生物质乙醇制乙烯过程节能研究

第26卷,总第148期节能技术Vol 26, Sum. No 1482008年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar 2008. No. 2生物质乙醇制乙烯过程节能研究王静,张述伟(大连理工大学化工学院,辽宁大连116012)摘要:以现有的生物质乙醇制乙烯实际操作为依据,采用 ASPEN PLUS软件对该工艺进行全流程的模拟和节能改进。改进后的流程在脱水反应阶段不需要添加蒸汽,且全流程能耗较现有流程节能20.2%;若脱水反应段采用反应温度更低的分子筛催化剂,过程节能达28.1%。关键词:乙醇制乙烯;精馏;节能;模拟中图分类号:TQ03文献标识码:A文章编号:1002-639(2008)02-0148-03Investigation on Energy Saving in the Process of Ethylene from Fermented AlcoholWaNG Jing, ZHANG Shu-weiDepartment of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning, Dalian 116012, China)Abstract: Energy saving process of ethylene from fermented alcohol was proposed by using Aspen Plus softwareaccording to its practical operation. There is no stream added in the improved dehydration process20.2% heat consumption was reduced compared with the current process. If a molecular sieve catalysthas lower temperature of reaction, is used, the heat consumption can be reduced by 28.1%Key words: ethylene from fermented alcohol; distillation; energy-saving; simulation0前言物乙烯必将作为一条可持续发展的绿色化工路线与石油乙烯相抗衡2.3)。乙烯是石油化工工业的基础原料,目前约75%本文中以生物质乙醇脱水制乙烯的实际操作为的石油化工原料来源于乙烯。乙醇脱水制乙烯是在依据,应用 Aspen Plus软件对现有流程进行模拟和石油化工发展之前得到乙烯的主要方法后来由于节能改进。同时,对于脱水段采用的分子筛催化剂大量石油和天然气的开发利用石油烃热裂解生产的工艺流程进行模拟,比较两种催化剂的经济效益。乙烯技术路线,很快取代了乙醇脱水法,目前已成为生产乙烯的主要方法。然而在石油资源的日趋减1生物质乙醇制乙烯工艺少和石油涨价的情况下,发展生物质乙醇脱水制乙11现有工艺烯的技术路线更引起各国的重视。现有的生物质乙醇制乙烯工艺流程图如图1所同石油乙烯相比,生物乙烯的纯度高、分离精制示。其工艺流程包括两个部分:乙醇精馏段和乙醇费用低、投资小、建设周期短、收益快,而且不受资源脱水段。分布的限制。因此在石油资源急剧匮乏的时代,生乙醇精馏工艺主要包含粗馏塔T1、精馏塔T收稿日期2008-01-14修订稿日期2008-02-2精馏塔预热器E3、乙醇产品冷却器F4、杂醇油分离作者简介:王静(1982~),女,硕士。罐D2等设备。粗乙醇首先进入粗馏塔,粗馏塔塔148顶除去大部分的低沸物二氧化碳,塔的上部采出经内生产装置采用三台单段串联段间加热的绝热固过初步精馏后的乙醇,该物料与精馏塔塔底物料换定床反应器并且乙醇分三股进料。热后进入精馏塔。精馏塔侧线采出含杂纯油(主要乙醇脱水生成乙烯的反应,反应温度在250℃成分为异戊醇)的乙醇,经过加水稀释后进入杂纯油以上,化学反应平衡常数很大,热力学上很有利,反分离罐,分离出杂纯油。