燃料乙醇萃取精馏工艺的有效能分析

V o.l 38 N o.82010年8月

(N atura l Science Editi o n)

A ug ust 2010

文章编号:1000 565X (2010)08 0040 05

收稿日期:2009 09 03

*基金项目:广东省科技计划项目(2002C20809,2004B50101001,2006A 50102002);科技部中泰科技合作项目(18 509J) 作者简介:杨慧(1984 ),女,博士生,主要从事可再生资源理论与应用研究.E m ai:l yanghu i 198410@yahoo .cn

燃料乙醇萃取精馏工艺的有效能分析

*

杨慧 陈砺 严宗诚 王红林

(华南理工大学化学与化工学院,广东广州5100)

摘 要:为高效节能地制备燃料乙醇,采用有效能分析法对燃料乙醇萃取蒸馏工艺的4个塔进行分析.其中醪塔由塔顶常压操作、水蒸气预热进料变为塔顶压力50kPa 、塔底废醪液预热进料后,有效能效率从33 3%增加到61 0%;精馏塔塔顶压力从常压变为200kPa 时,有效能效率从1 6%增加到 0%;萃取精馏塔的萃取剂乙二醇中添加醋酸钾后,有效能效率从原来的25 0%增大到29 0%;萃取剂回收塔的有效能效率为25 9%.说明利用有效能分析法可以清晰地辨别系统能耗高的位置.

关键词:燃料乙醇;萃取精馏;有效能;有效能分析中图分类号:TQ 013 do :i 10.3969/.j issn.1000 565X .2010.08.008

乙醇是一种可再生能源,可经玉米、甘蔗、木薯

等农作物发酵、精馏制得.除大量应用于制酒业、化工、医疗外,还可以作为汽车燃料使用

[1]

.将工业酒

精进一步脱水制得无水乙醇后,按照一定比例加入汽油或柴油中即成为燃料乙醇.它被认为是节约汽油的最佳燃料,可以有效降低汽车尾气污染物的排放.燃料乙醇替代汽油燃烧既有利于减少对进口能源的依赖,保障国家能源安全,又有利于增加农民收入和提供就业机会[2]

.在全世界范围内,燃料乙醇

的消耗量相当于汽油的2%,预计到2030年将达到

10%~20%

[3]

.目前生物燃料乙醇的两大生产国和消费国 美国和巴西的乙醇产量约占全球总产量的95%以上[4]

.目前,中国燃料乙醇的消费量已占

汽车燃料消费量的20%左右,且产能和应用范围都

在不断扩大

[5]

,中国已成为继美国、巴西之后的第

三大生物燃料乙醇生产国和消费国.

燃料乙醇的精馏脱水工段能耗占整个燃料乙醇

生产过程的50%~80%.随着燃料乙醇计划的实施,如何高效节能地制备燃料乙醇成为一个迫切需要解决的问题.国内外专家学者在电厂[6]

、石油化工

[7]

、

高炉冶炼

[8]

、生态系统

[9]

等方面做了大量的调查、

分析,找出了系统用能中存在的问题,指出了节能的

方向和途径.文中将工业乙醇生产的一级精馏系统和燃料乙醇生产的加盐萃取精馏系统合并作为一个整体考虑其用能问题.采用有效能分析法找出系统能耗高的问题所在,为进一步制定节能措施提供依据.

1 有效能分析的理论与优势

处于一定状态的物系进行某一完全可逆的变

化,最后与环境达到完全热力学平衡时,该变化过程所做的最大有用功称为物系在该状态下的有效能

[10]

.将有效能作为衡量能量做功能力大小的指

标,有效能越大,其做功能力就越大,能量的质量就越高.有效能是一状态函数,它的大小与所给定的环境状态有关.它是体系和环境构成的复合系统的一个

参数,是复合系统的属性[11]

.与给定环境相平衡的状态称为 基态!或 死态!,此时的有效能为0.

