楊 靜， 杜 江， 趙 錦， 張秋翔， 李雙喜*

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.國網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司北京生物質(zhì)能源技術(shù)中心，北京 100052）

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纖維素燃料乙醇三塔精餾優(yōu)化1

楊 靜1， 杜 江1， 趙 錦2， 張秋翔1， 李雙喜1*

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.國網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司北京生物質(zhì)能源技術(shù)中心，北京 100052）

摘 要：纖維素燃料乙醇生產(chǎn)過程中由于發(fā)酵醪液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（5%左右），精餾所需能耗較高，高能耗成為制約纖維素燃料乙醇工業(yè)化的重要原因?；贏spen plus軟件建立纖維素乙醇三塔精餾工藝的計(jì)算模型，采用NRTL活度系數(shù)模型得到物料及能量衡算結(jié)果。分別優(yōu)化粗塔、常壓塔和加壓塔，得到各塔理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比等參數(shù)對各塔再沸器負(fù)荷的影響規(guī)律，通過優(yōu)化各影響參數(shù)使綜合能耗最小，為纖維素燃料乙醇生產(chǎn)工業(yè)化提供理論支持。

關(guān)鍵詞：纖維素；燃料乙醇；三塔精餾；Aspen plus

燃料乙醇是指以薯類、糖類或纖維素等生物質(zhì)為原料，經(jīng)預(yù)處理、酶解、發(fā)酵、精餾、脫水得到99.5%（V）的燃料乙醇。生產(chǎn)過程不僅不會污染環(huán)境，而且可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的自然平衡。纖維素是地球上資源最為豐富的生物質(zhì)能源，以其作為原料生產(chǎn)燃料乙醇最具廣闊的發(fā)展前景[1-3]。

傳統(tǒng)的纖維素燃料乙醇精餾工藝為雙塔精餾，生產(chǎn) 1 t燃料乙醇產(chǎn)品在精餾單元的新鮮蒸汽消耗為2.2～2.5 t。由于其能耗較高逐漸被三塔精餾工藝取代[4-5]。但以纖維素為原料生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)酵醪液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低（5%左右），精餾單元能耗高，占整個(gè)生產(chǎn)總耗能的60%～70%。低能耗精餾成為一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，對于降低生產(chǎn)成本具有重大意義[6]。

Aspen plus是大型化工流程模擬軟件，具有完備的物性數(shù)據(jù)庫。功能齊全，規(guī)模龐大，可應(yīng)用于化工，煉油，石油化工，氣體加工，煤炭，醫(yī)藥，冶金，環(huán)境保護(hù)，動力，節(jié)能，食品等許多工業(yè)領(lǐng)域[7]。

本文利用Aspen plus軟件對纖維素燃料乙醇三塔精餾工藝[8]進(jìn)行模擬并優(yōu)化各塔參數(shù)，為纖維素燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支持。

1 建立計(jì)算模型

纖維素燃料乙醇三塔精餾工藝流程如圖1所示。發(fā)酵成熟醪液經(jīng)E-0504成熟醪1#預(yù)熱器、E-0505成熟醪2#預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)進(jìn)入T-0501粗塔上部。塔頂采出粗酒精，經(jīng)E-0504成熟醪1#預(yù)熱器與原料換熱部分冷凝，未凝氣相在 T-0504洗滌塔中回收乙醇，冷凝液和 T-0501粗塔側(cè)線液相采出淡酒以及洗滌塔T-0504塔底液匯合后經(jīng)E-0506常壓塔進(jìn)料預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)進(jìn)入T-0502常壓塔中下部。粗塔T-0501塔底采出液經(jīng)E-0505成熟醪2#預(yù)熱器回收熱量后去污水處理系統(tǒng)。

T-0502常壓塔塔頂氣相部分經(jīng)E-0501粗塔冷凝再沸器被粗塔塔釜液冷凝后回流，另一部分作為精餾產(chǎn)品去脫水單元。T-0502常壓塔塔底液經(jīng)加壓塔進(jìn)料預(yù)熱器E-0507預(yù)熱后進(jìn)入T-0503加壓塔。

