燃料乙醇热泵恒沸精馏新工艺的研究

工进展2003年第22卷第11期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS1147 .燃料乙醇热泵恒沸精馏新工艺的研究刘宗宽顾兆林贺延龄冯霄(西安交通大学环境与化学工程学院,动力工程多相流国家重点实验室,西安710049)商要为解决传统燃料乙醇生产过程中能耗大的问题,将热泵技术与传统恒沸精馏工艺相结合,开发出热泵恒沸精馏生产新工艺。在分析传统恒沸精馏生产无水酒精工艺方法的基础上,重点分析了燃料乙醇热泵恒沸精馏新工艺的原理、优点和能耗问题。结果表明,热泵恒沸精馏技术节约生产过程能耗56% ,显著优于传统恒沸精馏生产工艺。关键词无水酒精 ,热泵恒沸精馏,恒沸精馏,燃料乙醇中图分类号TQ 517.4文献标识码A文章编号000- 6613( 2003)11- 1147- 03无水酒精又称燃料乙醇,是指含水量很少的酒生产能耗,发展出一种具有经济-节能-环保多重精，一般酒精体积分数大于99.2%，广泛用于化效益的新工艺。学试剂、医学、农药、油漆、颜料、化妆品、香2热泵恒沸精馏工艺技术.料、国防工业、电子工业、航天工业等许多行业。它的另外-个重要领域是,将无水酒精加添加剂形2.1传统恒沸精 馏生产无水酒精工艺方法成变性燃料乙醇1],并以一定比例与汽油调和,传统恒沸精馏工艺是在常压下无法制取无水酒形成车用乙醇汽油,用作点燃式内燃机的燃料2。精的情况下,向酒精溶液添加夹带剂(如苯、环己乙醇不仅是-种优良燃料,也是-种优良的燃烷、戊烷等)进行精馏,夹带剂与酒精溶液中的乙油品质改善剂。它的主要特性可以概括为4个方醇、水形成三元共沸物。该三元共沸物与纯组分酒面:①是燃油氧化处理的增氧剂，使汽油增加内精(或水)之间的沸点差较大,从而可较容易地通过氧,燃烧充分,达到节能和环保目的;②具有极好精馏获得纯度很高的酒精8。其工艺流程见图1。的抗爆性能,调和辛烷值-般都在120以上,可有效提高汽油的抗爆指数(辛烷值);③在新标准汽油p5中,还可以经济有效地降低芳烃、烯烃含量,降低炼油厂的改造费用;④以农作物发酵法生产的燃料乙醇,具有和矿物燃料相似的燃料性能,其生产原料为生物质能,因而在整个自然界这个大系统中3乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和非常清原料酒精53如-无水酒95%好B洁的闭路循环过程。1燃料乙醇生产方法图1传统恒沸精馏工艺1- -酒精脱水塔;2-夹带剂回收塔; 3- -酒精回收塔;燃料乙醇的生产方法很多,包括生石灰脱水4-凝液分层器;5- -冷凝器;6- -再沸器.法、盐脱水法、(溶盐)萃取蒸馏法、分子筛制取法、真空蒸馏法、淀粉吸附法、离子交换树脂法、这种传统的恒沸精馏法已形成规模化、机械化恒沸精馏法等3-7]。无水酒精的大规模生产方法程度很高的无水酒精生产工艺，且产量大、质量或工艺主要有恒沸精馏、萃取蒸馏和现代分子筛3好、姑尤成勃.其能耗低于萃取蒸馏种方法,这3种大规模生产方法各有利弊。开发无法中国煤化工E筛制取法操作成本更水酒精新工艺,关键在于如何利用新技术降低生产低。CNMHE ,也有其缺点，主要成本,形成既节能又环保的生产工艺。是能耗还不是太理想,且夹带剂在生产操作不当时无水酒精生产具有能耗大的特点,本文作者将恒沸精馏与热泵技术两种成熟技术有机地结合起收稿日期2003-03-18; 修改稿日期2003 -05- 12。来,开发出热泵恒沸精馏生产新工艺,大大降低了第一作者简介刘宗宽1966-),男,博士。电话029 - 2672543.1148●化工进展2003年第22卷会引起环境污染。分,又不需要很大回流比,故汽化量(苯-乙醇2.2热泵恒 沸精馏生产无水酒精新工艺水三元共沸物)相对并不大。热泵恒沸精馏生产新工艺其物流系统全封闭操(2)三元共沸物的凝液分为轻重两相,夹带剂作,正常生产无任何产品废物及环境污染,见图2。