生物質(zhì)乙醇制乙烯過(guò)程節能研究

第26卷,總第148期節能技術(shù)Vol 26, Sum. No 1482008年3月,第2期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMar 2008. No. 2生物質(zhì)乙醇制乙烯過(guò)程節能研究王靜,張述偉(大連理工大學(xué)化工學(xué)院,遼寧大連116012)摘要:以現有的生物質(zhì)乙醇制乙烯實(shí)際操作為依據,采用 ASPEN PLUS軟件對該工藝進(jìn)行全流程的模擬和節能改進(jìn)。改進(jìn)后的流程在脫水反應階段不需要添加蒸汽,且全流程能耗較現有流程節能20.2%;若脫水反應段采用反應溫度更低的分子篩催化劑,過(guò)程節能達28.1%。關(guān)鍵詞:乙醇制乙烯;精餾;節能;模擬中圖分類(lèi)號:TQ03文獻標識碼:A文章編號:1002-639(2008)02-0148-03Investigation on Energy Saving in the Process of Ethylene from Fermented AlcoholWaNG Jing, ZHANG Shu-weiDepartment of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning, Dalian 116012, China)Abstract: Energy saving process of ethylene from fermented alcohol was proposed by using Aspen Plus softwareaccording to its practical operation. There is no stream added in the improved dehydration process20.2% heat consumption was reduced compared with the current process. If a molecular sieve catalysthas lower temperature of reaction, is used, the heat consumption can be reduced by 28.1%Key words: ethylene from fermented alcohol; distillation; energy-saving; simulation0前言物乙烯必將作為一條可持續發(fā)展的綠色化工路線(xiàn)與石油乙烯相抗衡2.3)。乙烯是石油化工工業(yè)的基礎原料,目前約75%本文中以生物質(zhì)乙醇脫水制乙烯的實(shí)際操作為的石油化工原料來(lái)源于乙烯。乙醇脫水制乙烯是在依據,應用 Aspen Plus軟件對現有流程進(jìn)行模擬和石油化工發(fā)展之前得到乙烯的主要方法后來(lái)由于節能改進(jìn)。同時(shí),對于脫水段采用的分子篩催化劑大量石油和天然氣的開(kāi)發(fā)利用石油烴熱裂解生產(chǎn)的工藝流程進(jìn)行模擬,比較兩種催化劑的經(jīng)濟效益。乙烯技術(shù)路線(xiàn),很快取代了乙醇脫水法,目前已成為生產(chǎn)乙烯的主要方法。然而在石油資源的日趨減1生物質(zhì)乙醇制乙烯工藝少和石油漲價(jià)的情況下,發(fā)展生物質(zhì)乙醇脫水制乙11現有工藝烯的技術(shù)路線(xiàn)更引起各國的重視?，F有的生物質(zhì)乙醇制乙烯工藝流程圖如圖1所同石油乙烯相比,生物乙烯的純度高、分離精制示。其工藝流程包括兩個(gè)部分:乙醇精餾段和乙醇費用低、投資小、建設周期短、收益快,而且不受資源脫水段。