一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法技术

本发明专利技术公开了一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法，该方法是以一个减压粗镏塔并联一个加压粗镏塔后再串联一加压精镏塔组成的三塔精馏段，与一个膜分离装置构成的提纯段组成的精馏‑提纯工艺系统，通过对精馏段和提纯段的物料与热量体系高度匹配，来降低单位产品蒸汽用量，通过蒸汽渗透膜分离结合，降低了进料乙醇浓度要求的同时，减少加压粗塔的塔板数和降低回流比，从而对生物质发酵醪液进行精馏提纯以制备满足燃料乙醇要求的高纯乙醇的过程，并达到环保节能高效的生产目的。本发明专利技术方法具有大大节约蒸汽用量、一次出料品质高、系统自动化程度高、装置占地面积小、设备维护方便、膜耗品材料可靠耐用、资源利用率高等诸多优势。

A method of refining fuel ethanol by material and heat integration with membrane coupling

The invention discloses a method of material and heat integrated refining fuel ethanol by column membrane coupling. The method is a three column distillation section composed of a decompression crude distillation column in parallel with a pressurized crude distillation column and a pressurized refined distillation column in series, and a distillation \u2011 purification process system composed of a purification section composed of a membrane separation device. Through high material and heat system of the distillation section and purification section Degree matching, to reduce the steam consumption of unit product, through the combination of steam osmosis membrane separation, to reduce the requirements of feed ethanol concentration, at the same time, to reduce the number of plates of the pressurized crude tower and reduce the reflux ratio, so as to distill and purify the biomass fermentation mash to prepare high-purity ethanol meeting the requirements of fuel ethanol, and to achieve the purpose of environmental protection, energy saving and efficient production. The method has the advantages of greatly saving steam consumption, high primary discharge quality, high system automation degree, small device area, convenient equipment maintenance, reliable and durable membrane consumable materials, high resource utilization rate, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法
本专利技术涉及一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法。技术背景化石能源的开发利用面临着严重的环境污染和资源枯竭问题。乙醇燃烧时具有碳氧组成适中、辛烷值高、燃烧后不过载温室气体和污染物等优点，已被用作汽油添加剂使用、市场巨大。2017年9月15日国家部委联合出台的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》中，要求在2020年全国范围内基本实现车用乙醇全覆盖。燃料乙醇是体积浓度达到99.5％以上的无水乙醇，作为燃油改善剂使用时具有增氧助燃，达到节能环保的目的。同时，生物燃料乙醇具有可再生性，因此生物路线制备燃料乙醇的工艺被国内外乙醇行业广泛使用。在国家节能减排要求提高及燃料乙醇补贴减少的背景下，为达到企业降本盈利的目的，一条主要的途径是通过不断优化生物燃料乙醇精制的工艺来实现。淀粉、果糖基多糖、纤维素类等生物质发酵醪液中乙醇体积浓度为2～20％，以淀粉类生物质发酵时，乙醇体积浓度可达到8～20％。精馏提燃料乙醇过程中需要借助加盐萃取精馏或分子筛吸附脱水实现。