易于返回酒精脱水塔循环利用。. ( 3 )无水酒精质量可进一步提高。由生产工艺可知,酒精脱水塔内杂质是向塔顶移动的,将富集于脱水塔顶部蒸气中,由放空管排到系统以外(大气中》另外,经过恒沸精馏生产的成品无水酒精中的甲醇含量将明显降低,这是因为作为杂质的甲醇, -部分由放空管排出系统(极少),另-部分在原料酒精95%9→无水酒精99 .5%→水凝液分层器的富水相中回收其中的苯和酒精,水将从酒精回收塔底部排出,甲醇在其中以和水形成氢图2热泵恒沸精馏新工艺键的形式,在余馏水中被排出系统外。1-酒精脱水塔; 2-夹带剂回收塔; 3-酒精回收塔;(4)产量大,技术成熟。只要改变塔径设计参4-凝液分层器;5-热泵;6-再沸器;7-换热器数，即可提高产量。由于恒沸精馏(以苯为例,常压)的脱水塔上下( 5)能耗大大降低。普通恒沸精馏工艺生产无温差只有13C ,完全符合热泵经济性要求9],针对水酒精1t,要消耗蒸汽200kg,需冷却水30m'恒沸精馏法能耗大的不足,将恒沸精馏与热泵技术酒精损失为1.0% ,苯0.1 kg(以苯做夹带剂);较两种成熟的技术有机地结合起来,开发出热泵恒沸好水平可降至消耗蒸汽66 kg,苯为0.025% ,酒精馏生产新工艺:将传统恒沸精馏工艺中的酒精脱精损失为0.1%。热泵恒沸精馏工艺与普通恒沸精水塔塔顶苯-乙醇-水三元共沸物蒸气( 64.6C不馏工艺相比较,省掉了冷却水和加热蒸汽,生产无经过冷凝，直接通过热泵压缩机加压升温到100 C，水酒精1 t 只需用电85kW ho作为乙醇脱水塔塔釜再沸器热源;冷凝液靠压缩机(6)自动化程度高。由于热泵恒沸精馏生产无升温时带来的压力送入高位凝液分层器，上层富苯水酒精具有连续、稳定的特点,易于实现仪表或微相作为酒精脱水塔塔顶回流,下层富水相自流入夹机自动控制。带剂苯)回收塔回收夹带剂;夹带剂回收塔底部乙(7)热泵恒沸精馏工艺惟-的副产物是原料酒醇和水再送入酒精回收塔。酒精回收塔塔顶乙醇-精的水分,因此严格控制生产操作,可实现无污水二元恒沸物蒸气( 78 C同样不经过冷凝,由热.染、零排放，可减轻对环境的热污染,是一种清洁泵压缩机加压升温(120C)作为酒精回收塔塔釜生产工艺。( 103C )再沸器热源。冷凝液部分作为回流,其余3热泵恒沸精馏与传统恒沸精馏的经作为原料酒精利用。2.3热泵恒沸精 馏生产无水酒精新工艺的优点济性分析. ( 1 )在技术经济指标上合理可行。热泵恒沸精3.1 能耗对比馏仍采用恒沸精馏技术,作为塔底产品的乙醇(无为了进-步论证热泵恒沸精馏的经济性,现将水酒精)并不汽化,要分出的水只占料液的极小部其能耗、投资与传统恒沸精馏比较如表1。表1生产1t无水酒精时热泵恒沸精馏与传统恒沸精馏的能耗对比原料热泵恒沸精馏传统恒沸精馏A- B/元A-C/元( A)(平均水平B)中国煤化工电/kWh26金额/元.0.46<66.1= 30.410.46>26=11.96fHCNMHG.4526.27蒸汽/t2.218金额/元00.93>2.218= 206.270.93X0.671 7= 62.47- 206.27- 62.47水/t2.51.5x2.5=3.751.5X2=3.0- 3.75-3.0循环水/t12137合计金额/元30.41221 . 9869.61- 191.57- 39.2第11期刘宗宽等:燃料乙醇热泵恒沸精馏新工艺的研究1149.3.2投资金额比较以年产50kt燃料乙醇生产装置为例,热泵恒.年产50kt燃料乙醇生产装置总投资额约800沸精馏生产新工艺其技术、经济性能有如下结论。万元人民币。热泵恒沸精馏与传统恒沸精馏在装置(1)热泵恒沸精馏比平均水平传统恒沸精馏能上的区别为热泵恒沸精馏装置去掉了蒸汽锅炉系耗下降86% ,每年可节约操作费用950万元以上;统、冷却水循环系统、塔顶冷凝器,增加了热泵、比先进水平传统恒沸精馏能耗下降56% ,每年可辅助加热器。