纤维素燃料乙醇三塔精馏优化

第24卷第2期纤维素科学与技术VoL 24 No. 22016年6月Journal of Cellulose Science and TechnologyJun.2016文章编号:1004-8405(2016)02-0060-06DOI:101656l/ cnki.xws201602.09纤维素燃料乙醇三塔精馏优化杨静1,杜江,赵锦2,张秋翔!,李双喜1*(1.北京化工大学机电工程学院,北京10009:2.国网节能服务有限公司北京生物质能源技术中心,北京10005)摘要:纤维素燃料乙醇生产过程中由于发酵醪液质量分数较低(5%左右),精馏所需能耗较高,高能耗成为制约纤维素燃料乙醇工业化的重要原因。基于 Aspen plus软件建立纤维素乙醇三塔精馏工艺的计算模型,采用NRTL活度系数模型得到物料及能量衡算结果。分别优化粗塔、常压塔和加压塔,得到各塔理论塔板数、进料位置、回流比等参数对各塔再沸器负荷的影响规律,通过优化各影响参数使综合能耗最小,为纤维素燃料乙醇生产工业化提供理论支持。关键词:纤维素:燃料乙醇;三塔精馏; Aspen plus中图分类号:TQ018;TS2622文献标识码:A燃料乙醇是指以薯类、糖类或纤维素等生物质为原料,经预处理、酶解、发酵、精馏、脱水得到995%(V)的燃料乙醇。生产过程不仅不会污染环境,而且可以实现二氧化碳的自然平衡。纤维素是地球上资源最为丰富的生物质能源,以其作为原料生产燃料乙醇最具广阔的发展前景习。传统的纤维素燃料乙醇精馏工艺为双塔精馏,生产1t燃料乙醇产品在精馏单元的新鲜蒸汽消耗为2.2~2.5t。由于其能耗较高逐渐被三塔精馏工艺取代15。但以纤维素为原料生产燃料乙醇的发酵醪液质量分数低(5%左右),精馏单元能耗高,占整个生产总耗能的60%~70%。低能耗精馏成为一项重要研究内容,对于降低生产成本具有重大意义。Aspen plus是大型化工流程模拟软件,具有完备的物性数据库。功能齐全,规模庞大,可应用于化工,炼油,石油化工,气体加工,煤炭,医药,冶金,环境保护,动力,节能,食品等许多工业领域。本文利用 Aspen plus软件对纤维素燃料乙醇三塔精馏工艺进行模拟并优化各塔参数,为纤维素燃料乙醇工业化生产提供理论支持。1建立计算模型纤维素燃料乙醇三塔精馏工艺流程如图1所示。发酵成熟醪液经E-0504成熟醪1#预热器、E0505成熟醪2#预热器加热到泡点进入T0501粗塔上部。塔顶采出粗酒精,经E0504成熟醪1#预热器与原料换热部分冷凝,未凝气相在T0504洗涤塔中回收乙醇,冷凝液和T0501粗塔侧线液相采出淡酒以及洗涤塔T0504塔底液汇合后经E0506常压塔进料预热器加热到泡点进入T0502常压塔中下部。粗塔T0501塔底采出液经E0505成熟醪2#预热器回收热量后去污水处理系统。T吣0502常压塔塔顶气相部分经E-0501粗塔冷凝再沸器被粗塔塔釜液冷凝后回流,另一部分作为精馏产品去脱水单元。T0502常压塔塔底液经加压塔进料预热器E0507预热后进入T0503加压塔。T吣0503加压塔塔顶气相经E-0502常压塔冷凝再沸器被常压塔釜液冷凝后分为两股,一股作为加压塔收稿日期:2015-1209中国煤化工作者简介:杨静(1970~),女,讲师;研究方向:纤维素乙醇技术。 dbutCNMHG*通讯作者:李双喜(1977-),男,博士,副教授;研究方向:纤维素乙醇、技不.Isxbuct@l63.com第2期杨静等:纤维素燃料乙醇三塔精馏优化6T0503回流液,另一股回流至常压塔T0502。塔底部分经加压塔进料预热器E0507回收热量后去热水罐区。成熟醪液产品去脱水单元二氧化碳放空饱和蒸汽洗涤水F0504T05014504T050废液去三废cE0505E0501T0502蒸汽凝液去锅炉c→E0503E0506E0507E0502图1纤维素燃料乙醇三塔精馏工艺流程图按图1工艺流程选用 Radfrac模块并采用NRTL物性方法在 Aspen plus中建立计算模型如图2所示H0510HT0504T0502T0500501圆0507osgB-0504E0505B8Toso]16T-0501 [os17]513051P0502P0503P0501图2 Aspen plus建模计算流程图通过计算得到物料平衡表,关键物流计算结果如表1所示。进料物流(代号0501)中乙醇质量分数为59%,不凝气通过洗涤塔T0504塔顶放空(代号051),主要成分为CoO°常压塔T0502塔顶产出乙醇去脱水单元,从表1可知产品物流(代号0520)质量分数为925%中国煤化工度。