CN102070401B - 由生物乙醇水溶液制取无水乙醇的节能工艺 - Google Patents
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Abstract
一种由生物乙醇水溶液制取无水乙醇的生产方法，采用的主要设备是真空精馏塔、回流罐、换热器、空气源热泵***、冷冻***和真空***等，将生物发酵后的15～25％乙醇-水溶液经过三座逐级减压的精馏塔后，得到质量浓度为99.5-99.9％的无水乙醇。在此过程中，首先利用前一级精馏塔的自身物料所含的热量为下一级精馏塔提供热源，不足部分则由空气源热泵***提供补充。并且利用精馏塔排出的物料中尚未被利用的废热预热乙醇水溶液原料，形成热耦合网络，使得生产单位质量的无水乙醇所需能耗比现有其它工艺减少30～48%。本工艺具有能耗低，效率高，污染小等突出优点。
Description
发明领域
本发明涉及由生物乙醇水溶液制取无水乙醇的节能新工艺。
背景技术
生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化而得的乙醇，是一种可再生资源；无水乙醇是指含水量不高于0.3-0.5%wt的乙醇，其相对密度为0.7893（20℃），熔点为：-114.5℃，沸点为78.32℃，折射率为1.3614，闪点14℃。无水乙醇广泛应用于化学试剂、农药、医药，生物、油漆、颜料、化妆品、香料、电子等诸多行业中，尤其是在当前石油资源紧缺形势下，无水乙醇已被大量加入到汽油中作内燃机的燃料。由于乙醇燃烧只产生二氧化碳和水，不会产生其它有害气体，因此使用乙醇汽油有利于减少对环境的污染。
无水乙醇的生产起始上世纪20年代，用CaO吸附工业乙醇（95%）中的多余水分制取无水乙醇，后来又利用盐效应来制取，即将CaCl2等盐类加入工业乙醇中来改变乙醇水溶液的汽液平衡。目前制备无水乙醇的方法主要有生石灰脱水法、萃取精馏法、减压精馏法、离子交换法、共沸精馏法、盐溶精馏法、无水硫酸钙法、分子筛吸附法及膜分离法等。其中共沸精馏法、萃取精馏法和分子筛吸附法是目前工业上生产无水乙醇的主要方法，而作为新型的制取无水乙醇的分子筛吸附法和膜分离法已经在实践中得到了应用，具有良好的发展前景。
由生物发酵法制取无水乙醇的传统工艺如附图一所示，将生物质加入到发酵池V-1中进行发酵，发酵完成后将V-1中的物料进行低温过滤分离其中发酵残渣，得到常温下含乙醇15-25%的发酵液，将发酵液通过输送泵P-1和换热器E-4后得到85-90℃的料液通过管道3进入到精馏塔T-1中进行初步分离，精馏塔T-1的压力为1-1.2个大气压，再沸器E-4的温度为105-110℃，加热介质为2-5公斤低压蒸汽，塔顶得到含乙醇85-90%的混合溶液，塔底主要为水和高沸点杂质，塔底得到高温且含极少量乙醇的水，将这部分水用来预热原料。将塔顶的混合溶液通过管道7进入精馏塔T-2进行精制分离，精馏塔T-2的操作压力一般为常压，再沸器E-5的温度为100-105℃，加热介质为2-5公斤低压蒸汽，塔顶得到乙醇-水的共沸液，其乙醇质量百分含量为95.57%。将T-2塔顶的乙醇-水的共沸液经过管道11进入分子筛吸附塔T-3，脱除其中的水分。吸附后得到乙醇含量为99.5%-99.7%的无水乙醇。之后用干的热空气脱水使分子筛再生。
此传统工艺生产无水乙醇的能耗主要包括：精馏塔T-1、T-2的塔釜再沸器耗用的低压蒸汽和分子筛脱水再生的所用的热耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种由生物乙醇水溶液制取无水乙醇的更为节能的新工艺及装置，如附图二所示。本发明采用三塔变压精馏工艺，并配备空气源热泵***，同时利用塔底和塔顶料液的废热与再沸器和原料预热器形成热耦合，从而实现较大幅度节能降耗之目的。
本发明的目的可通过以下技术解决方案来实现：
