以木薯為原料制無水乙醇精餾工段節能優化*

王麗，李美書，李堅，李福源

（1.廣東石油化工學院化學工程學院，廣東茂名525000；2.質量計量監督檢測所，廣東茂名525000）

以木薯為原料制無水乙醇精餾工段節能優化*

王麗1，李美書1，李堅2，李福源1

（1.廣東石油化工學院化學工程學院，廣東茂名525000；2.質量計量監督檢測所，廣東茂名525000）

通過Aspen Plus對木薯制取無水乙醇的精餾段工藝進行了模擬計算，利用夾點分析技術，經Aspen energy analyzer對無水乙醇精餾工段進行了用能診斷和換熱網絡設計。研究表明，設計最大熱回收網絡節省的冷公用工程量為2 937.15 kW，約節約28.83%能量。換熱網絡設計為該工藝精餾段節能降耗提供了理論依據。

Aspen Plus；無水乙醇；精餾；換熱網絡；夾點技術

0 引言

無水乙醇可作為汽車燃料應用于專用的乙醇發動機中，也可與汽油摻混用于汽油發動機中以達到節約汽油的目的［1－2］。無水乙醇精餾段能耗占整個工藝過程能耗的50%～60%，如何進一步進行節能優化設計，降低生產成本，以獲得低成本、高純度的無水乙醇，一直是該行業關注的熱點問題［3－6］。

20世紀70年代末，由英國學者Linnhoff等［7］提出的過程系統節能中的夾點技術令人矚目。近年來，夾點技術應用于裝置節能改造中的效果十分明顯，因此成為了廣泛應用于過程熱集成設計的有效方法。Aspen energy analyzer是以回收系統能量最大值作為目標，即通過軟件分析計算得到系統所需最小熱公用工程和最小冷公用工程。孫琳［8］等以夾點技術為基礎，結合數學規劃法，采用了兩步法綜合多程換熱網絡，以Aspen energy analyzer為工具，建立了多程換熱網絡的超結構模型，實現了多程換熱網絡的自動綜合。李廣彩［9］等利用Aspen energy analyzer為工具，對整個酒精生產過程用能狀態進行了診斷，找出了原換熱網絡用能“瓶頸”，應用夾點匹配對系統進行了節能優化，使得噸酒精循環冷卻水用量減少了11.7%，評估每年節省費用為284.9萬元。

本文以木薯為原料，經過原料預處理，木薯酶解、液化糖化、發酵等生產工藝得到粗酒精，再經過醪塔、精餾塔、萃取精餾塔和回收塔分離得到無水乙醇。利用Aspen Plus對木薯制取無水乙醇的精餾段工藝進行了模擬計算，并利用夾點分析技術，用Aspen energy analyzer對無水乙醇的精餾工段進行了用能診斷和換熱網絡設計。可連續模擬出高純度達99.9%（質量分數，下同）的無水乙醇，設計的最大熱回收網絡可節省冷公用工程用量約28.83%。這充分體現了夾點技術在工業生產中節能優化設計上的優勢。

1 工藝流程與方法

1.1 工藝流程

無水乙醇分離工藝流程見圖1。工藝的主要設備有醪塔、精餾塔、萃取塔、回收塔、壓縮機等。成熟醪液進入醪塔精餾，醪塔塔頂的蒸氣經加壓預熱后進入精餾塔進行精餾。精餾塔出來的工業乙醇進入萃取精餾塔，酒糟由粗塔底部排出。從萃取精餾塔制得的燃料乙醇由萃取塔塔頂液相采出，萃取塔塔底的物流進入回收塔內得到萃取劑，循環使用。

本工藝采用以乙二醇作萃取劑的多效萃取精餾法。由于萃取過程中的中間產品不接近共沸組成，因而避免了夾點，而且精餾塔的塔板數可以較少。同時在萃取劑中加入醋酸鉀鹽，一方面利用溶鹽提高欲分離組分之間的相對揮發度，克服純溶劑效能差、用量大的缺點；另一方面能保持液體分離劑容易循環和回收、便于在工業生產上實現的優點。

1.2 無水乙醇分離工藝模擬計算方法

圖1 無水乙醇分離工藝流程

計算規模為年產無水乙醇2萬t，年操作時間為300 d，原料進料流率為41 581.5 kg/h。采用的原料為乙醇（質量分數為8.05%）、水（質量分數為91.95%）。原料溶液壓力為常壓，溫度為25℃。各塔主要控制參數如表1所示。選擇NRTL方程作為熱力學方法，并使用RadFrac模型對精餾工藝進行模擬。

表1 塔器條件

1.3 夾點確定方法

采用操作型夾點計算方法，即確定現有過程中熱物流量沿溫度的分布，熱流量等于0處即為夾點。在計算過程中，Aspen energy analyzer調用系統的熱、冷物流數據，包括熱容流率、初溫、終溫等。根據最小允許傳熱溫差來確定夾點位置，并得到系統所需的熱、冷最小公用工程負荷。

1.4 問題表格確定方法

將系統進行溫區劃分，分別將所有熱流和所有冷流的進出口溫度從小到大排列起來，對系統進行溫區劃分。由Aspen energy analyzer從系統中導出問題表格。

2 結果與討論

2.1 Aspen Plus工藝模擬結果

Aspen Plus模擬計算結果如下：醪塔塔頂氣和塔底乙醇的質量分數分別為46.6%、0.2%；精餾塔塔頂產品和塔底乙醇的質量分數分別為94.6%、4.1%；萃取塔塔頂產品乙醇的質量分數為99.9%，水的質量分數為0.1%。各物流的工藝參數均滿足整個工藝要求。

