分子筛变温变压吸附技术生产无水乙醇工艺

在工业生产领域，乙醇脱水技术中，分子筛吸附技术占据着举足轻重的地位，其应用范围极为广泛。

 乙醇与水组成的物系存在最低恒沸点这一特性，这使得采用普通的精馏方法所能制得的酒精浓度，最高不会超过 95.57%（m/m）。若要进一步提高酒精浓度，就必须运用特殊的处理方法。当前，工业上生产无水乙醇常用的方法主要包括恒沸精馏、萃取精馏、吸附以及膜分离等。而在众多吸附法乙醇脱水的方式里，分子筛吸附技术凭借着能耗低、脱水能力强以及产品质量稳定等一系列显著优点，在工业生产中得到了较为普遍的应用。

一、脱水原理

分子筛是一种具有立方晶格结构的硅铝酸盐化合物，它拥有均匀的微孔结构，且这些微孔的孔穴直径大小整齐划一。其独特的结构使得那些直径比孔穴小的分子能够被吸附到孔腔内部，同时，它对极性分子和不饱和分子具有优先吸附的能力。正是这种特性，让它可以将极性、饱和程度、分子大小以及沸点不同的分子分离开来，也就是具备 “筛分” 分子的作用，“分子筛” 这一名称也由此而来。

 对于乙醇 - 水物系，水分子和乙醇分子的临界分子直径分别为 2.7Å 和 4.7Å。3A 分子筛的微孔结构，能够允许水分子进入其内部，并且由于分子筛对水具有强极性吸引作用，水分子会被吸附在其内部；而乙醇分子因为直径较大，无法进入 3A 分子筛内部，被阻挡在外面。通过这种方式，实现了水与乙醇的选择性吸附分离。

二、工艺流程

在利用分子筛脱水制备无水乙醇时，依据高浓度酒精来源的不同，可选用液相乙醇汽化进分子筛脱水工艺流程，或者蒸馏塔气相乙醇进分子筛脱水工艺流程。

（一）液相乙醇汽化进分子筛脱水工艺流程

该流程的具体步骤如下：
浓度为 95% vol 的液相乙醇，首先进入预热器进行预热，接着通过蒸汽加热器进入蒸发器。在蒸发器中蒸发产生的乙醇蒸汽，经过蒸汽过热器过热后，进入分子筛 A 塔。当乙醇蒸汽流经分子筛填料层时，由于分子筛的微孔对水分子有着很强的亲和力，水分子会被吸附在微孔内。吸附后的乙醇蒸汽，经过冷凝、冷却处理，就能得到浓度在 99.5% vol 以上的无水乙醇。

 当分子筛 A 塔的吸附接近饱和状态时，系统会自动切换至分子筛 B 塔进行进料吸附，此时分子筛 A 塔便进入脱附过程。将分子筛 B 塔吸附脱水后的一部分气态无水乙醇加热升温，作为分子筛 A 塔再生的载体。在高温、低压的状态下，用乙醇气体反洗分子筛 A 塔，以此脱除分子筛内的水分。再生过程中产生的酒汽经过两级冷凝，冷凝得到的淡酒精会返回蒸馏塔中，而没有冷凝的气体则由真空泵排出，至此，分子筛 A 塔的脱附过程完成。两台分子筛吸附塔交替进行吸附和脱附操作，实现循环使用。

 此工艺能够通过蒸汽加热液相乙醇使其汽化的方式，提高分子筛的吸附压力。根据分子筛的吸附原理和特性，吸附压力的提高，对于吸附剂的吸附量以及吸附剂对乙醇和水的吸附选择性都是有利的。在相同的吸附剂装填量下，吸附压力越高，吸附剂所能吸附的量就越大。所以，该工艺适合在高压吸附的条件下，生产浓度在 99.9% vol 以上的无水乙醇。

 在高压吸附流程中，可以利用吸附后的无水乙醇酒汽来预热液相乙醇。另外，将脱附过程中泄压时段与真空反洗时段冷凝得到的液体酒精分开收集，其中高浓度的酒精返回至精馏塔回流罐，低浓度的酒精返回至粗酒罐，这样做能够降低蒸馏过程中的蒸汽消耗。

