comparación de las secuencias TCD y E–TCD basadas en la destilación atmosférica
los procesos de destilación atmosférica que consistían en secuencias TCD (escenario 1) y E–TCD (escenario 2) se desarrollaron y optimizaron en primer lugar., Sobre la base de las estrategias de construcción y optimización descritas en la sección «estrategias», las demandas de energía de los flujos de calefacción y refrigeración de las secuencias TCD y E-TCD se ilustran en la Fig. 3a y b, respectivamente. En ambos escenarios se obtuvieron el 95% en peso de etanol (corriente 6), el 99,7% en peso de acetona (corriente 4) y el butanol completamente deshidratado (100% en peso, corriente 10) (la composición detallada de la corriente y la tasa de flujos de diferentes tipos de secuencias se muestran en el archivo adicional 1: Tabla S1).
procesos de destilación atmosférica que representan el escenario a 1 y el escenario b 2. El caudal en alimentación (Corriente 1) fue de 1025 kg/h. los datos rojos son las columnas de mayor costo de energía, mientras que los datos verdes requieren relativamente menos energía en las columnas correspondientes. Los datos negros se refieren a la energía de calefacción y refrigeración que se mantuvo similar al reciclar los destilados de agua y butanol. Las placas de alimentación, así como las placas generales de cada columna también se muestran en esta figura., Las presiones aéreas de las columnas fueron todas establecidas a presión atmosférica
Datos mostrados en la Fig. 3 refiérase a la demanda de energía de calefacción y refrigeración de las columnas de destilación en dos escenarios. Como no había diferencias entre las columnas anteriores, las demandas de energía para las dos columnas iniciales (columnas de cerveza y acetona) también fueron similares. Sin embargo, los resultados fueron bastante diferentes en las secuencias de TCD y E-TCD en las columnas aguas abajo (etanol, butanol y columnas de agua)., El menor requerimiento de energía de la columna de etanol en el escenario 2 podría ser causado por el hecho de que una mayor concentración de etanol en la corriente inferior de la columna de etanol es posible debido al bucle de recirculación. La corriente que consistía en el destilado de butanol y las columnas de agua se mezcló con la salida inferior de la columna de acetona en el escenario 2 (Fig. 2b). Por lo tanto, el caudal real que entra en la columna de etanol en el escenario 2 fue de 433.,8 kg / h (suma de los caudales de la salida inferior de la columna de acetona y del destilado de la columna de agua), que fue superior a la del caso en el escenario 1 (383,8 kg/h, solo de la salida inferior de la columna de acetona). Sin embargo, el flujo del producto de etanol en el escenario 2 no se incrementó, el cual se mantuvo en 18.62 kg/h. por lo tanto, la concentración de etanol de la columna de salida inferior de etanol en el escenario 2 fue mayor que en el escenario 1 (2.42% en peso en el escenario 2 vs., < 200 ppm en el escenario 1), lo que podría reducir significativamente el requisito de energía en la columna de etanol en el escenario 2 (2,39 MJ/kg en comparación con 4,56 MJ/kg en el escenario 1, Véase la Fig. 3). En consecuencia, la relación de reflujo de la columna de etanol en el escenario 2 (~25) fue mucho menor que en el escenario 1 (~ 57) cuando se alcanzó por encima del 95% en peso de etanol (archivo adicional 1: Fig. S2).,
debido a las concentraciones más bajas de butanol en la fase orgánica del decantador (corrientes 9 en el archivo adicional 1: Tabla S1) y la fase acuosa del decantador (corrientes 12 en el archivo adicional 1: Tabla S1) en el escenario 2 (81,66% en peso para la fase orgánica del decantador y 4,6% en peso de la fase acuosa del decantador), la necesidad de energía de calentamiento y enfriamiento de las columnas de agua y butanol fue mayor en la secuencia e-TCD (1,99 MJ/kg y 0,73 MJ/kg para calefacción, y − 1,44 MJ/kg y − 0,38 MJ/kg para refrigeración en columnas de butanol y agua, Ver fig., 3b) en comparación con la secuencia convencional de DCT (1,8 MJ/kg y 0,56 MJ/kg para calefacción, y − 1,28 MJ/kg y − 0,24 MJ/kg para refrigeración en columnas de butanol y agua, ver Fig. 3a). Afortunadamente, las bajas concentraciones de butanol tanto en la fase orgánica como en la fase acuosa en el escenario 2 fueron causadas principalmente por la participación de la mayor proporción de etanol, que es el componente ligero existente en la mezcla butanol–etanol–agua . Las fracciones de agua, el componente pesado distribuido en la mezcla, no aumentaron significativamente., Por lo tanto, la demanda de energía en las columnas de agua y butanol de la hipótesis 2 Solo fue ligeramente superior en comparación con la demanda de energía de las dos columnas de la hipótesis 1.
