糖蜜酒精蒸馏节能工艺和关键设备的研究 72页

硕士学位论文论文题目：糖蜜酒精蒸馏节能工艺和关键设备的研究作者姓名程骏指导教师姚克俭学科专业化学工程（专硕）所在学院化学工程学院提交日期2014年11月3日万方数据 DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyforMasterDegreeENERGYSAVINGOPTIMIZATIONFORMOLASSESALCOHOLDISTILLATIONPROCESSANDRELATIVEKEYEUIPMENTSByChengJunAdvisor:Prof.YaoKejianCollegeofChemicalEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyHangzhou,P.R.ChinaNovember2014万方数据 浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据 浙江工业大学硕士学位论文糖蜜酒精蒸馏节能工艺和关键设备的研究摘要酒精是一种重要的有机溶剂和化工原料，在国民经济中占有重要的地位，广泛的应用在食品、化工、医疗、电子、化妆品和染料的生产等各个行业。糖蜜作为酒精生产的一种原料，是糖厂制糖过程中的一种副产物，用糖蜜来生产酒精是对废物的一种循环利用，对保护环境和节约能源有重要意义。酒精生产过程是一个高耗能过程，其中蒸馏过程所消耗的蒸汽及冷却水量占总能耗的60%-70%，因此如何降低蒸馏能耗是降低酒精生产能耗的关键。传统的糖蜜酒精蒸馏工艺一直存在产品质量低、能耗大和设备技术落后等等问题。在当今能源供应短缺，长期处于紧张状态的形势下，研究更节能、更经济的酒精蒸馏工艺和装备具有非常重要的意义。由于糖蜜酒精蒸馏过程中粗馏塔的设备容易结垢会严重影响蒸馏生产效率和设备维护成本，我们采用浙江工业大学化学工程设计研究所开发的新型高效抗堵圆形固定阀塔板并分别针对新固阀塔板和原固阀塔板进行流体力学性能的测试和比较。运用化工流程模拟软件AspenPlus对传统的糖蜜酒精三塔蒸馏流程进行模拟分析，在此基础上加入了流程重组，加入新塔并建立四塔蒸馏工艺模型。对四塔蒸馏过程进行模拟和优化，得到了各塔的工艺参数、物流信息、冷热负荷等数据。根据四塔工艺的模拟结果，在改进夹点技术理论的指导下进行流I万方数据 浙江工业大学硕士学位论文程优化设计。通过分析各塔的物流信息绘制组合曲线，确定夹点位置。然后运用夹点技术理论指导热泵精馏，确定热泵在系统中合适的放置位置，最终得到一套高效节能低成本酒精蒸馏新工艺。本论文针对酒精蒸馏装置中所存在的问题对关键设备进行了改进，在改进夹点技术理论的指导下对工艺流程进行了重组、操作参数进行了优化、并且运用了热泵精馏技术，得到一套高效节能低成本的酒精蒸馏新工艺。关键词：酒精，节能，模拟，塔板，热泵精馏，夹点技术II万方数据 浙江工业大学硕士学位论文ENERGYSAVINGOPTIMIZATIONFORMOLASSESALCOHOLDISTILLATIONPROCESSANDRELATIVEKEYEUIPMENTSABSTRACTAlcoholisakindofimportantorganicsolventandchemicalmaterial.Itoccupiesanimportantpositioninnationaleconomyandhasbeenwidelyusedinareasoffoodindustry,chemicalindustry,medicaltreatment,electronicindustry,cosmeticproductionandsoon.Molassesisaby-productofsugarproductionwhileusedastherawmaterialofalcoholproduction.Therefore,usingmolassestoproducealcoholisarecyclingofwasteandofimportantsignificancetoenvironmentalprotectionaswellasenergysaving.Alcoholproductionisakindofenergyintensiveprocessandtheconsumptionofsteamandcoolingwaterfordistillationoccupies60-70%ofthetotalenergyconsumption.Therefore,reductionoftheenergyconsumptionfordistillationisthekeytoreducetheenergyconsumptionofalcoholproduction.However,thetraditionaldistillationprocessofmolassesalcoholhasthedisadvantagesofhugeenergyconsumption,lowqualityandlaggingtechnologyforequipments.Itisnecessarytochangethecurrentstatusunderthesituationofenergycrisis.ThescaledepositintherawdistillatorofmolassesalcoholseriouslyIII万方数据 浙江工业大学硕士学位论文affectstheefficiencyofdistillationandthecostofequipmentsmaintenance.Inordertosolvetheproblem,anewtypeofefficientanti-cloggingroundfixed-valvetraywasadoptedintheimprovedprocesswhichwasdevelopedbyZhejiangUniversityofTechnologyDesignResearchInstitute.Thehydrodynamicperformancesofthenewfixed-valvetrayweretestedandcomparedwiththetraditionalfixed-valvetray.Thesimulationoftraditionalthree-columndistillationprocessofmolassesalcoholwasconductedwiththesoftwareAspenPlus.Afour-columndistillationprocesswasproposedbyprocessrecombinationtheorybasedontheanalysisofsimulationresults.Thesimulationandoptimizationofthefour-columnprocesswereconductedwiththesoftware,andtheprocessingparameters,streamdataandheatdutywereobtained.Basedonthesimulationresultsofthefour-columndistillationprocess,theenergy-savingheatnetworkisdesignedundertheguidanceofimprovedpinchtechnology.Thecompositecurvesareplottedbasedonthestreaminformationandthepinchpointisobtained.Thenthepinchtechnologyisusedtoconducttheintegrationofheatpumpdistillationandconfirmtheappropriateplaceofheatpumpintheenergysystem.Finally,anewenergy-savingdistillationprocessofalcoholisobtained.Accordingtothelaggingtechnologyforequipmentsofdistillation,IV万方数据 浙江工业大学硕士学位论文thekeyequipmentsareimproved.Theprocessisrecombinedandtheoperatingparametersareoptimizedbasedontheimprovedpinchtechnology.Thetechnologyofheatpumpisappliedtogetanewefficientandenergy-savingalcoholdistillationprocess.KEYWORDS：alcohol，energysaving，simulate，heatpump，pinchtechnologyV万方数据 浙江工业大学硕士学位论文目录摘要...................................................................................................................IABSTRACT...........................................................................................................III目录........................................................................................................................VI第一章文献综述......................................................................................................11.1酒精概述......................................................................................................21.1.1酒精的理化性质...............................................................................21.1.2酒精的用途......................................................................................21.1.3酒精的生产方法...............................................................................41.2酒精蒸馏的发展综述...............................................................................51.2.1单塔蒸馏..........................................................................................51.2.2二塔蒸馏..........................................................................................61.2.3三塔蒸馏..........................................................................................61.2.4多塔蒸馏..........................................................................................71.3精馏节能技术综述.....................................................................................81.3.1操作参数的优化...............................................................................81.3.2中间换热器节能...............................................................................81.3.3热泵精馏..........................................................................................91.3.4多效精馏........................................................................