[发明专利]用于含水乙醇的脱水的低能量萃取蒸馏方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于由含水乙醇原料回收无水(99.5+wt％)乙醇的改进的、 能量有效的萃取蒸馏方法，该无水(99.5+wt％)乙醇适合于汽油混合，该 含水乙醇原料包括发酵液。

发明背景

较高的油价和更严格的环境规定成为全世界范围内代用燃料和可再 生燃料的研究和开发分配更多资源的动力。在这方面的重要开发是把乙醇 用作汽油的混合料。燃烧乙醇而非燃烧汽油可减少多于80％的碳排放并且 完全消除引起酸雨的二氧化硫的释放。美国能源部(DOE)预测在美国到 2030年乙醇将减少30％的汽油消耗。最近的DOE报告推断，在主要能源 和环境效益方面，发酵乙醇明显优于基于石油的燃料，且未来的基于纤维 素的乙醇将甚至更好。

使用乙醇的主要弊端是发酵产生只含有10wt％-12wt％乙醇的稀的含 水乙醇混合物。当前的用于产生适用于汽油混合的无水(99.5wt％)乙醇 的脱水策略是高耗能的，并且其采用常规蒸馏及其后续步骤分离乙醇-水共 沸物。与乙醇的21,400KJ/L的能量值相比，常规蒸馏需要约6,400KJ/L 来将发酵乙醇浓缩成95.6wt％的乙醇，该95.6wt％的乙醇是共沸组合物。 即使是改进后的采用热联合的蒸馏方案仍然需要5,500KJ/L来产生该共沸 组合物。然后，将乙醇从共沸点浓缩以产生无水乙醇需要更多的能量。明 显地，尽管使用乙醇有益，与使乙醇脱水相关的能量成本为将通过发酵而 产生的乙醇用作汽油混合料或用作发动机燃料设置了严重的经济阻碍。

除共沸组成以外浓缩乙醇以产生无水乙醇的主要商业方法是：(1)共 沸蒸馏，(2)分子筛吸附，以及(3)萃取蒸馏。第四种方法被称为膜分 离，该方法使用沸石或聚合物膜来分离共沸物，其主要处于发展阶段。

在共沸蒸馏中，挥发性夹带剂被添加到含水乙醇进料混合物中。夹带 剂修改了被分离的水和乙醇的活度系数，并且在这个方法产生无水乙醇时 夹带剂与水形成了共沸物以从塔顶取出。戊烷、苯、二乙醚和汽油已被公 开为合适的夹带剂。见West的美国专利3,575,818、McElroy的美国专利 2,012,199、Wolfher.的美国专利2,371,010以及Black等人“Extractive and Azeotropic Distillation(萃取蒸馏和共沸蒸馏)”，Am.Chem.Soc.Advances In Chemistry Series第115期，第64页，1972。共沸方法的主要缺点是乙醇 进料必须被预浓缩到接近95wt％的共沸组成，这本身是能量密集方法。

用于从水中分离乙醇的吸附分离方法典型地为分批方法，对于所使用 的吸附剂而言，该方法必须有吸附循环和分离解吸附循环。不同的吸附分 离技术被描述在，例如，Fornoff的美国专利4,273,621、Ginder的美国专 利4,407,662、Greenbank等人的美国专利4,465,875、Convers等人的美国 专利4,287,089、Oulman的美国专利4,277,635、Kulprathipanja等人的美国 专利4,382,001、Sircar的美国专利5,030,775、Kulprathipanja等人的美国专 利4,343,623、Kulprathipanja等人的美国专利4,319,058、Valkanas等人的 美国专利5,766,895、Feldman的美国专利4,359,593以及Derr的美国专利 2,137,605中。尽管吸附方法在除去水或乙醇的方面非常具有选择性，但相 关的高热能量需求、高操作成本、有限的产能以及吸附剂寿命长度的不确 定性是对于商业运作的主要弊端。

最后，在萃取蒸馏(ED)中，高沸点的、极性的、非挥发性的溶剂被 添加到萃取蒸馏塔(EDC)的上部，而包含乙醇和水的进料被进料到EDC 的中部或下部，其位于溶剂入口点之下。取决于溶剂的性质，下行的非挥 发性溶剂优先从上升的汽流中萃取水或乙醇，从而消除乙醇-水的共沸物， 并从EDC的塔顶产生纯化的乙醇或水。EDC塔顶流的部分被循环到EDC 顶部作为回流。然后富含水或乙醇的饱和溶剂从EDC底部排出并被转移 到溶剂回收塔(SRC)的中部。饱和溶剂中的水或乙醇用来自SRC重沸器 的热量从溶剂中被汽提，然后从SRC的塔顶流中被回收作为纯化的水或乙 醇。再次地，塔顶流的部分被循环到SRC的顶部作为液体回流。来自SRC 底部的贫溶剂被循环回EDC作为溶剂进料。