能量衡算法是建立在热力学第一定律基础上的能量数量分析法.通过分析揭示能量在数量上的转换和利用情况,可确定系统的能量利用率或能效率,反映能量的外部损失;但其不能反映能量利用中系

统内部的损失以及能量质量方面的利用情况.不同的能源,其品位有高低之分,电是最高品位的能源,其次是天然气、煤等,因此,不能单纯地从能耗费用或所消耗燃料的热值来简单评价.有效能分析法是同时建立在热力学第一定律和热力学第二定律上的能量的 数!和 质!统一的分析法,它在对所研究的系统或设备进行热量和能量衡算的基础上进行有效能衡算,进而根据衡算结果弄清系统或设备中有效能损失的部位、数量以及原因

[12]

.此方法不仅揭示

外部有效能的损失,还揭示内部不可逆因素(包括

燃烧、流动、传热和传质等)造成的有效能损失[13]

.据此可以对设备或系统进行正确的分析和评价,为制定相应的节能措施提供依据.化工过程有效能分析是评价生产装置能量利用合理程度,探索降低能耗的有利工具

[14]

.

对于稳流过程,流体的物理有效能(E )为E =H -H 0-T 0(S -S 0)(1)式中:H 和S 分别为流体处于某状态的焓和熵;H 0和S 0分别为流体在基准态时的焓和熵;基准态取P 0=101 325kPa ,T 0=298K . 恒温物流的有效能为 E =Q (1-T 0/T )(2)

式中:Q 为热量.

变温物流的有效能为 E =Q (1-T 0/T m )

(3)式中:T m 为热力学平均温度,T m =(T 2-T 1)/l n (T 2/

T 1);T 1、T 2分别为物流的初始和最终温度.

有效能衡算方程为

E in =E o +E L

(4)

式中:E in 、E o 、E L 分别为输入、输出和损失的有效能.

有效能效率 为

=

E o

E in

∀100%(5)2 燃料乙醇的精馏工艺

某年产2 43万t 无水乙醇精馏工段的工艺流程

[1]

如图1所示.成熟发酵醪进入醪塔精馏,醪塔塔

顶的蒸气经加压预热后进入精馏塔精馏.精馏塔出来的工业乙醇进入萃取精馏塔,同时侧线提取部分杂醇油,精馏塔的废水进入闪蒸罐内进行气液分离.从萃取精馏塔制得燃料乙醇,萃取塔塔底的物流进入萃取剂回收塔内得到萃取剂,循环使用.

该工艺采用乙二醇作萃取剂的多效萃取精馏法,由于萃取过程的中间产品不接近共沸组成,因而避免了 夹点!,而且精馏塔的塔板数可以较少

[15]

.同时在

萃取剂中加入醋酸钾盐,一方面利用溶盐提高欲分离组分之间相对挥发度的突出性能,克服纯溶剂效能差、用量大的缺点;另一方面能保持液体分离剂容易循环和回收、便于在工业生产上实现的优点

[16]

.

该工艺还采用多塔差压精馏,实现热能的多次利用,达到了节约能源的目的,是通常常压精馏工艺所无法比拟的.其中醪塔采用负压真空操作,

可以减

图1 燃料乙醇萃取精馏工艺流程图

F ig .1 F lowchart of ex tracti ve distillation o f fuel ethano l

S1 成熟发酵醪;S2、S5 粗酒精;S3 酒糟废水;S4 精馏塔塔顶蒸气;S6、S 19、S20 蒸汽;S7、S11 工业乙醇;S8、S10 精馏塔塔底废水;S9 闪蒸蒸汽;S12、S17 萃取剂;S13 燃料乙醇;S14、S15、S18 萃取精馏塔塔釜液;S16 废水;C1 压缩机;Ex1、Ex2 膨胀器;E1 换热器

41

第8期杨慧等:燃料乙醇萃取精馏工艺的有效能分析

考虑到传统有效能计算方法的复杂性,文中利用ProII软件对该工艺进行模拟,采用SRKM方法计算各塔进出物流的焓、熵值,进而计算其有效能.

3 各塔有效能分析

3.1 醪塔有效能分析

塔顶不设冷凝器,塔顶产品酒精的质量分数为47 18%.将醪塔3种方案的塔顶常压、负压、加压操作的有效能进行比较,结果如表1所示.

塔顶操作压力由常压变为50kPa时,有效能效率稍有下降.当其为50kPa时,醪塔塔釜的再沸器可由精馏塔加压操作时的塔顶蒸气换热,这样可以大大节约热能.对废醪液热量的回收利用使得有效能效率从30 4%提高到61 0%.不可逆损失的有效能主要是由压差、温差、传质阻力造成的,这些是精馏操作所必需的推动力.

