Comparare a TCD și E-TCD secvențe bazează pe distilarea atmosferică
distilarea Atmosferică procese care a constat din TCD (scenariul 1) și E-TCD (scenariul 2) secvențe au fost dezvoltate și optimizate în primul rând., Pe baza strategiilor de construcție și optimizare descrise în secțiunea „strategii”, cerințele energetice ale fluxurilor de încălzire și răcire ale secvențelor TCD și E-TCD sunt ilustrate în Fig. 3a și, respectiv, B. În ambele scenarii s-au obținut 95% în greutate de etanol (fluxul 6), 99,7% în greutate de acetonă (fluxul 4) și butanol complet deshidratat (100% în greutate, fluxul 10) (compoziția detaliată a fluxului și rata fluxurilor diferitelor tipuri de secvențe sunt prezentate în fișierul suplimentar 1: Tabelul S1).
distilarea Atmosferică procese reprezintă un scenariu 1 și b scenariul 2. Debitul în furaje (fluxul 1) a fost de 1025 kg/h. datele roșii sunt coloanele cu costuri mai mari de energie, în timp ce datele verzi au necesitat relativ mai puțină energie în coloanele corespunzătoare. Datele negre se referă la energia de încălzire și răcire care a rămas similară la reciclarea distilatelor de apă și butanol. Plăcile de alimentare, precum și plăcile generale ale fiecărei coloane au fost, de asemenea, prezentate în această figură., Presiunile aeriene ale coloanelor au fost toate setate la presiunea atmosferică
datele prezentate în Fig. 3 consultați cererea de energie pentru încălzire și răcire a coloanelor de distilare în două scenarii. Deoarece nu au existat diferențe între coloanele din amonte, cererile de energie pentru cele două coloane în avans (coloane de bere și acetonă) au fost, de asemenea, similare. Cu toate acestea, rezultatele au fost destul de diferite în secvențele TCD și E-TCD în coloanele din aval (etanol, butanol și coloane de apă)., Cerința de energie mai mică a coloanei de etanol în scenariul 2 ar putea fi cauzată de faptul că o concentrație mai mare de etanol în fluxul inferior al coloanei de etanol este posibilă datorită buclei de recirculare. Fluxul care consta în distilatul butanolului și coloanelor de apă a fost amestecat cu ieșirea de jos a coloanei de acetonă în scenariul 2 (Fig. 2b). Astfel, debitul real care intră în coloana de etanol în scenariul 2 a fost 433.,8 kg/h (suma debitelor de la ieșirea de jos a coloanei de acetonă și a distilatului coloanei de apă), care a fost mai mare decât cea a cazului din scenariul 1 (383,8 kg / h, numai de la ieșirea de jos a coloanei de acetonă). Cu toate acestea, etanol produs debitul în scenariul 2 nu a fost crescut, care s-a menținut la 18.62 kg/h. Prin urmare, concentrația de etanol de jos priza de etanol coloană în scenariul 2 a fost mai mare decât în scenariul 1 (2.42 wt% în scenariul 2 vs, < 200 ppm în scenariul 1), care ar putea reduce semnificativ necesarul de energie în etanol coloană în scenariul 2 (2.39 MJ/kg, comparativ cu 4.56 MJ/kg în scenariul 1, vezi Fig. 3). În mod corespunzător, raportul de reflux al coloanei de etanol în scenariul 2 (~ 25) a fost mult mai mic decât cel din scenariul 1 (~ 57) când s-a atins peste 95% în greutate de etanol (fișier suplimentar 1: Fig. S2).,
Pentru concentrații mai mici de butanol în faza organică din decantor (fluxuri 9 în fișier Suplimentar 1: Tabelul S1) și faza apoasă din decantor (fluxuri 12 în fișier Suplimentar 1: Tabelul S1) în scenariul 2 (81.66% masice pentru faza organică de decantor și 4,6% în greutate din faza apoasă din decantor), încălzire și răcire energia necesară de apă și butanol coloane a fost mai mare în E-TCD secvență (1.99 MJ/kg și 0.73 MJ/kg pentru încălzire, și − 1.44 MJ/kg și − 0.38 MJ/kg pentru răcire în butanol și coloane de apă, a se vedea Fig., 3b) în comparație cu secvența convențională TCD (1,8 MJ/kg și 0,56 MJ/kg pentru