一种由生物乙醇水溶液制取无水乙醇的工艺，它包括下列步骤：
步骤1. 从储罐V-2将发酵获得的含乙醇约15-25％的生物乙醇料液用泵P-2输送到换热器E-6和E-8换热至40-55℃，加热介质为第一精馏塔T-4塔顶蒸汽以及加热第二精馏塔T-5塔底再沸器E-11后的第一精馏塔T-4的塔底出料料液和第二精馏塔T-5塔底出料料液的混合料液，然后将生物乙醇料液通过管道15输送到第一精馏塔T-4进行分离，第一精馏塔T-4的操作绝对压力为0.3-0.35个大气压，塔顶温度为50-55℃，第一精馏塔T-4塔底再沸器E-10的温度为65-72℃，并通过一台能提供80℃以上热水的空气源热泵***E-13对第一精馏塔T-4塔底再沸器E-10加热；
步骤2. 经过第一精馏塔T-4蒸馏后，塔顶的乙醇混合溶液中乙醇含量达到80-90%，将其部分通过管道18回流，部分通过管道19进入到第二精馏塔T-5中进行精馏，第二精馏塔T-5的操作绝对压力为0.15-0.25个大气压，回流比选择0.8-1.2，塔顶温度为40-45℃，第二精馏塔T-5塔底再沸器E-11的温度为50-55℃，第二精馏塔T-5塔底再沸器E-11（必要时设置A/B两台）主要通过T-4塔釜出料（为65-72℃的水溶液）进行加热，热量不足部分则由空气源热泵***E-13（80℃以上热水）提供，从第二精馏塔T-5顶部可以得到纯度为95％以上的乙醇水溶液，它将作为第三精馏塔T-6的进料；
步骤3. 第二精馏塔T-5塔顶40-45℃的乙醇蒸汽通过管道20进入第三精馏塔T-6的塔底再沸器E-12作为热源对E-12中的料液进行加热，乙醇蒸汽冷凝之后的部分液相经计量后由回流泵P-5输送至第二精馏塔T-5塔顶作为回流，其余部分液相则被送入第三精馏塔T-6中进行高真空精馏，第三精馏塔T-6的操作绝对压力为0.03-0.05个大气压，回流比依据产品纯度要求而定（一般为1-3之间），塔顶汽相温度为12-20℃，塔底液相温度为25-32℃。第三精馏塔T-6塔底再沸器E-12（必要时设置A/B两台）热量的不足部分则由空气源热泵***E-13（80℃以上热水）提供，精馏塔T-6塔顶可连续采出质量浓度为99.5-99.9%的无水乙醇。
上述的制取无水乙醇的工艺，所述的第一精馏塔T-4、第二精馏塔T-5和第三精馏塔T-6的负压是分别由真空***VS-1、VS-2和VS-3提供，在真空***前，均需配备真空缓冲装置，以维持压力的稳定。
上述的制取无水乙醇的工艺，步骤3，由于第三精馏塔T-6塔顶产品蒸汽为12-20℃，所以由一冷冻***R-1提供的0-5℃的冷冻盐水作为冷媒以冷凝塔顶汽相，同时在三个真空泵VS-1、VS-2和VS-3的出口处，设置换热器E-14和冷阱V-6组成的冷阱装置，用作将真空出口气体中尚未被冷凝的有机物再次深冷捕集到冷阱V-6之中。如此，一方面可避免乙醇损失，另一方面可防止由此造成的环境污染。
上述的制取无水乙醇的工艺，所述的深冷换热器E-14的冷媒也是由冷冻***R-1提供的0-5℃的冷冻盐水。
本发明对传统的生物乙醇的纯化生产工艺进行了优化，精馏塔T-4的再沸器E-10由一空气源热泵***E-13加热，精馏塔T-5的塔底再沸器E-11和精馏塔T-6的塔底再沸器E-12则分别通过T-4塔釜排出的料液和T-5塔顶蒸汽进行加热，不足的热量部分则通过空气源热泵***E-13进行补充，使得整个流程消耗的热量大大降低。与传统技术相比，本发明具有能耗低，污染小，以及不需进行共沸精馏或萃取精馏或分子筛吸附脱水即能得到无水乙醇产品的突出优点。
