CN205031905U - 包含蒸发系统的装置、用于精制从纤维素类生物质发酵得到的啤酒流的装置以及纤维素类乙醇系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及包含蒸发系统的装置、用于精制从纤维素类生物质发酵得到的啤酒流的装置以及纤维素类乙醇系统。该精制从纤维素类生物质发酵得到的啤酒流的装置包含：啤酒蒸馏塔；与啤酒蒸馏塔流体连通的固体清除机械；以及与固体流体机械连通的蒸发系统。此外，蒸发系统包含蒸发器、与蒸发器热连通的外部热源、以及与蒸发器流体连通的蒸汽再压缩单元。

Description

包含蒸发系统的装置、用于精制从纤维素类生物质发酵得到的啤酒流的装置以及纤维素类乙醇系统

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2013年9月26日的US14/037407的权益，在此通过引用整体并入本申请。

技术领域

本实用新型涉及通过纤维素类材料发酵生产乙醇的装置，并且更具体地涉及用于处理工艺水有效循环的发酵产物流的装置。

背景技术

通过任意的宽范围的有机原料的发酵产生的乙醇已经成为石油基汽油和柴油产品的重要替代品。目前，大多数燃料乙醇产自谷物，淀粉或糖基原料。这些方法通常包括水和研磨谷物的混合物发酵以得到含酒精的啤酒，其被蒸馏并且脱水，从而回收作为顶部产物的乙醇以及蒸馏底部副产物。副产物包括谷物固体和水中溶解性固体的稀酒糟。蒸馏副产物通常通过蒸发浓缩，从其中去除水并且产生具有可溶物的蒸馏干燥谷物（DDGS），一种用于家畜的重要饲料。

典型的谷物乙醇设备通常具有下列共同的要素：

1)存在着对来自发酵槽的排出物流的吸收或洗涤工艺，以便从共同产生的二氧化碳中回收甲醇，乙醇，更高的醇以及乙醛。这通常使补充的水进入工厂并且通常是冷物流。

2)使用蒸馏产生浓缩在乙醇中直至与水形成共沸组合物的物流、以及不含乙醇的主要是水和固体的物流。该工艺通常使用两个蒸馏塔（称为啤酒蒸馏塔和精馏塔）实现。

3)共沸乙醇物流随后通过涉及夹带剂的双液相共沸蒸馏、或者更常见地通过在分子筛中浓缩而进行进一步的浓缩，从而产生燃料级的乙醇，这是工艺的主要产品。

4)来自2)中提到的水流的固体通过离心或一些其他手段被分离并且可以进一步干燥，以得到动物饲料或用于燃料的材料。

5)4)所产生的水流（逆流）一部分可以循环至工厂的前端，以形成发酵槽的一部分供料；而其余水流被蒸发，除去以其它方式累积的杂质。这些杂质包括不能被发酵的糖类，蛋白和盐类，并且作为浓缩的液流被清除。来自蒸发的冷凝物可以逆流方式直接被循环至发酵槽。发酵工艺通常是两个或三个阶段并且是热集成蒸馏工艺的。

谷物，淀粉和糖基工艺正变得越来越不令人期望，因为它们必须依赖于食物来源，并且对全球食物价格产生负面影响。从纤维素类农业和其它废弃原料生产乙醇避免了这些问题。

纤维素类原料是通常含有纤维素和半纤维素、以及木质素的那些。用于从纤维素类原料生产乙醇的合适原料包括生物质（例如玉米棒，玉米秸秆，草类，木本生物质，甘蔗渣），以及含有高纤维素成分的工业废弃产物。从纤维素类原料生产酒精并且特别是乙醇的工艺描述于多种出版物中（例如，参见Aden等，“LignocellulosicBiomasstoEthanolProcessDesignandEconomicsUtilizingCo-CurrentDiluteAcidPrehydrolysisandEnzymaticHydrolysisforCornStover”，NRELReportNo.TP-510-32438；NRELReportNREL/TP-510-37092，“PlantsfromCornStarchandLignocellulosicFeedstocks（修改版）”；以及Madson,P.W.和D.A.Monceaux，“FuelAlcoholTexbook”中的（FuelEthanolProduction），AlttechInc.，1999）。纤维素类乙醇工艺的各个方面被公开于共同拥有的专利US7629156，US7666282，US7741084，US7741119，US7781191，US7803623，US7807419，US7819976，US7897396，US7910338，US7932063，US7989206，US7998713，US7998722，US8216809，US8241873，US8241880，US8247208，US8278070，US8304213，以及US8304535中。

用于纤维素类生物质生产酒精的工艺面临着通常谷物乙醇工厂中不会存在的特定挑战。最大的挑战是增加的水量消耗，需要能够处理增加的水负荷的工艺。增加的水消耗源自于在发酵培养基中乙醇浓度降低，这通常在5%-10%的乙醇范围，而对于谷物基乙醇生产，则为11%-15%的乙醇范围。此外，在乙醇和固体已经从发酵培养基中除去之后，保留在纤维素工艺的剩余的水比来自谷物工艺的水含有更高水平的杂质。由这种水蒸发所得的冷凝物含有显著更多的乙酸并且不能被直接循环至发酵。对于每一单位生产的乙醇，纤维素工厂中的水处理负荷可能是通常在谷物生产乙醇的工厂中的高达三倍，但是仍然需要使用相当的能量输入的工艺来适应，以便产生可接受的能量占用空间。

因此，简单地将在谷物乙醇工业中实行的工作方法转移到纤维素类乙醇工艺中，对于经济地且能量上可竞争的纤维素类乙醇工艺是不充分的。因此，纤维素类乙醇存在一套新的挑战，并且能够满足这些挑战的工艺应当以此为背景考虑，而不是在谷物基工艺的背景下考虑。

为了更经济地从纤维素类原料生产燃料级的乙醇，需要减少外部能量和在乙醇生产工艺中操作多个步骤所需的水。例如，这可以通过最大化的热集成和使废水流返回到工艺的循环实现。

