Confronto dei TCD e E-TCD sequenze basate su distillazione atmosferica
Atmosferica processi di distillazione, che consisteva di TCD (scenario 1) e-TCD (scenario 2) sequenze sono stati sviluppati e ottimizzati in primo luogo., Sulla base delle strategie di costruzione e ottimizzazione descritte nella sezione” Strategie”, le richieste energetiche dei flussi di riscaldamento e raffreddamento delle sequenze TCD ed E-TCD sono illustrate in Fig. 3a e b, rispettivamente. 95% in peso di etanolo (flusso 6), 99,7% in peso di acetone (flusso 4) e butanolo completamente disidratato (100% in peso, flusso 10) sono stati ottenuti in entrambi gli scenari (la composizione del flusso di dettaglio e la velocità di flusso di diversi tipi di sequenze sono mostrate nel file aggiuntivo 1: Tabella S1).
Processi di distillazione atmosferica che rappresentano uno scenario 1 e uno scenario b 2. La portata nell’alimentazione (flusso 1) era di 1025 kg/h. I dati rossi sono le colonne di costo energetico più elevato mentre i dati verdi richiedevano relativamente meno energia nelle colonne corrispondenti. I dati neri si riferiscono all’energia di riscaldamento e raffreddamento che è rimasta simile durante il riciclaggio dell’acqua e dei distillati di butanolo. Anche le piastre di alimentazione e le piastre complessive di ciascuna colonna sono state mostrate in questa figura., Le pressioni aeree delle colonne erano tutte impostate alla pressione atmosferica
Dati mostrati in Fig. 3 fare riferimento alla domanda di energia di riscaldamento e raffreddamento delle colonne di distillazione in due scenari. Poiché non vi erano differenze tra le colonne a monte, anche le richieste di energia per le due colonne iniziali (colonne di birra e acetone) erano simili. Tuttavia, i risultati sono stati molto diversi nelle sequenze TCD ed E-TCD nelle colonne a valle (colonne di etanolo, butanolo e acqua)., Il minor fabbisogno energetico della colonna di etanolo nello scenario 2 potrebbe essere causato dal fatto che una maggiore concentrazione di etanolo nel flusso inferiore della colonna di etanolo è possibile a causa del ciclo di ricircolo. Il flusso costituito dal distillato di butanolo e dalle colonne d’acqua è stato miscelato con l’uscita inferiore della colonna di acetone nello scenario 2 (Fig. 2 ter). Pertanto, la portata effettiva che entra nella colonna di etanolo nello scenario 2 era 433.,8 kg / h (la somma delle portate dall’uscita inferiore della colonna di acetone e del distillato della colonna d’acqua), che era superiore a quella del caso nello scenario 1 (383,8 kg/h, solo dall’uscita inferiore della colonna di acetone). Tuttavia, la portata del prodotto di etanolo nello scenario 2 non è stata aumentata, che è stata mantenuta a 18,62 kg / h. Quindi, la concentrazione di etanolo dell’uscita inferiore della colonna di etanolo nello scenario 2 era superiore a quella nello scenario 1 (2,42% in peso nello scenario 2 vs., < 200 ppm nello scenario 1), che potrebbe ridurre significativamente il fabbisogno energetico nella colonna di etanolo nello scenario 2 (2,39 MJ/kg rispetto a 4,56 MJ / kg nello scenario 1, vedere Fig. 3). Corrispondentemente, il rapporto di riflusso della colonna di etanolo nello scenario 2 (~25) era molto inferiore a quello nello scenario 1 (~57) quando è stato raggiunto un valore superiore al 95% in peso di etanolo (file aggiuntivo 1: Fig. S2).,
a Causa della riduzione delle concentrazioni di butanolo in fase organica di decanter (flussi di 9 file Aggiuntive 1: Tabella S1) e la fase acquosa da decanter (flussi di 12 file Aggiuntive 1: Tabella S1) scenario 2 (81.66 wt% per la fase organica del decanter e il 4,6% in peso della fase acquosa del decanter), il riscaldamento e il raffrescamento fabbisogno di energia, di acqua e di butanolo colonne era superiore in E-TCD sequenza (1.99 MJ/kg e 0,73 MJ/kg per il riscaldamento, e − 1.44 MJ/kg − 0.38 MJ/kg per il raffreddamento di butanolo e alle colonne d’acqua, vedi Fig., 3b) rispetto alla sequenza TCD convenzionale (1,8 MJ/kg e 0,56 MJ / kg per il riscaldamento e − 1,28 MJ/kg e-0,24 MJ/kg per il raffreddamento in colonne di butanolo e acqua, vedere Fig. 3 bis). Fortunatamente, le basse concentrazioni di butanolo sia in fase organica che in fase acquosa nello scenario 2 sono state causate principalmente dalla partecipazione del più alto rapporto di etanolo, che è il componente leggero presente nella miscela butanolo–etanolo–acqua . Le frazioni d’acqua, il componente pesante distribuito nella miscela, non sono aumentate in modo significativo., Pertanto, la domanda di energia nelle colonne acqua e butanolo nello scenario 2 era solo leggermente superiore rispetto alla domanda di energia delle due colonne nello scenario 1.