通過對現有燃料乙醇分離工藝進行能量衡算，可得此流程下共消耗熱公用工程用量為10 369.62 kW，冷公用工程用量為10 189.95 kW。

2.2 夾點的計算

精餾段冷熱物流數據如表2所示。

表2 精餾段冷熱物流數據表

續表

對每一個特定的換熱網絡而言，都會存在一個比較合理的夾點溫差。一般情況下，化工裝置的夾點溫差△Tmin通常為5～30℃，本文從該裝置的實際工況操作、熱回收能量及換熱面積等因素考慮，使用Aspen Energy Analyzer以總費用為縱坐標，以△Tmin為橫坐標進行計算得夾點溫差－總費用關系圖，如圖2所示。

由圖2可見，當△Tmin＝10℃，系統總費用達到最小且趨于平穩。故選取△Tmin＝10℃，然后通過問題表格法來計算夾點溫度。

圖2 夾點溫差－總費用關系

2.3 問題表格的計算

整個精餾系統可以劃分為20個溫區，結果如圖3所示。導出系統問題表格如表3所示。

圖3 系統溫區

表3 問題表格

續表

由圖3可以得到，夾點溫度為96.55℃，系統能量目標即最小冷公用工程量為7 252.04 kW，最小熱公用工程量為7 432.47 kW。通過夾點計算，可以發現系統裝置的換熱網絡具有很大的節能潛力。

系統換熱網絡柵格圖如圖4所示。結合表3及圖4分析，將能量目標與原有工藝流程換熱網絡能耗相比較，則可得到理論節能潛力。最大熱回收網絡所需最小冷公用工程量為7 252.04 kW，而原有工藝流程的冷公用工程用量為10 189.19 kW，理論上最大熱回收網絡節省的冷公用工程量為2 937.15 kW，可節約28.83%。最大熱回收網絡所需最小熱公用工程量為7 432.47 kW，原有工藝流程的熱公用工程用量為10 369.62 kW，理論上最大熱回收網絡節省的熱公用工程量為2 937.15 kW，可節約28.32%。

圖4 系統換熱網絡

3 結論

（1）本論文通過流程模擬軟件Aspen plus模擬了燃料乙醇的精餾工段，選擇NRTL方程作為熱力學方法，使用RadFrac模型對精餾工藝進行了模擬。模擬結果表明各物流的工藝參數均滿足整個工藝流程的要求。

（2）利用夾點分析技術，對燃料乙醇的精餾工段進行了換熱網絡設計。首先利用問題表格法確定系統的夾點位置，然后通過柵格圖確定換熱網絡用能是否存在不合理之處，從而提出解決的措施。結果表明，最大熱回收網絡的最小冷公用工程量為7 252.04 kW，原有工藝流程的冷公用工程用量為10 189.19 kW，最大熱回收網絡節省的冷公用工程量為2 937.15 kW，節約28.83%。最大熱回收網絡的最小熱公用工程量為7 432.47 kW，原有工藝流程的熱公用工程用量為10 369.62 kW，最大熱回收網絡節省熱公用工程量為2 937.15 kW，節約28.32%。

［1］王麗，王世勤，李堅，等.二甲醚分離工藝過程模擬［J］.廣東石油化工學院學報，2014，24（1）：1－3，7.

［2］楊慧，陳礪，嚴宗誠.燃料乙醇精餾工藝的模擬優化與節能研究［J］.釀酒科技，2009（10）：43－47.

［3］孫清.燃料乙醇技術講座（四）乙醇的精餾與脫水［J］.可再生能源，2010（28）：154－156.

［4］Schmidt K A G，Maham Y，Mather A E.Use of the NRTL equationfor simultaneous correlation of vapour－liquid equilibria and exeess enthalpy［J］.Journal of thermal analysis and calorimetry，2007，89（l）：61－72.

［5］涂惟民，崔國民，李瑜.以綜合費用最小為目標的無分流換熱網絡綜合［J］.化學工程，2011，39（5）：90－93.

［6］楊宏軍，李靜.基于最優夾點溫差的換熱網絡優化設計［J］.能源工程，2010（1）：56－59.

［7］李軍.20萬噸/年醋酸乙烯精餾及換熱網絡的模擬與優化［D］.合肥：合肥工業大學，2013.

［8］孫琳，趙野，羅雄麟.基于夾點技術與超結構模型的多程換熱網絡最優綜合［J］.化工學報，2014，65（3）：967－975.

［9］李廣彩，劉磊.酒精生產過程熱夾點技術的節能改造［J］.廣州化工，2010，38（4）：219－220.

Energy Saving and Optimization of the Cassava Ethanol Distillation Process by Aspen Plus

WANG Li1，LI Meishu1，LI Jian2，LI Fuyuan1
（1.College of Chemical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.Maoming Quality Supervision and Inspection Measurement，Maoming 525000，China）

Process of preparing anhydrous ethanol from cassava is calculated by the Aspen Plus.The Aspen energy analyzer is used to diagnose and design the heat exchanger network for anhydrous ethanol distillation process by the pinch analysis techniques.The largest heat recovery design of the cold public works is 2 937.15 kW，which saves about 28.83%energy.The design provides a theoretical basis for energy saving of the anhydrous ethanol distillation process.

Aspen Plus；Anhydrous ethanol；Distillation；Heat exchanger network；Pinch technology

TQ223.12＋2

A

2095－2562（2016）01－0012－05

（責任編輯：梁曉道）

2015－09－21；

2015－11－02

廣東省自然科學基金資助項目（2015A030313766）；國家級大學生創新創業訓練項目（201411656002）；廣東省大學生創新創業訓練項目（1165613004，1165613011，201411656025）；茂名市科技計劃（20120265，201312，20140310）

王麗（1983—），女，湖北洪湖人，博士，副教授，主要從事等離子體技術應用研究。