燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究

工進(jìn)展2003年第22卷第11期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS1147 .燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究劉宗寬顧兆林賀延齡馮霄(西安交通大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗室,西安710049)商要為解決傳統燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中能耗大的問(wèn)題,將熱泵技術(shù)與傳統恒沸精餾工藝相結合,開(kāi)發(fā)出熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝。在分析傳統恒沸精餾生產(chǎn)無(wú)水酒精工藝方法的基礎上,重點(diǎn)分析了燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的原理、優(yōu)點(diǎn)和能耗問(wèn)題。結果表明,熱泵恒沸精餾技術(shù)節約生產(chǎn)過(guò)程能耗56% ,顯著(zhù)優(yōu)于傳統恒沸精餾生產(chǎn)工藝。關(guān)鍵詞無(wú)水酒精 ,熱泵恒沸精餾,恒沸精餾,燃料乙醇中圖分類(lèi)號TQ 517.4文獻標識碼A文章編號000- 6613( 2003)11- 1147- 03無(wú)水酒精又稱(chēng)燃料乙醇,是指含水量很少的酒生產(chǎn)能耗,發(fā)展出一種具有經(jīng)濟-節能-環(huán)保多重精，一般酒精體積分數大于99.2%，廣泛用于化效益的新工藝。學(xué)試劑、醫學(xué)、農藥、油漆、顏料、化妝品、香2熱泵恒沸精餾工藝技術(shù).料、國防工業(yè)、電子工業(yè)、航天工業(yè)等許多行業(yè)。它的另外-個(gè)重要領(lǐng)域是,將無(wú)水酒精加添加劑形2.1傳統恒沸精 餾生產(chǎn)無(wú)水酒精工藝方法成變性燃料乙醇1],并以一定比例與汽油調和,傳統恒沸精餾工藝是在常壓下無(wú)法制取無(wú)水酒形成車(chē)用乙醇汽油,用作點(diǎn)燃式內燃機的燃料2。精的情況下,向酒精溶液添加夾帶劑(如苯、環(huán)己乙醇不僅是-種優(yōu)良燃料,也是-種優(yōu)良的燃烷、戊烷等)進(jìn)行精餾,夾帶劑與酒精溶液中的乙油品質(zhì)改善劑。它的主要特性可以概括為4個(gè)方醇、水形成三元共沸物。該三元共沸物與純組分酒面:①是燃油氧化處理的增氧劑，使汽油增加內精(或水)之間的沸點(diǎn)差較大,從而可較容易地通過(guò)氧,燃燒充分,達到節能和環(huán)保目的;②具有極好精餾獲得純度很高的酒精8。其工藝流程見(jiàn)圖1。的抗爆性能,調和辛烷值-般都在120以上,可有效提高汽油的抗爆指數(辛烷值);③在新標準汽油p5中,還可以經(jīng)濟有效地降低芳烴、烯烴含量,降低煉油廠(chǎng)的改造費用;④以農作物發(fā)酵法生產(chǎn)的燃料乙醇,具有和礦物燃料相似的燃料性能,其生產(chǎn)原料為生物質(zhì)能,因而在整個(gè)自然界這個(gè)大系統中3乙醇的整個(gè)生產(chǎn)和消費過(guò)程可形成無(wú)污染和非常清原料酒精53如-無(wú)水酒95%好B潔的閉路循環(huán)過(guò)程。1燃料乙醇生產(chǎn)方法圖1傳統恒沸精餾工藝1- -酒精脫水塔;2-夾帶劑回收塔; 3- -酒精回收塔;燃料乙醇的生產(chǎn)方法很多,包括生石灰脫水4-凝液分層器;5- -冷凝器;6- -再沸器.法、鹽脫水法、(溶鹽)萃取蒸餾法、分子篩制取法、真空蒸餾法、淀粉吸附法、離子交換樹(shù)脂法、這種傳統的恒沸精餾法已形成規?；?、機械化恒沸精餾法等3-7]。無(wú)水酒精的大規模生產(chǎn)方法程度很高的無(wú)水酒精生產(chǎn)工藝，且產(chǎn)量大、質(zhì)量或工藝主要有恒沸精餾、萃取蒸餾和現代分子篩3好、姑尤成勃.其能耗低于萃取蒸餾種方法,這3種大規模生產(chǎn)方法各有利弊。開(kāi)發(fā)無(wú)法中國煤化工E篩制取法操作成本更水酒精新工藝,關(guān)鍵在于如何利用新技術(shù)降低生產(chǎn)低。CNMHE ,也有其缺點(diǎn)，主要成本,形成既節能又環(huán)保的生產(chǎn)工藝。是能耗還不是太理想,且?jiàn)A帶劑在生產(chǎn)操作不當時(shí)無(wú)水酒精生產(chǎn)具有能耗大的特點(diǎn),本文作者將恒沸精餾與熱泵技術(shù)兩種成熟技術(shù)有機地結合起收稿日期2003-03-18; 修改稿日期2003 -05- 12。