3.2 精馏塔有效能分析

醪塔塔顶产品继续进入精馏塔制得工业酒精(塔顶酒精质量分数为92 41%).将塔顶常压和加压操作两种方案的有效能分析进行比较,结果如表2所示.

两个方案相比,方案E的有效能效率明显提高.这是因为方案E采用差压精馏,充分利用精馏塔塔顶蒸气的冷凝热,使其因没有被冷却水带走而造成损失.尽管塔底废水带走了大量的热量,导致外部有效能损失很大,但是有效能效率仍然大于醪塔.

3.3 萃取精馏塔有效能分析

为使萃取精馏塔塔顶产品中乙醇的体积分数达到99 8%,将所需萃取剂(纯乙二醇)与工业酒精进料的质量比设为1 5#1 0,加盐萃取剂(乙二醇+醋酸钾)与工业酒精进料的质量比设为1 2#1 0.萃取剂中加醋酸钾(质量分数为13 0%)前后,萃取精馏塔的有效能分析如表3所示.

加盐萃取精馏比未加盐萃取精馏的有效能效率稍大.因为加盐萃取精馏相比于未加盐萃取精馏,其所需萃取剂的量减少了20%,传质阻力减少,再沸器和冷凝器的热负荷降低.

萃取精馏塔有效能效率较低的主要原因有: (1)塔顶冷却水带走大量热量,导致大量外部有效能损失;(2)萃取剂和酒精两股进料使传质阻力增大;(3)塔顶、塔釜温差较大.

表1 醪塔3种方案的有效能分析

T able1 Exe rgy ana lysis of prefracti onator under t hree different cond itions

方案

单位时间有效能/(kJ∃h-1)

进料再沸器电(真空泵)预热总输入塔顶蒸气塔底废醪液总输出外部损失不可逆损失

有效能

效率/%

A1)4541543653055221813363253432107415124611521074151246115297181333.3 B2)45415430802461620001252172494857215045297494761504529749476269456730.4 C3)4541543080246162000753174444957415045297494762254005124252144239561.0 1)塔顶为常压操作,水蒸气预热进料;2)塔顶压力为50kPa,水蒸气预热进料;3)塔顶压力为50kPa,塔底废醪液预热进料.

表2 精馏塔两种方案的有效能分析

T ab l e2 Exergy ana l ys i s o f distillation co l u m n under t wo cond iti ons

方案

单位时间有效能/(k J∃h-1)

进料直接蒸汽总输入塔顶换热输出塔顶成品酒精总输出冷凝器损失塔底废水损失不可逆损失

有效能

效率/%

D1)3562712738496309476749232492321757501336147951887 1.6 E2)2043442756546319112877847879852965836617060916337.0 1)塔顶为常压;2)塔顶压力为200kPa,塔顶蒸气给醪塔塔釜再沸器换热.

表3 萃取剂中加醋酸钾前后的萃取精馏塔有效能分析

T able3 Exergy analysis o f ex tracti v e d istillati on co lu mn be fore and a fter add i ng KA c

萃取剂

单位时间有效能/(kJ∃h-1)

进料再沸器萃取剂总输入塔顶产品塔底溶液总输出冷凝器损失不可逆损失

有效能效率/%

纯乙二醇113559166980456635183999750878409400460278619176322825.0乙二醇+醋酸钾1135591590245308174915550923458710509633606627632429.0 42华南理工大学学报(自然科学版)第38卷3.4 萃取剂回收塔有效能分析

萃取精馏塔塔釜出来的萃取剂只含有少量水,经萃取剂回收塔将水除去之后(回收塔塔釜出来的萃取剂含水低于0 2%),萃取剂可以继续循环使用,达到节约资源的目的.萃取剂回收塔塔顶操作压力为13kPa,萃取剂回收塔的有效能分析如表4所示.其中,萃取剂回收塔的有效能效率为25 9%.

表4 萃取剂回收塔的有效能分析

T ab l e4 Exergy ana l ysis o f ex tractant recovery co l u m n

能物流单位时间有效能/(kJ∃h-1)

进料458710

再沸器432172

总输入0882

塔釜出料(总输出)229298

冷凝器(外部损失)73335

塔顶出料1251

不可逆损失586998

萃取剂回收塔进料主要为加盐萃取剂和水,外部有效能主要由塔顶冷却水带走,且塔顶、塔釜温差约为100%,所以不可逆有效能损失较大.

