СИСТЕМА И СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ СПИРТА И СГУЩЕНИЯ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕГОНКИ
SYSTEM AND METHODS OF SEPARATING ALCOHOL AND THICKENING DISTILLATION BY-PRODUCTS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка устанавливает приоритет предварительной заявки США № 61/288,439, поданной 21 декабря 2009 года и включенную в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение касается процессов выделения спирта, полученного в процессе брожения, и сгущения побочных продуктов перегонки и в частности выделения спирта с использованием отходящего тепла, выделяемого при выпаривании воды из побочных продуктов перегонки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технология получения топливного спирта, используемая, например, в производстве этилового спирта, обычно включает сбраживание смеси воды и молотого зерна для получения спирта и перегонку сброженной смеси с целью выделения спирта в качестве дистиллята с получением побочных (кубовых) продуктов перегонки, включающих сухие вещества зерна и фильтрат барды, представляющий собой растворенные в воде твердые вещества. Побочные продукты перегонки обычно сгущаются путем выпаривания из них воды с целью получения сухой барды с растворимыми примесями (DDGS), ценного корма для скота.
Чтобы сделать производство топливного спирта более экономичным, желательно снизить количество энергии и воды из внешних источников, необходимое для осуществления различных этапов процесса получения спирта. Этого можно достигнуть, например, за счет использования отходящего тепла одной секции в качестве источника тепла для другой секции данного процесса, теплообмена между различными процессами, а также переработки и повторного использования в производственном процессе потоков сточных вод. Например, в патенте США № 7297236, выданном на имя Вандера Гринда (Vander Griend), описан процесс производства этилового спирта, в ходе которого пар, вырабатываемый при сгущении фильтрата барды, может служить источником тепла для осуществления перегонки сброженной смеси.
В процессе производства этилового спирта, описанном в патенте США № 7297236, сгущение фильтрата барды обеспечивается последовательно расположенными четырьмя испарителями первой ступени и четырьмя испарителями второй ступени; при этом пар второй ступени из испарителя второй ступени используется для обеспечения функционирования секции перегонки процесса. Описание примера традиционного завода 100 по производству этилового спирта, использующего технологию сухого помола и содержащего четыре испарителя первой ступени и четыре испарителя второй ступени, описанного, в частности, в патенте США № 7297236, приводится со ссылкой на фиг.1. Как показано на фиг.1, завод 100 по производству этилового спирта содержит секцию сбраживания 110, где горячая вода 104 и молотое зерно 102 (например, кукуруза) смешиваются, образуя затор, который разваривается и сбраживается дрожжами в бродильном аппарате для получения сброженного сырья 106. Сброженное сырье может быть направлено в дегазатор (не показан) для удаления каких-либо неконденсирующихся газов, а затем разделено в бражной колонне 120 на отводимые с верха колонны пары 108 с высоким содержанием спирта (например, 60% об.) и бражный кубовой остаток 116. Неконденсирующиеся газы из дегазатора могут быть затем подвергнуты обработке с целью выделения этилового спирта в виде конденсата (не показан), после чего конденсат может снова подаваться в бражную колонну 120, а газ направляется в скруббер (не показан). Вода скруббера (не показана) может быть направлена для повторного использования в секцию сбраживания 110 описываемого процесса.
Пары 108 с высоким содержанием спирта из бражной колонны 120 поступают в ректификационную колонну 130, где образуются пары с более высокой концентрацией этилового спирта (например, 85% об.) в виде отводимых с верха колонны паров 110. Водяной пар 129, образующийся при нагреве молотого зерна и воды в секции сбраживания 110, также может подаваться в отпарную секцию ректификационной колонны, способствуя отгонке этилового спирта, содержащегося в жидкости в кубе колонны. Нагреватели, предусмотренные в молекулярном сите секции 140, обеспечивают конденсацию и обезвоживание паров этилового спирта 110 с содержанием спирта 85% об., позволяя получить высокосортный этаноловый паровой продукт 112 (например, с содержанием спирта 99,75% об.). После этого могут быть произведены охлаждение и конденсация этанолового парового продукта 112 в охладителе/конденсаторе 145 с целью получения жидкого этанолового продукта 112”. Регенерация молекулярного сита может осуществляться путем удаления абсорбированной воды, которая может содержать некоторое количество этилового спирта. Удаленная вода может охлаждаться/конденсироваться в регенерационном охладителе/конденсаторе (не показан) и возвращаться в ректификационную колонну 130 регенерационным потоком 114. Если в ректификационной колонне содержатся неконденсирующиеся газы, эти газы могут быть выделены и также направлены в скруббер (не показан).
Бражный кубовой остаток 116 из бражной колонны 120, содержащий преимущественно воду, растворенные примеси и несброженные сухие вещества молотого зерна, может подаваться в центрифугу 160 и разделяться на преимущественно твердую составляющую, называемую бардой 172, и преимущественно жидкую составляющую, называемую фильтратом барды 118. Часть 118' фильтрата барды может вновь добавляться в сброженную смесь в секции сбраживания 110; остаток при этом направляется в выпарную секцию 150 завода. В выпарной секции 150 из фильтрата барды 118 выпаривается вода для получения упаренной барды 158. Выпарная секция содержит четыре последовательно соединенных (соответствующими трубопроводами 157) испарителя первой ступени 151, 152, 153 и 154 четыре последовательно соединенных (соответствующими трубопроводами 157) испарителя второй ступени 161, 162, 163 и 164. Первые три испарителя первой ступени 151, 152 и 153 функционируют, используя пар установки 190 в качестве источника тепла для выпаривания воды из фильтрата барды, а четвертый испаритель первой ступени 154 использует пары этилового спирта 112' из потока этанолового парового продукта 112. испарители первой ступени обеспечивают постепенное выпаривание воды из фильтрата барды для получения промежуточной барды 156. Промежуточная барда 156 подается в первый испаритель второй ступени 161, а затем последовательно в следующие испарители второй ступени 162, 163 и 164, которые обеспечивают постепенное выпаривание воды из промежуточной барды для получения упаренной барды 158. Упаренная барда 158 может добавляться в барду 172 в смесителе 170 для получения смешанного сырья 174, которое подвергается сушке в сушилке 180 барды с целью получения сухой барды с растворимыми примесями (DDGS).
Испарители второй ступени используют пар первой ступени 192, вырабатываемый в испарителях первой ступени. Вырабатываемый испарителями второй ступени пар второй ступени 194 подается для обеспечения тепла, необходимого для функционирования бражной колонны 120. Отвод парового конденсата из испарителей осуществляется через конденсатопровод (не показан), после чего конденсат может нагреваться и направляться для повторного использования в секцию сбраживания 110 описываемого процесса. В патенте США № 7297236 описано использование клапанов в различных ведущих к испарителям трубопроводах, позволяющее изолировать и обходить любой из четырех испарителей первой ступени 151, 152, 153 и 154 и любой из четырех испарителей второй ступени 161, 162, 163 и 164 с целью их технического обслуживания.
2
X
В технологических процессах, применяемых для получения других спиртов, использование пара второй ступени способом, описанным в патенте США № 7297236, может представлять собой не самый эффективный способ утилизации отходящего тепла. Кроме того, в отличие от завода 200 по производству этилового спирта и процесса производства этилового спирта, описанных в патенте США № 7297236, процессы производства других спиртов могут не обеспечивать перегретого спиртопарового продукта, который можно использовать в качестве источника тепла для испарителей. Например, бутанол (бутиловый спирт) применяется в различных отраслях, в частности в качестве топливной присадки, составной части дизельного топлива, в качестве химического сырья, используемого в производстве пластмасс, а также в качестве пищевого экстрагента в пищевой и пищевкусовой промышленности. Бутанол пользуется популярностью в качестве топлива и топливной присадки, поскольку он обладает большей по сравнению с этиловым спиртом удельной энергоемкостью и при его сгорании в стандартном двигателе внутреннего сгорания выделяется только CO и не выделяются или практически не выделяются оксиды серы SO и азота NOX. Кроме того, бутанол отличается меньшей по сравнению с этиловым спиртом коррозионной активностью, являясь самой популярной на данный момент топливной присадкой. Ежегодно предприятия нефтехимической промышленности производят от 10 до 12 миллиардов фунтов бутанола. По мере роста ожидаемой потребности в бутаноле возрастает и интерес к производству бутанола из возобновляемых ресурсов, например, кукурузы, сахарного тростника и целлюлозного сырья, путем сбраживания.
