低温液化回收酒精发酵二氧化碳的技术探讨

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在酒精发酵过程中，有大量的二氧化碳产生，理论上利用淀粉质或糖质原料发酵生成1吨乙醇可放出0．956吨二氧化碳气体。对于大中型酒精生产企业，显然放出二氧化碳的量十分可观。液态二氧化碳和固体干冰是一种重要的工业原料，广泛用于国民经济的多个领域，具有广泛的市场前景。如果不对发酵过程中产生的二氧化碳进行回收利用，不仅造成经济损失，而且会严重污染大气环境。采用低温液化原理和净化流程。对酒精发酵过程中产生的二氧化碳进行回收，产出高纯度低压的二氧化碳，不仅可以保护大气环境，而且企业的经济效益也十分可观。
1 二氧化碳的液化原理

二氧化碳的液化过程，实质上就是对二氧化碳气体进行加压和降温，使其迅速液化。如图1所示，根据二氧化碳在不同温度置下具有不同蒸汽压的性质，可通过对温度和压力状态参数进行控制。使二氧化碳气体实现液化的目的。因此，二氧化碳液化的途径，可通过在常温高压下或在低温低压下实现液化。 图1

1．1常温高压液化原理

在常温下采用提高压力使二氧化碳变为液体的过程，从图1中可以看出，CO2的临界值为Tc=304．16K，压力Pc≥7．16MPa时二氧化碳变成液体。由于压缩比大，生产时必须采用多级压缩多次冷凝和气水分离的方法。尤其在夏季环境温度升高时所需压力更大，这样生产的高压液体二氧化碳必须采用高压钢瓶贮藏。

1．2低温低压液化原理

从图1可以看出，随着液体二氧化碳温度的降低，其饱和蒸汽压也随之降低，且二氧化碳的温度越低，使之液化的压力也越低。因此，如果采用对温度和压力的状态参数同时控制，即可在低温低压下达到液化之目的。从图1可以看出，当温度降到223K以下时，其液化压力不到2．0MPa，这样在压缩比不需太大的条件下，通过降温冷凝，就能实现液化二氧化碳的目的。

1．3两种液化原理的比较

高压法虽具有工艺简单且不需低温制冷设备等优点，但由于采用高压钢瓶灌装，显然其缺点更加突出，不仅需购置大量高压钢瓶，占用大量资金，而且维修和运输的费用大幅度提高，同时高压状态下对净化系统的设备及管道阀门等要求较高。

目前，低温低压液化二氧化碳工艺比较成熟，已被普遍采用。其优点在低温条件下，采用比较低的液化压力，降低了设备的耐压要求和投资费用，生产能力大幅度提高。同时，可将低压液化二氧化碳通过增压泵升压进行高压钢瓶灌装，生产不同规格的二氧化碳产品，满足市场需求。

1．4低温低压液化回收二氧化碳的工艺流程

由发酵罐酒精发酵产生的二氧化碳气体，经初级净化系统除去气体中的醇醛酸等主要成分后，进入二级压缩机压缩。每级压缩后经冷却和水气分离后，气体压力分别为1．6MPa和2．5MPa，再进入二级净化系统，除去气体中残留的微量醇、醛、脂等杂质成分和水分，使气体成分达到质量要求，进入冷凝液化器，制冷机输入的制冷剂使二氧化碳液化进入贮罐贮藏，即得到液化产品。然后根据用户要求，进行不同方式贮运或增压灌入高压钢瓶，即可作为商品销售。图2为二氧化碳低温低压液化工艺流程示意图
图2

2二氧化碳净化流程

2．1初级净化流程

由发酵罐逸出的二氧化碳气体中含有较高的液相成分，而二氧化碳的水中的溶解度很小。根据这一特性，采用水溶液和高猛酸钾溶液对逸出的二氧化碳气体进行吸收和氧化，然后再经水气分离装置，分离出液相水分以及其他溶于水的杂质成分，二氧化碳进入压缩机，经二级压缩后进入二级净化流程。初级净化工艺流程如图3所示，净化系统中各类吸收装置和洗涤装置均采用填料塔。根据生产规模按照传质单元操作设计计算，确定各填料塔的结构尺寸及附件大小，并选择高效填料，以提高吸收效率，满足二氧化碳回收净化要求。气液分离采用不锈钢丝网分离器，可提高分离效率。
图3