El consumo de energía en la columna de etanol fue el factor decisivo del costo total de energía durante los procesos de destilaciones atmosféricas. A pesar de que el coste energético de las columnas de butanol y de agua era más elevado, las necesidades energéticas globales para calentar y enfriar las corrientes en la hipótesis 2 eran muy inferiores a las de la hipótesis 1. Como resultado, la demanda de energía de 13.42 MJ/kg y 10.,En el escenario 2 se consumieron 75 MJ/kg para calefacción y refrigeración, respectivamente, que representaron solo el 88,1% y el 85,1% de la demanda de energía en el escenario 1. Por lo tanto, la secuencia E-TCD permite un ahorro de energía para la posterior mezcla de separación de destilación ABE después de la pervaporación. Lo que es más importante, como el etanol (contenido en las columnas de destilado de agua y butanol) se recicló en la columna de etanol en la secuencia E-TCD, no se acumuló etanol en la secuencia TCD (véase el archivo adicional 1: Tabla S1, corrientes 8 y 11)., Por lo tanto, la secuencia E-TCD mostró una mejor controlabilidad en contraste con la secuencia TCD convencional. Como se sugirió en el informe anterior , la secuencia estable de E-TCD también tiene la ventaja de hacer que el sistema de destilación sea más rentable.
en nuestro trabajo anterior, la aplicación del sistema de intercambio de calor podría disminuir significativamente el requisito de energía en la secuencia TCD convencional basada en el proceso de destilación . Para disminuir aún más las demandas de energía en los dos escenarios, se estableció y optimizó el sistema de intercambio de calor., También se compararon los requisitos energéticos para la separación de EBA basados en secuencias TCD y E-TCD después del intercambio de calor. En general, 12 intercambiadores de calor (HEs) se conectaron con las corrientes en ambos escenarios. La diferencia de temperatura mínima para el intercambio de calor se estableció en 15 °C. Los parámetros clave y las estrategias de intercambio de calor se llevan a cabo en la Fig. 4. Además, las curvas de grand composites y la estructura básica del sistema de intercambio de calor se muestran en el archivo adicional 1: Fig. S3., Como se puede observar, en las condiciones optimizadas, los intercambios de calor se llevaron a cabo principalmente en las corrientes 1, 9 y 12 en ambos escenarios, que no estaban en línea con nuestros trabajos anteriores que aplicaban el proceso de extracción de gas-pervaporación en dos etapas . Para el caso del escenario 1, después del intercambio de calor, la temperatura de la corriente 1 aumentó gradualmente de 25 a 40,7 °C (después de HE1), 62,77 °C (después de HE4), 77,8 °C (después de HE7) y 82,9 °C (después de HE10), respectivamente., De manera similar, la corriente 9 que fue alimentada en la columna de butanol fue calentada secuencialmente por HE2, HE5, HE8 y HE11, y su temperatura finalmente alcanzó los 91 °C. correspondientemente, la corriente 12 (85.35 °C) fue alimentada en la columna de agua después de ser calentada por HE3, HE6, HE9 y HE12. En contraste, en el caso del escenario 2, Las temperaturas de las corrientes 1, 9 y 12 se incrementaron de 25 °C, 20 °C y 20 °C, a 84.25 °C (después de HE1, HE4, HE7 y HE10), 91.6 °C (después de HE2, HE5, HE8 y HE11) y 86 °C (después de HE3, HE6, HE9 y HE12), respectivamente.