US7572353和US7297236公开了使用用于在谷物基工艺中浓缩稀酒糟的第一和第二有效蒸发器，其中第二效物流用作蒸馏的热量。在纤维素类乙醇工艺中使用三级蒸发器的构思以及使用低质量的废蒸汽的蒸汽再压缩的可行性由RyanMMelsert总体上讨论（“EnergyOptimizationOfTheProductionOfCellulosicEthanolFromSouthernPine”，Master’sThesis，UniversityofGeorgia，2007年11月13日），其中第一有效蒸发器在83.4℃运行。

仍然存在着开发用于纤维素类乙醇发酵工艺的有效的热集成的蒸馏/蒸发系统的需求，其能够节能地处理三倍于谷物乙醇系统中所用水量，并且使得水循环。

实用新型内容

从纤维素类发酵物生产燃料乙醇面临着能量效率和水负荷的挑战，这是可比较的谷物乙醇工艺中所不存在的。本实用新型公开的装置提供了提高的能量和水处理效率。

在一个实施方式中，本实用新型提供了一种纤维素类乙醇系统，包含：

a.包含发酵基质的发酵桶；

b.保留发酵啤酒的啤酒发酵池；

c.包含发酵啤酒的啤酒蒸馏塔；

d.冷凝器；

e.一系列至少四个蒸发器；

f.清除CO₂的洗气罐；

g.精馏塔；

h.分子筛单元；以及

j.产物塔；

其中发酵桶，啤酒发酵池和啤酒蒸馏塔顺次连接；以及

其中啤酒蒸馏塔，第一冷凝器和洗气罐顺次连接；以及

其中啤酒蒸馏塔，第一冷凝器和精馏塔顺次连接；以及

其中精馏塔，分子筛单元，第二冷凝器和产物塔顺次连接。

在另一个实施方式中，本实用新型提供了一种纤维素类乙醇系统，包含：

a.啤酒蒸馏塔，具有：

(i)接收包含乙醇，水，溶解物和固体的发酵产物的啤酒入口；

(ii)允许富含乙醇的蒸汽流从所述啤酒蒸馏塔离开的蒸汽出口；以及

(iii)允许酒糟产物从所述啤酒蒸馏塔离开的酒糟出口；

b.冷凝器，具有：

(i)从所述啤酒蒸馏塔接收富含乙醇的蒸汽流的蒸汽入口；以及

(ii)允许富含乙醇的水流从所述冷凝器离开的冷凝物出口；

c.精馏塔，具有：

(i)从所述冷凝器接收富含乙醇的水流的水流入口；

(ii)允许另外的富含乙醇的水流从所述精馏塔离开的蒸汽出口；以及

(iii)允许废水流从所述精馏塔离开的出口；

d.分子筛，具有：

(i)从所述精馏塔接收所述另外的富含乙醇的水流的入口；

(ii)允许另外的低水乙醇产物从所述分子筛离开的乙醇产物出口；以及

(iii)允许废水产物从所述分子筛离开的出口；

e.产物蒸馏塔，具有：

(i)从所述分子筛接收所述另外的低水乙醇产物的入口；

(ii)允许包含乙醛，氨和二氧化碳的污染物蒸汽流从所述产物蒸馏塔离开的废蒸汽出口；以及

(iii)允许纯化的乙醇产物从所述产物蒸馏塔离开的纯化产物出口。

在一个替代实施方式中，本实用新型提供了包含蒸发系统的装置，其中所述蒸发系统包含：

a.蒸发器，具有：

(i)工艺入口；

(ii)循环入口；

(iii)蒸发产物出口；以及

(iv)固体产物出口；

b.用于为所述蒸发器提供热量的与所述蒸发器热连通的外部热源；以及

c.蒸汽再压缩单元，具有：

(i)使用蒸发管道与所述蒸发器的所述蒸发产物出口相连接的入口；以及

(ii)使用循环管道与所述蒸发器的所述循环入口相连接的出口。

在另一个实施方式中，本实用新型提供了用于精制来自纤维素类生物质的发酵啤酒的装置，所述装置包含：

1)啤酒蒸馏塔，包含：

a)啤酒入口；

b)含乙醇的蒸汽出口；

c)水流（酒糟）出口；

2)固体清除机械，包含：

a)与啤酒蒸馏塔的水流出口流体连通的水流入口；

b)除去固体的水流（稀酒糟）出口；以及

3)根据本实用新型的装置的蒸发系统，其中蒸发器的水流入口与固体清除机械的除去固体的水流出口流体连通。

在一个替代实施方式中，本实用新型提供了一种包含蒸发系统的装置，其特征在于，所述蒸发系统包括：

a.蒸发器，具有：

(i)工艺入口；

(ii)蒸发产物出口；以及

(iii)固体产物出口；

b.与所述蒸发器热连通的外部热源，用于为所述蒸发器提供热量；以及

c.蒸汽再压缩单元，具有：

(i)使用蒸发管道与所述蒸发器的所述蒸发产物出口相连接的入口；以及

(ii)使用循环管道与所述蒸发器的循环入口相连接的出口。

在一个替代实施方式中，所述蒸发系统的蒸发器包括：

彼此串联连接成串联组的两个或更多个蒸发器，各个蒸发器还具有

循环入口，其中，所述工艺入口是水流入口；

其中，除了串联组中的第一个蒸发器的水流入口之外，每个蒸发器的水流入口与串联组中的前一个蒸发器的固体产物出口流体连通；并且其中，除了串联组中的最后一个蒸发器的固体产物出口之外，所述固体产物出口与串联组中的后一个蒸发器的水流入口流体连通；以及

