Összehasonlítása a TCD, E-TCD szekvenciák alapján atmoszférikus desztilláció
Atmoszferikus lepárlási folyamat, amely abból állt, TCD (forgatókönyv 1) E-TCD (forgatókönyv 2) szekvenciák fejlesztettek ki optimalizált először., A “stratégiák” részben leírt építési és optimalizálási stratégiák alapján a TCD és az E-TCD szekvenciák fűtési és hűtési áramainak energiaigényét az ábra szemlélteti. 3A, illetve b. 95 tömeg% etil-alkohol (folyam 6), 99.7 wt% – a aceton (folyam 4), valamint a teljesen kiszáradt butanol (100 tömeg%, patak 10) kapott mindkét forgatókönyv (részlet patak kompozíció, valamint a forgalom aránya a különböző típusú sorozatok jelennek meg Előfordulhat, hogy a fájl 1: Táblázat S1).
légköri desztillációs folyamatok, amelyek az 1.és b 2. forgatókönyvet képviselik. A takarmány áramlási sebessége (1. patak) 1025 kg/h volt. a vörös adatok a magasabb energiaköltségű oszlopok, míg a zöld adatok viszonylag kevesebb energiát igényeltek a megfelelő oszlopokban. A fekete adatok arra a fűtési és hűtési energiára utalnak, amely a víz és a butanol-desztillátumok újrahasznosításakor hasonló maradt. Ebben az ábrán az adagolólemezek, valamint az egyes oszlopok általános lemezei is láthatók., Az oszlopok felső nyomását légköri nyomáson
Az ábrán látható adatok határozták meg. 3 Lásd a desztillációs oszlopok fűtési és hűtési energiaigényét két forgatókönyvben. Mivel az upstream oszlopok között nem volt különbség, az első két oszlop (sör és aceton oszlopok) energiaigénye is hasonló volt. Ennek ellenére az eredmények a downstream oszlopokban (etanol, butanol és vízoszlopok) a TCD és az E-TCD szekvenciákban meglehetősen eltérőek voltak., A 2. forgatókönyv szerinti etanol-oszlop alacsonyabb energiaigényét az okozhatja, hogy az etanol-oszlop alsó áramában magasabb etanol-koncentráció lehetséges a recirkulációs hurok miatt. A butanol és a vízoszlop desztillátumából álló patakot a 2. szcenárióban az acetonoszlop alsó kivezetésével keverték össze (2.ábra). 2b). Így a tényleges áramlási sebesség, amely a 2. forgatókönyvben az etanol oszlopba kerül, 433 volt.,8 kg / h (az aceton oszlop alsó kivezetéséből és a vízoszlop desztillátumából származó áramlási sebesség összege), amely magasabb volt, mint az 1.forgatókönyv esetében (383,8 kg/h, csak az aceton oszlop alsó kivezetéséből). Mindazonáltal, az etanol termék áramlási sebesség 2. eset volt, nem növekedett, ami megmaradt a 18.62 kg/h. Ezért az etanol koncentrációja az alsó kivezető etanol oszlop a 2. forgatókönyv magasabb volt, mint a forgatókönyv 1 (2.42 wt% – a forgatókönyv-2, ill., < 200 ppm a forgatókönyv 1), amely jelentősen csökkentheti az energia követelmény etanol oszlop a 2. forgatókönyv (2.39 MJ/kg képest 4.56 MJ/kg 1. forgatókönyv, lásd Fig. 3). Ennek megfelelően az etanol oszlop reflux aránya a 2. forgatókönyvben (~25) jóval alacsonyabb volt, mint az 1. forgatókönyvben (~57), amikor az etanol 95 wt% – a meghaladta (további 1. fájl: ábra). S2).,
az etanol oszlopban az energiafogyasztás volt a döntő tényező a légköri lepárlási folyamatok teljes energiaköltségében. Annak ellenére, hogy a butanol és a vízoszlopok energiaköltsége magasabb volt, a 2.forgatókönyv szerinti áramok fűtésére és hűtésére vonatkozó általános energiaigény jóval alacsonyabb volt, mint az 1. forgatókönyv esetében. Ennek eredményeként az energiaigény 13,42 MJ/kg és − 10.,A 2.szcenárióban 75 MJ/kg-ot fogyasztottak fűtésre és hűtésre, ami az 1. szcenárió energiaigényéhez képest mindössze 88,1%, illetve 85,1% volt. Ezért az E-TCD szekvencia lehetővé teszi az energiamegtakarítást a későbbi desztillációs elválasztási Abe keverékhez a pervaporáció után. Ami még fontosabb, mint az etanol (tartalmazza a desztillátum, víz-butanol oszlopok) volt visszaforgatható az etanol oszlopban az E-TCD sorozat, nem etanol összegyűlt a TCD sorrendben (lásd a Kiegészítő fájl 1: Táblázat S1, patakok 8, 11)., Ezért az E-TCD szekvencia jobb szabályozhatóságot mutatott a hagyományos TCD szekvenciával ellentétben. Amint azt az előző jelentésben javasolták, a stabil E-TCD szekvencia előnye, hogy a desztillációs rendszert költséghatékonyabbá teszi.