încălzire și − 1,28 MJ/kg și − 0,24 MJ/kg pentru răcire în butanol și coloane de apă, vezi Fig. 3a). Din fericire, concentrațiile scăzute de butanol atât în faza organică, cât și în faza apoasă în scenariul 2 au fost cauzate în principal de participarea raportului mai mare de etanol, care este componenta ușoară care există în amestecul butanol–etanol–apă . Fracțiile de apă, componenta grea distribuită în amestec, nu au crescut semnificativ., Astfel, cererea de energie în coloanele de apă și butanol din scenariul 2 a fost doar puțin mai mare în comparație cu cererea de energie a celor două coloane din scenariul 1.consumul de energie în coloana de etanol a fost factorul decisiv al costului total al energiei în timpul proceselor de distilare atmosferică. Chiar dacă costul energiei pentru butanol și coloanele de apă a fost mai mare, necesarul global de energie pentru încălzirea și răcirea fluxurilor în scenariul 2 a fost mult mai mic decât cel din scenariul 1. Ca urmare, cererea de energie de 13,42 MJ/kg și − 10.,75 MJ / kg pentru încălzire și răcire, respectiv, au fost consumate în scenariul 2, care au fost doar 88,1% și 85,1% față de cererea de energie din scenariul 1. Prin urmare, secvența E-TCD permite economii de energie pentru separarea ulterioară distilare ABE amestec după pervaporation. Mai important, deoarece etanolul (conținut în distilatul coloanelor de apă și butanol) a fost reciclat în coloana de etanol în secvența E-TCD, nu s-a acumulat etanol în secvența TCD (a se vedea fișierul suplimentar 1: Tabelul S1, fluxurile 8 și 11)., Prin urmare, secvența E-TCD a arătat o mai bună controlabilitate în contrast cu secvența convențională TCD. După cum s-a sugerat în raportul anterior , secvența stabilă E-TCD se bucură, de asemenea, de avantajul de a face sistemul de distilare mai eficient din punct de vedere al costurilor.în lucrarea noastră anterioară, aplicarea sistemului de schimb de căldură ar putea reduce semnificativ necesarul de energie în secvența convențională TCD bazată pe procesul de distilare . Pentru a reduce și mai mult necesarul de energie în cele două scenarii, a fost stabilit și optimizat sistemul de schimb de căldură., Cerințele energetice pentru separarea ABE pe baza secvențelor TCD și E-TCD au fost, de asemenea, comparate după schimbul de căldură. În general, 12 schimbătoare de căldură (HEs) au fost conectate cu fluxurile în ambele scenarii. Diferența minimă de temperatură pentru schimbul de căldură a fost stabilită la 15 °C. parametrii cheie și strategiile de schimb de căldură sunt realizate în Fig. 4. În plus, curbele compozitelor mari și structura de bază a sistemului de schimb de căldură sunt prezentate în fișierul suplimentar 1: Fig. S3., După cum se poate observa, sub optimizat condiții, schimburi de căldură au fost efectuate în principal în fluxuri de 1, 9 și 12 în ambele scenarii, care nu au fost în concordanță cu lucrările anterioare care au aplicat în două etape gazelor de stripare–pervaporation proces . Pentru cazul scenariului 1, după schimbul de căldură, temperatura de flux 1 a crescut treptat de la 25 până la 40,7 °C (după HE1), 62.77 °C (după HE4), 77.8 °C (după HE7) și 82.9 °C (după HE10), respectiv., În mod similar, fluxul de 9 care a fost alimentat în butanol coloana a fost în mod constant încălzit de HE2, HE5, HE8 și HE11, iar temperatura acestuia, în sfârșit, a ajuns la 91 °C. în consecință, fluxul de 12 (85.35 °C) a fost introdusă în coloana de apă după ce a fost încălzită de HE3, HE6, HE9 și HE12. În contrast, în cazul scenariului 2, la temperaturi de flux 1, 9 și 12 ani au crescut de la 25 °C, 20 °C și 20 °C, la 84.25 °C (după HE1, HE4, HE7 și HE10), 91.6 °C (după HE2, HE5, HE8 și HE11) și 86 °C (după HE3, HE6, HE9 și HE12), respectiv.
