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无水乙醇应用广泛,可作为有机溶剂参与有机化学反应,也可添加变性剂作为燃料乙醇,并与汽油混配制成车用乙醇汽油,市场容量巨大。目前工业上无水乙醇的制备技术有恒沸精馏、萃取精馏、分子筛吸附、渗透蒸发及蒸汽渗透等,其中渗透蒸发及蒸汽渗透技术操作费用较低,但存在对于微量水分分离困难以致膜用量呈级数增加,投资费用较大的问题。蒸汽渗透与分子筛吸附耦合工艺用于乙醇脱水充分利用了分子筛对微量水分高效吸附的特点,有效解决了蒸汽渗透存在的微量水分分离困难问题,使耦合工艺在生产高浓度乙醇时具有更好的经济性。目前国内外对此新耦合工艺研究报导极少,其经济性试验验证及数据还非常缺乏。本文对蒸汽渗透与分子筛吸附耦合工艺在乙醇脱水中的应用做了具体研究,为工业实践提供了一定的指导。 首先做了分子筛吸附塔理论计算,设计了吸附装置,将蒸汽渗透膜组件与设计的吸附装置耦合,搭建了耦合试验装置。分子筛吸附塔的成型参数为外径57mm、内径51mm、塔高1100mm、最大装填高度1000mm、装填密度800kg/m3。 在实验室已有蒸汽渗透过程研究的基础上对吸附过程做了研究,为耦合装置的连续生产及工业放大积累了一定数据。采用透过曲线法对吸附过程进行计算,用Langmuir模型对分子筛等温吸附曲线做了拟合,考察了温度及吸附进口水含量对吸附操作的影响,研究了分子筛的再生条件。计算结果表明,吸附进口水含量为0.0282g/ml,进口乙醇蒸汽流量为8.75ml/min时,传质区长度为610mm,此透过点对应的动态吸附量为0.01106g水/g分子筛,饱和吸附量为0.01673g水/g分子筛;Langmuir模型拟合曲线与试验曲线拟合度很高,120℃条件下拟合方程的参数为qm=0.1250g水/g分子筛,b=0.1235kPa-1,相关系数R2=0.9971;110℃条件下拟合方程的参数为qm=0.1303g水/g分子筛,b=0.1676kPa-1,相关系数R2=0.9924;吸附试验结果表明,吸附进口水含量增大,透过时间变短;吸附温度越高,透过时间越短;脱附载体温度越高,脱附压力越低,越有利于脱附。 建立了蒸汽渗透与分子筛吸附耦合工艺的技术经济模型,计算了不同试验条件下的投资及操作费用,考察了耦合工艺的经济性。计算结果表明,耦合工艺生产99.93wt%乙醇时,蒸汽渗透膜面积为0.224m2时,投资及操作费用均较省,较其他条件经济性好,耦合工艺脱附液回收利用后操作费用可节省约40%;对比了单一蒸汽渗透工艺与耦合工艺生产99.93wt%乙醇时的投资及操作费用,计算结果表明,耦合工艺对应的投资及操作费用均较低,具有更好的经济性。蒸汽渗透与分子筛吸附耦合工艺应用于无水乙醇的生产潜力巨大。