其投资金额增减如表2。节约操作费用190万元以上。表2热泵恒沸精馏与传统恒沸精馏 工艺投资比较表( 2 )热泵恒沸精馏不消耗冷却水,与传统恒沸增加设备减少设备精馏相比,每年可节约水资源120kt以上。.设备数量/台套金额/万元数量/台套 金额/万元(3)投资费用略有增加。热泵恒沸精馏系统增热泵250加2台热泵压缩机,但与普通恒沸精馏法工艺相辅助加热器1.5蒸汽锅炉225比，由于塔顶不需要冷凝器,换热器投资减少-蒸汽锅炉房15半，且不需要投资锅炉供热系统,因此总投资费用冷却水循环系统26比传统恒沸精馏工艺只增加21%。塔顶冷凝器-6合计金额251.532(4)用热泵恒沸精馏工艺替换传统恒沸精馏工艺,具有巨大的经济效益和社会效益,特别是对于由表2可见，以年产50 kt燃料乙醇生产装置缺水地区其优势更大。为例,热泵恒沸精馏生产工艺与传统恒沸精馏生产参考文献工艺相比,净增投资金额251.5-82= 169.5万元1 GB 18350- -2001 ,变性燃料乙醇[S]人民币,占总投资金额的21%。GB 18351- -2001 ,车用乙醇汽油S]谢林. [J]酿酒科技, 1994,(4):52-554结论李春云. [J]浙江工业大学学报, 2001 , 292):210~212将恒沸精馏与热泵技术两种成熟的技术有机地常秀莲. [J]酿酒科技, 2000,(2): 49~50结合起来而形成的热泵恒沸精馏生产新工艺,大大马心如,赵芙荣. [J]酿酒科技, 2002 ,(2): 57~58封瑞江，赵崇峰. [J]抚顺石油学院学报, 2000, 20( 3):降低了生产能耗,是一种具有经济-节能-环保多13~ 15重效益的新工艺,可减轻对环境的热污染,也是-8何潮洪，冯霄.化工原理[M]北京:科学出版社, 2001 .种清洁生产工艺。.9郁永章.热泵原理与应用[M]北京:机械工业出版社, 1993Study on the Technology of Heat Pump Rectification inProduction of Fuel AlcoholLiu Zongkuan , Gu Zhaolin , He Yanling , Feng Xiao( State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering , School of Environmental and Chemical Enginering ,Xi an Jiaotong University , Xi' an 710049 )Abstract In order to reduce the energy consumption of producing process of traditional fuel alcohol , we adoptthe technology that uses the heat pump to save the energy. It combines the common constant boiling rectificationwith the heat pump technology. The principle , advantage and energy consumption problem of the new fuelalcohol technology using heat pump rectification are studied.中国煤化I echnology could reduce56% energy on the production process.MYHCNMHGKeywords anhydrous ethanol , heat pump rectification , constant boiling rectification , fuel alcohol(编辑奚志刚)