燃料乙醇精馏工艺的模拟优化与节能研究

酿酒科技2009年第10期(总第184期)· LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No,10To.184)燃料乙醇精馏工艺的模拟优化与节能研究杨慧,陈砺,严宗诚,王红林(华南理工大学化学与化工学院,广东省绿色化学产品技术重点实验室,广东广州510640)摘要:将工业乙醇生产的一级精馏系统和燃料乙醇生产的加盐萃取精馏系统合并,在差压精馏节能技术的基础上,利用过程系统模拟软件ProⅡ对蒸馏工艺进行模拟优化。醪塔:最佳理论塔板教为15块,塔顶压力为50κPa;精馏塔:最佳理论塔板教为30块,塔頂压力为200kPa,回流比为3.4;萃取精馏塔:塔頂产品乙醇体积浓度为998%(优级纯)时,所需最佳理论塔板数为30块,回流比为04,萃取剂和酒精质量比为1.2:1;萃取剂回收塔:在塔釜液含水量为02%ww)的前提下,最佳理论塔板数为10块,回流比为0.5。另外,采用热能耦合、闪蒸技术、设置中间再沸器等一系列节能措施,结合然料乙醇生产的蒸煮工段,对热量进行充分利用,使冷却水以及加热蒸汽的用量大大减少。关键词:燃料乙醇;萃取精馏;模拟优化;节能中图分类号:TS2622;TS2614;TP27文献标识码:A文章编号:1001-9286(2009)10-0043-0Research on the Simulation Optimization and Energy Saving ofExtractive Distillation in Fuel Ethanol ProductionYANG Hui, CHEN Li, YAN Zong-cheng and WANG Hong-lin(School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, ChinaAbstract: The first-grade distillation system in industrial ethanol production and the salt-added extractive distillation system in fuel ethanol pro-duction were combined together and the distillation process was simulated and optimized by simulation software Proll on the basis of the ener-gy-saving technique of differential pressure distillation. The optimized technical parameters were summed up as follows: prefractionator: the besttheoretical number of trays was 15, and the top pressure was 50 kPa; distillation column: the best theoretical number of trays was 30, the top pres-sure was 200 kPa, and the reflux ratio was 3. 4; extractive distillation column: when the ethanol volume concentration of the top product got 99.8%(superior grade pure), the best theoretical number of trays was 30, and the reflux ratio was 0. 