本发明工艺具有以下优点：（1）利用逐级减压的三塔精馏***之间塔顶和塔底废热与再沸器和原料预热器形成热耦合，能源利用更为科学合理；（2）真空***的应用使精馏塔T-4、T-5、T-6操作温度大大降低，为空气源热泵***的使用提供了可能，从而大幅节约了传统工艺中必须采用的高品位能源--生蒸汽；（3）精馏过程利用热力学基本原理--***压力对物系的汽液平衡产生影响，从而打破乙醇-水的常压共沸点，进而可通过真空精馏方式直接得到无水乙醇；（4）经理论与实验研究证实，本发明生产每吨无水乙醇所需的总能耗比传统工艺减少33～48%，而且对能源的品位要求相对较低。本发明生产无水乙醇的能耗主要包括：真空***能耗，空气源热泵***能耗和冷冻***能耗，以及物料输送泵的能耗。
附图说明
图一为传统工艺流程示意图。其中：
V-1为原料料液储罐，T-1、T-2为精馏塔，T-3为分子筛脱水塔，E-1、E-2、E-3为换热器，P-1、P-2为流体输送泵，E-4、E-5为塔底再沸器，F1-1、F1-2为阀门，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12为管道。
图二为本发明的流程示意图。其中：
P-2为流体输送泵，V-2为原料料液储罐，V-3、V-5为缓冲装置，V-4、V-6为冷阱，T-4、T-5、T-6为真空精馏塔，E-6、E-7、E-8、E-9、E-14、E-15为换热器，E-10、E-11A，B、E-12A，B为塔底再沸器，E-13为空气源热泵***，F2-1、F2-2、F2-3、F2-4、F2-5、F2-6、F2-7、F2-8、F2-9、F2-10、F2-11、F2-12、F2-13、F2-14、F2-15为阀门，VS-1、VS-2、VS-3为真空***，R-1为冷冻***，13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32为流体输送管道，33为放空口，34、35、36、37、38、39、40、41为空气源热泵***管路，42、43、44、45、46、47为冷冻***管路，48、49、50、51、52、53、54为真空***管路。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：减压精馏法生产10000吨/年无水乙醇
无水乙醇的生产方法操作步骤如附图2所示。该***主要由精馏塔、回流罐、换热器、空气源热泵***、冷冻***、真空***等设备组成。在各设备间设有计量和控制仪表以及管道。将含乙醇22％的生物乙醇经换热器E-6预热至45℃后进入精馏塔T-4，精馏塔T-4塔的理论塔板数为35，塔径为1.2米，塔内采用无壁流规整填料，操作绝对压力为0.32个大气压，回流比选择1.0，第一精馏塔T-4底部液体温度为70.6℃。采用一台热水温度为83℃的空气源热泵***E13为精馏塔T-4再沸器提供热源。蒸馏后，第一精馏塔T-4塔顶的乙醇混合物乙醇的含量达到90.3%。冷凝后部分作为回流，部分通过管道19被送至第二精馏塔T-5进行精馏。
第二精馏塔T-5理论塔板数为40，塔径1.3米，操作压力为0.2个大气压，回流比选择1.2，塔底再沸器E-11的温度约为54.1℃，塔底再沸器E-11A的加热介质是第一精馏塔T-4塔釜的出料（水溶液，温度为70.6℃）, 塔底再沸器E-11B的加热介质是空气源热泵***E13提供的热水。第二精馏塔T-5顶部可得到95.5％以上的乙醇蒸汽，该蒸汽被引入到第三精馏塔T-6塔底再沸器E-12A壳层作为加热热源，冷凝后的料液进入储罐V-4，未被冷凝的蒸汽通过塔底再沸器E-12A上部管道上升至换热器E-15进一步冷凝，E-15的冷媒为冷冻***R-1提供的2℃冰盐水。通过E-15冷凝后得到的液相也下降至储罐V-4。储罐V-4中的料液（乙醇含量为95.5％以上）则通过输送泵P-3, 经计量后其一部分被送至第二精馏塔T-5的塔顶作为回流，另一部分经计量后则被输送至第三精馏塔T-6作为进料。第三精馏塔T-6的热量不足部分则通过塔底再沸器E-12B由空气源热泵***E-13加热补充。
