nowy proces destylacji w celu skutecznego i stabilnego oddzielenia mieszanki aceton–butanol-Etanol o wysokim stężeniu z procesu integracji fermentacji–przenikania

porównanie sekwencji TCD i E–TCD na podstawie destylacji atmosferycznej

procesy destylacji atmosferycznej, które składały się z sekwencji TCD (scenariusz 1) i E–TCD (scenariusz 2) zostały opracowane i zoptymalizowane po pierwsze., W oparciu o strategie konstrukcyjne i optymalizacyjne opisane w sekcji „strategie”, zapotrzebowanie energetyczne strumieni grzewczych i chłodzących sekwencji TCD i E-TCD zilustrowano na Rys. 3a i b, odpowiednio. W obu scenariuszach uzyskano 95% wag etanolu (strumień 6), 99,7% wag acetonu (strumień 4) i całkowicie odwodniony butanol (100% wag, strumień 10) (szczegółowy skład strumienia i szybkość przepływu różnych typów sekwencji przedstawiono w dodatkowym pliku 1: Tabela S1).

dane pokazane na Rys. 3 odnoszą się do zapotrzebowania na energię grzewczą i chłodniczą kolumn destylacyjnych w dwóch scenariuszach. Ponieważ nie było różnic między kolumnami przednimi, zapotrzebowanie na energię dla dwóch kolumn przednich (kolumny piwa i acetonu) było również podobne. Niemniej jednak wyniki były zupełnie inne w sekwencjach TCD i E-TCD w dalszych kolumnach (Etanol, butanol i kolumny wody)., Niższe zapotrzebowanie energetyczne kolumny etanolu w scenariuszu 2 może być spowodowane faktem, że wyższe stężenie etanolu w dolnym strumieniu kolumny etanolu jest możliwe dzięki pętli recyrkulacji. Strumień, który składał się z destylatu butanolu i kolumn wody, został zmieszany z dolnym wylotem kolumny acetonu w scenariuszu 2 (rys. 2b). Tak więc rzeczywiste natężenie przepływu, które wlewa się do kolumny etanolu w scenariuszu 2, wynosiło 433.,8 kg / h (suma natężeń przepływu z dolnego wylotu kolumny acetonowej i destylatu kolumny wody), która była wyższa niż w przypadku scenariusza 1 (383,8 kg/h, tylko z dolnego wylotu kolumny acetonowej). Niemniej jednak natężenie przepływu produktu etanolowego w scenariuszu 2 nie wzrosło, utrzymując się na poziomie 18,62 kg / h. W związku z tym stężenie etanolu w dolnym wylocie kolumny etanolu w scenariuszu 2 było wyższe niż w scenariuszu 1 (2,42% wag w scenariuszu 2 vs., < 200 ppm w scenariuszu 1), co może znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na energię w kolumnie etanolu w scenariuszu 2 (2,39 MJ/kg w porównaniu do 4,56 MJ/kg w scenariuszu 1, patrz Rys. 3). Odpowiednio, współczynnik refluksu kolumny etanolu w scenariuszu 2 (~25) był znacznie niższy niż w scenariuszu 1 (~ 57), gdy osiągnięto ponad 95% wagowych etanolu (dodatkowy plik 1: rys. S2).,

ze względu na niższe stężenia butanolu w fazie organicznej z dekantera (strumienie 9 w pliku dodatkowym 1: Tabela S1) i w fazie wodnej z dekantera (strumienie 12 w pliku dodatkowym 1: Tabela S1) w scenariuszu 2 (81,66% wag dla fazy organicznej dekantera i 4,6% wag dla fazy wodnej dekantera), zapotrzebowanie na energię grzewczą i chłodzącą kolumn wody i butanolu było wyższe w sekwencji E-TCD (1,99 MJ/kg i 4,6% wag). 0,73 MJ/Kg dla ogrzewania i − 1,44 MJ/kg i − 0,38 MJ/Kg dla chłodzenia w kolumnach butanolu i wody, patrz rys., 3b) w porównaniu z konwencjonalną sekwencją TCD (1,8 MJ/kg i 0,56 MJ/kg dla ogrzewania oraz − 1,28 MJ/kg i − 0,24 MJ/kg dla chłodzenia w kolumnach butanolu i wody, patrz Rys. 3a). Na szczęście niskie stężenia butanolu zarówno w fazie organicznej, jak i w fazie wodnej w scenariuszu 2 były spowodowane głównie udziałem wyższego stosunku etanolu, który jest składnikiem lekkim występującym w mieszaninie butanol-etanol-woda . Frakcje wody, ciężki Składnik rozprowadzany w mieszaninie, nie wzrosły znacząco., W związku z tym zapotrzebowanie na energię w kolumnach wody i butanolu w scenariuszu 2 było tylko nieznacznie wyższe w porównaniu z zapotrzebowaniem na energię w dwóch kolumnach w scenariuszu 1.