T-0503加壓塔塔頂氣相經(jīng)E-0502常壓塔冷凝再沸器被常壓塔釜液冷凝后分為兩股，一股作為加壓塔T-0503回流液，另一股回流至常壓塔T-0502。塔底部分經(jīng)加壓塔進(jìn)料預(yù)熱器E-0507回收熱量后去熱水罐區(qū)。

圖1 纖維素燃料乙醇三塔精餾工藝流程圖

按圖1工藝流程選用RadFrac模塊并采用NRTL[9]物性方法在Aspen plus中建立計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 Aspen plus建模計(jì)算流程圖

通過計(jì)算得到物料平衡表，關(guān)鍵物流計(jì)算結(jié)果如表1所示。進(jìn)料物流（代號0501）中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.9%，不凝氣通過洗滌塔T-0504塔頂放空（代號0511），主要成分為CO2。常壓塔T-0502塔頂產(chǎn)出乙醇去脫水單元，從表1可知產(chǎn)品物流（代號0520）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.5%，達(dá)到乙醇―水的共沸濃度。粗塔塔底廢水（代號0514）以及高壓塔塔底水（代號0525）中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為100 ppm。

表1 關(guān)鍵物流計(jì)算結(jié)果

2 優(yōu)化工藝參數(shù)

以玉米秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇，發(fā)酵醪液乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 6%左右，含有水、二氧化碳、醇、醛、酸、脂、硫酸鹽以及固形物等雜質(zhì)[10]。本次模擬忽略固形物和微量組分對精餾工藝的影響。利用Aspen plus中的靈敏度分析分別研究理論板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比等參數(shù)對綜合能耗的影響。

2.1 粗塔T-0501參數(shù)優(yōu)化

粗塔T-0501為負(fù)壓操作，主要排出不凝氣及大量水，塔頂酒氣經(jīng)冷凝器冷凝，不凝氣通過洗滌塔回收乙醇后排放。冷凝液和洗滌塔塔底液匯總后進(jìn)入常壓塔。粗塔模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 粗塔T-0501模擬計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于粗塔塔頂進(jìn)料，塔頂采出氣相冷凝后不回流，故回流比恒定不變。塔頂氣相冷凝溫度會影響洗滌塔進(jìn)料中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而影響洗滌塔用水量。因此，粗塔冷凝器的冷凝溫度為主要優(yōu)化參數(shù)，除此之外，理論塔板數(shù)和側(cè)線采出量是影響塔底再沸器能耗的主要因素。

利用Aspen plus軟件的靈敏度分析得到冷凝溫度與洗滌水用量的關(guān)系如圖3所示，理論板數(shù)對塔底再沸器負(fù)荷的影響如圖4所示。

由圖3可以看出，隨冷凝溫度的降低洗滌水用量減少，冷凝溫度在67℃以下時(shí)洗滌水用量變化較小，因此優(yōu)化冷凝溫度為67℃，此時(shí)，洗滌水用量74.2 kmol/h。由圖4可知，隨著理論板數(shù)的增加塔釜再沸器能耗減小，塔釜乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，當(dāng)理論板數(shù)為 21塊時(shí)達(dá)到分離要求，且理論板數(shù)再繼續(xù)增加對塔底乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較小，因此優(yōu)化理論板數(shù)為21，此時(shí)塔底再沸器負(fù)荷為3.424×109J/h。

圖3 冷凝溫度與洗滌水用量的關(guān)系

圖4 理論板數(shù)與再沸器能耗和塔底乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

三塔精餾工藝增加側(cè)線采出量，可減輕粗塔塔釜能耗，通過模擬計(jì)算得到側(cè)線采出量越大塔底負(fù)荷越小，最大采出量為800 kmol/h，采出位置為第2塊塔板。

2.2 常壓T-0502塔參數(shù)優(yōu)化

粗塔冷凝液和洗滌塔塔底產(chǎn)出液匯總作為常壓塔的進(jìn)料，塔頂產(chǎn)出體積分?jǐn)?shù)95%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)92.5%的乙醇，塔底采出液進(jìn)入加壓塔，常壓塔模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 常壓塔T-0502模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

常壓塔主要優(yōu)化參數(shù)有回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料位置。通過計(jì)算得到不同回流比下塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及再沸器負(fù)荷關(guān)系如圖5所示，理論塔板數(shù)與塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)和再沸器負(fù)荷的關(guān)系如圖6所示，進(jìn)料位置與塔釜再沸器負(fù)荷和冷凝器負(fù)荷關(guān)系如圖7所示。