Il consumo di energia nella colonna di etanolo è stato il fattore decisivo del costo energetico complessivo durante i processi di distillazioni atmosferiche. Anche se il costo dell’energia per le colonne di butanolo e acqua era più elevato, il fabbisogno energetico complessivo per il riscaldamento e il raffreddamento dei flussi nello scenario 2 era di gran lunga inferiore a quello dello scenario 1. Di conseguenza, la domanda di energia di 13,42 MJ / kg e-10.,75 MJ / kg per il riscaldamento e il raffreddamento, rispettivamente, sono stati consumati nello scenario 2, che erano solo l ‘88,1% e l’ 85,1% di quello rispetto alla domanda di energia nello scenario 1. Pertanto, la sequenza E-TCD consente un risparmio energetico per la successiva separazione di distillazione della miscela ABE dopo la pervaporazione. Ancora più importante, poiché l’etanolo (contenuto nelle colonne distillato di acqua e butanolo) è stato riciclato nella colonna etanolo nella sequenza E-TCD, nessun etanolo si è accumulato nella sequenza TCD (vedere il file aggiuntivo 1: Tabella S1, flussi 8 e 11)., Quindi, la sequenza E-TCD ha mostrato una migliore controllabilità in contrasto con la sequenza TCD convenzionale. Come è stato suggerito nella relazione precedente, la sequenza E-TCD stabile gode anche del vantaggio di rendere il sistema di distillazione più conveniente.
Nel nostro lavoro precedente, l’applicazione del sistema di scambio termico potrebbe ridurre significativamente il fabbisogno energetico nella sequenza TCD convenzionale basata sul processo di distillazione . Per ridurre ulteriormente la domanda di energia nei due scenari, è stato creato e ottimizzato il sistema di scambio termico., Anche i requisiti energetici per la separazione ABE basata sulle sequenze TCD ed E-TCD sono stati confrontati dopo lo scambio termico. Generalmente, 12 scambiatori di calore (HEs) sono stati collegati con i flussi in entrambi gli scenari. La differenza di temperatura minima per lo scambio termico è stata fissata a 15 °C. I parametri chiave e le strategie di scambio termico sono eseguiti in Fig. 4. Inoltre, le curve grand composites e la struttura di base del sistema di scambio termico sono mostrate nel file aggiuntivo 1: Fig. S3., Come si può vedere, nelle condizioni ottimizzate, gli scambi di calore sono stati effettuati principalmente nei flussi 1, 9 e 12 in entrambi gli scenari, che non erano in linea con i nostri lavori precedenti che applicavano il processo di stripping-pervaporazione del gas a due stadi . Nel caso dello scenario 1, dopo lo scambio termico, la temperatura del flusso 1 è aumentata gradualmente da 25 a 40,7 °C (dopo HE1), 62,77 °C (dopo HE4), 77,8 °C (dopo HE7) e 82,9 °C (dopo HE10), rispettivamente., Allo stesso modo, il flusso 9 che è stato alimentato nella colonna di butanolo è stato riscaldato in sequenza da HE2, HE5, HE8 e HE11, e la sua temperatura ha finalmente raggiunto 91 °C. Corrispondentemente, il flusso 12 (85,35 °C) è stato alimentato nella colonna d’acqua dopo essere stato riscaldato da HE3, HE6, HE9 e HE12. Al contrario, nel caso dello scenario 2, le temperature dei flussi 1, 9 e 12 sono state aumentate da 25 °C, 20 °C e 20 °C, a 84,25 °C (dopo HE1, HE4, HE7 e HE10), 91,6 °C (dopo HE2, HE5, HE8 e HE11) e 86 °C (dopo HE3, HE6, HE9 e HE12), rispettivamente.
