燃料乙醇精馏中的热能利用

194·CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2002年增刊燃料乙醇精馏中的热能利用韩振为王昌秀徐世民许松林(天津大学精馏技术工程研究中心,天津,300072)摘要对于燃料乙醇精馏中的两塔、三塔和四塔流程的热量消耗和存在的问题进行了分析。结果表明,塔间热量的综合利用是一项有效的节能技术,采用两塔流程可节约热量44%,三塔流程可节约热量69%,四塔流程传热温差过小,难以实现塔间的换热。关键词燃料乙醇,精馏,多塔流程,热能利用中图分类号TQ028文献标识码A引言此,合理利用能量,降低精馏过程的热量消耗对降低燃料乙醇的生产成本有重要意义。临枯竭,同时,石油作为能源的大量使用,给环境1燃料乙醇精馏的工艺流程造成了严重污染。目前,各国都在竞相研究和开发精馏工段的作用是对发酵工段过来的成熟醪液新型低污染的可再生能源,以替代当前的石油能进行精馏,使乙醇浓度提高到95%(v)以上。根源。燃料乙醇即是一种非常理想的石油能源替代品。在汽油中加入适量的燃料乙醇,不但可以节省据精馏分离理论,对于乙醇一水体系的分离,采用石油能源,而且可以有效地降低排放污染。个精馏塔即可满足要求,但由于醪液中仅含约发酵法生产燃料乙醇的过程包括原料的液化、10%的乙醇,浓度较低,且含有部分固体杂质,因糖化、发酵、精馏、脱水等过程,其中精馏过程的此乙醇精馏中通常采用粗馏塔和精馏塔两个塔完成蒸汽消耗约占其生产总热量消耗的一半左右,因乙醇-水的分离,如图1所示。95%(V)乙醇成熟醪液粗馏塔h中国煤化工CNMHGFig 1 Schematic diagram for the distillation of fuel ethanol第一作者简介韩振为,男,38岁,副研究员。E- mail whan@eyou.cm2002年增刊韩振为等燃料乙醇精馏中的热能利用195降低精馏工段热量消耗的最有效方法就是塔间热量以利用其塔顶的蒸汽作为其他塔的热源。但若压力的综合利用。在图1所示的两塔流程中,如果将精过高,其加热介质的成本就会增加。同时,乙醇馏塔塔顶的冷凝器用作粗馏塔塔釜的再沸器,可节水体系的共沸组成随着压力的增加而降低,当压力约热量消耗近一倍达到0.5066MPa时,共沸物的乙醇浓度为95%为了进一步节约蒸汽消耗,可采用三塔、四塔(wt)2),若再增加压力,将得不到95%(wt)的乙或更多的塔组成的流程,但因为受冷却介质温度和醇。此压力下水的饱和温度约为152℃13,若采用塔操作压力的限制,精馏塔的数目不可能太多。本水蒸气作为加热介质,其压力应在0.6MPa(绝文分析了两塔、三塔和四塔流程的节能效果和存在压)以上,若再增加压力,加热蒸汽的压力也要相的问题。应增加。对于燃料乙醇的精馏,脱水工段要求的乙1.1各塔操作压力的确定醇浓度一般为不低于95%(v),相当于92.4%为了实现塔间热量的充分利用,各塔需在不同(wt),考虑设计余量后,塔的操作压力可增加至的压力下操作。操作压力最高的塔与操作压力最低0.55MPa(塔顶)。的塔之间的压差越大,塔间热量的利用越容易实1.2多塔流程中精馏塔的个数现。对于操作压力最低的塔,应选择较低的压力,通过以上分析,燃料乙醇精馏中,最高操作压但若压力过低,该塔塔顶冷凝器冷介质的成本就会力的塔压力约为0.55MPa(塔顶绝压),最低操作增加。粗馏塔的原料固含量较高,不宜在髙温下操压力的塔压力约为0.04MPa(塔顶绝压)。若选择作,且塔顶可利用的热量较少,因此,选择粗馏塔粗馏塔在最低压力下操作,其压力降按0.00MPa在最低压力下操作较为合理。粗馏塔塔顶蒸汽含乙计算,其余各塔压力降均按0.029MPa计算,塔醇约40%(wt)(1,经热力学平衡计算可知,在顶乙醇蒸汽按92.4%(wt)计算,则可计算出两塔0.04kPa压力下的泡点温度约70℃。若再降低压流程中平均传热温差约为48℃,三塔流程中的平力,冷凝的成本可能会增加,实际上,除乙醇和水均传热温差约为10℃,四塔流程在上述塔压降条外,发酵过程中还会产生一些乙醛、甲醇等轻组件下无法实现塔间换热。即使各塔压降为零,平均分,使冷凝成本会进一步增加。传热温差也不到1℃。因此,实际生产中能够实现对于操作压力最高的塔,应选择较高的压力,塔间换热的精馏塔个数最多为3个。