194·CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2002年增刊燃料乙醇精餾中的熱能利用韓振為王昌秀徐世民許松林(天津大學(xué)精餾技術(shù)工程研究中心,天津,300072)摘要對于燃料乙醇精餾中的兩塔、三塔和四塔流程的熱量消耗和存在的問題進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,塔間熱量的綜合利用是一項有效的節(jié)能技術(shù),采用兩塔流程可節(jié)約熱量44%,三塔流程可節(jié)約熱量69%,四塔流程傳熱溫差過小,難以實現(xiàn)塔間的換熱。關(guān)鍵詞燃料乙醇,精餾,多塔流程,熱能利用中圖分類號TQ028文獻(xiàn)標(biāo)識碼A引言此,合理利用能量,降低精餾過程的熱量消耗對降低燃料乙醇的生產(chǎn)成本有重要意義。臨枯竭,同時,石油作為能源的大量使用,給環(huán)境1燃料乙醇精餾的工藝流程造成了嚴(yán)重污染。目前,各國都在競相研究和開發(fā)精餾工段的作用是對發(fā)酵工段過來的成熟醪液新型低污染的可再生能源,以替代當(dāng)前的石油能進(jìn)行精餾,使乙醇濃度提高到95%(v)以上。根源。燃料乙醇即是一種非常理想的石油能源替代品。在汽油中加入適量的燃料乙醇,不但可以節(jié)省據(jù)精餾分離理論,對于乙醇一水體系的分離,采用石油能源,而且可以有效地降低排放污染。個精餾塔即可滿足要求,但由于醪液中僅含約發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇的過程包括原料的液化、10%的乙醇,濃度較低,且含有部分固體雜質(zhì),因糖化、發(fā)酵、精餾、脫水等過程,其中精餾過程的此乙醇精餾中通常采用粗餾塔和精餾塔兩個塔完成蒸汽消耗約占其生產(chǎn)總熱量消耗的一半左右,因乙醇-水的分離,如圖1所示。95%(V)乙醇成熟醪液粗餾塔h中國煤化工CNMHGFig 1 Schematic diagram for the distillation of fuel ethanol第一作者簡介韓振為,男,38歲,副研究員。E- mail whan@eyou.cm2002年增刊韓振為等燃料乙醇精餾中的熱能利用195降低精餾工段熱量消耗的最有效方法就是塔間熱量以利用其塔頂?shù)恼羝鳛槠渌臒嵩?。但若壓力的綜合利用。在圖1所示的兩塔流程中,如果將精過高,其加熱介質(zhì)的成本就會增加。同時,乙醇餾塔塔頂?shù)睦淠饔米鞔逐s塔塔釜的再沸器,可節(jié)水體系的共沸組成隨著壓力的增加而降低,當(dāng)壓力約熱量消耗近一倍達(dá)到0.5066MPa時,共沸物的乙醇濃度為95%為了進(jìn)一步節(jié)約蒸汽消耗,可采用三塔、四塔(wt)2),若再增加壓力,將得不到95%(wt)的乙或更多的塔組成的流程,但因為受冷卻介質(zhì)溫度和醇。此壓力下水的飽和溫度約為152℃13,若采用塔操作壓力的限制,精餾塔的數(shù)目不可能太多。本水蒸氣作為加熱介質(zhì),其壓力應(yīng)在0.6MPa(絕文分析了兩塔、三塔和四塔流程的節(jié)能效果和存在壓)以上,若再增加壓力,加熱蒸汽的壓力也要相的問題。應(yīng)增加。對于燃料乙醇的精餾,脫水工段要求的乙1.1各塔操作壓力的確定醇濃度一般為不低于95%(v),相當(dāng)于92.4%為了實現(xiàn)塔間熱量的充分利用,各塔需在不同(wt),考慮設(shè)計余量后,塔的操作壓力可增加至的壓力下操作。操作壓力最高的塔與操作壓力最低0.55MPa(塔頂)。的塔之間的壓差越大,塔間熱量的利用越容易實1.2多塔流程中精餾塔的個數(shù)現(xiàn)。對于操作壓力最低的塔,應(yīng)選擇較低的壓力,通過以上分析,燃料乙醇精餾中,最高操作壓但若壓力過低,該塔塔頂冷凝器冷介質(zhì)的成本就會力的塔壓力約為0.55MPa(塔頂絕壓),最低操作增加。粗餾塔的原料固含量較高,不宜在髙溫下操壓力的塔壓力約為0.04MPa(塔頂絕壓)。若選擇作,且塔頂可利用的熱量較少,因此,選擇粗餾塔粗餾塔在最低壓力下操作,其壓力降按0.00MPa在最低壓力下操作較為合理。