粗塔塔底废水(代号0514)以及高压塔塔底水(代号0525)中乙醇质量分数CNMHG纤维素科学与技术第24卷表1关键物流计算结果温度压力总质量流总体积流量质量流量/(kgh)质量分数/%/C /kPa /(kg h)/(m-b /(109C2H60H,OCHO H0 CO20501323002435995014371.2311446157218708542959939050477.560402734.714-3.742171.376187.8914282742646.710.7051437457087697998932-1386350.87787689220100ppm10510255010662381073-1691101066238051125.150428850.213-0.3891.16241.718frace27973051774.5501661346380.166-245.7051445.28151671.18287091371pm052096420011364124226626.371051181840481.182925740.102515896015021764729351505150480100gm102优化工艺参数以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇,发酵醪液乙醇质量分数在6%左右,含有水、二氧化碳、醇、醛、酸、脂、硫酸盐以及固形物等杂质。本次模拟忽略固形物和微量组分对精馏工艺的影响。利用 Aspen plus中的灵敏度分析分别研究理论板数、进料位置、回流比等参数对综合能耗的影响。21粗塔T0501参数优化粗塔T0501为负压操作,主要排出不凝气及大量水,塔顶酒气经冷凝器冷凝,不凝气通过洗涤塔回收乙醇后排放。冷凝液和洗涤塔塔底液汇总后进入常压塔。粗塔模拟基础数据如表2所示。表2粗塔T0501模拟计算基础数据名称数据进料组分及质量分数/%乙醇(594)、水(93.89)、二氧化碳(017243599塔顶压力/kPa(A)理论板数25(可调)冷凝器温度/℃67(可调)侧线采出量/(moh)800(可调塔底出料质量分数/%乙醇≤001由于粗塔塔顶进料,塔顶采出气相冷凝后不回流,故回流比恒定不变。塔顶气相冷凝温度会影响洗涤塔进料中乙醇质量分数,从而影响洗涤塔用水量。因此,粗塔冷凝器的冷凝温度为主要优化参数,除此之外,理论塔板数和侧线釆出量是影响塔底再沸器能耗的主要因素。利用 Aspen plus软件的灵敏度分析得到冷凝温度与洗涤水用量的关系如图3所示,理论板数对塔底再沸器负荷的影响如图4所示。由图3可以看出,随冷凝温度的降低洗涤水用量减少,冷凝温度在67℃以下时洗涤水用量变化较小因此优化冷凝温度为67℃,此时,洗涤水用量742kmoh。由图4可知,随着理论板数的增加塔釜再沸器能耗减小,塔釜乙醇质量分数降低,当理论板数为21块时达到分烹要成·日理诊板数珥继续增加对塔底乙醇质量分数影响较小,因此优化理论板数为21,此时塔底再沸中国煤化工CNMHG第2期杨静等:纤维素燃料乙醇三塔精馏优化633.429再沸器能耗/(×10°Jh塔底乙醇质量分数0.04勺N3.4210.00粗塔冷凝温度/℃C理论板数图3冷凝温度与洗涤水用量的关系图4理论板数与再沸器能耗和塔底乙醇质量分数的关系三塔精馏工艺增加侧线采岀量,可减轻粗塔塔釜能耗,通过模拟计算得到侧线采出量越大塔底负荷越小,最大采出量为800kmoh,采出位置为第2块塔板。22常压T0502塔参数优化粗塔冷凝液和洗涤塔塔底产出液汇总作为常压塔的进料,塔顶产出体积分数95%、质量分数92.5%的乙醇,塔底采出液进入加压塔,常压塔模拟基础数据如表3所示。表3常压塔T0502模拟基础数据名称数据进料组分及质量分数/%乙醇(87)、水(913)进料量/(kgh)16613.5塔顶压力/kP理论板数30(可调)回流比4(可调)进料位置14(可调)塔顶出料质量分数/%乙醇≥93常压塔主要优化参数有回流比、理论板数、进料位置。通过计算得到不同回流比下塔顶乙醇质量分数及再沸器负荷关系如图5所示,理论塔板数与塔顶乙醇质量分数和再沸器负荷的关系如图6所示,进料位置与塔釜再沸器负荷和冷凝器负荷关系如图7所示。89248新尔归N将4.0°氟尔N塔顶乙醇质量分数/%再沸器能耗(x0)3891.8塔顶乙醇质量分数%3491.6再沸器能耗(×10Jh)323.04.0精塔1回流比中国煤化工图5回流比和塔顶乙醇质量分数图CNMHG分数及再沸器负荷的关系纤维素科学与技术第24卷由图5可知,回流比增加塔顶乙醇质量分数和再沸2.0器负荷都增加,回流比为4时塔顶乙醇质量分数达标,此时塔釜再沸器负荷为4265×10°h,因此优化常压塔60回流比为4。5.5再沸器能耗由图6可知,理论塔板数达到35块时,塔顶乙醇质50冷凝器能耗量分数达到要求,此时再沸器负荷3403×10Jh。