Sistema di scambio termico per i processi di distillazione atmosferica. a Strategie di scambio termico nello scenario 1 che si basano sulla sequenza TCD; b basato sulla sequenza E-TCD
Per effetto dello scambio termico, il fabbisogno energetico della colonna di birra, della colonna di butanolo e della colonna d’acqua è diminuito. Il fabbisogno energetico in entrambi gli scenari è leggermente diminuito. Le richieste energetiche di 12,27 MJ/kg e 10,12 MJ/kg sono state raggiunte rispettivamente nello scenario 1 e nello scenario 2, che erano rispettivamente del 13,1% e del 15.,5% inferiore a quello dei processi convenzionali senza scambio termico (Fig. 5). Pertanto, dopo lo scambio termico, il fabbisogno energetico per la sequenza E-TCD basata sulla distillazione (scenario 2) era ancora inferiore a quello del processo basato sulla sequenza TCD (scenario 1) e lo scenario 2 era più sensibile all’integrazione del calore in quanto mostrava un tasso di diminuzione dell’energia relativamente più elevato.
Confronto del fabbisogno energetico totale per i due scenari di distillazione atmosferica, prima e dopo lo scambio di calore
L’effetto della colonna condensatore pressioni di distillazione prestazioni e il miglioramento dei processi
Regolare il livello di pressione di colonne di distillazione ha mostrato vantaggi di un’ulteriore diminuzione del fabbisogno energetico in alcoli processi di separazione ., Applicando VDP, i rapporti di riflusso di diverse colonne sono stati diminuiti e la rete di scambio termico è stata anche intensificata in VDP.
In questa sezione, VDP è stato applicato per la separazione ABE basata sul processo E-TCD. La figura 6 mostra l’effetto delle pressioni del condensatore sui rapporti di riflusso nei flussi di uscita. Rispetto alle colonne di birra, butanolo e acqua, i rapporti di riflusso delle colonne di acetone ed etanolo erano più sensibili alle pressioni del condensatore., Per generare il prodotto acetonico accettabile nel distillato, il rapporto di riflusso della colonna di acetone è stato gradualmente aumentato da 2 in 50 kPa a 15 in 120 kPa. Al contrario, il rapporto di riflusso della colonna di etanolo non è cambiato fino a quando la pressione del condensatore è aumentata a 90 kPa. Successivamente, il rapporto di riflusso è stato significativamente aumentato con l’aumento della pressione del condensatore e, infine, ha raggiunto 200 quando la pressione del condensatore era di 120 kPa. Quindi, le colonne di acetone ed etanolo, quelle più sensibili, sono state selezionate per ridurre le pressioni.
Effetto del rapporto pressione–reflusso del condensatore in diverse colonne di distillazione con l’obiettivo di produrre i prodotti accettabili (95 wt% etanolo, 99,7 wt% acetone e 100 wt% butanolo). a Colonna di birra; b colonna di acetone; c colonna di etanolo; d colonne di butanolo e acqua
Sono stati valutati gli effetti delle pressioni del condensatore delle colonne di acetone ed etanolo sulle temperature del distillato. Le temperature del distillato sono diminuite con la diminuzione delle pressioni del condensatore., 40 °C è stata considerata la temperatura più bassa in grado di soddisfare le esigenze di condensazione (in base alla temperatura minima per lo scambio termico di 15 °C). Le pressioni adatte del condensatore delle colonne dell’etanolo e dell’acetone erano 57 kPa e 18 kPa, rispettivamente (i dettagli inoltre sono indicati nel file supplementare 1: Fig. S4).
