基于Aspen Adsorption的乙醇变压吸附脱水工艺模拟

薛才红，郑 娆，赵鹏翔，张秋翔，李双喜

（1. 北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2. 国网节能服务有限公司 北京生物质能源技术中心，北京 100052）

基于Aspen Adsorption的乙醇变压吸附脱水工艺模拟

薛才红1，郑 娆1，赵鹏翔2，张秋翔1，李双喜1

（1. 北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2. 国网节能服务有限公司 北京生物质能源技术中心，北京 100052）

以84.2%（x）的乙醇蒸气为原料，基于Aspen Adsorption软件，研究了乙醇变压吸附脱水工艺，得到不同时刻吸附剂水吸附量轴向分布，并通过求解吸附塔利用率确定了乙醇变压吸附脱水工艺的操作周期，考察了吸附压力、吸附剂体积对乙醇变压吸附脱水工艺的影响。实验结果表明，乙醇变压吸附脱水的吸附周期与吸附塔在不同时刻水的吸附量有关，确定乙醇变压吸附脱水的操作周期为15 800 s；吸附塔的利用率为1时，吸附塔吸附饱和，出口气组成和原料气组成相同；提高乙醇变压吸附脱水的操作压力可增加吸附塔的气体处理量，但同时增加了原料气预热的能耗；吸附剂体积增大时，扩散对传质系数的影响增大，需减少模拟所用传质系数。

乙醇脱水；Aspen Adsorption软件；变压吸附

随世界经济发展对能源依赖程度的不断加大，开发新的可再生替代能源迫在眉睫。纤维素燃料乙醇以自然界中农作物秸秆为原料，可降低粮食乙醇对粮食的消耗，节省耕地。作为新的可再生清洁能源，对缓解目前能源紧缺具有重要意义［1］。

虽然自然界中纤维素原料非常丰富，但其复杂的结构使纤维素燃料乙醇生产工艺繁琐、原料利用率低、分离能耗大，生产成本高［2］。为满足国家关于燃料乙醇的标准［3］，需对低浓度乙醇进行脱水处理，将其提浓到99.95%（x）。乙醇脱水是纤维素燃料乙醇生产工艺中主要耗能单元之一，因此研究乙醇脱水工艺对提高纤维素燃料乙醇的经济性具有重要意义。

分子筛吸附脱水法由于具有节能、流程简单、经济环保和自动化程度高等优点，近年来逐渐被采用［4］。田昀等［5］通过研究水在3A分子筛上的吸附和平衡扩散，发现在一定温度范围内，水分子在3A分子筛上的吸附行为符合Langmuir-Freundlich模型，但实验研究费用较高、研究周期较长、工作量大。Aspen Adsorption软件为AspenTech公司专门为模拟吸附过程开发的，能够模拟气体混合组分吸附分离过程［6］。利用Aspen Adsorption软件，模拟研究乙醇变压吸附脱水过程，可以减少实验成本，指导工程设计，缩短工艺设计周期。

本工作基于Aspen Adsorption软件，以84.2%（x）的乙醇蒸气为原料，研究了乙醇变压吸附脱水工艺，得到不同时刻吸附剂水吸附量轴向分布，并通过求解吸附塔利用率确定乙醇变压吸附脱水工艺的操作周期；考察了吸附压力、吸附剂体积对乙醇变压吸附脱水工艺的影响，为乙醇变压吸附脱水工艺的优化设计提供一些基本的设计参数。

1 实验部分

1.1 吸附模型的建立

分子筛是一种具有均匀微孔结构的硅铝酸盐化合物，其内部的微孔能够把比其直径小的分子吸附到孔腔内，从而分离分子直径大小不同的混合物。对乙醇和水体系，乙醇和水分子直径分别为0.27 nm和0.47 nm，因此水分子可进入3A分子筛内部，并被吸附在分子筛内，而乙醇分子被阻挡在外，实现乙醇和水的吸附分离［7］。

采用Aspen Adsorption软件中气相动态吸附模型，建立3A分子筛双塔乙醇变压吸附脱水模拟流程，见图1。首先84.2%（x）的乙醇蒸气原料经蒸汽预热器过热处理，然后进入吸附塔A，原料中的水分子在较高压力下被吸附到分子筛微孔内，吸附后的乙醇产品纯度达99.95%（x）；吸附塔A吸附饱和时，切换至吸附塔B进料吸附，此时将吸附塔B吸附脱水后的一部分无水乙醇蒸气加热升温后引入吸附塔A，在高温、低压下反洗脱除分子筛内水分。原料气的性质和组成见表1。乙醇变压吸附脱水工艺的能耗与操作周期、操作压力、吸附剂体积有关［8］。

图1 乙醇变压吸附模拟流程Fig.1 Process fow chart of pressure swing adsorption(PSA) for ethanol.

