節(jié)能型生物乙醇萃取精餾工藝的模擬研究

胡有元，朱柳柳

(1.中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103；2.中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580)

生物乙醇是以生物質(zhì)為原料通過發(fā)酵而制得的，生物乙醇是目前最有前途的可替代與可持續(xù)發(fā)展的燃料[1]，它優(yōu)于其他可替代燃料的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其可以很容易與現(xiàn)有燃料系統(tǒng)混合。生物乙醇與汽油混合后直接用作車用燃料，還可作為汽油增氧劑和高辛烷值調(diào)和組分，可顯著降低汽車尾氣中的有害物質(zhì)，起到凈化空氣的功效[2-3]。

生物發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量一般在5%～12%，需要進行濃縮后才能達(dá)到生物乙醇標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有工藝一般是先采用精餾的方法將乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量由5%～12%濃縮到91%～94%，然后再進行脫水而得到高于共沸點的燃料乙醇。常用的脫水工藝有共沸精餾法、分子篩吸附脫水法、膜分離法及萃取精餾法等[4]。

本文以生物乙醇萃取精餾工藝為研究對象，將差壓熱耦合精餾節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于該流程，并利用流程模擬軟件Aspen Plus進行模擬研究，獲得了優(yōu)化后的工藝參數(shù)，降低了精餾過程能耗。

1 常規(guī)萃取精餾流程的模擬與優(yōu)化

1.1 模擬條件

本案例在模擬過程中僅考慮乙醇-水兩組分分離，選用乙二醇作為萃取劑，熱力學(xué)模型選擇NRTL模型。進料乙醇-水溶液中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量為10%，進料流量為120 t/h。濃縮塔的理論板數(shù)初始值為30塊，進料位置初始值為第19塊板，回流比初始值為2，規(guī)定濃縮塔的塔頂產(chǎn)品中乙醇純度為91%(該值為Kiss與Ignat[5]等人優(yōu)化共沸點前采出的最優(yōu)值)。

1.2 濃縮塔的模擬及優(yōu)化

本節(jié)利用流程模擬軟件對常規(guī)流程濃縮塔的回流比、進料位置與理論板數(shù)進行優(yōu)化，用于確定最佳的回流比、進料位置及理論塔板數(shù)。圖1為常規(guī)流程濃縮塔流程圖。

圖1 常規(guī)流程濃縮塔流程圖

1.2.1 濃縮塔回流比的模擬優(yōu)化

圖2 回流比RR對產(chǎn)品濃度的影響

圖3 回流比RR對再沸器負(fù)荷Qreb的影響

在初始值的基礎(chǔ)上，通過靈敏度分析考察回流比(RR)與塔頂乙醇濃度(ETOH)、塔釜液中水的濃度(Water)以及塔釜再沸器負(fù)荷(Qreb)的影響。

從圖2可以看出，塔頂乙醇濃度隨著回流比的增大而逐漸增加，當(dāng)回流比達(dá)到1.34后，塔頂乙醇濃度隨著回流比的增大而保持不變。在回流比的變化過程中，塔釜液中水的濃度幾乎保持不變。從圖3可知，塔釜再沸器熱負(fù)荷隨著回流比的增加而增大。因此，濃縮塔最佳回流比為1.34。

1.2.2 濃縮塔進料位置的優(yōu)化

在確定回流比后，通過靈敏度分析考察進料位置(Fstage)對塔頂乙醇濃度(ETOH)、塔釜水濃度(Water)以及塔釜再沸器熱負(fù)荷(Qreb)的影響。

圖4 進料位置對產(chǎn)品濃度影響

圖5 進料位置對再沸器熱負(fù)荷影響

從圖4可以看出，在最優(yōu)回流比下，當(dāng)進料位置在第17～20塊板時才能滿足塔頂乙醇的濃度要求，而塔釜液濃度變化不大。從圖5可以看出，當(dāng)進料位置在第18塊板時，再沸器負(fù)荷最小(塔頂冷凝器負(fù)荷也相應(yīng)變小)。因此，在保證塔頂乙醇濃度的前提下，濃縮塔的最優(yōu)進料位置為第18塊板。

