工進(jìn)展2003年第22卷第11期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS1147 .燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究劉宗寬顧兆林賀延齡馮霄(西安交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710049)商要為解決傳統(tǒng)燃料乙醇生產(chǎn)過程中能耗大的問題,將熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)恒沸精餾工藝相結(jié)合,開發(fā)出熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝。在分析傳統(tǒng)恒沸精餾生產(chǎn)無水酒精工藝方法的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析了燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的原理、優(yōu)點(diǎn)和能耗問題。結(jié)果表明,熱泵恒沸精餾技術(shù)節(jié)約生產(chǎn)過程能耗56% ,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)恒沸精餾生產(chǎn)工藝。關(guān)鍵詞無水酒精 ,熱泵恒沸精餾,恒沸精餾,燃料乙醇中圖分類號(hào)TQ 517.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)000- 6613( 2003)11- 1147- 03無水酒精又稱燃料乙醇,是指含水量很少的酒生產(chǎn)能耗,發(fā)展出一種具有經(jīng)濟(jì)-節(jié)能-環(huán)保多重精，一般酒精體積分?jǐn)?shù)大于99.2%，廣泛用于化效益的新工藝。學(xué)試劑、醫(yī)學(xué)、農(nóng)藥、油漆、顏料、化妝品、香2熱泵恒沸精餾工藝技術(shù).料、國防工業(yè)、電子工業(yè)、航天工業(yè)等許多行業(yè)。它的另外-個(gè)重要領(lǐng)域是,將無水酒精加添加劑形2.1傳統(tǒng)恒沸精 餾生產(chǎn)無水酒精工藝方法成變性燃料乙醇1],并以一定比例與汽油調(diào)和,傳統(tǒng)恒沸精餾工藝是在常壓下無法制取無水酒形成車用乙醇汽油,用作點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃料2。精的情況下,向酒精溶液添加夾帶劑(如苯、環(huán)己乙醇不僅是-種優(yōu)良燃料,也是-種優(yōu)良的燃烷、戊烷等)進(jìn)行精餾,夾帶劑與酒精溶液中的乙油品質(zhì)改善劑。它的主要特性可以概括為4個(gè)方醇、水形成三元共沸物。該三元共沸物與純組分酒面:①是燃油氧化處理的增氧劑，使汽油增加內(nèi)精(或水)之間的沸點(diǎn)差較大,從而可較容易地通過氧,燃燒充分,達(dá)到節(jié)能和環(huán)保目的;②具有極好精餾獲得純度很高的酒精8。其工藝流程見圖1。的抗爆性能,調(diào)和辛烷值-般都在120以上,可有效提高汽油的抗爆指數(shù)(辛烷值);③在新標(biāo)準(zhǔn)汽油p5中,還可以經(jīng)濟(jì)有效地降低芳烴、烯烴含量,降低煉油廠的改造費(fèi)用;④以農(nóng)作物發(fā)酵法生產(chǎn)的燃料乙醇,具有和礦物燃料相似的燃料性能,其生產(chǎn)原料為生物質(zhì)能,因而在整個(gè)自然界這個(gè)大系統(tǒng)中3乙醇的整個(gè)生產(chǎn)和消費(fèi)過程可形成無污染和非常清原料酒精53如-無水酒95%好B潔的閉路循環(huán)過程。1燃料乙醇生產(chǎn)方法圖1傳統(tǒng)恒沸精餾工藝1- -酒精脫水塔;2-夾帶劑回收塔; 3- -酒精回收塔;燃料乙醇的生產(chǎn)方法很多,包括生石灰脫水4-凝液分層器;5- -冷凝器;6- -再沸器.法、鹽脫水法、(溶鹽)萃取蒸餾法、分子篩制取法、真空蒸餾法、淀粉吸附法、離子交換樹脂法、這種傳統(tǒng)的恒沸精餾法已形成規(guī)?；C(jī)械化恒沸精餾法等3-7]。無水酒精的大規(guī)模生產(chǎn)方法程度很高的無水酒精生產(chǎn)工藝，且產(chǎn)量大、質(zhì)量或工藝主要有恒沸精餾、萃取蒸餾和現(xiàn)代分子篩3好、姑尤成勃.其能耗低于萃取蒸餾種方法,這3種大規(guī)模生產(chǎn)方法各有利弊。開發(fā)無法中國煤化工E篩制取法操作成本更水酒精新工藝,關(guān)鍵在于如何利用新技術(shù)降低生產(chǎn)低。CNMHE ,也有其缺點(diǎn)，主要成本,形成既節(jié)能又環(huán)保的生產(chǎn)工藝。