................111.3.5热偶精馏........................................................................................121.4夹点技术理论...........................................................................................141.4.1夹点技术的特点.............................................................................151.4.2夹点技术的基本原理.....................................................................161.4.3最优夹点温差的确定.....................................................................171.4.4夹点的意义....................................................................................181.5课题主要研究内容...................................................................................19第二章实验部分....................................................................................................212.1引言..........................................................................................................212.2新固阀和原固阀塔板的结构....................................................................212.3实验装置...................................................................................................222.4实验操作条件和塔板结构.........................................................................232.5实验过程...................................................................................................242.6结果与讨论...............................................................................................242.6.1原固定阀塔板试验结果与讨论.....................................................242.6.2新固定阀塔板试验结果与讨论.....................................................262.6.3原固定阀与新固定阀比较...........................................................272.7结果与讨论...............................................................................................29第三章酒精蒸馏工艺模拟....................................................................................303.1流程模拟概述...........................................................................................303.1.1流程模拟算法简介.........................................................................303.1.2AspenPlus简介..............................................................................313.2糖蜜酒精传统三塔蒸馏工艺模拟............................................................313.2.1工艺模拟的前期准备.....................................................................31VI万方数据 浙江工业大学硕士学位论文3.2.2三塔蒸馏模型的建立.....................................................................323.2.3三塔蒸馏工艺的模拟.....................................................................323.3四塔蒸馏工艺模拟...................................................................................363.5本章小结...................................................................................................40第四章利用夹点技术进行节能精馏流程设计.....................................................414.1引言..........................................................................................................414.2利用夹点理论指导热泵精馏热集成........................................................414.2.1从工艺流程中提取物流.................................................................424.2.2最优夹点温差................................................................................434.2.3绘制组合曲线图.............................................................................474.2.4双效精馏节能工艺的模拟.............................................................474.2.5热泵精馏节能工艺的设计及模拟..................................................504.2.6结果讨论........................................................................................524.3本章小结...................................................................................................53第五章总结与展望................................................................................................545.1总结..........................................................................................................545.2展望..........................................................................................................54参考文献.................................................................................................................55附录.......................................................................................................................61致谢.......................................................................................................................62VII万方数据 浙江工业大学硕士学位论文第一章文献综述酒精（乙醇的俗称）在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性。酒精是一种重要的有机溶剂，能与水、甲醇、乙醚和氯仿等以任何比例混溶。酒精广泛的应用于食品工业、化工行业、油漆和化妆品行业、电子工业、医药和医疗行业、染料生产、[1]国防工业等国民经济的许多部门。随着世界石油储量的锐减、环境保护工作的加强，酒精的用途更加广泛。糖蜜是糖厂制糖过程中的一种副产物，俗称桔水，许多糖厂都附设酒精车间就地加工糖蜜为酒精或者其他产品，所以用糖蜜来生产酒精是对废物的循环利用，同时也能保护环境和节约能源。[2-3]酒精生产过程是一个高耗能过程，其中由两大系统组成，（1）粗酒精制取系统；（2）酒精蒸馏系统。酒精成熟发酵醪中含水80~90%，干物质3~7%，酒精及挥发性杂质6~10%，在传统酒精生产中，蒸馏过程所消耗的蒸汽及冷却[4,5]水量占总能耗的60%~70%，可见能耗成本大部分消耗在蒸馏部分，因此如何降低蒸馏能耗是降低酒精生产能耗的关键。当今世界对能用能源的需求量正以惊人的速度扩大，能源价格不断上涨，这必将导致工业生产过程中能源费用越来越高，在生产成本中所占的比例也越来越大。我国的能源供应短缺，长期处于紧张状态，而且能源利用率与发达国家相比有很大的差距，这严重束缚了国民经济的正常发展。优化蒸馏系统的工艺条件，降低蒸馏系统的能耗，已成为了降低酒精[6]生产成本，提高企业经济效益，环境效益的重要途径。节约能源已为整个社会日益关心，生产过程中的节能降耗问题已成为发展生产技术、提高企业市场竞争力的重要组成部分。因此，研究更有效、更节能、更经济的酒精蒸馏工艺对实现企业可持续发展，保护环境具有重要意义。本文针对传统的糖蜜酒精三塔蒸馏工艺流程产品质量不好、能耗较高的问题，首先对浙江工业大学化学工程设计研究所开发的新型抗堵高效固定阀塔板进行流体力学性能测试并分析用于粗馏塔解决塔设备易结垢的问题的可行性，然后用化工流程模拟软件对酒精蒸馏工艺建立三塔和四塔的模型，根据模拟结果和精馏节能理论，在改进夹点技术的指导下进行流程设计和操作优化，采用热泵精馏技术进行节能，得到一套新的具有良好节能效果的酒精蒸馏工艺。1万方数据 浙江工业大学硕士学位论文1.1酒精概述1.1.1酒精的理化性质乙醇（英语：Ethanol，结构简式：CH3CH2OH）是醇类的一种，是酒的主要成份，所以又称酒精，在常温、常压下是无色透明液体。纯酒精易挥发，具有刺激性气味，能与水、甲醇、丙酮和其他多数有机溶剂混溶，相对密度（d15.56）0.816，蒸汽能与空气形成爆炸性混合物。无水乙醇常压下沸点为78.4°C(351.6K)，相对密度（水=1）为0.79。因为共沸，乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95.5%（质量分数），由于此后形成恒沸物，相对挥发度为1，不能提高纯度，沸点为78.15°C。1.1.2酒精的用途酒精作为一种重要的工业原料，又是一种可再生能源，广泛应用于化工、医疗、食品、国防以及交通运输等部门。酒精也是重要的有机溶剂，广泛应用于消毒剂、杀菌剂和防腐剂，还可用于合成树脂、橡胶、聚氯乙烯人造纤维等产品的[7]生产中，酒精在饲料方面的用途也很大，并不断增加。