4 结语

文中从有效能的角度分析燃料乙醇萃取精馏工艺,对各个塔进行了有效能衡算.醪塔在塔顶常压操作、水蒸气预热进料时有效能效率为33 3%,当变为塔顶压力50kPa、塔底废醪液预热进料后,其有效能效率增加至61 0%;精馏塔塔顶压力从常压变为200kPa,塔顶蒸气与醪塔塔釜再沸器换热时,其有效能效率从1 6%增加到 0%;萃取精馏塔的萃取剂乙二醇中添加醋酸钾前后,其有效能效率分别为25 0%和29 0%;萃取剂回收塔的有效能效率为25 9%.由此可知萃取剂回收塔的有效能效率最低,节能潜力较大.温差、压差、传质阻力是造成不可逆有效能损失的主要原因.

萃取剂回收塔不同操作方案的有效能效率比较以及操作条作的改进还有待下一步研究.由于萃取精馏塔和萃取剂回收塔塔釜温度都很高,因此可以考虑设置中间再沸器以采用较低温度的加热剂,或者采用沸点相对较低的萃取剂以降低温差、压差造成的有效能损失.此外,应充分回收利用过程本身的余热,减少外部有效能损失,以提高有效能效率.将有效能分析与夹点技术、能值分析等方法相结合用于燃料乙醇精馏工艺的节能研究将是下一步工作的方向.

参考文献:

[1] 杨慧,陈砺,严宗诚,等.燃料乙醇精馏工艺的模拟优

化与节能研究[J].酿酒科技,2009(10):43 47.

Y ang H u,i Chen L,i Y an Zong cheng,et a.l R esearch on

t he si m ulati on&opti m iza tion and energy sav ing of extrac

tive distillation i n f ue l ethano l production[J].L iquo r

M ak i ng Science&T echno l ogy,2009(10):43 47.

[2] 田宜水,孙丽英,赵立欣.我国生物燃料乙醇产业发展

条件分析[J].中国高校科技与产业化,2008(3):72

75.

T i an Y i shu,i Sun L i y i ng,Zhao L i x i n.Ana l ys i s o f dev e

l op m ent conditions o f bio fuel e t hano l i n Ch i na[J].Ch i

nese U n i versity T echnology T ransfer,2008(3):72 75. [3] W a lter A rna l do,R os illo Ca lle F rank,D olzan Paulo,et a.l

P erspec ti ves on fuel e t hano l consumpti on and trade[J].

B io m ass and B i oenergy,2008,32(8):730 748.

[4] 王成军,黄少杰.国外燃料乙醇工业的发展现状及其

对我国的启示[J].工业技术经济,2005,24(5):110

112.

W ang Cheng jun,Huang Shao jie.D eve l op m en t status of

f ue l ethano l i ndustry abroad and i nsp i ration to China[J].

Industr i a l T echno logy&Economy,2005,24(5):110

112.

[5] 刘军,郭浪.我国燃料乙醇原料非粮化探讨[J].山东

食品发酵,2008(3):44 48.

L i u Jun,G uo Lang.R esearch of non f ood or i ented feed

stock o f fuel ethano l i n Ch i na[J].Shandong Food Fe r

m ent,2008(3):44 48.

[6] 宋淑英.电厂热力循环的火用分析[J].天津电力技

术,1997(4):1 6.

Song Shu y i ng.Ex ergy analysis o f the r modyna m ic cy cle of

a pow er plant[J].T ian ji n E lectr i c P ower,1997(4):1 6.

[7] 徐绍红,杨秀琴,苗郁.在化工企业节能设计中应使用

火用分析法[J].平原大学学报,2000,17(2):22 23.

X u Shao hong,Y ang X i u q i n,M iao Y u.Ex ergy ana l ysis

shou l d be used i n the energy sav i ng desi gn of che m i ca l

eng i neer i ng industry[J].Journal of P i ngyuan U n i versity,

2000,17(2):22 23.

[8] 祝立萍,龚义书.高炉能量平衡与火用平衡分析[J].

节能,1999(7):5 8.

