发酵法溶剂生产工艺的流程模拟与参数优化.pdf

发酵法溶剂生产工艺的流程模拟与参数优化 * 王洪海 1 高长虹 2 李春利 1 李建慈 3 王荣良 1 1. 河北工业大学化工学院， 天津 300130; 2. 河北工业大学研究生院， 天津 300130; 3. 天津普莱化工技术有限公司， 天津 300130 摘要 对发酵法溶剂生产的精馏工艺流程采用化工流程模拟软件 PROII 进行了模拟。将复杂的流程分为醪塔子系统、 丁塔子系统和乙丙子系统， 采用液体活度系数模型 NRTL 和非理想物系的 CHEMDIST 算法， 利用 Distillation 模块、 Simple HX 模块、 Flash 模块和 Mixer 模块分别进行模拟。流程模拟结果与实际运行结果吻合良好。在此基础上， 以减 少塔釜废液中溶剂含量为优化目标， 利用中心组合设计 CCD 与 PROII 流程模拟相结合， 对醪塔的部分操作参数进行 了优化。优化后可使废液中溶媒含量减少至 0. 008 ， 远低于原工艺数据。 关键词 醪塔; 中心组合设计; 流程模拟; 优化 PROCESS SIMULATION AND PARAMETER OPTIMIZATION OF SOLVENT PRODUCTION BY FERMENTATION Wang Honghai1Gao Changhong2Li Chunli1Li Jianci3Wang Rongliang1 1. School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China; 2. Postgraduate School，Hebei University of Technology，Tianjin 300130， China; 3. Tianjin Pulai Chemical ＆ Industry Technology Co. ，Ltd，Tianjin 300384，China AbstractThe whole distillation process of solvents production by fermentation was simulated by the chemical process simulation software PROII. The whole complex process was divided into three partsprefractionator subsystem，butanol tower subsystem and ethanol-acetone tower subsystem. During the simulation，the liquid activity coefficient model NRTL and the non-ideal system algorithm CHEMDIST were chosen and Distillation module，Simple HX modules，Flash modules and Mixer modules were used. The results of process simulation and actual operating are in good agreement. On this basis，with the optimization target of reducing the solvent content in the waste liquid of the bottom，the prefractionator operating parameters were optimized by central composite design CCDand the PROII process simulation. The results showed that the solvent content in the waste water can be reduced to 0. 008 ，which is far below the original process data. Keywordsprefractionator;central composite design;process simulation;optimization * 河北省自然基金项目 B2006000018 。 0引言 丙酮、 丁醇、 乙醇统称为丙丁总溶剂 ABE ， 是 医药、 农药、 塑料、 油漆、 国防以及轻工业的重要原料。 我国最早是利用丙丁菌以玉米为原料进行发酵生产 的 ［ 1］。随着世界经济的发展， 丙酮丁醇梭菌的研究 进展使得可替代玉米的原料越来越多 ［ 2- 9］， 生物发酵 法生产丙丁总溶剂重新具有了市场竞争优势， 发展前 景良好。我国的发酵法溶剂生产工艺相对较成熟， 但 工艺过程中用于蒸馏的塔器众多， 且附属大量的换热 设备。蒸汽消耗量大， 废水排放已经接近或者超过国 家标准要求， 近几年来， 对该系统进行了优化， 取得了 一定的成果 ［ 10- 13］， 而全流程的模拟对工艺改进、 扩能 改造和减少环境污染具有重要意义。 本文在深入研究 ABE 生产工艺的基础上， 利用 分段模拟方式对全流程进行了模拟; 并对醪塔的部分 操作参数进行了优化。 1蒸馏系统工艺流程 原流程主要由 6 个塔组成， 每个塔都有塔顶冷凝 系统和塔釜再沸系统。塔的主要参数如表 1 所示。 蒸馏系统工艺流程如图 1 所示。 