针对此工艺路线，优化过程主要集中在精馏段的热量回收利用工艺设计上[文献1：李鹏辉.燃料乙醇三塔差压蒸馏工艺模拟优化及塔器工艺设计[D].西安:西北大学,2017；文献2：ShelferJR,BennettH,ShelferGrantT,etal.Processandapparatusforcommerciallyproducingmotorfuel-gradeethanol:WO2008024109A1[P].2008-02-28.]，或者在燃料乙醇制备工艺中的提纯段采用更为节能的新技术。蒸汽渗透膜分离提纯技术具有分离效率高、自动化程度高、操作简单、对设备使用条件要求不高、不引入第三组分、不易污染环境等优点，在有机溶剂精制过程中具有明显优势。采用蒸汽渗透膜分离提纯工艺，整个系统蒸汽单耗与传统的工艺相比可节省蒸汽达30％～50％以上[文献3，顾学红,相里粉娟,余从立,等.一种生物质无水乙醇的生产方法及装置:CN104262090B[P].2016-06-29.]。专利CN102126920B[文献4，韩飞,丁伟军,林长骏,等.三塔三效差压热集成制取共沸乙醇的方法:CN102126920B[P].2013-09-25.]描述的三塔三效差压热集成精馏乙醇的工艺较传统的二塔精馏提纯工艺(文献5，张敏华,董秀芹,吕惠生,等.燃料乙醇生产方法:CN1298859C[P].2007-02-07.])具有明显的节能优势。精馏段采用粗镏塔、精馏塔Ⅰ、精馏塔Ⅱ三塔集成装置精馏乙醇，提纯段采用分子筛吸附脱水。热量主流程中，外界一次蒸汽先给精馏塔Ⅱ再沸器提供热源，塔顶蒸汽给精馏塔Ⅰ塔釜加热。粗镏塔配有两个再沸器，热源一方面来源于精馏塔Ⅰ塔顶物流，另一方面来源于分子筛吸附单元的无水乙醇产品蒸汽。物料主流程中，发酵醪液经过两段预热后进入粗镏塔上部，粗馏后塔顶粗酒气经换热后一部分形成粗酒凝液并进料精馏塔Ⅰ。精馏后塔顶共沸乙醇气一部分回流至精馏塔Ⅰ上部，一部分进入分子筛吸附单元。精馏后塔釜物料进入精馏塔Ⅱ下部进一步精馏，馏出物一部分回流，其他进入精馏塔Ⅰ。本工艺过程只对精馏段进行优化描述，实际配备分子筛吸附工艺过程中，存在进分子筛乙醇溶液要求浓度高(乙醇体积浓度≥93.5％左右)，进而对精馏塔Ⅰ塔板数要求较高的问题。分子筛吸附过程会产生约为25％的低浓度乙醇溶液，这部分如果不回用会降低原料的利用率，反之又会造成额外的蒸汽消耗。此外，精馏过程使用多个闪蒸罐，增加设备投资。专利CN104262090B[文献3]描述了一种生物燃料乙醇精制工艺的方法，采用热驱动蒸馏法与膜分离相结合的技术。精馏段采用三塔并联集成装置，分别为加压、常压、减压条件，提纯段使用了渗透汽化膜工艺。热量单元中，加压精馏塔Ⅰ塔顶蒸汽为常压精馏塔Ⅱ塔釜再沸器加热，常压精馏塔Ⅱ塔顶蒸汽为减压精馏塔Ⅲ塔釜再沸器加热，系统所需蒸汽由加压精馏塔Ⅰ再沸器接入，渗透汽化膜产生的产品蒸汽为发酵醪液提供预热。物料单元中，每个精馏塔塔顶出料经混合换热后直接接入渗透汽化膜装置。本工艺由于采用三塔并联设计，因此，出料温差相对较大，加压精馏塔与减压精馏塔温差达50℃，此种情况下产生的热量利用率低，仍然存在能耗过高的问题。综上所述，目前，针对生物燃料乙醇的工艺虽然从精馏段和提纯段都有了优化提升的改进，但蒸汽渗透膜技术对进料浓度要求低、分离效率高、无需回流等操作特点，在与精馏段的契合联用过程中仍有很大的改进空间，结合燃料乙醇的精馏工艺和膜分离特点，可进一步通过强化分离达到降低整体工艺能耗的目的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：生物法制备燃料乙醇工艺的现有技术中存在精馏段和提纯段物料及热量契合度不高，工艺整体能耗有进一步大幅度降低优化的问题，提供一种新的组合精馏塔精馏与膜分离集成强化精制燃料乙醇的方法，该方法具有合理分配物料流量、充分利用物料热量的优势，可进一步缩小精馏塔之间，以及精馏塔与膜分离装置之间的温度差，达到提高精馏段与提纯段物料及热量契合度、进一步降低系统能耗的优点。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：本专利技术一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法，该方法包括：发酵醪液经过三级预热后分成两路醪液：醪液F1和醪液F2；其中醪液F1直接进料减压粗馏塔1；醪液F2直接进料加压粗馏塔2，所述的减压粗馏塔1和加压粗馏塔2在物料流向上并联连接，醪液F1进入减压粗馏塔1进行减压粗馏后得到的塔顶乙醇蒸汽a1，对发酵醪液一级换热后进入加压精馏塔3进行加压精馏；减压粗馏塔1塔釜得到的废水给发酵醪液三级换热后排出系统；醪液F2进入加压粗馏塔2进行加压粗馏后得到塔顶乙醇蒸汽给减压粗馏塔1再沸器h11换热，一部分乙醇蒸汽b1回流至加压粗馏她塔2，一部分乙醇蒸汽b2经过外界蒸汽预热后进入蒸汽渗透膜组件4，加压粗馏塔2塔釜乙醇溶液b3经过换热后进入加压精馏塔3，塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；加压精馏塔3塔顶乙醇蒸汽给加压粗馏塔2再沸器h21换热后，一部分乙醇蒸汽c1回流，一部分乙醇蒸汽c2与加压粗馏塔2塔釜乙醇溶液b3换热后进入加压粗馏塔2加压粗馏，塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；蒸汽渗透膜组件4提纯得到产品蒸汽d1先后为加压粗馏塔2再沸器h22和发酵醪液二级换热后得到燃料乙醇产品，经提纯得到的出口废水