以木薯為原料制無(wú)水乙醇精餾工段節(jié)能優(yōu)化*

王麗，李美書，李堅(jiān)，李福源

（1.廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東茂名525000）

以木薯為原料制無(wú)水乙醇精餾工段節(jié)能優(yōu)化*

王麗1，李美書1，李堅(jiān)2，李福源1

（1.廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東茂名525000）

通過(guò)Aspen Plus對(duì)木薯制取無(wú)水乙醇的精餾段工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算，利用夾點(diǎn)分析技術(shù)，經(jīng)Aspen energy analyzer對(duì)無(wú)水乙醇精餾工段進(jìn)行了用能診斷和換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。研究表明，設(shè)計(jì)最大熱回收網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的冷公用工程量為2 937.15 kW，約節(jié)約28.83%能量。換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為該工藝精餾段節(jié)能降耗提供了理論依據(jù)。

Aspen Plus；無(wú)水乙醇；精餾；換熱網(wǎng)絡(luò)；夾點(diǎn)技術(shù)

0 引言

無(wú)水乙醇可作為汽車燃料應(yīng)用于專用的乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)中，也可與汽油摻混用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中以達(dá)到節(jié)約汽油的目的［1－2］。無(wú)水乙醇精餾段能耗占整個(gè)工藝過(guò)程能耗的50%～60%，如何進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，以獲得低成本、高純度的無(wú)水乙醇，一直是該行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題［3－6］。

20世紀(jì)70年代末，由英國(guó)學(xué)者Linnhoff等［7］提出的過(guò)程系統(tǒng)節(jié)能中的夾點(diǎn)技術(shù)令人矚目。近年來(lái)，夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于裝置節(jié)能改造中的效果十分明顯，因此成為了廣泛應(yīng)用于過(guò)程熱集成設(shè)計(jì)的有效方法。Aspen energy analyzer是以回收系統(tǒng)能量最大值作為目標(biāo)，即通過(guò)軟件分析計(jì)算得到系統(tǒng)所需最小熱公用工程和最小冷公用工程。孫琳［8］等以?shī)A點(diǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃法，采用了兩步法綜合多程換熱網(wǎng)絡(luò)，以Aspen energy analyzer為工具，建立了多程換熱網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了多程換熱網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)綜合。李廣彩［9］等利用Aspen energy analyzer為工具，對(duì)整個(gè)酒精生產(chǎn)過(guò)程用能狀態(tài)進(jìn)行了診斷，找出了原換熱網(wǎng)絡(luò)用能“瓶頸”，應(yīng)用夾點(diǎn)匹配對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化，使得噸酒精循環(huán)冷卻水用量減少了11.7%，評(píng)估每年節(jié)省費(fèi)用為284.9萬(wàn)元。

本文以木薯為原料，經(jīng)過(guò)原料預(yù)處理，木薯酶解、液化糖化、發(fā)酵等生產(chǎn)工藝得到粗酒精，再經(jīng)過(guò)醪塔、精餾塔、萃取精餾塔和回收塔分離得到無(wú)水乙醇。利用Aspen Plus對(duì)木薯制取無(wú)水乙醇的精餾段工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算，并利用夾點(diǎn)分析技術(shù)，用Aspen energy analyzer對(duì)無(wú)水乙醇的精餾工段進(jìn)行了用能診斷和換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)?？蛇B續(xù)模擬出高純度達(dá)99.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的無(wú)水乙醇，設(shè)計(jì)的最大熱回收網(wǎng)絡(luò)可節(jié)省冷公用工程用量約28.83%。這充分體現(xiàn)了夾點(diǎn)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)。

1 工藝流程與方法

1.1 工藝流程

無(wú)水乙醇分離工藝流程見圖1。工藝的主要設(shè)備有醪塔、精餾塔、萃取塔、回收塔、壓縮機(jī)等。成熟醪液進(jìn)入醪塔精餾，醪塔塔頂?shù)恼魵饨?jīng)加壓預(yù)熱后進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精餾。精餾塔出來(lái)的工業(yè)乙醇進(jìn)入萃取精餾塔，酒糟由粗塔底部排出。從萃取精餾塔制得的燃料乙醇由萃取塔塔頂液相采出，萃取塔塔底的物流進(jìn)入回收塔內(nèi)得到萃取劑，循環(huán)使用。

