热耦合与分子筛吸附协同优化的纤维素燃料乙醇高效蒸馏工艺设计与经济环境效益研究

本文创新性地提出将三塔蒸馏（粗馏塔、一塔、二塔）与3A分子筛吸附深度脱水单元耦合的燃料乙醇分离工艺，通过压差设计构建热耦合网络（中/高压塔蒸汽互供热源、再沸器废液预热进料），结合NRTL模型参数优化与Aspen Plus模拟，实现乙醇纯度>99.6%、年总成本（TAC）降低15.58%（至5.123×106 USD·a–1），CO2排放成本削减27.56%，为生物燃料绿色高效分离提供关键技术方案。

　　

Highlight

本研究针对纤维素燃料乙醇传统三塔蒸馏工艺的高能耗痛点，创新整合热耦合技术与分子筛吸附单元，通过Aspen Plus全流程模拟实现能效与纯度的双重突破。

Thermodynamic Consistency Test of Ethanol–Water System

乙醇-水体系的汽液平衡（VLE）数据质量直接影响模拟精度。研究首先对实验数据进行热力学一致性检验，通过NRTL模型二元交互参数回归（平均相对偏差<5%），为后续模拟提供可靠基础。

High-Efficiency Distillation–Molecular Sieve Coupling Process

如图2所示，发酵液（乙醇浓度3.5%–5.5%）经粗馏塔废热预热后进入三级蒸馏系统：粗馏塔顶蒸汽循环除杂，侧线与塔顶液分别进入一塔和二塔；二塔采用压差热耦合设计——中压塔（0.35 MPa）蒸汽驱动低压塔（0.1 MPa）再沸器，高压塔（0.7 MPa）蒸汽为分子筛再生供热，形成能量梯级利用闭环。

Aspen Simulation Optimization

基于TAC最小化目标，对理论塔板数、进料位置、回流比等参数进行灵敏度分析。优化结果显示：粗馏塔28块理论板、侧线采出第18板时，分子筛吸附剂用量减少60%，再生能耗降低55%。

Comparative Economic Analysis

与传统三塔工艺相比（图16），耦合工艺的分子筛仅处理90%乙醇中间品，避免低浓度吸附惩罚效应，设备投资降低20%–30%，且彻底消除苯系夹带剂的环境风险。

Conclusions

该工艺通过精准匹配蒸馏与分子筛的操作窗口（蒸馏终止于吸附动态容量拐点前，PSA/TSA处理残余水分），同步突破“共沸壁垒”与“低浓度惩罚”，为第二代生物燃料产业化提供关键技术支撑。

（注：翻译部分已按生命科学领域专业表述调整，保留原文技术细节如MPa、PSA/TSA等术语，并采用^{/_{规范上下标格式）}}