一種三塔差壓分離燃料乙醇工藝流程的模擬計算

韓 飛

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

一種三塔差壓分離燃料乙醇工藝流程的模擬計算

韓 飛

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

提出了一種三塔差壓分離燃料乙醇工藝流程，并對流程進行了模擬，本流程包括粗餾塔和兩個精餾塔，三塔差壓操作，新鮮蒸汽三效利用，三塔只有一個精餾塔用新鮮蒸汽加熱，高壓塔的塔頂汽給低壓塔塔釜加熱，低壓塔的再沸器也是高壓塔的塔頂冷凝器。流程中只有粗塔含醪，精塔不含醪。對分離工藝流程進行了模擬，得到了各塔的設備參數和操作參數，結果表明流程具有能耗低、操作簡單的優點。

三塔差壓蒸餾；熱量耦合；能耗低；乙醇分離

燃料乙醇作為汽油的一種替代燃料，燃燒放出的能量是一定的，生產燃料乙醇的能耗必須遠遠小于燃燒放出的能量，否則燃料乙醇的推廣使用就要受到制約，因此，燃料乙醇的生產節能問題越來越突出。然而生產燃料乙醇的能耗主要集中在蒸餾脫水工段，降低蒸餾脫水工段的能耗是關鍵[1-4]。

1 三塔差壓分離燃料乙醇的對比文獻簡述

文獻 [5]提供了一種采用三塔熱集成裝置進行乙醇蒸餾的工藝方法，流程示意如圖1。T 101、T 102、T 103分別是粗餾塔、低壓共沸精餾塔、高壓共沸塔。成熟醪進入粗餾塔，粗餾塔側采作為T 102的進料，T 102塔釜出料作為T 103的進料，T 102側采共沸乙醇回流入T 103。該文獻中三塔，特別是粗餾塔都是在加壓下操作（140 kPa，塔頂溫度101 ℃），而且粗餾塔操作壓力高于低壓共沸精餾塔的操作壓力（110 kPa，塔頂溫度77 ℃）。粗餾塔操作壓力高，塔內容易結焦，堵塞塔板，不利于裝置的長期穩定運轉。此文獻實例中公布能耗為1.6 t （每噸無水乙醇消耗蒸汽）。

文獻[6]提供了一種燃料乙醇生產裝備及方法，流程示意如圖2，T 104、T 105、T 106分別為粗餾塔、回收塔、精餾塔，成熟醪進入粗塔粗餾，粗餾塔側采進入精餾塔，粗餾塔頂采進入回收塔，回收塔頂出料進入精餾塔回流，精餾塔頂采出共沸乙醇。醪塔和精餾塔釜均排出廢醪（粗塔側采進料將醪帶入精餾塔），粗餾塔負壓操作，精餾塔0.3 MPa，回收塔0.7 MPa，精餾塔含醪則易出現堵塞、結焦、傳質效率低等問題，回收塔壓力偏高。

圖1 精餾塔系統模擬流程Fig.1 Flowsheet of fractionating towers system

中糧集團在廣西建成投產的以木薯為原料生產燃料乙醇的三塔流程是采用上述文獻[6]專利技術，酒精質量分數為10.7 %的發酵成熟醪，三塔精餾中能耗為1.7 t（每噸無水乙醇消耗蒸汽）。針對上述兩文獻所述問題，本文流程作了如下改進：①粗餾塔負壓操作，不易結焦；②只有粗餾塔含醪，精塔不含醪；③三塔壓力適宜：粗餾塔負壓，低壓精餾塔2.3 bar，高壓精餾塔5.8 bar，此壓力分布滿足熱耦合換熱溫差。

圖2 粗餾塔系統模擬流程Fig.2 Flowsheet of topping still system

2 三塔差壓分離燃料乙醇的工藝流程

本文提出了一種三塔差壓分離燃料乙醇工藝流程，并對整個蒸餾工藝進行了模擬計算，實現了整個系統的能量耦合利用，達到降低能耗的目的，原料（發酵成熟醪）組成見表 1所示（發酵成熟醪質量分數為9.8 %）。工藝流程如圖 3所示。T-3101，T-3102，T-3103 分別為粗餾塔、1#精餾塔 （低壓精餾塔）和2#精餾塔 （高壓精餾塔），2#精餾塔再沸器用新鮮蒸汽加熱，2#精餾塔頂汽給1#精餾塔再沸器加熱，冷凝后分別去至1#精餾塔、2#精餾塔作為兩塔的回流。1#精餾塔塔頂采出接近共沸乙醇汽體送到分子篩吸附，1#精餾塔塔釜液由2#精餾塔塔釜液預熱后進入2#精餾塔。

