基于丙酮-丁醇-乙醇精餾的工藝研究

倪福鑫,閆玲玲，高 源

(青島伊科思技術(shù)工程有限公司，山東 青島 266042)

丁醇通過發(fā)酵來生產(chǎn)最早開始于十九世紀六十年代[1]，而丙酮-丁醇-乙醇(Acetone-Butanol-Ethane，ABE)的工業(yè)化發(fā)酵制備是從二戰(zhàn)之后開始大規(guī)模興起的[2]。但是ABE的存在對微生物的生長代謝產(chǎn)生抑制，使得發(fā)酵液中ABE的濃度一般維持在23g/L以下，其中丁醇一般不超過13g/L[3]，因而造成低丁醇產(chǎn)量和低底物轉(zhuǎn)化率，導致丁醇的生產(chǎn)成本提高。因此丁醇低產(chǎn)量的解決方法之一是及時得分離發(fā)酵產(chǎn)物，即不斷移出發(fā)酵液中的丁醇使產(chǎn)物抑制作用降低從而提高丁醇產(chǎn)量。本文研究了蒸餾工藝中的重要參數(shù)改變，對整體工藝的影響情況，完成對整個工藝流程的深入分析，為以后的ABE分離工藝工業(yè)化提供理論依據(jù)和設(shè)計參考。

1 傳統(tǒng)的精餾工藝

傳統(tǒng)的精餾工藝并不復雜，依據(jù)各組分的沸點情況依次將產(chǎn)物分離出來。假定進料量為1000 kg/h(年產(chǎn)80噸丁醇中試規(guī)模)，其中水980 kg/h，丁醇11 kg/h，丙酮6 kg/h，乙醇3 kg/h。建立初步的工藝流程模型如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)精餾工藝分離ABE的工藝流程圖

1.1 醪塔的模擬計算與參數(shù)優(yōu)化

醪塔T310的主要作用就是濃縮發(fā)酵液，將大部分的水分除去。這樣，從醪塔出來的物流中，含有水40%左右和ABE在60%左右。因此在規(guī)定醪塔的工藝參數(shù)時，經(jīng)簡單計算得知，塔頂?shù)牟沙隽繛?4 kg/h。回流比暫定為2或者3，待設(shè)置目標函數(shù)，再優(yōu)化回流比。理論板數(shù)設(shè)定同回流比一致。壓力定為0.9 bar，一方面可以滿足在分離要求一定的情況下，回流比不會太大或者太小，另一方面，壓力太低，不利于后續(xù)工藝壓力的設(shè)定，并且容易造成真空系統(tǒng)的壓力。

目標函數(shù)的設(shè)定主要考慮醪塔的功能，即將多余的水分從塔底除去，并且保證丁醇在塔底采出物流中的含量極低，設(shè)定為5E-05(50 ppm)。變量主要考慮回流比的變化。即回流比在一定范圍內(nèi)，有個最優(yōu)值，能保證，丁醇在塔底采出物流中的含量維持在50 ppm。靈敏度分析主要用來對塔的工藝參數(shù)進一步優(yōu)化，得到最優(yōu)值。醪塔可以優(yōu)化的參數(shù)除了已經(jīng)考慮的回流比之外，還有理論板數(shù)和進料板位置。下面，重點考察理論板數(shù)和進料板位置。

圖2 理論板的確定數(shù)據(jù)

由圖2可知，回流比選擇1～2之間，都是可以的，對應的理論板數(shù)為9～12；理論板數(shù)在到達12塊板時，再增加時，熱負荷沒有明顯的降低。熱負荷不宜過大，一方面避免大量的能耗，另一方面可以減少冷凝器的設(shè)備投資。綜合考慮，理論板選擇為11塊板。

進料板位置對回流比的影響如圖3數(shù)據(jù)所示。

圖3 醪塔的進料板位置確定數(shù)據(jù)

從圖3可以看出，從第3塊板進料，回流比最小。

綜上所述：醪塔的理論板為11塊，從第3塊板進料，回流比為1。

1.2 丁醇塔的模擬計算與參數(shù)優(yōu)化

第一丁醇塔T320，主要的任務(wù)是塔頂分離丙酮和乙醇，塔中采出水和丁醇的共沸物，塔底采出產(chǎn)品丁醇。第二丁醇塔T350的任務(wù)是精制丁醇。優(yōu)化的方式同上節(jié)一致，對關(guān)鍵的理論板、回流比和進出料位置優(yōu)化[4]。

第一丁醇塔T320，塔頂采出物料中保證丁醇的濃度在0.001。第二丁醇塔T350，塔底采出物料中保證丁醇的濃度在0.999。分離任務(wù)的選定，可以根據(jù)塔本身的理論板數(shù)和進料板位置，隨時進行調(diào)整。T320的塔中采出，去醇相水相分離罐B360，其中，自由水回醪塔T310，包含少量丁醇和乙醇的醇相回T320。T350頂出料進醇相水相分離器，以保證丁醇和乙醇不會有大的損失。

優(yōu)化計算結(jié)果：第一丁醇塔，理論板為40塊，從第8塊板進料，從第18塊側(cè)線采出，回流比為3；第二丁醇塔理論板為8，第5塊板進料，回流比為2。

1.3 丙酮塔和乙醇塔的模擬計算與參數(shù)優(yōu)化

從第一丁醇塔T320塔頂采出的丙酮、乙醇和少量水的混合物直接進入丙酮塔T330。丙酮塔T330塔頂出丙酮，塔底出乙醇和水的混合物，進入乙醇塔T340。從丙酮塔塔底出來的乙醇水混合物進入乙醇塔T340，塔頂蒸出乙醇，塔底采出水。采出的水中含有微量的醇，進入醇水分離罐B360。

優(yōu)化計算結(jié)果：丙酮塔T330理論板為35，第27塊板進料，回流比為4.5；乙醇塔理論板為45，第33塊板進料，回流比為3.5。

2 精餾過程中的能量平衡

采用精餾法分離ABE工藝模型建立后，各單元設(shè)備的能量平衡數(shù)據(jù)隨之產(chǎn)生，如表1所示。塔底再沸器工藝物料計算，按照氣化率8%～10%，溫度升高8～10℃。

表1 精餾過程的能量平衡表

表1(續(xù))

3 結(jié)論

精餾法分離ABE工藝成熟，操作簡單，應用廣泛，但由于發(fā)酵液中的各組分含量低，總?cè)軇┖恳话阍?%左右，因此需要多次精餾，能耗很大，導致成本增高。如何采用簡單手段如萃取提高產(chǎn)品的濃度后再次精餾或者是在有效降低過程能耗的基礎(chǔ)上采用氣提或者原位萃取的方式分離ABE產(chǎn)品將是未來的重點研究內(nèi)容。

[1] Schardinger F.Bacillus macerans, ein Aceton bildender Rottebacillus[J].Zbl Bakteriol Parasitenkd Infektionskr Hyg Abt II,1905,14:772-781.

[2] Rose A H.Industrial microbiology[J].Industrial microbiology,1961.

[3] Tomas C A,Welker N E,Papoutsakis E T.Overexpression of groESL in Clostridium acetobutylicum results in increased solvent production and tolerance, prolonged metabolism,and changes in the cell's transcriptional program[J].Applied and Environmental Microbiology,2003,69(8):4951-4965.

[4] 上海溶劑廠.發(fā)酵法制造丙酮與丁醇[M].上海：科學技術(shù)出版社,1959.