一種間壁塔提純甘油發(fā)酵液中1，3-丙二醇模擬
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作者：張毅
近年來以“綠色化學(xué)”為特征的生物轉(zhuǎn)化法發(fā)展迅速，該法利用可再生資源進(jìn)行清潔生產(chǎn)，即以適當(dāng)?shù)挠袡C物質(zhì)為底物，利用某些微生物的發(fā)酵作用將其轉(zhuǎn)化為PDO，經(jīng)過分離提純，獲得滿足工業(yè)純度要求的產(chǎn)品。
精餾過程的能耗問題一直以來是化工行業(yè)節(jié)能的焦點，其關(guān)鍵是如何充分利用塔內(nèi)物流的熱量。作為一種非傳統(tǒng)的精餾系統(tǒng)，間壁塔( DWC)及其熱力學(xué)等效系統(tǒng)——完全熱耦精餾塔，通過塔間物流的直接接觸，充分地實現(xiàn)能量的集成與綜合利用，大大降低能耗。其突出特點是通過預(yù)分離塔實現(xiàn)對多組分進(jìn)料的非清晰分割，輕組分和部分中間組分從預(yù)分離塔頂部進(jìn)入主塔，重組分和其余中間組分從塔底進(jìn)入主塔，通過主塔的分離與提純，最后輕重組分分別從塔頂和塔底采出，中間組分通過側(cè)線采出。預(yù)分離塔的塔頂液相回流和塔釜氣相回流分別從主塔某一位置導(dǎo)入。傳統(tǒng)多組分精餾分離效率受限的主要原因是返混的影響，預(yù)分離塔的非清晰分割大大降低了返混，同時，由于可以適當(dāng)調(diào)節(jié)中間組分在塔頂和塔底的分配，使進(jìn)料組成更為接近某一塔板上的組成。有研究表明，這兩大特點使之與傳統(tǒng)精餾序列相比節(jié)約能耗可達(dá)30%。
1原料的預(yù)處理
本研究以來自甘油發(fā)酵生產(chǎn)1，3-丙二醇的發(fā)酵液為原料，對已加熱滅菌的發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理。得到的原料液組成如表1所示。
適合熱偶精餾的進(jìn)料組成一般應(yīng)滿足中間組分含量最多，輕組分和重組分含量較少且相當(dāng)?shù)那闆r，尤其當(dāng)中間組分的分離要求較高時熱偶精餾的節(jié)能優(yōu)勢可以更充分地體現(xiàn)出來。分析該進(jìn)料組成可知，1，3-丙二醇為中間組分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73. 35%，要求其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.5 %以上，同時輕組分、中間組分、重組分的質(zhì)量比約為1：6：1，理論上應(yīng)比較適合采用熱偶精餾進(jìn)行分離提純。
2 簡捷計算與優(yōu)化
DWC與傳統(tǒng)精餾序列相比，在節(jié)能和減少設(shè)備投資方面具有很大的優(yōu)越性，然而由于主塔和預(yù)分塔互連物流的復(fù)雜性，傳質(zhì)和傳熱更加復(fù)雜，增加了其設(shè)計與操作難度。采用Carlberg等提出的同Petlyuk塔等效的三塔模型，結(jié)合適當(dāng)?shù)脑O(shè)計規(guī)定，從而減小系統(tǒng)的自由度，其結(jié)果可以作為嚴(yán)格計算的初值。
三塔等效模型如圖1所示，其中塔1相當(dāng)于DWC的預(yù)分離塔，塔2精餾段和塔3提餾段相當(dāng)于DWC的塔頂和塔底部分，塔2提餾段和塔3精餾段相當(dāng)于DWC的間壁部分。塔2的塔釜出料和塔3的塔頂出料相當(dāng)于DWC的側(cè)線出料，在塔1上添加部分冷凝器和再沸器，互連流股對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。
本研究所用進(jìn)料為低壓下極性非電解質(zhì)物系，故采用NRTL物性方法，簡捷計算采用Aspen Plus中的DSTWU模塊，使用Fenske改善后的Winn方程估算最小理論板數(shù)；通過Underwood方程計算最小回流比，并采用Gilliland關(guān)聯(lián)曲線來確定實際回流比與實際所需理論板數(shù)的關(guān)系。通過調(diào)試使之滿足以下約束條件：塔1的理論板數(shù)等于塔2提餾段與塔3精餾段的理論板數(shù)之和；塔2提餾段的氣相流率等于塔3精餾段的氣相流率；B2出料與D3出料中的中間組分PDO含量相同；PDO的回收率滿足要求。簡捷計算結(jié)果如表2所示。
3 DWC的嚴(yán)格模擬與RSM優(yōu)化
嚴(yán)格模擬采用Aspen Plus中的Multifrac -Petly-uk模塊，該模塊對于多個多級精餾裝置相互連接的系統(tǒng)具有較高的精確度。嚴(yán)格模擬初值通過簡捷算法獲得，主塔理論板數(shù)相當(dāng)于塔2和塔3的理論板數(shù)之和，預(yù)分塔理論板數(shù)相當(dāng)于塔1的理論板數(shù)，主塔回流比采用塔2的回流比，主塔和預(yù)分塔的連接位置即為塔2和塔3的進(jìn)料位置。即主塔理論板數(shù)50，回流比5. 74；預(yù)分塔理論板數(shù)27，泡點進(jìn)料，進(jìn)料量為1 000 k mol/h，進(jìn)料位置為第13塊板，預(yù)分塔塔頂和塔底分別與主塔第1 1塊板和第38塊板相連，互連物流L12為40 k mol/h，V12為500 k mol/h。將以上參數(shù)作為初始值運行模擬，然后根據(jù)分離要求，通過塔內(nèi)濃度分布曲線初步確定主塔理論板數(shù)為26，預(yù)分塔理論板數(shù)為15。