Производство бутанола может быть менее энергоэкономичным, чем производство этилового спирта, для заданной порции молотого зерна. Концентрация бутанола в сброженной смеси, используемой в производстве бутанола, обычно меньше, поскольку бутанол токсичен для вырабатывающих его микроорганизмов в бродильном аппарате. В используемом для получения бутанола процессе брожения предпочтительное немедленное удаление продукта позволяет снизить подавление бутанолом жизнедеятельности микроорганизмов и повысить скорость брожения путем регулирования содержания бутанола в сбраживаемой смеси. Технологии немедленного удаления продукта включают отгонку, адсорбцию, испарение через проницаемую перегородку, экстракцию растворителем через мембрану и жидкостную экстракцию. При жидкостной экстракции экстрагент контактирует со сбраживаемой смесью для распределения бутанола между ферментативным бульоном и фазой экстрагента. Выделение бутанола и экстрагента осуществляется с помощью процесса разделения, например, путем перегонки. В ходе процесса выделения возможно также отделение бутанола от воды, каких-либо неконденсирующихся газов и/или побочных продуктов брожения, которые могут быть удалены из ферментативного бульона путем использования экстрагента. Таким образом, производство бутанола может включать секции, отсутствующие в процессе производства этилового спирта и призванные обеспечить удаление бутанола из содержащей бутанол фазы экстрагента. Более того, в процессе производства бутанола этап перегонки процесса выделения бутанола может не обеспечивать получение горячего бутанолового парового продукта. Кроме того, пар второй ступени может обеспечивать больше теплоты, чем нужно для функционирования перегонных колонн, предназначенных для выделения бутанола.
Таким образом, существует потребность в системах и способах выделения спирта, в частности бутанола, которые были бы энергоэкономичными, оставаясь при этом гибкими в использовании. Настоящая заявка позволяет удовлетворить эту и другие потребности, а также обеспечивает другие сопутствующие преимущества, как будет наглядно показано в приведенном ниже описании вариантов изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложены системы и процессы для выделения спирта из сброженного сырья с помощью перегонки, а также для сгущения побочных продуктов перегонки в упаренную барду за счет использования дополнительных испарителей в конфигурациях, отличных от используемых в существующих заводах по производству этилового спирта аналогичного размера. Согласно одному из вариантов настоящего изобретения предложены системы и процессы для выделения бутанола из экстрагента, эффективно использующие отходящее тепло, выделяемое при сгущении побочных продуктов перегонки. Согласно одному из вариантов настоящего изобретения предложен способ выделения спирта из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду. Способ включает разделение по меньшей мере части сброженного сырья в бражной колонне, давление в которой поддерживается ниже атмосферного, с целью получения: (а) паров с высоким содержанием спирта и (б) бражного кубового остатка с низким содержанием спирта, включающего фильтрат барды.
12
22
12
22
12
22
12
22
12
22
Соответственно, в настоящей заявке предложен способ выделения спирта из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, включающий: разделение по меньшей мере части сброженного сырья в бражной колонне, давление в которой поддерживается ниже атмосферного, с целью получения: (а) паров с высоким содержанием спирта и (б) бражного кубового остатка с низким содержанием спирта, включающего фильтрат барды; выпаривание воды из фильтрата барды для получения первой промежуточной барды и пара первой ступени с использованием по меньшей мере двух последовательно соединенных испарителей первой ступени; выпаривание воды из первой промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара первой ступени, для получения второй промежуточной барды и пара второй ступени с использованием по меньшей мере двух последовательно соединенных испарителей второй ступени; выпаривание воды из второй промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара второй ступени, для получения упаренной барды с использованием по меньшей мере одного испарителя третьей ступени; и использование по меньшей мере части пара последней ступени, вырабатываемого испарителем последней ступени, для получения тепла, используемого для перегонки сброженного сырья в бражной колонне. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование трех ступеней, состоящих из трех последовательно соединенных испарителей первой ступени, трех последовательно соединенных испарителей второй ступени и трех последовательно соединенных испарителей третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование четырех ступеней, состоящих из двух последовательно соединенных испарителей первой ступени, двух последовательно соединенных испарителей второй ступени, двух последовательно соединенных испарителей третьей ступени, а также двух последовательно соединенных испарителей четвертой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование трех ступеней, состоящих из четырех последовательно соединенных испарителей первой ступени, четырех последовательно соединенных испарителей второй ступени и по меньшей мере одного испарителя третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование от двух до четырех последовательно соединенных испарителей третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, пары с высоким содержанием спирта, выделяемые перегонкой из сброженного сырья в бражной колонне, представляют собой пары с высоким содержанием бутанола. Согласно некоторым вариантам изобретения, пары с высоким содержанием спирта, выделяемые перегонкой из сброженного сырья в бражной колонне, представляют собой пары с высоким содержанием бутанола, а сброженное сырье содержит растворитель. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит преимущественно воду. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит растворитель, который в свою очередь содержит по меньшей мере одно из группы веществ, включающей жирные спирты C-C, жирные кислоты C-C, сложные эфиры жирных кислот C-C, жирные альдегиды C-C и жирные амиды C-C. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ также включает разделение сброженного сырья на часть с высоким содержанием растворителя и часть с низким содержанием растворителя, где часть с низким содержанием растворителя представляет собой часть сброженного сырья, перегнанного в бражной колонне; разделение части с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя с целью получения паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием спирта и жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием спирта, где колонна растворителя функционирует параллельно с бражной колонной, а давление в колонне растворителя поддерживается ниже атмосферного; и использование части пара последней ступени с целью обеспечения достаточного количества тепла для перегонки части сброженного сырья с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ также включает: конденсацию вырабатываемых в бражной колонне паров с высоким содержанием бутанола с целью получения первой жидкости с высоким содержанием бутанола; конденсацию вырабатываемых в колонне растворителя паров с низким содержанием растворителя с целью получения жидкости с низким содержанием растворителя; смешивание первой жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием растворителя с целью получения содержащей бутанол жидкости; разделение содержащей бутанол жидкости с целью получения второй жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием бутанола; и перегонку второй жидкости с высоким содержанием бутанола в перегонной колонне с целью получения жидкого кубового продукта, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители первой ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители первой ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители второй ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители второй ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители второй ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители второй ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители третьей ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители третьей ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители третьей ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители третьей ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители четвертой ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители третьей ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ также включает параллельную подачу вырабатываемого в бражной колонне фильтрата барды в испарители первой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ также включает использование пара установки для обеспечения достаточного количества тепла для выпаривания воды из фильтрата барды в испарителях первой ступени.