zużycie energii w kolumnie etanolu było decydującym czynnikiem ogólnego kosztu energii podczas procesów destylacji atmosferycznej. Mimo że koszt energii dla butanolu i kolumn wody był wyższy, ogólne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia strumieni w scenariuszu 2 było znacznie niższe niż w scenariuszu 1. W rezultacie zapotrzebowanie na energię wynosi 13,42 MJ/kg i − 10.,W scenariuszu 2 zużywano odpowiednio 75 MJ/kg na ogrzewanie i chłodzenie, co stanowiło jedynie 88,1% i 85,1% zapotrzebowania na energię w porównaniu z zapotrzebowaniem na energię w scenariuszu 1. W związku z tym Sekwencja E-TCD umożliwia oszczędność energii dla następującej separacji destylacyjnej mieszaniny po przenikaniu. Co ważniejsze, ponieważ etanol (zawarty w kolumnach destylatu wody i butanolu) został poddany recyklingowi do kolumny etanolu w sekwencji E-TCD, etanol nie zgromadził się w sekwencji TCD (zob. dodatkowy plik 1: Tabela S1, strumienie 8 i 11)., Stąd Sekwencja E-TCD wykazała lepszą sterowalność w przeciwieństwie do konwencjonalnej sekwencji TCD. Jak sugerowano w poprzednim sprawozdaniu , stabilna Sekwencja E-TCD ma również tę zaletę, że system destylacji jest bardziej opłacalny.

w naszej poprzedniej pracy zastosowanie systemu wymiany ciepła może znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na energię w konwencjonalnej sekwencji TCD opartej na procesie destylacji . Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zapotrzebowanie na energię w obu scenariuszach, stworzono i zoptymalizowano system wymiany ciepła., Po wymianie ciepła porównano również wymagania energetyczne dla separacji ABE w oparciu o sekwencje TCD i E-TCD. Ogólnie rzecz biorąc, 12 wymienników ciepła (HEs) były połączone ze strumieniami w obu scenariuszach. Minimalna różnica temperatur dla wymiany ciepła została ustalona na 15 °C. kluczowe parametry i strategie wymiany ciepła są wykonane na Rys. 4. Poza tym krzywe kompozytów wielkich i podstawowa struktura systemu wymiany ciepła są pokazane w dodatkowym pliku 1: rys. S3., Jak widać, w zoptymalizowanych warunkach wymiany ciepła przeprowadzano głównie w strumieniach 1, 9 i 12 w obu scenariuszach, które nie były zgodne z naszymi poprzednimi pracami, w których zastosowano dwustopniowy proces odpędzania gazu–przenikania . W przypadku scenariusza 1, po wymianie ciepła, temperatura strumienia 1 stopniowo wzrastała odpowiednio z 25 do 40,7 °c (po HE1), 62,77 °c (po HE4), 77,8 °c (po HE7) i 82,9 °c (po HE10)., Podobnie strumień 9, który był podawany do kolumny butanolu, był kolejno ogrzewany przez HE2, HE5, HE8 i HE11, a jego temperatura ostatecznie osiągnęła 91 °C. odpowiednio strumień 12 (85,35 °c) był doprowadzany do kolumny wody po podgrzaniu przez HE3, HE6, HE9 i HE12. Natomiast w przypadku scenariusza 2 temperatury strumienia 1, 9 i 12 wzrosły odpowiednio z 25 °C, 20 °C i 20 °C do 84,25 °c (po HE1, HE4, HE7 i HE10), 91,6 °c (po HE2, HE5, HE8 i HE11) i 86 °c (po HE3, HE6, HE9 i HE12).