第三精馏塔T-6理论塔板数为120，塔径1.6米，操作压力为0.06个大气压，塔顶温度为19.8℃，塔底再沸器E-12的温度为33℃。第三精馏塔T-6塔顶可采出1251.0 kg/hr浓度为99.7%wt的无水乙醇, 塔釜残液中乙醇含量低于0.013％wt。
实施例2：减压精馏法生产8000吨/年无水乙醇
操作方式如实施例1。将含乙醇18％的生物乙醇经换热器E-6预热至43℃后进入第一精馏塔T-4，第一精馏塔T-4塔的理论塔板数为35，塔径为1.2米，塔内采用无壁流规整填料，操作压力为0.31个大气压，回流比选择1.1，第一精馏塔T-4底部液体温度为68.7℃。采用一台热水温度为83℃的空气源热泵***E13为第一精馏塔T-4再沸器提供热源。蒸馏后，第一精馏塔T-4塔顶的乙醇混合物乙醇的含量达到88.7%。冷凝后部分作为回流，部分通过管道19被送至第二精馏塔T-5进行精馏。
第二精馏塔T-5理论塔板数为40，塔径1.3米，操作压力为0.19个大气压，回流比选择1.1，再沸器E-11的温度约为54℃，塔底再沸器E-11A的加热介质是第一精馏塔T-4塔釜的出料（水溶液，温度为68.7℃）, 塔底再沸器E-11B的加热介质是空气源热泵***E13提供的热水。第二精馏塔T-5顶部可得到94.8％以上的乙醇蒸汽，该蒸汽被引入到第三精馏塔T-6塔底再沸器E-12A壳层作为加热热源，冷凝后的料液进入储罐V-4，未被冷凝的蒸汽通过再沸器E-12A上部管道上升至换热器E-15进一步冷凝。E-15的冷媒为冷冻***R-1提供的2℃冰盐水。通过E-15冷凝后得到的液相也下降至储罐V-4。储罐V-4中的料液（乙醇含量为94.8％以上）则通过输送泵P-3, 经计量后其一部分被送至第二精馏塔T-5的塔顶作为回流，另一部分经计量后则被输送至第三精馏塔T-6作为进料。第三精馏塔T-6的热量不足部分则通过再沸器E-12B由空气源热泵***E-13加热补充。
第三精馏塔T-6理论塔板数为120，塔径1.6米，操作压力为0.05个大气压，塔顶温度为19.6℃，塔底再沸器E-12的温度为32.5℃。第三精馏塔T-6塔顶可采出1111.2 kg/hr浓度为99.8%wt的无水乙醇, 塔釜残液中乙醇含量低于0.011％wt。
实施例3：减压精馏法生产12000吨/年无水乙醇
操作方式如实施例1。将含乙醇25.2％的生物乙醇经换热器E-6预热至45℃后进入第一精馏塔T-4，第一精馏塔T-4塔的理论塔板数为35，塔径为1.2米，塔内采用无壁流规整填料，操作压力为0.33大气压，回流比选择1.2，第一精馏塔T-4底部液体温度为70.1℃。采用一台热水温度为83℃的空气源热泵***E13为第一精馏塔T-4塔底再沸器提供热源。蒸馏后，第一精馏塔T-4塔顶的乙醇混合物乙醇的含量达到91.2%。冷凝后部分作为回流，部分通过管道19被送至第二精馏塔T-5进行精馏。
第二精馏塔T-5理论塔板数为40，塔径1.3米，操作压力为0.2大气压，回流比选择1.05，塔底再沸器E-11的温度约为55℃，塔底再沸器E-11A的加热介质是第一精馏塔T-4塔釜的出料（水溶液，温度为70.1℃）, 塔底再沸器E-11B的加热介质是空气源热泵***E13提供的热水。第二精馏塔T-5顶部可得到95.3％以上的乙醇蒸汽，该蒸汽被引入到第三精馏塔T-6塔底再沸器E-12A壳层作为加热热源，冷凝后的料液进入储罐V-4，未被冷凝的蒸汽通过塔底再沸器E-12A上部管道上升至换热器E-15进一步冷凝。换热器E-15的冷媒为冷冻***R-1提供的2℃冰盐水。通过换热器E-15冷凝后得到的液相也下降至储罐V-4。储罐V-4中的料液（乙醇含量为95.3％以上）则通过输送泵P-3, 经计量后其一部分被送至第二精馏塔T-5的塔顶作为回流，另一部分经计量后则被输送至第三精馏塔T-6作为进料。第三精馏塔T-6的热量不足部分则通过塔底再沸器E-12B由空气源热泵***E-13加热补充。