12
22
12
22
12
22
12
22
12-
22
Также в настоящей заявке предложена система для выделения спирта из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, содержащая: бражную колонну с впуском для подачи сброженного сырья, бражную колонну имеющую верхний выпуск, предназначенный для удаления паров с высоким содержанием спирта, и выпуск для бражного кубового остатка, предназначенный для удаления бражного кубового остатка с низким содержанием спирта, включая сухую барду и фильтрат барды, где фильтрат барды содержит преимущественно воду и, возможно, растворитель; многоступенчатую испарительную систему для сгущения фильтрата барды, содержащую: группу испарителей первой ступени, предназначенных для выпаривания воды из фильтрата барды с целью получения пара первой ступени и первой промежуточной барды, где испарители первой ступени включают по меньшей мере первый и второй последовательно соединенные испарители первой ступени, и где первый испаритель первой ступени имеет впуск для барды, сообщающийся с выпуском для бражного кубового остатка бражной колонны для подачи фильтрата барды из бражного кубового остатка и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя первой ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя первой ступени, каждый из испарителей первой ступени имеет впуск для пара, предназначенный для подачи нагретого пара из источника пара, каждый из испарителей первой ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и нагретым паром и фильтратом барды таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из фильтрата барды с целью получения первой промежуточной барды и пара первой ступени, и каждый из испарителей первой ступени имеет выпуск для пара первой ступени, предназначенный для выпуска пара первой ступени; группу испарителей второй ступени, предназначенных для выпаривания воды из первой промежуточной барды с целью получения пара второй ступени и второй промежуточной барды, где испарители второй ступени включают по меньшей мере первый и второй последовательно соединенные испарители второй ступени, и где первый испаритель второй ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды последнего из испарителей первой ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя второй ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя второй ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара первой ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром первой ступени и первой промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из первой промежуточной барды с целью получения второй промежуточной барды и пара второй ступени, и каждый из испарителей второй ступени имеет выпуск для пара второй ступени, предназначенный для выпуска пара второй ступени; группу испарителей третьей ступени, предназначенных для выпаривания воды из второй промежуточной барды с целью получения пара третьей ступени и упаренной барды, где испарители третьей ступени включают по меньшей мере первый и второй последовательно соединенные испарители третьей ступени, и где первый испаритель третьей ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды последнего из испарителей второй ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя третьей ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя третьей ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара второй ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром второй ступени и второй промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из второй промежуточной барды с целью получения упаренной барды и пара третьей ступени, и каждый из испарителей третьей ступени имеет выпуск для пара третьей ступени, предназначенный для выпуска пара третьей ступени; и паропровод, соединяющий выпуски для пара последней ступени испарителей последней ступени со впуском для пара бражной колонны с тем, чтобы по меньшей мере часть пара последней ступени обеспечивала тепло для функционирования бражной колонны. Согласно некоторым вариантам изобретения, система содержит три ступени, состоящие из трех последовательно соединенных испарителей первой ступени, трех последовательно соединенных испарителей второй ступени и трех последовательно соединенных испарителей третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, система содержит четыре ступени, состоящие из двух последовательно соединенных испарителей первой ступени, двух последовательно соединенных испарителей второй ступени, двух последовательно соединенных испарителей третьей ступени, а также двух последовательно соединенных испарителей четвертой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, система содержит три ступени, состоящие из четырех последовательно соединенных испарителей первой ступени, четырех последовательно соединенных испарителей второй ступени и по меньшей мере одного испарителя третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, система содержит от двух до четырех последовательно соединенных испарителей третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, система содержит сепаратор, предназначенный для разделения фильтрата барды и барды бражного кубового остатка; трубопровод бражного кубового остатка, соединяющий сепаратор с выпуском для бражного кубового остатка; и трубопровод фильтрата барды, соединяющий сепаратор с впуском для барды первого испарителя первой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, сепаратор представляет собой центрифугу или фильтр-пресс. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит второй и третий трубопроводы фильтрата барды, соединенные с первым трубопроводом фильтрата барды, где выпуск для барды второго и третьего испарителей первой ступени сообщается со вторым и, соответственно, третьим трубопроводом фильтрата барды, за счет чего фильтрат барды может поступать из сепаратора в первый, второй и третий испарители первой ступени параллельно. Согласно некоторым вариантам изобретения, давление во впуске для пара бражной колонны ниже атмосферного. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит колонну растворителя с впуском для подачи содержащей растворитель части сброженного сырья, имеющую верхний выпуск, предназначенный для удаления паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием спирта, и нижний выпуск для жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием спирта, где колонна растворителя функционирует параллельно с бражной колонной; и второй паропровод, соединяющий выпуски для пара последней ступени испарителей последней ступени со впуском для пара колонны растворителя с тем, чтобы часть пара последней ступени обеспечивала тепло для функционирования колонны растворителя, где давление во впуске для пара колонны растворителя ниже атмосферного. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители первой ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители второй ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители четвертой ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, все испарители первой, второй и третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, верхний выпуск бражной колонны используется для удаления паров с высоким содержанием бутанола. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит растворитель, который в свою очередь содержит по меньшей мере одно из группы веществ, включающей жирные спирты C-C, жирные кислоты C-C, сложные эфиры жирных кислот C-C, жирные альдегиды C-C и жирные амиды CC. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит масло из сбраживаемого сырья.
12
22
12
22
12
22
12
22
12
22
В настоящей заявке предложен способ выделения спирта из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, включающий: разделение по меньшей мере части сброженного сырья в бражной колонне, давление в которой поддерживается ниже атмосферного, с целью получения: (а) паров с высоким содержанием спирта и (б) бражного кубового остатка с низким содержанием спирта, включающего фильтрат барды; выпаривание воды из фильтрата барды для получения первой промежуточной барды и пара первой ступени с использованием по меньшей мере двух последовательно соединенных испарителей первой ступени; выпаривание воды из первой промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара первой ступени, для получения второй промежуточной барды и пара второй ступени с использованием по меньшей мере двух последовательно соединенных испарителей второй ступени; выпаривание воды из второй промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара второй ступени, для получения упаренной барды с использованием по меньшей мере одного испарителя третьей ступени; и использование по меньшей мере части пара последней ступени для получения тепла, используемого для перегонки сброженного сырья в бражной колонне. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование трех последовательно соединенных испарителей первой ступени, трех последовательно соединенных испарителей второй ступени и трех последовательно соединенных испарителей третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование двух последовательно соединенных испарителей первой ступени, двух последовательно соединенных испарителей второй ступени, двух последовательно соединенных испарителей третьей ступени, а также двух последовательно соединенных испарителей четвертой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование четырех последовательно соединенных испарителей первой ступени, четырех последовательно соединенных испарителей второй ступени и по меньшей мере одного испарителя третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ предусматривает использование от двух до четырех последовательно соединенных испарителей третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, пары с высоким содержанием спирта, выделяемые перегонкой из сброженного сырья в бражной колонне, представляют собой пары с высоким содержанием бутанола. Согласно некоторым вариантам изобретения, пары с высоким содержанием спирта, выделяемые перегонкой из сброженного сырья в бражной колонне, представляют собой пары с высоким содержанием бутанола, а сброженное сырье содержит растворитель. Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают разделение сброженного сырья на часть с высоким содержанием растворителя и часть с низким содержанием растворителя, где часть с низким содержанием растворителя представляет собой часть сброженного сырья, перегнанного в бражной колонне; разделение части с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя с целью получения паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием спирта и жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием спирта, где колонна растворителя функционирует параллельно с бражной колонной, а давление в колонне растворителя поддерживается ниже атмосферного; и использование части пара последней ступени с целью обеспечения достаточного количества тепла для перегонки части сброженного сырья с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды состоит главным образом из воды. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит растворитель. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит растворитель, который в свою очередь содержит по меньшей мере одно из группы веществ, включающей жирные спирты C-C, жирные кислоты C-C, сложные эфиры жирных кислот C-C, жирные альдегиды C-C и жирные амиды C-C. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит масло из сбраживаемого сырья.