system Wymiany Ciepła dla procesów destylacji atmosferycznej. strategie wymiany ciepła w scenariuszu 1 oparte na sekwencji TCD; b oparte na sekwencji E-TCD

w wyniku wymiany ciepła zmniejszono zapotrzebowanie na energię kolumny piwa, kolumny butanolu i kolumny wody. Zapotrzebowanie na energię w obu scenariuszach zostało nieznacznie zmniejszone. Zapotrzebowanie na energię wynoszące 12,27 MJ / kg i 10,12 MJ/kg zostało osiągnięte odpowiednio w scenariuszu 1 i scenariuszu 2, które wynosiły 13,1% i 15.,5% niższe niż w przypadku konwencjonalnych procesów bez wymiany ciepła (rys. 5). W związku z tym, po wymianie ciepła, zapotrzebowanie na energię dla sekwencji E-TCD opartej na destylacji (scenariusz 2) było nadal niższe niż w przypadku procesu opartego na sekwencji TCD (scenariusz 1), a scenariusz 2 był bardziej wrażliwy na integrację ciepła ze względu na wykazanie stosunkowo wyższej szybkości zmniejszania energii.

porównanie całkowitych wymagań energetycznych dla dwóch scenariuszy destylacji atmosferycznej przed i po wymianie ciepła

wpływ ciśnienia skraplacza kolumnowego na destylację wydajność i usprawnienie procesów

regulacja poziomu ciśnienia w kolumnach destylacyjnych wykazała korzyści w dalszym zmniejszaniu zapotrzebowania na energię w procesach separacji alkoholi ., Dzięki zastosowaniu VDP zmniejszono współczynniki refluksu kilku kolumn, a także wzmocniono sieć wymiany ciepła w VDP.

w tej sekcji zastosowano VDP do separacji ABE w oparciu o proces E-TCD. Rysunek 6 przedstawia wpływ ciśnienia skraplacza na współczynniki refluksu w strumieniach wyjściowych. W porównaniu do kolumn piwa, butanolu i wody, współczynniki refluksu kolumn acetonu i etanolu były bardziej wrażliwe na ciśnienie skraplacza., Aby wytworzyć dopuszczalny produkt acetonowy w destylacie, współczynnik refluksu kolumny acetonowej stopniowo zwiększano z 2 na 50 kPa do 15 na 120 kPa. Natomiast współczynnik refluksu kolumny etanolu nie zmienił się, dopóki ciśnienie skraplacza nie wzrosło do 90 kPa. Po tym, współczynnik refluksu został znacznie zwiększony wraz ze wzrostem ciśnienia skraplacza, a ostatecznie osiągnął 200, gdy ciśnienie skraplacza wynosiło 120 kPa. W związku z tym wybrano kolumny acetonowe i etanolowe, bardziej czułe, aby zmniejszyć ciśnienie.

wpływ współczynnika ciśnienia skraplacza do refluksu w różnych kolumnach destylacyjnych mających na celu wytworzenie akceptowalnych produktów (95% wag.etanolu, 99,7% wag. acetonu i 100% wag. butanolu). a Kolumna piwa; B kolumna acetonu; C kolumna etanolu; d kolumny butanolu i wody

oceniono wpływ ciśnienia skraplacza kolumn acetonu i etanolu na temperaturę destylatu. Temperatura destylatu zmniejszała się wraz ze spadkiem ciśnienia skraplacza., 40 °C uznano za najniższą temperaturę, która może zaspokoić potrzeby kondensacji (w oparciu o minimalną temperaturę wymiany ciepła wynoszącą 15 °C). Odpowiednie ciśnienia skraplacza w kolumnach acetonu i etanolu wynosiły odpowiednio 57 kPa i 18 kPa (szczegóły przedstawiono również w dodatkowym pliku 1: rys. S4).

