Vertailu TCD-ja E-TCD-sekvenssit perustuvat ilmakehän tislaus
Ilmakehän tislaus prosesseja, joka koostui TCD (skenaario 1) ja E-TCD (skenaario 2) sekvenssit olivat kehitetty ja optimoitu ensinnäkin., Perustuu rakentamisen ja optimointi strategioita kuvattu ”Strategioita” – osiossa, energiantarve lämmitys ja jäähdytys purojen TCD-ja E-TCD-sekvenssit on esitetty Kuviossa. 3a ja b vastaavasti. 95 paino – % etanolia (virta 6), 99.7 paino – % asetonia (virta 4) ja täysin kuivattu butanoli (100 paino -%, stream 10) saatiin molemmissa skenaarioissa (yksityiskohta stream kokoonpano ja virtojen määrä eri tyyppiset sekvenssit on esitetty Tiedostojen 1: Taulukko S1).
Ilmakehän tislaus prosessit edustavat skenaario 1 ja skenaario b 2. Virtausnopeus syöte (virta 1) oli 1025 kg/h. Punainen tiedot ovat korkeammat energian kustannukset sarakkeet, kun vihreä data suhteellisen tarvitaan vähemmän energiaa vastaavat sarakkeet. Musta tieto viittaa lämmitys – ja jäähdytysenergiaan, joka säilyi samanlaisena veden ja butanolitisleiden kierrätyksessä. Kuvassa näkyvät myös syöttölevyt sekä kunkin pylvään kokonaislevyt., Yläpuolella paineet pylväät olivat kaikki asetettu ilmakehän paine
Tiedot kuvassa. 3 viittaa tislauskolonnien lämmitys – ja jäähdytysenergian kysyntään kahdessa skenaariossa. Koska ei ollut eroja alku-sarakkeet, energia-vaatimukset etukäteen kaksi saraketta (olutta ja asetonia sarakkeet) olivat myös samankaltaisia. Kuitenkin, tulokset olivat varsin erilaisia TCD-ja E-TCD-sekvenssit loppupään sarakkeet (etanoli, butanoli ja vettä pylväät)., Alemman energian vaatimus etanoli sarake skenaario 2 saattaa johtua siitä, että korkeampi etanolia pohja virta etanoli sarake on mahdollista, koska kierrätys silmukka. Virta, joka koostui tislettä butanoli ja vettä sarakkeet oli sekoitettu pohja pistorasiaan asetonia sarake skenaariossa 2 (Kuva. 2 B). Näin ollen skenaariossa 2 etanolikolonniin kulkeutunut todellinen virtaama oli 433.,8 kg/s (summa virtausnopeudet alhaalta outlet asetonia sarake ja tisleen vettä sarake), joka oli korkeampi kuin tapauksessa skenaario 1 (383.8 kg/h, vain alhaalta outlet asetonia sarake). Kuitenkin, etanoli tuotteen virtausnopeus skenaariossa 2 ei lisääntynyt, joka oli voimassa 18.62 kg/h. Näin ollen etanoli pitoisuus poistoputkeen etanolia sarake skenaario 2 oli suurempi kuin skenaariossa 1 (2.42 paino – % skenaariossa 2 vs., < 200 ppm skenaario 1), jotka voisivat merkittävästi vähentää energian vaatimus etanoliin sarake skenaario 2 (2.39 MJ/kg verrattuna 4.56 MJ/kg skenaario 1, ks.Kuva. 3). Vastaavasti refluksi suhde etanolin sarake skenaario 2 (~ 25) oli paljon pienempi kuin skenaariossa 1 (~ 57), kun yli 95 painoprosenttia etanolia oli saavutettu (Lisää tiedosto 1: Fig. S2).,
Koska pienempiä pitoisuuksia butanoli orgaaninen faasi karahvi (purot 9 Lisää tiedosto 1: Taulukko S1) ja vesifaasi alkaen karahvi (purot 12 Tiedostojen 1: Taulukko S1) skenaario 2 (81.66 wt% orgaanisten vaihe karahvi ja 4. 6 wt% vesipitoista vaihe karahvi), lämmitys ja jäähdytys energian vaatimus vesi-ja butanoli sarakkeet oli korkeampi E-TCD-sekvenssi (1.99 MJ/kg ja 0,73 MJ/kg lämmitys -, ja − 1.44 MJ/kg ja − 0.38 MJ/kg jäähdytys butanoli ja vettä sarakkeet, katso Kuva., 3b) verrattuna tavanomaisen TCD järjestyksessä (1.8 MJ/kg ja 0,56 MJ/kg lämmitys -, ja − 1.28 MJ/kg ja − 0.24 MJ/kg jäähdytys butanoli ja vettä sarakkeet, katso Kuva. 3 A). Onneksi alhainen butanolin pitoisuudet sekä orgaanisen faasin ja vesifaasin skenaariossa 2 olivat pääasiassa aiheuttama osallistumista korkeampi suhde etanolia, joka on kevyt komponentti olemassa butanoli–etanoli–vesi-seos . Seokseen jaettu raskas vesifraktiot eivät lisääntyneet merkittävästi., Näin ollen energian kysynnän vettä ja butanoli sarakkeet skenaario 2 oli vain hieman suurempi verrattuna energian kysyntä kaksi saraketta skenaario 1.
