第26卷,總第148期節(jié)能技術(shù)Vol 26, Sum. No 1482008年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar 2008. No. 2生物質(zhì)乙醇制乙烯過程節(jié)能研究王靜,張述偉(大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧大連116012)摘要:以現(xiàn)有的生物質(zhì)乙醇制乙烯實(shí)際操作為依據(jù),采用 ASPEN PLUS軟件對該工藝進(jìn)行全流程的模擬和節(jié)能改進(jìn)。改進(jìn)后的流程在脫水反應(yīng)階段不需要添加蒸汽,且全流程能耗較現(xiàn)有流程節(jié)能20.2%;若脫水反應(yīng)段采用反應(yīng)溫度更低的分子篩催化劑,過程節(jié)能達(dá)28.1%。關(guān)鍵詞:乙醇制乙烯;精餾;節(jié)能;模擬中圖分類號:TQ03文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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前言物乙烯必將作為一條可持續(xù)發(fā)展的綠色化工路線與石油乙烯相抗衡2.3)。乙烯是石油化工工業(yè)的基礎(chǔ)原料,目前約75%本文中以生物質(zhì)乙醇脫水制乙烯的實(shí)際操作為的石油化工原料來源于乙烯。乙醇脫水制乙烯是在依據(jù),應(yīng)用 Aspen Plus軟件對現(xiàn)有流程進(jìn)行模擬和石油化工發(fā)展之前得到乙烯的主要方法后來由于節(jié)能改進(jìn)。同時(shí),對于脫水段采用的分子篩催化劑大量石油和天然氣的開發(fā)利用石油烴熱裂解生產(chǎn)的工藝流程進(jìn)行模擬,比較兩種催化劑的經(jīng)濟(jì)效益。乙烯技術(shù)路線,很快取代了乙醇脫水法,目前已成為生產(chǎn)乙烯的主要方法。然而在石油資源的日趨減1生物質(zhì)乙醇制乙烯工藝少和石油漲價(jià)的情況下,發(fā)展生物質(zhì)乙醇脫水制乙11現(xiàn)有工藝烯的技術(shù)路線更引起各國的重視。現(xiàn)有的生物質(zhì)乙醇制乙烯工藝流程圖如圖1所同石油乙烯相比,生物乙烯的純度高、分離精制示。其工藝流程包括兩個(gè)部分:乙醇精餾段和乙醇費(fèi)用低、投資小、建設(shè)周期短、收益快,而且不受資源脫水段。分布的限制。因此在石油資源急劇匱乏的時(shí)代,生乙醇精餾工藝主要包含粗餾塔T1、精餾塔T收稿日期2008-01-14修訂稿日期2008-02-2精餾塔預(yù)熱器E3、乙醇產(chǎn)品冷卻器F4、雜醇油分離作者簡介:王靜(1982~),女,碩士。罐D(zhuǎn)2等設(shè)備。粗乙醇首先進(jìn)入粗餾塔,粗餾塔塔148頂除去大部分的低沸物二氧化碳,塔的上部采出經(jīng)內(nèi)生產(chǎn)裝置采用三臺單段串聯(lián)段間加熱的絕熱固過初步精餾后的乙醇,該物料與精餾塔塔底物料換定床反應(yīng)器并且乙醇分三股進(jìn)料。熱后進(jìn)入精餾塔。精餾塔側(cè)線采出含雜純油(主要乙醇脫水生成乙烯的反應(yīng),反應(yīng)溫度在250℃成分為異戊醇)的乙醇,經(jīng)過加水稀釋后進(jìn)入雜純油以上,化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)很大,熱力學(xué)上很有利,反分離罐,分離出雜純油。塔上部得到精乙醇產(chǎn)品,經(jīng)應(yīng)中本不需要水蒸氣,考慮到加入一定量的水蒸氣,過冷卻后進(jìn)入到乙醇脫水反應(yīng)階段。該流程中精餾對于防止催化劑積碳和乙烯聚合有很重要的作用,塔頂?shù)恼羝鳛榇逐s塔再沸器的熱源,形成雙效精同時(shí)水蒸氣作為熱載體能夠降低反應(yīng)器絕熱溫降。