从世界范围看，酒精的用途按需求量分析，用量最大的是燃料乙醇，其次是用来调制蒸馏酒和辅助其他[7]饮料酒，第三是在化工医药方面的用途。（1）燃料酒精随着经济的快速发展，化石能源的消费迅速增加，然而其作为不可再生能源[8]其储量有限，能源危机导致石油价格急剧上升，加上CO2等温室气体的排放增加造成全球气候变暖，石油价格的波动等，人们开始极力寻求一种绿色可再生能源作为替代燃料，在这种情况下，燃料酒精成为了研究者的焦点。燃料酒精作为[9]一种新兴、无污染、可再生清洁能源，具有良好的发展前景。首先燃料酒精的使用，可减少化石能源的消耗，保护珍贵的不可再生能源；其次酒精是可再生能源，完全燃烧只产生二氧化碳和水，而产生的二氧化碳本质是由光合作用固定的，[10]并不加重温室气体的排放；再次较好的解决了汽油的高辛烷值组分问题，使得酒精的理化性质得以充分发挥，同时成功缓解了尾气污染问题。目前世界上普[11]遍应用的燃料酒精有两种：变性酒精和含水酒精。变性酒精是无水酒精和汽油以一定比例混合作为车用燃料，酒精在混合物中的比例不超过25%时，可以利用原有的汽车发动机；而含水酒精能够直接作为车用燃料，但需使用具有更高压2万方数据 浙江工业大学硕士学位论文[11]缩比的发动机。（2）调制蒸馏酒蒸馏酒是在原料酒精发酵后采用蒸馏技术而获得的酒，也就是用发酵酒通过蒸馏将酒度提高的酒，起酒度较高。中国白酒与众所周知的法国白兰地、俄罗斯的伏特加、英格兰的威士忌、西印度地区的老姆酒、荷兰的金酒为世界六大蒸馏[12]酒。中国的白酒是世界上最古老的蒸馏酒，在世界蒸馏酒史上有不可动摇的地位，酿造和蒸馏技术在世界上自成一家。（3）医药化工等方面的用途酒精作为一种原料和中间产品，在医药、化工等行业应用非常广泛。不同浓度的酒精在医药领域具有不同的用途。高浓度酒精吸水性很强,是提供生物学试验和研究使用的优良的固定剂和脱水剂；70%~75%的酒精是常用的消毒剂、防腐剂和灭菌试剂，是对微生物菌体蛋白具有最强作用的凝固变性剂。40%～50%的酒精可预防褥疮，对长期卧床患者能达到促进局部血液循环，防止褥疮形成的效果；25%～50%的酒精可用于物理退热，烧患者可用其擦身，达到降温的目的。因为用酒精擦拭皮肤，能使患者的皮肤血管扩张，增加皮肤的散热能力，其挥发[13]性还能吸收并带走大量的热量，使症状缓解。众所周知、乙醇在化学工业上是生产乙醛、乙醚、乙酸、乙二醇、聚乙烯的重要原料之一，而且还能用来合成橡胶、染料、氯仿树脂和农药等等。更重要的是在石油资日益减少的当今世界，除了能代替染料，利用生物质资源替代传统能源生产肌醇石油化工原料，进而发展绿色化学工业成为迫切需求。（4）酒精工业的副产物酒精工业除了主产品酒精外，还有很多副产物：比如利用酒精糟液生产优质蛋白饲料（DDGS）；优质食用级的CO2，CO2是发酵酒精同时生成的数量最多的副产物，除了可以制成碳酸饮料外，还能广泛应用在制冷、药物萃取、温室生产等方面；以玉米、小麦等为原料的大型酒精生产企业还能生产玉米淀粉、葡萄[14]糖浆、玉米蛋白等；在酒精的成熟发酵中，杂醇油既是杂质，同时也可以作为副产物，杂醇油中的异戊醇和旋光异戊醇在精细化工中可利用在溶剂和香料[15]中，异戊醇的衍生物甲基羟基丁酸可用于食品补充剂。3万方数据 浙江工业大学硕士学位论文1.1.3酒精的生产方法酒精的生产方法有很多，主要分为合成法和发酵法。合成法分为乙烯水合法、[16]亚硫酸法等；发酵法主要有粮食发酵法和木材水解法等，但实现大型工业化的主要是发酵法和乙烯直接水合法。乙烯水合法分为直接水合法和间接水合法。间接水合法是以硫酸为吸收剂，与水合为乙醇，间接水合法由于硫酸腐蚀性强，对设备材质要求高，发展受到限[17]制。直接水合法采用磷酸作催化剂，使乙烯水合。美国shell化学公司首先发现了首先发现磷酸可作为直接水合发的催化剂，在1984年开始直接水合法工业[18]化。乙烯水合法反应式为：催化C2H4+H2OC2H5OH乙烯直接水合法反应的单程转化率低，只有5%，而且反应副产物多。而发酵法历史悠久，较乙烯水合法制备条件缓和，倍受青睐。原料主要分为玉米、木薯。小麦等淀粉质原料和甘蔗、糖蜜等糖质原料。糖蜜是甘蔗或甜菜糖厂制糖过程中的一种副产物，俗称桔水，许多糖厂都附设有酒精车间，就地加工糖蜜为酒[19]精及其他产品，用糖蜜生产酒精是对废物的循环利用，同时也能保护环境和节约能源，而且糖质原料的可发酵性物质是可以直接供酵母进行酒精发酵的各种糖。为此，在工艺过程中不需考虑原料的酶水解或酸水解。这样就大为简化了生产过程，成本也相应降低。酒精的发酵工艺已经非常成熟，工艺过程主要包括原料预处理、蒸煮液化糖[7]化、酒母的制备、发酵和蒸馏等几道工序。4万方数据 浙江工业大学硕士学位论文原料粉碎除杂拌料高温淀粉酶蒸煮糖化酶糖化酒母发酵CO2杂醇油蒸馏酒精糟酒精[20]图1-1酒精行业典型生产工艺流程Fig.1-1Thetypicalproductionprocessofalcoholindustry1.2酒精蒸馏的发展综述1.2.1单塔蒸馏用一个塔从发酵成熟醪中分离获得酒精成品，称为单塔蒸馏。酒精成品杂质含量较高，它适用于对成品质量与浓度要求不高的工厂。我国酒精工业发展较晚，所以工厂引进的技术全部是连续蒸馏精馏工艺，对于单塔流程一般不予[21]采用。5万方数据 浙江工业大学硕士学位论文1.2.2二塔蒸馏若利用单塔蒸馏制造浓度很高的酒精，则塔需要很多层塔板，于是塔身很高，相应的厂房建筑也要很高。另外这样的单塔蒸馏酒糟很稀，用作饲料诸多不便。为了降低塔身高度和提高成品浓度，把单塔分做两个塔，分别安装，这就是两塔流程。二塔蒸馏就是将单塔蒸馏的蒸馏段和精馏段工艺分别在两个塔即粗馏塔和精馏塔内分别进行，物料在粗馏塔过塔时多一次排除头级杂质的机会，但相应的[22][23]能耗也增加了，质量比单塔流程没有改善太多。石建国等曾采用平位安装，把精馏段向下移动，和提馏段在同一水平安装，即改造成二塔三段式蒸馏工艺，但不同于三塔流程，较三塔流程少了一套冷却装置，但同时也出现要采取强制回流的措施，增加了动力消耗，酒精质量也较三塔流程低。F1-成熟发酵醪T1-粗馏塔T2-排醛塔D1-粗酒精D2-酒精产品V1-蒸汽V2-蒸汽W1-废渣W2-废水S1-杂醇油杂质[1]图1-2二塔蒸馏工艺流程Fig.1-2Processoftwo-columnalcoholdistillationprocess1.2.3三塔蒸馏酒精蒸馏工艺和原料的选择有很大关系，糖蜜原料在发酵过程中由于受到通风条件的影响会产生较多的醛类，所以蒸馏过程应以排醛为主。醛酯类杂质的挥发系数总是比乙醇大，被称为头级杂质，头级杂质在乙醇浓度低的时候比较容易排除，所以传统的三塔工艺流程为粗馏塔-排醛塔-精馏塔。根据排醛塔底部的脱醛酒进入精馏塔的形式不同又可分为三类，直接式：指粗酒精由粗馏塔进入排醛6万方数据 浙江工业大学硕士学位论文塔以及脱醛酒进入精馏塔都是气体状态；半直接式：粗酒精由粗馏塔进入排醛塔是气体，而脱醛酒进入精馏塔是液体状态；间接式：粗酒精进入排醛塔以及脱醛[24]酒进入精馏塔都是液体。半直接式三塔流程热能消耗虽然比直接式大些，但可以得到质量比较优良的成品，因此在我国酒精工业上得到广泛的应用。八十年[25]代杨惠英等就已经开始在甘蔗糖蜜酒精厂用三塔蒸馏得到当时符合国家优级[26]酒精标准的酒精。张毅等在三塔过程中通过采用低温蒸煮减轻蒸馏负荷，减[27]少发酵过程中杂醇油的产生，通过加大回流比保证除杂彻底。寄宝康通过在精馏塔的顶部增加一段填料段，使取酒口位置适当远离甲醇等头级杂质聚集区和[28]杂醇油的聚集区，强化了精馏效果。张远平等针对原系统的排醛能力不高，特别是醛塔的排醛能力偏低的情况，并采用现代化的计算手段进行工艺计算，设计出新的三塔蒸馏系统，无论蒸汽消耗还是排醛能力都有很大提升。F1-成熟发酵醪T1-粗馏塔T2-排醛塔T3-精馏塔D1-粗酒精D2-醛酯酒精D3-工业酒精V1-蒸汽V2-蒸汽V3-蒸汽W1-废渣W2-脱醛酒W3-废水S1-成品酒精S2-杂醇油[1]图1-3三塔蒸馏工艺流程Fig.1-3Processofthree-columnalcoholdistillationprocess1.2.4多塔蒸馏多塔流程就是在三塔或两塔的基础上，根据特殊需要或分离的要求，可以添加具有专门功能的附加塔，从而构成四塔乃至五塔流程。酒精蒸馏工艺流程中通常有三种附加塔：浓缩塔、甲醇塔和杂醇油塔。浓缩塔可以将排醛塔排出的醛酯馏分进一步浓缩，进一步提高精馏酒精的产量；甲醇塔可以将精馏酒精中的甲醇进一步分离，同时除去一部分其他头级杂质，使成品酒精质量进一步提高。杂醇油塔可以将精馏塔取出的杂醇油或杂醇酒进一步浓缩，提高酒精产品的质量。而究竟采用几塔流程，需要增加什么功能的附加塔，这需要视生产酒精原料的种类7万方数据 浙江工业大学硕士学位论文[29]以及酒精的质量要求而定。1.3精馏节能技术综述[30]精馏是化工行业里能耗巨大的操作单元，化工过程中40%~70%的能耗用[31]于分离，而精馏的能耗又占其中的95%。众所周知，能源问题已成为全球性的重要问题，各国均致力于新能源及节能技术的研究。目前精馏过程的节能方法主[32]要包括操作条件优化节能、增设中间再沸器和中间冷凝器、开发高效节能的特殊工艺流程如多效精馏、热泵精馏、热偶精馏等。1.3.1操作参数的优化精馏塔的操作参数主要包括操作压力、操作温度、进料位置及温度、塔板压降、理论板数、回流比、塔顶和塔底的热负荷等等，这些变量在不同的程度上都会影响精馏过程中所需的能耗，利用化工流程模拟软件中的灵敏度分析、设计规定等功能对精馏的操作条件进行优化，来确定满足分离任务的操作条件的最佳值，以获得最小的冷凝负荷和再沸器热负荷，从而使精馏塔能耗最少。比如若能[1]采用最佳回流比，在达到同样分离效果的前提下，可节省20%的能耗。1.3.2中间换热器节能对于塔顶塔底温度差别比较大的精馏塔，可以通过增加中间换热器的方式来节省或回收热量（冷量）。中间换热的方式有两种：中间冷凝器和中间再沸器。对于塔顶冷凝器来说（以塔顶冷凝器为基准)中间冷凝器是节省冷量，中间再沸器是回收冷量；而对塔底再沸器来说（以塔底再沸器为基准），中间冷凝器是回收热量，中间再沸器是节省热量，在实际工业中，中间再沸器的使用远比中间冷[33]凝器多。在分离任务一定的情况下，常规精馏塔再沸器的供热量和设有中间再沸器的精馏塔再沸器与中间再沸器供热量之和是相等的，所以中间再沸器的使用前后并不能改变总的再沸器加热负荷，只是在设置中间再沸器后,部分热量可以采用低于塔底再沸器的廉价的废热蒸汽提供，通过合理设置和使用中间再沸器,[34,35]可以提供最大的热效率、达到最大的节能效果。中国石化股份公司荆门分公司投资70万元，对80万t/a催化裂装置吸收-稳定系统解吸塔进行中间再沸器节能技术改造。改造后节约1.0MPa蒸汽2-3t/h，冷却稳定汽油所用循环水流量减少8万方数据 浙江工业大学硕士学位论文[36]170t/h。1.3.3热泵精馏热泵精馏是一种靠补偿或消耗机械功，把精馏塔塔顶低温处的热量传递到塔[37]釜高温处，使塔顶低温蒸汽用作塔底再沸器的热源的节能技术。热泵精馏充[38]分利用了精馏塔塔顶蒸汽低温位的热量，节能效果与经济效益非常显著。根据热泵所消耗的外界能量不同,热泵精馏可分为蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式[39]两种类型。热泵精馏使用较广泛的是蒸汽压缩机方式，适用于下述系统：（1）塔顶和塔底温差较小的场合。塔顶和塔底温差小于36℃，就可以取得良好的经济效果；（2）被分离物质的沸点接近，分离困难，需要大量蒸气的场合；（3）在低压运行时必须采用冷冻剂进行冷凝。蒸汽压缩机方式可分为塔顶气体直接压缩式、间接式、闪蒸再沸式。塔顶气体直接压缩式热泵精馏是以塔顶气体作为工质的热泵,塔顶气体经压缩机压缩升温后进入塔底再沸器，冷凝放热使釜液再沸,冷凝液经节流阀减压降温后，一部分作为产品出料，另一部分作为精馏塔顶的回流。塔顶气体直接压缩式热泵精馏具有以下特点：（1）系统简单、稳定可靠（2）需要的再热载热介质是现成的[40]（3）压缩机的压缩比通常比单独工质循环式的低当塔顶具有腐蚀性的气体或塔顶产品具有热敏性时，这种情况不宜进行直接压缩，可使用间接式热泵精馏。这个流程利用单独封闭循环工质来完成，在闭循环中，循环工质在冷凝器中吸收塔顶产品的冷凝热而自身汽化，经过压缩机压缩后，把它升高到一个较高的压力和温位，之后在塔底蒸发器中该工质再次冷凝,把它的热量传递给蒸发的塔底产品。至此工质经过膨胀阀进入冷凝器完成了一个[41]循环。间接式热泵精馏的特点是：（1）易于设计和控制（2）需要分离的产品与冷剂完全隔离（3）载热介质的选择受到限制9万方数据 浙江工业大学硕士学位论文（4）压缩机需要克服较高的温度差和压力差，效率较低闪蒸再沸式流程与塔顶气体直接压缩式类似，它直接以塔釜出料为冷剂，经节流后送至塔顶换热，吸收热量蒸发为气体，再经压缩升压升温后，返回塔釜，比间接式少一个换热器，适用场合和直接压缩式基本相同。不过,闪蒸再沸流程在塔压高时有利，而直接压缩式在塔压低时有利。热泵精馏的另一种方式蒸汽喷射式热泵原理是借助高压蒸汽喷射产生的高速汽流，将低压蒸汽的压力和温度提高，而高压蒸汽的压力和温度降低。低压蒸汽的压力和温度提高到工艺能使用的指标，从而达到节能的目的。