本工藝采用以乙二醇作萃取劑的多效萃取精餾法。由于萃取過(guò)程中的中間產(chǎn)品不接近共沸組成，因而避免了夾點(diǎn)，而且精餾塔的塔板數(shù)可以較少。同時(shí)在萃取劑中加入醋酸鉀鹽，一方面利用溶鹽提高欲分離組分之間的相對(duì)揮發(fā)度，克服純?nèi)軇┬懿睢⒂昧看蟮娜秉c(diǎn)；另一方面能保持液體分離劑容易循環(huán)和回收、便于在工業(yè)生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 無(wú)水乙醇分離工藝模擬計(jì)算方法

圖1 無(wú)水乙醇分離工藝流程

計(jì)算規(guī)模為年產(chǎn)無(wú)水乙醇2萬(wàn)t，年操作時(shí)間為300 d，原料進(jìn)料流率為41 581.5 kg/h。采用的原料為乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.05%）、水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.95%）。原料溶液壓力為常壓，溫度為25℃。各塔主要控制參數(shù)如表1所示。選擇NRTL方程作為熱力學(xué)方法，并使用RadFrac模型對(duì)精餾工藝進(jìn)行模擬。

表1 塔器條件

1.3 夾點(diǎn)確定方法

采用操作型夾點(diǎn)計(jì)算方法，即確定現(xiàn)有過(guò)程中熱物流量沿溫度的分布，熱流量等于0處即為夾點(diǎn)。在計(jì)算過(guò)程中，Aspen energy analyzer調(diào)用系統(tǒng)的熱、冷物流數(shù)據(jù)，包括熱容流率、初溫、終溫等。根據(jù)最小允許傳熱溫差來(lái)確定夾點(diǎn)位置，并得到系統(tǒng)所需的熱、冷最小公用工程負(fù)荷。

1.4 問題表格確定方法

將系統(tǒng)進(jìn)行溫區(qū)劃分，分別將所有熱流和所有冷流的進(jìn)出口溫度從小到大排列起來(lái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫區(qū)劃分。由Aspen energy analyzer從系統(tǒng)中導(dǎo)出問題表格。

2 結(jié)果與討論

2.1 Aspen Plus工藝模擬結(jié)果

Aspen Plus模擬計(jì)算結(jié)果如下：醪塔塔頂氣和塔底乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.6%、0.2%；精餾塔塔頂產(chǎn)品和塔底乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為94.6%、4.1%；萃取塔塔頂產(chǎn)品乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。各物流的工藝參數(shù)均滿足整個(gè)工藝要求。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有燃料乙醇分離工藝進(jìn)行能量衡算，可得此流程下共消耗熱公用工程用量為10 369.62 kW，冷公用工程用量為10 189.95 kW。

2.2 夾點(diǎn)的計(jì)算

精餾段冷熱物流數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 精餾段冷熱物流數(shù)據(jù)表

續(xù)表

對(duì)每一個(gè)特定的換熱網(wǎng)絡(luò)而言，都會(huì)存在一個(gè)比較合理的夾點(diǎn)溫差。一般情況下，化工裝置的夾點(diǎn)溫差△Tmin通常為5～30℃，本文從該裝置的實(shí)際工況操作、熱回收能量及換熱面積等因素考慮，使用Aspen Energy Analyzer以總費(fèi)用為縱坐標(biāo)，以△Tmin為橫坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得夾點(diǎn)溫差－總費(fèi)用關(guān)系圖，如圖2所示。

由圖2可見，當(dāng)△Tmin＝10℃，系統(tǒng)總費(fèi)用達(dá)到最小且趨于平穩(wěn)。故選取△Tmin＝10℃，然后通過(guò)問題表格法來(lái)計(jì)算夾點(diǎn)溫度。

圖2 夾點(diǎn)溫差－總費(fèi)用關(guān)系

2.3 問題表格的計(jì)算

整個(gè)精餾系統(tǒng)可以劃分為20個(gè)溫區(qū)，結(jié)果如圖3所示。導(dǎo)出系統(tǒng)問題表格如表3所示。

圖3 系統(tǒng)溫區(qū)

表3 問題表格

續(xù)表

由圖3可以得到，夾點(diǎn)溫度為96.55℃，系統(tǒng)能量目標(biāo)即最小冷公用工程量為7 252.04 kW，最小熱公用工程量為7 432.47 kW。通過(guò)夾點(diǎn)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)具有很大的節(jié)能潛力。