两个或更多个蒸汽再压缩单元，每个蒸汽再压缩单元具有：

a)与串联组中的相应蒸发器的蒸发产物出口流体连通的入口；以及

b)与串联组中的相应蒸发器的循环入口流体连通的出口。

在一个替代实施方式中，所述蒸发系统进一步包括多个管路，每个管路与相应的一个或所述两个或更多个蒸发器的入口相连，所述多个管路中的每个具有能够仅关停至其相应蒸发器的流的阀门，而串联组中的其它蒸发器仍然保持运行。

在一个替代实施方式中，所述装置进一步包括厌氧消化池，所述厌氧消化池具有：

a)与所述蒸发器的蒸发产物出口连通的入口；以及

b)循环水流出口。

在一个替代实施方式中，本实用新型提供了一种用于精制从纤维素类生物质发酵得到的发酵啤酒的装置，其特征在于，所述装置包括：

啤酒蒸馏塔，包括：

a)啤酒入口；

b)含乙醇的蒸汽出口；

c)水流出口；

固体清除机械，包括：

a)与所述啤酒蒸馏塔的水流出口流体连通的水流入口；

b)除去固体的水流出口；以及

根据本实用新型所述的装置，其中所述蒸发器的水流入口与所述固体清除机械的除去固体的水流出口流体连通。

在一个替代实施方式中，所述装置进一步包括精馏塔，所述精馏塔包括：

a)与所述啤酒蒸馏塔的蒸汽出口流体连通的入口；

b)富含酒精的蒸汽出口；以及

c)低酒精的水流出口。

在一个替代实施方式中，所述装置的外部热源至少部分地包括精馏塔，且其中所述精馏塔与所述蒸发器热连通。

在一个替代实施方式中，所述装置进一步包括分子筛，所述分子筛具有：

a)与所述精馏塔的富含酒精的蒸汽出口流体连通的入口；

b)纯化的酒精产物出口；以及

c)与所述啤酒蒸馏塔的入口流体连通、或与所述精馏塔的入口流体连通、或与所述啤酒蒸馏塔的入口和所述精馏塔的入口都流体连通的循环水流出口。

在一个替代实施方式中，本实用新型提供了一种纤维素类乙醇系统，其特征在于，所述纤维素类乙醇系统包括：

a.包括发酵基质的发酵桶；

b.保留发酵啤酒的啤酒发酵池；

c.包括发酵啤酒的啤酒蒸馏塔；

d.冷凝器；

e.一系列至少四个根据本实用新型所述的装置；

f.清除CO2的洗气罐；

g.精馏塔；

h.分子筛单元；以及

j.产物塔；

其中所述发酵桶、所述啤酒发酵池和所述啤酒蒸馏塔顺次连接；以及

其中所述啤酒蒸馏塔、第一冷凝器和洗气罐顺次连接；以及

其中所述啤酒蒸馏塔、第一冷凝器和精馏塔顺次连接；以及

其中所述精馏塔、分子筛单元、第二冷凝器和产物塔顺次连接。

在一个替代实施方式中，本实用新型提供了一种纤维素类乙醇系统，其特征在于，所述纤维素类乙醇系统包括：

a.啤酒蒸馏塔，具有：

(i)用于接收包括乙醇、水、溶解物和固体的发酵产物的啤酒入口；

(ii)用于允许富含乙醇的蒸汽流从所述啤酒蒸馏塔离开的蒸汽出口；以及

(iii)用于允许酒糟产物从所述啤酒蒸馏塔离开的酒糟出口；

b.固体清除机械，其用于从所述啤酒蒸馏塔接收所述酒糟产物，所述固体清除机械包括：

a)与所述酒糟出口流体连通的水流入口；

b)除去固体的水流出口；

c.根据本实用新型所述的装置，其中，所述工艺入口是与所述固体清除机械的除去固体的水流出口流体连通的水流入口；

d.冷凝器，具有：

(i)用于从所述啤酒蒸馏塔接收富含乙醇的蒸汽流的蒸汽入口；以及

(ii)用于允许富含乙醇的水流从所述冷凝器离开的冷凝物出口；

e.精馏塔，具有：

(i)用于从所述冷凝器接收富含乙醇的水流的水流入口；

(ii)用于允许另外的富含乙醇的水流从所述精馏塔离开的蒸汽出口；以及

(iii)用于允许废水流从所述精馏塔离开的出口；

f.分子筛，具有：

(i)用于从所述精馏塔接收所述另外的富含乙醇的水流的入口；

(ii)用于允许另外的低水乙醇产物从所述分子筛离开的乙醇产物出口；以及

(iii)用于允许废水产物从所述分子筛离开的出口；

g.产物蒸馏塔，具有：

(i)用于从所述分子筛接收所述另外的低水乙醇产物的入口；

(ii)用于允许污染物蒸汽流从所述产物蒸馏塔离开的废蒸汽出口；以及

(iii)用于允许纯化的乙醇产物从所述产物蒸馏塔离开的纯化产物出口。

附图说明

图1是纤维素类乙醇工艺流程图的示意图。

图2是蒸发系统的示意图。

具体实施方式

为了解释权利要求书和说明书，使用下列定义和缩略词。

如本文所使用的，术语“包含”，“包含有”，“包括”，“包括有”，“具有”，“带有”，“带”，或“含有”，或它们的任意其它变形，应当理解为表明包括所述整数或整数组合但不排除任意其它整数或整数组合。例如，包含一系列元素的组合物，混合物，工艺，方法，物品，或装置不必局限于仅仅那些元素，而是还可以包括未明确列出或这些组合物，混合物，工艺，方法，物品，或装置固有的其它元素。此外，除非相反地明确说明，“或”表示包括性的“或”而非排除性的“或”。例如，下列任一情况会满足条件A或B：A正确（或存在）并且B错误（或不存在），A错误（或不存在）并且B正确（或存在），以及A和B均正确（或存在）。

如本文所使用的，在整个说明书和权利要求书中所使用的术语“由…组成”，或变形（例如“由…构成”），表示包括任意所述的整数或整数组合，但不可以有其它整数或整数组合加入到特定方法，结构或组合物中。