3.1 單因素分析與RSM優(yōu)化
響應(yīng)曲面法是一種通過統(tǒng)計學(xué)試驗設(shè)計來優(yōu)化多個過程變量的方法，該法通過建立連續(xù)變量曲面模型，對影響過程的因子及其交互作用進(jìn)行評價，從而確定各個因子的最佳水平范圍。其響應(yīng)曲面通常是一個多項式：
本研究使用Design Expert軟件，以側(cè)線出料中PDO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為目標(biāo)函數(shù)，以29次模擬試驗結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行二階多項式及其系數(shù)的擬合，得到目標(biāo)函數(shù)的解析式。結(jié)合精餾過程實際情況，響應(yīng)曲面法優(yōu)化結(jié)果為：進(jìn)料位置為第4塊板，側(cè)線出料位置為第14塊板，液相流量為88 k mol/h，氣相流量為485 k mol/h。其四因子兩兩交互作用如圖2所示。
3.2 回流比對提純效果及再沸器負(fù)荷的影響
回流比R是精餾過程中設(shè)計和操作的重要參數(shù)，直接影響精餾塔的分離效果和能耗。以PDO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及再沸器負(fù)荷為目標(biāo)函數(shù)，使用Sensitivity模塊對R進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果表明，在R允許的范圍內(nèi)，隨著R的增加，PDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變，再沸器負(fù)荷增加明顯。通過簡單分析可以發(fā)現(xiàn)，1，3 -PDO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加0.01%，再沸器負(fù)荷將增加3. 81%，所以，在滿足分離要求及操作約束的前提下，R取較小值為宜，綜合分析，本研究取R為9。
4 DWC與傳統(tǒng)多塔串聯(lián)流程的對比
多組分的分離一般采用多塔串聯(lián)流程，分別采用流程1和流程2進(jìn)行DSTWU模塊簡捷計算，采用RadFrac模塊嚴(yán)格計算并優(yōu)化，具體流程如圖3所示，將其結(jié)果與DWC設(shè)計結(jié)果對比。
對比情況如表4所示，結(jié)果表明，流程a需要理論板數(shù)50，流程b需要理論板數(shù)51，而DWC需要理論板數(shù)為26，理論板數(shù)的大量減少使設(shè)備的投資費用大大降低。
為便于比較，規(guī)定3種流程的PDO回收率相同，均為96.7%，流程a、流程b和DWC的產(chǎn)物中PDO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到99. 59 010、99. 76%、99. 82%；反之，即意味著在滿足質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的要求情況下，采用DWC流程可以使PDO的回收率進(jìn)一步增加。
再沸器負(fù)荷一般作為衡量操作過程中能耗的重要指標(biāo)，在均采用泡點進(jìn)料，流量為1 000 k mol/h的條件下，流程a再沸器負(fù)荷共23 492.6 kW，流程b負(fù)荷共25 969.8 kW，而采用DWC流程時，負(fù)荷為18 375.4 kW，較之兩塔流程降低約25%，節(jié)能效果明顯。同時，由于只使用了1臺再沸器和l臺冷凝器，降低了設(shè)備費用。
5結(jié)論
針對傳統(tǒng)分離序列能耗高、設(shè)備投資大的缺點，提出采用DWC提純甘油發(fā)酵液中的PDO。通過預(yù)分塔對多組分進(jìn)料的非清晰分割，降低返混，提高了分離效率；通過主塔和預(yù)分塔互連物流之間的能量耦合，熱量充分利用，能耗降低約25%；同時，由于減少了再沸器和冷凝器的使用，降低了設(shè)備費用。該DWC分離流程可以為多組分物料分離的工業(yè)化設(shè)計和生產(chǎn)提供指導(dǎo)。
6摘要：采用Aspen Plus軟件和NRTL物性方法，對間壁塔(DWC)中1，3丙二醇(PDO)的分離精制進(jìn)行了模擬研究。以預(yù)處理后的甘油發(fā)酵液為原料，利用三塔等效模型，進(jìn)行簡捷計算，獲得了間壁塔的初始參數(shù)。采用Petlyuk模塊，基于Design Expert軟件和響應(yīng)曲面法( RSM)對進(jìn)料位置、側(cè)線出料位置、互連物流量L12和V12進(jìn)行了系統(tǒng)模擬與優(yōu)化。同時，利用Sensitivity模塊，對回流比進(jìn)行了靈敏度分析。對比傳統(tǒng)二塔精餾流程，在回收率相同條件下，PDO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由99. 59%可提升至99. 82%，再沸器負(fù)荷可降低約25%，節(jié)能效果顯著。