Zhu L i p i ng,G ong Y i shu.Energy and exergy equ ilibri um

ana l y si s of the b last furnace[J].Energy conservation,

1999(7):5 8.

[9] 王清照,程伟良,王加璇.火用在生态建模中的作用

[J].现代电力,1997,14(1):20 25.

43

第8期杨慧等:燃料乙醇萃取精馏工艺的有效能分析W ang Q ing z hao,Cheng W ei liang,W ang Jia xuan.The

effect o f exergy on estab lishing m ode l i n eco logy[J].

M odern E lectr i c Pow er,1997,14(1):20 25.

[10] 薛荣书,应柳枝,魏顺安,等.火用理论体系的严密性探

讨[J].长沙电力学院学报:自然科学版,2006,21

(3):34 53.

Xue R ong s hu,Y i ng L iu zh,i W e i Shun an,et a.l Study

on the rigo r o f syste m of exergy theory[J].Journa l o f

Changsha U n i v ers it y o f E lectr ic Pow er:N atural Science

Ed i tion,2006,21(3):34 53.

[11] 潘勇,杨波涛.热力学火用概念的完善及其统一求算

[J].昆明理工大学学报:理工版,2006,31(4):86 .

P an Y ong,Y ang Bo tao.N e w accura te de fi nition o f ther

m odyna m i c exe rgy and its ca l culation[J].Jou rnal o f

Kun m i ng U n i versity of Sc i ence and T echno l ogy:Science

and T echno l ogy,2006,31(4):86 .

[12] 杨平辉,曾令平.苯加氢合成环己烷系统有效能分析

[J].化工设计,1999,9(3):11 15.

Y ang P ing hu,i Z eng L i ng p i ng.A vail able energy ana l y

s i s on cyclohexane syntheti c sy stem by benzen and hy

drogen[J].Che m i ca l Eng ineer i ng D esi gn,1999,9(3):

11 15.

[13] 李汝辉,刘德彰,李世武.能量有效利用[M].北京:

北京航空航天大学出版社,1991.

[14] 张大林.透热精馏过程模拟与有效能分析[D].大

连:大连理工大学化学工程专业,2006.

[15] 马晓建,吴勇,牛青川.无水乙醇制备的研究进展

[J].现代化工,2005,25(1):26 29.

M a X iao jian,W u Y ong,N iu Q i ng chuan.P rogress in

m anufacture o f anhydrous ethanol[J].M odern Che m i ca l

Industry,2005,25(1):26 29.

[16] 董红星,刘剑,裴健.加盐萃取精馏的研究进展[J].

化工时刊,2004,18(5):16 19.

D ong H ong x i ng,L i u Jian,Pe i Ji an.R esearch advances

in ex tracti ve distillati on w ith salt[J].Che m ica l Industry

T i m es,2004,18(5):16 19.

Exergy Analysis of Extractive Distillation for Fuel Et hanol

Yang H ui Chen L i Yan Z ong cheng W ang H ong lin

(Schoo l o f Che m i stry and Che m i ca l Eng i neer i ng,South Chi na U niversity of T echnology,G uang zhou5100,G uangdong,Ch i na)

Abst ract:In order to effectively produce fue l ethano lw ith lo w ener gy consum ption,four co l u m ns o f extracti v e dis tillati o n fo r fue l et h ano l are analyzed by the exergy m ethod.It is found that(1)the exer gy effic i e ncy o f the prefrac ti o nator increases fr o m33 3%to61 0%w hen the top pressure varies fro m101 325kPa to50kPa and t h e feed is preheated by waste w ater in the bo tto m i n stead of by w ater vapor;(2)the exergy efficiency of the distillati o n co l u m n i n creases fro m1 6%to 0%w hen the top pressure i m pr oves fro m101 325kPa to200kPa;(3)the exer gy effic i e ncy of t h e extracti v e d istillati o n co l u m n i n creases fro m25 0%to29 0%after the addition ofKA c in the ex tractant g l y co;l and(4)the ex ergy efficiency o f the ex tractan t recovery to w er is up to25 9%.A ll this de m on strates that exergy ana l y sis is feasible i n d istingu ish i n g the position of h i g h ener gy consum pti o n i n an extracti v e dis tillati o n syste m.

K ey w ords:f u el ethano;l extractive d istillation;exer gy;exergy analysi s

44华南理工大学学报(自然科学版)第38卷