如本文所使用的，在整个说明书和权利要求书中所使用的术语“基本上由…组成”，或变形（例如“基本上由…构成”），表示包括任意所述的整数或整数组合，并且可选的包括不本质上改变特定方法，结构或组合物的基本或新颖性质的任意所述整数或整数组合。

此外，本实用新型的元素或元件之前的不定冠词“一个”和“一个”意指对于实例数量（即元素或元件的出现次数）是非限制性的。因此，“一个”和“一个”应当被解读为包括一个或至少一个，并且元素或元件的单数词形式还包括复数，除非所述数值明确表示为单数。

如本文所使用的，术语“实用新型”或“本实用新型”是非限制性的术语并且不是意图表示特定实用新型的任何单个实施方式，而是包括在申请中所述的所有可能实施方式。

如本文所使用的，“流体”表示流动或可流动的物质并且包括液体，气体，大多数等离子体以及一些塑性固体。物质还可以是前述物质状态的组合，例如液体和气体材料的混合物或掺混物，这在许多工艺中是非常常见的。

如本文所使用的，术语“流体连通”表示流体可以在各个部件，单元，设备或装置之间流动。例如，如果容器A与设备B流体连通，这表示在容器A或设备B中的流体物质可以流向另一个。应当理解，通常用来引导流体流的常规部件（不加限制地例如是管路，凹槽，管子，等等）在必要时是存在并且连接的，以使得并且帮助流体在各个部件，单元，设备或装置之间流动。而且，流动路径在各个部件，单元，设备或装置之间不必是直接的。例如，在其中容器A是反应器并且设备B是蒸馏塔的情形中，流自反应器A的流体在流至B以用于分离之前可以经过冷凝器，热交换器，或者其它装置。因而，“流体连通”包括在各个部件，单元，设备或装置之间的直接和间接流动。

术语“热连通”表示热能可以在各个部件，单元，设备或装置之间流动，并且，再次，这类流动可以是直接或间接的，并且还存在常规必要利于这类热量流动的任意设备或装置，例如热交换器，容器夹套，金属卷材，等等。

如本文所使用的，“气提”表示将来自液体流的易挥发组分的全部或一部分转变成气体流的作用。

如本文所使用的，“精馏”表示将来自气态物流的可冷凝组分的全部或一部分转变成液体流的作用，以便从较高沸点组分分离和纯化较低沸点组分。

术语“低挥发性的溶质”表示将在较大程度上保留在剩余的液体或来自蒸发工艺的浆汁中的蒸发工艺中存在的组分。低挥发性的溶质的实例包括高沸点有机物（例如糖）和无机溶解性矿物质（例如钠，钾和硝酸根或硫酸根离子）。

术语“高挥发性的溶质”表示将在较大程度上跟随水被蒸发并因此在蒸发浓缩物和剩余液体或浆汁之间分配。高挥发性的溶质包括组分例如乙醇和醋酸，它的大部分将被分配进入来自浓缩工艺的浓缩物中。

术语“木质纤维素（的）”指的是同时包含“木质素”和“纤维素”的组合物。木质纤维素材料还可以包含半纤维素。

术语“纤维素（的）”指的是包含纤维素和其它组分（包括半纤维素）的组合物。纤维素组分还可以包括木质素。

术语“糖化”指的是从多糖生产发酵糖。

术语“预处理的生物质”表示在糖化之前已经经过预处理的生物质。

术语“木质纤维素的生物质”指的是任意木质纤维素材料并且包括包含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、寡糖和/或单糖的材料。生物质还可以包含其它组分，例如蛋白和/或脂质体。生物质可以源自单一来源，或生物质可以包含源自多于一种来源的混合物；例如，生物质可以包括玉米棒和玉米秸秆的混合物，或草和树叶的混合物。木质纤维素生物质包括但不限于，生物能作物，农业残渣，市政固体垃圾，工业固体废物，造纸浆，庭院垃圾，木材和林业垃圾。生物质的实例包括但不限于，玉米棒，作物残渣例如玉米壳，玉米秸秆，草，小麦秆，大麦秆，干草，稻杆，柳枝稷，废纸，甘蔗渣，高粱植物材料，大豆植物材料，由谷物，树木，树枝，树根，树叶，木片，锯末，灌木和灌木丛，蔬菜，水果和花朵研磨得到的成分。

术语“水解产物”指的是由生物质糖化得到的产物。生物质还可以是在糖化之前预处理的或预加工的。

术语“生物质水解产物发酵培养基”是含有在包含生物质水解产物的基质中生物催化剂生长和生产所形成的产物的培养基。该培养基包括未被生物催化剂消耗的生物质水解产物的成分，以及生物催化剂本身和由生物催化剂所制备的产物。

术语“蒸发效应当量（equivalent）”指的是来自外部热源的单个蒸发器级中所产生的蒸发单元。因此，例如，在四级蒸发器中，由第一级产生的蒸汽为第二级提供热源，由第二级产生的蒸汽为第三级提供热源，以及由第三级产生的蒸汽为第四级提供热源，所述四级蒸发器将提供四蒸发效应当量。连接到单级蒸发器上的蒸汽再压缩单元可以使得一个蒸发器获得一个或多个额外的蒸发单元。例如，如果单个蒸发单元被提供有外部热量单元、且其所产生的蒸汽被压缩并且作为额外的热源被供应回到该同一蒸发器，则与仅使用最初的外部热源能够获得的蒸发量相比，可能获得两倍、三倍、四倍或更多倍的蒸发量。因此，相对仅使用最初的外部热源能够产生的蒸汽量，蒸汽再压缩单元基于为获得进一步的蒸发而被压缩的蒸汽量来提供“蒸发效应数量”的倍增器。因此，例如，单级或双级蒸发器，结合一个或多个蒸汽再压缩单元，可以提供四倍的蒸发效应当量。

