位后，经收集罐底部的产品排放口 22排出。
权利要求
1.一种超声雾化浓缩乙醇的装置，包括设有超声雾化器的超声雾化罐、凝集器和收集器，其特征在于:其中的凝集器由筒体、雾状物振动器和在筒体内往复运动的活塞构成，活塞将筒体分隔为左右两个压缩缸，两个压缩缸内的活塞止点位置之前上方设置雾状物振动器，两个压缩缸内活塞止点位置之前的下方设置物料出口，两个压缩缸外端分别设有物料入口 ；凝集器的物料入口设置物料流入单向阀，凝集器的物料出口设置物料流出单向阀，凝集器的物料入口与超声雾化罐的雾状物导出口相通，凝集器的物料出口与收集器入口相通，其中一个压缩缸进气的同时另一个压缩缸进行压缩并排放至收集器，两个压缩缸交替进行吸气一压缩一排气工作。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于:超声雾化器中设有振荡器，超声雾化罐设有待浓缩的乙醇溶液的入口，还设有稀乙醇溶液的排放口，以及雾状物导出口。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于:雾状物振动器是由电振动一机械振动变换器和电源组成的，每一压缩缸内电振动一机械振动变换器设置一个或者几个。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于:电振动一机械振动变换器的振动频率范围为 0.02MHz IMHz。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于:凝集器的物料入口设置物料流入单向阀以及物料出口设置物料流出单向阀为机械式单向阀，由活塞往复运动时的压力变化自动控制单向阀的开启和关闭。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于:凝集器的筒体是圆柱筒或棱柱筒，活塞的形状与筒体的截面形状对应。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于:收集器为常规结构的容器，收集器上部装有填料，填料的高度不应少于300mm。
8.按照权利要求7所述 的装置，其特征在于:收集器内设置喷淋装置。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于:超声波振荡器的频率为I 10MHz，雾状物振动器在使用时连续工作，或者在所在压缩缸进行压缩时工作，在所在压缩缸进行吸气时停止工作。
10.一种浓缩乙醇的方法，采用单级浓缩或多级浓缩，其中至少一级浓缩采用权利要求1至9所述的超声雾化浓缩乙醇装置。
全文摘要
本发明涉及一种超声雾化浓缩乙醇的装置和方法。本发明装置包括设有超声雾化器的超声雾化罐、雾状物凝集器和收集器，其中雾状物凝集器由筒体、雾状物振动器和在筒体内往复运动的活塞构成，活塞将筒体分隔为左右两个压缩缸，两缸交替进行雾状物的压缩凝集。两个压缩缸内的活塞止点位置之前上下方分别设置雾状物振动器和物料出口，两缸外端上部分别设有物料入口，物料入口设置物料流入单向阀，物料出口设置物料流出单向阀，雾状物凝集器的两个物料入口与超声雾化罐的雾状物导出口相通，凝集器的两个物料出口与收集器入口相通。本发明乙醇浓缩方法采用上述装置。与现有技术相比，本发明具有超声雾化后的雾状物回收效率高，装置简单等优点。
文档编号C07C31/08GK103102249SQ201110352448
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者张宝国, 范丹丹, 乔凯, 陈明, 翟庆铜, 苏杰, 张淑梅 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院