CN103910605B - 一种渗透汽化系统及其精制生物正丁醇的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种渗透汽化系统。本发明还公开一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，步骤如下：将经醪塔处理后的生物发酵液送入乙丙塔，脱除丙酮和乙醇，乙丙塔底部出料得正丁醇-水混合物；正丁醇-水混合物送入普通精馏塔，水由普通精馏塔底部送出，普通精馏塔顶采出正丁醇-水共沸物；正丁醇-水共沸物送入分层器，正丁醇-水共沸物被分为两层，上层为正丁醇相，下层为水相；分层器下层送回普通精馏塔，分层器上层正丁醇相加热后，以蒸汽形式送入渗透汽化膜分离器，经渗透汽化膜脱水后冷凝得到精制的生物正丁醇，并收集于成品罐；渗透物经冷凝后送回普通精馏塔。本发明工艺过程简单，设备投资少，占地面积小，能量利用率高，对环境不会造成污染。

Description

一种渗透汽化系统及其精制生物正丁醇的工艺
技术领域
本发明属渗透汽化膜应用领域，尤其涉及一种渗透汽化系统及其精制生物正丁醇的工艺。
背景技术
正丁醇在有机化工原料和有机溶剂具有广泛的应用领域，也是一种极具潜力的新型生物燃料。近几年，随着石油资源的紧缺以及其不可再生性，同时低碳经济的不断被倡导，生物发酵法生产生物正丁醇引起了广泛的关注。在发酵工艺中，由醪塔(用于除去发酵固体物)出来的发酵液除正丁醇外，还含丙酮、乙醇以及大量水。因此，经醪塔处理后的发酵液需进一步处理，以得到高纯度的生物正丁醇。
由于发酵液中存在大量的水，生物正丁醇精制的工艺主要集中于正丁醇的脱水工艺。然而，水和正丁醇形成了共沸物(共沸点为93℃，水含量约为42wt.％)，因此给正丁醇-水的进一步分离带来困难。传统的正丁醇脱水工艺主要采用共沸精馏技术，不仅分离能耗高、效益低、工艺流程复杂，往往也引入第三组分，造成二次污染，同时污染环境。因此，开发新型的正丁醇脱水技术成为降低有机溶剂脱水过程的能耗、提高效益以及减少环境污染的重要途径，也是我国节能减排战略目标的重要组成部分。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的第一个技术问题是提供了一种渗透汽化系统。本发明所要解决的第二个技术问题是针对经醪塔处理后的生物发酵液，提供了一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺。该方法主要集中于一种渗透汽化法用于生物正丁醇脱水的工艺。渗透汽化技术时利用待分离混合物中各组分在膜中溶解和扩散速率的不同而实现分离，其分离过程不受混合物共沸点的限制，分离过程不受组分汽液平衡限制，旦分离过程的能耗较低，特别适用于共沸、近沸混合物的分离。将该技术用于正丁醇的脱水工艺具有经济和社会意义。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种渗透汽化系统，包括乙丙塔、普通精馏塔、分层器、预热器、冷凝器、产品罐、蒸发器、渗透汽化膜分离器、真空泵、渗透液冷凝器，所述乙丙塔底部与普通精馏塔相连，普通精馏塔塔顶与分层器相连，分层器上层与预热器一侧相连、分层器下层与普通精馏塔相连，预热器另一侧与蒸发器底部相连，蒸发器顶部与渗透汽化膜分离器相连，渗透汽化膜分离器顶部与预热器上端相连，预热器下端依次与冷凝器和产品罐相连，渗透汽化膜分离器下部分出两个支路，其中一个支路连接真空泵一端，另一支路连接渗透液冷凝器，真空泵另一端与普通精馏塔相连。
其中，上述渗透汽化膜分离器由1～100个渗透汽化膜分离器串联、并联或混联方式组合构成。