塔上部得到精乙醇产品,经应中本不需要水蒸气,考虑到加入一定量的水蒸气,过冷却后进入到乙醇脱水反应阶段。该流程中精馏对于防止催化剂积碳和乙烯聚合有很重要的作用,塔顶的蒸汽作为粗馏塔再沸器的热源,形成双效精同时水蒸气作为热载体能够降低反应器绝热温降。馏,该工艺只有精馏塔需要外界提供热量因此现有反应器是在水蒸气存在的条件下进行脱水乙醇脱水反应工艺主要包括三段反应器R1、反应。R2、R3,加热炉E11,蒸发鼓等设备。精馏后的乙醇对以上流程进行分析发现,从精馏塔采出的乙首先利用反应后的物料进行预热汽化。在反应过程醇在进入脱水反应段之前,经过换热器EA将温度冷中,当反应温度较低时,乙醇转化率降低,乙醚副产却至20℃,而在脱水反应段又需要加热,这从用能物增多;而温度太高,乙醇脱氢、乙烯聚合等副反应的角度考虑不尽合理。同时精馏段采出的高浓度的加重,因此乙醇脱水反应有适宜的温度范围。不同乙醇,在进入反应器之前需添加蒸汽,从节能的角度的催化剂要求具有不同的温度范围,例如现有装置考虑,可以降低精馏段采出乙醇浓度,从而在脱水段采用的活性氧化铝催化剂的温度范围为350~不加蒸汽作为载气。470℃。为此,为了保持床层在适宜的温度范围之乙醇蒸发鼓水蒸气b图1现有的生物质乙醇脱水制乙烯工艺流程图1.2在现有流程基础上进行节能改进(流程1)含量按照组成双效精馏的冷凝器和再沸器热负荷匹在现有流程的基础上,提出了改进的乙醇制乙配要求确定。由于在乙醇浓度低于55%(体积分烯工艺。数)时异戊醇的挥发系数大于1,最终异戊醇将随首先在乙醇脱水制乙烯反应阶段,为了不额外乙醇产品一起从塔的上部采出。由于异戊醇含量较添加蒸汽,这就要降低精馏段采出的乙醇浓度。通少且对催化剂无毒害作用,改造后乙醇蒸馏过程不过计算得出,在不改变乙醇三股进料分配的基础上,考虑杂醇油的分离。其流程如图2所示:进入第一段反应器乙醇的适宜浓度为46.4%(无特殊说明以下皆为质量分数)。若进料乙醇浓度大于该浓度,反应器的温降过大,超出催化剂的温度范围;当进料乙醇浓度小于464%时,反应器温度在催化剂的温度范围之内,但是,由于进料量的增加,加热炉的热负荷也随之增加,与节能的目的相违背所以选择精馏段采出乙醇的适宜浓度为464%。图2在现有流程基础上进行节能改进的工艺流对于乙醇精馏段,T塔去T2塔物料中的乙醇程图1491.3分子筛催化剂的使用(流程2)其次,对T塔侧线采出量进行分析。为了保证乙现有流程使用的氧化铝系列催化剂,反应效果烯的产率,T塔侧线采出的乙醇含量保持在现有流程不错,但是空速低,反应温度较高。鉴于节能考虑,粗馏塔采出乙醇量的水平(400kg/h)粗馏塔侧线采本文改用一种反应温度较低的分子筛催化剂。该催出乙醇浓度对再沸器热负荷的影响如图5所示。化剂的温度范围为250~380℃。由于初始反应温度低,可明显的节约能耗。两种催化剂的反应条件和器热负荷反应性能比较见表1。表1两种催化剂的反应条件和反应性能比较活性氧化铝催化剂分子筛催化剂反应温度,℃350-470250-380乙醇空速h乙醇转化率,%乙烯选择性,%侧线采出乙醇浓度%由于脱水段所需乙醇浓度较低,从节约成本考图5侧线采出乙醇浓度对再沸器热负荷的影响虑精馏段采用单塔。为了改善粗馏塔的操作特性,由图5可以看出,随着侧线采出量的增大,乙醇对精馏过程的几个主要条件进行优化。首先对粗馏塔的进料位置和侧线采出位置进行灵敏度分析,结浓度降低,回流比随之减小,再沸器热负荷相应减小。当乙醇浓度为41.2%时,热负荷达到最小值。果见图3和图4随着釆出量的继续增大,若采用较小的41.2%处的950回流比,计算不收敛。这是因为,侧线采出量的增大,使侧线采出位置的塔板接近干板,为了避免上述情况的发生,采用增加回流比的方法。随着回流比的增加,再沸器热负荷增大。所以,选择T塔侧线采出量为9700kg/h,乙醇浓度为41.2%,此时再沸塔顶二氧化碳浓度器热负荷最小。精馏段采出的浓度为412%的乙醇直接进入到进料位置脱水反应段,脱水段不添加蒸汽。通过计算可得,脱图3T塔进料位置对侧线采出乙醇浓度和塔水段采用两段反应器就能满足要求,两段反应器温度顶二氧化碳浓度的影响控制在催化剂的温度范围之内。