4, the mass ratio of extractant and alcohol was 1.2: 1extractant recovery tower: when water content in the bottom product was 0.2 %(w/w). the best theoretical number of trays was 10, and the refluxratio was 0.5. Besides, a series of energy-saving measures were also adopted such as thermal energy coupling, flash steaming technique, and theinstallment of middle reboiler In combination with the cooking procedures in fuel ethanol production, the heating energy was fully utilized so thatthe consumption of cooling water and heating steam were greatly reducedKey words: fuel ethanol; extractive distillation; simulation and optimization; energy saving随着经济的快速发展,类对能源的需求不断增大。冷却水量占总能耗的60%~70%,其中大量的能量被在化石能源日渐匱乏的情况下,发展可再生能源显得尤冷却水、废液等带走造成损失。因此,在酒精生产中合理为重要。乙醇是一种可再生能源,可经玉米、甘蔗、木薯等使用能源,搞好酒精蒸馏工段的余热回收,重复利用余农作物发酵、蒸馏制得。除大量应用于制酒业、化工、医疗热,既可节约能源,又可降低成本,提高企业经济效益。外,还可以作为汽车燃料使用燃料乙醇可以有效节约汽随着燃料乙醇计划的实施,如何高效节能地制备燃油,降低汽车尾气污染物排放推广应用车用乙醇汽油已料乙醇成为一个迫切需要解决的问题。本文将工业乙醇成为我国的一项战略举措,它对有效解决陈化粮转化问生产的一级精馏系统和燃料乙醇生产的加盐萃取精馏系题,稳定农民收入,减少环境污染,缓解石油资源紧张的统合并,结合ProI系统模拟软件进行优化,以确定最佳矛盾,都有十分重要的意义。工艺操作参数和换热方案。燃料乙醇有以下几种生产方法:氧化钙脱水法共沸1精精馏、吸附精馏、渗透汽化、吸附法、萃取精馏法和真空脱水法等。在传统酒精生产中精馏过程所消耗的蒸汽及HH中国煤化工CNMHG年代在我国用于工业收稿日期:2009-07-16酿酒科技200年第10期(总第184期) LIQUOR-MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2000ro14萃取剂成熟发酵醒c叫燃料乙醇废水萃取精馏塔工业乙醇≌直接蒸汽回罐图1燃料乙醇精馏工艺流程图生产以来,经过30多年的积累和完善,已经成为我国生操作参数进行优化。影响能量损耗的因素很多,包括塔板产燃料乙醇的主要方法。对乙醇-水物系加入盐类(Ca-数、塔压、进料位置、回流比等等。采用ProI系统模拟软Cl,, KAc等)会使乙醇对水的相对挥发度大大提高体系件可以方便、快捷、较准确地实现工艺条件的优化。乙醇的恒沸点消失。采用乙二醇作萃取剂,同时在萃取剂中和水均为极性物质,采用NRTL热力学方法模拟。加入醋酸钾盐,一方面利用溶盐提高欲分离组分之间相2.1醪塔对挥发度的突出性能,克服纯溶剂效能差、用量大的缺醪塔负压真空操作,塔顶不设冷凝器,由塔顶进料点;另一方面能使萃取剂容易循环和回收便于在工业生塔顶产品乙醇浓度为4718%(w/w),塔釜采用再沸器加产上实现。将工业乙醇生产的一级精馏系统和燃料乙热(由精馏塔顶蒸汽冷凝换热)。进料量为41581.6kg/h,醇生产的加盐萃取精馏系统合并,其工艺流程见图1。乙醇浓度8.1%(w/w)成熟发酵醪进入醪塔蒸馏,醪塔塔顶的蒸汽经加压2.1.理论塔板数的优化(图2)预热后进入精馏塔精馏。精馏塔出来的工业乙醇进入萃会7160取精馏塔,同时侧线提取部分杂醇油,精馏塔的废水进入7140闪蒸罐内进行汽液分离。从萃取精馏塔制得燃料乙醇,萃7120取塔塔底的物流进入萃取剂回收塔内得到萃取剂循环使用7080该工艺还采用多塔差压蒸馏,实现热能的多次利用达到了节约能源的目的,是通常常压蒸馏工艺所无法比拟的。其中醪塔采用负压真空操作,可以减少该塔的结垢理论塔板数(块现象,延长其使用周期。精馏塔采用加压操作,塔顶蒸汽图2不同理论塔板数下的塔顶产品质量流率通过间接加热醪塔的塔釜的废水而实现冷凝,节约蒸汽从图2中可以看出,塔板数为10块,塔顶产品量明和冷却水用量。