Dopo aver ridotto le pressioni delle colonne di acetone ed etanolo a 57 kPa e 18 kPa, è stato ulteriormente studiato l’effetto dei rapporti di reflusso sulle concentrazioni di acetone ed etanolo del distillato., Sono state confrontate le sequenze TCD (scenario 3) ed E-TCD (scenario 4) basate su VDP (dettagli vedi File aggiuntivo 1: Fig. S5). Dopo aver diminuito le pressioni del condensatore delle colonne di acetone ed etanolo, il rapporto di riflusso ottimizzato per le purezze accettabili dei solventi è diminuito drasticamente in entrambe le sequenze TCD ed E-TCD, pertanto, il consumo di energia potrebbe anche essere diminuito. Più specificamente, il rapporto ottimizzato di riflusso nella colonna dell’acetone è stato diminuito da 5,8 a 2.,4, mentre il rapporto di riflusso ottimizzato nelle colonne di etanolo era solo 48 e 18 nelle sequenze dello scenario 3 e dello scenario 4 dopo l’aumento/diminuzione della pressione delle colonne, rispettivamente.
Dopo aver ottimizzato la pressione del condensatore delle colonne di acetone ed etanolo, i parametri chiave delle colonne di acqua e butanolo sono stati successivamente determinati cambiando il distillato di butanolo e colonna d’acqua seguendo la strategia iterativa mostrata in Fig. 2 (Le portate del flusso indicate nel file aggiuntivo 1: Tabella S2)., Sulla base delle condizioni specifiche per VDP, i parametri chiave delle sequenze TCD ed E-TCD sono condotti in Fig. 7. Come è illustrato, la pressione del condensatore della colonna della birra è stata aumentata per rendere più facile il processo di trasferimento del calore. Di conseguenza, le pressioni delle colonne dell’acetone e dell’etanolo sono state diminuite mentre le pressioni del condensatore delle colonne dell’acqua e del butanolo sono rimaste nella pressione atmosferica., Ha dimostrato che il fabbisogno di calore per l’acetone e le successive colonne di etanolo, butanolo e acqua nelle sequenze TCD ed E-TCD sono diminuiti dopo aver regolato le pressioni delle colonne. Il fabbisogno energetico complessivo nello scenario 3 e nello scenario 4 era di 11,53 MJ / kg e 10,03 MJ / kg (Fig. 9), rispettivamente dell ‘81,66% e dell’ 83,72% rispetto al fabbisogno energetico nello scenario 1 e nello scenario 2 senza applicare la VDP. Rispetto ad altre colonne, il fabbisogno energetico per la concentrazione di ABE nelle colonne di birra occupava il 43,54% (per lo scenario 3) e il 50.,05% (per lo scenario 4) del costo complessivo del riscaldamento. Inoltre, sebbene il fabbisogno di calore delle colonne acqua e butanolo nello scenario 4 fosse leggermente superiore a quello dello scenario 3, la forte riduzione del costo energetico nella colonna etanolo ha comportato anche una minore domanda complessiva di energia nello scenario 4.
VDP che rappresenta uno scenario 3 e uno scenario b 4. La portata nell’alimentazione (flusso 1) era di 1025 kg/h., I dati rossi sono le colonne con un costo energetico più elevato mentre i dati verdi richiedono relativamente meno energia rispetto alle distillazioni atmosferiche mostrate in Fig. 3. Le piastre di alimentazione, le piastre generali e la pressione aerea di ciascuna colonna sono state mostrate anche in questa figura
La figura 8 mostra il sistema di scambio termico per il VDP. I dettagli del diagramma della griglia e della grande curva composita sono stati forniti nel file aggiuntivo 1: Fig. S6. Rispetto al VDP prima dell’integrazione del calore, il fabbisogno energetico è diminuito drasticamente in entrambi gli scenari. Solo 7.,17 MJ/kg e 5,3 MJ / kg di calore sono stati consumati per la separazione della distillazione ABE dal permeato della separazione della pervaporazione in situ nello scenario 3 e nello scenario 4, rispettivamente (Fig. 9). In queste condizioni, il 37,81% e il 47,16% di energia potrebbero essere risparmiati dopo gli scambi di calore. Sorprendentemente, ha dimostrato che non era necessaria energia aggiuntiva per riscaldare le colonne di acetone ed etanolo nello scenario 4, e tutti i requisiti di calore erano forniti dai flussi più caldi. Per lo scenario 3, il fondo della colonna dell’acetone inoltre è stato riscaldato dal prodotto sopraelevato della colonna della birra., 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