这种方式的热泵精馏适合应用以下情况：（1）减压精馏的真空度比较低（2）精馏塔塔顶和塔底的压差不大热泵技术应用于精馏中最早是在20世纪50年代由Robinson和Gilliland提出，在此后的半个世纪里发展的很快。Oliveira进行了具有蒸汽再压缩式精馏塔技术的研究，JamesG·Gebbie研究了具有不同配比工质的热泵精馏塔的工作性能，并且考察了热量传递速率，压缩工质速率和热量积累对热泵精馏塔性能的影响[42]。国内对热泵精馏技术研究的历史也非常久，早在20世纪50年代天津大学就开始了对热泵精馏的研究。邓仁杰等针对常规醋酸丁酯生产工艺能耗高的特点,提出将热泵精馏应用于醋酸丁酯生产,开发出醋酸丁酯热泵精馏新工艺，并分析了新工艺的原特点和热泵的介质特性以及操作参数，进行了能耗的比较。结果表[43]明与原工艺相比,新流程能降低能耗56.9%。叶鑫等分析了甲醇三塔精馏工艺的弊端，采用分割式热泵精馏的方法开发了一种节能效果显著的甲醇热泵精馏新工艺，并对这两种流程的综合能耗进行了对比分析，其综合能耗比三塔精馏工艺[44]降低了50%以上。而在实际生产中，从20世纪80年代末期以来，国内外热泵精馏都取得了很好的效果。国外企业比如瑞士Sulzer公司在乙苯-苯乙稀精馏装置上[45]使用了热泵，与苯乙烯常规塔比较，能耗有了很大程度的降低国内的锦州炼[46,47]油厂和九江炼油厂采用了热泵精馏技术，取得了良好的节能降耗效果。热泵技术具有清洁生产、节能降耗的特点,应用非常广泛，但并非任何条件[32]下都适宜采用,应从以下几个方面进行判定：（1）是否有合适的用热需求,应根据所采用的热泵类型,确定合适的供热温度,10万方数据 浙江工业大学硕士学位论文使热泵系统有较好的经济型；（2）是否有优质的热源，热源应量大且稳定,温度较高，与热泵设置点距离较近,且不具有腐蚀性,不易结垢，对设备磨损较小；（3）运行成本是否低。由于供热方式的改变，相应增加了其它消耗，应探讨是否具有经济效益，一般热泵节能率达30%以上时，才能比锅炉供热成本低；（4）还应当注意采用热泵技术后,是否对原系统产生其它影响。1.3.4多效精馏多效精馏是以多塔代替单塔,利用各塔的能量品位级别不同,品位较高的塔的塔顶蒸汽向能位较低塔的再沸器供热，所以在多效精馏中、只是第一个塔的塔釜需要加入热量，最后一个塔的塔顶蒸汽用外源冷凝水进行冷凝，其余的各塔不需要外界提供能量，以达到节能的目的。一般来说,多数精馏的节能效果是以其效数来决定的。从理论上讲，与单塔相比由双塔组成的双效精馏的节能效果为50%，而三效精馏的节能效果为67%，对于N效精馏,其节能效果可用一个公式[48]来表示：Nh=(1-1)N-1η为节能效果，N为多效精馏的效数，所以在实际化工过程中采用多效蒸馏节能时,要考虑到节省的能量与增加的设备投资间的关系，同时受到受系统临界压力和温度的限制，在效数达到一定程度后，再增加效数时节能效果已不太明显，[49]一般多效精馏的效数为二。双效精馏根据进料方式的不同，可以分为平流型、[50]并流型、逆流型这三种不同的流程：（1）并流型：从高压塔进料，所有原料都送入至高压塔，低压塔的进料为高压塔的塔底采出（HGL型）或者塔顶采出（LGH型）。（2）平流型：两塔都有进料，原料送入至高、低压两塔中，进料分配可以自由选择，高压塔塔顶蒸汽向低压塔塔釜提供热量，两塔塔顶和塔釜均采出产品。（3）逆流型：从低压塔进料，塔底采出作为原料送入高压塔,两塔塔顶均有产品采出,而塔底只有高压塔有产品采出。[51]双效精馏以其良好的节能效果在工业上得到了广泛的应用。刘保柱针对四氢呋喃的回收提出了双效精馏流程并采用PRO/II对工艺过程进行模拟模拟其[52]过程，模拟结果表明双效精馏可节约水蒸汽42.3%。石海涛等对8万t/年的甲醇11万方数据 浙江工业大学硕士学位论文生产过程用三种双效精馏过程分别进行计算，得出在相同生产能力下，逆流型流程得到了较好的节能效果，比单塔流程节约蒸汽加热费用约30.3%。图1-4并流A型双效精馏流程图1-5并流B型双效精馏Fig.1-4Atypeparalleldouble-effectditillationFig.1-5Btypeparalleldouble-effectditillation图1-6平流型双效精馏流程图1-7逆流型双效精馏流程Fig.1-6Advectiondouble-effectdistillationFig.1-7Countercurrentdouble-effectdistillation1.3.5热偶精馏热偶精馏就是指在设计多个塔时，从某个塔内引出一股液相物流或者气相物流直接作为另一个塔的回流，则某些塔中可以避免使用冷凝器或者再沸器，从而直接实现热量的耦合，也就是一种气液互逆接触来进行物料输送和能量传递的流程。热偶精馏流程主要用于三组分混合物或三组分以上混合物的分离。Petlyuk首先提出了热偶精馏塔的概念，主要分为完全热偶精馏塔、侧线蒸馏塔和侧线提[53]馏塔这三种类型。完全热偶精馏流程如图1-8所示，比传统的二塔流程减少一个再沸器、一个冷凝器。12万方数据 浙江工业大学硕士学位论文图1-8完全热偶精馏流程Fig1-8Fullythermallycoupleddistillation侧线蒸馏流程是不完全热偶精馏流程，有两种流程如图1-9所示，相比传统的二塔流程可减少一个再沸器。图1-9侧线蒸馏流程Fig.1-9Thermallycoupleddistillationwithsiderectifiercolumn侧线提馏流程如图1-10所示，相比传统的二塔流程可减少一个冷凝器，且汽液相流量较易控制。13万方数据 浙江工业大学硕士学位论文图1-10侧线气提流程Fig.1-10Thermallycoupleddistillationwithsidestrippercolumn热偶精馏在热力学上是最理想的系统结构，既可节省能耗，又可节省设备投[54]资。计算表明，热偶精馏比两个常规塔精馏可节省能耗20%-40%左右。杨德明针对烷烃分离工艺提出热偶精馏系统，并用aspenplus分别对常规精馏和热偶精馏流程进行了模拟，结果表明热偶精馏可以节约供热量31.5%，热力学效率也有[55]较大的提高。武昊宇等分析了分离多组分混合物的热偶精馏流程的可行性结构，提出了可以设计任何热力学等效结构的通用简捷设计方法，以五组分醇类混合物的分离为例进行了模拟计算，结果表明用通用简捷设计方法得出的大部分热偶流程比简单塔流程能耗低，更有经济上的优势。1.4夹点技术理论节能的发展经历了这样几个阶段：第一阶段，主要表现在回收余热，但在此阶段所着眼的不是整个的热回收系统；第二阶段，考虑单个设备的节能，例如多效蒸发，加入热泵装置、减少精馏塔的回流比等；第三阶段，也就是现在所处的阶段，考虑过程系统的节能。要把一个过程工业的工厂设计的能耗最小、费用最小和环境污染最少，就必须把整个系统集成起来作为一个整体来看待，达到整体设计最优化。所以现在已进入过程系统节能的时代，过程集成方法中目前最实用[56]的是夹点技术，夹点技术已成功的在世界范围内取得了显著的节能效果。1978年，英国曼彻斯特科技大学的B.Linnhoff在他的博士论文中提出了一种[57]过程系统节能的整体优化设计方法—夹点技术。由于夹点技术是过程集成方[58]法中最实用的技术，能取得明显的节能和降低成本的效果，在世界各国得到14万方数据 浙江工业大学硕士学位论文普遍重视。80年代，夹点技术在欧美等工业国家迅速得到推广应用,并取得了显著的经济效益和社会效益。目前欧美等国已有大型工程的新设计和改造采用了该方法都取得了巨大的经济效益，比如国际知名的大公司如联碳公司（UCC）、帝[59]国化学工业公司(ICI)、壳牌公司(Shell)和通用电器公司(GeneralElectricCompany)等均普遍采用夹点技术。近年来我国的一些企业也比较重视夹点技术的应用。清华大学、中国石油大学等单位曾在炼油厂糠醛精制等装置的技术改造中应用夹点技术，并获得明显效益。1.4.1夹点技术的特点夹点技术是以热力学为基础，分析过程系统中能量沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）。夹点[60]技术与其他过程节能方法相比具有简单、直观、实用、灵活等特点：（1）简单只需要物料衡算和能量衡算的数据，而不需要其他热力学数据；着重于物理现象的理解，并在此基础上形成各种过程符合夹点技术的设计准则。（2）直观由于利用热流级联模型和组合曲线等图形方法表示过程能量降价的特点，使得现有过程评价和新过程的综合都十分直观明了。所取得的效益也直观的反应公用工程的用量上，使工程技术人员易于理解和利用。（3）实用夹点技术可以直接用于新过程的设计和改造技术，还可以与系统优化技术相结合，形成系统的过程设计方法，用解决相当复杂的过程综合等问题，具有设计结果与实际较为接近等特点。（4）灵活根据夹点技术编制的程序能指出制约能量瓶颈的部分，并针对瓶颈部分提出具体设计，其余部分可由设计者充分发挥。夹点技术因为具有这些特点被广泛应用于新过程的设计和旧系统的改造，改[61][29]造后老厂运行能耗平均降低20%以上，投资回收期平均少于2年。朱建宁针对目前合成甲醇系统的换热网络设计热回收不充分、循环水消耗量大的问题，采用夹点技术结合软件模拟对某煤化工企业现有甲醇合成气生产系统的换热网络15万方数据 浙江工业大学硕士学位论文进行分析并提出优化建议，蒸汽产出量累计减少约10.4t/h，可节约循环水约500/h，[62]取得显著节能效果。高峰等利用夹点技术对苯乙烯装置进行分析，对整个苯乙烯装置的34种物流划分了45个温区，得出了苯乙烯装置理论上可以节约热用量52.9%，冷用量66.9%。在实际改造中可使苯乙烯装置的总能耗下降了12%。夹点技术不仅局限于热力学问题，而且广泛的延伸到水系统设计中。水夹点技术的[63]应用对于节约过程工业的新鲜水、大幅减少废水排放量方面优势显著。中油[64]公司大庆石化分公司炼油厂应用水夹点技术确定了全系统最小的新鲜水用量，该项目实施可使该厂用水量节约59.5%，在获得巨大的经济效益的同时，对解决目前面临的水资源危机意义重大。1.4.2夹点技术的基本原理夹点技术分析是从研究物流的热特性开始的，工艺物流的特性曲线可以用温-焓图（T-H图）来表示，温-焓图的纵轴为温度T，K(或℃)，横轴为具有热流率单位的焓，kW，在温-焓图上用一线段来表示某物流在某温度区间内相应的焓变化，热物流的走向从高温到低温，冷物流则是从低温到高温。温-焓图中物流线的斜率为物流热容流率（物流的质量流量乘以热容）的倒数。在一过程生产系统中，通常包含有多股热物流和冷物流，在温-焓图上研究一个物流，是作为研究工作的基础，更重要的是应当把它们有机的组合在一起，对于多股热物流和冷物流可以在温-焓图上将他们合并成相应的冷、热复合曲线，可以形象、直观地描述过程系统的夹点位置，复合曲线是夹点技术分析的有力工具，通过分析冷热复合曲线的相对位置可以得到换热网络设计所需的信息，比如夹点温度、物流在系统中所需要的最大冷热公用工程量Qc，min和QH，min，以及系统的最大热回收量QR，max等。在温-焓图上，热复合曲线在左上方，冷复合曲线在右下方，冷热复合曲线的水平移动时，并不改变物流的温位和热变化量，沿H轴平移冷组合曲线使之靠近热组合曲线，在这个过程中各处的传热温差逐步变小，直到某一部位的传热温[61]差达到最小传热温差，该处即为夹点，这个最小传热温差为夹点温差。下图1-11表示的是温-焓图上冷热复合曲线，右上角表示热公用工程至少要提供QH,min的热量才能将冷流股提高到目标温度,左下角表示冷公用工程至少要提供QC,min的冷量才能将热流股冷却到目标温度,中间的叠加部分表示最大可回收的热量16万方数据 浙江工业大学硕士学位论文QR,max。[61]图1-11组合曲线图Fig.1-11Thecompositecurve1.4.3最优夹点温差的确定对于一个给定的夹点温差，可以确定一个夹点，对于不同的夹点温差，会产[65]生不同的夹点位置，产生不同的经济效果。夹点温差的大小是一个重要的参数，夹点温差越小，热回收量越多,所需的冷热公用工程量越小，但同时却会增大换热面积，导致网络投资费用的增加，所以会存在一个使总费用目标最小的最优夹点温差。一般确定夹点温差的方法大致有三类：（1）根据公用工程和换热设备的价格、传热系数、操作弹性等因素的影响来来综合考虑，然后根据经验确定（2）在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，比较各网络的总费用，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。（3）在网络综合之前，根据冷热复合曲线，通过数学优化估算最优夹点温差，步骤分为以下几步：17万方数据 浙江工业大学硕士学位论文物流数据、费用参数计算最小公用工程用量计算最小换热单元数目夹点温差优化搜索计算最小换热面积计算总费用否优化判断是输出设计目标图1-12确定夹点温差和设计目标的计算框图Fig.1-12TheCalculatingdiagramoftemperaturedifferenceanddesigngoals1.4.4夹点的意义在冷热复合温-焓图上夹点处的传热温差最小，等于夹点温差，且此处的热通量为零。也就是说：（1）在换热网络中存在一个热力学限制点即夹点，此处的冷热传热温差最[66]小，夹点限制了能量的进一步回收，构成了系统用能的“瓶颈”所在。