intercambio de Calor para el sistema de destilación atmosférica de los procesos. a estrategias de intercambio de calor en el escenario 1 que se basan en la secuencia TCD; B basado en la secuencia e-TCD
por el efecto del intercambio de calor, se redujeron las necesidades de energía de la columna de cerveza, la columna de butanol y la columna de agua. Las necesidades de energía en ambos escenarios disminuyeron ligeramente. Las demandas energéticas de 12,27 MJ / kg y 10,12 MJ/kg fueron alcanzadas en el escenario 1 y escenario 2, respectivamente, que fueron 13,1% y 15.,Un 5% más bajo que el de los procesos convencionales sin intercambio de calor (Fig. 5). Por lo tanto, después del intercambio de calor, el requisito de energía para la secuencia E-TCD basada en la destilación (escenario 2) seguía siendo menor que el del proceso basado en la secuencia TCD (escenario 1), y el escenario 2 era más sensible a la integración del calor por mostrar una tasa de disminución de energía relativamente mayor.
comparación de los requisitos energéticos totales para los dos escenarios de destilación atmosférica antes y después del intercambio de calor
el efecto de las presiones del condensador de columna en los rendimientos de destilación y la mejora de los procesos
ajustando el nivel de presión de las columnas de destilación mostró ventajas en la disminución adicional del requisito de energía en los procesos de separación de alcoholes ., Mediante la aplicación de VDP, se disminuyeron los ratios de reflujo de varias columnas, y la red de intercambio de calor también se intensificó en VDP.
en esta sección, se aplicó VDP para la separación ABE basada en el proceso e-TCD. La figura 6 muestra el efecto de las presiones del condensador sobre las relaciones de reflujo en los flujos de salida. En comparación con las columnas de cerveza, butanol y agua, las relaciones de reflujo de las columnas de acetona y etanol fueron más sensibles a las presiones del condensador., Para generar el producto de acetona aceptable en destilado, la relación de reflujo de la columna de acetona se aumentó gradualmente de 2 en 50 kPa a 15 en 120 kPa. Por el contrario, la relación de reflujo de la columna de etanol no cambió hasta que la presión del condensador aumentó a 90 kPa. Después de eso, la relación de reflujo aumentó significativamente con el aumento de la presión del condensador, y finalmente alcanzó 200 cuando la presión del condensador fue de 120 kPa. Por lo tanto, las columnas de acetona y etanol, las más sensibles, fueron seleccionadas para disminuir las presiones.
efecto de la relación presión–reflujo del condensador en diferentes columnas de destilación con el objetivo de producir los productos aceptables (95% en peso de etanol, 99,7% en peso de acetona y 100% en peso de butanol). a columna de cerveza; B columna de acetona; C columna de etanol; D columnas de butanol y agua
se evaluó el efecto de las presiones del condensador de las columnas de acetona y etanol sobre las temperaturas del destilado. Las temperaturas del destilado disminuyeron con la disminución de las presiones del condensador., 40 ° C se consideró la temperatura más baja que puede satisfacer las necesidades de condensación (basado en la temperatura mínima para el intercambio de calor de 15 °C). Las presiones adecuadas del condensador de las columnas de acetona y etanol fueron de 57 kPa y 18 kPa, respectivamente (los detalles también se muestran en el archivo adicional 1: Fig. S4).