Также в настоящей заявке предложен способ выделения спирта из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, включающий: разделение по меньшей мере части сброженного сырья в бражной колонне, давление в которой поддерживается ниже атмосферного, с целью получения: (а) паров с высоким содержанием спирта и (б) бражного кубового остатка с низким содержанием спирта, включающего фильтрат барды; выпаривание воды из фильтрата барды для получения первой промежуточной барды и пара первой ступени с использованием трех последовательно соединенных испарителей первой ступени; выпаривание воды из первой промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара первой ступени, для получения второй промежуточной барды и пара второй ступени с использованием трех последовательно соединенных испарителей второй ступени; выпаривание воды из второй промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара второй ступени, для получения упаренной барды с использованием трех последовательно соединенных испарителей третьей ступени; и использование по меньшей мере части пара третьей ступени для получения тепла, используемого для перегонки сброженного сырья в бражной колонне. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды состоит главным образом из воды. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит растворитель. Согласно некоторым вариантам изобретения, фильтрат барды содержит масло, полученное из сбраживаемого сырья. Согласно некоторым вариантам изобретения, сброженное сырье содержит растворитель, а способы также включают разделение сброженного сырья на часть с высоким содержанием растворителя и часть с низким содержанием растворителя, где часть с низким содержанием растворителя представляет собой часть сброженного сырья, перегнанного в бражной колонне; разделение части с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя с целью получения паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием спирта и жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием спирта, где колонна растворителя функционирует параллельно с бражной колонной, а давление в колонне растворителя поддерживается ниже атмосферного; и использование части пара третьей ступени с целью обеспечения достаточного количества тепла для перегонки части сброженного сырья с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, пары с высоким содержанием спирта, выделяемые перегонкой из сброженного сырья в бражной колонне, представляют собой пары с высоким содержанием бутанола. Согласно некоторым вариантам изобретения, способ также включает конденсацию вырабатываемых в бражной колонне паров с высоким содержанием бутанола с целью получения первой жидкости с высоким содержанием бутанола; конденсацию вырабатываемых в колонне растворителя паров с низким содержанием растворителя с целью получения жидкости с низким содержанием растворителя; смешивание первой жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием растворителя с целью получения содержащей бутанол жидкости; разделение содержащей бутанол жидкости с целью получения второй жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием бутанола; и перегонку второй жидкости с высоким содержанием бутанола в перегонной колонне с целью получения жидкого кубового продукта, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%.
Также предложен способ выделения бутанола из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, включающий сбраживание содержащей воду и молотое зерно смеси с целью получения содержащего бутанол сброженного сырья; добавление в сброженное сырье растворителя с целью получения двухфазной смеси, содержащей фазу с высоким содержанием растворителя и фазу с низким содержанием растворителя; отделение фазы с высоким содержанием растворителя от фазы с низким содержанием растворителя; перегонку фазы с низким содержанием растворителя в бражной колонне, давление в которой поддерживается ниже атмосферного, с целью получения: (а) паров с высоким содержанием бутанола и (б) бражного кубового остатка с низким содержанием бутанола, включающего фильтрат барды, где фильтрат барды содержит преимущественно воду, перегонку фазы с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя с целью получения паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием бутанола и жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием бутанола, где колонна растворителя функционирует параллельно с бражной колонной, а давление в колонне растворителя поддерживается ниже атмосферного; выпаривание воды из фильтрата барды для получения первой промежуточной барды и пара первой ступени с использованием трех последовательно соединенных испарителей первой ступени; выпаривание воды из первой промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара первой ступени, для получения второй промежуточной барды и пара второй ступени с использованием трех последовательно соединенных испарителей второй ступени; выпаривание воды из второй промежуточной барды, осуществляемое с использованием тепла пара второй ступени, для получения упаренной барды с использованием трех последовательно соединенных испарителей третьей ступени; использование по меньшей мере части пара третьей ступени для получения тепла, используемого для перегонки фазы с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя; конденсацию вырабатываемых в бражной колонне паров с высоким содержанием бутанола с целью получения первой жидкости с высоким содержанием бутанола; конденсацию вырабатываемых в колонне растворителя паров с низким содержанием растворителя с целью получения жидкости с низким содержанием растворителя; смешивание первой жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием растворителя с целью получения содержащей бутанол жидкости; разделение содержащей бутанол жидкости с целью получения второй жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием бутанола; и перегонку второй жидкости с высоким содержанием бутанола в перегонной колонне с целью получения жидкого кубового продукта, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%. Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают использование второй части пара третьей ступени для получения тепла, используемого для перегонки фазы с низким содержанием растворителя в бражной колонне.
Согласно некоторым вариантам изобретения, предложенные способы также включают механическое выделение твердых веществ из бражного кубового остатка. Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают сушку выделенных сухих веществ и упаренной барды, полученной выпариванием воды из фильтрата барды, для получения корма для скота. Согласно некоторым вариантам изобретения, три испарителя первой ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители первой ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, три испарителя второй ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители второй ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, три испарителя второй ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители второй ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, три испарителя третьей ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители третьей ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, три испарителя третьей ступени устанавливаются таким образом, чтобы можно было обеспечить обход одного из испарителей, а остальные испарители третьей ступени при этом продолжали функционировать. Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают параллельную подачу полученного в бражной колонне фильтрата барды в три испарителя первой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают использование пара установки для обеспечения достаточного количества тепла для выпаривания воды из фильтрата барды в испарителях первой ступени.
Согласно некоторым вариантам изобретения, выпаривание воды из второй промежуточной барды позволяет получить упаренную барду, массовая доля воды в которой составляет около половины массовой доли воды в фильтрате барды. Согласно некоторым вариантам изобретения, выпаривание воды из второй промежуточной барды позволяет получить упаренную барду, массовая доля воды в которой составляет от приблизительно 40% до приблизительно 65%. Согласно некоторым вариантам изобретения, пар третьей ступени используется для обеспечения достаточного количества тепла для перегонки сброженного сырья в бражной колонне. Согласно некоторым вариантам изобретения, пар третьей ступени используется для обеспечения достаточного количества тепла для перегонки части сброженного сырья с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя.
Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают использование пара установки для получения тепла, используемого для перегонки сброженного сырья в бражной колонне, где пар установки и часть пара последней ступени обеспечивают достаточное количество тепла для перегонки сброженного сырья в бражной колонне. Согласно некоторым вариантам изобретения, способы также включают использование пара установки для получения тепла, используемого для перегонки части сброженного сырья с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя, где пар установки и часть пара последней ступени обеспечивают достаточное количество тепла для перегонки части с высоким содержанием растворителя в колонне растворителя.
Согласно некоторым вариантам изобретения, давление пара первой ступени, вырабатываемого при выпаривании воды из фильтрата барды в испарителях первой ступени, поддерживается на уровне около 20 фунт./кв.дюйм (абс.); при этом давление пара третьей ступени, вырабатываемого при выпаривании воды из второй промежуточной барды в испарителях третьей ступени, поддерживается на уровне около 9,3 фунт./кв.дюйм (абс.). Согласно некоторым вариантам изобретения, давление в верхней части бражной колонны поддерживается на уровне около 7 фунт./кв.дюйм (абс.). Согласно некоторым вариантам изобретения, перепад давления в бражной колонне поддерживается на уровне около 1,5-2,0 фунт./кв.дюйм. Согласно некоторым вариантам изобретения, давление в верхней части колонны растворителя поддерживается на уровне около 7 фунт./кв.дюйм (абс.). Согласно некоторым вариантам изобретения, перепад давления в колонне растворителя поддерживается на уровне около 1,5-2,0 фунт./кв.дюйм. Согласно некоторым вариантам изобретения, температура пара третьей ступени, вырабатываемого при выпаривании воды из второй промежуточной барды в испарителях третьей ступени, поддерживается на уровне около 80-95°C.
Согласно некоторым вариантам изобретения, температура пара последней ступени, вырабатываемого при выпаривании воды в испарителях последней ступени, поддерживается на уровне около 80-95°C. Согласно некоторым вариантам изобретения, температура пара первой ступени, вырабатываемого при выпаривании воды из фильтрата барды в испарителях первой ступени, поддерживается на уровне около 105-115°C.