如果要继续增大系统能量的回收，就必须改善夹点，即“解瓶颈”。（2）夹点处过程系统的热流量为零，它把过程系统分为两个独立的子系统。夹点上方为热端（温位高），只需要加热公用工程，称为热阱；夹点下方为冷端（温位低），只需要冷却公用工程，称为热源。18万方数据 浙江工业大学硕士学位论文对夹点的上下两个子系统分析可知，如果在夹点之上设置冷却器，用冷却公用工程冷却热物流，移去部分热量，则这些热量肯定要由加热公用工程来提供，夹点之上已经供热不足，现在又加入冷却公用工程，则冷热公用工程的用量均增加了，造成能量的浪费。同理如果在夹点之下设置加热器，用加热公用工程加热冷物流，多出的这部分热量肯定要由冷却公用工程来移出，本身夹点之下已经供热过多，现在又加入冷却公用工程，也造成冷热公用工程的用量的浪费。如果出现跨越夹点的热量传递，使夹点之上的热物流穿过夹点和夹点下部的冷物流进行热匹配，原来夹点之上的热物流供热不足，夹点之下热物流对冷供热过剩，若穿越夹点的热流量为Q，则会增加夹点之上热公用工程Q的能耗量和夹点之下冷公用工程Q的能耗量。所以若想实现系统的最小加热和最小冷却公用工程用量，在设计夹点时必须遵循以下三条原则：(1)夹点之上应避免设置任何公用工程冷却器(2)夹点之下应避免设置任何公用工程加热器(3)避免跨越夹点的传热1.5课题主要研究内容目前国内大部分糖厂生产糖蜜酒精用的蒸馏工艺还是传统的三塔蒸馏工艺，即粗馏塔-排醛塔-精馏塔，最后提取的成品酒精质量低，且蒸馏工艺的能耗较高。本文首先针对糖蜜酒精蒸馏工艺设备容易形成积垢，从而可能会对蒸馏塔造阻塞这一问题，使用浙江工业大学化学工程设计研究所开发的新型高效抗堵圆形固定阀塔板，并对其的流体力学性能进行测试并分别对新固阀塔板和原固阀塔板进行流体力学性能的测试和比较。然后采用化工流程模拟软件对传统的三塔蒸馏流程进行模拟，发现影响成品酒精质量的主要是酒精中甲醇的含量，所以在传统的三塔蒸馏工艺流程加上甲醇塔用以排除甲醇。但四塔流程的能耗很高，问题没有得到较好的解决，因此需要开发出新的节能工艺，降低能耗，实现节能降耗。基于对精馏节能方法的分析和酒精蒸馏工艺的特点选择热泵精馏。但是以前的热泵精馏都是单独进行研究，没有针对整个系统进行热集成，而且主要都是按照经验来19万方数据 浙江工业大学硕士学位论文运用热泵精馏，缺乏理论指导。为了实现整个过程系统的热集成，实现更好的节能降耗效果，可以采用夹点技术理论指导热泵精馏热集成，并将其与热泵精馏相结合，得到一套高效节能低成本酒精蒸馏新工艺。20万方数据 浙江工业大学硕士学位论文第二章实验部分2.1引言由于糖蜜生产原料的特殊性和工艺条件要求等原因，在发酵系统和蒸馏系统的设备表面都会形成积垢，其中以蒸馏系统的设备受热面积垢为甚，对生产造成[67]的危害最大。在传统常压蒸馏塔设备中，其中以粗馏塔最容易积垢，积垢时垢层会附着在蒸馏塔塔板表面，使塔的处理能力下降，当垢层积累到一定的厚度时会使蒸馏塔产生阻塞的情况，甚至会被迫停止蒸馏进行洗塔，这样就严重影响[68][69,70]蒸馏生产效率，会对整个生产工艺产生不利的影响。固定阀塔板同时具有浮阀塔板和筛孔塔板的优点，传质效率高、大通量、操作弹性好和加工费用低的[71]特点。在石油化工、乙烯、煤化工等工业中，遇到含固体物系，或者由于化学反应易结垢的物质的精馏和吸收等操作过程时，固定阀塔板的使用可以有效减少甚至不用中途停车清洗去除结垢而保障设备正常运转，达到工业生产周期长、[72,73]满、优的要求。本文针对酒精蒸馏系统中的粗馏塔设备易生成结垢的特点对浙江工业大学化学工程设计研究所开发的新型高效抗堵圆形固定阀塔板进行流体力学性能的测试研究，并对新固定阀塔板和原固定阀塔板的流体力学性能进行了比较。2.2新固阀和原固阀塔板的结构[74]新固阀和原固阀塔板都采用24个圆形固阀为鼓泡元件，降液管通道都采[75]用矩形悬挂式降液管，从而具备了圆形固定阀和矩形悬挂式降液管塔板的优点。原固定阀塔板的阀腿高为7.5mm，带有1.5mm折边，塔板图片和结构示意图如图2-1和图2-2所示；而新固阀塔板的阀腿高为11mm且不带折边，塔板图片和结构示意图如下图2-3和图2-4所示：21万方数据 浙江工业大学硕士学位论文图2-1旧固定阀塔板图2-2带折边圆形固定阀结构Fig.2-1Theoldfixed-valvetrayFig.2-2Constructionoffixed-valvewithflanging图2-3新固定阀塔板图2-4不带折边圆形固定阀结构Fig.2-3Thenewfixed-valvetrayFig.2-4Constructionoffixed-valvewithoutflanging2.3实验装置实验在一内径为600mm的有机玻璃塔中进行，试验物系为空气－水。实验中，水经过离心泵从塔顶送入塔内，其流量通过转子流量计测量，通过改变水的流量来改变进入塔的液体喷淋密度。气体由一台高压离心通风机产生，经孔板流量计计量后从塔底进入塔内。气体则由一离心式风机产生，经孔板流量计计量后从塔底进入塔内，塔板压降通过微差压计和U型压差计测得。试验装置流程如图2-5所示。22万方数据 浙江工业大学硕士学位论文1-风机；2-孔板流量计；3-差压计；4-塔体；5-测试塔板；6-转子流量计；7-水泵图2-5流体力学性能实验装置流程图Fig.2-5Experimentaldevicesofhydrodynamicperformance2.4实验操作条件和塔板结构表2-1实验操作条件Table2-1Conditionsofexperimentaloperation项目数值操作温度/℃常温25-35操作压力常压操作物系空气-水32液体强度范围/m/m/h10-50空塔气速范围m/s0.2-323万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表2-2实验用塔和塔板的结构Table2-2Theexperimentaltowerandvalueconstruction项目旧固定阀新固定阀实验塔直径/mm600600塔板间距/mm600600堰高/mm5050堰长/mm540540降液管高/mm4804802降液管面积/cm432432开孔率/%10.6710.67阀腿高度/mm7.511有无折边有无2.5实验过程塔内安装3层相同的矩形悬挂式降液管塔板，中间层塔板为测试塔板，顶层塔板为雾沫夹带收集板，底层塔板为漏液收集板和气体分布板。中间塔板上下两测压点在中间塔板上下，间距约为600mm，中间一层塔板的压降通过U形压差计测得。32本试验通过对喷淋密度分别为0、15、30、50m/(m•h)的液体，与空塔F因30.5子为0.45～3.2(m/s)(kg/m)范围内的气体在实验塔内进行逆流操作，测试中间层塔板的干床和湿床压降。试验过程如下：在一定量的液体喷淋密度下，调节气体量至某值，稳定气量和液量10分钟后通过微压差计或U形管差压计读出测试层塔板的压降；然后逐渐增大气量，直至顶层塔板出现液泛（此时测试塔板上部的塔节内会积累大量液体，塔顶有大量雾沫被吹起）。2.6结果与讨论2.6.1原固定阀塔板试验结果与讨论32原固定阀塔板的干床压降和液体喷淋密度分别为15、30、50m/(m·h)的湿24万方数据 浙江工业大学硕士学位论文床压降随气体流量的变化关系如图1所示。其横坐标为气体空塔动能因子F，单30.5位为(m/s)(kg/m)，纵坐标为一块实验测试塔板的压降，单位为Pa，图标中的L32为液体喷淋密度，单位为m/(m·h)。2000原固定阀压降图150032Lm/(mh)015Pa100030P50△50012330.5Fm/s(kg/m)图2-6原固定阀塔板测试压降图Fig.2-6Pressuredroptestpatternoforiginalfixed-valvetray32从图2-6可知，原固定阀塔板干板压降曲线与液体喷淋密度为15、30m/(m·h)压降曲线在较高空塔动能因子是相交的，这说明原固定阀塔板在此操作工况下悬挂式降液管没有能够液封，可能是因为塔板的底盘开孔率过大，在空塔动能因子为2时使得一部分气体通过悬挂式降液管进入上层塔板，从而使得实际测量塔板压降小于真实值。25万方数据 浙江工业大学硕士学位论文2.6.2新固定阀塔板试验结果与讨论2000新固定阀压降图150032Lm/(mh)015Pa100030P50△50012330.5Fm/s(kg/m)图2-7新固定阀塔板测试压降图Fig.2-7Pressuredroptestpatternofnewfixed-valvetray32由图2-7可知，新固定阀塔板干板压降曲线与液体喷淋密度为15m/(m·h)压降曲线在较高空塔动能因子是相交的，这说明新固定阀塔板在此操作工况下悬挂式降液管没有能够液封。从图2-6以及图2-7中可以知，新固定阀相对于旧固定阀塔板更容易使悬挂式降液管液封，这是因为新固定阀塔板具有更小的塔板压降，从而减少了气体从悬挂式降液管的趋势。26万方数据 浙江工业大学硕士学位论文2.6.3原固定阀与新固定阀比较200032L=0m/(mh)1500原固定阀新固定阀Pa1000P△50012330.5Fm/s(kg/m)图2-8原固定阀与新固定阀塔板干板压降比较Fig.2-8Comparationofdryplatepressuredropbetweenoriginalandnewfixed-valvetray150032L=15m/(mh)原固定阀1000新固定阀PaP△50012330.5Fm/s(kg/m)32图2-9原固定阀与新固定阀塔板喷淋密度15m/(m·h)压降比较32Fig.2-9Comparationofpressuredropwhenspraydensityis15m/(m·h)betweenoriginalandnewfixed-valvetray27万方数据 浙江工业大学硕士学位论文200032L=30m/(mh)1500原固定阀新固定阀PaP1000△50012330.5Fm/s(kg/m)32图2-10原固定阀与新固定阀塔板喷淋密度30m/(m·h)压降比较32Fig.2-10Comparationofpressuredropwhenspraydensityis30m/(m·h)betweenoriginalandnewfixed-valvetray200032L=50m/(mh)1500原固定阀新固定阀PaP1000△50012330.5Fm/s(kg/m)32图2-11原固定阀与新固定阀塔板喷淋密度50m/(m·h)压降比较32Fig.2-11Comparationofpressuredropwhenspraydensityis50m/(m·h)betweenoriginalandnewfixed-valvetray由图2-8可以看出新固阀的干板压降低于原固阀，是因为新固阀的阀腿比原固阀的阀腿要高，导致固阀与塔板间的空隙面积增大；由图2-11可以看出在喷淋密度50的条件下，空塔动能因子达到2.34时，原固阀塔板出现了液泛现象，而新固阀未出现明显的液泛现象，且气量操作上限更大。由以上4图可以看出无32论是干板压降和还是喷淋密度分别为15、30、50m/(m•h)的湿床压降新固阀塔28万方数据 浙江工业大学硕士学位论文板都要比原固定阀塔板要低，在相同的喷淋密度下，新固定阀塔板比原固定阀塔板有更大的操作上限，表明新固定阀塔板能处理更大气量的物料。2.7结果与讨论本章实验部分分别对阀腿高度为6.5mm带1.5mm折边的原圆形固定阀塔板和阀腿高度为11mm且不带折边的新圆形固定阀塔板进行了流体力学测试。通过比较32原固定阀塔板和新固定阀塔板的干板压降和喷淋密度分别为15、30、50m/(m•h)的湿床压降，从结果可以看出新固定阀塔板相对于原固定阀塔板具有更小的塔板压降，更容易使悬挂式降液管液封，而且新固定阀塔板相对于原固定阀塔板能够处理更大气量的物料。新固阀的阀腿高度变长，同时消除了折边，导致固阀的开度变大，增加了新固阀塔板的抗堵性能，有望在粗馏塔易形成结垢的酒精蒸馏系统中得到良好的应用。29万方数据 浙江工业大学硕士学位论文第三章酒精蒸馏工艺模拟3.1流程模拟概述流程模拟技术是近几十年发展起来的一门综合学科，是过程系统工程中一门[76]重要的技术，同时也是过程系统工程中最基本的技术，过程系统的分析、优[77]化以及综合，都是以流程模拟为基础的。它综合运用了过程工程、计算数学等学科的理论和方法，在计算机上对工业流程的整个流程系统（包括单元过程及设备）进行描述，对过程的物料平衡、热量平衡、化学平衡等进行计算，预测操作变量对过程及产品的产量、质量的影响，从而指导科研、设计和装置的操作优化，做出环境评价和经济评价，达到生产优化、节约资源、保护环境、提高经济[78-79]效益的目的。经过这么多年的发展，这一技术已经普遍应用在化学工程设计[80]领域，同时也成为化学工程专业教学的常用工具。3.1.1流程模拟算法简介流程模拟的算法基本可以归为三种：序贯模块法、联立方程法和联立模块法[81]。序贯模块法应用历史最久，应用范围最广，目前大多数流程模拟都是应用这种方法，它可以将各种单元模块组合起来描述流程，然后按照物流流动的顺序对各单元模块依次进行计算。这种方法的优点是可以直观地联系实际过程，并且计算出错时容易诊断出错的位置；缺点是如果存在循环物流就需要反复迭代，计[82]算效率不高。