经过冷凝后排出系统；该方法涉及的整套系统包括精馏段和提纯段，其中精馏段包括并联连接的减压粗馏塔1、加压粗馏塔2，与上述两塔串联链接的加压精馏塔3，及四个再沸器h11、h21、h22和h31；提纯段包括蒸汽渗透膜组件4，其中蒸汽渗透膜组件4设置有一个预热器和一个冷凝器；精馏段和提纯段通过加压粗馏塔2的塔顶经预热器与蒸汽渗透膜组件4的入口进行物料连接；蒸汽渗透膜组件4产品出口与加压粗馏塔2再沸器h22进行换热连接；其中加压粗馏塔2、加压精馏塔3塔顶乙醇蒸汽回流比皆为0.5～3.5；经预热进入蒸汽渗透膜组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法，其特征在于，包括：/n发酵醪液经过三级预热后分成两路醪液：醪液(F1)和醪液(F2)；其中醪液(F1)直接进料减压粗馏塔(1)；醪液(F2)直接进料加压粗馏塔(2)，所述的减压粗馏塔(1)和加压粗馏塔(2)在物料流向上并联连接；/n醪液(F1)进入减压粗馏塔(1)进行减压粗馏后得到的塔顶乙醇蒸汽(a1)，对发酵醪液一级换热后进入加压精馏塔(3)进行加压精馏；得到的塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；/n醪液(F2)进入加压粗馏塔(2)进行加压粗馏后得到塔顶乙醇蒸汽给减压粗馏塔(1)再沸器(h11)换热，一部分乙醇蒸汽(b1)回流至加压粗馏塔(2)，一部分乙醇蒸汽(b2)经过外界蒸汽预热后进入蒸汽渗透膜组件(4)，加压粗馏塔(2)塔釜乙醇溶液(b3)经过换热后进入加压精馏塔(3)，塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；/n加压精馏塔(3)塔顶乙醇蒸汽给加压粗馏塔(2)再沸器(h21)换热后，一部分乙醇蒸汽(c1)回流，一部分乙醇蒸汽(c2)与加压粗馏塔(2)塔釜乙醇溶液(b3)换热后进入加压粗馏塔(2)加压粗馏，塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；/n蒸汽渗透膜组件(4)提纯得到产品蒸汽(d1)先后为加压粗馏塔(2)再沸器(h22)和发酵醪液二级换热后得到燃料乙醇产品，经提纯得到的出口废水经过冷凝后排出系统；/n所述的方法涉及的整套系统包括精馏段和提纯段，其中精馏段包括并联连接的减压粗馏塔(1)、加压粗馏塔(2)，与上述两塔串联链接的加压精馏塔(3)，及四个再沸器(h11)、(h21)、(h22)和(h31)；提纯段包括蒸汽渗透膜组件(4)，其中蒸汽渗透膜组件(4)设置有一个预热器和一个冷凝器；精馏段和提纯段通过加压粗馏塔(2)的塔顶经预热器与蒸汽渗透膜组件(4)的入口进行物料连接；蒸汽渗透膜组件(4)产品出口与加压粗馏塔(2)再沸器(h22)进行换热连接；/n其中加压粗馏塔(2)、加压精馏塔(3)塔顶乙醇蒸汽回流比皆为0.5～3.5；经预热进入蒸汽渗透膜组件(4)的乙醇蒸汽体积浓度范围为55％以上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种塔膜耦合进行物料与热集成精制燃料乙醇的方法，其特征在于，包括：
发酵醪液经过三级预热后分成两路醪液：醪液(F1)和醪液(F2)；其中醪液(F1)直接进料减压粗馏塔(1)；醪液(F2)直接进料加压粗馏塔(2)，所述的减压粗馏塔(1)和加压粗馏塔(2)在物料流向上并联连接；
醪液(F1)进入减压粗馏塔(1)进行减压粗馏后得到的塔顶乙醇蒸汽(a1)，对发酵醪液一级换热后进入加压精馏塔(3)进行加压精馏；得到的塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；
醪液(F2)进入加压粗馏塔(2)进行加压粗馏后得到塔顶乙醇蒸汽给减压粗馏塔(1)再沸器(h11)换热，一部分乙醇蒸汽(b1)回流至加压粗馏塔(2)，一部分乙醇蒸汽(b2)经过外界蒸汽预热后进入蒸汽渗透膜组件(4)，加压粗馏塔(2)塔釜乙醇溶液(b3)经过换热后进入加压精馏塔(3)，塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；
加压精馏塔(3)塔顶乙醇蒸汽给加压粗馏塔(2)再沸器(h21)换热后，一部分乙醇蒸汽(c1)回流，一部分乙醇蒸汽(c2)与加压粗馏塔(2)塔釜乙醇溶液(b3)换热后进入加压粗馏塔(2)加压粗馏，塔釜废水给发酵醪液三级换热后排出系统；
蒸汽渗透膜组件(4)提纯得到产品蒸汽(d1)先后为加压粗馏塔(2)再沸器(h22)和发酵醪液二级换热后得到燃料乙醇产品，经提纯得到的出口废水经过冷凝后排出系统；
所述的方法涉及的整套系统包括精馏段和提纯段，其中精馏段包括并联连接的减压粗馏塔(1)、加压粗馏塔(2)，与上述两塔串联链接的加压精馏塔(3)，及四个再沸器(h11)、(h21)、(h22)和(h31)；提纯段包括蒸汽渗透膜组件(4)，其中蒸汽渗透膜组件(4)设置有一个预热器和一个冷凝器；精馏段和提纯段通过加压粗馏塔(2)的塔顶经预热器与蒸汽渗透膜组件(4)的入口进行物料连接；蒸汽渗透膜组件(4)产品出口与加压粗馏塔(2)再沸器(h22)进行换热连...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴巍，于海斌，周立坤，高卓，潘月秋，李阳，
申请(专利权)人：中海油天津化工研究设计院有限公司，中海油能源发展股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12