來(lái),開(kāi)發(fā)出熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝,大大降低了第一作者簡(jiǎn)介劉宗寬1966-),男,博士。電話(huà)029 - 2672543.1148●化工進(jìn)展2003年第22卷會(huì )引起環(huán)境污染。分,又不需要很大回流比,故汽化量(苯-乙醇2.2熱泵恒 沸精餾生產(chǎn)無(wú)水酒精新工藝水三元共沸物)相對并不大。熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝其物流系統全封閉操(2)三元共沸物的凝液分為輕重兩相,夾帶劑作,正常生產(chǎn)無(wú)任何產(chǎn)品廢物及環(huán)境污染,見(jiàn)圖2。易于返回酒精脫水塔循環(huán)利用。. ( 3 )無(wú)水酒精質(zhì)量可進(jìn)一步提高。由生產(chǎn)工藝可知,酒精脫水塔內雜質(zhì)是向塔頂移動(dòng)的,將富集于脫水塔頂部蒸氣中,由放空管排到系統以外(大氣中》另外,經(jīng)過(guò)恒沸精餾生產(chǎn)的成品無(wú)水酒精中的甲醇含量將明顯降低,這是因為作為雜質(zhì)的甲醇, -部分由放空管排出系統(極少),另-部分在原料酒精95%9→無(wú)水酒精99 .5%→水凝液分層器的富水相中回收其中的苯和酒精,水將從酒精回收塔底部排出,甲醇在其中以和水形成氫圖2熱泵恒沸精餾新工藝鍵的形式,在余餾水中被排出系統外。1-酒精脫水塔; 2-夾帶劑回收塔; 3-酒精回收塔;(4)產(chǎn)量大,技術(shù)成熟。只要改變塔徑設計參4-凝液分層器;5-熱泵;6-再沸器;7-換熱器數，即可提高產(chǎn)量。由于恒沸精餾(以苯為例,常壓)的脫水塔上下( 5)能耗大大降低。普通恒沸精餾工藝生產(chǎn)無(wú)溫差只有13C ,完全符合熱泵經(jīng)濟性要求9],針對水酒精1t,要消耗蒸汽200kg,需冷卻水30m'恒沸精餾法能耗大的不足,將恒沸精餾與熱泵技術(shù)酒精損失為1.0% ,苯0.1 kg(以苯做夾帶劑);較兩種成熟的技術(shù)有機地結合起來(lái),開(kāi)發(fā)出熱泵恒沸好水平可降至消耗蒸汽66 kg,苯為0.025% ,酒精餾生產(chǎn)新工藝:將傳統恒沸精餾工藝中的酒精脫精損失為0.1%。熱泵恒沸精餾工藝與普通恒沸精水塔塔頂苯-乙醇-水三元共沸物蒸氣( 64.6C不餾工藝相比較,省掉了冷卻水和加熱蒸汽,生產(chǎn)無(wú)經(jīng)過(guò)冷凝，直接通過(guò)熱泵壓縮機加壓升溫到100 C，水酒精1 t 只需用電85kW ho作為乙醇脫水塔塔釜再沸器熱源;冷凝液靠壓縮機(6)自動(dòng)化程度高。由于熱泵恒沸精餾生產(chǎn)無(wú)升溫時(shí)帶來(lái)的壓力送入高位凝液分層器，上層富苯水酒精具有連續、穩定的特點(diǎn),易于實(shí)現儀表或微相作為酒精脫水塔塔頂回流,下層富水相自流入夾機自動(dòng)控制。帶劑苯)回收塔回收夾帶劑;夾帶劑回收塔底部乙(7)熱泵恒沸精餾工藝惟-的副產(chǎn)物是原料酒醇和水再送入酒精回收塔。酒精回收塔塔頂乙醇-精的水分,因此嚴格控制生產(chǎn)操作,可實(shí)現無(wú)污水二元恒沸物蒸氣( 78 C同樣不經(jīng)過(guò)冷凝,由熱.染、零排放，可減輕對環(huán)境的熱污染,是一種清潔泵壓縮機加壓升溫(120C)作為酒精回收塔塔釜生產(chǎn)工藝。( 103C )再沸器熱源。冷凝液部分作為回流,其余3熱泵恒沸精餾與傳統恒沸精餾的經(jīng)作為原料酒精利用。2.3熱泵恒沸精 餾生產(chǎn)無(wú)水酒精新工藝的優(yōu)點(diǎn)濟性分析. ( 1 )在技術(shù)經(jīng)濟指標上合理可行。熱泵恒沸精3.1 能耗對比餾仍采用恒沸精餾技術(shù),作為塔底產(chǎn)品的乙醇(無(wú)為了進(jìn)-步論證熱泵恒沸精餾的經(jīng)濟性,現將水酒精)并不汽化,要分出的水只占料液的極小部其能耗、投資與傳統恒沸精餾比較如表1。表1生產(chǎn)1t無(wú)水酒精時(shí)熱泵恒沸精餾與傳統恒沸精餾的能耗對比原料熱泵恒沸精餾傳統恒沸精餾A- B/元A-C/元( A)(平均水平B)中國煤化工電/kWh26金額/元.0.46<66.1= 30.410.46>26=11.96fHCNMHG.4526.27蒸汽/t2.218金額/元00.93>2.218= 206.270.93X0.671 7= 62.47- 206.27- 62.47水/t2.51.5x2.5=3.751.5X2=3.0- 3.75-3.0循環(huán)水/t12137合計金額/元30.41221 . 9869.61- 191.57- 39.2第11期劉宗寬等:燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究1149.3.2投資金額比較以年產(chǎn)50kt燃料乙醇生產(chǎn)裝置為例,熱泵恒.