联立方程法又叫做面向方程法，它是将所有的模型方程联合起来形成一个大的非线性方程组，然后用计算机求解。联立方程法的优点是计算效[83]率高，可以灵活的确定输入和输出变量，不受实际物流和结构的影响；缺点是需要一个较好的初值，没有序贯模块法那样直观，计算出错时也不容易诊断。联立模块法也叫做双层法，结合了序贯模块法和联立方程法，根据序贯模块法的严格模型的计算结果然后利用近似的简化模型进行代替，与设计规定一起构成方程组联立求解，若不收敛，重新迭代严格模型，这样对严格单元模型和简化模型[84]进行交替求解，直至收敛。这钟方法的优点是兼有序贯模块法和联立方程法的优点，提高了求解速度；缺点是将严格模型进行简化需要花费很多的时间。30万方数据 浙江工业大学硕士学位论文3.1.2AspenPlus简介[85][86]目前应用较为广泛的流程模拟软件有AspenPlus、PRO/II等。AspenPlus是美国麻省理工学院于七十年代后期研制开发的大型化工模拟软件，美国ASPEN技术公司八十年代初推向市场，是一款通用的化工流程模拟、优化和设计软件，经过几十年的不断改进、完善已成为全世界公认的标准大型过程模拟软[87]件。AspenPlus提供了丰富的单元操作模型库、大量的物性数据、和严格的热[88]力学估算模型库，可用于各类工业流程的模拟。这套系统功能齐全、规模庞大，在化学、炼油加工、石油化工、发电、冶金、医药、节能、食品和生物技术[89,90]等领域有着广泛的应用，在过程开发设计和老厂的改造中都有着重要的作用。3.2糖蜜酒精传统三塔蒸馏工艺模拟3.2.1工艺模拟的前期准备（1）单元模型的选取AspenPlus中有五十多种单元操作模型，如换热、混合、反应、精馏等，用户可以通过组合这些模块来模拟所需要的流程。其中塔的模型分为DSTWU、Distl、RadFrac、Extract、MultiFrac、SCFrac、PetroFrac和BatchFrac几种类型。本文根据酒精蒸馏工艺的特点主要选取了Columns下的严格模型RadFrac来进行模拟研究。RadFrac是一个用于模拟所有类型多级气-液精馏操作的模型，既可以用作设计，也可以用来核算。除了普通精馏，它还能模拟吸收、气提、再沸吸收和再沸气提、萃取精馏和共沸精馏，模拟结果可以得到各塔的物流信息，逐板数据等。（2）物性方法的选择选择一个合适的物性方法对于模拟流程来说是非常重要的，不同的物系条件和组成，会使各组分间的交互作用情况也不同，Aspen里内置的物性方法主要包括两类：状态方程法和活度系数法。在酒精蒸馏体系中，除目标组分乙醇外，还含有几十种非目标组分，其中主要的发性物质包括醇类、醛类、酯类和酸类等，构成了复杂的分离体系，具有高度的非理想性的强极性体系水-醇体系占据主导的地位。建立模型时，可以采用活度系数法校正体系的非理想性。NRTL模型31万方数据 浙江工业大学硕士学位论文能模拟极性和非极性化合物的混合物，甚至很强的非理想体系，所以采用活度系数法中的NRTL物性方法。NRTL方程的吉布斯函数和活度系数方程形式为：EåtjiGxjijGj=åxi(3-1)RTiåGxkikkéùåtijGxijjxGêúåxGktjkjklngti=j+-åjjiêújik(3-2)jêúåGikxkååGjkxkêúGxjkkkkkëûtij=-(gijgii)/RT(3-3)Gij=-()at(3-4)ijij3.2.2三塔蒸馏模型的建立用AspenPlus对传统的三塔蒸馏工艺建立模型进行模拟，具体的步骤分为以下几步：（1）根据工艺流程按照顺序选择模拟所需要的单元模块，然后连接好各股物流；（2）输入全局信息变量，设定模拟选项，定义单位集；（3）输入所有的组分信息；（4）选择物性方法；（5）输入进料物流信息，如组分组成、流量、温度压力等；（6）设定各设备参数、塔顶蒸出量、回流比和操作压力等；（7）运行AspenPlus进行流程模拟，得出结果。3.2.3三塔蒸馏工艺的模拟在AspenPlus中建立模型时，所有的塔设备都选择Columns库中的Radfrac严格模型，泵选择PressureChangers库中的Pump模块，对工艺流程进行稳态模拟，模拟示意图如图3-1所示：32万方数据 浙江工业大学硕士学位论文D1D2D3T3S1T1F1T2S2W4P1W3V1W2V3V2W1F1-成熟发酵醪T1-粗馏塔T2-排醛塔T3-精馏塔D1-粗酒精D2-醛酯酒精D3-工业酒精V1-蒸汽V2-蒸汽V3-蒸汽W1-废渣W2-脱醛酒W3-废水S1-酒精成品S2-杂醇油P1-泵图3-1三塔流程模拟流程示意图Fig.3-1Thesimulatingprocessflowdiagramofthree-columnalcoholditillation在酒精的蒸馏体系中，除了目标组分乙醇外，还含有几十种非目标组分，其中主要的挥发性物质包括乙醇在内的醇类、醛类、酯类和酸类等，食用酒精国家标准规定的挥发性杂质为甲醇，酸（以乙酸计），醛（以乙醛计），酯（以乙酸乙酯计），杂醇油（正丙醇、正丁醇、异戊醇），国家对食用酒精各项杂质具体的规定(GB10343-2008)见附录表1。酒精的成熟发酵醪处理量为15000kg/h，具体的进料组分和各组分组成见下表3-1。表3-1酒精蒸馏原料的进料组成Table3-1Feedofalcoholdistillation流量质量分数/kg/hr乙醇甲醇乙醛乙酸乙酸乙酯正丙醇-4-4-6-5-50.081.2×108.5×102.7×102.65×102.6×1015000正丁醇异戊醇水醪渣-5-46×101.8×100.85470.06455关于操作参数方面，设备参数、操作参数和实际工况运行过程中的物流，设备信息取自广东南海糖厂的醪塔——醛塔——精馏塔组成的半直接式三塔系机组。由于酒精的蒸馏过程是一个高耗能的过程，可以利用AspenPlus中的灵敏度分析等工具，对塔设备的一些参数如进料位置、蒸汽用量等进行优化，这些参数都会对整个蒸馏工艺的能耗有着不同程度的影响。比如绘制各塔的蒸汽用量和关33万方数据 浙江工业大学硕士学位论文键物流组分质量分数之间关系的曲线，三塔蒸馏流程各塔的蒸汽用量和关键物流组分质量分数之间关系的灵敏度分析关系图如图3-2，3-3和3-4，从灵敏度分析曲线中可以得到三塔蒸馏工艺满足各塔分离条件时各塔的蒸汽用量。0.0070.0060.005分数0.004质量0.003乙醇10.002W0.0010.0002400260028003000320034003600T1蒸汽用量(kg/h)图3-2T1蒸汽用量V1和W1中乙醇含量的关系Fig.3-2TherelationshipbetweenmassflowofV1andmassfractionofacetaldehydeinW10.000120.000100.00008分数0.00006质量醛0.00004乙2W0.000020.0000002004006008001000T蒸汽用量(kg/h)2图3-3T2蒸汽用量V2和W2中乙醛含量的关系Fig.3-3TherelationshipbetweenmassflowofV2andmassfractionofacetaldehydeinW234万方数据 浙江工业大学硕士学位论文0.950.940.93分数0.92质量0.91乙醇10.90S0.890.8810001500200025003000T蒸汽用量(kg/h)3图3-4T3蒸汽用量V3和S1中乙醇含量的关系Fig.3-4TherelationshipbetweenmassflowofV3andmassfractionofethanoinS1规定了各塔的分离任务，从以上三个灵敏度分析图曲线可以得出三塔蒸馏流程在满足各塔分离任务的同时各塔需要的最少蒸汽用量，从而达到节省蒸馏工艺的能耗的要求。三塔蒸馏流程具体的工艺操作参数见表3-2：表3-2三塔蒸馏工艺操作参数Table3-2Operatingparametersofthree-columndistillation塔板数进料板塔顶蒸出塔顶压力加热模蒸汽用量量/kg/hr/atm式/kg/hrT125123591.1直接蒸2687.5汽T23220301直接蒸400汽T37254251.2直接蒸1833.3汽由AspenPlus模拟计算可以得到三塔蒸馏工艺的详细工艺物流信息以及冷热复合等数据，具体的三塔蒸馏工艺关键物流的模拟结果见下表3-3。通过三塔蒸馏工艺模拟的结果可以看出，酒精的成熟发酵醪经过三塔蒸馏工艺处理后，精馏塔测线S1得到的成品酒精中乙醇的质量分数达到了93.4%，食用酒精国家标准规定的挥发性杂质乙醛、乙酸、乙酸乙酯和杂醇油类都得到了较好的分离，达到了国家食用酒精（GB10343-2008）优级的标准，但是成品酒精中的甲醇杂质仍有一定残留，没有达到优级食用酒精产品的标准，可以看出三塔蒸馏流程的甲醇分离效果不是很好。所以为了将酒精中的甲醇杂质更好的进行分离，必须在传统三塔蒸馏流程的基础上加入甲醇塔，建立酒精四塔蒸馏流程。35万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表3-3三塔蒸馏流程关键物流模拟结果Table3-3Keystreamssimulationresultofthree-columndistillation粗馏塔塔粗馏塔塔排醛塔塔排醛塔塔精馏塔塔精馏塔侧顶D1底W1顶D2底W2顶D3线S1(酒精产品)流量/kg/hr2378.1815309302829.18301220温度/℃94.1106.259.038677.7483.3-5乙醇0.5085.25×100.7030.4290.9410.934-4-5-4-3-4甲醇5.35×102.89×100.0163.17×103.81×106.17×10-3-6-5-7乙醛2.86×10——0.2251.07×109.13×101.60×10-6-6-6乙酸1.66×102.38×10——1.38×10————质量乙酸1.68×10-4——0.0131.12×10-75.23×10-66.7×10-8分乙酯数正丙1.65×10-4——7.84×10-71.38×10-43.32×10-63.45×10-5醇-4-4正丁3.81×10————3.18×10————醇-3-4异戊1.1×10————9.54×10————醇水0.4860.937——0.5820.0430.065-6-6醪渣6.55×100.063——5.46x10————3.3四塔蒸馏工艺模拟甲醇是酒精中的主要有害物质，对人体的毒性很大，累积量达到4～10g就能[91]使人中毒，严重时可致使双目失明甚至死亡。为此国家颁布的食用酒精标准对甲醇的含量有严格的规定，国际上更是如此。根据乙醇与杂质的分离原理，甲醇在酒精浓度低于40%(V)时的精馏系数小于1，随着酒精浓度的升高而不断增大，在酒精浓度高度为95%(V)时，精馏系数达到1.92，这时甲醇的挥发性高于乙醇近一倍，甲醇在不同酒精含量时的精馏系数见附录表2。因此甲醇在高浓度酒精时容易进行分离，所以在三塔蒸馏工艺流程的精馏塔后加入甲醇塔进一步分离甲醇，建立四塔蒸馏流程，保证甲醇的彻底分离，提升成品酒精的质量，具体的四塔蒸馏工艺流程如图3-5：36万方数据 浙江工业大学硕士学位论文D1D2D3D4T2T1T3F1T4S1W5W2W4V2P1W3V1V3W1F1-成熟发酵醪T1-粗馏塔T2-排醛塔T3-精馏塔T4-甲醇塔D1-粗酒精D2-醛酯酒精D3-工业酒精D4-甲醇杂质V1-蒸汽V2-蒸汽V3-蒸汽W1-废渣W2-脱醛酒W3-废水W4-成品酒精S1-杂醇油P1-泵图3-5糖蜜酒精四塔蒸馏工艺Fig.3-5Processoffour-columnmolassesalcoholdistillation同样为了在满足甲醇塔分离条件的同时尽量降低甲醇塔的能耗，利用AspenPlus中的灵敏度分析工具对甲醇塔T4塔顶物流D4中的甲醇质量分数和甲醇塔回流比之间的关系进行分析优化，灵敏度分析曲线如下图3-6，从灵敏度分析图中可以看出当摩尔回流比达到130左右时，塔顶物流D4中甲醇的质量分数的变化开始变化较为平缓，D4中甲醇含量也达到了甲醇塔的分离任务的要求，从而得到满足食用酒精中甲醇杂质分离要求时甲醇塔T4的回流比。甲醇塔的具体工艺操作参数见表3-4：0.050.04分数0.03质量0.02醇甲4D0.010.00020406080100120140160T回流比4图3-6T4回流比和D4中甲醇含量的关系Fig.3-6TherelationshipbetweenrefluxratioandmassfractionofmethanolinD437万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表3-4甲醇塔设备参数Table3-4Deviceparametersofmethanolcolumn参数甲醇塔塔板数65进料位置25塔顶压力/atm1塔顶蒸出量/kg/hr20加热模式再沸器根据四塔蒸馏工艺的模拟结果，甲醇塔塔底W4的成品酒精中乙醇的质量分-5数达到了93.5%，而甲醇的质量分数为2.44×10，计算得出每升成品酒精中约含有15毫克甲醇，达到了食用酒精国家标准中对甲醇杂质含量的要求，可以看出酒精中的甲醇杂质在甲醇塔中得到了很好的分离效果，对比附录1的食用酒精国家标准可以看出成熟酒精发酵醪在经过四塔蒸馏工艺的处理后，甲醇塔塔底成品酒精中包括甲醇杂质在内的的挥发性杂质都得到了很好的分离，酒精产品的质量已经达到了食用酒精国家标准的优级标准。