餾,該工藝只有精餾塔需要外界提供熱量因此現(xiàn)有反應(yīng)器是在水蒸氣存在的條件下進(jìn)行脫水乙醇脫水反應(yīng)工藝主要包括三段反應(yīng)器R1、反應(yīng)。R2、R3,加熱爐E11,蒸發(fā)鼓等設(shè)備。精餾后的乙醇對以上流程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),從精餾塔采出的乙首先利用反應(yīng)后的物料進(jìn)行預(yù)熱汽化。在反應(yīng)過程醇在進(jìn)入脫水反應(yīng)段之前,經(jīng)過換熱器EA將溫度冷中,當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí),乙醇轉(zhuǎn)化率降低,乙醚副產(chǎn)卻至20℃,而在脫水反應(yīng)段又需要加熱,這從用能物增多;而溫度太高,乙醇脫氫、乙烯聚合等副反應(yīng)的角度考慮不盡合理。同時(shí)精餾段采出的高濃度的加重,因此乙醇脫水反應(yīng)有適宜的溫度范圍。不同乙醇,在進(jìn)入反應(yīng)器之前需添加蒸汽,從節(jié)能的角度的催化劑要求具有不同的溫度范圍,例如現(xiàn)有裝置考慮,可以降低精餾段采出乙醇濃度,從而在脫水段采用的活性氧化鋁催化劑的溫度范圍為350~不加蒸汽作為載氣。470℃。為此,為了保持床層在適宜的溫度范圍之乙醇蒸發(fā)鼓水蒸氣b圖1現(xiàn)有的生物質(zhì)乙醇脫水制乙烯工藝流程圖1.2在現(xiàn)有流程基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)(流程1)含量按照組成雙效精餾的冷凝器和再沸器熱負(fù)荷匹在現(xiàn)有流程的基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)的乙醇制乙配要求確定。由于在乙醇濃度低于55%(體積分烯工藝。數(shù))時(shí)異戊醇的揮發(fā)系數(shù)大于1,最終異戊醇將隨首先在乙醇脫水制乙烯反應(yīng)階段,為了不額外乙醇產(chǎn)品一起從塔的上部采出。由于異戊醇含量較添加蒸汽,這就要降低精餾段采出的乙醇濃度。通少且對催化劑無毒害作用,改造后乙醇蒸餾過程不過計(jì)算得出,在不改變乙醇三股進(jìn)料分配的基礎(chǔ)上,考慮雜醇油的分離。其流程如圖2所示:進(jìn)入第一段反應(yīng)器乙醇的適宜濃度為46.4%(無特殊說明以下皆為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。若進(jìn)料乙醇濃度大于該濃度,反應(yīng)器的溫降過大,超出催化劑的溫度范圍;當(dāng)進(jìn)料乙醇濃度小于464%時(shí),反應(yīng)器溫度在催化劑的溫度范圍之內(nèi),但是,由于進(jìn)料量的增加,加熱爐的熱負(fù)荷也隨之增加,與節(jié)能的目的相違背所以選擇精餾段采出乙醇的適宜濃度為464%。圖2在現(xiàn)有流程基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)的工藝流對于乙醇精餾段,T塔去T2塔物料中的乙醇程圖1491.3分子篩催化劑的使用(流程2)其次,對T塔側(cè)線采出量進(jìn)行分析。為了保證乙現(xiàn)有流程使用的氧化鋁系列催化劑,反應(yīng)效果烯的產(chǎn)率,T塔側(cè)線采出的乙醇含量保持在現(xiàn)有流程不錯(cuò),但是空速低,反應(yīng)溫度較高。鑒于節(jié)能考慮,粗餾塔采出乙醇量的水平(400kg/h)粗餾塔側(cè)線采本文改用一種反應(yīng)溫度較低的分子篩催化劑。該催出乙醇濃度對再沸器熱負(fù)荷的影響如圖5所示?；瘎┑臏囟确秶鸀?50~380℃。由于初始反應(yīng)溫度低,可明顯的節(jié)約能耗。兩種催化劑的反應(yīng)條件和器熱負(fù)荷反應(yīng)性能比較見表1。