korábbi munkánkban a hőcserélő rendszer alkalmazása jelentősen csökkentheti az energiaigényt a hagyományos TCD-szekvenciában a desztillációs folyamat alapján . A két forgatókönyv energiaigényének további csökkentése érdekében létrehozták és optimalizálták a hőcserélő rendszert., A hőcserét követően Abe TCD és E-TCD szekvenciákon alapuló elválasztására vonatkozó energiaszükségleteket is összehasonlították. Általában 12 hőcserélő (HEs) kapcsolódott a patakokhoz mindkét forgatókönyvben. A hőcsere minimális hőmérséklet-különbségét 15 °C-on állapították meg. 4. Emellett a nagy kompozit görbék és a hőcserélő rendszer alapszerkezete további 1.ábrán látható. S3., Mint látható, optimalizált körülmények között elsősorban az 1-es, a 9–es és a 12-es áramlatokban végeztek hőcseréket mindkét esetben, amelyek nem voltak összhangban korábbi munkáinkkal, amelyek a kétlépcsős gázelvezetési folyamatot alkalmazták . Az 1. forgatókönyv esetében a hőcsere után az 1.Áramlat hőmérséklete fokozatosan 25-ről 40,7 °C-ra (HE1 után), 62,77 °C-ra (HE4 után), 77,8 °C-ra (HE7 után), illetve 82,9 °C-ra (HE10 után) emelkedett., Hasonlóképpen, a butanol-oszlopba táplált 9-es patakot egymás után He2, HE5, HE8 és HE11 melegítette, hőmérséklete végül elérte a 91 °C-ot.ennek megfelelően a 12-es patakot (85,35 °C) a vízoszlopba táplálták, miután HE3, HE6, HE9 és HE12 melegítette. Ezzel szemben a 2.forgatókönyv esetében az 1., 9. és 12. Áramlat hőmérsékletét 25 °C-ról, 20 °C-ról és 20 °C-ról 84,25 °C-ra (HE1, HE4, HE7 és HE10 után), 91,6 °C-ra (HE2, HE5, HE8 és HE11 után), illetve 86 °C-ra (HE3, HE6, HE9 és HE12 után) emelték.
hőcserélő rendszer a légköri desztillációs folyamatokhoz. egy hőcserélő stratégiák 1. forgatókönyv, amely alapján TCD sorozat; b alapuló E-TCD sorrend
a hatása, hőcserélő, az energiaszükséglet a sört oszlop, butanol oszlop, valamint a víz oszlop csökkentek. Az energiaszükséglet mindkét esetben kismértékben csökkent. A 12,27 MJ/kg és 10,12 MJ/kg energiaigény az 1.és a 2. forgatókönyv szerint 13,1%, illetve 15% volt.,5% – kal alacsonyabb, mint a hagyományos folyamatok hőcsere nélkül (ábra. 5). Ezért, miután hőcserélő, energiaszükséglet az E-TCD sorrend alapján lepárlás (forgatókönyv 2) még mindig alacsonyabb, mint a TCD sorrend alapú folyamat (forgatókönyv 1) a 2. eset volt több hőérzékeny integráció mutatja, hogy egy viszonylag magasabb energia arányának csökkenése.
Összehasonlítása a teljes energetikai követelményeknek, a két forgatókönyv az atmoszférikus desztilláció előtt, illetve után a hőcserélő
A hatás oszlop kondenzátor nyomás nehezedik a lepárlás előadások a javulás a folyamatok
Beállítása a nyomás, szint, desztillációs oszlop előnyöket mutatott a tovább csökkenő energia követelmény alkoholok szétválasztó folyamatok ., A VDP alkalmazásával több oszlop refluxaránya csökkent, a VDP-ben pedig a hőcserélő hálózat is felerősödött.
ebben a szakaszban a VDP-t az E-TCD folyamaton alapuló Abe elválasztásra alkalmazták. A 6. ábra a kondenzátornyomás hatását mutatja a reflux arányokra a kimeneti áramokban. A sör -, butanol-és vízoszlopokhoz képest az aceton-és etanol-oszlopok refluxaránya érzékenyebb volt a kondenzátor nyomására., Az elfogadható aceton termék desztillátumban történő előállításához az aceton oszlop reflux arányát fokozatosan növelték 2-ről 50 kPa-ra 15-re 120 kPa-ban. Ezzel szemben az etanol oszlop reflux aránya nem változott, amíg a kondenzátor nyomása 90 kPa-ra nem nőtt. Ezt követően a reflux arány jelentősen megnőtt a kondenzátornyomás növekedésével, végül elérte a 200-at, amikor a kondenzátor nyomása 120 kPa volt. Ezért az acetont és az etanolt választottuk ki, az érzékenyebbeket, hogy csökkentsük a nyomást.