系统装置

图1的示意图显示出表示用于从纤维素供料100进入发酵槽101直到产生底流120的纤维素类乙醇工艺的工艺阶段装置的实例的流程图，所述底流是来自产物塔118的最终乙醇产品。流向发酵槽101的纤维素供料100包括含有纤维素生物质水解产物和生物催化剂接种体的发酵基质，它们可以混合或者单独加入到发酵槽中。

更详细地，参考图1，生物质水解产物发酵培养基（此后也称为“啤酒”或“发酵啤酒”）102从发酵槽101流经出口101a，并且进入中间的贮存容器，啤酒发酵池103。在发酵中释放的排气（主要是二氧化碳（CO₂））形成排气流104，所述排气流传送到发酵气体洗涤器（也称为CO₂洗涤器）105，以便回收乙醇和乙醛。CO₂排气流106被传送至大气。

啤酒102从啤酒发酵池103穿过啤酒入口107a被传送至啤酒蒸馏塔107。因此，发酵槽101的出口101a与啤酒蒸馏塔107的啤酒入口107a流体连通，在这种实施方式中，间接地通过啤酒发酵池103。乙醇和水在啤酒蒸馏塔107中从啤酒102除去，并且作为蒸汽塔顶馏出产物（108；啤酒蒸馏塔富含乙醇的蒸汽流）一起通过含酒精的蒸汽出口107b离开。其余的啤酒形成液体和固体流，称为酒糟125，这基本上是不含乙醇的并且流出啤酒蒸馏塔107的水流出口107c。

啤酒蒸馏塔蒸汽塔顶馏出产物108被传送至啤酒蒸馏塔冷凝器109，其产生被传送至发酵洗涤器105的少量排出流132以及液体塔顶物流110。所得啤酒蒸馏塔液体塔顶馏出产物冷凝物（即，来自最初的发酵啤酒102的啤酒蒸馏塔富含乙醇的物流110）通过精馏塔的入口111a供给至精馏塔111。需要指出，精馏塔111的入口111a与啤酒蒸馏塔107的富含酒精的蒸汽出口107b通过冷凝器109间接流体连通，但是替代性地，还可以与其直接流体连通。

在精馏塔111中，发生进一步的蒸馏并且精馏塔顶物流（即，进一步的富含乙醇的精馏塔蒸汽流112）从富含酒精的蒸汽出口111b离开。进一步处理该富含乙醇的蒸汽流112，如此后详细所述，从而产生最终的目标乙醇产物。

同时，离开啤酒蒸馏塔107的水流出口107c的酒糟125通过固体清除机械126（例如过滤单元或其它合适的固体清除设备）被进一步处理。因此，固体清除机械126具有与啤酒蒸馏塔107的水流出口107c流体连通的水流入口126a，以便接收从其经过的酒糟125。固体在固体清除机械126中从酒糟125中清除，从而产生分离的除去固体的水流（稀酒糟）128，其通过除去固体的水流出口126b离开。在固体清除机械126中从稀酒糟128清除固体还产生滤饼127。

稀酒糟128通常流向蒸发系统129，并且由蒸发系统129产生的最终蒸发冷凝物130被处理并且用作纤维素类乙醇生产工艺的其它单元和阶段的清洁循环水。含有低挥发性的溶解材料的固体产物（即浆汁133）也由蒸发系统产生。通常，尽管并未单独显示于图1中，蒸发系统129包含蒸发器，与蒸发器热连通的外部热源，以及与蒸发器流体连通的蒸汽再压缩单元。蒸汽再压缩单元（未示出于图1中，但参见图2和伴随的说明）接收并且再压缩来自蒸发器的蒸发产物的至少一部分。蒸发系统129的水流入口129a与固体清除机械126的除去固体的水流出口126b流体连通，以便接收来自其的稀酒糟128。使用来自外部热源（未示出）的热量，蒸发系统129产生从蒸发产物出口129b离开的最终蒸发冷凝物130，以及从固体产物出口129c离开的浆汁133。

更详细地，参考图2，在一些实施方式中，蒸发系统129包含两个或更多个蒸发器，例如如图2所示的彼此串联连接的四个蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4，以及两个或更多个蒸汽再压缩单元，例如显示于图2的四个蒸汽再压缩单元10-1，10-2，10-3，10-4。在这种实施方式中，各个蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4分别具有水流入口129a，129-2a，129-3a，129-4a，循环入口129-1b，129-2b，129-3b，129-4b，蒸发产物出口129-1c，129-2c，129-3c，129-4c，以及固体产物（即浆汁）出口129-1d，129-2d，129-3d，129-4d。此外，各个蒸汽再压缩单元10-1，10-2，10-3，10-4分别与相应的一个蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4相连接，以用于从其相应的蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4接收并且再压缩蒸发产物的至少一部分。各个蒸汽再压缩单元10-1，10-2，10-3，10-4分别具有入口10-1a，10-2a，10-3a，10-4a，以及出口10-1b，10-2b，10-3b，10-4b。

可能存在与各个蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4的相应一个相关联的蒸汽压缩单元10-1，10-2，10-3，10-4，如图2所示，然而，这并非必须。只要存在与相应的一个蒸发器相关联的至少一个蒸汽压缩单元，在蒸发系统129中可能存在比蒸发器更少数量的蒸汽再压缩单元。

对于每个中间的蒸发器，即蒸发系统129中的不是串联组中的第一个或最后一个的串联组的任意蒸发器（例如，图2中所示的串联组中的第二个和第三个蒸发器129-2，129-3），水流入口129-2a，129-3a分别与串联组中的前一个蒸发器129-1，129-2的固体产物出口129-2d，129-3d流体连通。而且，对于每个中间的蒸发器129-2，129-3，其出口129-2d，129-3d分别与串联组中的后一个蒸发器129-3，129-4的水流入口129-3a，129-4a流体连通。