但是采用差压蒸馏,还需要优化工艺条显很少;塔板数为20块时,塔顶产品量达到最大,继续增件,同时采用其他节能措施,以达到最大限度的节约能加塔板数塔面产品量保排不但是塔板数为15块时,量塔顶中国煤化工塔板数越少,全塔压降2工艺条件优化就越CNMHG。从节能和产量两方面燃料乙醇的节能首先是对其生产过程的设备参数和综合考虑,确定15块为最佳理论塔板数。节能带来的问题是有少部分酒精流失在塔底废液中,不过流失的量很44砺,严宗诚,王红林·燃料乙醇精馏工艺的模拟优化与节能研究少,基本可不予考虑。30块。212塔顶操作压力的优化22.2塔顶压力的优化醪液在常压状态下进入负压塔中,由于压力突然减对不同塔顶压力条件下所需的蒸汽量进行模拟,结小致使醪液中的挥发性物质急速蒸发在这种状态下酒果见表1。精与不挥发性物质分离得更彻底。不同塔顶压力下的塔表1不同塔顶压力下的模拟结果顶产品质量流率见图3。塔顶压力塔顶温度直接蒸汽量(kg/h)最小的(kPa)(④)(蒸汽压力为310kPa)回流比1503.3唱7202103.423037367173.425067403.4塔顶压力(kPa)由表1可以看出,当塔顶压力在200kPa以上时,精图3不同塔顶压力下的塔顶产品质量流率馏塔塔顶与醪塔塔釜的温差达10℃以上(醪塔塔釜温度在塔压降一定的情况下,考察塔顶操作压力对塔顶为357K)。随着塔顶压力的增大,塔顶温度逐渐升高,所产品量的影响。塔顶压力从35kRa升至50kPa变化时,需直接蒸汽量也增大。冷凝器热负荷通过改变回流比可塔顶产品量逐渐增大。继续增大塔顶压力,塔顶产品量保以调节。所以塔顶压力选择20kPa,在满足温差要求的持不变在塔顶出料量达到最大的情况下,塔顶操作压力前提下,其所需直接蒸汽量最小。越小再沸器的热负荷就越小。所以,塔顶最佳操作压力23萃取精馏塔为50kPa23.1理论塔板数的优化22精馏塔固定回流比为04,塔顶产品乙醇的体积浓度精馏塔的塔顶蒸汽与醪塔塔釜的再沸器换热,要求998%,考察不同理论塔板数对塔顶产品质量流率的影换热温差不低于10℃。醪塔塔顶产品加压预热后进入响,结果见表2。精馏塔,精馏塔塔顶产品中乙醇浓度为924l%(ww)表2不同理论塔板数时的塔顶出料量221理论塔板数的优化理论塔板数(块)塔顶出料量(kg/h)理论塔板数在从30块到75块的变化过程中,塔顶1654产品质量流率恒定为3642kgh。所以考察塔底直接加热蒸汽量随理论塔板数变化的情况。不同理论塔板数时的3378塔底直接加热蒸汽量见图4。3377当塔板数为15块时,塔顶出料量明显很少;逐渐增加塔板数,当塔板数为30块时,塔顶出料量达到最大值3378kgh。所以,最佳理论塔板数为30块。232萃取剂添加量的优化萃取剂中醋酸钾的浓度为13%(w),固定回流比303540506570750.4塔顶产品质量流率为3378kg/h。考察萃取剂和工业酒精质量比值对塔顶产品中乙醇体积浓度的影响,结果图4不同理论塔板数时的塔底直接加热蒸汽量见表3。由表3可以知道,当萃取剂和工业酒精质量比值在从图4中可知,随着理论塔板数的减少,塔底所需的直接加热蒸汽量也逐渐减少。因为塔板数越少,全塔压降0V山中国煤化工醇的体积浓度都达不就越小,当塔顶压力一定时塔釜压力就越低,因而所需到99CNMHG量比值为12时塔顶产品中乙静的积浓度即到分离要求的998%;继的直接加热蒸汽量就越少。当理论塔板数低于30块时,无法达到塔顶产品的分离要求。所以最小理论塔板数为续增加萃取剂,当其比值为1.5时塔顶产品中乙醇的体酿酒科技2009年第10期(总第184期) LIQUOR- MAKING SCIENCE& TECHNOLOGY2009No.l0Toll84表3不同萃取剂和工业酒精质量比值下塔顶3节能措施产品中乙醇的体积浓度质量比值塔顶产品乙醇体积浓度除差压精馏之外,还可采用热能回收利用、闪蒸等节(萃取剂/工业酒精)能措施,对燃料乙醇的蒸煮工段与精馏工段进行热能耦0.598.5合。其节能措施为:(1)采用蒸煮工段成熟醪经汽液分离器后的二次蒸汽给醪塔塔顶产品预热。生产每吨燃料乙醇可以节约热99.8能3.6×103k。2)醪塔塔底废醪液用于给醪塔待蒸馏的发酵成熟积浓度仍为998%。所以萃取剂和工业酒精的质量比醪预热。醪塔待蒸馏的发酵成熟醪从35℃预热到65℃,值取1.2。与此同时,醪塔塔底的废醪液由85℃降温至48℃。生产2.3.3回流比对塔顶出料量的影响每吨燃料乙醇可以节约热能L.75×10kJ。