第三章 萃取蒸餾—酒精與水系統
3.4 以新式離子液體分離
3.4.4 最適化分析
為了將以離子液體[EMIM][Cl]作為夾帶劑之設計與甘油之設計做比較，因此 必須要固定兩者之萃取蒸餾塔之板數相同，因此萃取蒸餾塔總板數固定為 18 板。
最適化過程中之目標函數設定為最小化再沸器熱負載。因此程序中之最適化變數 包含以下四個：
1. 離子液體進料與新鮮進料進料比 (FIL)；
2. 驟沸分離器設計壓力 (PFlash)；
3. 離子液體回流進料位置 (NR)；
4. 新鮮進料進料位置 (NF)。
控制離子液體進料與新鮮進料進料比之方式為使用離子液體補充流使進入萃 取蒸餾塔之離子液體為一定值 FIL，因為酒精與水之新鮮進料共 100 kmol/hr，故 FIL=40 kmol/hr 時即表示離子液體進料：新鮮進料=0.4：1。驟沸分離器設計壓力假 設最小壓力 0.001 大氣壓。最適化流程步驟如下所示：
1. 先固定驟沸分離器壓力(PFlash)；
2. 設定一離子液體進入萃取蒸餾塔之流量(FIL)；
3. 設定一離子液體回流進料位置(NR)；
4. 設定一新鮮進料位置(NF)，並改變之，直到所得到之再沸器熱負載最小；
5. 回到步驟 3，改變離子液體回流進料位置(NF)，直到所得到之再沸器熱負載最 小；
6. 回到步驟 2，改變離子液體進入萃取蒸餾塔之流量(FIL)，直到所得到之再沸器熱 負載最小；
7. 回到步驟 1，改變驟沸分離器壓力(PFlash)，直到所得到之再沸器熱負載最小。
固定PFlash
固定FIL
固定NR 改變NF，得到改
變NF之最小Qr 得到改變NR、NF
之最小Qr 得到改變FIL、NR、
NF之最小Qr 得到改變PFlash、FIL、
NR、NF之最小Qr 得到最適化結果
NO NO
NO 酒精產物規格達99.67 mol%
水產物規格達98.76 mol%
圖 3- 11 酒精、水與[EMIM][Cl]系統之最適化流程圖
3.4.4.2 最適化設計
在最適化分析中，酒精產物之規格由萃取蒸餾塔再沸器熱負載控制，驟沸分 離器水產物之規格則由萃取蒸餾塔之回流比控制，回流之離子液體純度則由系統 自動算出。因為初步低壓絕熱驟沸器之設計壓力定在 0.001 大氣壓，此一值已經相 當小，假設工廠操作之最低壓力即為 0.001 大氣壓。
在某些情況下，水產物之規格可能會有過純之現象，即使操作回流比於相當 小之值亦呈現過純之現象，而當 RR 持續降低則再沸器熱負載亦持續降低，因此在 過純時則以 RR=10-4作為回流比之設定，如圖 3- 15、圖 3- 16、圖 3- 22。另外於 圖 3- 16 中，NR=3，NF=11 時，水產物亦呈現過純之現象，但此時操作之 RR=0.16455 並非 RR=10-4，此原因為塔頂冷凝器回流股進料板為第 2 板，若是回流比太小時，
則回流至第二板中之液體流量則過小，導致於第 2 板處會發生蒸乾的現象(dry up)，
因此為了 避免此 情 況 RR 必有一下 界存 在 ，而此 下界經 由 調 整後 最小 值為 RR=0.16455。
因此由圖 3- 24 之最適化結果可知，操作於 0.001 大氣壓時即為最小再沸器熱 負載之設計壓力。最適化結果如圖 3- 25 所示。再沸器熱負載從 1771 kW 小幅度 降至 1738 kW，將以離子液體[EMIM][Cl]做夾帶劑予以甘油做夾帶劑之結果做比 較，比較結果如表 3- 13 所示。以萃取蒸餾塔來說，以甘油做夾帶劑之再沸器熱負 載較離子液體來得小，但就整體能耗上甘油較離子液體高 52 kW。若要再進一步 節省能耗，須以熱整合之方式將高低溫流進行熱交換，此流程中離子液體回流須 冷至 80 oC，再進入萃取蒸餾塔中。因此冷卻器中之熱移除即可來加熱新鮮之酒精 與水進料，可省下第一根塔之再沸器熱負載。甘油冷卻器之熱移除量為 333 kW，
離子液體之熱移除量為 446 kW，故若可進行理想之熱整合，則離子液體之熱負載 減小應該會較甘油之熱負載來得多。
圖 3- 12 PFlash=0.001 atm，FIL=38 kmol/hr 時之最小再沸器熱負載圖
P
Flash=0.001 atm, F
IL=38 kmol/hr
NR=2
P
Flash=0.001 atm, F
IL=39 kmol/hr
NR=2
P
Flash=0.001 atm, F
IL=40 kmol/hr
NR=2
NR=3
NR=4
圖 3- 15 PFlash=0.001 atm，FIL=41 kmol/hr 時之最小再沸器熱負載圖
P
Flash=0.001 atm, F
IL=41 kmol/hr
NR=2 NR=3 NR=4 RR=1e-4
XH2O=0.9893 XH2O=0.9878
1720
P
Flash=0.001 atm, F
IL=42 kmol/hr
NR=2 NR=3 NR=4 RR=1e-4 RR=0.16455
XH2O=0.9942
XH2O=0.9925 XH2O=0.9948
XH2O=0.9891
1735
F
IL(kmol/hr) P
Flash=0.001 atm
NR=2, NF=11 NR=2, NF=11 NR=2, NF=10
NR=2, NF=11, Xwater=0.9878
NR=3, NF=11, Xwater=0.9891
圖 3- 18 PFlash=0.002 atm，FIL=39 kmol/hr 時之最小再沸器熱負載圖
P
Flash=0.002 atm, F
IL=39 kmol/hr
NR=2
P
Flash=0.002 atm, F
IL=40 kmol/hr