系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)柵格圖如圖4所示。結(jié)合表3及圖4分析，將能量目標(biāo)與原有工藝流程換熱網(wǎng)絡(luò)能耗相比較，則可得到理論節(jié)能潛力。最大熱回收網(wǎng)絡(luò)所需最小冷公用工程量為7 252.04 kW，而原有工藝流程的冷公用工程用量為10 189.19 kW，理論上最大熱回收網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的冷公用工程量為2 937.15 kW，可節(jié)約28.83%。最大熱回收網(wǎng)絡(luò)所需最小熱公用工程量為7 432.47 kW，原有工藝流程的熱公用工程用量為10 369.62 kW，理論上最大熱回收網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的熱公用工程量為2 937.15 kW，可節(jié)約28.32%。

圖4 系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié)論

（1）本論文通過(guò)流程模擬軟件Aspen plus模擬了燃料乙醇的精餾工段，選擇NRTL方程作為熱力學(xué)方法，使用RadFrac模型對(duì)精餾工藝進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明各物流的工藝參數(shù)均滿足整個(gè)工藝流程的要求。

（2）利用夾點(diǎn)分析技術(shù)，對(duì)燃料乙醇的精餾工段進(jìn)行了換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。首先利用問題表格法確定系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置，然后通過(guò)柵格圖確定換熱網(wǎng)絡(luò)用能是否存在不合理之處，從而提出解決的措施。結(jié)果表明，最大熱回收網(wǎng)絡(luò)的最小冷公用工程量為7 252.04 kW，原有工藝流程的冷公用工程用量為10 189.19 kW，最大熱回收網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的冷公用工程量為2 937.15 kW，節(jié)約28.83%。最大熱回收網(wǎng)絡(luò)的最小熱公用工程量為7 432.47 kW，原有工藝流程的熱公用工程用量為10 369.62 kW，最大熱回收網(wǎng)絡(luò)節(jié)省熱公用工程量為2 937.15 kW，節(jié)約28.32%。

［1］王麗，王世勤，李堅(jiān)，等.二甲醚分離工藝過(guò)程模擬［J］.廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，24（1）：1－3，7.

［2］楊慧，陳礪，嚴(yán)宗誠(chéng).燃料乙醇精餾工藝的模擬優(yōu)化與節(jié)能研究［J］.釀酒科技，2009（10）：43－47.

［3］孫清.燃料乙醇技術(shù)講座（四）乙醇的精餾與脫水［J］.可再生能源，2010（28）：154－156.

［4］Schmidt K A G，Maham Y，Mather A E.Use of the NRTL equationfor simultaneous correlation of vapour－liquid equilibria and exeess enthalpy［J］.Journal of thermal analysis and calorimetry，2007，89（l）：61－72.

［5］涂惟民，崔國(guó)民，李瑜.以綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)的無(wú)分流換熱網(wǎng)絡(luò)綜合［J］.化學(xué)工程，2011，39（5）：90－93.

［6］楊宏軍，李靜.基于最優(yōu)夾點(diǎn)溫差的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.能源工程，2010（1）：56－59.

［7］李軍.20萬(wàn)噸/年醋酸乙烯精餾及換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬與優(yōu)化［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

［8］孫琳，趙野，羅雄麟.基于夾點(diǎn)技術(shù)與超結(jié)構(gòu)模型的多程換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)綜合［J］.化工學(xué)報(bào)，2014，65（3）：967－975.

［9］李廣彩，劉磊.酒精生產(chǎn)過(guò)程熱夾點(diǎn)技術(shù)的節(jié)能改造［J］.廣州化工，2010，38（4）：219－220.

Energy Saving and Optimization of the Cassava Ethanol Distillation Process by Aspen Plus

WANG Li1，LI Meishu1，LI Jian2，LI Fuyuan1
（1.College of Chemical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.Maoming Quality Supervision and Inspection Measurement，Maoming 525000，China）

Process of preparing anhydrous ethanol from cassava is calculated by the Aspen Plus.The Aspen energy analyzer is used to diagnose and design the heat exchanger network for anhydrous ethanol distillation process by the pinch analysis techniques.The largest heat recovery design of the cold public works is 2 937.15 kW，which saves about 28.83%energy.The design provides a theoretical basis for energy saving of the anhydrous ethanol distillation process.

Aspen Plus；Anhydrous ethanol；Distillation；Heat exchanger network；Pinch technology

TQ223.12＋2

A

2095－2562（2016）01－0012－05

（責(zé)任編輯：梁曉道）

2015－09－21；

2015－11－02

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015A030313766）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201411656002）；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（1165613004，1165613011，201411656025）；茂名市科技計(jì)劃（20120265，201312，20140310）

王麗（1983—），女，湖北洪湖人，博士，副教授，主要從事等離子體技術(shù)應(yīng)用研究。