Po zmniejszeniu ciśnienia w kolumnie acetonu i etanolu do 57 kPa i 18 kPa, badano wpływ współczynników refluksu na stężenia destylatu acetonu i etanolu., Porównano sekwencje TCD (scenariusz 3) i E-TCD (scenariusz 4)oparte na VDP (szczegóły patrz dodatkowy plik 1: rys. S5). Po zmniejszeniu ciśnienia skraplacza kolumn acetonu i etanolu, zoptymalizowany współczynnik refluksu dla dopuszczalnej czystości rozpuszczalników został gwałtownie zmniejszony zarówno w sekwencjach TCD, jak i E-TCD, w związku z czym zużycie energii może zostać również zmniejszone. Dokładniej, zoptymalizowany współczynnik refluksu w kolumnie acetonu został zmniejszony z 5,8 do 2.,4, podczas gdy zoptymalizowany współczynnik refluksu w kolumnach etanolu wynosił tylko 48 i 18 w sekwencjach scenariusza 3 i scenariusza 4 po zwiększeniu / zmniejszeniu ciśnienia w kolumnach, odpowiednio.

po optymalizacji ciśnienia skraplacza kolumn acetonu i etanolu, kluczowe parametry kolumn wody i butanolu zostały następnie określone poprzez zmianę destylatu butanolu i kolumny wody zgodnie ze strategią iteracyjną pokazaną na Rys. 2 (natężenia przepływu strumienia pokazano w dodatkowym pliku 1: Tabela S2)., W oparciu o specyficzne warunki dla VDP, kluczowe parametry sekwencji TCD i E-TCD są prowadzone na Rys. 7. Jak pokazano, zwiększono ciśnienie skraplacza kolumny piwa, aby ułatwić proces przenoszenia ciepła. W związku z tym ciśnienie kolumn acetonu i etanolu zostało zmniejszone, podczas gdy ciśnienie skraplacza kolumn butanolu i wody pozostało w ciśnieniu atmosferycznym., Wykazano, że zapotrzebowanie na ciepło dla acetonu i kolejnych kolumn etanolu, butanolu i wody w sekwencjach TCD i E-TCD zmniejszyło się po regulacji ciśnienia w kolumnach. Całkowite zapotrzebowanie na energię w scenariuszu 3 i scenariuszu 4 wynosiło 11,53 MJ / kg i 10,03 MJ/kg (rys. 9), które wynosiły odpowiednio 81,66% i 83,72% w porównaniu z zapotrzebowaniem na energię w scenariuszu 1 i scenariuszu 2 bez zastosowania VDP. W porównaniu z innymi kolumnami zapotrzebowanie na energię dla stężenia ABE w kolumnach piwa zajmowało 43,54% (dla scenariusza 3) i 50.,05% (dla scenariusza 4) całkowitych kosztów ogrzewania. Ponadto, chociaż zapotrzebowanie na ciepło w kolumnach wody i butanolu w scenariuszu 4 było nieco wyższe niż w scenariuszu 3, gwałtowne zmniejszenie kosztów energii w kolumnie etanolu spowodowało również niższe ogólne zapotrzebowanie na energię w scenariuszu 4.

VDP reprezentujący scenariusz 3 i scenariusz 4 B. Natężenie przepływu w paszy (strumień 1) wynosiło 1025 kg / h., Czerwone dane to kolumny o wyższych kosztach energii, podczas gdy zielone DANE stosunkowo wymagają mniej energii w porównaniu do destylacji atmosferycznych pokazanych na Rys. 3. Na rysunku przedstawiono również płyty zasilające, płyty ogólne oraz ciśnienie napowietrzne każdej kolumny

Rysunek 8 przedstawia system wymiany ciepła dla VDP. Szczegóły schematu siatki i Wielkiej krzywej zespolonej podano w pliku dodatkowym 1: rys. S6. W porównaniu z VDP przed integracją ciepła zapotrzebowanie na energię gwałtownie spadło w obu scenariuszach. Tylko 7.,17 MJ/kg i 5,3 MJ/kg ciepła zostały zużyte do oddzielenia destylacji ABE od permeatu separacji przenikania in situ, odpowiednio w scenariuszu 3 i scenariuszu 4 (rys. 9). W tych warunkach po wymianie ciepła można było zaoszczędzić 37,81% i 47,16% energii. Co ciekawe, wykazano, że do ogrzewania kolumn acetonowych i etanolowych w scenariuszu 4 nie jest wymagana dodatkowa energia, a wszystkie wymagania cieplne były zapewniane przez cieplejsze strumienie. W przypadku scenariusza 3 dno kolumny acetonowej zostało również ocieplone przez produkt napowietrzny kolumny piwa., 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