a Comparação do TCD e E-TCD sequências baseado na destilação atmosférica
Atmosférica de processos de destilação, que consistia de TCD (cenário 1) e E-TCD (cenário 2) sequências foram desenvolvidos e otimizados em primeiro lugar., Com base nas estratégias de construção e otimização descritas na seção “estratégias”, as demandas energéticas dos fluxos de aquecimento e resfriamento das sequências TCD e e-TCD são ilustradas na Fig. 3a e b, respectivamente. 95 wt % de etanol( fluxo 6), 99,7 wt% de acetona (fluxo 4) e butanol completamente desidratado (100 wt%, fluxo 10) foram obtidos em ambos os cenários (detalhe composição do fluxo e taxa de fluxos de diferentes tipos de sequências são mostrados no ficheiro adicional 1: Quadro S1).
processos de destilação atmosférica representando um cenário 1 e um cenário B. O caudal na alimentação (fluxo 1) foi de 1025 kg/h. os dados vermelhos são as colunas de custo de energia mais elevado, enquanto os dados verdes exigiam relativamente menos energia nas colunas correspondentes. Os dados Negros referem-se à energia de aquecimento e arrefecimento que se manteve semelhante ao reciclar os destilados de água e butanol. As placas de alimentação, bem como as placas globais de cada coluna, também foram mostradas nesta figura., As pressões aéreas das colunas foram todas ajustadas à pressão atmosférica
dados apresentados na Fig. 3 referir a procura de energia de aquecimento e arrefecimento das colunas de destilação em dois cenários. Como não havia diferenças entre as colunas A Montante, as demandas de energia para as duas colunas iniciais (colunas de Cerveja e acetona) também eram semelhantes. No entanto, os resultados foram bastante diferentes em sequências de TCD e e-TCD nas colunas a jusante (etanol, butanol e colunas de água)., A menor necessidade de energia da coluna de etanol no cenário 2 pode ser causada pelo fato de que uma maior concentração de etanol no fluxo inferior da coluna de etanol é possível devido ao ciclo de recirculação. O fluxo que consistia no destilado de butanol e colunas de água foi misturado com a saída inferior da coluna de acetona no cenário 2 (Fig. 2b). Assim, o fluxo real que entra na coluna de etanol no cenário 2 foi de 433.,8 kg / h (soma dos caudais da saída inferior da coluna de acetona e do destilado da coluna de água), que foi superior à do caso no cenário 1 (383,8 kg/h, apenas a partir da saída inferior da coluna de acetona). No entanto, o fluxo de Produto do etanol no cenário 2 não foi aumentado, que foi mantido em 18,62 kg / h. Assim, a concentração de etanol do ponto de saída inferior da coluna de etanol no cenário 2 foi maior do que no cenário 1 (2,42 wt% no cenário 2 vs., < 200 ppm no cenário 1), o que poderia reduzir significativamente a necessidade de energia em etanol coluna no cenário 2 (2.39 MJ/kg, em comparação com 4.56 MJ/kg no cenário 1, ver Fig. 3). Correspondentemente, a razão de refluxo da coluna de etanol no cenário 2 (~25) foi muito menor do que no cenário 1 (~57), quando acima de 95 wt% de etanol foi alcançado (arquivo adicional 1: Fig. S2).,
Devido a baixas concentrações de butanol na fase orgânica do decantador (fluxos de 9 de arquivo Adicionais 1: Tabela S1) e a fase aquosa a partir de decanter (fluxos em 12 de arquivo Adicionais 1: Tabela S1) no cenário 2 (81.66 wt% para a fase orgânica do decanter e 4,6% em peso da fase aquosa do decanter), a energia para aquecimento e refrigeração requisito da água e butanol colunas foi maior no E-TCD sequência (1.99 MJ/kg e 0,73 MJ/kg para o aquecimento, e − 1.44 MJ/kg e − 0.38 MJ/kg para o resfriamento em butanol e água colunas, ver Fig., 3b) em comparação com a sequência convencional TCD (1,8 MJ/kg e 0,56 MJ/kg para aquecimento, e − 1,28 MJ/kg e − 0,24 MJ/kg para arrefecimento em butanol e colunas de Água, ver Fig. 3a). Felizmente, as baixas concentrações de butanol na fase orgânica e na fase aquosa no cenário 2 foram causadas principalmente pela participação da maior razão de etanol, que é o componente leve existente na mistura butanol–etanol–água . As frações de água, o componente pesado distribuído na mistura, não aumentou significativamente., Assim, a procura de energia em colunas de água e butanol no cenário 2 foi apenas ligeiramente mais elevada em comparação com a procura de energia das duas colunas no cenário 1.o consumo de energia na coluna de etanol foi o fator decisivo do custo total da energia durante os processos de destilação atmosférica. Embora o custo energético do butanol e das colunas de água fosse mais elevado, a necessidade global de energia para o aquecimento e arrefecimento dos fluxos no cenário 2 era muito inferior à do cenário 1. Como resultado, a demanda de energia de 13,42 MJ / kg e-10.,75 MJ / kg para aquecimento e arrefecimento, respectivamente, foram consumidos no cenário 2, que era apenas 88,1% e 85,1% do consumo em comparação com a procura de energia