论文部分内容阅读
有机溶剂广泛应用于石油化工、医药、食品、环保、冶金及电子等工业领域，有机溶剂脱水是其生产和回收使用过程中的一个重要环节。对于有机溶剂与水形成的共沸物或近沸物，采用传统的精馏技术脱水存在能耗高、工艺复杂和效益低等缺点。NaA分子筛膜蒸汽渗透脱水技术是一种新型膜分离技术，其通过有机溶剂与水在分子筛膜孔中吸附和扩散速率的差异实现分离。该过程不受热力学平衡的限制，特别适用于共沸、近沸混合物的分离，具有高效、节能、环保等优点。然而，分子筛膜脱水技术的设备投资，以及对分离体系性质的特别要求，使其分离浓度范围受到限制。将精馏过程与蒸汽渗透耦合能够实现两者工艺的优势互补，降低整个脱水工艺流程的能耗与经济成本，对分子筛膜脱水技术推广应用至关重要。本文针对精馏与NaA分子筛膜蒸汽渗透脱水耦合工艺，分别开展了耦合工艺用于乙醇脱水的实验研究，耦合工艺的模拟优化与经济成本评价并将工艺优化后的经济成本与传统工艺进行了比较。 论文首先开展了精馏-蒸汽渗透耦合工艺用于乙醇脱水的实验研究。以江苏九天高科技股份有限公司的精馏-蒸汽渗透耦合中试装置为平台，分别研究了进料含水量、回流比、塔顶产品采集量和含水量对流程的影响并考察了整个耦合工艺运行的稳定性。结果表明，在精馏塔进料流量为30 kg/hr，回流比为0.9的条件下，进料含水量从40 wt.％提升到80wt.％，塔顶产品的含水量从12 wt.％提升到28.6 wt.％，塔底产品的含水量从84.5 wt.％提升到99.6 wt.％。当精馏塔进料流量为42 kg/hr,采集量为18 kg/hr时，回流比从0.75增加至2.25，塔顶产品含水量从17.2 wt.％减小至10.4 wt.％;回流比从2.25增加至2.8，塔顶产品含水量从10.4 wt.％增加至14 wt.％。在塔顶产品流量为10 kg/hr的条件下，塔顶产品的含水量从11.7 wt.％提升到27.3 wt.％，渗透液的含水量从97 wt.％迅速提升到99.6wt.％并保持稳定，膜单元的通量从0.475 kg·m-2·h-1提升到2.1 kg·m-2·h-1。该套中试装置成功将含水量20 wt.％的工业乙醇溶媒脱水至0.5 wt.％以下，连续稳定运行12个小时。 其次，对精馏-蒸汽渗透耦合工艺过程进行了模拟优化，并对其经济性进行了系统分析。以年产1万吨无水乙醇的精馏-蒸汽渗透耦合工艺流程设计为对象，重点研究了原料预热温度、精馏塔操作压强、塔底和塔顶产品含水量以及成品含醇量对流程的影响。结果显示，在精馏塔塔压维持3.2 atm，塔底废水温度为121℃的条件下，原料预热温度为90℃时可以使工艺流程的经济成本达到最低值。对于年产万吨级无水乙醇的精馏-蒸汽渗透耦合工艺，当塔底废水的含醇量由0.5 wt.％降到0.03 wt.％(国家排放标准)时，工艺流程的操作成本每年将提高57万元。为了提高成品市场竞争力，当成品含醇量由99.5 wt.％提高到99.97 wt.％时，工艺流程的总成本每年将提高140万元，其中膜单元的设备投资成本远高于膜单元的操作成本。耦合工艺中精馏塔操作压强值的选择对工艺流程的经济成本以及运行稳定性至关重要，假若NaA分子筛膜价格为1万元/m2，塔内操作压强选择3～4 atm时可以使工艺流程的经济成本达到最低值。精馏塔与蒸汽渗透单元的衔接物流含水量对精馏单元的操作能耗和蒸汽渗透单元的投资成本有着重要影响，结果显示，塔顶产品含水量在20 wt.％左右时可以使工艺流程的经济成本达到最低值。 最后，论文对不同的无水乙醇生产工艺流程进行了经济评价与比较。分别对精馏-蒸汽渗透耦合工艺(D-VP)、精馏-蒸汽渗透-精馏耦合工艺(D-VP-D)、共沸精馏工艺(AD)以及萃取精馏工艺(ED)进行了模拟和计算，并对4个流程的操作成本、设备投资成本以及总成本作出了详细的经济分析和比较。结果显示，D-VP工艺流程相对于D-VP-D、AD以及ED工艺流程能耗分别减少58％、46％、50％，操作成本分别减少51％、38％、40％。在分析工艺流程设备投资成本时发现，AD和ED工艺流程中的精馏单元设备投资成本小于耦合工艺中膜设备投资成本，耦合工艺在设备投资成本方面没有明显优势。总投资成本中，D-VP工艺流程相对于D-VP-D、AD以及ED工艺流程的总投资成本分别减少48.3％、30.6％、32.4％，D-VP耦合工艺的经济成本优势非常明显。