schimb de Căldură sistem pentru procese de distilare atmosferică. un schimb de Căldură strategii în scenariul 1, care se bazează pe TCD secvență; b bazează pe E-TCD secvența
Prin efectul de schimb de căldură, necesarul de energie din coloana de bere, butanol coloană și coloana de apă au scăzut. Cerințele energetice în ambele scenarii au scăzut ușor. Cererile de energie de 12,27 MJ/kg și 10,12 MJ/kg au fost realizate în scenariul 1 și scenariul 2, respectiv, care au fost de 13,1% și 15.,5% mai mic decât cel al proceselor convenționale fără schimb de căldură (Fig. 5). Prin urmare, după schimbul de căldură, necesarul de energie pentru secvența e-TCD bazată pe distilare (scenariul 2) a fost încă mai mic decât cel al procesului bazat pe secvența TCD (scenariul 1), iar scenariul 2 a fost mai sensibil la integrarea căldurii pentru a arăta o rată relativ mai mare de scădere a energiei.
Comparație din totalul necesarului de energie pentru cele două scenarii de distilare atmosferica înainte și după schimbul de căldură
efectul de coloana condensator presiunile asupra distilare performanțelor și îmbunătățirea proceselor
Reglarea nivelului de presiune de coloane de distilare a arătat avantaje în continuare reducerea necesarului de energie în alcooli procese de separare ., Prin aplicarea VDP, rapoartele de reflux ale mai multor coloane au fost reduse, iar rețeaua de schimb de căldură a fost intensificată și în VDP.în această secțiune, VDP a fost aplicat pentru separarea ABE pe baza procesului E-TCD. Figura 6 prezintă efectul presiunilor condensatorului asupra raporturilor de reflux în fluxurile de ieșire. În comparație cu coloanele de bere, butanol și apă, raporturile de reflux ale coloanelor de acetonă și etanol au fost mai sensibile la presiunile condensatorului., Pentru a genera produsul acetonă acceptabil în distilat, raportul de reflux al coloanei de acetonă a fost crescut treptat de la 2 în 50 kPa la 15 în 120 kPa. În schimb, raportul de reflux al coloanei de etanol nu sa schimbat până când presiunea condensatorului a crescut la 90 kPa. După aceea, raportul de reflux a crescut semnificativ odată cu creșterea presiunii condensatorului și, în final, a ajuns la 200 când presiunea condensatorului a fost de 120 kPa. Prin urmare, coloanele de acetonă și etanol, cele mai sensibile, au fost selectate pentru a reduce presiunile.
Efectul de condensator presiune–raport de reflux în diferite coloane de distilare cu scopul de a produce produse acceptabile (95 wt% etanol, 99.7 wt% acetonă și 100 wt% butanol). o coloana de Bere; b acetonă coloana; c etanol coloana; d butanol și apă coloane
efectul de condensator presiuni de acetonă și etanol coloane pe distilat temperaturile au fost evaluate. Temperaturile distilatului au scăzut odată cu scăderea presiunilor condensatorului., 40 °C a fost considerată a fi cea mai scăzută temperatură care poate satisface nevoile de condensare (pe baza temperaturii minime pentru schimbul de căldură de 15 °C). Presiunile condensatorului adecvate ale coloanelor de acetonă și etanol au fost de 57 kPa, respectiv 18 kPa (detalii sunt prezentate și în fișierul suplimentar 1: Fig. S4).după scăderea presiunilor coloanelor de acetonă și etanol la 57 kPa și 18 kPa, a fost investigat în continuare efectul raporturilor de reflux asupra concentrațiilor de acetonă și etanol din distilat., Secvențele TCD (scenariul 3) și e-TCD (scenariul 4) bazate pe VDP au fost comparate (detalii vezi fișierul suplimentar 1: Fig. S5). După scăderea presiunilor condensatorului coloanelor de acetonă și etanol, raportul de reflux optimizat pentru puritățile acceptabile ale solvenților a scăzut brusc atât în secvențele TCD, cât și în e-TCD, prin urmare, consumul de energie ar putea fi, de asemenea, scăzut. Mai precis, raportul de reflux optimizat în coloana de acetonă a scăzut de la 5,8 la 2.,4, în timp ce raportul de reflux optimizat în coloanele de etanol a fost de numai 48 și 18 în secvențele scenariului 3 și scenariului 4 după creșterea/scăderea presiunii coloanelor, respectiv.