（二）蒸馏塔气相乙醇进分子筛脱水工艺流程

来自精馏塔的 95% vol 的乙醇蒸汽，经过蒸汽过热器加热后，直接进入分子筛吸附塔。这种流程能够同时节省含水乙醇 “先冷凝、再蒸发” 所需要的冷、热能耗，既降低了精馏塔的冷凝负荷，又减少了传统工艺中液相进分子筛前需要加热汽化所消耗的蒸汽量。

 由于该工艺与蒸馏塔实现了热耦合，其能耗明显低于液相乙醇汽化进分子筛脱水工艺，目前已成为大型燃料乙醇脱水装置的首选工艺。

三、工艺控制

（一）吸附温度

在低温环境下，分子筛的吸附能力较强；而在高温环境下，其吸附能力会降低。在吸附过程中，将乙醇和水的混合物加热到沸点以上，并且保证有足够的过热度以防止冷凝即可。在脱附过程中，则需要通过加热提高温度，使被吸附的水分子得以解吸。

（二）吸附压力

通常情况下，吸附剂的吸附能力会随着压力的提高而增大。但如果压力过高，会导致能耗上升，同时再生过程中产生的淡酒量也会增加。而且，由于吸附与脱附时的压差较大，容易造成分子筛粉化，缩短其使用寿命。所以，虽然提高吸附压力可以增大吸附量，但从经济性角度考虑并不划算。

（三）进料浓度

如果进料浓度过低，意味着其中含水量较大，这会增加分子筛的吸附负荷。在吸附过程中，会释放出大量的吸附热，导致床层温度上升。一旦分子筛吸附达到饱和状态，就容易出现穿透现象，进而导致成品的水分含量不合格。

（四）脱附过程

再生工艺主要包括变温吸附、变压吸附以及变温变压吸附，其中变温变压吸附的效率更高，也更为经济。其脱附过程包含泄压（分为小泄压和大泄压）、抽真空、反洗、充压（分为小充压和大充压）、均压等步骤。

 这些步骤对分子筛的脱附程度影响很大，如果脱附不彻底，分子筛的吸附能力就会下降。可以通过提高脱附时的真空度以及反洗乙醇蒸汽的温度，来改善脱附效果。同时，要控制好吸附时间，合理设置脱附过程中各个步骤的时间，以优化工艺操作条件。

四、装填问题

（一）分子筛装填量

不同的设计单位或供应商，设计的分子筛装填量存在较大差异，而且通常装填量都是过量的。分子筛装置的吸附能力，不仅与分子筛的装填量有关，还与工况条件以及配套的工艺相关。例如，某公司的生产装置，在特定的进料浓度和吸附压力下，装填 40t 分子筛就能满足生产需求。

（二）分子筛装填技术

吸附器底部装有分布孔板和不锈钢丝网，在丝网上装填不同规格的惰性瓷球，顶部同样有惰性瓷球和分布孔板，并且采用格栅压板进行固定。此外，在成品酒精及再生淡酒采出泵的出口管线中，应安装过滤器。

五、注意事项

（一）装填环境

分子筛不能在阴雨天进行装填，装填人员必须佩戴防尘面具和安全带，同时塔外要安排专人进行监护。

（二）使用禁忌

分子筛忌讳与油和液态水接触，在使用过程中要尽量避免。要防止液态酒精进入吸附床，并且定期将存液排净。

（三）操作规范

吸附床在正常工作时，严禁空气进入。当出现非正常升温情况时，要及时将其切换到脱附程序，冲洗床层。程控阀门的质量要可靠，一旦出现故障需及时处理。在分子筛进酒汽的管线中要安装安全阀。

 如果长时间停车，要用盲板将装置隔绝，并充入氮气进行保护；在进行检修时，要用惰性气体进行降温置换。

 综上所述，分子筛吸附技术在工业乙醇脱水中凭借其独特的结构和吸附原理，结合不同的工艺流程、严格的工艺控制、合理的装填操作以及对各项注意事项的有效把控，实现了乙醇的高效脱水，展现出显著的优势。