分布的限制。因此在石油資源急劇匱乏的時(shí)代,生乙醇精餾工藝主要包含粗餾塔T1、精餾塔T收稿日期2008-01-14修訂稿日期2008-02-2精餾塔預熱器E3、乙醇產(chǎn)品冷卻器F4、雜醇油分離作者簡(jiǎn)介:王靜(1982~),女,碩士。罐D2等設備。粗乙醇首先進(jìn)入粗餾塔,粗餾塔塔148頂除去大部分的低沸物二氧化碳,塔的上部采出經(jīng)內生產(chǎn)裝置采用三臺單段串聯(lián)段間加熱的絕熱固過(guò)初步精餾后的乙醇,該物料與精餾塔塔底物料換定床反應器并且乙醇分三股進(jìn)料。熱后進(jìn)入精餾塔。精餾塔側線(xiàn)采出含雜純油(主要乙醇脫水生成乙烯的反應,反應溫度在250℃成分為異戊醇)的乙醇,經(jīng)過(guò)加水稀釋后進(jìn)入雜純油以上,化學(xué)反應平衡常數很大,熱力學(xué)上很有利,反分離罐,分離出雜純油。塔上部得到精乙醇產(chǎn)品,經(jīng)應中本不需要水蒸氣,考慮到加入一定量的水蒸氣,過(guò)冷卻后進(jìn)入到乙醇脫水反應階段。該流程中精餾對于防止催化劑積碳和乙烯聚合有很重要的作用,塔頂的蒸汽作為粗餾塔再沸器的熱源,形成雙效精同時(shí)水蒸氣作為熱載體能夠降低反應器絕熱溫降。餾,該工藝只有精餾塔需要外界提供熱量因此現有反應器是在水蒸氣存在的條件下進(jìn)行脫水乙醇脫水反應工藝主要包括三段反應器R1、反應。R2、R3,加熱爐E11,蒸發(fā)鼓等設備。精餾后的乙醇對以上流程進(jìn)行分析發(fā)現,從精餾塔采出的乙首先利用反應后的物料進(jìn)行預熱汽化。在反應過(guò)程醇在進(jìn)入脫水反應段之前,經(jīng)過(guò)換熱器EA將溫度冷中,當反應溫度較低時(shí),乙醇轉化率降低,乙醚副產(chǎn)卻至20℃,而在脫水反應段又需要加熱,這從用能物增多;而溫度太高,乙醇脫氫、乙烯聚合等副反應的角度考慮不盡合理。同時(shí)精餾段采出的高濃度的加重,因此乙醇脫水反應有適宜的溫度范圍。不同乙醇,在進(jìn)入反應器之前需添加蒸汽,從節能的角度的催化劑要求具有不同的溫度范圍,例如現有裝置考慮,可以降低精餾段采出乙醇濃度,從而在脫水段采用的活性氧化鋁催化劑的溫度范圍為350~不加蒸汽作為載氣。470℃。為此,為了保持床層在適宜的溫度范圍之乙醇蒸發(fā)鼓水蒸氣b圖1現有的生物質(zhì)乙醇脫水制乙烯工藝流程圖1.2在現有流程基礎上進(jìn)行節能改進(jìn)(流程1)含量按照組成雙效精餾的冷凝器和再沸器熱負荷匹在現有流程的基礎上,提出了改進(jìn)的乙醇制乙配要求確定。由于在乙醇濃度低于55%(體積分烯工藝。數)時(shí)異戊醇的揮發(fā)系數大于1,最終異戊醇將隨首先在乙醇脫水制乙烯反應階段,為了不額外乙醇產(chǎn)品一起從塔的上部采出。由于異戊醇含量較添加蒸汽,這就要降低精餾段采出的乙醇濃度。通少且對催化劑無(wú)毒害作用,改造后乙醇蒸餾過(guò)程不過(guò)計算得出,在不改變乙醇三股進(jìn)料分配的基礎上,考慮雜醇油的分離。其流程如圖2所示:進(jìn)入第一段反應器乙醇的適宜濃度為46.4%(無(wú)特殊說(shuō)明以下皆為質(zhì)量分數)。若進(jìn)料乙醇濃度大于該濃度,反應器的溫降過(guò)大,超出催化劑的溫度范圍;當進(jìn)料乙醇濃度小于464%時(shí),反應器溫度在催化劑的溫度范圍之內,但是,由于進(jìn)料量的增加,加熱爐的熱負荷也隨之增加,與節能的目的相違背所以選擇精餾段采出乙醇的適宜濃度為464%。圖2在現有流程基礎上進(jìn)行節能改進(jìn)的工藝流對于乙醇精餾段,T塔去T2塔物料中的乙醇程圖1491.3分子篩催化劑的使用(流程2)其次,對T塔側線(xiàn)采出量進(jìn)行分析。