2．2  二级净化系统

2．2．1  二级净化工艺流程

经初级净化的二氧化碳气体，需进行二级净化才能使二氧化碳纯度达到质量要求。图4为二氧化碳二级净化工艺流程。经压缩机压缩的低压二氧化碳经活性碳吸附和分子筛干燥后，再经过滤器，其纯度可达99．9％以上。

2．2．2活性碳吸附    ，

活性碳具有比表面积大、吸附能力强．不仅对气体中的醇类杂质有很强的吸附力，而且改善了发酵饮料的气味。活性吸附饱和后可采用过热蒸汽进行再生处理。
图4

2．2．3分子筛干燥

分子筛是人工合成的具有稳定骨架结构的多水合硅铝酸盐晶体，具有较强的吸水能力。在吸附过中放热，而饱和后脱附吸热，因此低温有利于吸附过程。脱水再生必须在高温条件下进行。分子筛干燥器可以采用内热再生循环，电加热采用装置如图5；也可采用热再生气进行再生脱附，其流程如图6。根据生产能力设计合理的电加热装置或选择合理的再生气操作参数，以确保干燥效果，达到工艺条件要求。

由于活性碳和分子筛均具有饱和性，需定期进行再生活化处理，因此，各装置必须有两台交替使用。
图5
图6

3  低温液化过程及设备

3．1低温液化的原理

低温液化的基本原理是将低压低温的制冷剂经压缩升压，其冷凝温度就相应升高。这样制冷剂因冷凝放出汽化潜热传给要冷凝的“高温气体”，“高温气体”的冷凝热和潜热传给制冷剂，使气体达到低温液化的目的。

3．2低温低压液化的过程

经二级净化的低压二氧化碳气体进入冷凝液化器(又称制冷机蒸发器)与高压制冷剂进行热量交换，二氧化碳气体的冷凝热和潜热传给液态制冷剂，其温度降至冷凝温度以下以液态排出，进入低温液体二氧化碳贮槽。液态制冷剂因吸热而汽化经压缩冷凝循环制冷。

3．3低温液化设备

3．3．1冷凝压缩机

根据经二级净化后二氧化碳的压力、温度，计算出相应的二氧化碳冷凝热和潜热，确定冷凝压缩机的制冷负荷，从而选购满足生产要求的冷凝压缩机(制冷机)。目前螺杆式冷凝压缩机在二氧化碳生产企业应用较多，具有制冷系数高和制冷效果好的优点，蒸发温度可达一45℃，是理想的制冷设备。

3．3．2冷凝液化器

冷凝液化器又称制冷机的蒸发器，板翅式蒸发器与列管式热交换器相比具有传热系数大、运行效果好等优点，而且单位体积的传热面积显著增大。但该蒸发器加工质量要求和制造成本较高，同时由于承压较列管低，对二氧化碳的纯度要求高，否则可能发生微量水结冰膨胀使蒸发器涨裂影响生产。

3．3．3低温液体二氧化碳贮罐

经冷凝液化后的低温液体二氧化碳流入贮罐贮放。它由耐低温容器钢制成，按压力容器规范设计制作，一般工作压力为1．6～2．5MPa。工作温度一26℃，罐内设有自动控制的小型供冷系统装置，使罐内液体二氧化碳不因环境温度传导而升温，避免罐内压力升高造成超压危险。此罐也可制成真空夹套保温结构。

罐体装有低温液位显示装置、高位报警超压安全阀。由于液体二氧化碳经喷射降压会发生相变产生干冰。而干冰的温度一78．9℃会使罐体温度骤然下降影响钢材强度，在罐体使用过程中严禁上述现象发生，确保安全运行。

4  结束语

经上述低温低压工艺、设备和合理操作参数生产的液体二氧化碳纯度可达99．9％以上。二氧化碳露点温度为-50℃，达到高纯度级，可满足各种用户需要。

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