1.2.3 濃縮塔理論塔板數(shù)的優(yōu)化

關(guān)于理論板數(shù)的優(yōu)化，本文參考了Luyben在書[6]中給出的一種優(yōu)化理論板數(shù)方法。該方法為：保持進料位置與總理論板數(shù)為固定比例，通過分析理論板數(shù)的影響從而確定最優(yōu)的理論板數(shù)。依據(jù)這一方法，通過靈敏度分析考察理論板數(shù)(Nstage)對塔頂乙醇濃度(ETOH)、塔釜水濃度(Water)以及塔釜再沸器熱負(fù)荷(Qreb)的影響。

圖6 理論板數(shù)對產(chǎn)品濃度影響

圖7 理論板數(shù)對再沸器熱負(fù)荷影響

從圖6可以看出，當(dāng)理論板數(shù)小于30時，塔頂乙醇濃度逐漸隨著理論板數(shù)的增加而增加，但當(dāng)理論板數(shù)超過30塊時塔頂乙醇濃度維持在91%不變。整個過程中理論板數(shù)對塔釜水濃度影響不大。從圖7可以看出，隨著理論板數(shù)逐漸增加，再沸器熱負(fù)荷逐漸減小后趨于穩(wěn)定。當(dāng)理論板數(shù)大于30時，再沸器負(fù)荷減小不明顯，但隨著理論板數(shù)的增加反而會加大設(shè)備投資。因此，綜合來看，理論板數(shù)優(yōu)化值為30，進料位置為第18塊板。

1.3 常規(guī)流程全流程模擬

依次對萃取精餾塔(T2)和萃取劑回收塔(T3)進行模擬優(yōu)化，最終建立的萃取精餾分離乙醇-水混合物的常規(guī)流程如圖8所示。該流程為三塔結(jié)構(gòu)，依次為濃縮塔(T1)、萃取精餾塔(T2)和萃取劑回收塔(T3)。萃取精餾塔(T2)塔頂?shù)玫劫|(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8%的乙醇產(chǎn)品，濃縮塔(T1)塔底和萃取劑回收塔(T3)塔頂產(chǎn)品均為廢水。

人的命運很奇特，一個偶然的機會就能改變一生軌跡。當(dāng)時八卦掌祖師董海川的大徒弟尹福在五王府任護院總管，宮寶田到王府送米的時候，偶爾能遇到尹福教弟子打拳。宮寶田小孩心性，看到了就忍不住在一邊觀摩比劃。尹福見他的次數(shù)多了，就問他是不是想學(xué)武。宮寶田一聽，立馬就跪下磕頭行了拜師禮。于是從此宮寶田就辭去了米房的差事，吃住都由尹福負(fù)責(zé)，專門跟著尹福開始學(xué)習(xí)八卦掌。

圖8 常規(guī)乙醇濃縮與萃取精餾脫水流程

常規(guī)流程模擬優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1 常規(guī)流程工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2 萃取精餾的節(jié)能設(shè)計與模擬優(yōu)化

2.1 流程建模

差壓熱耦合精餾是由李鑫鋼[7]等人提出，其流程如圖9所示，它是將常規(guī)精餾塔從進料位置處分為兩個塔，精餾段(Rectifier)為加壓操作，提餾段(stripper)為正常壓力操作，通過改變壓力使精餾段塔頂溫度高于提餾段塔釜溫度，然后利用精餾段塔頂氣相加熱提餾段塔釜再沸器從而實現(xiàn)精餾過程中的熱量集成。

圖9 差壓熱耦合流程圖

將差壓熱耦合技術(shù)應(yīng)用于濃縮塔，建立后的模型如圖10所示。原料(物流1)從濃縮塔提餾段T1-1的頂部進入，濃縮塔提餾段T1-1塔頂蒸汽(物流2)經(jīng)壓縮機C1加壓后作為濃縮塔精餾段T1-2塔釜的上升蒸氣，濃縮塔精餾段T1-2塔頂蒸汽(物流5)與濃縮塔提餾段T1-1塔釜液相(物流9)在換熱器E1中進行熱量交換，換熱后的蒸汽(物流6)經(jīng)冷卻器E3冷凝為飽和液體(物流7)后分為兩部分，一部分返回到濃縮塔精餾段T1-2塔頂作為液相回流，另一部分作為產(chǎn)品采出。換熱后的濃縮塔提餾段T1-1塔釜液相(物流10)經(jīng)加熱器E2進一步換熱后滿足塔釜再沸器的出料要求。