Также в настоящей заявке предложена система для выделения спирта из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, содержащая: бражную колонну с впуском для подачи сброженного сырья, имеющую верхний выпуск, предназначенный для удаления паров с высоким содержанием спирта, и выпуск для бражного кубового остатка, предназначенный для удаления бражного кубового остатка с низким содержанием спирта, включая сухую барду и фильтрат барды, где фильтрат барды содержит преимущественно воду; многоступенчатую испарительную систему для сгущения фильтрата барды, содержащую: группу испарителей первой ступени, предназначенных для выпаривания воды из фильтрата барды с целью получения пара первой ступени и первой промежуточной барды, где испарители первой ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители первой ступени, и где первый испаритель первой ступени имеет впуск для барды, сообщающийся с выпуском для бражного кубового остатка бражной колонны для подачи фильтрата барды из бражного кубового остатка и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя первой ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя первой ступени, каждый из испарителей первой ступени имеет впуск для пара, предназначенный для подачи нагретого пара из источника пара, каждый из испарителей первой ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и нагретым паром и фильтратом барды таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из фильтрата барды с целью получения первой промежуточной барды и пара первой ступени, и каждый из испарителей первой ступени имеет выпуск для пара первой ступени, предназначенный для выпуска пара первой ступени; группу испарителей второй ступени, предназначенных для выпаривания воды из первой промежуточной барды с целью получения пара второй ступени и второй промежуточной барды, где испарители второй ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители второй ступени, и где первый испаритель второй ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды третьего испарителя первой ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя второй ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя второй ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара первой ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром первой ступени и первой промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из первой промежуточной барды с целью получения второй промежуточной барды и пара второй ступени, и каждый из испарителей второй ступени имеет выпуск для пара второй ступени, предназначенный для выпуска пара второй ступени; группу испарителей третьей ступени, предназначенных для выпаривания воды из второй промежуточной барды с целью получения пара третьей ступени и упаренной барды, где испарители третьей ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители третьей ступени, и где первый испаритель третьей ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды третьего испарителя второй ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя третьей ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя третьей ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара второй ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром второй ступени и второй промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из второй промежуточной барды с целью получения упаренной барды и пара третьей ступени, и каждый из испарителей третьей ступени имеет выпуск для пара третьей ступени, предназначенный для выпуска пара третьей ступени; и паропровод, соединяющий выпуски для пара третьей ступени испарителей третьей ступени со впуском для пара бражной колонны с тем, чтобы по меньшей мере часть пара третьей ступени обеспечивала тепло для функционирования бражной колонны. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит: сепаратор, предназначенный для разделения фильтрата барды и барды бражного кубового остатка; трубопровод бражного кубового остатка, соединяющий сепаратор с выпуском для бражного кубового остатка; и трубопровод фильтрата барды, соединяющий сепаратор с впуском для барды первого испарителя первой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, сепаратор представляет собой центрифугу или фильтр-пресс. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит второй и третий трубопроводы фильтрата барды, соединенные с первым трубопроводом фильтрата барды, где выпуск для барды второго и третьего испарителей первой ступени сообщается со вторым и, соответственно, третьим трубопроводом фильтрата барды, за счет чего фильтрат барды может поступать из сепаратора в первый, второй и третий испарители первой ступени параллельно. Согласно некоторым вариантам изобретения, давление во впуске для пара бражной колонны ниже атмосферного. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит: колонну растворителя с впуском для подачи содержащей растворитель части сброженного сырья, имеющую верхний выпуск, предназначенный для удаления паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием спирта, и нижний выпуск для жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием спирта, где колонна растворителя функционирует параллельно с бражной колонной; и второй паропровод, соединяющий выпуски для пара третьей ступени испарителей третьей ступени со впуском для пара колонны растворителя с тем, чтобы часть пара третьей ступени обеспечивала тепло для функционирования колонны растворителя, где давление во впуске для пара колонны растворителя ниже атмосферного. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители первой ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители второй ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, все испарители первой, второй и третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, верхний выпуск бражной колонны используется для удаления паров с высоким содержанием бутанола.
Также предложена система для выделения бутанола из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, содержащая: сепаратор, предназначенный для разделения содержащего бутанол и растворитель сброженного сырья на часть с высоким содержанием растворителя и часть с низким содержанием растворителя; бражную колонну, соединенную с возможностью передачи текучих сред с сепаратором и имеющую впуск для подачи части сброженного сырья с низким содержанием растворителя, где в бражной колонне предусмотрены верхний выпуск, предназначенный для удаления паров с высоким содержанием бутанола, и выпуск для бражного кубового остатка, предназначенный для удаления бражного кубового остатка с низким содержанием бутанола, включая сухую барду и фильтрат барды, где фильтрат барды содержит преимущественно воду; колонну растворителя, соединенную с возможностью передачи текучих сред с сепаратором и имеющую впуск для подачи части сброженного сырья с высоким содержанием растворителя, где в колонне растворителя предусмотрены верхний выпуск, предназначенный для удаления паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием бутанола, и нижний выпуск для удаления жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием бутанола; второй сепаратор, соединенный с возможностью передачи текучих сред с выпуском для бражного кубового остатка бражной колонны, где конфигурация второго сепаратора призвана обеспечить выделение фильтрата барды из барды бражного кубового остатка; многоступенчатую испарительную систему, соединенную с возможностью передачи текучих сред с вторым сепаратором, конфигурация которой призвана обеспечить сгущение фильтрата барды в упаренную барду, где многоступенчатая испарительная система содержит: группу испарителей первой ступени, предназначенных для выпаривания воды из фильтрата барды с целью получения пара первой ступени и первой промежуточной барды, где испарители первой ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители первой ступени, и где первый испаритель первой ступени имеет впуск для барды, сообщающийся с выпуском для бражного кубового остатка бражной колонны для подачи фильтрата барды из бражного кубового остатка и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя первой ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя первой ступени, каждый из испарителей первой ступени имеет впуск для пара, предназначенный для подачи нагретого пара из источника пара, каждый из испарителей первой ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и нагретым паром и фильтратом барды таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из фильтрата барды с целью получения первой промежуточной барды и пара первой ступени, и каждый из испарителей первой ступени имеет выпуск для пара первой ступени, предназначенный для выпуска пара первой ступени; группу испарителей второй ступени, предназначенных для выпаривания воды из первой промежуточной барды с целью получения пара второй ступени и второй промежуточной барды, где испарители второй ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители второй ступени, и где первый испаритель второй ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды третьего испарителя первой ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя второй ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя второй ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара первой ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром первой ступени и первой промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из первой промежуточной барды с целью получения второй промежуточной барды и пара второй ступени, и каждый из испарителей второй ступени имеет выпуск для пара второй ступени, предназначенный для выпуска пара второй ступени; группу испарителей третьей ступени, предназначенных для выпаривания воды из второй промежуточной барды с целью получения пара третьей ступени и упаренной барды, где испарители третьей ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители третьей ступени, и где первый испаритель третьей ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды третьего испарителя второй ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя третьей ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя третьей ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара второй ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром второй ступени и второй промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из второй промежуточной барды с целью получения упаренной барды и пара третьей ступени, и каждый из испарителей третьей ступени имеет выпуск для пара третьей ступени, предназначенный для выпуска пара третьей ступени; паропровод, соединяющий выпуски для пара третьей ступени испарителей третьей ступени со впуском для пара колонны растворителя с тем, чтобы часть пара третьей ступени обеспечивала тепло для функционирования колонны растворителя, где давление во впуске для пара колонны растворителя ниже атмосферного; конденсатор, соединенный с возможностью передачи текучих сред с верхним выпуском бражной колонны и верхним выпуском колонны растворителя и обеспечивающий конденсацию паров с высоким содержанием бутанола и низким содержанием растворителя с целью получения содержащей бутанол жидкости; декантатор, соединенный с возможностью передачи текучих сред с конденсатором и обеспечивающий разделение содержащей бутанол жидкости на жидкость с высоким содержанием бутанола и жидкость с низким содержанием бутанола; и перегонную колонну, соединенную с возможностью передачи текучих сред с декантатором, конфигурация которой призвана обеспечить перегонку жидкости с высоким содержанием бутанола с целью получения продукта, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%, где перегонная колонна имеет нижний выпуск, через который удаляется продукт, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит второй паропровод, соединяющий выпуски для пара третьей ступени испарителей третьей ступени со впуском для пара бражной колонны таким образом, чтобы по меньшей мере часть пара третьей ступени обеспечивала тепло для функционирования бражной колонны. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит трубопровод фильтрата барды, соединяющий сепаратор с впуском для барды первого испарителя первой ступени; второй трубопровод барды, соединенный с первым трубопроводом фильтрата барды; и третий трубопровод фильтрата барды, соединенный с первым трубопроводом фильтрата барды, где впуски для барды второго и третьего испарителей первой ступени сообщаются с соответствующими вторым и третьим трубопроводами фильтрата барды, за счет чего фильтрат барды может поступать из второго сепаратора в первый, второй и третий испарители первой ступени параллельно. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит сушилку, соединенную с возможностью передачи текучих сред с вторым сепаратором и многоступенчатой испарительной системой, где конфигурация сушилки подбирается для обеспечения сушки барды бражного кубового остатка и упаренной барды, вырабатываемых многоступенчатой испарительной системой, с целью получения корма для скота. Согласно некоторым вариантам изобретения, давление во впуске для пара бражной колонны ниже атмосферного. Согласно некоторым вариантам изобретения, как бражная колонна, так и колонна растворителя содержат конденсатор, рассчитанный на работу при давлении ниже атмосферного, чтобы таким образом поддерживать в соответствующих бражной колонне и колонне растворителя давление ниже атмосферного. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители первой ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители второй ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя.