四塔蒸馏工艺回收率达到了96%，回收了大部分的乙醇，减少了乙醇的损失，有利于提到经济效益，塔顶排出的酒精也可以作为工业酒精出售，四塔蒸馏工艺关键物流模拟结果见下表3-5：38万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表3-5四塔蒸馏关键物流模拟结果Table3-5Keystreamssimulationresultoffour-towerdistillation精馏塔塔顶精馏塔塔底甲醇塔塔底甲醇塔塔顶D3W3W4(酒精产品)D4流量/kg/hr12503532.5123020温度/℃80.25111.482.576.8热负荷/kW1233.07——673.5670.98乙醇0.934——0.9350.909-4-5甲醇7.67x10——2.44×100.0475-4乙醛——————1.41×10乙酸————————-5乙酸乙酯——————1.27×10-5-5质量正丙醇5.31×10——2.81×10——分数正丁醇————————异戊醇————————水0.0650.99960.0630.043-4醪渣——3.46×10————但是，在未使用任何节能技术的情况下，酒精蒸馏工艺的能耗是很高的。产量为1220kg/h成品酒精的三塔蒸馏工艺总共要消耗水蒸气量4920.8kg/h，单位能耗约为4.03kg蒸汽/kg酒精；将四塔蒸馏工艺中甲醇塔再沸器的热负荷673.5kW折合成1147.36kg/h的水蒸气消耗量，得出产量为1230kg/h成品酒精的四塔蒸馏工艺总共要消耗水蒸气量6303.71kg/h，单位能耗约为5.12kg蒸汽/kg酒精，三塔蒸馏工艺和四塔蒸馏工艺的各塔蒸汽用量情况见下表3-6。从表中可以看出虽然四塔蒸馏工艺因为加入了甲醇塔，蒸汽用量比三塔蒸馏工艺有所增加，但四塔蒸馏工艺保证了酒精中甲醇的分离效果，使酒精成品质量提升，达到了食用酒精优级标准。因此为了在提高酒精产品质量的同时降低酒精蒸馏工艺的蒸汽用量，实现节能降耗，必须对四塔蒸馏工艺进行节能研究。39万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表3-6酒精蒸馏工艺用能情况Table3-6EnergyConsumptionofalcoholdistillation消耗蒸汽量四塔蒸馏流程三塔蒸馏流程粗馏塔2756.35kg/h2687.5kg/h排醛塔400kg/h400kg/h精馏塔2000kg/h1833.3kg/h甲醇塔1147.36kg/h——总能耗6303.71kg/h4920.8kg/h单位能耗5.12kg蒸汽/kg酒精4.03kg蒸汽/kg酒精3.5本章小结本章主要内容有两部分：一是对糖蜜酒精传统的三塔蒸馏工艺流程进行模拟；二是在三塔蒸馏工艺的基础上为了实现对甲醇的有效分离进行了流程重组，加入了甲醇塔得到四塔工艺流程并对四塔蒸馏工艺流程进行模拟优化。首先介绍了流程模拟技术的发展概况、主要算法及流程模拟软件AspenPlus的一些应用。在此基础上，以流程模拟软件AspenPlus为工具，通过选择合适的模型、物性方法等模拟参数，建立蒸馏工艺模型，实现了对三塔蒸馏过程的计算机模拟，得到各塔的物流信息、用能情况等数据。由模拟结果发现，经三塔蒸馏工艺得到的成品酒精中的杂质甲醇没有达到很好的分离效果。基于甲醇对人们身体的危害程度必须对食用酒精中甲醇的含量有严格的要求，所以在三塔蒸馏工艺的基础上加入甲醇塔并对四塔蒸馏工艺进行了模拟及优化，最终在甲醇塔的塔底得到了符合国家标准《食用酒精》（GB10343-2008）的优级酒精产品。本章所提出的四塔蒸馏工艺满足了国家规定的酒精杂质的分离要求，但是需要很多的蒸汽量，所以下一章的主要内容是进行工艺的节能研究，本章工艺模拟结果得到的物流信息、蒸汽量（热负荷）等数据为一章的能量集成提供了基础。40万方数据 浙江工业大学硕士学位论文第四章利用夹点技术进行节能精馏流程设计4.1引言上一章利用AspenPlus对酒精的三塔和四塔蒸馏工艺进行模拟及优化，模拟结果显示，酒精的蒸馏过程需要消耗大量的蒸汽，而塔顶又需要外加冷却水进行冷凝，将热量移走。由于塔顶蒸汽所含的热量很高，用外来冷却水来进行冷凝既需要消耗大量冷却水，塔顶蒸汽的热量也变成了废热排出。为此，系统的热效率很低，经济性也不好。为满足系统的传热温差，实现各塔之间热集成，必须合理设置各塔的操作压力。设定四塔蒸馏工艺中的精馏塔和甲醇塔为加压塔，塔顶压力分别为4atm和3.3atm，粗馏塔和排醛塔为常压塔。由于塔四甲醇塔的塔顶与塔底的温差较小、塔顶的冷凝器负荷与塔低再沸器负荷比较接近，根据第一章中对精馏节能技术的研究，可以尝试采用热泵精馏节能技术对塔四的塔顶低温位的热量进行回收利用。4.2利用夹点理论指导热泵精馏热集成热泵精馏是将精馏塔的塔顶蒸汽加压升温，使其用作塔釜再沸器的热源，大量的理论分析、实验研究以及工业应用都表明其是一种高效的节能技术。但是目前热泵精馏技术的运用缺乏一定的理论指导，而且只是从局部角度出发，没有从整个系统的角度来考虑，这样容易导致低效的热集成。如果能量回收系统中存在热泵，为了最有效的利用资源，从热力学的角度对热放置的位置有严格的要求，将其放置在合适的位置才能取得很好的节能效果。如果违反这种要求，非但无益反而会给系统带来额外的负担，增加系统的冷、热公用工程量。因此本文采用过程热集成方法夹点技术来指导热泵精馏的运用，从而进行节能换热网络设计。根据热泵和夹点的相对位置可以根据夹点技术理论分成三种情况进行热力学分析：热泵放置夹点之上、热泵放置夹点之下、热泵跨越夹点。具体的三种情况如图4-1所示：（1）热泵放置在夹点之上热泵从夹点之上的系统取得Q单位的热量，然后将（Q+W）的热量送还夹点41万方数据 浙江工业大学硕士学位论文之上的系统。此时，相当于在夹点之上引入了热公用工程，热泵的作用只是将一部分热公用工程的消耗用外加功W来替换。这样做一般是不值得的，因为外加功的产生会消耗比W更多的热量，且增加了设备和操作难度。（2）热泵放置在夹点之下这种情况实际上相当于在于在夹点下方引入了热公用工程，违背了夹点技术原则，使得外加功W转化为废热移出，因此这样做不但没有节省能量，反而使夹点之下的换热器负荷增加，投资也相应增加。（3）热泵跨越夹点热泵从夹点之下取出热量Q，用外加功W将其送到夹点之上的系统，也就是将夹点下方的塔顶蒸汽进行加热使其到达夹点上方，为夹点上方的塔釜液体提供热量，同时使热公用工程和冷公用工程节省了（Q+W）和Q的热量，实现了热量和投资均节省的目的。图4-1热泵和夹点的相对位置示意图Fig.4-1Relativepositionbetweenheatpumpandpinchpoint由此可以得出热泵在系统中配置的准则是穿越夹点操作，可以使热泵精馏取得良好的节能效果。根据这个准则可指导热泵在酒精四塔蒸馏工艺流程的合适的放置位置，从而对整个系统进行合理的热集成。4.3基于夹点技术的四塔酒精蒸馏节能工艺设计利用上述夹点技术对酒精四塔蒸馏工艺进行分析：首先，提取工艺物流数据，42万方数据 浙江工业大学硕士学位论文计算在不同的夹点温差下所需要的能量费用和设备费用，选取总费用最低时所对应的夹点温差为最优夹点温差；再绘制最优夹点温差下系统的组合曲线，确定夹点位置，分析各精馏塔的塔顶与塔釜物流相对于夹点的位置，再依据夹点技术的基本原则及热泵精馏运用的指导原则进行生产装置能量的综合与优化，实现系统用能的合理化。4.3.1从工艺流程中提取物流对换热系统进行夹点分析首先要获取所有参与换热的物流数据。物流可以选择系统中工艺物流间换热或与公用工程物流换热的工艺物流，比如塔产品的加热或冷却，再沸器和冷凝器的热负荷等。塔内部的物流不参与过程系统之间的换热所以不予考虑。塔顶冷凝器和塔底再沸器可以折算为过程物流处理，因为他们需[92]要和公共工程之间进行换热达到目标温度。本文主要是利用夹点理论研究酒精四塔蒸馏工艺各塔之间的热集成，因此只需提取酒精四塔蒸馏工艺的塔顶冷凝器和塔底再沸器的物流。由于塔一是汽相过塔，而且直接蒸汽加热的水蒸气属于热公用工程，所以提取的物流数据如下表4-1所示：表4-1四塔蒸馏工艺的物流数据Table4-1Streamdataoffour-columnprocess物流名称物流性质初始温度(℃)目标温度(℃)热负荷（kW）塔一再沸器冷物流105.94106.261783.91塔四再沸器冷物流113.18113.23876.71塔二冷凝器热物流72.4958.831359.13塔三冷凝器热物流118.37118.301781.53塔四冷凝器热物流110.84110.53883.394.3.2最优夹点温差夹点温差取值的大小是换热网络中一个关键的因素，直接影响热回收量和换热网络面积，夹点温差越小，回收的热量增加，所需的冷热公用工程量越小，但由于传热面积会增大，造成设备投资费用的增加；如果夹点温差增大，回收的热量减小，所需的冷热公用工程量越多，造成能量费用的增加。因此对于总经济费用存在一个最优夹点温差使总经济费用达到最低，综合换热网络应在最优夹点温差下进行。43万方数据 浙江工业大学硕士学位论文换热系统中的热公用工程采用饱和蒸汽，冷公用工程采用冷却水，热公用工程的工业蒸汽价格按每吨200元计算，冷公用工程的冷凝水价格按每吨2元计算，然后将单位质量的公用工程费用换算成单位能量公共工程的费用，冷热公用工程具体数据如下表4-2：表4-2冷热公用工程参数Table4-2Utilitiesdata公用工程公用工程性质初始温度(℃)目标温度(℃)价格(￥/kW·h)水蒸气热公用工程1501500.341冷却水热公用工程25350.171换热网络总投资费用包括公用工程能量费用和设备投资费用两部分。公用工程能量费用可以通过如下公式计算：CE=CHQH+CcQc式中：CH为单位加热公用工程费用，￥/kW·hQH为加热公用工程用量，kW；Cc为单位冷却公用工程费用，￥/kW·hQc为冷却公用工程用量，kW。利用问题表格法计算出系统需要的最小冷热公用工程用量，取冷、热流体之间最小传热温差为8℃。（1）分别将所有热物流和所有冷物流的初始、目标温度（℃）按从小到大的顺序排列起来。热物流：58.83，72.49，10.53，110.84，118.30，118.37冷物流：105.94，106.26，113.18，113.23（2）计算提取出的冷热物流的平均温度（℃），即热物流温度下降ΔTmin/2，冷物流温度上升ΔTmin/2，热物流：54.83，68.49，106.53，106.84，114.3，114.37冷物流：109.94，110.26，113.18，113.23（3）将所有冷热物流的平均温度从小到大排列起来，划分温区。冷热物流：54.83，68.49，106.53，106.84，109.94，110.26，114.3，114.37，44万方数据 浙江工业大学硕士学位论文117.18，117.23（4）计算外界无热量输入时各温区之间的热通量，确定最小加热工程用量。最后计算出外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量，由最后温区输入的热量即为系统最小冷却公用工程用量。计算结果得出的问题表格如下表4-3。表4-3问题表格Table4-3ProblemTable累积热量/kW热通量/kW温度和温亏缺热量区/kW输入输出输入输出117.23℃温区1876.710-876.71879.092.38117.18℃114.37℃温区2-1781.53-876.71904.822.381783.91114.3℃110.26℃温区31783.91904.82-879.091783.910109.94℃106.84℃温区4-883.39-879.094.30883.39106.53℃68.49℃温区5-1359.134.31363.43883.392242.5254.83℃由问题表格可以得出最小温差为8℃时，系统需要的最小加热工程用量为879.09kW，最小冷却工程工程用量为2242.52kW。45万方数据 浙江工业大学硕士学位论文换热系统中的换热设备主要是换热器，费用包括安装和运行费用，可通过以下公式计算：0.95CN=8371+471.82A式中：2A为换热面积，单位为m换热网络总费投资费可通过如下公式计算：CT=CEB+CN/R式中：CT为换热网络总投资费用，￥/a；B为设备年运行时间，h/a；R为设备折旧年限，a。设备的年运行时间假设为7200个小时，设备的折旧年限设为5年，利用以上各种费用参数及计算公式得到不同夹点温差下的能量费用、设备投资费用以及总投资费用，然后在图中绘出三者随夹点温差变化的曲线，如图4-2所示；12108-1a·66￥能量费用/104设备费用用总投资费用费20810121450夹点温差/℃图4-2夹点温差与投资费用的关系Fig4-2Therelationshipsbetweentemperaturedifferenceandcost从图4-2可以看出，夹点温差越大，系统的总能量费用越大，但设备投资却随夹点温差的增大而减少；夹点温差越小，系统总能量费用越小，但设备投资却增加。