由图455.07可知随进料位置的下移再沸器和冷凝器的负荷均降低,但为了实现常压塔的冷凝器与粗塔再沸器能量平衡,1416需选择合适的进料位置,从图中可得到冷凝器的负荷为精塔1进料位置3424×109Jh时进料板为第14块,此时再沸器的负图7进料位置与塔釜再沸器负荷荷为3.516×109Jh,故优化进料位置为第14块塔板和冷凝器负荷关系23加压塔T0503参数优化常压塔塔底液经预热器预热后进入加压塔。加压塔主要作用为减小常压塔塔底再沸器负荷,加压塔塔顶冷凝器和常压塔塔底再沸器共用。同理,与常压塔优化方案相同,经优化后的回流比为8.74,塔板数为进料位置为253优化结果及结论综上所述,利用 Aspen plus软件优化了粗塔、常压塔和加压塔的操作参数,在保证精馏纯度的前提下,实现了三塔的物料及热量平衡。三塔精馏工艺的各塔参数及能耗如表4所示。表4优化后各塔参数及能耗塔顶温度塔底温度塔顶压力能耗塔板数回流比进料位置/ KPa (A)/(×10Jh2)粗塔T0501常压塔T05021199加压塔T050315895808.743.868本文利用 Aspen plus软件完成纤维素燃料乙醇三塔精馏工艺模拟及优化,得到如下结论:1)通过对粗塔操作参数的优化,得到粗塔塔顶最佳冷凝温度、理论塔板数及进料位置,以及优化洗涤水用量。2)通过对常压塔回流比、理论塔板数和进料位置优化,在保证精馏乙醇纯度的同时降低了常压塔能耗,实现了常压塔冷凝器与粗塔再沸器能量平衡。3)通过对加压塔参数优化,实现加压塔冷凝器与常压塔再沸器能量平衡,优化精馏综合能耗。参考文献:[]闫莉,吕惠生,张敏华,等纤维素乙醇生产技术及产业化进展门酿酒科技,2013(10:808489[2]胡徐腾.纤维素乙醇研究开发进展门化工进展,201130(1):137-1433]岳国君,武国庆,林鑫,等纤维素乙醇工程化探讨生物工程学报2014,3060:816827[4]张敏华吕惠生,董秀琴,等燃料乙醇生产装备及方法:中国,101157890[200649[5]Huanga H J, Ramaswamya S, Tschimer U w, et al. A review of separation中国煤化工 ure biorefineries[Separation and Purification Technology, 2008, 62(1): 1-2CNMHG(下转第76页)76纤维素科学与技术第24卷Experimental Research on Effectof Lignocellulosic Steam-Exploded FiltrationLIU Yan, JIN Zhao-xu, LI Shuang-xi, CAI Ji-ning, ZHANG Qiu-xiang(1. Beijing Aerospace Test Technology Research Institute, Beijing 1000742. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029)Abstract: In order to ferment the sugar mixture in the hydrolysate of lignocellulose efficiently, the test device ofteam-exploded filtration was designed, machined and installed. The moisture content and monose yield of thecake and filtrate was measured and compared. The feasibility of steam-exploded filtration technology and theimpact of some parameters on the steam-exploded filtration effect was analyzed. Results of the research showedthat the moisture content of the cake was 70. 