成熟醪先由粗餾塔頂汽預熱，然后再由粗餾塔塔釜液預熱，之后進入粗餾塔頂部，粗餾塔頂汽給成熟醪預熱后再由E-3106、E-3107循環冷卻水冷凝，然后由低溫冷卻水冷凝，最后排出不凝性汽體，各級冷凝下來的粗酒液進行混合。然后用新鮮蒸汽給2#精餾塔再沸器加熱，冷凝后的冷凝水進入閃蒸罐V-3101，閃蒸汽通入粗餾塔塔釜，給粗餾塔直接加熱，2#精餾塔塔釜液給1#精餾塔塔釜液預熱后也進入閃蒸罐V-3101，閃蒸汽通入粗餾塔塔釜，給粗餾塔直接加熱，無水乙醇通過再沸器E-3101給粗塔加熱。

粗餾塔、2#精餾塔塔釜酒精質量含量小于0.05 %。流程中粗餾塔塔頂溫度64.2 ℃，1#精餾塔塔頂溫度100.6 ℃，塔釜溫度110 ℃，2#精餾塔塔頂溫度130.4 ℃，塔釜溫度158 ℃，1#精餾塔與粗餾塔頂溫度溫差26 ℃，2#精餾塔與1#精餾塔溫差30 ℃，溫差合理有利于傳熱，2#精餾塔可用小于10 bar的飽和蒸汽加熱。

圖3 工藝流程Fig.3 Process fl owsheet

3 三塔差壓分離燃料乙醇工藝流程的模擬計算

3.1 發酵成熟醪的組成（見表1）

3.2 粗餾塔的模擬計算

粗餾塔也稱醪塔，其作用是把酒精和揮發性雜質及一部分水從發酵成熟醪中分離出來，并從塔釜排出發酵成熟醪中由固形物、不揮發性雜質和大部分水組成的酒精糟液。發酵成熟醪液通過粗塔塔釜液和塔頂汽預熱后進入粗餾塔的第一塊塔板（從上向下），塔頂得到粗酒汽，粗酒汽冷凝后，進入1#精餾塔，塔釜得到廢醪液。塔釜乙醇分數XW、粗餾塔塔頂乙醇體積分數XD隨理論塔板數N的變化關系見圖4、圖5所示。

表1 發酵成熟醪的組成Tab.1 Composition of fermented mash

圖4 塔釜乙醇體積分數隨塔板數的變化關系Fig.4 In fl uence of N to XW

圖5 塔頂乙醇體積分數隨塔板數的變化關系Fig.5 In fl uence of N to XD

從圖4看出，塔釜乙醇損失隨塔板數的增加而降低，塔板數分別為8、9、10、11時，塔釜乙醇體積分數為分別為0.06 %、0.02 %、0.01 %、0.006 %，再增加塔板數，對減小乙醇損失貢獻甚微，不經濟，所以選擇塔板數為11。此時再沸器能耗為10.93 Gcal/h（1 Gcal/h=1.163 MW）。

3.3 精餾塔的模擬計算結果

本文先按一個精餾塔模擬了乙醇分離的塔板數和回流比。塔頂乙醇體積分數隨回流比、塔板數的變化關系見圖6、圖7。當塔板數很大時，塔頂乙醇分數隨回流比的變化趨勢如圖6所示，可以看出，塔頂乙醇最大體積分數為乙醇和水的共沸體積分數（95.5 %），隨著回流比的增大，起初塔頂乙醇體積分數顯著增大，再增大回流比，塔頂乙醇體積分數增加緩慢，直至達到共沸組成不再增大。為節省能耗，將塔頂乙醇體積分數設定為94.2 %時，最小回流比Rmin為2，當R=1.5Rmin即R=3時，塔頂乙醇體積分數XD隨塔板數N的變化關系見圖7，塔頂乙醇體積分數隨塔板數的增加而增加，N＞110時，增加緩慢，這里選擇N=110，此時塔頂乙醇體積分數達到94.8 %。

圖8為進料位置的靈敏度分析，這里選擇進料位置為第44塊板。

為節省能耗，將精餾塔拆為1#精餾塔（44塊塔板）和2#精餾塔（66塊塔板），在此塔板數下1#精塔塔頂乙醇體積分數XD1隨1#精塔、2#精餾塔回流比的變化關系見圖9、圖10，從圖9看出，R=1附近，乙醇體積分數隨1#精塔頂乙醇體積分數圖出現拐點，再增大回流比，對提高體積分數效果不大。為節省能耗，綜合考慮選擇1#精餾塔回流比為1。這里選擇1#精塔回流比為1，2#精餾塔回流比為3。