表1兩種催化劑的反應(yīng)條件和反應(yīng)性能比較活性氧化鋁催化劑分子篩催化劑反應(yīng)溫度,℃350-470250-380乙醇空速h乙醇轉(zhuǎn)化率,%乙烯選擇性,%側(cè)線采出乙醇濃度%由于脫水段所需乙醇濃度較低,從節(jié)約成本考圖5側(cè)線采出乙醇濃度對再沸器熱負(fù)荷的影響慮精餾段采用單塔。為了改善粗餾塔的操作特性,由圖5可以看出,隨著側(cè)線采出量的增大,乙醇對精餾過程的幾個(gè)主要條件進(jìn)行優(yōu)化。首先對粗餾塔的進(jìn)料位置和側(cè)線采出位置進(jìn)行靈敏度分析,結(jié)濃度降低,回流比隨之減小,再沸器熱負(fù)荷相應(yīng)減小。當(dāng)乙醇濃度為41.2%時(shí),熱負(fù)荷達(dá)到最小值。果見圖3和圖4隨著釆出量的繼續(xù)增大,若采用較小的41.2%處的950回流比,計(jì)算不收斂。這是因?yàn)?側(cè)線采出量的增大,使側(cè)線采出位置的塔板接近干板,為了避免上述情況的發(fā)生,采用增加回流比的方法。隨著回流比的增加,再沸器熱負(fù)荷增大。所以,選擇T塔側(cè)線采出量為9700kg/h,乙醇濃度為41.2%,此時(shí)再沸塔頂二氧化碳濃度器熱負(fù)荷最小。精餾段采出的濃度為412%的乙醇直接進(jìn)入到進(jìn)料位置脫水反應(yīng)段,脫水段不添加蒸汽。通過計(jì)算可得,脫圖3T塔進(jìn)料位置對側(cè)線采出乙醇濃度和塔水段采用兩段反應(yīng)器就能滿足要求,兩段反應(yīng)器溫度頂二氧化碳濃度的影響控制在催化劑的溫度范圍之內(nèi)。流程如圖6所示線乙濃度乙醇脫水燕發(fā)鼓9側(cè)線采出位置圖4T塔側(cè)線采出位置對側(cè)線采出乙醇濃度圖6采用分子篩催化劑的工藝流程圖和塔頂二氧化碳濃度的影響由圖3可知,們塔進(jìn)料位置在第3~5塊塔板2工藝的穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)精餾效果最好,而進(jìn)料在第4塊板時(shí)達(dá)到最佳效進(jìn)料組成如表2所示:果。由圖4可以看出,T1塔側(cè)線采出位置在第3塊對于乙醇的分離, ASPEN TECH公司推薦采用塔板時(shí),分離效果最好。因此取最佳進(jìn)料位置為第(下轉(zhuǎn)第167頁)4塊塔板,最佳側(cè)線采出位置為第3塊塔板。會組織,200施研究[J.潔凈煤技術(shù),2005,11(2)4姚強(qiáng).潔凈煤技術(shù)[M〕.北京:化學(xué)工業(yè)出版社〔10〕樊泉桂,超超臨界及亞臨界參數(shù)鍋爐[M].北京中國電力出版社,2007,9〔5〕清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院《中國能源展望》1)《能源數(shù)據(jù)2007版》國家發(fā)展和改革委員會能源編寫組,中國能源展望2004M〕.北京:清華大學(xué)出版社,局煤炭工業(yè)潔凈煤工程技術(shù)研究中心[S,207,3〔12〕先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M“十一五”先進(jìn)能源技術(shù)〔6喻漢運(yùn).建設(shè)大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的必要性.新領(lǐng)域戰(zhàn)略研究[S〕2007,4.疆電力,2006,1〔13〕雷銘.我國發(fā)電節(jié)能減排措施〔J〕.大眾用電〔7〕劉志其,熱電聯(lián)產(chǎn)[M].北京:中國電力出版社,200,102006,1l〔14王彥軍,孫有信,基于cM(11)模型的道路交通事〔8鄭方能.中國潔凈煤技術(shù)的研究、開發(fā)與示范[.故預(yù)測〔〕.科技與經(jīng)濟(jì),00,5中國科技產(chǎn)業(yè),2006,2.〔15]劉思峰郭天榜,黨耀國.