95%(v)乙醇成熟醪液中国煤化工CNMHG粗馏塔Fig 2 Schematic diagram of 2-column process196化工进展002年增刊95%(v)乙醇95%(v)乙醇成熟醪液粗馏塔第一精馏塔第二精馏塔2不同工艺流程的热量消耗顶蒸汽作为第一精馏塔的加热介质,第一精馏塔的塔顶蒸汽作为粗馏塔的加热介质。2.1两塔流程第一个精馏塔所需热量为:如图2所示,将精馏塔塔顶的冷凝器作为粗馏Q1=(R+1)D1h(1)塔塔釜的再沸器,所需热量可由精馏塔的冷凝负荷第二个精馏塔冷凝器负荷为(气相出料):近似计算。乙醇蒸汽的潜热用常压下含乙醇Q 3= RD2h292.4%(wt)的乙醇蒸汽潜热(约为960kJ/kg{2)将第二个精馏塔的冷凝器作为第一个精馏塔的近似计算,回流比取为4,则可计算出精馏塔每生再沸器,因此有:产1kg产品所消耗的热量为:=(4+1)×960=4800(kJ/kg)近似认为忽略显热和热损失的影响,此值即为每生产hI =h2=h(4)1kg95%(v)的乙醇所消耗的热量。实际生产中,由式(1)~(4)可以得到由于热损失和显热的影响,实际值要高于此值。如果不采用塔间换热,整个流程所消耗的热R+1(D1+D量为R(D1+D2)D=(4+1)×960+4×960=8640(kJ/kg)第二精馏塔所需热量为因此,采用塔间换热后,两塔流程可节约热量Q2=(R+1)D2h44%2.2三塔流程中国煤化工+D2)h如图3所示,发酵成熟醪液一部分进入粗馏塔,另一部分进人第一精馏塔,粗馏塔塔顶的蒸汽CNMHG+ih+D2R+经冷凝器冷凝后进入第二精馏塔。第二精馏塔的塔将R=4,h=960kJ/kg代入可得2002年增刊韩振为等:燃料乙醇精馏中的热能利用QD1+D2=266(0/1kg)(8)节约热量69%。(3)实现塔间换热的精馏塔个数最多为3个,忽略显热和热损失的影响,此值即为三塔流程四塔流程中的传热温差太小,难以实现塔间换热。中每生产1kg9%(v)的乙醇所消耗的热量。实际生产中,由于热损失和显热的影响,实际值要高于符号说明此值。D——塔顶出料速率,kg/h相对于两塔流程,三塔流程可节约热量h—汽化潜热,kJ/kg而相对于塔间无换热的流程,则可节约热量69%。Q—塔的热量消耗,kJ/h23四塔流程Q。—冷凝器负荷,kJ/h四塔流程的传热温差太小,难以实现塔间换R流比热,实际中不可行。若采用热泵精馏,设备投资和References电耗将增加。1许开天,酒精蒸馏技术[M].第2版.北京:中国轻工业出版3结论社,19982章克昌,吴佩琮.酒精工业手册[M].北京:中国轻工业出版(1)燃料乙醇精馏中,采用塔间热量的综合利用,可大大节约热量的消耗。3化学工程手册编辑委员会,化学工程手册(第1册)[M].北(2)两塔精馏可节约热量44%,三塔精馏可京:化学工业出版社,1989Heat Utilization in the distillation of fuel ethanolHan Zhenuei, Wang Changriu, Xu Shimin, Xu songlin(Engineering Research Center for Distillation Technology, Tianjin University, Tianjin, 300072)Abstract The heat consumption in 2-,- and 4-column processes for the distillation of fuel ethanol isanalyzed. It is shown that heat integration among columns can save energy effectively, and that the heatonsumption in 2- and 3-column processes can be decreased 44% and 69% respectively, and that 4-columis not feasible because of too small temperature difference for heat transferKeywords fuel ethanol, distillation, multi-column process, heat utilization中国煤化工CNMHG