工业酒精和萃取剂进塔速率一定时,即有适宜的回(3)经汽液分离器的蒸煮醪需要冷却,冷却水可以用流比当萃取剂与工业酒精的质量比值为12时,考察回于搅拌木薯干制粉浆。生产每吨燃料乙醇可节约拌料用流比与塔顶产品量的关系(见图5)。水量10745kg,节约热能1.02×10°kJ。(4)酒精发酵过程中产生很大的热量,而其酒精发酵最佳温度一般在30~33℃,这样就需要大量的冷却水。尽管也有人提出将热管技术应用到酒精发酵罐中,采用风冷而不需消耗冷却水,但目前还处在开发阶段。如将部分发酵冷却水,经萃取精馏塔塔顶的冷凝器换热,再与0.30.40.8萃取剂回收塔底的高温萃取剂换热,以节约冷却水用量。图5不同回流比下的塔顶产品质量流率最后流入冷却水回收塔,加热成蒸汽,作为精馏塔、蒸煮锅直接蒸汽的来源。生产燃料乙醇,每吨可以节约用水从图5中可以明显看出回流比为03时,塔顶产量8400kg,节约热能696823k。明显较低;回流比从04升至3的变化过程中,塔顶产品(5)采用闪蒸节能。精馏塔塔底的高温废水如直接排量基本保持不变。但是回流比越大,再沸器和冷凝器的热出塔外,将造成大量热能的损失。如将高压高温废水流入负荷就越大,从节能的角度出发,塔顶产品量基本不变,常压缓冲罐中,将实现汽液分离。闪蒸的二次蒸汽与一次在产品纯度达到要求的情况下,回流比应选择04。热蒸汽共同进入精馏塔中,对精馏塔塔釜进行加热。由于24萃取剂回收塔闪蒸蒸汽带走大量热能,节能效果非常好。萃取剂乙二醇为高沸点物质沸点为179℃,所以回收时需真空蒸馏,以降低乙二醇的沸点,减少塔釜再沸器采用闪蒸技术生产无水乙醇,可以使直接加热蒸汽的流量由6680kg/h降到6213kgh,即生产每吨无水乙的热负荷。设定塔顶压力为13kPa,塔釜液中水分含量为醇节约150kg的一次加热蒸汽。02%(ww)两(6)萃取精馏塔和萃取剂回收塔设置中间再沸器因表4不同理论塔板数的模拟结果萃取精馏塔和萃取剂回收塔塔釜温度都很高,设置中间理论塔板数(块)塔底出料量(kg/h)最小的回流比4286再沸器可以采用较低温度的加热剂(7)糖化醪冷却釆用螺旋板式换热器代替喷淋冷却02460器。对于解决传热效率低、易沉淀堵塞等问题取得较好效果。另外,使用螺旋板式换热器不仅可以节省换热面43754375积节约投资而且可以大大节约冷却水其用水量仅为喷淋冷却器的652%。生产每吨燃料乙醇可节约冷却水从表4中可明显看出,当理论塔板数为8块时,塔底中国煤化工出料量还较少。当理论塔板数为10块以上时塔底出料4CNMHG量(回收的萃取剂)达到一恒定流率。回流比在理论塔板燃料乙醇生产过程尤其是精馏过程,冷却水以及加数为10块时,取最小值0.5。热蒸汽的耗量很大,在能源日益紧张的形势下,研究该过46杨慧,陈砺,严宗诚,王红林·燃料乙醇精馏工艺的模拟优化与节能研究程的节水节能意义十分重大。在差压精馏这一节能技术[2] Pinto R P, Wolf-MacieI M R, Lintomen L. Saline extractive的基础上,利用过程系统模拟软件Pro对蒸馏工艺进行distillation process for ethanol purification [J] Computers an模拟优化。通过模拟,得到最佳理论塔板数操作压力以Chemical Engineering, 2000, 24(2-7): 1689-1694及适宜回流比等,使得产品产量最大、再沸器和冷凝器的马费华酒精高效清洁生产新工艺M,北京:化学工业出版能耗进一步降低。醪塔:最佳理论塔板数为15块,塔顶压社,2003.81-83力为50kPa;精馏塔:最佳理论塔板数为30块,塔顶压力刘装菊惠生我国酒精精馏技术的新进展酸酒科技,002,(6):45-46.为200kPa,回流比为34;萃取精馏塔:塔顶产品乙醇体[s]陶忠华顾兆林李云等,酒精生产过程用能状况的诊断和调积浓度为99.8%(优级纯)时,所需最佳理论塔板数为30优化工进展,200524(2):182块,回流比为04,萃取剂和酒精质量比为121;萃取剂[6赵淑芳刘宗章张敏华节能型乙醇脱水技术研究进展[酿回收塔:在塔釜液含水量为02%ww)的前提下,最佳酒科技,2006,(1):110-113.理论塔板数为10块,回流比为0.5。7董红星刘剑裴健加盐萃取精馏的研究进展[化工时刊,另外,提出采用热能耦合/闪蒸技术、设置中间再沸2004,18(5):16-19器等一系列节能措施对热量进行充分利用,以减少冷却8]高小珊生料发醇制燃料乙醇工艺流程的模拟与优化研究水及加热蒸汽的用量。