etanolikolonnin energiankulutus oli ratkaiseva tekijä ilmakehän tislausprosessien kokonaisenergiakustannuksissa. Vaikka energian kustannukset butanoli ja vettä sarakkeet oli suurempi, yleinen energiantarve lämmitys ja jäähdytys purojen skenaario 2 oli paljon pienempi kuin skenaariossa 1. Tämän seurauksena energian kysyntä 13,42 MJ / kg ja − 10.,75 MJ/kg lämmitys ja jäähdytys, vastaavasti, kulutettiin vuonna skenaario 2, joka oli vain 88.1% ja 85.1 prosenttia verrattuna energian kysynnän skenaariossa 1. Siksi E-TCD-sekvenssi mahdollistaa energiansäästön myöhemmässä tislauserotuksessa Abe-seoksessa pervaporaation jälkeen. Vielä tärkeämpää on, kuten etanolia (sisältyvät tisleen vettä ja butanoli pylväät) oli kierrättää etanolia sarake E-TCD järjestyksessä, ei etanoli kertynyt TCD-järjestyksessä (ks. Lisää tiedosto 1: Taulukko S1, purot 8 ja 11)., Näin ollen E-TCD-sekvenssi osoitti paremman hallittavuuden verrattuna tavanomaiseen TCD-sekvenssiin. Kuten edellisessä kertomuksessa ehdotettiin , vakaalla E-TCD-sekvenssillä on myös etu tehdä tislausjärjestelmästä kustannustehokkaampi.
– meidän edellinen työ, sovellus, lämpö-vaihto järjestelmä voi merkittävästi vähentää energian vaatimus perinteisessä TCD järjestys perustuu tislaus prosessi . Näiden kahden skenaarion energiantarpeen vähentämiseksi luotiin ja optimoitiin lämmönvaihtojärjestelmä., Myös TCD-ja E-TCD-jaksoihin perustuvan Abe-erottelun energiavaatimuksia verrattiin lämmönvaihdon jälkeen. Yleensä molemmissa skenaarioissa virtoihin liittyi 12 lämmönvaihtinta (HEs). Pienin lämpötilaero lämmön vaihto oli asetettu 15 °C. Keskeiset parametrit ja lämpö-vaihto strategioita ovat toteutettu Kuva. 4. Lisäksi grand composites-käyrät ja lämmönvaihtojärjestelmän perusrakenne on esitetty lisätiedostossa 1: kuva. S3., Kuten voidaan nähdä, alle optimoitu ehtoja, lämmön vaihtoa tehtiin pääasiassa purojen 1, 9 ja 12 sekä skenaarioita, jotka eivät ole linjassa aiempien toimii, että sovelletaan kaksi-vaihe kaasun strippaus–pervaporation prosessi . Tapauksessa skenaario 1, kun lämmönvaihto, lämpötila virta 1 vähitellen kasvoi 25 40,7 °C (kun HE1), 62.77 °C (kun HE4), 77.8 °C (kun HE7) ja milj. euroa 82,9 °C (kun HE10), vastaavasti., Samoin stream 9, joka oli syötetään butanoli sarake oli peräkkäin lämmitetään HE2, HE5, HE8 ja HE11, ja sen lämpötila lopulta saavutti 91 °C. Vastaavasti, stream 12 (85.35 °C) oli syötetään vesipatsaan jälkeen lämmitetään HE3, HE6, HE9 ja HE12. Sen sijaan, jos skenaario 2, lämpötilat stream 1, 9 ja 12 olivat lisääntynyt 25 °C, 20 °C ja 20 °C, 84.25 °C (kun HE1, HE4, HE7 ja HE10), 91.6 °C (kun HE2, HE5, HE8 ja HE11) ja 86 °C (kun HE3, HE6, HE9 ja HE12), vastaavasti.