根据上面所提供的蒸发系统129的说明，串联组中的第一个蒸发器129-1的水流入口129a用作总体的蒸发系统129的水流入口129a，并且因此与固体清除机械126的除去固体的水流出口126b流体连通。类似地，由于在串联组中最后一个蒸发器129-4之后没有随后的蒸发器，因此最后一个蒸发器129-4的固体产物出口129c用作总体的蒸发系统129的固体产物出口129c。

对于蒸发系统129存在的各个蒸汽再压缩单元10-1，10-2，10-3，10-4，入口10-1a，10-2a，10-3a，10-4a分别与串联组中的相应的蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4的蒸发产物出口129-1c，129-2c，129-3c，129-4c流体连通。类似地，出口10-1b，10-2b，10-3b，10-4b分别与相应的蒸发器129-1，129-2，129-3，129-4的循环入口129-1b，129-2b，129-3b，129-4b流体连通。在下面介绍蒸发系统129的操作细节以及其它工艺细节和优势。

在多个实施方式中，各个蒸发系统可以是一个蒸发器单元或者它可以是两个或更多个蒸发器单元的组合。对于各个有效的蒸发器，蒸发器单元的数量可以取决于所需能力，以及在维修中使得单个蒸发器离线的需求。例如，US7297236描述了在通向蒸发器的多个管线上提供阀门（如图2所示，总体上为管线和阀门20a，20b，20c，20d），从而使得有效蒸发器的多个单元中的任意一个可以被离线以及绕过以便维修。

离开最后一个蒸发器129-4的蒸发产物出口129-4c的蒸发冷凝物130的至少一部分作为总体的蒸发系统129的最终蒸发冷凝物130从蒸发系统129排出。如果存在与最后一个蒸发器129-4相关联的蒸汽再压缩单元（例如，10-4），那么从最后一个蒸发器129-4的蒸发产物出口129-4c离开的蒸发冷凝物130的另一部分被供给至蒸汽再压缩单元（例如，10-4）。否则，从最后一个蒸发器129-4的蒸发产物出口129-4c离开的所有蒸发冷凝物130可以作为最终蒸发冷凝物130从蒸发系统129排出。

从蒸发系统出口129b离开的最终蒸发冷凝物130可以在任意的溶质清除机械15（可选的，以虚线显示于图2中）中被处理，所述机械对于本领域的技术人员来说现在或将来是已知的，并且能够从最终蒸发冷凝物130中清除高挥发性的溶质。溶质清除机械15具有与蒸发系统129的蒸发产物出口129b流体连通（例如，与蒸发系统的最后一个蒸发器129-4的蒸发产物出口129-4c流体连通）的入口15a，以接收蒸发冷凝物130。溶质清除机械不进行特别限定，并且可以例如不受限制地，选自实施厌氧消化、好氧消化、膜分离（包括与前述生物处理替代方式分离地或整体地实现的纳滤，超滤和/或反渗透）、离子交换分离、以及其组合的任意机械。而且，溶质清除机械15具有循环水流出口15b，例如，其可以与发酵槽（参见图1中的101）的入口（本身未示出）流体连通，以提供。而且，溶质清除机械15具有循环水流出口15b，例如，其可以与发酵槽（参见图1中的101）的入口（本身未示出）流体连通，以向发酵槽101提供循环水。

回到图1和乙醇产物的纯化，通过富含酒精的蒸汽出口111b离开精馏塔111的进一步富含酒精的精馏塔蒸汽流112在流向分子筛单元113之前被过热，以便从乙醇流112除去额外的水。另外，含有杂醇油的侧流蒸汽产物流114从精馏塔111的合适位置移出，并且与精馏塔111的塔顶馏出物流112合并。所得混合物115过热，并且被传送至分子筛单元113，从而进一步从乙醇流中除去水。因此，在来自本实用新型工艺的最终产物中，杂醇油与乙醇合并。分子筛净化物116从分子筛113流向精馏塔111。如果需要，该物流116的全部或一部分可以相反地流向啤酒蒸馏塔107或啤酒发酵池103。干乙醇流（即，来自分子筛113的分子筛乙醇产物流117）被传送至产物蒸馏塔118，其中污染物（例如乙醛，氨气和二氧化碳）在净化物流119中被清除并且底流120是最终的乙醇产物。

此外，低乙醇的精馏塔水流121通过低乙醇的水流出口111c从精馏塔111的底部离开，并且该物流122的一部分被冷却并且作为洗涤水被传送至发酵蒸汽洗涤器105。该水122在洗涤器中吸收乙醇和乙醛。发酵蒸汽洗涤器底流（洗涤器水流）123作为第二供料伴随着合适的热交换被供回精馏塔111，由此回收乙醇和乙醛以用于进一步处理。因此，在发酵蒸汽洗涤器和精馏塔之间存在水流的循环回路。

剩余的低乙醇的精馏塔水流124通常与精馏塔111的供料110进行热交换，并且，随后被传送以在作为工艺水在工艺中被循环之前通过使用厌氧消化池或者其他纯化技术（即溶质清楚机械）（本身未示出）进行进一步处理。

蒸馏和水处理系统

如本文所述，使用具有至少四个蒸发效应当量的蒸发系统，可以管理纤维素类乙醇工艺的巨大水负荷。由于申请人的如下发现而使得有效使用四个或更多个蒸发效应当量成为可能：在处理来自用于从纤维素类原料生产乙醇的系统的其它单元的工艺水期间，热交换表面可以保持在高于105℃的温度达延长的时间段，而不会变脏。在这些试验中，通过使用乙醇细菌对生物质水解产物发酵所得的啤酒首先在啤酒蒸馏塔中被处理。在啤酒蒸馏塔中，富含乙醇的蒸汽流与含有溶质和固体的水流分离。在除去固体后，基本上除去固体的含有溶质的剩余水流被传送至蒸发器中，其保持125℃的温度达数十天。蒸发器的热交换表面保持足够清洁，从而使热交换性能足以实现有效蒸发，这表明热交换表面未变脏。