表1 原料气的性质和组成Table 1 Properties and composition of feed gas

1.2 数学模型

模拟过程中，为提高计算效率进行以下假设［9］：1）根据进出口气体状态，假设进出口气体均为理想气体；2）由于吸附塔径向尺寸与轴向尺寸之比很小，假设塔内气体流动为活塞流，且径向浓度相同；3）根据对田昀等［5］给出的水在3A分子筛上吸附数据的分析结果，假设水的吸附平衡模型为Langmuir-Freundlich模型；4）在Aspen Adsorption中一般将扩散系数设置为常数，假设气相和固相之间只进行对流传质，传质阻力为线性推动力，并用一个总的传质系数（MTC）来表示阻力项［6］。

气流穿过床层的压力降由欧根方程计算，计算式见式（1），总质量守恒方程见式（2），气相中各组分质量守恒方程见式（3），气相和固相表面传质方程见式（4），Langmuir-Freundlich等温方程见式（5）。

1.3 偏微分方程的解法

用一阶上风差分法作为模拟过程中偏微分方程的离散方法，其方程见式（6）。

1.4 主要参数设置

模拟过程中所用吸附剂物性参数及各组分气体在吸附剂上吸附时吸附床层的参数见表2［5］。

表2 吸附剂及吸附床层主要参数Table 2 Parameters of adsorbent and adsorption column

2 结果与讨论

2.1 操作周期的确定

乙醇变压吸附脱水过程中吸附塔出口气组成变化曲线称为穿透曲线［10］。根据穿透曲线可确定乙醇变压吸附脱水过程的操作周期。本实验出口气组成的变化曲线见图2。

图2 出口气组成的变化曲线Fig.2 Composition change of the product gas.■ C2H5OH；▲ H2O

从图2可见，从吸附开始到吸附时间为10 000 s时，塔顶出口气为不含水的乙醇蒸气。随着吸附时间的延长，吸附塔内吸附剂逐渐饱和，在18 000 s以后出口气中水含量迅速增加。为满足国家关于燃料乙醇的标准规定，本工作将低浓度乙醇提浓到99.95%（x），因此取水含量0.05%（x）为穿透点。从图2曲线可得出穿透点为（15 800，0.05）。在15 800 s时出口水蒸气含量为0.05%（x），床层被穿透，则乙醇变压吸附脱水的操作周期为15 800 s。

不同时刻吸附剂水吸附量轴向分布曲线见图3，任意时刻吸附塔的总吸附量见式（7），吸附塔利用率见式（8）。

图3 不同时刻吸附剂水吸附量轴向分布曲线Fig.3 Axial distribution of water adsorption quantity.Time/s：● 1 000；▲ 10 000；▼ 15 000；◆ 20 000；■ 30 000

根据式（7）可知，吸附塔的总吸附量为图3中吸附曲线与坐标轴所包围的面积［11］。从图3可看出，当吸附时间为30 000 s时吸附塔吸附饱和，此时的吸附量为吸附塔的饱和吸附量。随着吸附时间的延长，吸附塔的利用率逐渐增大，当吸附时间为30 000 s时，吸附塔利用率为1。比较图2和图3可知，乙醇变压吸附脱水穿透曲线与吸附塔利用率有关：吸附塔的利用率越高，同一时刻出口气中水含量越高；当吸附塔的利用率为1时，出口气组成和原料气组成相同，即出口气中乙醇含量为84.2%（x）。

在实际生产中，为保证变压吸附过程平稳，需选择适当的操作周期和吸附塔利用率。通过修改模拟参数（吸附塔尺寸和操作压力等），使乙醇变压吸附脱水工艺的操作周期为15 800 s，吸附塔利用率为93%。

2.2 操作压力的影响

图4为操作压力对乙醇变压吸附脱水工艺穿透曲线的影响。从图4可看出，压力升高，穿透曲线后移，操作周期延长。取出口气中乙醇蒸气含量99.95%（x）为乙醇变压吸附操作的穿透点，则在吸附压力为0.2，0.3，0.4 MPa下，穿透时间分别为10 700，15 800，23 000 s。