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用〔9〕張清林提高中國燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率及節(jié)能措M〕.北京:科學(xué)出版社,199(上接第150頁)2.1模擬結(jié)果的物性方法為NRL6。實(shí)際模擬分析表明NRL運(yùn)用 Aspen Plus軟件對以上各流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模熱力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確地反映此混合物系的熱力學(xué)行·擬,各塔數(shù)據(jù)及脫水段反應(yīng)器數(shù)據(jù)模擬結(jié)果分別見為表3和表4。表2進(jìn)料組成表3精餾段模擬計(jì)算結(jié)果序號組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)塔頂壓力,塔底溫度,精餾段能流程名塔名理論板數(shù)乙醇耗kW現(xiàn)有流程m11081.31713118.98153.1二氧化碳流程1m171311896241.2雜純油流程2T15863.8表4脫水段模擬計(jì)算結(jié)果反應(yīng)器1絕反應(yīng)器2絕反應(yīng)器3絕添加中壓加熱爐熱過程總節(jié)能,流程名熱溫降℃熱溫降℃熱溫降℃·蒸汽,kh負(fù)荷,kW能耗,W%現(xiàn)有流程470~358470~358475~40121660.19813.20.0流程1470-360470475-4001590.57831流程2376-2526-270I1886為保證乙醇的轉(zhuǎn)化率大于9%且溫降在催化劑溫度范圍內(nèi)模擬時(shí)第三段反應(yīng)器的溫降留有較大的裕度催化劑,乙醇的處理量大大增加。這樣,降低了生物3結(jié)論質(zhì)乙醇制乙烯的成本,在經(jīng)濟(jì)上更具有競爭力。(1)對現(xiàn)有工況的模擬結(jié)果表明,使用 ASPEN參考文獻(xiàn)PLUS軟件應(yīng)用NRmL物性方法對生物質(zhì)乙醇制乙〔1龔林軍,韓超,譚天偉,等,乙醇制備乙烯的研究烯過程的模擬非常準(zhǔn)確,其結(jié)果完全可以應(yīng)用于裝[J].現(xiàn)代化工,200064-47的節(jié)能改造、性能校核以及實(shí)際生產(chǎn)工況的優(yōu)化?！?潘鋒吳玉龍張建安,等,生物發(fā)酵乙醇催化脫水(2)在現(xiàn)有流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能改進(jìn),改進(jìn)后制乙烯發(fā)展?fàn)顩r[.現(xiàn)代化工,206,562):7-31的流程在脫水反應(yīng)段不需添加蒸汽作為載氣,同時(shí)〔3〕顧志華.乙醇制乙烯技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J.化工進(jìn)展,2006,25(8):847-851過程能耗較現(xiàn)有流程節(jié)省20.2%?！?〕顧志華,王艷丹,金照生,等,乙醇脫水反應(yīng)的熱力(3)如果乙醇脫水反應(yīng)段采用反應(yīng)溫度更低的學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究().化學(xué)研究,x06,17(1):8-n.分子篩催化劑,脫水段同樣不需添加蒸汽作為載氣5章克昌,等,酒精與蒸餾酒工藝學(xué)[M〕].北京:輕工過程節(jié)能281%。而且,該流程在乙醇精餾段只采業(yè)出版杜,195:179-181用單塔,脫水段僅采用兩段反應(yīng)器減少了設(shè)備的投[6]ASPEN Technology Inc. ASPEN PLUS User Guide [M]資。同時(shí)脫水段乙醇進(jìn)料空速增大,使用相同量的US: Aspen Technology Inc,9:71l-79