為了保證乙現有流程使用的氧化鋁系列催化劑,反應效果烯的產(chǎn)率,T塔側線(xiàn)采出的乙醇含量保持在現有流程不錯,但是空速低,反應溫度較高。鑒于節能考慮,粗餾塔采出乙醇量的水平(400kg/h)粗餾塔側線(xiàn)采本文改用一種反應溫度較低的分子篩催化劑。該催出乙醇濃度對再沸器熱負荷的影響如圖5所示?；瘎┑臏囟确秶鸀?50~380℃。由于初始反應溫度低,可明顯的節約能耗。兩種催化劑的反應條件和器熱負荷反應性能比較見(jiàn)表1。表1兩種催化劑的反應條件和反應性能比較活性氧化鋁催化劑分子篩催化劑反應溫度,℃350-470250-380乙醇空速h乙醇轉化率,%乙烯選擇性,%側線(xiàn)采出乙醇濃度%由于脫水段所需乙醇濃度較低,從節約成本考圖5側線(xiàn)采出乙醇濃度對再沸器熱負荷的影響慮精餾段采用單塔。為了改善粗餾塔的操作特性,由圖5可以看出,隨著(zhù)側線(xiàn)采出量的增大,乙醇對精餾過(guò)程的幾個(gè)主要條件進(jìn)行優(yōu)化。首先對粗餾塔的進(jìn)料位置和側線(xiàn)采出位置進(jìn)行靈敏度分析,結濃度降低,回流比隨之減小,再沸器熱負荷相應減小。當乙醇濃度為41.2%時(shí),熱負荷達到最小值。果見(jiàn)圖3和圖4隨著(zhù)釆出量的繼續增大,若采用較小的41.2%處的950回流比,計算不收斂。這是因為,側線(xiàn)采出量的增大,使側線(xiàn)采出位置的塔板接近干板,為了避免上述情況的發(fā)生,采用增加回流比的方法。隨著(zhù)回流比的增加,再沸器熱負荷增大。所以,選擇T塔側線(xiàn)采出量為9700kg/h,乙醇濃度為41.2%,此時(shí)再沸塔頂二氧化碳濃度器熱負荷最小。精餾段采出的濃度為412%的乙醇直接進(jìn)入到進(jìn)料位置脫水反應段,脫水段不添加蒸汽。通過(guò)計算可得,脫圖3T塔進(jìn)料位置對側線(xiàn)采出乙醇濃度和塔水段采用兩段反應器就能滿(mǎn)足要求,兩段反應器溫度頂二氧化碳濃度的影響控制在催化劑的溫度范圍之內。流程如圖6所示線(xiàn)乙濃度乙醇脫水燕發(fā)鼓9側線(xiàn)采出位置圖4T塔側線(xiàn)采出位置對側線(xiàn)采出乙醇濃度圖6采用分子篩催化劑的工藝流程圖和塔頂二氧化碳濃度的影響由圖3可知,們塔進(jìn)料位置在第3~5塊塔板2工藝的穩態(tài)模擬時(shí)精餾效果最好,而進(jìn)料在第4塊板時(shí)達到最佳效進(jìn)料組成如表2所示:果。由圖4可以看出,T1塔側線(xiàn)采出位置在第3塊對于乙醇的分離, ASPEN TECH公司推薦采用塔板時(shí),分離效果最好。因此取最佳進(jìn)料位置為第(下轉第167頁(yè))4塊塔板,最佳側線(xiàn)采出位置為第3塊塔板。會(huì )組織,200施研究[J.潔凈煤技術(shù),2005,11(2)4姚強.潔凈煤技術(shù)[M〕.北京:化學(xué)工業(yè)出版社〔10〕樊泉桂,超超臨界及亞臨界參數鍋爐[M].北京中國電力出版社,2007,9〔5〕清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院《中國能源展望》1)《能源數據2007版》國家發(fā)展和改革委員會(huì )能源編寫(xiě)組,中國能源展望2004M〕.北京:清華大學(xué)出版社,局煤炭工業(yè)潔凈煤工程技術(shù)研究中心[S,207,3〔12〕先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域專(zhuān)家組“十一五”先進(jìn)能源技術(shù)〔6喻漢運.