是能耗還不是太理想,且夾帶劑在生產(chǎn)操作不當(dāng)時(shí)無水酒精生產(chǎn)具有能耗大的特點(diǎn),本文作者將恒沸精餾與熱泵技術(shù)兩種成熟技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起收稿日期2003-03-18; 修改稿日期2003 -05- 12。來,開發(fā)出熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝,大大降低了第一作者簡介劉宗寬1966-),男,博士。電話029 - 2672543.1148●化工進(jìn)展2003年第22卷會(huì)引起環(huán)境污染。分,又不需要很大回流比,故汽化量(苯-乙醇2.2熱泵恒 沸精餾生產(chǎn)無水酒精新工藝水三元共沸物)相對(duì)并不大。熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝其物流系統(tǒng)全封閉操(2)三元共沸物的凝液分為輕重兩相,夾帶劑作,正常生產(chǎn)無任何產(chǎn)品廢物及環(huán)境污染,見圖2。易于返回酒精脫水塔循環(huán)利用。. ( 3 )無水酒精質(zhì)量可進(jìn)一步提高。由生產(chǎn)工藝可知,酒精脫水塔內(nèi)雜質(zhì)是向塔頂移動(dòng)的,將富集于脫水塔頂部蒸氣中,由放空管排到系統(tǒng)以外(大氣中》另外,經(jīng)過恒沸精餾生產(chǎn)的成品無水酒精中的甲醇含量將明顯降低,這是因?yàn)樽鳛殡s質(zhì)的甲醇, -部分由放空管排出系統(tǒng)(極少),另-部分在原料酒精95%9→無水酒精99 .5%→水凝液分層器的富水相中回收其中的苯和酒精,水將從酒精回收塔底部排出,甲醇在其中以和水形成氫圖2熱泵恒沸精餾新工藝鍵的形式,在余餾水中被排出系統(tǒng)外。1-酒精脫水塔; 2-夾帶劑回收塔; 3-酒精回收塔;(4)產(chǎn)量大,技術(shù)成熟。只要改變塔徑設(shè)計(jì)參4-凝液分層器;5-熱泵;6-再沸器;7-換熱器數(shù)，即可提高產(chǎn)量。由于恒沸精餾(以苯為例,常壓)的脫水塔上下( 5)能耗大大降低。普通恒沸精餾工藝生產(chǎn)無溫差只有13C ,完全符合熱泵經(jīng)濟(jì)性要求9],針對(duì)水酒精1t,要消耗蒸汽200kg,需冷卻水30m'恒沸精餾法能耗大的不足,將恒沸精餾與熱泵技術(shù)酒精損失為1.0% ,苯0.1 kg(以苯做夾帶劑);較兩種成熟的技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,開發(fā)出熱泵恒沸好水平可降至消耗蒸汽66 kg,苯為0.025% ,酒精餾生產(chǎn)新工藝:將傳統(tǒng)恒沸精餾工藝中的酒精脫精損失為0.1%。熱泵恒沸精餾工藝與普通恒沸精水塔塔頂苯-乙醇-水三元共沸物蒸氣( 64.6C不餾工藝相比較,省掉了冷卻水和加熱蒸汽,生產(chǎn)無經(jīng)過冷凝，直接通過熱泵壓縮機(jī)加壓升溫到100 C，水酒精1 t 只需用電85kW ho作為乙醇脫水塔塔釜再沸器熱源;冷凝液靠壓縮機(jī)(6)自動(dòng)化程度高。由于熱泵恒沸精餾生產(chǎn)無升溫時(shí)帶來的壓力送入高位凝液分層器，上層富苯水酒精具有連續(xù)、穩(wěn)定的特點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)儀表或微相作為酒精脫水塔塔頂回流,下層富水相自流入夾機(jī)自動(dòng)控制。帶劑苯)回收塔回收夾帶劑;夾帶劑回收塔底部乙(7)熱泵恒沸精餾工藝惟-的副產(chǎn)物是原料酒醇和水再送入酒精回收塔。酒精回收塔塔頂乙醇-精的水分,因此嚴(yán)格控制生產(chǎn)操作,可實(shí)現(xiàn)無污水二元恒沸物蒸氣( 78 C同樣不經(jīng)過冷凝,由熱.染、零排放，可減輕對(duì)環(huán)境的熱污染,是一種清潔泵壓縮機(jī)加壓升溫(120C)作為酒精回收塔塔釜生產(chǎn)工藝。( 103C )再沸器熱源。冷凝液部分作為回流,其余3熱泵恒沸精餾與傳統(tǒng)恒沸精餾的經(jīng)作為原料酒精利用。2.3熱泵恒沸精 餾生產(chǎn)無水酒精新工藝的優(yōu)點(diǎn)濟(jì)性分析. ( 1 )在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上合理可行。熱泵恒沸精3.1 能耗對(duì)比餾仍采用恒沸精餾技術(shù),作為塔底產(chǎn)品的乙醇(無為了進(jìn)-步論證熱泵恒沸精餾的經(jīng)濟(jì)性,現(xiàn)將水酒精)并不汽化,要分出的水只占料液的極小部其能耗、投資與傳統(tǒng)恒沸精餾比較如表1。