după optimizarea presiunii condensatorului coloanelor de acetonă și etanol, parametrii cheie ai coloanelor de apă și butanol au fost ulterior determinați prin schimbarea distilatului de butanol și coloană de apă, urmând strategia iterativă prezentată în Fig. 2 (debitul fluxului arătat în fișierul suplimentar 1: Tabelul S2)., Pe baza condițiilor specifice pentru VDP, parametrii cheie ai secvențelor TCD și E-TCD sunt realizați în Fig. 7. După cum este ilustrat, presiunea condensatorului coloanei de bere a fost mărită pentru a facilita procesul de transfer al căldurii. În consecință, presiunile coloanelor de acetonă și etanol au scăzut în timp ce presiunile condensatorului butanolului și coloanelor de apă au rămas în presiunea atmosferică., Acesta a arătat că cerințele de căldură pentru acetonă și coloanele ulterioare de etanol, butanol și apă din secvențele TCD și E-TCD au scăzut după ajustarea presiunilor coloanelor. Necesarul total de energie în scenariul 3 și scenariul 4 a fost de 11,53 MJ/kg și de 10,03 MJ/kg (Fig. 9), respectiv, care au fost 81.66% și 83.72% comparativ cu necesarul de energie în scenariul 1 și scenariul 2 fără aplicarea VDP. În comparație cu alte coloane, necesarul de energie pentru concentrația ABE în coloanele de bere a ocupat 43,54% (pentru scenariul 3) și 50.,05% (pentru scenariul 4) din costul total al încălzirii. În plus, deși cerința de căldură a coloanelor de apă și butanol din scenariul 4 a fost puțin mai mare decât cea a scenariului 3, reducerea bruscă a costului energiei în coloana de etanol a dus, de asemenea, la o cerere globală de energie mai mică în scenariul 4.
VDP reprezentând un scenariu 3 și b scenariul 4. Debitul în furaj (fluxul 1) a fost de 1025 kg/h., Datele roșii sunt coloanele cu costuri energetice mai mari, în timp ce datele verzi necesită relativ mai puțină energie în comparație cu distilările atmosferice prezentate în Fig. 3. Plăcile de alimentare, plăcile generale, precum și presiunea aeriană a fiecărei coloane au fost, de asemenea, prezentate în această figură
figura 8 prezintă sistemul de schimb de căldură pentru VDP. Detaliile diagramei grilei și ale curbei Grand composite au fost date în fișierul suplimentar 1: Fig. S6. Comparativ cu VDP înainte de integrarea căldurii, necesarul de energie a scăzut brusc în ambele scenarii. Doar 7.,17 MJ/kg și 5,3 MJ/kg căldură au fost consumate pentru separarea Abe distilare de permeat de separare pervaporation in situ în scenariul 3 și scenariul 4, respectiv (Fig. 9). În aceste condiții, 37, 81% și 47, 16% din energie ar putea fi economisite după schimburile de căldură. În mod remarcabil, a arătat că nu a fost necesară o energie suplimentară pentru încălzirea coloanelor de acetonă și etanol în scenariul 4, iar toate cerințele de căldură au fost furnizate de fluxurile mai calde. Pentru scenariul 3, partea inferioară a coloanei de acetonă a fost încălzită și de produsul deasupra coloanei de bere., 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