[发明专利]与水形成共沸物的化合物稀释液的脱水

说明书

本发明涉及一种用于与水形成共沸物的化合物的含水稀释液脱水从而形成具有高于共沸水平的浓度的浓缩物的方法和塔构造。在优选实施方案中，本发明涉及乙醇，如生物乙醇的含水混合物的脱水，从而提供具有所需纯度的浓缩物，例如用作燃料或燃料添加剂。在另一优选实施方案中，本发明涉及甲酸或氯仿的含水混合物的脱水。

生物乙醇通常通过生物质，如木素纤维素生物质或获自甘蔗和/或玉米的生物质的随后糖化和发酵生产。发酵通常获得5-12重量％生物乙醇的含水混合物。为了用作燃料或燃料添加剂，生物乙醇必须具有99.6-99.8重量％的纯度(参见美国标准ASTM D 4806和欧洲标准EN 15376)。

乙醇-水混合物的二元共沸物具有95.63重量％乙醇的乙醇含量。因此，可通过常规蒸馏获得的最高浓度为95.63重量％。为了获得具有标准所要求的99.8重量％乙醇浓度的生物乙醇级分，目前以如下步骤顺序实施脱水方法，包括：在蒸馏塔中的第一预浓缩步骤，这通常获得约92-94重量％的纯度。在第二步骤中，例如通过全蒸发、吸附、变压蒸馏、萃取蒸馏或共沸蒸馏或其组合将所述乙醇脱水至所需的乙醇浓度的程度。如果使用萃取蒸馏或共沸蒸馏，则必须回收所用的溶剂并将其脱水。附图中的图1示意性地显示了目前现有技术的三步生物乙醇脱水。

该多步方法需要高能耗。A.Kiss和D.J.P.C Suszwalak的论文“Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing-wall columns”，Separation and Purification Technology，86，第70-78页(2012)提出了在顶隔壁塔中将第二步骤(预浓缩的乙醇级分的萃取蒸馏)与第三步骤(溶剂回收)合并。该塔的顶段和中段被垂直延伸的将进料侧与出料侧隔开的分隔壁隔开。底段未被隔开且提供有单一的再沸器。在中段的入口侧将预浓缩的生物乙醇供入该塔中。在更高水平处将乙二醇供入该塔中。乙醇升至入口侧的顶段，在此经由第一冷凝器排出。水和乙二醇的混合物向下流至底段，在其中将水蒸发以与乙二醇分离，乙二醇经由底段处的再沸器排出，而水经由该塔出料侧顶段处的冷凝器排出。然而，为了获得所需的乙醇浓度，该系统仍需要独立的预浓缩步骤，该步骤实际上是该方法中能量最密集的部分。

本发明的目的是设计一种用于将与水形成共沸物的化合物的含水稀释液，如粗级生物乙醇、甲酸和氯仿脱水，从而获得具有所需浓度水平的脱水级分且需要较少能量消耗的方法。

本发明的目的由一种使用具有再沸器的预浓缩段和萃取蒸馏段的方法实现，其中所述预浓缩段与所述萃取蒸馏段热耦合。将含水稀料流供入所述预浓缩段中，在其中分离成水和预浓缩物。分离的水经由再沸器排出。将所述预浓缩物供入萃取蒸馏段中。将溶剂在高于所述预浓缩物的水平处供入萃取蒸馏段中。在萃取蒸馏段中，将最终的浓缩物与溶剂和水的混合物分离。

通过将预浓缩段和萃取蒸馏段热耦合，可大大节约能量。术语“热耦合”意指在所述塔之间存在双向连通(参见例如Agrawal R.，“More operable arrangements of thermally coupled distillation columns”，AIChE，美国，1999；Fidkowski Z.,Królikowski L.，“Minimum energy requirements of thermally coupled distillation systems”，AIChE Journal，33(1987)，643-653)。更特别地，在这种情况下，还存在萃取蒸馏段与预浓缩段的反向耦合。热耦合塔构造包括塔间或塔的被分隔的段之间的互连料流(至少一个呈气相，且一个呈液相)。各互连的料流替代了塔或塔段之一的冷凝器或再沸器。

在一个具体实施方案中，将离开萃取蒸馏段的溶剂和水的混合物转移至溶剂回收段中，在其中溶剂通过蒸馏与水分离且经由第二再沸器排出。任选地，可将分离的溶剂返回至所述萃取蒸馏段中以再次利用。

尽管该构造使用了两个再沸器，然而令人惊讶地发现这导致与现有技术系统相比大大节约了总能量。根据严格的模拟计算，节约的能量通常为10-20％，在一些情况下甚至高于20％。类似地也可节约约20％资金投入成本，同时由于所需设备单元数量减少，可大大降低工厂的总CO₂足迹。