從圖10看出，1#精餾塔塔頂乙醇體積分數隨2#精餾塔回流比的增大，先是增速很大，這里有一個拐點，拐點之后增速急速變小，這里拐點是R=3，因此選擇2#精餾塔回流比為3。此時1#精餾塔塔頂乙醇體積分數為94.95%。

圖6 塔頂乙醇體積分數隨回流比的變化關系Fig.6 In fl uence of R to XD

圖7 塔頂乙醇體積分數隨塔板數的變化關系Fig.7 In fl uence of N to XD

圖8 塔頂乙醇體積分數隨進料塔板數的變化關系Fig.8 In fl uence of NF to XD

圖9 1#精塔塔頂乙醇體積分數隨1#精塔回流比的變化Fig.9 In fl uence of R to XD1

圖10 1#精塔塔頂乙醇體積分數隨2#精塔回流比的變化Fig.10 In fl uence of R to XD1

4 能量耦合利用

本文所述流程能量耦合利用如第2節所述，各塔能耗如表2所示。QC1、QC2為1#精餾塔、2#精餾塔的塔頂冷凝能耗，QR1、QR2為1#精餾塔、2#精餾塔的加熱能耗，SL為輸入2#精餾塔再沸器的新鮮蒸汽量，QSCL為蒸汽冷凝水閃蒸汽的熱量，QC1'為1#精餾塔塔頂汽去給粗餾餾塔再沸器加熱的熱量，QFS為2#精餾塔廢水預熱2#精餾塔進料后閃蒸汽的熱量，QWY為無水乙醇產品給粗餾塔加熱的熱量，Q=QWY+QC1'+QSCL+QFS。在此流程中Q大于粗塔再沸器能耗，每噸無水乙醇的新鮮蒸汽用量為 1.48 t。

表2 能耗列表Tab.2 List of heat consumption

5 結果匯總

各塔壓力、溫度、塔板數、回流比、能耗等見表3。通過模擬，計算了流程的熱量平衡，得到了塔板數、回流比等。結果如表3所示。

表3 塔參數和能量負荷Tab.3 Tower information&heat consumption

6 結束語

本文流程中粗餾塔負壓、低壓精餾塔、高壓精餾塔，壓力適宜，含醪塔內溫度低，則塔和再沸器內不易出現結焦、堵塞等問題。精餾塔拆分為低壓精餾塔和高壓精餾塔，只有低壓精餾塔產出接近共沸組成的乙醇，能量耦合利用，優化得到了各塔的理論塔板數、回流比等。

[1]周愛萍. 國內外燃料乙醇的生產與研究進展[J]. 安徽農業科學，2008，36（20） ：8768-8770.

[2]張遠欣. 燃料乙醇的發展狀況[J]. 甘肅科技，2005，4（21）：117-118.

[3]韓振為，王昌秀，徐世民，等. 燃料乙醇精餾中的熱能利用[J].化工進展，2002（S1）：194-197.

[4]岳國君. 中國燃料乙醇產業發展[J]. 科學前沿，2007（05）：84-85.

[5]藍仁水，黃貴明. 采用三塔熱集成裝置進行乙醇精餾的工藝方法. 中國， CN 101085717A.2007.

[6]天津大學. 燃料乙醇生產裝備及方法. 中國，CN 101157890A.2007.

Simulating of Process for Separating Fuel Ethanol by Using Pressure Differential among Three Columns

Han Fei

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

In this paper, the process of fuel ethanol separation by using the pressure differential among three columns was proposed.In this process, there includes one prefractionation column and two fractionation ones. The pressure differential in three columns was utilized in the process and only in one column the fresh steam was used. The steam discharged from the top of high pressure column was used for heating the medium in the bottom of low pressure column. The reboiler in low pressure column is just the denser in the top of high pressure column. In this process, only in prefractionation column lee was contained, and however there was no lee in fractionation columns. The simulation for the process was carried out. Then the equipment and operating parameters in each of columns were obtained. It has been proved that this process has the advantages of low energy consumption and simple control in operation.

fractionation using pressure differential among three columns; coupling of heats; low energy consumption; separation of ethanol

TQ 223.12+2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-817X（2017）05-0012-005

2017-07-12

韓飛（1983—），女，工程師，主要從事生物醫藥工藝設計。