no cenário 1. Por conseguinte, a sequência e-TCD permite uma economia de energia para a subsequente mistura ABE de separação por destilação após a pervaporação. Mais importante, como o etanol (contido no destilado de água e colunas de butanol) foi reciclado para a coluna de etanol na sequência e-TCD, nenhum etanol acumulado na sequência TCD (ver arquivo adicional 1: Tabela S1, fluxos 8 e 11)., Assim, a sequência e-TCD mostrou uma melhor controlabilidade em contraste com a sequência TCD convencional. Como foi sugerido no relatório anterior, a sequência e-TCD estável também goza da vantagem de tornar o sistema de destilação mais eficaz em termos de custos.no nosso trabalho anterior, a aplicação do sistema de permuta de calor poderia diminuir significativamente a necessidade de energia na sequência TCD convencional baseada no processo de destilação . Para diminuir ainda mais a demanda de energia nos dois cenários, o sistema de troca de calor foi estabelecido e otimizado., Os requisitos energéticos para a separação ABE com base em sequências de TCD e e-TCD também foram comparados após a troca de calor. Geralmente, 12 trocadores de calor (HEs) foram conectados com os fluxos em ambos os cenários. A diferença mínima de temperatura para troca de calor foi fixada em 15 ° C. parâmetros-chave e as estratégias de troca de calor são realizadas na Fig. 4. Além disso, as curvas grand composites e a estrutura básica do sistema de troca de calor são mostradas no arquivo adicional 1: Fig. S3., Como pode ser visto, sob as condições otimizadas, as trocas de calor foram realizadas principalmente nos fluxos 1, 9 e 12 em ambos os cenários, que não estavam de acordo com nossos trabalhos anteriores que aplicaram o processo de decapagem de gás de duas fases . Para o caso do cenário 1, depois de troca de calor, a temperatura do fluxo de 1 gradualmente aumentou de 25 para 40,7 °C (depois de HE1), 62.77 °C (depois de HE4), 77.8 °C (depois de HE7) e 82.9 °C (depois de HE10), respectivamente., Da mesma forma, o fluxo 9, que foi alimentado o butanol coluna foi sequencialmente aquecida por HE2, HE5, HE8 e HE11, e a sua temperatura, finalmente, chega a 91 °C. Correspondentemente, o fluxo de 12 (85.35 °C) foi injetada na coluna de água depois de ser aquecido por HE3, HE6, HE9 e HE12. Em contraste, no caso do cenário 2, as temperaturas do fluxo de 1, 9 e 12 foram aumentou de 25 °C, 20 °C e 20 °C, para 84.25 °C (depois de HE1, HE4, HE7 e HE10), 91.6 °C (depois de HE2, HE5, HE8 e HE11) e 86 °C (depois de HE3, HE6, HE9 e HE12), respectivamente.
sistema de permuta de calor para os processos de destilação atmosférica. uma troca de Calor estratégias no cenário 1, que são baseados no TCD sequência; b baseado em E-TCD sequência
Pelo efeito de troca de calor, a exigência de energia de cerveja coluna, butanol coluna e a coluna de água diminuíram. Os requisitos energéticos em ambos os cenários diminuíram ligeiramente. As demandas de energia de 12,27 MJ / kg e 10,12 MJ/kg foram alcançadas no cenário 1 e no cenário 2, respectivamente, que foram de 13,1% e 15.,5% inferior ao dos processos convencionais sem permuta de calor (Fig. 5). Por conseguinte, após a troca de calor, a necessidade de energia para a sequência e-TCD com base na destilação (cenário 2) era ainda inferior à do processo baseado na sequência TCD (cenário 1), e o cenário 2 era mais sensível à integração de calor por mostrar uma taxa decrescente de energia relativamente mais elevada.
a Comparação do total de necessidades de energia para os dois cenários de destilação atmosférica, antes e após a troca de calor
O efeito de coluna de condensador de pressões sobre a destilação performances e a melhoria dos processos
Ajustar o nível de pressão de colunas de destilação mostrou vantagens em diminuir ainda mais a exigência da energia em álcoois de processos de separação ., Ao aplicar o VDP, as razões de refluxo de várias colunas foram reduzidas, e a rede de troca de calor também foi intensificada no VDP.nesta secção, O VDP foi aplicado à separação ABE com base no processo e-TCD. A figura 6 mostra o efeito das pressões dos condensadores nas razões de refluxo nos fluxos de saída. Em comparação com as colunas de cerveja, butanol e água, as razões de refluxo das colunas de acetona e etanol foram mais sensíveis às pressões dos condensadores., Para gerar o produto aceitável de acetona no destilado, a razão de refluxo da coluna de acetona foi gradualmente aumentada de 2 em 50 kPa para 15 em 120 kPa. Em contrapartida, a razão de refluxo da coluna de etanol não se alterou até a pressão do condensador aumentar para 90 kPa. Depois disso, a razão de refluxo foi significativamente aumentada com o aumento da pressão do condensador, e finalmente atingiu 200 quando a pressão do condensador foi de 120 kPa. Assim, as colunas de acetona e etanol, as mais sensíveis, foram selecionadas para diminuir as pressões.