a kondenzátor nyomás–reflux Arány hatása különböző desztillációs oszlopokban az elfogadható termékek előállítására (95 wt% etanol, 99,7 wt% aceton és 100 wt% butanol). egy Sört oszlop; b aceton oszlop; c etanol oszlop; d butanol víz oszlop
a hatás A kondenzátor nyomás aceton etanol oszlopok a desztillátum hőmérséklete értékelték. A párlat hőmérséklete a kondenzátornyomás csökkenésével csökkent., A 40 °C-ot a legalacsonyabb hőmérsékletnek tekintették, amely kielégíti a kondenzáció igényeit (a 15 °C-os hőcsere minimális hőmérséklete alapján). Az aceton és az etanol oszlopok megfelelő kondenzátornyomása 57 kPa, illetve 18 kPa volt (a részleteket további 1. ábra mutatja: ábra. S4).
miután az aceton-és etanoloszlop nyomását 57 kPa-ra és 18 kPa-ra csökkentettük, tovább vizsgálták a reflux arányoknak az aceton-és etanolkoncentrációra gyakorolt hatását., Összehasonlítottuk a VDP-n alapuló TCD (3. forgatókönyv) és E-TCD (4. forgatókönyv) szekvenciákat (részletek Lásd az 1.kiegészítő fájlt: ábra. S5). Az aceton-és etanoloszlopok kondenzátornyomásának csökkentése után az oldószerek elfogadható tisztaságára optimalizált refluxarány mind a TCD, mind az E-TCD szekvenciákban jelentősen csökkent, ezért az energiafogyasztás is csökkenhet. Pontosabban, az aceton oszlop optimalizált reflux aránya 5, 8-ról 2-re csökkent.,4, míg az optimalizált reflux Arány etanol oszlopokban csak 48, illetve 18 volt a 3. forgatókönyv, illetve a 4. forgatókönyv sorozataiban az oszlopok nyomásának növelése/csökkentése után.
az aceton-és etanol-oszlopok kondenzátornyomásának optimalizálása után a víz-és butanol-oszlopok legfontosabb paramétereit a butanol és a vízoszlop desztillátumának az ábrán látható iteratív stratégiát követő megváltoztatásával határozták meg. 2 (Az adatfolyam áramlási sebessége az 1.további fájlban: S2 táblázat)., A VDP-re vonatkozó konkrét feltételek alapján a TCD és az E-TCD szekvenciák legfontosabb paramétereit az ábra mutatja. 7. Mint látható, a söroszlop kondenzátornyomását megnövelték, hogy megkönnyítsék a hőátadás folyamatát. Ennek megfelelően az aceton-és etanoloszlopok nyomása csökkent, míg a butanol és a vízoszlopok kondenzátornyomása a légköri nyomásban maradt., Kimutatta, hogy a TCD és az E-TCD szekvenciákban az acetonra és az azt követő etanolra, butanolra és vízoszlopokra vonatkozó hőkövetelmények mind csökkentek az oszlopok nyomásának beállítása után. A 3.és a 4. forgatókönyv általános energiaszükséglete 11,53 MJ/kg és 10,03 MJ/kg volt (1. ábra). 9), ami 81,66%, illetve 83,72% volt az 1.és a 2. forgatókönyv szerinti energiaszükséglethez képest VDP alkalmazása nélkül. A többi oszlophoz képest a söroszlopok Abe-koncentrációjának energiaszükséglete 43,54% – ot (a 3.forgatókönyv esetében) és 50% – ot tett ki.,A teljes fűtési költség 05% – A (4.forgatókönyv esetén). Továbbá, bár a 4. forgatókönyv szerinti víz-és butanol-oszlopok hőigénye valamivel magasabb volt, mint a 3.forgatókönyvé, az etanol-oszlop energiaköltségének hirtelen csökkenése a 4. forgatókönyvben szintén alacsonyabb általános energiaigényt eredményezett.
VDP a 3. és b 4. forgatókönyv szerint. A takarmány áramlási sebessége (1-es patak) 1025 kg/h volt., A vörös adatok a magasabb energiaköltségű oszlopok, míg a zöld adatok viszonylag kevesebb energiát igényelnek az ábrán látható légköri desztillációkhoz képest. 3. Az adagolólemezek, az Általános lemezek, valamint az egyes oszlopok felső nyomása szintén ebben az ábrán látható:
a 8.ábra a VDP hőcserélő rendszerét mutatja. A grid diagram és a grand composite görbe részleteit az 1.kiegészítő fájl tartalmazza: ábra. S6. A hőintegráció előtti VDP-hez képest az energiaigény mindkét forgatókönyvben élesen csökkent. Csak 7.,17 MJ/kg és 5,3 MJ/kg hőt fogyasztottak az in situ pervaporation separation permeátumtól való elválasztására a 3.forgatókönyv, illetve a 4. forgatókönyv szerint (2. ábra). 9). Ilyen körülmények között a hőcserék után az energia 37,81% – át és 47,16% – át lehetne megtakarítani. Figyelemre méltó, hogy a 4. szcenárióban nem volt szükség további energiára az aceton-és etanol-oszlopok fűtéséhez, és a hőigényeket a forróbb áramok biztosították. A 3. forgatókönyv esetében az aceton oszlop alját a söroszlop felső terméke is felmelegítette., 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