Después de disminuir las presiones de la columna de acetona y etanol a 57 kPa y 18 kPa, se investigó más a fondo el efecto de las relaciones de reflujo en las concentraciones de acetona y etanol destilado., Se compararon las secuencias TCD (escenario 3) y E-TCD (escenario 4) basadas en VDP (Ver detalles en el archivo adicional 1: Fig. S5). Después de disminuir las presiones del condensador de las columnas de acetona y etanol, la relación de reflujo optimizada para las purezas aceptables de los disolventes se redujo drásticamente en ambas secuencias TCD y E-TCD, por lo tanto, el consumo de energía también podría reducirse. Más específicamente, la relación de reflujo optimizada en la columna de acetona se redujo de 5,8 a 2.,4, mientras que la relación de reflujo optimizada en columnas de etanol fue solo 48 y 18 en las secuencias del escenario 3 y escenario 4 Después de aumentar/disminuir la presión de las columnas, respectivamente.
después de optimizar la presión del condensador de las columnas de acetona y etanol, los parámetros clave de las columnas de agua y butanol se determinaron posteriormente cambiando el destilado de butanol y la columna de agua siguiendo la estrategia iterativa mostrada en la Fig. 2 (los caudales mostrados en el archivo adicional 1: Tabla S2)., En función de las condiciones específicas de la VDP, los parámetros clave de las secuencias TCD y E-TCD se llevan a cabo en la Fig. 7. Como se ilustra, la presión del condensador de la columna de cerveza se incrementó para facilitar el proceso de transferencia del calor. En consecuencia, las presiones de las columnas de acetona y etanol disminuyeron, mientras que las presiones del condensador de las columnas de butanol y agua permanecieron en la presión atmosférica., Mostró que los requisitos de calor para la acetona y las columnas de etanol, butanol y agua posteriores en las secuencias TCD y E-TCD disminuyeron después de ajustar las presiones de las columnas. Las necesidades energéticas globales en los escenarios 3 y 4 fueron de 11,53 MJ / kg y 10,03 MJ / kg (Fig. 9), respectivamente, que fueron del 81,66% y del 83,72% en comparación con las necesidades energéticas en el escenario 1 y en el escenario 2 sin aplicar VDP. En comparación con otras columnas, las necesidades energéticas para la concentración de EBA en las columnas de cerveza ocuparon el 43,54% (para la hipótesis 3) y el 50%.,05% (para el escenario 4) del coste total de calefacción. Además, aunque la necesidad de calor de las columnas de agua y butanol en la hipótesis 4 fue un poco superior a la de la hipótesis 3, la fuerte reducción del coste de la energía en la columna de etanol también dio lugar a una menor demanda global de energía en la hipótesis 4.
VDP representando un escenario 3 y un escenario B 4. El caudal en la alimentación (Corriente 1) fue de 1025 kg/h., Los datos rojos son las columnas con mayor costo de energía, mientras que los datos verdes requieren relativamente menos energía en comparación con las destilaciones atmosféricas que se muestran en la Fig. 3. Las placas de alimentación, las placas globales y la presión aérea de cada columna también se mostraron en esta figura
La Figura 8 muestra el sistema de intercambio de calor para la VDP. Los detalles del diagrama de cuadrícula y la gran curva compuesta se dieron en el archivo adicional 1: Fig. S6. En comparación con el VDP antes de la integración de calor, el requisito de energía disminuyó drásticamente en ambos escenarios. Sólo 7.,Se consumieron 17 MJ/kg y 5,3 MJ/kg de calor para la separación de destilación ABE del permeado de separación de pervaporación in situ en el escenario 3 y escenario 4, respectivamente (Fig. 9). En estas condiciones, el 37,81% y el 47,16% de la energía podrían ahorrarse después de los intercambios de calor. Sorprendentemente, mostró que no se requería energía adicional para calentar las columnas de acetona y etanol en el escenario 4, y todos los requisitos de calor fueron proporcionados por las corrientes más calientes. Para el escenario 3, la parte inferior de la columna de acetona también se calentó con el producto superior de la columna de cerveza., It is also noteworthy that the number of heat exchangers can be, thus, reduced in scenarios 3 and 4 based on VDP (total 7 heat exchangers, see Fig. 8) compared with conventional distillations in scenarios 1 and 2 (total 12 heat exchangers, see Fig. 3).
Heat-exchange system for VDP. a Heat-exchange strategies in scenario 3 which are based on TCD sequence; b and E-TCD sequence
Comparison of the two scenarios of VDP in total energy requirements before and after heat exchange