建設大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機組的必要性.新領(lǐng)域戰略研究[S〕2007,4.疆電力,2006,1〔13〕雷銘.我國發(fā)電節能減排措施〔J〕.大眾用電〔7〕劉志其,熱電聯(lián)產(chǎn)[M].北京:中國電力出版社,200,102006,1l〔14王彥軍,孫有信,基于cM(11)模型的道路交通事〔8鄭方能.中國潔凈煤技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)與示范[.故預測〔〕.科技與經(jīng)濟,00,5中國科技產(chǎn)業(yè),2006,2.〔15]劉思峰郭天榜,黨耀國.灰色系統理論及其應用〔9〕張清林提高中國燃煤工業(yè)鍋爐運行效率及節能措M〕.北京:科學(xué)出版社,199(上接第150頁(yè))2.1模擬結果的物性方法為NRL6。實(shí)際模擬分析表明NRL運用 Aspen Plus軟件對以上各流程進(jìn)行穩態(tài)模熱力學(xué)模型能夠準確地反映此混合物系的熱力學(xué)行·擬,各塔數據及脫水段反應器數據模擬結果分別見(jiàn)為表3和表4。表2進(jìn)料組成表3精餾段模擬計算結果序號組分質(zhì)量分數塔頂壓力,塔底溫度,精餾段能流程名塔名理論板數乙醇耗kW現有流程m11081.31713118.98153.1二氧化碳流程1m171311896241.2雜純油流程2T15863.8表4脫水段模擬計算結果反應器1絕反應器2絕反應器3絕添加中壓加熱爐熱過(guò)程總節能,流程名熱溫降℃熱溫降℃熱溫降℃·蒸汽,kh負荷,kW能耗,W%現有流程470~358470~358475~40121660.19813.20.0流程1470-360470475-4001590.57831流程2376-2526-270I1886為保證乙醇的轉化率大于9%且溫降在催化劑溫度范圍內模擬時(shí)第三段反應器的溫降留有較大的裕度催化劑,乙醇的處理量大大增加。這樣,降低了生物3結論質(zhì)乙醇制乙烯的成本,在經(jīng)濟上更具有競爭力。(1)對現有工況的模擬結果表明,使用 ASPEN參考文獻PLUS軟件應用NRmL物性方法對生物質(zhì)乙醇制乙〔1龔林軍,韓超,譚天偉,等,乙醇制備乙烯的研究烯過(guò)程的模擬非常準確,其結果完全可以應用于裝[J].現代化工,200064-47的節能改造、性能校核以及實(shí)際生產(chǎn)工況的優(yōu)化?！?潘鋒吳玉龍張建安,等,生物發(fā)酵乙醇催化脫水(2)在現有流程的基礎上進(jìn)行節能改進(jìn),改進(jìn)后制乙烯發(fā)展狀況[.現代化工,206,562):7-31的流程在脫水反應段不需添加蒸汽作為載氣,同時(shí)〔3〕顧志華.乙醇制乙烯技術(shù)現狀及展望[J.化工進(jìn)展,2006,25(8):847-851過(guò)程能耗較現有流程節省20.2%?！?〕顧志華,王艷丹,金照生,等,乙醇脫水反應的熱力(3)如果乙醇脫水反應段采用反應溫度更低的學(xué)分析與實(shí)驗研究().化學(xué)研究,x06,17(1):8-n.分子篩催化劑,脫水段同樣不需添加蒸汽作為載氣5章克昌,等,酒精與蒸餾酒工藝學(xué)[M〕].北京:輕工過(guò)程節能281%。而且,該流程在乙醇精餾段只采業(yè)出版杜,195:179-181用單塔,脫水段僅采用兩段反應器減少了設備的投[6]ASPEN Technology Inc. ASPEN PLUS User Guide [M]資。同時(shí)脫水段乙醇進(jìn)料空速增大,使用相同量的US: Aspen Technology Inc,9:71l-79