其中，上述膜分离器所使用的分离膜为分子筛膜、壳聚糖膜、无定形二氧化硅膜、PVA膜或海藻酸钠膜中的一种。
一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，包括以下步骤：
1)将经醪塔处理后的生物发酵液送入乙丙塔，脱除丙酮和乙醇，乙丙塔底部出料得到正丁醇-水混合物；
2)将所述的正丁醇-水混合物送入普通精馏塔，水由普通精馏底部送出，普通精馏塔顶采出正丁醇-水共沸物；
3)将所述的正丁醇-水共沸物送入分层器，正丁醇-水共沸物被分为正丁醇相和水相，下层水相送回普通精馏塔，正丁醇相由分层器上层排出；
4)将所述的正丁醇相加热后，以蒸汽形式送入渗透汽化膜分离器，经渗透汽化膜脱水后冷凝得到精制的正丁醇，并收集于成品罐，渗透物经冷凝后送回普通精馏塔。
其中，上述步骤1)中，丙酮由乙丙塔顶送出，乙醇-水混合物由乙丙塔侧线送出，乙丙塔侧线出料的位置在乙丙塔的精馏段高度内。
其中，上述步骤3)中分层器上层正丁醇相的出口位置在分水器的相界面以上，分层器下层水相的出口位置在分水器的相界面以下。
其中，上述的步骤4)中，在将所述的正丁醇相加热之前，将其与渗透汽化膜分离器截留侧的正丁醇蒸汽进行换热。
其中，上述的步骤4)中，渗透汽化膜分离器原料侧的表压为0～1MPa，渗透侧的绝压为10～10000Pa。
本工艺中，首先将经醪塔处理后的生物发酵液送入乙丙塔，丙酮由乙丙塔顶送出，乙醇-水混合物由乙丙塔侧线送出，正丁醇-水混合物由乙丙塔底部送入普通精馏塔，水由普通精馏底部送出，正丁醇-水共沸物在塔顶经冷凝后送入分层器，经分层器分层后，下层混合为水相，该混合物返回普通精馏塔回收，进行再次精馏；上层混合物为正丁醇相，该混合物送出后，在预热器中与脱水后的正丁醇蒸汽换热后进入蒸发器，从蒸发器蒸出的含水正丁醇进入渗透汽化膜分离器，再经渗透汽化膜脱水后冷凝得到精制的正丁醇，并收集于成品罐；渗透汽化分离器渗透侧与真空系统相连接，透过膜的气体混合物经冷凝后送回普通精馏塔回收，进行再次精馏。
在上述工艺中，在经过渗透汽化分离器分离后所得的生物正丁醇中的水含量可以降低至0.01wt.％～1wt.％。
有益效果：与传统的生物发酵液精制工艺相比，本发明通过渗透汽化膜分离器脱水，提高了正丁醇的脱水效率，降低能耗的同时，未引入第三种组分，从而避免了正丁醇的二次污染和对环境的污染；另外，减少了设备占地面积，设备的操作更为简单。将分层器与渗透汽化膜分离器相耦合，有效地降低了渗透汽化膜分离器的运行负荷，从而降低了运行成本。本发明将分层器下层的混合物和渗透汽化过程中的渗透物返回普通精馏塔，避免了含正丁醇的水直接排放，同时提高了正丁醇的回收率。
附图说明
图1是渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺流程图；
其中1是乙丙塔、2是普通精馏塔、3是分层器，4是预热器，5是冷凝器，6是产品罐，7是蒸发器，8是渗透汽化膜分离器，9是渗透液冷凝器，10是真空泵。
具体实施方式
实施例1：
见图1，一种渗透汽化系统，包括乙丙塔1、普通精馏塔2、分层器3、预热器4、冷凝器5、产品罐6、蒸发器7、渗透汽化膜分离器8、真空泵10、渗透液冷凝器9，所述乙丙塔1底部与普通精馏塔2相连，普通精馏塔2塔顶与分层器3相连，分层器3上层与预热器4一侧相连、分层器3下层与普通精馏塔2相连，预热器4另一侧与蒸发器7底部相连，蒸发器7顶部与渗透汽化膜分离器8相连，渗透汽化膜分离器8顶部与预热器4上端相连，预热器4下端依次与冷凝器5和产品罐6相连，渗透汽化膜分离器8下部分出两个支路，其中一个支路连接真空泵10一端，另一支路连接渗透液冷凝器9，真空泵10另一端与普通精馏塔2相连。上述渗透汽化膜分离器由16个NaA分子筛膜膜组件构成(膜组件分为两组，两组相并联，每组由8个膜组件串联，每级膜组件面积为20m2)。