В некоторых вариантах предложенных систем все испарители первой, второй и третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя.
Также предложена многоступенчатая испарительная система для сгущения фильтрата барды в упаренную барду, где фильтрат барды получают как побочный продукт выделения спирта сброженного сырья в бражной колонне, содержащая: группу испарителей первой ступени, предназначенных для выпаривания воды из фильтрата барды с целью получения пара первой ступени и первой промежуточной барды, где испарители первой ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители первой ступени, и где первый испаритель первой ступени имеет впуск для барды, сообщающийся с выпуском для бражного кубового остатка бражной колонны для подачи фильтрата барды из бражного кубового остатка и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя первой ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя первой ступени, каждый из испарителей первой ступени имеет впуск для пара, предназначенный для подачи нагретого пара из источника пара, каждый из испарителей первой ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и нагретым паром и фильтратом барды таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из фильтрата барды с целью получения первой промежуточной барды и пара первой ступени, и каждый из испарителей первой ступени имеет выпуск для пара первой ступени, предназначенный для выпуска пара первой ступени; группу испарителей второй ступени, предназначенных для выпаривания воды из первой промежуточной барды с целью получения пара второй ступени и второй промежуточной барды, где испарители второй ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители второй ступени, и где первый испаритель второй ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды третьего испарителя первой ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя второй ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя второй ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара первой ступени, каждый из испарителей второй ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром первой ступени и первой промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из первой промежуточной барды с целью получения второй промежуточной барды и пара второй ступени, и каждый из испарителей второй ступени имеет выпуск для пара второй ступени, предназначенный для выпуска пара второй ступени; и группу испарителей третьей ступени, предназначенных для выпаривания воды из второй промежуточной барды с целью получения пара третьей ступени и упаренной барды, где испарители третьей ступени включают первый, второй и третий последовательно соединенные испарители третьей ступени, и где первый испаритель третьей ступени имеет впуск для барды, соединенный с выпуском для барды третьего испарителя второй ступени, и выпуск для барды, предназначенный для удаления барды, и где впуск для барды каждого последующего испарителя третьей ступени сообщается с выпуском для барды предыдущего испарителя третьей ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет впуск для пара, соединенный с выпусками для пара второй ступени, каждый из испарителей третьей ступени имеет конфигурацию, обеспечивающую теплообмен между и паром второй ступени и второй промежуточной бардой таким образом, чтобы обеспечить постепенное испарение воды из второй промежуточной барды с целью получения упаренной барды и пара третьей ступени, и каждый из испарителей третьей ступени имеет выпуск для пара третьей ступени, предназначенный для выпуска пара третьей ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители первой ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители второй ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, испарители третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя. Согласно некоторым вариантам изобретения, все испарители первой, второй и третьей ступени оснащены клапанами, позволяющими изолировать соответствующий испаритель, и связанными с ними перепускными клапанами, которые позволяют перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя.
Также предложена система для выделения бутанола из сброженного сырья и сгущения фильтрата барды в упаренную барду, содержащая средства для сбраживания содержащей воду и молотое зерно смеси с целью получения содержащего бутанол сброженного сырья; средства для обеспечения контакта по меньшей мере части содержащего бутанол сброженного сырья с не смешивающимся с водой органическим растворителем с целью образования двухфазной смеси, состоящую из водной фазы и содержащей бутанол органической фазы; средства отделения содержащей бутанол органической фазы от водной фазы; средства разделения водной фазы, предназначенные для разделения водной фазы при давлении ниже атмосферного с целью получения: (а) паров с высоким содержанием бутанола и (б) бражного кубового остатка с низким содержанием бутанола, включающего фильтрат барды, где фильтрат барды содержит преимущественно воду, средства разделения содержащей бутанол органической фазы, предназначенные для разделения содержащей бутанол органической фазы при давлении ниже атмосферного с целью получения паров с низким содержанием растворителя и высоким содержанием бутанола и жидкости с высоким содержанием растворителя и низким содержанием бутанола, где средства разделения содержащей бутанол органической фазы функционируют параллельно с средствами разделения водной фазы; средства выпаривания воды из фильтрата барды для получения первой промежуточной барды и пара первой ступени, где средства выпаривания воды из фильтрата барды включают три последовательно соединенных испарителя первой ступени; средства выпаривания воды из первой промежуточной барды, осуществляемого с использованием тепла пара первой ступени, для получения второй промежуточной барды и пара второй ступени, где средства выпаривания воды из первой промежуточной барды включают три последовательно соединенных испарителя второй ступени; средства выпаривания воды из второй промежуточной барды, осуществляемого с использованием тепла пара второй ступени, для получения упаренной барды, где средства выпаривания воды из второй промежуточной барды включают три последовательно соединенных испарителя третьей ступени; средства, обеспечивающие использование первой части пара третьей ступени для обеспечения достаточного количества тепла для разделения водной фазы в средствах разделения водной фазы; и средства, обеспечивающие использование второй части пара третьей ступени для обеспечения достаточного количества тепла для разделения содержащей бутанол органической фазы в средствах разделения содержащей бутанол органической фазы. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит средства конденсации паров с высоким содержанием бутанола, вырабатываемых средствами разделения водной фазы, для получения первой жидкости с высоким содержанием бутанола; средства конденсации паров с низким содержанием бутанола, вырабатываемых и средствами разделения содержащей бутанол органической фазы, для получения жидкости с низким содержанием растворителя; средства смешивания первой жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием растворителя для получения содержащей бутанол жидкости; средства разделения содержащей бутанол жидкости для получения второй жидкости с высоким содержанием бутанола и жидкости с низким содержанием бутанола; и средства разделения второй жидкости с высоким содержанием бутанола для получения жидкого кубового продукта, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%. Согласно некоторым вариантам изобретения, система также содержит средства изолирования и обхода каждого из испарителей первой, второй и третьей ступеней, позволяющие перенаправить барду по трубопроводу в обход соответствующего испарителя во впуск для барды следующего испарителя.
Другие варианты, особенности и преимущества настоящего изобретения, а также структура и принцип действия различных вариантов изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ/ФИГУР
Прилагаемые чертежи, включенные в настоящую заявку и составляющие часть описания, иллюстрируют настоящее изобретение и вместе с описанием служат также для разъяснения принципов настоящего изобретения, позволяя специалистам в соответствующей области техники, использовать данное изобретение.
На фиг.1 изображена традиционная система, предназначенная для производства топливного этилового спирта.
На фиг.2 изображена система, позволяющая использовать процесс согласно одному из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.3 изображена многоступенчатая испарительная система, позволяющая использовать процесс согласно одному из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.4 изображена многоступенчатая испарительная система, используемая в моделировании процесса согласно предназначенному для сравнения примеру 4.
На фиг.5 изображена многоступенчатая испарительная система, позволяющая использовать процесс согласно одному из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.6 изображена многоступенчатая испарительная система, позволяющая использовать процесс согласно одному из вариантов настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Если не оговорено иное, все используемые в настоящем документе научно-технические термины имеют значение, обычно используемое средними специалистами в области техники, к которой относится данное изобретение. В случае, каких бы то ни было, противоречий приоритет имеет настоящая заявка и содержащиеся в ней определения. Кроме того, употребление терминов в единственном числе включает множественное число, а употребление во множественном числе включает единственное за исключением случаев, когда контекст требует иного. Все упомянутые в настоящей заявке публикации, патенты и другие материалы включены в настоящую заявку во всей полноте и для всех возможных целей посредством ссылки.