年產(chǎn)50kt燃料乙醇生產(chǎn)裝置總投資額約800沸精餾生產(chǎn)新工藝其技術(shù)、經(jīng)濟性能有如下結論。萬(wàn)元人民幣。熱泵恒沸精餾與傳統恒沸精餾在裝置(1)熱泵恒沸精餾比平均水平傳統恒沸精餾能上的區別為熱泵恒沸精餾裝置去掉了蒸汽鍋爐系耗下降86% ,每年可節約操作費用950萬(wàn)元以上;統、冷卻水循環(huán)系統、塔頂冷凝器,增加了熱泵、比先進(jìn)水平傳統恒沸精餾能耗下降56% ,每年可輔助加熱器。其投資金額增減如表2。節約操作費用190萬(wàn)元以上。表2熱泵恒沸精餾與傳統恒沸精餾 工藝投資比較表( 2 )熱泵恒沸精餾不消耗冷卻水,與傳統恒沸增加設備減少設備精餾相比,每年可節約水資源120kt以上。.設備數量/臺套金額/萬(wàn)元數量/臺套 金額/萬(wàn)元(3)投資費用略有增加。熱泵恒沸精餾系統增熱泵250加2臺熱泵壓縮機,但與普通恒沸精餾法工藝相輔助加熱器1.5蒸汽鍋爐225比，由于塔頂不需要冷凝器,換熱器投資減少-蒸汽鍋爐房15半，且不需要投資鍋爐供熱系統,因此總投資費用冷卻水循環(huán)系統26比傳統恒沸精餾工藝只增加21%。塔頂冷凝器-6合計金額251.532(4)用熱泵恒沸精餾工藝替換傳統恒沸精餾工藝,具有巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益,特別是對于由表2可見(jiàn)，以年產(chǎn)50 kt燃料乙醇生產(chǎn)裝置缺水地區其優(yōu)勢更大。為例,熱泵恒沸精餾生產(chǎn)工藝與傳統恒沸精餾生產(chǎn)參考文獻工藝相比,凈增投資金額251.5-82= 169.5萬(wàn)元1 GB 18350- -2001 ,變性燃料乙醇[S]人民幣,占總投資金額的21%。GB 18351- -2001 ,車(chē)用乙醇汽油S]謝林. [J]釀酒科技, 1994,(4):52-554結論李春云. [J]浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2001 , 292):210~212將恒沸精餾與熱泵技術(shù)兩種成熟的技術(shù)有機地常秀蓮. [J]釀酒科技, 2000,(2): 49~50結合起來(lái)而形成的熱泵恒沸精餾生產(chǎn)新工藝,大大馬心如,趙芙榮. [J]釀酒科技, 2002 ,(2): 57~58封瑞江，趙崇峰. [J]撫順石油學(xué)院學(xué)報, 2000, 20( 3):降低了生產(chǎn)能耗,是一種具有經(jīng)濟-節能-環(huán)保多13~ 15重效益的新工藝,可減輕對環(huán)境的熱污染,也是-8何潮洪，馮霄.化工原理[M]北京:科學(xué)出版社, 2001 .種清潔生產(chǎn)工藝。.9郁永章.熱泵原理與應用[M]北京:機械工業(yè)出版社, 1993Study on the Technology of Heat Pump Rectification inProduction of Fuel AlcoholLiu Zongkuan , Gu Zhaolin , He Yanling , Feng Xiao( State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering , School of Environmental and Chemical Enginering ,Xi an Jiaotong University , Xi' an 710049 )Abstract In order to reduce the energy consumption of producing process of traditional fuel alcohol , we adoptthe technology that uses the heat pump to save the energy. It combines the common constant boiling rectificationwith the heat pump technology. The principle , advantage and energy consumption problem of the new fuelalcohol technology using heat pump rectification are studied.中國煤化I echnology could reduce56% energy on the production process.MYHCNMHGKeywords anhydrous ethanol , heat pump rectification , constant boiling rectification , fuel alcohol(編輯奚志剛)