表1生產(chǎn)1t無水酒精時(shí)熱泵恒沸精餾與傳統(tǒng)恒沸精餾的能耗對(duì)比原料熱泵恒沸精餾傳統(tǒng)恒沸精餾A- B/元A-C/元( A)(平均水平B)中國煤化工電/kWh26金額/元.0.46<66.1= 30.410.46>26=11.96fHCNMHG.4526.27蒸汽/t2.218金額/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循環(huán)水/t12137合計(jì)金額/元30.41221 . 9869.61- 191.57- 39.2第11期劉宗寬等:燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究1149.3.2投資金額比較以年產(chǎn)50kt燃料乙醇生產(chǎn)裝置為例,熱泵恒.年產(chǎn)50kt燃料乙醇生產(chǎn)裝置總投資額約800沸精餾生產(chǎn)新工藝其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能有如下結(jié)論。萬元人民幣。熱泵恒沸精餾與傳統(tǒng)恒沸精餾在裝置(1)熱泵恒沸精餾比平均水平傳統(tǒng)恒沸精餾能上的區(qū)別為熱泵恒沸精餾裝置去掉了蒸汽鍋爐系耗下降86% ,每年可節(jié)約操作費(fèi)用950萬元以上;統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、塔頂冷凝器,增加了熱泵、比先進(jìn)水平傳統(tǒng)恒沸精餾能耗下降56% ,每年可輔助加熱器。其投資金額增減如表2。節(jié)約操作費(fèi)用190萬元以上。表2熱泵恒沸精餾與傳統(tǒng)恒沸精餾 工藝投資比較表( 2 )熱泵恒沸精餾不消耗冷卻水,與傳統(tǒng)恒沸增加設(shè)備減少設(shè)備精餾相比,每年可節(jié)約水資源120kt以上。.設(shè)備數(shù)量/臺(tái)套金額/萬元數(shù)量/臺(tái)套 金額/萬元(3)投資費(fèi)用略有增加。熱泵恒沸精餾系統(tǒng)增熱泵250加2臺(tái)熱泵壓縮機(jī),但與普通恒沸精餾法工藝相輔助加熱器1.5蒸汽鍋爐225比，由于塔頂不需要冷凝器,換熱器投資減少-蒸汽鍋爐房15半，且不需要投資鍋爐供熱系統(tǒng),因此總投資費(fèi)用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)26比傳統(tǒng)恒沸精餾工藝只增加21%。塔頂冷凝器-6合計(jì)金額251.532(4)用熱泵恒沸精餾工藝替換傳統(tǒng)恒沸精餾工藝,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,特別是對(duì)于由表2可見，以年產(chǎn)50 kt燃料乙醇生產(chǎn)裝置缺水地區(qū)其優(yōu)勢更大。為例,熱泵恒沸精餾生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)恒沸精餾生產(chǎn)參考文獻(xiàn)工藝相比,凈增投資金額251.5-82= 169.5萬元1 GB 18350- -2001 ,變性燃料乙醇[S]人民幣,占總投資金額的21%。GB 18351- -2001 ,車用乙醇汽油S]謝林. [J]釀酒科技, 1994,(4):52-554結(jié)論李春云. [J]浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001 , 292):210~212將恒沸精餾與熱泵技術(shù)兩種成熟的技術(shù)有機(jī)地常秀蓮. [J]釀酒科技, 2000,(2): 49~50結(jié)合起來而形成的熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝,大大馬心如,趙芙榮. [J]釀酒科技, 2002 ,(2): 57~58封瑞江，趙崇峰. [J]撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 20( 3):降低了生產(chǎn)能耗,是一種具有經(jīng)濟(jì)-節(jié)能-環(huán)保多13~ 15重效益的新工藝,可減輕對(duì)環(huán)境的熱污染,也是-8何潮洪，馮霄.化工原理[M]北京:科學(xué)出版社, 2001 .種清潔生產(chǎn)工藝。.9郁永章.熱泵原理與應(yīng)用[M]北京:機(jī)械工業(yè)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.中國煤化I echnology could reduce56% energy on the production process.MYHCNMHGKeywords anhydrous ethanol , heat pump rectification , constant boiling rectification , fuel alcohol(編輯奚志剛)