NR=2
P
Flash=0.002 atm, F
IL=41 kmol/hr
NR=2
NR=3
NR=4
圖 3- 21 PFlash=0.002 atm，FIL=42 kmol/hr 時之最小再沸器熱負載圖
P
Flash=0.002 atm, F
IL=42 kmol/hr
NR=2
P
Flash=0.002 atm, F
IL=43 kmol/hr
NR=2 NR=3 NR=4 RR=1e-4
XH2O=0.9954
XH2O=0.9934
1765
F
IL(kmol/hr) P
Flash=0.002 atm
NR=2, NF=11
NR=2, NF=11
NR=2, NF=11
NR=2, NF=11
NR=3, NF=11
圖 3- 24 酒精、水與[EMIM][Cl]系統之最小再沸器熱負載結果總圖
1735 1740 1745 1750 1755 1760 1765 1770
0.001 0.002
Q r ( k W)
P
Flash(atm)
FIL=40, NR=2, NF=10
FIL=42, NR=2, NF=11
圖3- 25以[EMIM][Cl]作夾帶劑最適化結果
圖 3- 26 EDC 塔之液相組成分佈
Liquid compostion profile of EDC
WATER
Vapor compostion profile of EDC
WATER
Temperature profile of EDC
表 3- 12 以[EMIM][Cl]作夾帶劑之最適化結果
Unit Configuration EDC Flash
Total no. of trays 18
entrainer feed tray 3
fresh feed tray 10
feed flow rate of [EMIM][Cl] (kmol/hr) 40 feed flow rate of mixed ETOH/H2O(kmol/hr) 89,11
Top product flow rate (kmol/hr) 89.180 10.840 bottom product flow rate (kmol/hr) 50.963 40.123 XD ETOH 0.9967 0.0106
Total reboiler duty (kW) 1738
表 3- 13 以不同夾帶劑之最適化結果比較
Entrainer Glycerol
optimization, w/o HX
[EMIM][Cl]
optimization, w/o HX Unit Configuration EDC WC EDC Flash Condenser duty (kW) -1276 -195 -1146 0 Reboiler duty (kW) 1617 173 1738 0 Bottom temperature (oC) 185 195 261 224 Total reboiler duty (kW) 1790 1738
*HX= heat integration
3.4.4.3 熱整合設計
Entrainer recycle cool down temperature (oC) PFlash=0.001 atm, FIL=40 kmol/hr, NR=2, NF=10
-1800
Entrainer recycle cool down temperature (oC) PFlash=0.001 atm, FIL=40 kmol/hr, NR=2, NF=10
Qc EDC Qc cooler Qc EDC + cooler
在熱整合中，以高溫之離子液體回流與新鮮之酒精與水進料做熱交換，並假 設高溫之離子液體回流出料和新鮮之酒精與水進料溫度差定為 10oC，因為進料之 酒精與水溫度為 78.1oC，因此設定離子液體出料溫度為 88.1oC，與甘油設計之假 設相同。
將系統熱整合後，其結果如圖 3- 31 所示，由表 3- 15 之比較可以看到經由熱 整合後再沸器熱負載下降 23.0%，且由離子液體[EMIM][Cl]再沸器熱負載下降之幅 度較甘油之 17.3%來得大。
表 3- 14 以[EMIM][Cl]作夾帶劑之最適化結果加上熱整合
Unit Configuration EDC Flash
Total no. of trays 18
entrainer feed tray 3
fresh feed tray 10
feed flow rate of [EMIM][Cl] (kmol/hr) 40 feed flow rate of mixed ETOH/H2O(kmol/hr) 89,11
Top product flow rate (kmol/hr) 89.179 10.840 bottom product flow rate (kmol/hr) 50.965 40.125 XD ETOH 0.9967 0.0106
Total reboiler duty (kW) 1338
表 3- 15 有無熱整合設計之能耗比較
Entrainer [EMIM][Cl]
w/o heat integration witho Heat integration Unit Configuration EDC Flash EDC Flash Condenser duty (kW) -1146 0 -1192 0
Reboiler duty (kW) 1738 0 1338 0
Total reboiler duty (kW) 1738 1338 (saving 23.0%)
圖3- 31以[EMIM][Cl]作夾帶劑之最適化結果加上熱整合