efeito da razão condensador de refluxo em diferentes colunas de destilação com o objectivo de produzir os produtos aceitáveis (95 wt% etanol, 99,7 wt% acetona e 100 wt% butanol). a Beer column; B acetone column; c ethanol column; d butanol and water columns
o efeito das pressões de condensador das colunas de acetona e etanol nas temperaturas do destilado foi avaliado. As temperaturas do destilado diminuíram com a diminuição das pressões dos condensadores., 40 ° C foi considerada a temperatura mais baixa que pode atender às necessidades de condensação (com base na temperatura mínima para troca de calor de 15 °C). As pressões de condensador adequadas das colunas de acetona e etanol foram de 57 kPa e 18 kPa, respectivamente (os detalhes também são mostrados no ficheiro adicional 1: Fig. S4).
após a diminuição das pressões da coluna de acetona e Etanol para 57 kPa e 18 kPa, foi investigado o efeito das razões de refluxo nas concentrações de acetona e etanol destilado., Compararam-se as sequências TCD (cenário 3) e E-TCD (cenário 4) baseadas no VDP (pormenores ver ficheiro adicional 1: Fig. S5). Depois de diminuir as pressões dos condensadores das colunas de acetona e etanol, a razão de refluxo otimizada para a purificação aceitável de solventes foi drasticamente reduzida em ambas as sequências TCD e e-TCD, portanto, o consumo de energia também pode ser diminuído. Mais especificamente, a razão de refluxo optimizada na coluna de acetona diminuiu de 5,8 para 2.,4, enquanto a razão de refluxo otimizada nas colunas de etanol foi de apenas 48 e 18 nas sequências do cenário 3 e do cenário 4 Depois de aumentar / diminuir a pressão das colunas, respectivamente.
Depois de otimizar a pressão de condensador das colunas de acetona e etanol, parâmetros-chave das colunas de água e butanol foram posteriormente determinados alterando o destilado de butanol e da coluna de água de acordo com a estratégia iterativa mostrada no Fig. 2 (os caudais do fluxo mostraram-se no ficheiro adicional 1: Quadro S2)., Com base nas condições específicas para a PDV, os principais parâmetros das sequências de TCD e e-TCD são realizados na Fig. 7. Como é ilustrado, a pressão do condensador da coluna de cerveja foi aumentada para tornar o processo de transferência do calor mais fácil. Assim, as pressões das colunas de acetona e etanol foram diminuídas enquanto as pressões dos condensadores do butanol e das colunas de água permaneceram na pressão atmosférica., Mostrou que os requisitos de calor para a acetona e as subsequentes colunas de etanol, butanol e água nas sequências TCD e E-TCD diminuíram, após o ajuste das pressões das colunas. Os requisitos gerais de energia no cenário 3 e no cenário 4 foram de 11,53 MJ / kg e 10.03 MJ / kg(Fig. 9), respectivamente, 81,66% e 83,72% em comparação com as necessidades energéticas dos cenários 1 e 2 sem aplicação do VDP. Em comparação com outras colunas, a necessidade de energia para a concentração ABE nas colunas de cerveja ocupava 43,54% (para o cenário 3) e 50.,05% (para o cenário 4) do custo global do aquecimento. Além disso, embora a necessidade de calor das colunas de água e butanol no cenário 4 fosse um pouco maior do que a do cenário 3, a redução acentuada do custo energético na coluna de etanol também resultou em uma menor demanda global de energia no cenário 4.
VDP representando um cenário 3 e b 4 do cenário. O caudal nos alimentos para animais (fluxo 1) foi de 1025 kg/h., Os dados vermelhos são as colunas com maior custo de energia, enquanto os dados verdes requerem relativamente menos energia em comparação com as destilações atmosféricas mostradas na Fig. 3. As placas de alimentação, as placas gerais e a pressão aérea de cada coluna também foram mostradas nesta figura
Figura 8 mostra o sistema de troca de calor para o VDP. Os detalhes do diagrama da grelha e da curva compósita Grande foram dados no ficheiro adicional 1: Fig. S6. Em comparação com o VDP antes da integração do calor, a necessidade de energia diminuiu acentuadamente em ambos os cenários. Apenas 7.,17 MJ / kg e 5,3 MJ/kg de calor foram consumidos para a destilação ABE separação do permeato de separação in situ por pervaporação no cenário 3 e no cenário 4, respectivamente (Fig. 9). Nestas condições, 37,81% e 47,16% da energia poderiam ser economizados após trocas de calor. Notavelmente, mostrou que não era necessária energia adicional para aquecer as colunas de acetona e etanol no cenário 4, e todos os requisitos de calor foram fornecidos pelas correntes mais quentes. Para o cenário 3, o fundo da coluna de acetona também foi aquecido pelo produto superior da coluna de cerveja., 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