基于丙酮-丁醇-乙醇精馏的工艺研究

倪福鑫,闫玲玲，高 源

(青岛伊科思技术工程有限公司，山东 青岛 266042)

丁醇通过发酵来生产最早开始于十九世纪六十年代[1]，而丙酮-丁醇-乙醇(Acetone-Butanol-Ethane，ABE)的工业化发酵制备是从二战之后开始大规模兴起的[2]。但是ABE的存在对微生物的生长代谢产生抑制，使得发酵液中ABE的浓度一般维持在23g/L以下，其中丁醇一般不超过13g/L[3]，因而造成低丁醇产量和低底物转化率，导致丁醇的生产成本提高。因此丁醇低产量的解决方法之一是及时得分离发酵产物，即不断移出发酵液中的丁醇使产物抑制作用降低从而提高丁醇产量。本文研究了蒸馏工艺中的重要参数改变，对整体工艺的影响情况，完成对整个工艺流程的深入分析，为以后的ABE分离工艺工业化提供理论依据和设计参考。

1 传统的精馏工艺

传统的精馏工艺并不复杂，依据各组分的沸点情况依次将产物分离出来。假定进料量为1000 kg/h(年产80吨丁醇中试规模)，其中水980 kg/h，丁醇11 kg/h，丙酮6 kg/h，乙醇3 kg/h。建立初步的工艺流程模型如图1所示。

图1 传统精馏工艺分离ABE的工艺流程图

1.1 醪塔的模拟计算与参数优化

醪塔T310的主要作用就是浓缩发酵液，将大部分的水分除去。这样，从醪塔出来的物流中，含有水40%左右和ABE在60%左右。因此在规定醪塔的工艺参数时，经简单计算得知，塔顶的采出量为34 kg/h。回流比暂定为2或者3，待设置目标函数，再优化回流比。理论板数设定同回流比一致。压力定为0.9 bar，一方面可以满足在分离要求一定的情况下，回流比不会太大或者太小，另一方面，压力太低，不利于后续工艺压力的设定，并且容易造成真空系统的压力。

目标函数的设定主要考虑醪塔的功能，即将多余的水分从塔底除去，并且保证丁醇在塔底采出物流中的含量极低，设定为5E-05(50 ppm)。变量主要考虑回流比的变化。即回流比在一定范围内，有个最优值，能保证，丁醇在塔底采出物流中的含量维持在50 ppm。灵敏度分析主要用来对塔的工艺参数进一步优化，得到最优值。醪塔可以优化的参数除了已经考虑的回流比之外，还有理论板数和进料板位置。下面，重点考察理论板数和进料板位置。

图2 理论板的确定数据

由图2可知，回流比选择1～2之间，都是可以的，对应的理论板数为9～12；理论板数在到达12块板时，再增加时，热负荷没有明显的降低。热负荷不宜过大，一方面避免大量的能耗，另一方面可以减少冷凝器的设备投资。综合考虑，理论板选择为11块板。

进料板位置对回流比的影响如图3数据所示。

图3 醪塔的进料板位置确定数据

从图3可以看出，从第3块板进料，回流比最小。

综上所述：醪塔的理论板为11块，从第3块板进料，回流比为1。

1.2 丁醇塔的模拟计算与参数优化

第一丁醇塔T320，主要的任务是塔顶分离丙酮和乙醇，塔中采出水和丁醇的共沸物，塔底采出产品丁醇。第二丁醇塔T350的任务是精制丁醇。优化的方式同上节一致，对关键的理论板、回流比和进出料位置优化[4]。

第一丁醇塔T320，塔顶采出物料中保证丁醇的浓度在0.001。第二丁醇塔T350，塔底采出物料中保证丁醇的浓度在0.999。分离任务的选定，可以根据塔本身的理论板数和进料板位置，随时进行调整。T320的塔中采出，去醇相水相分离罐B360，其中，自由水回醪塔T310，包含少量丁醇和乙醇的醇相回T320。T350顶出料进醇相水相分离器，以保证丁醇和乙醇不会有大的损失。

优化计算结果：第一丁醇塔，理论板为40块，从第8块板进料，从第18块侧线采出，回流比为3；第二丁醇塔理论板为8，第5块板进料，回流比为2。

1.3 丙酮塔和乙醇塔的模拟计算与参数优化

从第一丁醇塔T320塔顶采出的丙酮、乙醇和少量水的混合物直接进入丙酮塔T330。丙酮塔T330塔顶出丙酮，塔底出乙醇和水的混合物，进入乙醇塔T340。从丙酮塔塔底出来的乙醇水混合物进入乙醇塔T340，塔顶蒸出乙醇，塔底采出水。采出的水中含有微量的醇，进入醇水分离罐B360。

优化计算结果：丙酮塔T330理论板为35，第27块板进料，回流比为4.5；乙醇塔理论板为45，第33块板进料，回流比为3.5。

2 精馏过程中的能量平衡

采用精馏法分离ABE工艺模型建立后，各单元设备的能量平衡数据随之产生，如表1所示。塔底再沸器工艺物料计算，按照气化率8%～10%，温度升高8～10℃。

表1 精馏过程的能量平衡表

表1(续)

3 结论

精馏法分离ABE工艺成熟，操作简单，应用广泛，但由于发酵液中的各组分含量低，总溶剂含量一般在2%左右，因此需要多次精馏，能耗很大，导致成本增高。如何采用简单手段如萃取提高产品的浓度后再次精馏或者是在有效降低过程能耗的基础上采用气提或者原位萃取的方式分离ABE产品将是未来的重点研究内容。

[1] Schardinger F.Bacillus macerans, ein Aceton bildender Rottebacillus[J].Zbl Bakteriol Parasitenkd Infektionskr Hyg Abt II,1905,14:772-781.

[2] Rose A H.Industrial microbiology[J].Industrial microbiology,1961.

[3] Tomas C A,Welker N E,Papoutsakis E T.Overexpression of groESL in Clostridium acetobutylicum results in increased solvent production and tolerance, prolonged metabolism,and changes in the cell's transcriptional program[J].Applied and Environmental Microbiology,2003,69(8):4951-4965.

[4] 上海溶剂厂.发酵法制造丙酮与丁醇[M].上海：科学技术出版社,1959.