变压吸附穿透曲线与吸附剂的平衡吸附量有关［12］。吸附量增大，穿透曲线后移。由式（5）可知，平衡吸附量与吸附压力成正比，即吸附压力升高，吸附剂的平衡吸附量增大，可增大吸附塔的气体处理量；但由于乙醇变压吸附脱水系统压力由蒸发器在原料汽化时提供，因此操作压力升高，原料气预热能耗增加。在实际操作中，乙醇变压吸附脱水操作压力一般为0.3 MPa。

图4 吸附压力对穿透曲线的影响Fig.4 Efects of adsorption pressure on the breakthrough curves.Pressure/MPa：■ 0.2；▲ 0.3；● 0.4

2.3 吸附剂体积的影响

通过修改模拟参数Db值（Db为吸附塔直径），可分析吸附剂体积对乙醇变压吸附脱水穿透曲线的影响。图5为相同吸附压力、吸附温度和吸附塔高度，不同吸附塔直径时，吸附剂体积对穿透曲线的影响。从图5 可看出，随着吸附剂体积的增加，穿透曲线的形状发生改变。吸附剂体积较小时，出口气中乙醇浓度梯度基本相同；吸附剂体积由0.16 m3增至0.19 m3时，出口气中乙醇浓度梯度迅速变小，传质速率降低，穿透点后移，变压吸附操作周期变长。

根据线性推动力方程式（4）可知，传质速率与传质系数有关。吸附剂体积较小时，扩散对传质系数的影响可以忽略，传质系数为常数；当吸附剂体积增大时，采用Aspen Adsorption软件模拟时，扩散对传质系数的影响增大，需减小传质系数。

图5 吸附剂体积对穿透曲线的影响Fig.5 Efects of absorbent volume on the breakthrough curves.Absorbent volume/m3：■ 0.04；△ 0.07；◆ 0.10；▼ 0.13；▲ 0.16；● 0.19

3 结论

1）乙醇变压吸附脱水的穿透曲线与吸附塔在不同时刻的利用率有关，吸附塔利用率为1时，出口气组成与原料气组成相同。根据Aspen Adsorption软件模拟结果，乙醇变压吸附脱水工艺的操作周期为15 800 s，吸附塔利用率为93%。

2）提高乙醇变压吸附脱水的操作压力，可提高相同条件下吸附塔气体处理量，但同时增加了原料气预热的能耗，乙醇变压吸附脱水操作压力一般为0.3 MPa。

3）吸附剂体积增大时，扩散对传质系数的影响增大，需减小传质系数。

符 号 说 明

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［2］张杰，李岩，许海朋，等. 纤维素乙醇发展现状［J］. 山东科学，2008，21（5）：39 - 42.

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（编辑 平春霞）

Simulation of ethanol dehydration process with pressure swing adsorption by Aspen Adsorption

Xue Caihong1，Zheng Rao1，Zhao Pengxiang2，Zhang Qiuxiang1，Li Shuangxi1
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2. State Grid Energy Conservation Bio-Energy Technology Center，State Grid Energy Conservation Service Co.，Ltd.，Beijing 100052，China）

The dehydration process of crude ethanol vapor with 84.2%(x) C2H5OH through pressure swing adsorption was studied by means of the Aspen Adsorption software. The axial distribution of H2O adsorption quantity at different time was obtained，and the adsorption cycle was determined by solving the utilization level of the adsorption column. The infuences of adsorption pressure and adsorbent volume on the adsorption process were investigated. It was showed that，the adsorption cycle of the ethanol dehydration with the pressure swing adsorption was related to the adsorption capacity of the adsorbent column at diferent time，which was 15 800 s；when the utilization rate of the adsorption column was 1，the adsorption column was saturated and the gas composition at the outlet was the same as the composition of the raw gas；Increasing operating pressure could enhance the adsorption capacity of the adsorption column，but the energy consumption also increased；when the absorbent volume increased， the simulating mass transfer coefcient should be decreased.

ethanol dehydration；Aspen Adsorption software；pressure swing adsorption

1000 - 8144（2016）09 - 1107 - 05

TQ 028.2

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.09.014

2016 - 02 - 02；［修改稿日期］2016 - 05 - 16。

薛才红（1990—），女，河北省保定市人，硕士生，电话 15652010309，电邮 1395410406@qq.com。联系人：李双喜，电话13691418726，电邮 buctlsx@126.com。