Таблицы, прилагаемые к настоящему документу в электронной форме, также включены в него во всей полноте посредством ссылки (включая таблицы 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13 и 14).
С целью более подробного описания настоящего изобретения используются следующие термины и определения.
Используемые в настоящем документе термины «содержать», «содержащий», «включать», «включающий», «иметь», «имеющий», а также любые другие их формы, подразумевают включение объекта, но не означают исключения какого-либо другого объекта или группы объектов. Например, состав, смесь, процесс, способ, изделие или устройство, содержащие некий набор элементов, не обязательно ограничиваются этими элементами и могут содержать другие элементы, не оговоренные явно и не характерные для таких состава, смеси, процесса, способа, изделия или устройства. Кроме того, если явно не указано иное, термин «или» представляет собой включающее, а не исключающее «или». Например, условие «A или B» выполняется в любом из следующих случаев: A истинно (или выполняется), а B ложно (или не выполняется); A ложно (или не выполняется), а B истинно (или выполняется); как A, так и B истинны (или выполняются).
Используемые в настоящем документе термины «состоять из» и «состоящий из» и другие их формы, используемые в данном описании и формуле изобретения, означают включение объекта или группы объектов и невозможность добавления к описываемому способу, структуре, конструкции или составу какого бы то ни было другого объекта или группы объектов.
Используемые в настоящем документе термины «состоять существенно из» и «состоящий существенно из» и другие их формы, используемые в данном описании и формуле изобретения, означают включение любых объектов или групп объектов и возможность включения каких-либо других объектов или групп объектов, которые не приводят к существенному изменению основных или новых свойств описываемого способа, структуры, конструкции или состава.
Кроме того, неопределенные артикли, предшествующие названию какого-либо элемента настоящего изобретения, не подразумевают ограничений численности, т.е. количества, в котором присутствует или используется элемент. Соответственно, неопределенный артикль следует истолковывать как указание на наличие одного или по меньшей мере одного объекта, использование названия соответствующего элемента в единственном числе также включает множественное число за исключением случаев, когда контекст очевидно подразумевает единственное число.
Термин «изобретение», «настоящее изобретение» или «данное изобретение», используемый в данном описании, не является ограничивающим и охватывает все возможные варианты, описанные в настоящей заявке, а не относится к какому-то одному варианту данного изобретения.
Термин «около», применяемый в настоящем документе в отношении количества того или иного ингредиента или реагента, используемого в данном изобретении, касается возможных отклонений в численной характеристике количества, которые могут быть обусловлены, например, стандартными процедурами измерения и обращения с жидкостями, используемыми для приготовления концентратов или растворов в реальной практике, неизбежными погрешностями таких процедур, различиями в изготовлении, источниках и чистоте ингредиентов, используемых для приготовления составов, реализации описываемых способов и т.п. Термин «около» также распространяется на количества, различающиеся в силу различных условий равновесия для состава, обусловленных конкретной исходной смесью. Пункты формулы изобретения содержат эквиваленты количественных характеристик независимо от того, используется в конкретном случае термин «около» или нет. В одном из вариантов термин «около» означает допустимое отклонение в 10% от числового значения, в предпочтительном варианте - 5% от числового значения.
Используемый в данном описании термин «бутанол» относится конкретно к изомерам бутанола 1-бутанолу (1-BuOH) и/или изобутанолу (iBuOH или I-BUOH), как по отдельности, так и в виде смесей. 2-бутанол и трет-бутанол (1,1-диметилэтанол) не относятся к области действия настоящего изобретения.
Используемый в данном описании термин «удаление продукта» означает избирательное удаление определенного продукта брожения из того или иного биологического процесса, например, сбраживания, с целью регулирования концентрации продукта в биологическом процессе.
2
Используемый в данном описании термин «ферментативный бульон» означает смесь воды, сахаров, растворенных твердых веществ, взвешенных твердых веществ, вырабатывающих спирт микроорганизмов, спиртового продукта, а также всех прочих составных частей материала, находящегося в бродильном чане, в котором получают спиртовой продукт с помощью реакции превращения сахаров в спирт, воду и двуокись углерода (CO) присутствующими в чане микроорганизмами. Время от времени в настоящем описании в качестве синонима термина «ферментативный бульон» могут использоваться термины «бродильная среда» и «сбраживаемая смесь».
Используемый в данном описании термин «бродильный чан» означает резервуар, в котором происходит реакция брожения, обеспечивающая получение бутанолового продукта из сахаров. Термин «бродильный аппарат» может использоваться в настоящем описании в качестве синонима термина «бродильный чан».
Используемый в данном описании термин «эффективный титр» означает общее количество определенного спирта (например, бутанола), получаемое сбраживанием в пересчете на литр бродильной среды. Общее количество бутанола включает: (а) количество бутанола в бродильной среде; (б) количество бутанола, выделенное из органического экстрагента; и (в) количество бутанола, выделенное из газовой фазы в случае использования газовой отгонки.
Используемый в данном описании термин «титр водной фазы» обозначает содержание определенного спирта (например, бутанола) в ферментативном бульоне.
Используемый в данном описании термин «отгонка» означает операцию переноса всей или части летучей составляющей из потока жидкости в поток газов.
Используемый в данном описании термин «отпарная секция» означает часть обеспечивающего взаимодействие устройства, в котором происходит операция отгонки.
Используемый в данном описании термин «ректификация» означает операцию переноса всей или части конденсирующейся составляющей из потока газов в поток жидкости с целью отделения компонентов с более низкой температурой кипения от компонентов с более высокой температурой кипения и их очистки.
Используемый в данном описании термин «ректификационная секция» означает секцию перегонной колонны выше точки подачи, т.е. тарелки или набивочный материал, расположенный выше точки поступления потока сырья в колонну, где осуществляется операция ректификации.
Используемые в данном описании термины «разделение» и «отделение» являются синонимом термина «выделение» и относятся к операции удаления определенного химического вещества из исходной смеси с целью достижения большей чистоты или более высокой концентрации вещества по сравнению с его чистотой или концентрацией в исходной смеси.
Используемый в данном описании термин «не смешивающийся с водой» относится к химическому компоненту, например, экстрагенту или растворителю, который невозможно смешать с водным раствором, например, ферментативным бульоном, таким образом, чтобы получить единую жидкую фазу.
Используемый в данном описании термин «экстрагент» относится к одному или нескольким органическим растворителям, используемым для экстрагирования бутанола из ферментативного бульона. Время от времени в настоящем описании в качестве синонима термина «экстрагент» может использоваться термин «растворитель».
Используемый в данном описании термин «сброженное сырье» в общем случае означает ферментативный бульон, а в одном из описанных в данной заявке вариантов, предусматривающих ферментативное экстрагирование, термин «сброженное сырье» относится к двухфазной смеси, получаемой в результате взаимодействия ферментативного бульона с не смешивающимся с водой органическим экстрагентом.
Используемый в данном описании термин «водная фаза» относится к водной фазе двухфазной смеси, получаемой в результате взаимодействия ферментативного бульона с не смешивающимся с водой органическим экстрагентом. В одном из описанных в данной заявке вариантов, предусматривающих ферментативное экстрагирование, термин «ферментативный бульон» относится конкретно к водной фазе двухфазного ферментативного экстрагирования, а термины «часть сброженного сырья с низким содержанием растворителя» и «фаза с низким содержанием растворителя» могут использоваться в качестве синонимов терминов «водная фаза» и «ферментативный бульон».
Используемый в данном описании термин «органическая фаза» означает неводную фазу двухфазной смеси, полученной в результате взаимодействия ферментативного бульона с не смешивающимся с водой органическим экстрагентом. Время от времени в настоящем описании в качестве синонима термина «органическая фаза» могут использоваться термины «часть сброженного сырья с высоким содержанием растворителя» и «фаза с высоким содержанием растворителя».