Lämpöä-vaihto järjestelmä ilmakehän tislaus prosesseja. Lämpö-vaihto strategioita skenaariossa 1, jossa perustuvat TCD järjestyksessä; b perustuu E-TCD järjestyksessä
vaikutus lämmön vaihto, energian vaatimus olutta sarake, butanoli sarake ja vesipatsas oli vähentynyt. Energiantarve laski kummassakin skenaariossa hieman. Energia vaatimuksiin 12.27 MJ/kg ja 10.12 MJ/kg saavutettiin vuonna skenaario 1 ja skenaario 2, vastaavasti, mikä oli 13,1% ja 15.,5% pienempi kuin tavanomaisissa prosesseissa ilman lämmönvaihtoa(Kuva. 5). Siksi, kun lämmön vaihto, energian vaatimus E-TCD-sekvenssin perusteella tislaus (skenaario 2) oli edelleen pienempi kuin TCD-sekvenssi-pohjainen prosessi (skenaario 1) ja vaihtoehto 2 oli enemmän herkkä lämmölle integrointi osoittaa suhteellisen korkea energian hitaammin.
Vertailu koko energian vaatimukset kaksi skenaariota ilmakehän tislaus ennen ja jälkeen heat exchange
vaikutus sarake lauhdutin paineita tislaus esityksiä ja parantaminen prosessien
Säätö paine taso tislauskolonnit osoitti etuja edelleen vähentämällä energian vaatimus alkoholit erottaminen prosesseja ., Soveltamalla VDP, refluksi tunnusluvut useita sarakkeita oli vähentynyt, ja lämmönvaihto verkko oli myös tehostaa VDP.
tässä jaksossa VDP: tä haettiin e-TCD-prosessiin perustuvaan Abe-erotteluun. Kuvassa 6 esitetään lauhduttimen paineen vaikutus refluksisuhteisiin ulostulovirroissa. Verrattuna olutta, butanoli ja vettä sarakkeet, refluksi suhde asetoni ja etanoli pylväät olivat herkempiä lauhdutin paineet., Tuottaa hyväksyttävää asetonia tuotteen tisle, refluksi suhde asetonia sarake oli vähitellen kasvanut 2 50 kPa 15 120 kPa. Sen sijaan, refluksi suhde etanolin sarake ei muutu, ennen kuin lauhduttimen paine kasvoi 90 kPa. Sen jälkeen, refluksi suhde oli merkittävästi lisääntynyt kasvu lauhduttimen paine, ja lopulta saavutti 200, kun lauhduttimen paine on 120 kPa. Siksi paineiden vähentämiseksi valikoitui asetoni-ja etanolipylväitä, herkempiä.
Vaikutus lauhduttimen paine–refluksi suhde eri tislauskolonnit, jonka tavoitteena on tuottaa hyväksyttäviä tuotteita (95 painoprosenttia etanolia, 99.7 paino – % asetonia ja 100 paino – % butanoli). Olut sarake; b asetoni sarake; c etanoli sarake; d butanoli ja vesi-pylväät
vaikutus lauhdutin paineet asetoni ja etanoli sarakkeita tisleen lämpötila arvioitiin. Tisleen lämpötila laski lauhduttimen paineen laskiessa., 40 °C: n katsottiin olevan alin lämpötila, joka voi tarpeisiin tiivistymistä (perustuu alin lämpötila lämmön vaihto 15 °C). Sopiva lauhdutin paineet asetoni ja etanoli pylväät olivat 57 kPa-18 kPa, vastaavasti (tiedot näkyvät myös Tiedostojen 1: Fig. S4).