加盐萃取精馏是制取燃料乙醇较[D].天津:天津大学,2004[9]赵广旺萃取精馏法制取无水酒精生产工艺简介[山东化工好的一种节能技术,但还要进一步寻求更好的溶剂和盐1999,(3):26-34的体系以及更好的工艺过程使其完善。随着科技的发展[0]李冲洪厚胜,热管技术在酒精发酵生产中的应用[酿酒科新的、更多的节能技术将不断涌现,发展前景将更加广阔。技,2007,8):59-62参考文献[l]曹静.谈酒精生产中换热器的选择及应用[中国酿造,[傅其军.燃料乙醇的发展前景门]广西轻工业,2001,(2):0005):29-30.200遵义酒博会隆重开幕本刊讯:2009年9月22日上午,200中国(遵义)酒类博览会在遵义市凤凰山文化广场隆重开幕。中共貴州省委副书记王富玉宣布开,贵州省人民政府副省长蒙启良讲话,国家商务部办公厅副主任史跃进代表商务部致辞,中共遵义市委书记穆徳貴致欢迎辞,遵义市人民政府市长王晓光主持开幕式。夤州省政协副主席陈海峰、中国贸促会商业行业商会常务副厅长曾亚非、中共责州省委副秘书长李裴、贵州省商务厅厅长申晓庆、責州茅台酒厂集团有限公司董事长季克良、香港贸发局西部商务代表黄天伟等领导和来宾及国家有关部门、有关省(市)政府代表团、貴州省直有关部门贵州省各地(州、市)政府代表团及遵义市四大班子有关领导、国内外参展参会白酒生产企业、经销商代表5000余人参加开幕式。本届酒类博览会由貴州省人民政府主办,囚家商务部、中国贸促会支持,貴州省商务厅、遵义市人民政府、中国贸促会貴州分会承办,省发改委、省经信委、省农委、省公安厅、省质监局、省旅游局、省政府新闻办、各市(州、地)政府(行署)和貴州茅台酒厂集因有限公司等省内白酒企业协办。活动主題为“荟萃华夏佳酿,展示名酒精华国家商务部办公厅副主任史跃进在致辞中说,遵义这座黔北名酒城,历来有“以酒建功、以酒会友、以酒结缘”的传统,白酒行业已成为遵义市经济发展的支柱产业和重要动力。商务部将加大对酒产业的支持力度,支持貴州做大做强酒类博览会,把遵义酒博会打造成为全国酒类博寬会的一张名片,希望遵义酒博会能够常办常新,办出水平,办出彩响,为促进責州白酒产业乃至中国白酒产业实现又快又好的发展做出自己的贡峽副省长蒙启良在讲话中指出,在省委、省政府的领导下,我们坚持布场主导与政府引导相结合积极引导和推动酒类企业以收购、兼并和改制等多种方式迸进行优化重组;坚持实施品牌带动战略,发挥国酒茅台的引领作用,大力挾持和振兴传统白酒品牌;坚持法律、经济与行政手段相结合,大力整顿、维护酒类生产经营秩序;坚持经济效益、生态炇益和社会效益相结合,发展循环经济,保护生态环境,走可持续发展之路貴州酒类产业取得了长足发展,对丰害城乡市场、优化产业结构、促进经济发展做出了积极貢献。举办此次酒类博览会搭建品牌展示、互动交流、经贸合作的平台,必将为开拓行业发展新空间,为促进酒产业又好又快发展增添强大动力穆德責指出,去年9月,首届中国(遵义)酒类博覽会的成功举办,带来了友谊和商机,增进了交流与合作,推动了酒业加快发展。在各级领导、各界人士以及广大客商的关心、支持与合作下,遵义酒业的影响力进一步扩大,美誉度进一步堤升。新老朋友相聚“转折之城、会议之都、中国酒乡”遵义,共谋酒业发展,共拓酒业市场,必将收获更多合作成果,提供更多机会。增进友谊、提升品牌、传播文化、推动合作,为酒业振兴和促进经济继续平稳较快发展做出积极的貢献本届酒博会参展企业有贵州茅台酒厂集团、四川泸州老客集团、四川郎酒集团、安徽古井集团、江苏双沟集团、北京红星股份有限公司等全国名酒企业为代教的白酒生产企业1911户,参展经销商有≌137户。国外有法国、意大利、澳大利重、智利、美国等国家的12户酒类金业参展。此次酒博会期间、E有关酒类企业与投资商、经销商共洽谈項目105个,合作资金总计14-2亿元。现场中国煤化工目,签约资金达85亿元。其中贵州茅台酒厂集团公司与山东华新酒业公司等企业合约项目合作资金60亿元。组委会精心组织安排了汇集当今国内酒业著名寺家、学者CNMHGNN“中国酒业发展论坛",中国酒类流通协会副秘书长杨威刚、广东省酒类行业协会理事长朱思旭、州茅台酒厂有限责任公司党委书记、副董事长、总经理,贵州茅台股份有限公司董事长袁仁国三位主讲嘉宾在论坛上畅谈对白酒产业发展加深了对国际国内酒业发展形势的了解,加强了与全国酒业的交酒博会开幕式现场流与合作。(小雨