总投资费用随着夹点温差的增大先减小后增大，存在一个最优值，当夹点46万方数据 浙江工业大学硕士学位论文温差增大至12℃时，年总费用最低，此后随着夹点温差继续增大，换热网络总费用将会一直增加，因此取12℃为系统的最优夹点温差。4.3.3绘制组合曲线图根据提取的工艺物流数据绘制出冷热复合曲线图，如下图4-3所示。120110100)℃(90T80热组合曲线冷组合曲线706050010203040502H(10/kw)图4-3四塔蒸馏工艺组合曲线图Fig.4-3Thecompositecurveoffour-towerprocess组合曲线图可以确定夹点的位置，夹点温差12.4℃，夹点处热物流为塔三的塔顶蒸汽，温度为118.37℃，冷物流为塔一塔底的液体，温度为105.94℃。从组合曲线图可以看出，塔三的塔顶蒸汽可以作为塔一塔底的热源，为塔一提供热量，从而使塔一和塔三形成双效精馏。4.3.4双效精馏节能工艺的模拟双效精馏按照压力的组合划分，可以分为加压-常压、常压-减压、加压-减压、[93]减压-减压等几种形式。由于原先的四塔蒸馏工艺中各塔都是常压，为了实现各塔之间的热集成，对塔三进行加压，从而获得塔三冷凝器和塔一再沸器之间的温差推动力，实现用塔三的塔顶蒸汽作为塔一塔底加热的热源，具体的操作流程如下图4-4所示：47万方数据 浙江工业大学硕士学位论文F1-成熟发酵醪T1-粗馏塔T2-排醛塔T3-精馏塔T4-甲醇塔D1-粗酒精D2-醛酯酒精D3-工业酒精D4-甲醇杂质V1-蒸汽V2-蒸汽V3-蒸汽W1-废渣W2-脱醛酒W3-废水W4-成品酒精S1-杂醇油图4-4四塔双效精馏工艺流程图Fig.4-4Processoffour-towerdouble-effectdistillation在该双效精馏流程中，使加压塔T3的冷凝负荷与常压塔T1的热负荷完全匹配，即使T3的塔顶蒸汽冷凝负荷刚好等于T1塔底的加热负荷，这样加压塔T3的冷[94]凝器可以与常压塔T1的再沸器可以合并成为一个换热器，这样既节省了流程的能耗又节省了设备投资。另外要保证两塔间的换热顺利进行，只满足加压塔冷凝负荷与常压塔加热负荷相等是不够的，还要使加压塔T3的塔顶温度高于常压塔T1塔底温度才能保证需要的传热推动力。在不同的操作压力下，加压塔T3塔顶的温度约为118。37℃，常压塔T1的塔底温度约为105.94℃，温差约为12℃，保证了传热所需推动力，可以进行有效换热，形成双效精馏。双效精馏流程关键物流模拟结果见表4-3，常规四塔蒸馏流程和使用双效精馏后的四塔蒸馏流程的蒸汽用量情况如下表4-4：48万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表4-4双效精馏关键物流模拟结果Table4-4Keystreamssimulationresultofdouble-effectdistillation精馏塔塔顶精馏塔塔底甲醇塔塔底W4甲醇塔塔顶D3W3（酒精产品）D4流量/kg/hr1250.034840.11123020温度/℃118.31147.9982.576.8热负荷/kW1787.15——754.9799.36乙醇0.933——0.9330.908-4-5甲醇7.88×10——1.22×100.0485-6-4乙醛2.26×10————1.41×10乙酸————————-5质量乙酸乙酯——————1.28×10分数正丙醇————————正丁醇————————异戊醇————————水0.0660.99970.0670.043-4醪渣——2.53×10————表4-5常规精馏和双效精馏用能情况Table4-5energyconsumptionforconventionaldistillationanddouble-effectdistillation消耗蒸汽量四塔蒸馏流程双效精馏流程粗馏塔2756.35kg/h——排醛塔400kg/h400kg/h精馏塔2000kg/h3100kg/h甲醇塔1147.36kg/h1147.36kg/h总能耗6303.71kg/h4647.36kg/h单位能耗5.12kg蒸汽/kg酒精3.78kg蒸汽/kg酒精49万方数据 浙江工业大学硕士学位论文对常规的酒精四塔蒸馏流程使用双效精馏后，T1塔不需要外来蒸汽加热，产量为1230kg/h的双效精馏工艺流程总共消耗蒸汽量约为4647.36kg/h，单位能耗约3.78kg蒸汽/kg酒精，而产量为1230kg/h的常规四塔蒸馏流程四塔总共消耗水蒸气量约6303.71kg/h左右，单位能耗约为5.12kg蒸汽/kg酒精，与之相比，双效精馏工艺的单位能耗蒸汽下降：(5.12-3.78)/5.12×100%=26.17%。4.3.5热泵精馏节能工艺的设计及模拟从图4-3的四塔蒸馏工艺组合曲线图可以看出，塔四的塔顶蒸汽热物流在夹点下方，塔底液体冷物流在夹点上方，如果为塔四添加热泵符合跨越夹点操作的原则，是热泵的合适的配置位置，所以按照夹点技术理论的基本原则，可以为塔四添加热泵，构成合理的热泵精馏集成，所以新的酒精蒸馏节能工艺同时采用了双效精馏节能技术和热泵精馏节能技术。新的节能型酒精四塔蒸馏工艺具体流程如下图4-5所示：F1-成熟发酵醪T1-粗馏塔T2-排醛塔T3-精馏塔T4-甲醇塔D1-粗酒精D2-醛酯酒精D3-工业酒精D4-甲醇杂质V1-蒸汽V2-蒸汽V3-蒸汽W1-废渣W2-脱醛酒W3-废水W4-成品酒精S1-杂醇油C1-热泵压缩机图4-5四塔热泵精馏节能工艺流程图Fig.4-5Energysavingprocessoffour-towerheatpumpdistillation50万方数据 浙江工业大学硕士学位论文采用模拟软件AspenPlus对在夹点技术理论指导下设计得到的新酒精四塔蒸馏工艺流程进行工艺模拟计算，热泵精馏流程关键物流模拟结果见下表4-5。其中T1粗馏塔和T3精馏塔形成双效精馏，T3精馏塔的塔顶蒸汽为T1粗馏塔的塔底提供热量。在T4甲醇塔位置设加上了热泵，采用热泵精馏节能技术，把塔顶的蒸汽作为塔底加热的热源，塔顶无需使用冷凝器进行冷凝。塔顶蒸汽需使用热泵压缩机C1进行压缩，根据特性塔顶的压缩机C1选取AspenPlus中PressureChanger库中的Compressor模块，设定压缩机的机械效率和轴功率，对热泵精馏四塔蒸馏流程进行模拟，设定热泵压缩机C1机械效率为0.9，热泵精馏关键物流模拟结果如下表4-6，热泵模拟结果如下表4-7所示。经过模拟计算，结果表明同时具有双效精馏和热泵精馏的新酒精蒸馏节能工艺取得了良好的节能效果。常规四塔蒸馏流程、双效精馏工艺流程和新工艺流程的能耗情况级能量费用具体见表4-8。表4-6热泵精馏关键物流模拟结果Table4-6Keystreamssimulationresultofheat-pumpdistillation精馏塔塔顶精馏塔塔底甲醇塔塔底W4甲醇塔塔顶D3W3（酒精产品）D4流量/kg/hr1250.034840.11123020温度/℃118.31147.99113.2110.5热负荷/kW1787.15——875.96882.66乙醇0.933——0.9330.908-4-5甲醇7.88×10——5.11×100.0461-6-4乙醛2.26×10————1.41×10乙酸————————-5质量乙酸乙酯——————1.28×10分数正丙醇————————正丁醇————————异戊醇————————水0.0660.99970.0670.043-4醪渣——2.53×10————51万方数据 浙江工业大学硕士学位论文表4-7热泵压缩机模拟结果Table4-7Simulationresultsofcompressor参数模拟结果吸入压力/atm3.262排出压力/atm5.921进口气量L/min14019.96出口气量L/min8467.26进口温度/℃110.84出口温度/℃147.84轴功率/kW73.59指示功率/kW66.23表4-8酒精蒸馏流程的耗能及能量费用Table4-8EnergyConsumptionandcostofalcoholdistillation耗能情况级及能量费用四塔蒸馏流程双效精馏流程新工艺流程粗馏塔2756.35kg/h————排醛塔400kg/h蒸汽400kg/h蒸汽400kg/h蒸汽精馏塔2000kg/h蒸汽3100kg/h蒸汽3100kg/h蒸汽甲醇塔1147.36kg/h蒸汽1147.36kg/h蒸汽73.59kW总能耗6303.71kg/h蒸汽4647.36kg/h蒸汽——单位能耗5.12kg蒸汽/kg酒精3.78kg蒸汽/kg酒精——总能量费用1260.74￥/h929.47￥/h751.51￥/h单位能量费用1.02￥/kg酒精0.76￥/kg酒精0.61￥/kg酒精4.3.6结果讨论新工艺流程的模拟结果表明，甲醇塔热泵压缩机的耗电量为73.59kW，排醛塔和精馏塔总共消耗蒸汽量3500kg/h，按0.7￥/kW·h和0.2￥/kg蒸汽将所有能耗折合成经济费用，则新的酒精四塔蒸馏工艺生产1230kg/h的酒精产品总共需要消耗能量费用751.51￥/h，单位能量费用0.61￥/kg酒精。则新节能工艺流程单位能52万方数据 浙江工业大学硕士学位论文量费用比双效精馏流程单位能量费用下降约(0.76-0.61)/0.76×100%=19.74%；新节能工艺流程单位能量费用比常规四塔蒸馏流程单位能量费用下降了约(1.02-0.61)/1.02×100%=40.2%，可以看出同时具备双效精馏和热泵精馏的新节能工艺流程具有良好的节能效果。4.4本章小结本章在分析第三章的模拟结果的基础上，在夹点技术理论的指导下进行节能精馏流程设计，并根据酒精四塔蒸馏过程的特点运用热泵精馏技术进行节能。首先对热泵精馏节能技术依据夹点技术理论进行用能情况的分析，得出热泵的合适放置的位置应当是跨越夹点操作，这样才能够实现合理的热集成。在改进夹点技术理论的指导下，依据上一章的四塔蒸馏工艺流程的模拟数据进行节能工艺设计。以总投资费用最低为函数目标确定出最优夹点温差，然后绘制出组合曲线图。最后采用模拟软件AspenPlus对新的节能工艺进行模拟计算，根据模拟计算的结果得到新节能工艺的能耗，将所有能耗折合成经济费用，并与双效精馏流程和常规四塔蒸馏流程的单位能量费用进行比较，计算得出新节能工艺流程单位能量费用比双效精馏流程单位能量费用下降约19.74%；新节能工艺流程单位能量费用比常规四塔蒸馏流程单位能量费用下降了约40.2%，具有良好的节能效果。53万方数据 浙江工业大学硕士学位论文第五章总结与展望5.1总结本论文主要的研究内容及研究结果如下：（1）分别对阀腿高度为6.5mm并带1.5mm折边的原圆形固定阀塔板和阀腿高度为11mm不带折边的新抗堵高效圆形固定阀塔板进行了流体力学测试。通过比较二者的干板压降和不同喷淋密度的湿床压降，结果表明新固定阀相对于原固定阀塔板具有更小的塔板压降，且新固定阀塔板能够处理更大的气量。（2）对传统的酒精三塔蒸馏流程进行模拟，分析模拟结果提出四塔蒸馏流程，并对其进行模拟得到各塔的工艺参数、物流信息、用能情况等数据。（3）在分析第三章的模拟结果的基础上，根据酒精四塔蒸馏流程的特点，运用热泵精馏节能技术，并且在夹点技术理论的指导下设计精馏流程，得出热泵在流程中合适的放置位置，从而得到一套高效节能酒精蒸馏工新工艺。5.2展望酒精蒸馏工艺虽然已经发展了很多年，但研究中仍然存在很多有意义的的方向和问题值得我们去进一步研究。杂醇油是酒精生产工艺中的一种很重要的副产物，我们可以对其的回收工艺进行探讨，比如在四塔流程后增加回收杂醇油的回收塔。另外设备方面也可以进一步研究，新节能工艺中增加了热泵及其他设备，可根据酒精蒸馏过程的特点选择合适参数的热泵压缩机并结合热泵精馏的特点确定有效的控制方案。54万方数据 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浙江工业大学硕士学位论文致谢时光荏苒，岁月如梭，两年多的研究生生活即将结束，回顾自己近20年的漫漫求学路，可谓收获颇多。经过近半年时间的磨砺，硕士毕业论文终于完稿，回首收集、整理、思考、停滞、修改的整个过程，记忆里充满了诸位老师的悉心指导、同学们的帮助和父母的支持，在此我要向他们表达最诚挚的感谢。饮水思源，首先要感谢我的导师：姚克俭老师在研究生期间对我的悉心指导，每当我在课题中遇到难题时，都是他给我思路，积极寻找解决办法，他广博扎实的专业知识、严谨的治学态度、锐意的创新精神、踏实的工作作风、宽广的胸怀，令我终身受益。将近三载教诲，师恩难忘。感谢我的企业导师刘保柱老师和我们课题组的张颂红老师、贠军贤老师、高云玲老师、祝铃钰老师、沈绍传老师、李琰君老师等各位老师，他们以自己的丰富的知识和经验帮助我解决遇到的困难，他们丰富的实践经验、渊博的专业知识、务实忘我的工作作风、宽以待人的处事态度使我受益匪浅，将近三年的研究生学习生涯中，各位老师给了我无价的知识和真诚的关爱。同时还要感谢给予我莫大帮助的师兄师弟和实验室的各位同学，他们在我思维停滞和遇到困难时提供的帮助与鼓励给了我莫大的信心，使我远在他乡求学之余的生活依然能够丰富多彩。求学多年，即将走入社会参加工作之时，最最需要感谢是我的父母亲人，感谢你们无时无刻的鼓励和支持，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。62万方数据