来自醪塔处理后的生物发酵液进入乙丙塔1，脱除丙酮和乙醇，在乙丙塔1底部得到正丁醇-水混合物，并送入普通精馏塔2，水由普通精馏塔2底部送出，正丁醇-水共沸物在塔顶经冷凝后送入分层器3，经分层器3分层后，下层水相返回普通精馏塔2回收，进行再次精馏。控制流量为3800kg/h，将分层器3上层的正丁醇相输送到预热器4，通过产品蒸汽对该料液预热至70℃，然后进入蒸发器7，料液被加热到131℃以蒸汽形式进入到由16个NaA分子筛膜膜组件(每级膜组件面积为20m2)八串两并构成的渗透汽化膜分离器8进行脱水。膜的原料侧表压0.4MPa，渗透侧绝压为800Pa。料液中的水透过渗透汽化膜经渗透液冷凝器9冷凝后返回普通精馏塔2，渗透液含水量为98.03wt.％；料液流经预热器4对料液预热后再经冷凝器5冷凝进入产品罐6，所得生物正丁醇的含量为99.83wt.％，水含量脱至0.12wt.％。
实施例2：
一种渗透汽化系统，包括乙丙塔1、普通精馏塔2、分层器3、预热器4、冷凝器5、产品罐6、蒸发器7、渗透汽化膜分离器8、真空泵10、渗透液冷凝器9，所述乙丙塔1底部与普通精馏塔2相连，普通精馏塔2塔顶与分层器3相连，分层器3上层与预热器4一侧相连、分层器3下层与普通精馏塔2相连，预热器4另一侧与蒸发器7底部相连，蒸发器7顶部与渗透汽化膜分离器8相连，渗透汽化膜分离器8顶部与预热器4上端相连，预热器4下端依次与冷凝器5和产品罐6相连，渗透汽化膜分离器8下部分出两个支路，其中一个支路连接真空泵10一端，另一支路连接渗透液冷凝器9，真空泵10另一端与普通精馏塔2相连。上述渗透汽化膜分离器由10个PVA膜组件(每级膜组件面积为10m2)串联构成的。
来自醪塔处理后的生物发酵液进入乙丙塔1，脱除丙酮和乙醇，在乙丙塔1底部得到正丁醇-水混合物，并送入普通精馏塔2，水由普通精馏塔2底部送出，正丁醇-水共沸物在塔顶经冷凝后送入分层器3，经分层器3分层后，下层水相返回普通精馏塔2回收，进行再次精馏。控制流量为1200kg／h，将分层器3上层的正丁醇相输送到预热器4，通过产品蒸汽对该料液预热至60℃，然后进入蒸发器7，料液被加热到102℃以蒸汽形式进入到由10个PVA膜组件(每级膜组件面积为10m2)串联构成的渗透汽化膜分离器8进行脱水。膜的原料侧表压0.05MPa，渗透侧绝压为1200Pa。料液中的水透过渗透汽化膜经渗透液冷凝器9冷凝后返回普通精馏塔2，渗透液含水量为98.89wt％；料液流经预热器4对料液预热后再经冷凝器5冷凝进入产品罐6，所得生物正丁醇的含量为99.49wt.％，水含量脱至0.42wt.％。
实施例3
一种渗透汽化系统，包括乙丙塔1、普通精馏塔2、分层器3、预热器4、冷凝器5、产品罐6、蒸发器7、渗透汽化膜分离器8、真空泵10、渗透液冷凝器9，所述乙丙塔1底部与普通精馏塔2相连，普通精馏塔2塔顶与分层器3相连，分层器3上层与预热器4一侧相连、分层器3下层与普通精馏塔2相连，预热器4另一侧与蒸发器7底部相连，蒸发器7顶部与渗透汽化膜分离器8相连，渗透汽化膜分离器8顶部与预热器4上端相连，预热器4下端依次与冷凝器5和产品罐6相连，渗透汽化膜分离器8下部分出两个支路，其中一个支路连接真空泵10一端，另一支路连接渗透液冷凝器9，真空泵10另一端与普通精馏塔2相连。上述渗透汽化膜分离器由10个NaA分子筛膜膜组件(每级膜组件面积为10m2)串联构成的。