第三精馏塔T-6理论塔板数为120，塔径1.6米，操作压力为0.053大气压，塔顶温度为20.5℃，塔底再沸器E-12的温度为33.1℃。T-6塔顶可采出1501.7 kg/hr浓度为99.6%wt的无水乙醇, 塔釜残液中乙醇含量低于0.009％wt。
Claims (6)
1.一种由生物乙醇水溶液制取无水乙醇的工艺，其特征是它包括下列步骤：
步骤1. 从原料料液储罐（V-2）将发酵获得的含乙醇15-25％的生物乙醇料液用泵（P-2）输送到换热器（E-6和E-8）换热至40-55℃，加热介质为第一精馏塔（T-4）塔顶蒸汽以及加热第二精馏塔（T-5）塔底再沸器（E-11）后的第一精馏塔（T-4）的塔底出料料液和第二精馏塔（T-5）塔底出料料液的混合料液，然后将生物乙醇料液通过管道（15）输送到第一精馏塔（T-4）进行分离，第一精馏塔（T-4）的操作绝对压力为0.3-0.35个大气压，塔顶温度为50-55℃，第一精馏塔（T-4）塔底再沸器（E-10）的温度为65-72℃，并通过一台能提供80℃以上热水的空气源热泵***（E-13）对第一精馏塔（T-4）塔底再沸器（E-10）加热；
步骤2. 经过第一精馏塔（T-4）蒸馏后，塔顶的乙醇混合溶液中乙醇含量达到80-90%，将其部分通过管道（18）回流，部分通过管道（19）进入到第二精馏塔（T-5）中进行精馏，第二精馏塔（T-5）的操作绝对压力为0.15-0.25个大气压，回流比选择0.8-1.2，塔顶温度为40-45℃，第二精馏塔（T-5）塔底再沸器（E-11）的温度为50-55℃，第二精馏塔（T-5）塔底再沸器（E-11）主要通过第一精馏塔（T-4）塔釜出料进行加热，热量不足部分则由空气源热泵***（E-13）提供，从第二精馏塔（T-5）顶部可以得到纯度为95％以上的乙醇水溶液，它将作为第三精馏塔（T-6）的进料；
步骤3. 第二精馏塔（T-5）塔顶40-45℃的乙醇蒸汽通过管道（20）进入第三精馏塔（T-6）的塔底再沸器（E-12）作为热源对塔底再沸器（E-12）中的料液进行加热，乙醇蒸汽冷凝之后的部分液相经计量后由回流泵（P-5）输送至第二精馏塔（T-5）塔顶作为回流，其余部分液相则被送入第三精馏塔（T-6）中进行高真空精馏，第三精馏塔（T-6）的操作绝对压力为0.03-0.05个大气压，回流比为1-3，塔顶汽相温度为12-20℃，塔底液相温度为25-32℃，第三精馏塔（T-6）塔底再沸器（E-12）热量的不足部分则由空气源热泵***（E-13）提供，精馏塔（T-6）塔顶可连续采出质量浓度为99.5-99.9%的无水乙醇。
2. 根据权利要求1所述的制取无水乙醇的工艺，其特征是：步骤2所述的第二精馏塔（T-5）必要时设置A/B两台塔底再沸器（E-11）。
3. 根据权利要求1所述的制取无水乙醇的工艺，其特征是：步骤3所述的第三精馏塔（T-6）必要时设置A/B两台塔底再沸器（E-12）。
4. 根据权利要求1所述的制取无水乙醇的工艺，其特征是：步骤3所述的第三精馏塔（T-6）的回流比为1-3。
5. 根据权利要求1所述的制取无水乙醇的工艺，其特征是：所述的第一精馏塔（T-4）、第二精馏塔（T-5）和第三精馏塔（T-6）的负压是分别由三台真空***（VS-1、VS-2和VS-3）提供，在真空***前，均需配备真空缓冲装置，以维持压力的稳定。
6. 根据权利要求1至5任一的所述的制取无水乙醇的工艺，其特征是：在步骤3中，由于第三精馏塔（T-6）塔顶产品蒸汽为12-20℃，所以由冷冻***（R-1）提供的0-5℃的冷冻盐水作为冷媒以冷凝塔顶汽相，同时在三台真空***（VS-1、VS-2和VS-3）的出口处，设置换热器（E-14）和冷阱（V-6）组成的冷阱装置，用作将真空出口气体中尚未被冷凝的有机物再次深冷捕集到冷阱（V-6）之中。
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