通过木质纤维素的生物质的预处理和糖化产生的水解产物通常是含有在预处理和糖化期间未分解并且乙醇细菌不能使其新陈代谢的生物质成分的浆液。即使从啤酒中基本上除去固体，来自发酵中所用的水解产物的剩余成分可能弄脏热交换表面，这对于在使用高温时的谷物乙醇工艺的相应水流是常见的。试验发现，在基本上除去固体之后，高温下（高于105℃）的热交换表面基本上不被来自啤酒蒸馏塔的水流弄脏，这使得具有自己的热集成系统的用于乙醇生产和循环水处理的本实用新型的设计可操作达延长的时间段。

在本实用新型工艺中，蒸馏和水处理系统包含啤酒蒸馏塔，精馏塔，固体清除机械，以及包括至少四个蒸发效应当量的蒸发系统。系统中的每个元件连接在图1所示的系统中的至少一个其他元件上，如上所述。啤酒蒸馏塔，精馏塔，和蒸发系统形成热集成系统。

进入蒸馏和水处理系统的含有溶质和固体的水流来自啤酒蒸馏塔的底部并且首先使用固体清除机械进行处理。固体可以通过任何已知方法（例如通过离心或过滤）被除去。固体基本上从水流中被除去，其中少于约5%的初始含量的固体剩余在液体部分中。该含有溶质的水流流经蒸发系统，首先进入在高于105℃的温度下运行的第一有效蒸发器。第一有效蒸发器在高于105℃的温度下运行至少约10天。第一有效蒸发器可以在高于105℃的温度下运行10天，15天，20天，或更长时间。

如上所述，通过如下发现而使得第一有效蒸发器在高于105℃的温度下运行至少10天成为可能：当运行10天时间时，在高于105℃的温度下，从纤维素类乙醇发酵得到的啤酒分离出的含有溶质的水流不弄脏热交换表面。第一有效蒸发器可以在约106℃，110℃，115℃,120℃，或125℃，或者任意中间温度下运行。此外，来自精馏塔的低乙醇的水流（其可以传送至蒸发系统）在这些温度下不会导致热交换表面明显变脏。

在高于105℃的温度下运行第一有效蒸发器使得蒸发系统在明显经济的工艺中使用至少四个蒸发效应当量，以处理纤维素类乙醇工艺中高水负荷。此外，在高于105℃的温度下运行第一有效蒸发器使得在额外的蒸发当量中能够使用更高的温度和压力，以承受来自水解产物发酵啤酒的高溶质负荷，其引起沸点升高。

在一个实施方式中，四个蒸发效应当量是多效应蒸发系统中的一系列四个成直线的单独的蒸发器。来自各个蒸发器的蒸汽用于运行随后的成直线的蒸发器，其中温度和/或压力在各个随后的成直线的蒸发器中降低。在多个实施方式中，五个或六个蒸发效应当量是多效应蒸发系统中的一系列五个或六个成直线的单独的蒸发器。为了促使蒸发，在各个连续的蒸发器中，待蒸发的较高压力的冷凝气体和较低压力材料之间的温度差为了经济操作目的是至少5℃，并且优选地高达10℃。因此，在谷物乙醇工艺中，在高于105℃的温度下开始使得能够经济地使用四个或更多个成直线的蒸发器，这与在低于105℃的温度下运行第一有效蒸发器形成对比，其中至多三个有效蒸发器可以经济地运行。通常，各个连续的蒸发器在比前一个蒸发器更低的温度和压力下运行。

在一个实施方式中，四个蒸发效应当量是至少第一蒸发器级和至少一个蒸汽再压缩单元，所述蒸汽再压缩单元提供等价于四个蒸发效应的足够的蒸发加强能力。在一个实施方式中，在多级蒸发系统中存在两个蒸发器级和至少一个蒸汽再压缩单元，所述蒸汽再压缩单元提供用来提供等价于四个蒸发效应的蒸发能力的足够增强的蒸发能力。在多个实施方式中，在蒸发器级和蒸汽再压缩单元的任意数量组合中，存在一个，两个，三个，四个，或五个蒸发器以及一个，两个，三个，四个，或五个蒸汽再压缩单元，其中蒸汽再压缩单元的数量等于或小于蒸发器级的数量，由此，所获得的蒸发效应的最终数量超过仅仅蒸发器级能够提供的数量。

在构成至少四个蒸发效应当量的蒸发器级和蒸汽再压缩单元的任意组合中，来自精馏塔的热量用来加热第一蒸发器级。来自第一蒸发器级中产生的物流的热量的第一部分被传送通过蒸汽再压缩单元以及返回至第一蒸发器级，来自第一蒸发器级中产生的物流的热量的第二部分被传送：a)至第二蒸发器级（如果存在的话），并且来自第二蒸发器级中产生的蒸汽的热量被传送至啤酒蒸馏塔，或者b)直接至啤酒蒸馏塔。作为选择地，可能存在与第二蒸发器级相关联而不与第一蒸发器级相关联的再压缩单元。

在任意这些实施方式中，第一蒸发器级是在高于105℃的温度下运行的第一有效蒸发器。与蒸发器级相关联的蒸汽再压缩单元压缩来自与其相关联的蒸发器产生的蒸汽的至少一部分并且将压缩的蒸汽返回至同一蒸发器，由此，产生额外的热量。基于与基于仅仅外部热源能够产生的蒸发量相比被压缩的蒸汽量，额外的热量提供了与单个蒸发器级相比来说额外的蒸发效应当量。

基于提供的初始热量与通过蒸汽再压缩返回的热量之和除以提供的初始热量，蒸发器和蒸汽再压缩系统作为整体提供了与一定数量当量等价的蒸发能力。当蒸汽再压缩应用于串联的多个蒸发器时，当量级的数量是：所提供的初始热量和蒸发器数量的乘积加上通过蒸汽再压缩转移的热量与转移所覆盖的蒸发器数量的乘积一起来除以所提供的初始热量。因此，在多个实施方式中，使用一个或多个蒸发器以及一个或多个蒸汽再压缩单元可以得到四个蒸发效应当量。