来自醪塔处理后的生物发酵液进入乙丙塔1，脱除丙酮和乙醇，在乙丙塔1底部得到正丁醇-水混合物，并送入普通精馏塔2，水由普通精馏塔2底部送出，正丁醇-水共沸物在塔顶经冷凝后送入分层器3，经分层器3分层后，下层水相返回普通精馏塔2回收，进行再次精馏。控制流量为1500kg／h，将分层器3上层的正丁醇相输送到预热器4，通过产品蒸汽对该料液预热至75℃，然后进入蒸发器7，料液被加热到149℃以蒸汽形式进入到由10个NaA分子筛膜膜组件(每级膜组件面积为10m2)串联构成的渗透汽化膜分离器8进行脱水。膜的原料侧表压0.8MPa，渗透侧绝压为150Pa。料液中的水透过渗透汽化膜经渗透液冷凝器9冷凝后返回普通精馏塔2，渗透液含水量为96.37wt.％；料液流经预热器4对料液预热后再经冷凝器5冷凝进入产品罐6，所得生物正丁醇的含量为99.80wt.％，水含量脱至0.015wt.％。

Claims (8)

1.一种渗透汽化系统，其特征在于，包括乙丙塔、普通精馏塔、分层器、预热器、冷凝器、产品罐、蒸发器、渗透汽化膜分离器、真空泵、渗透液冷凝器，所述乙丙塔底部与普通精馏塔相连，普通精馏塔塔顶与分层器相连，分层器上层与预热器一侧相连、分层器下层与普通精馏塔相连，预热器另一侧与蒸发器底部相连，蒸发器顶部与渗透汽化膜分离器相连，渗透汽化膜分离器顶部与预热器上端相连，预热器下端依次与冷凝器和产品罐相连，渗透汽化膜分离器下部分出两个支路，其中一个支路连接真空泵一端，另一支路连接渗透液冷凝器，真空泵另一端与普通精馏塔相连。
2.根据权利要求1所述的一种渗透汽化系统，其特征在于，所述渗透汽化膜分离器由1～100个渗透汽化膜分离器串联、并联或混联方式组合构成。
3.根据权利要求2所述的一种渗透汽化系统，其特征在于，所述膜分离器所使用的分离膜为分子筛膜、壳聚糖膜、无定形二氧化硅膜、PVA膜或海藻酸钠膜中的一种。
4.一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)将经醪塔处理后的生物发酵液送入乙丙塔，脱除丙酮和乙醇，乙丙塔底部出料得到正丁醇-水混合物；
2)将所述的正丁醇-水混合物送入普通精馏塔，水由普通精馏底部送出，普通精馏塔顶采出正丁醇-水共沸物；
3)将所述的正丁醇-水共沸物送入分层器，正丁醇-水共沸物被分为正丁醇相和水相，下层水相送回普通精馏塔，正丁醇相由分层器上层排出；
4)将所述的正丁醇相加热后，以蒸汽形式送入渗透汽化膜分离器，经渗透汽化膜脱水后冷凝得到精制的正丁醇，并收集于成品罐，渗透物经冷凝后送回普通精馏塔。
5.根据权利要求4所述的一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，其特征在于，所述步骤1)中，丙酮由乙丙塔顶送出，乙醇-水混合物由乙丙塔侧线送出，乙丙塔侧线出料的位置在乙丙塔的精馏段高度内。
6.根据权利要求4所述的一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，其特征在于，所述步骤3)中分层器上层正丁醇相的出口位置在分水器的相界面以上，分层器下层水相的出口位置在分水器的相界面以下。
7.根据权利要求4所述的一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，其特征在于，所述的步骤4)中，在将所述的正丁醇相加热之前，将其与渗透汽化膜分离器截留侧的正丁醇蒸汽进行换热。
8.根据权利要求4所述的一种渗透汽化法精制生物正丁醇的工艺，其特征在于，所述的步骤4)中，渗透汽化膜分离器原料侧的表压为0～1MPa，渗透侧的绝压为10～10000Pa。
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