20%so the solid-liquid separation was obvious. The steam-explodedfiltration effect was better with blowout pressure 1.0 MPa and throat diameter 25 mm. The faster the filter velocitywas, the better the steam-exploded filtration effect under experiment conditions was. This method can make fulluse of the kinetic energy of steam-explosion, overcome the limitation of pressure filter for non-flowing aqueousmaterial, separate the solid and liquid phase of the steam-explosion product, finally achieve the separatedenzymolysis of cellulose and hemicellulose, and increase the yield of enzymolysis and economic value ofKey words: lignocellulose; steam-exploded filtration; experiment; moisture content; monose yield(上接第64页)[6]陈俊英,马晓建,楚德强,等.降低酒精生产能耗的关键技术.酿酒科技,2006(8):24-26.[7 Aspen Technology Inc. Aspen Plusll 1Unit Operation Models. US: Aspen Technology Inc, 2002[8]张敏华,董秀芹,吕惠生,等.生物乙醇节能生产方法:中国,CN10177802A[P]2010-6-2[9] Aspen Plus Reference Manual-Volume 2. Physical Property Methods and Models, 1996: 2-54, 3-77[10]岳国君.纤维素乙醇工程概论M北京:化学工业出版社,2014:291-292Optimization of Cellulosic Fuekethanol Distillation with Three TowersYANG Jing, DU Jiang, ZHAO Jin, ZHANG Qiu-xiang, LI Shuang-xi*(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;2. State Grid Energy Conservation Bio-Energy Technology Center, Beijing 100052, China)Abstract: The low concentration of fermenting slurry in the process of the cellulose fuel-ethanol production ledhigh energy consumption in distillation. The high energy consumption had became the most important reason thatrestrict the industrialization of cellulosic fuel-ethanol. The calculative model of cellulosic fuel-ethanol distillationwith three towers was built based on NRTL activity coefficient model in Aspen plus. The mass balance and energybalance of this process was calculated. The relation between the duty of reboiler and plate number, feedinglocation and the reflux ratio of each towers was established by optimizing crude tower, normal pressure tower andpressurized tower. The minimum comprehensive energy consumptionresults provided theoretical support for the industrialization of cellulosic中国煤化 Tparameter.TheKey words: cellulose; fuel-ethanol; distillation with three towers; Asper.CNMHG