Claims (10)

1.一种包含蒸发系统的装置，其特征在于，所述蒸发系统包括：

a.蒸发器，具有：

(i)工艺入口；

(ii)蒸发产物出口；以及

(iii)固体产物出口；

b.与所述蒸发器热连通的外部热源，用于为所述蒸发器提供热量；以及

c.蒸汽再压缩单元，具有：

(i)使用蒸发管道与所述蒸发器的所述蒸发产物出口相连接的入口；以及

(ii)使用循环管道与所述蒸发器的循环入口相连接的出口。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒸发系统的蒸发器包括：

彼此串联连接成串联组的两个或更多个蒸发器，各个蒸发器还具有循环入口，其中，所述工艺入口是水流入口；

其中，除了串联组中的第一个蒸发器的水流入口之外，每个蒸发器的水流入口与串联组中的前一个蒸发器的固体产物出口流体连通；并且其中，除了串联组中的最后一个蒸发器的固体产物出口之外，所述固体产物出口与串联组中的后一个蒸发器的水流入口流体连通；以及

两个或更多个蒸汽再压缩单元，每个蒸汽再压缩单元具有：

a)与串联组中的相应蒸发器的蒸发产物出口流体连通的入口；以及

b)与串联组中的相应蒸发器的循环入口流体连通的出口。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述蒸发系统进一步包括多个管路，每个管路与相应的一个或所述两个或更多个蒸发器的入口相连，所述多个管路中的每个具有能够仅关停至其相应蒸发器的流的阀门，而串联组中的其它蒸发器仍然保持运行。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括厌氧消化池，所述厌氧消化池具有：

a)与所述蒸发器的蒸发产物出口连通的入口；以及

b)循环水流出口。

5.一种用于精制从纤维素类生物质发酵得到的发酵啤酒的装置，其特征在于，所述装置包括：

啤酒蒸馏塔，包括：

a)啤酒入口；

b)含乙醇的蒸汽出口；

c)水流出口；

固体清除机械，包括：

a)与所述啤酒蒸馏塔的水流出口流体连通的水流入口；

b)除去固体的水流出口；以及

根据权利要求1所述的装置，其中所述蒸发器的水流入口与所述固体清除机械的除去固体的水流出口流体连通。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括精馏塔，所述精馏塔包括：

a)与所述啤酒蒸馏塔的蒸汽出口流体连通的入口；

b)富含酒精的蒸汽出口；以及

c)低酒精的水流出口。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置的外部热源至少部分地包括精馏塔，且其中所述精馏塔与所述蒸发器热连通。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括分子筛，所述分子筛具有：

a)与所述精馏塔的富含酒精的蒸汽出口流体连通的入口；

b)纯化的酒精产物出口；以及

c)与所述啤酒蒸馏塔的入口流体连通、或与所述精馏塔的入口流体连通、或与所述啤酒蒸馏塔的入口和所述精馏塔的入口都流体连通的循环水流出口。

9.一种纤维素类乙醇系统，其特征在于，所述纤维素类乙醇系统包括：

a.包括发酵基质的发酵桶；

b.保留发酵啤酒的啤酒发酵池；

c.包括发酵啤酒的啤酒蒸馏塔；

d.冷凝器；

e.一系列至少四个根据权利要求1所述的装置；

f.清除CO₂的洗气罐；

g.精馏塔；

h.分子筛单元；以及

j.产物塔；

其中所述发酵桶、所述啤酒发酵池和所述啤酒蒸馏塔顺次连接；以及

其中所述啤酒蒸馏塔、第一冷凝器和洗气罐顺次连接；以及

其中所述啤酒蒸馏塔、第一冷凝器和精馏塔顺次连接；以及

其中所述精馏塔、分子筛单元、第二冷凝器和产物塔顺次连接。

10.一种纤维素类乙醇系统，其特征在于，所述纤维素类乙醇系统包括：

a.啤酒蒸馏塔，具有：

(i)用于接收包括乙醇、水、溶解物和固体的发酵产物的啤酒入口；

(ii)用于允许富含乙醇的蒸汽流从所述啤酒蒸馏塔离开的蒸汽出口；以及

(iii)用于允许酒糟产物从所述啤酒蒸馏塔离开的酒糟出口；

b.固体清除机械，其用于从所述啤酒蒸馏塔接收所述酒糟产物，所述固体清除机械包括：

a)与所述酒糟出口流体连通的水流入口；

b)除去固体的水流出口；

c.根据权利要求1所述的装置，其中，所述工艺入口是与所述固体清除机械的除去固体的水流出口流体连通的水流入口；

d.冷凝器，具有：

(i)用于从所述啤酒蒸馏塔接收富含乙醇的蒸汽流的蒸汽入口；以及

(ii)用于允许富含乙醇的水流从所述冷凝器离开的冷凝物出口；

e.精馏塔，具有：

(i)用于从所述冷凝器接收富含乙醇的水流的水流入口；

(ii)用于允许另外的富含乙醇的水流从所述精馏塔离开的蒸汽出口；以及

(iii)用于允许废水流从所述精馏塔离开的出口；

f.分子筛，具有：

(i)用于从所述精馏塔接收所述另外的富含乙醇的水流的入口；

(ii)用于允许另外的低水乙醇产物从所述分子筛离开的乙醇产物出口；以及

(iii)用于允许废水产物从所述分子筛离开的出口；

g.产物蒸馏塔，具有：

(i)用于从所述分子筛接收所述另外的低水乙醇产物的入口；

(ii)用于允许污染物蒸汽流从所述产物蒸馏塔离开的废蒸汽出口；以及

(iii)用于允许纯化的乙醇产物从所述产物蒸馏塔离开的纯化产物出口。