圖5 回流比和塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)及再沸器負(fù)荷的關(guān)系

圖6 理論塔板數(shù)與塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)和再沸器負(fù)荷的關(guān)系

圖7 進(jìn)料位置與塔釜再沸器負(fù)荷和冷凝器負(fù)荷關(guān)系

由圖5可知，回流比增加塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)和再沸器負(fù)荷都增加，回流比為4時(shí)塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)，此時(shí)塔釜再沸器負(fù)荷為4.265×109J/h，因此優(yōu)化常壓塔回流比為4。

由圖6可知，理論塔板數(shù)達(dá)到35塊時(shí)，塔頂乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到要求，此時(shí)再沸器負(fù)荷3.403×109J/h。由圖7可知隨進(jìn)料位置的下移再沸器和冷凝器的負(fù)荷均降低，但為了實(shí)現(xiàn)常壓塔的冷凝器與粗塔再沸器能量平衡，需選擇合適的進(jìn)料位置，從圖中可得到冷凝器的負(fù)荷為－3.424×109J/h時(shí)進(jìn)料板為第14塊，此時(shí)再沸器的負(fù)荷為3.516×109J/h，故優(yōu)化進(jìn)料位置為第14塊塔板。

2.3 加壓塔T-0503參數(shù)優(yōu)化

常壓塔塔底液經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入加壓塔。加壓塔主要作用為減小常壓塔塔底再沸器負(fù)荷，加壓塔塔頂冷凝器和常壓塔塔底再沸器共用。同理，與常壓塔優(yōu)化方案相同，經(jīng)優(yōu)化后的回流比為8.74，塔板數(shù)為40，進(jìn)料位置為25。

3 優(yōu)化結(jié)果及結(jié)論

綜上所述，利用Aspen plus軟件優(yōu)化了粗塔、常壓塔和加壓塔的操作參數(shù)，在保證精餾純度的前提下，實(shí)現(xiàn)了三塔的物料及熱量平衡。三塔精餾工藝的各塔參數(shù)及能耗如表4所示。

表4 優(yōu)化后各塔參數(shù)及能耗

本文利用Aspen plus軟件完成纖維素燃料乙醇三塔精餾工藝模擬及優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

1）通過對粗塔操作參數(shù)的優(yōu)化，得到粗塔塔頂最佳冷凝溫度、理論塔板數(shù)及進(jìn)料位置，以及優(yōu)化洗滌水用量。2）通過對常壓塔回流比、理論塔板數(shù)和進(jìn)料位置優(yōu)化，在保證精餾乙醇純度的同時(shí)降低了常壓塔能耗，實(shí)現(xiàn)了常壓塔冷凝器與粗塔再沸器能量平衡。3）通過對加壓塔參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)加壓塔冷凝器與常壓塔再沸器能量平衡，優(yōu)化精餾綜合能耗。

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中圖分類號：TQ018；TS262.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-8405(2016)02-0060-06

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.09

收稿日期：2015-12-09

作者簡介：楊 靜（1970~），女，講師；研究方向：纖維素乙醇技術(shù)。djbuct@163.com

* 通訊作者：李雙喜（1977~），男，博士，副教授；研究方向：纖維素乙醇、密封技術(shù)。lsxbuct@163.com

Optimization of Cellulosic Fuel-ethanol Distillation with Three Towers

YANG Jing1, DU Jiang1, ZHAO Jin2, ZHANG Qiu-xiang1, LI Shuang-xi1*
（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 led high energy consumption in distillation. The high energy consumption had became the most important reason that restrict the industrialization of cellulosic fuel-ethanol. The calculative model of cellulosic fuel-ethanol distillation with three towers was built based on NRTL activity coefficient model in Aspen plus. The mass balance and energy balance of this process was calculated. The relation between the duty of reboiler and plate number, feeding location and the reflux ratio of each towers was established by optimizing crude tower, normal pressure tower and pressurized tower. The minimum comprehensive energy consumption was got by optimizing each parameter. The results provided theoretical support for the industrialization of cellulosic fuel-ethanol production.

Key words:cellulose; fuel-ethanol; distillation with three towers; Aspen plus