流程如图6所示线乙浓度乙醇脱水燕发鼓9侧线采出位置图4T塔侧线采出位置对侧线采出乙醇浓度图6采用分子筛催化剂的工艺流程图和塔顶二氧化碳浓度的影响由图3可知,们塔进料位置在第3~5块塔板2工艺的稳态模拟时精馏效果最好,而进料在第4块板时达到最佳效进料组成如表2所示:果。由图4可以看出,T1塔侧线采出位置在第3块对于乙醇的分离, ASPEN TECH公司推荐采用塔板时,分离效果最好。因此取最佳进料位置为第(下转第167页)4块塔板,最佳侧线采出位置为第3块塔板。会组织,200施研究[J.洁净煤技术,2005,11(2)4姚强.洁净煤技术[M〕.北京:化学工业出版社〔10〕樊泉桂,超超临界及亚临界参数锅炉[M].北京中国电力出版社,2007,9〔5〕清华大学核能与新能源技术研究院《中国能源展望》1)《能源数据2007版》国家发展和改革委员会能源编写组,中国能源展望2004M〕.北京:清华大学出版社,局煤炭工业洁净煤工程技术研究中心[S,207,3〔12〕先进能源技术领域专家组“十一五”先进能源技术〔6喻汉运.建设大容量热电联产机组的必要性.新领域战略研究[S〕2007,4.疆电力,2006,1〔13〕雷铭.我国发电节能减排措施〔J〕.大众用电〔7〕刘志其,热电联产[M].北京:中国电力出版社,200,102006,1l〔14王彦军,孙有信,基于cM(11)模型的道路交通事〔8郑方能.中国洁净煤技术的研究、开发与示范[.故预测〔〕.科技与经济,00,5中国科技产业,2006,2.〔15]刘思峰郭天榜,党耀国.灰色系统理论及其应用〔9〕张清林提高中国燃煤工业锅炉运行效率及节能措M〕.北京:科学出版社,199(上接第150页)2.1模拟结果的物性方法为NRL6。实际模拟分析表明NRL运用 Aspen Plus软件对以上各流程进行稳态模热力学模型能够准确地反映此混合物系的热力学行·拟,各塔数据及脱水段反应器数据模拟结果分别见为表3和表4。表2进料组成表3精馏段模拟计算结果序号组分质量分数塔顶压力,塔底温度,精馏段能流程名塔名理论板数乙醇耗kW现有流程m11081.31713118.98153.1二氧化碳流程1m171311896241.2杂纯油流程2T15863.8表4脱水段模拟计算结果反应器1绝反应器2绝反应器3绝添加中压加热炉热过程总节能,流程名热温降℃热温降℃热温降℃·蒸汽,kh负荷,kW能耗,W%现有流程470~358470~358475~40121660.19813.20.0流程1470-360470475-4001590.57831流程2376-2526-270I1886为保证乙醇的转化率大于9%且温降在催化剂温度范围内模拟时第三段反应器的温降留有较大的裕度催化剂,乙醇的处理量大大增加。这样,降低了生物3结论质乙醇制乙烯的成本,在经济上更具有竞争力。(1)对现有工况的模拟结果表明,使用 ASPEN参考文献PLUS软件应用NRmL物性方法对生物质乙醇制乙〔1龚林军,韩超,谭天伟,等,乙醇制备乙烯的研究烯过程的模拟非常准确,其结果完全可以应用于装[J].现代化工,200064-47的节能改造、性能校核以及实际生产工况的优化。〔2潘锋吴玉龙张建安,等,生物发酵乙醇催化脱水(2)在现有流程的基础上进行节能改进,改进后制乙烯发展状况[.现代化工,206,562):7-31的流程在脱水反应段不需添加蒸汽作为载气,同时〔3〕顾志华.乙醇制乙烯技术现状及展望[J.化工进展,2006,25(8):847-851过程能耗较现有流程节省20.2%。〔4〕顾志华,王艳丹,金照生,等,乙醇脱水反应的热力(3)如果乙醇脱水反应段采用反应温度更低的学分析与实验研究().化学研究,x06,17(1):8-n.分子筛催化剂,脱水段同样不需添加蒸汽作为载气5章克昌,等,酒精与蒸馏酒工艺学[M〕].北京:轻工过程节能281%。而且,该流程在乙醇精馏段只采业出版杜,195:179-181用单塔,脱水段仅采用两段反应器减少了设备的投[6]ASPEN Technology Inc. ASPEN PLUS User Guide [M]资。同时脱水段乙醇进料空速增大,使用相同量的US: Aspen Technology Inc,9:71l-79