Kun vähentää asetoni ja etanoli sarake paineet 57 kPa-18 kPa, vaikutus refluksi suhteina tisleen asetoni ja etanoli pitoisuutta tutkittiin tarkemmin., TCD (skenaario 3) ja E-TCD (skenaario 4) – sekvenssit perustuvat VDP verrattiin (ks. Lisää tiedosto 1: Fig. S5). Jälkeen vähentää lauhdutin paineet asetoni ja etanoli sarakkeet, optimoitu refluksi suhde hyväksyttävää puhtausaste liuottimia oli vähentynyt jyrkästi molemmissa TCD-ja E-TCD-sekvenssit Siten, että energian kulutus saattaa olla myös vähentynyt. Tarkemmin asetonikolonnin optimoitu refluksisuhde pieneni 5,8: sta 2: een.,4, kun optimoitu refluksi suhde etanoliin sarakkeet oli vain 48 ja 18-sarjoissa skenaario 3 skenaario 4 jälkeen lisäämällä/vähentämällä sarakkeita paine, vastaavasti.
sen Jälkeen, kun optimoimalla lauhduttimen paine asetoni ja etanoli sarakkeet, keskeiset parametrit veden ja butanoli pylväät olivat tämän jälkeen määritetään muuttamalla tisle butanoli ja vesipatsaan seuraavat iteratiivinen strategia on esitetty Kuviossa. 2 (virtausnopeudet esitetty lisätiedostossa 1: taulukko S2)., VDP: n erityisolosuhteiden perusteella TCD-ja E-TCD-sekvenssien keskeiset parametrit suoritetaan Kuvassa. 7. Kuten havainnollistetaan, olutpylvään lauhdutinpainetta lisättiin, jotta lämmönsiirtoprosessi helpottuisi. Näin ollen paineet asetoni ja etanoli sarakkeet oli vähentynyt, kun taas lauhdutin paineet butanoli ja vettä sarakkeet jäi ilmakehän paine., Se osoitti, että lämpö vaatimukset asetonia ja myöhemmin etanoli, butanoli ja vettä sarakkeet TCD-ja E-TCD-sekvenssit kaikki laskivat säätämisen jälkeen sarakkeet paineet. Yleinen energian vaatimukset skenaario 3 skenaario 4 olivat 11.53 MJ/kg ja 10.03 MJ/kg (Kuva. 9), vastaavasti, jotka olivat 81.66% ja 83.72% verrattuna energian vaatimus skenaario 1 ja skenaario 2 soveltamatta VDP. Muihin sarakkeisiin verrattuna olutkolonnien ABE-pitoisuuden energiantarve oli 43,54 prosenttia (skenaariossa 3) ja 50 prosenttia.,05 prosenttia (skenaariossa 4) lämmityskustannuksista. Lisäksi, vaikka lämpöä vaatimus vesi-ja butanoli sarakkeet skenaario 4 oli hieman suurempi kuin skenaariossa 3, jyrkkä vähentäminen energian hinta etanoliin sarake myös vähensi energian kysyntää skenaario 4.
VDP edustaa skenaario 3-ja b-skenaario 4. Virtaama rehussa (virta 1) oli 1025 kg/h., Punaiset tiedot ovat sarakkeita, joiden energiakustannukset ovat korkeammat, kun taas vihreä data vaatii suhteellisesti vähemmän energiaa kuin kuvassa näkyvät ilmakehän tislaukset. 3. Ruokinta levyt, yleinen levyt sekä yläpuolella paine kunkin sarakkeen olivat myös näkyy tässä kuvassa
Kuvassa 8 on esitetty lämmön-vaihto järjestelmä VDP. Ruutukaavion ja Grand composite-käyrän yksityiskohdat on esitetty lisätiedostossa 1: kuva. S6. Verrattuna VDP: hen ennen lämmön integrointia energiantarve laski jyrkästi molemmissa skenaarioissa. Vain 7.,17 MJ/kg ja 5,3 MJ/kg lämpöä kulutettiin ABE tislaus erottaminen olla läpäisyperiaatteena in situ pervaporation erottaminen skenaario 3 skenaario 4, vastaavasti (Kuva. 9). Näissä olosuhteissa 37,81 prosenttia ja 47,16 prosenttia energiasta voitaisiin säästää lämmönvaihdon jälkeen. Merkillistä, se osoitti, että ylimääräistä energiaa tarvitaan lämmitykseen asetoni ja etanoli sarakkeet skenaario 4, ja kaikki lämpö vaatimukset saatiin kuumempi puroihin. Skenaariossa 3 asetonipylvään pohjaa lämmitti myös olutpatsaan yläpuolinen tuote., 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