圖10 差壓熱耦合精餾模擬流程

2.2 濃縮塔的模擬及優(yōu)化

在常規(guī)濃縮塔優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用差壓熱耦合流程后只需要優(yōu)化壓縮機的壓縮比。通過靈敏度分析來考察壓縮比(CR)對換熱器E1換熱溫差(△T)、加熱器E2熱負(fù)荷(QE2)、壓縮機軸功(Qcomp)與總能耗(Qcons)的影響，其結(jié)果如圖11和12所示。

從圖11可以看出，隨著壓縮比的增加，換熱器E1的換熱溫差逐漸增大。由圖12可以看出，隨著壓縮比的增加，壓縮機功率逐漸增大，總能耗增加，而加熱器E2的熱負(fù)荷不斷減小，這主要是因壓縮比增大導(dǎo)致濃縮塔精餾段T1-2塔頂蒸汽溫度升高從而可提供更多的熱量，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器E1熱負(fù)荷增加，加熱器E2熱負(fù)荷減少。在滿足換熱器換熱溫差的前提下，應(yīng)盡量減小壓縮比。換熱器溫差過小會導(dǎo)致實際換熱過程中換熱面積無限增大，換熱器溫差過大會導(dǎo)致?lián)Q熱器面積過小而不利于節(jié)能。因此，綜合考慮，換熱器E1的換熱溫差△T定為10℃，此時最優(yōu)壓縮比為3.15。

圖11 壓縮比CR對△T的影響

圖12 壓縮比CR對QE2、Qcomp與Qcons影響

2.3 改進流程全流程模擬

將優(yōu)化后的差壓熱耦合流程應(yīng)用于常規(guī)萃取精餾形成了改進流程，流程建模如圖13所示。

圖13 改進后的乙醇濃縮與萃取精餾脫水流程

改進流程工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 改進流程工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3 改進流程與常規(guī)流程的比較

3.1 消耗及能耗對比

兩種流程的公用工程消耗及能耗對比見表3所示。

表3 兩種流程的消耗及能耗對比

從表3可看出，改進流程低壓蒸汽消耗減少16.82t/h，但壓縮機電耗增加1178kW。經(jīng)過能耗計算，改進流程比常規(guī)流程節(jié)能29.03%。

3.2 操作費用對比

中壓蒸汽價格為150元/t，中低壓蒸汽為100元/t，電價為0.5元/度，循環(huán)水價格為0.25元/t。在上述公用工程價格體系下，裝置按照年運行時間8000h來考慮，常規(guī)流程年操作費用為3833萬元，改進流程年操作費用為2890萬元，改進流程年節(jié)省操作費用943萬元。

3.3 投資對比

改進流程相比于常規(guī)流程，在設(shè)備上增加了一套壓縮機系統(tǒng)和一臺換熱器，經(jīng)初步估算，改進流程投資增加約4000萬元，新增設(shè)備投資回收期約為4.2年，具有一定的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

(1)在常規(guī)萃取精餾分離生物乙醇-水混合物的基礎(chǔ)上，將差壓熱耦合精餾技術(shù)應(yīng)用于該分離工藝形成了改進流程，改進流程節(jié)能29.03%，具有一定的經(jīng)濟效益。

(2)改進流程雖在節(jié)能方面效果顯著，但由于設(shè)備臺數(shù)增加和一次性投資相對增加，增加了裝置的操作復(fù)雜性。因此，對于工業(yè)化裝置而言，需要結(jié)合投資、消耗及操作復(fù)雜性等因素而綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

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[6]Luyben W L.Distillation design and control using Aspen simulation[M].John Wiley & Sons,2013.

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