粗餾塔塔頂蒸汽含乙計算,其余各塔壓力降均按0.029MPa計算,塔醇約40%(wt)(1,經(jīng)熱力學(xué)平衡計算可知,在頂乙醇蒸汽按92.4%(wt)計算,則可計算出兩塔0.04kPa壓力下的泡點溫度約70℃。若再降低壓流程中平均傳熱溫差約為48℃,三塔流程中的平力,冷凝的成本可能會增加,實際上,除乙醇和水均傳熱溫差約為10℃,四塔流程在上述塔壓降條外,發(fā)酵過程中還會產(chǎn)生一些乙醛、甲醇等輕組件下無法實現(xiàn)塔間換熱。即使各塔壓降為零,平均分,使冷凝成本會進(jìn)一步增加。傳熱溫差也不到1℃。因此,實際生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)對于操作壓力最高的塔,應(yīng)選擇較高的壓力,塔間換熱的精餾塔個數(shù)最多為3個。95%(v)乙醇成熟醪液中國煤化工CNMHG粗餾塔Fig 2 Schematic diagram of 2-column process196化工進(jìn)展002年增刊95%(v)乙醇95%(v)乙醇成熟醪液粗餾塔第一精餾塔第二精餾塔2不同工藝流程的熱量消耗頂蒸汽作為第一精餾塔的加熱介質(zhì),第一精餾塔的塔頂蒸汽作為粗餾塔的加熱介質(zhì)。2.1兩塔流程第一個精餾塔所需熱量為:如圖2所示,將精餾塔塔頂?shù)睦淠髯鳛榇逐sQ1=(R+1)D1h(1)塔塔釜的再沸器,所需熱量可由精餾塔的冷凝負(fù)荷第二個精餾塔冷凝器負(fù)荷為(氣相出料):近似計算。乙醇蒸汽的潛熱用常壓下含乙醇Q 3= RD2h292.4%(wt)的乙醇蒸汽潛熱(約為960kJ/kg{2)將第二個精餾塔的冷凝器作為第一個精餾塔的近似計算,回流比取為4,則可計算出精餾塔每生再沸器,因此有:產(chǎn)1kg產(chǎn)品所消耗的熱量為:=(4+1)×960=4800(kJ/kg)近似認(rèn)為忽略顯熱和熱損失的影響,此值即為每生產(chǎn)hI =h2=h(4)1kg95%(v)的乙醇所消耗的熱量。實際生產(chǎn)中,由式(1)~(4)可以得到由于熱損失和顯熱的影響,實際值要高于此值。如果不采用塔間換熱,整個流程所消耗的熱R+1(D1+D量為R(D1+D2)D=(4+1)×960+4×960=8640(kJ/kg)第二精餾塔所需熱量為因此,采用塔間換熱后,兩塔流程可節(jié)約熱量Q2=(R+1)D2h44%2.2三塔流程中國煤化工+D2)h如圖3所示,發(fā)酵成熟醪液一部分進(jìn)入粗餾塔,另一部分進(jìn)人第一精餾塔,粗餾塔塔頂?shù)恼羝鸆NMHG+ih+D2R+經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)入第二精餾塔。第二精餾塔的塔將R=4,h=960kJ/kg代入可得2002年增刊韓振為等:燃料乙醇精餾中的熱能利用QD1+D2=266(0/1kg)(8)節(jié)約熱量69%。(3)實現(xiàn)塔間換熱的精餾塔個數(shù)最多為3個,忽略顯熱和熱損失的影響,此值即為三塔流程四塔流程中的傳熱溫差太小,難以實現(xiàn)塔間換熱。中每生產(chǎn)1kg9%(v)的乙醇所消耗的熱量。實際生產(chǎn)中,由于熱損失和顯熱的影響,實際值要高于符號說明此值。D——塔頂出料速率,kg/h相對于兩塔流程,三塔流程可節(jié)約熱量h—汽化潛熱,kJ/kg而相對于塔間無換熱的流程,則可節(jié)約熱量69%。Q—塔的熱量消耗,kJ/h23四塔流程Q。—冷凝器負(fù)荷,kJ/h四塔流程的傳熱溫差太小,難以實現(xiàn)塔間換R流比熱,實際中不可行。若采用熱泵精餾,設(shè)備投資和References電耗將增加。1許開天,酒精蒸餾技術(shù)[M].第2版.北京:中國輕工業(yè)出版3結(jié)論社,19982章克昌,吳佩琮.酒精工業(yè)手冊[M].北京:中國輕工業(yè)出版(1)燃料乙醇精餾中,采用塔間熱量的綜合利用,可大大節(jié)約熱量的消耗。3化學(xué)工程手冊編輯委員會,化學(xué)工程手冊(第1冊)[M].北(2)兩塔精餾可節(jié)約熱量44%,三塔精餾可京:化學(xué)工業(yè)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中國煤化工CNMHG