从图 1 可以看出， 如果将流程作为一个整体用 511 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 表 1蒸馏系统塔板主要参数 项目精馏段塔板数提馏段塔板数 醪塔1430 1 号丁醇塔乙丙段 26 丁醇段 32 2 号丁醇塔 446 丙酮塔5025 除醛塔盲板上段 30盲板下段 34 乙醇塔4723 图 1蒸馏系统工艺流程 PROII 模拟软件进行模拟， 将面临太多参数的变化， 收敛将极其困难。 2蒸馏系统的数学模型 该物系属于典型的烃类系统， 过程中含有大量的 水蒸气， 工艺物料有多次的冷凝与汽化， 液体活度系 数模型 NRTL 能够很好的处理此类液液平衡。乙醇 为非理想物系， 故采用 CHEMDIST 算法。蒸馏塔用 Distillation 模块计算， 换热 器 和分 相 罐采用 Simple HX 和闪蒸 Flash 模块配合模拟计算， 汇合物料采用 Mixer 模块计算。数学模型如式 1～ 式 3 ［ 10，14］ 相平衡方程 ηi， jKi， jli， j Vi Li － vi， j 1 － ηi， j vi－1， j Vi Vi－1 0 1 物料平衡方程 li， j vi， j－ li1， j－ vi－1， j－ fi， j 0 2 能量平衡方程 hi Hi－ Hi－1－ hi1－ hfi 0 3 式中i 塔板号; j 组分号; li， j i 塔板上液相组分 j 的流量; vi， j i 塔板上气相组分 j 的流量; hi i 塔板上液相的焓; Hi 气相焓; hfi 进料焓。 3分段式流程模拟 由于整个系统过于复杂， 循环物流走向很多， 因 此整体模拟会造成不收敛的结果或者计算结果不准 确。因此， 对整个蒸馏系统拆解后分别模拟， 分段进 行考察。具体方法为 将醪塔及其附属设备作为第一 个子系统进行模拟， 称为醪塔子系统; 将 1 号丁塔和 2 号丁塔及其附属设备作为第二个子系统进行模拟， 称为丁塔子系统; 将剩余的所有设备作为第三个子系 统进行模拟， 称为乙丙子系统。 在模拟顺序上， 首先对每个子系统按照物料总的 流向即由醪塔到乙醇塔进行模拟， 对每个子系统中需 要流向其他子系统的物料线暂不处理。当所有计算 全部通过后， 再在每个子系统中添加相互来往的物料 线， 然后重新计算， 直到三个子系统中所有相对应的 物料线中的成分误差极其微小为止。 醪塔子系统包含有 7 个换热器、 5 个闪蒸罐， 1 个 混合器， 1 个蒸馏塔。丁塔子系统包括 3 个蒸馏塔， 8 个换热器， 2 个闪蒸罐， 2 个混合器。乙丙子系统包括 4 个蒸馏塔， 12 个换热器。整个流程总模块数为 45 个。以醪塔子系统为例， 如图 2 所示。将模拟计算结 果与某工厂实际运行数据进行了比较， 结果如表 2。 图 2醪塔子系统模拟 数据对比发现， 运用本文所选择的模型和分段模 拟方法模拟后的结果与生产实际吻合良好， 可以用于 新流程的开发以及操作参数的优化。 表 2醪塔模拟与运行结果比较 质量分数 项目丁醇丙酮乙醇总溶剂 模拟值33. 414. 94. 052. 3 实际值34. 1914. 813. 9152. 9 611 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 4醪塔子系统操作参数优化 文献［ 15］ 通过增设侧采工艺、 热泵回收工艺和 单参数优化等方法对醪塔子系统工艺流程进行改进， 取得了节能减排的效果 ［ 15］。但当某个单参数变化 时， 系统中的其他参数极有可能处于非最优状态， 因 此本文利用 PROII 流程模拟与中心组合设计 CCD 方法相结合， 对文献［ 15］ 中醪塔的操作参数 进料位 置、 侧采位置、 侧采量等进行了分析和优化。CCD 变 量和水平如表 3 所示。塔釜废液中溶剂含量 Y 与该 三参数 X1、 X2、 X3的二元多次方程见式 4 。 Y 0. 009685 － 0. 0001375X1 0. 001438X2－ 0. 0003458X3－ 0. 001131X1X2－ 0. 0008812X1X3 0. 0006688X2X3 0. 0009273X2 1 0. 0002398X2 2 － 0. 00001023X2 3 4 表 3 CCD 的变量和水平 参数 符号水平 未编码 已编码－ 2－ 1012 进料位置 x1X1 1316192225 侧采位置 x2X2 47101316 侧采量 x3X3 2 0002 5003 0003 5004 000 注 X1 x1－ 19 /3; X2 x2－ 10 /3; X 3 x3－ 3000 /500 利用 MATLAB 软 件 对 该 公 式 进 行 求 解， 得 到 X1 － 1. 23， X2 － 1. 97， X3 1. 69， 按照此数据， 在 PROII 中 进 行 模 拟， 得 到 塔 釜 废 液 中 溶 剂 含 量 为 0. 008 ， 远低于原工厂要求的 0. 04 标准。 5结论 1对于发酵法溶剂生产的复杂蒸馏系统， 利用 NRTL 模型和 CHEMDIST 算法进行分段模拟是可行 的。模拟结果可为工艺的改进和操作参数的优化提 供有利支持。部分工厂实际运行数据验证了其准 确性。 2利用中心组合设计方法 CCD 和 PROII 相结 合对复杂蒸馏系统操作参数优化是可行的。 3按照优化结果， 塔釜废液中溶剂含量可减少 至 0. 008 ， 远低于原工艺水平的 0. 04 ， 说明传统 的发酵法溶剂生产中在减排放方面有很大发展空间。 参考文献 ［1 ］ Ni Y，Sun Z. 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