7
22
Используемый в данном описании термин «жирная кислота» означает насыщенную или ненасыщенную карбоновую кислоту, имеющую длинную алифатическую цепь с числом атомов углерода от C до C.
7
22
Используемый в данном описании термин «жирный спирт» означает насыщенный или ненасыщенный спирт, имеющий длинную алифатическую цепь с числом атомов углерода от C до C.
7
22
Используемый в данном описании термин «жирный альдегид» означает насыщенный или ненасыщенный альдегид, имеющий длинную алифатическую цепь с числом атомов углерода от C до C.
12
22
Используемый в данном описании термин «жирный амид» означает насыщенный или ненасыщенный амид, имеющий длинную алифатическую цепь с числом атомов углерода от C до C.
Термин «неконденсирующийся газ» означает газ, который не конденсируется при рабочей температуре процесса, описанного в данной заявке. Такие газы могут выбираться из группы газов, состоящей, например, из двуокиси углерода, азота, водорода, инертных газов, например, аргона, и смесей любых из перечисленных газов.
Согласно настоящему изобретению предложены системы и способы выделения спирта из сброженного сырья с помощью перегонки, а также сгущения побочных продуктов перегонки (фильтрата барды) в упаренную барду с использованием трехступенчатой или в некоторых вариантах четырехступенчатой испарительной системы. Описание систем и процессов согласно настоящему изобретению приводится со ссылкой на фиг.2 и 3, а также фиг.5 и 6. На фиг.3 изображена трехстанционная трехступенчатая испарительная система 280 согласно одному из вариантов настоящего изобретения. На фиг.2 в качестве примера представлена система 200 выделения спирта и сгущения фильтрата барды, в которой отходящее тепло, вырабатываемое представленной в качестве примера на фиг.3 многоступенчатой испарительной системой 280, используется в операциях перегонки с целью выделения спирта. В частности, на фиг.2 изображена система выделения бутанола согласно представленному в качестве примера процессу, включающему экстрактивное сбраживание и выделение экстрагента, и позволяющему получить продукт, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100%, в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. Хотя описание фиг.2 ссылается на пример процесса выделения бутанола, следует осознавать, что в зависимости от конкретного выделяемого спирта отдельные секции и параметры процесса могут отличаться от секций и параметров приведенного в качестве примера процесса получения бутанола согласно фиг.2, однако такие другие системы выделения спирта по-прежнему могут содержать многоступенчатую испарительную систему, изображенную на фиг.3, 5 или 6, и связанные с ней операции использования тепла, как указано в данном описании.
Как показано на фиг.2, затертое и разваренное смешанное сырье 202, содержащее по меньшей мере один сбраживаемый источник углерода (например, молотую кукурузу) и воду, подается в бродильный аппарат 210, содержащий по меньшей мере один вид микроорганизмов (не показаны), генетически модифицированных (т.е. созданных методами генной инженерии) с тем, чтобы обеспечить выделение бутанола путем биосинтеза по меньшей мере одного сбраживаемого источника углерода в бутанол. В частности, микроорганизмы могут выращиваться в бродильной среде, содержащей подходящие углеродные субстраты. Дополнительные углеродные субстраты могут включать, в частности, моносахариды, например, фруктозу, олигосахариды, например, лактозу, мальтозу, галактозу или сахарозу, полисахариды, например, крахмал, целлюлозу или их смеси и неочищенные смеси из возобновляемого сырья, например, фильтрата подсырной сыворотки, жидкого кукурузного экстракта, свеклосахарной мелассы или ячменного солода. Также в качестве углеродных субстратов могут использоваться метиловый спирт, лактаты, сукцинаты и глицерины.
Кроме того, в качестве углеродного субстрата могут использоваться одноуглеродные субстраты, например, двуокись углерода или метиловый спирт, для которых была продемонстрирована биотрансформация в ключевые промежуточные биохимические соединения. Как известно, помимо одно- и двухуглеродных субстратов организмы-метилотрофы также могут использовать для метаболической деятельности ряд других углеродосодержащих соединений, например, метиламин, аминоглюкозу и различные аминокислоты. Например, известно, что дрожжи-метилотрофы используют содержащийся в метиламине углерод для выработки трегалозы или глицерина (Bellion и др., Microb. Growth C1 Compd., [Int. Symp.], 7-е изд. (1993), 415-32. Редактор(ы): Murrell, J. Collin; Kelly, Don P. Издательство: Intercept, Андовер, Великобритания). Аналогично различные виды Candida способны метаболизировать аланин и олеиновую кислоту (Sulter и др., Arch. Microbiol. 153:485-489 (1990)). Таким образом, можно утверждать, что в качестве источника углерода, используемого в настоящем изобретении, может использоваться множество углеродсодержащих субстратов, ограниченное лишь выбором организма.
Хотя утверждается, что все вышеперечисленные углеродные субстраты и их смеси могут использоваться в рамках настоящего изобретения, в некоторых вариантах в качестве углеродных субстратов используются глюкоза, фруктоза и сахароза или смеси этих веществ с сахарами C5, например, ксилозой и/или арабинозой, для дрожжевых клеток, которые модифицированы для использования сахаров C5. Сахароза может быть получена из возобновляемых источников сахара, например, сахарного тростника, сахарной свеклы, маниоки, сахарного сорго и смесей сырья. Глюкоза и декстроза могут быть получены из возобновляемых зерновых источников путем осахаривания крахмального сырья, включая такие злаки, как кукуруза, пшеница, рожь, ячмень, овес и смеси сырья. Кроме того, сбраживаемые сахара могут быть получены из возобновляемой целлюлозной или лигноцеллюлозной биомассы с помощью процессов предварительной обработки и осахаривания, как указано, например, в опубликованной патентной заявке США № 20070031918 A1, включенной в настоящую заявку посредством ссылки. Термин «биомасса» относится ко всем целлюлозным и лигноцеллюлозным материалам и включает материалы, содержащие целлюлозу, и, возможно, содержащие также гемицеллюлозу, лигнин, крахмал, олигосахариды и/или моносахариды. Биомасса также может содержать дополнительные компоненты, например, белок и/или липид. Биомасса может быть получена из одного источника или же содержать смесь ингредиентов, полученных из нескольких источников; например, биомасса может содержать смесь стержней кукурузных початков и кукурузной соломы или смесь травы и листьев. Биомасса включает, в частности, культуры, используемые для получения энергии, сельскохозяйственные отходы, твердые коммунальные отходы, твердые промышленные отходы, шлам от производства бумаги, дворовые отходы и древесные отходы. Примерами биомассы являются, в частности, зерно кукурузы, початки кукурузы, отходы сельскохозяйственных культур, например, обвертка кукурузного початка, кукурузная солома, травы, пшеница, пшеничная солома, ячмень, ячменная солома, сено, рисовая солома, прутьевидное просо, отходы бумаги, жом сахарного тростника, сорго, соя, ингредиенты, полученные перемалыванием зерна, деревья, ветки, корни, листья, деревянные щепки, опилки, кусты, овощи, фрукты, цветы, животный навоз и смеси материалов.
Помимо подходящего источника углерода бродильная среда должна содержать подходящие минералы, соли, кофакторы, буферы и другие компоненты, известные специалистам в данной области техники и пригодные для обеспечения роста культур и стимулирования ферментативного пути метаболизма.
Clostridium, Zymomonas, Escherichia, Salmonella, Serratia, Erwinia, Klebsiella, Shigella, Rhodococcus, Pseudomonas, Bacillus, Lactobacillus, Enterococcus, Alcaligenes, Klebsiella, Paenibacillus, Arthrobacter, Corynebacterium, Brevibacterium, Schizosaccharomyces, Kluyveromyces, Yarrowia, Pichia, Candida, Hansenula, Issatchenkia и Saccharomyces
Escherichia coli, Lactobacillus plantarum и Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Schizosaccharomyces, Dekkera, Torulopsis, Brettanomyces
Candida
Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces kluyveri, Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces bayanus, Saccharomyces mikitae, Saccharomyces paradoxus, Zygosaccharomyces rouxii и Candida glabrata
К генетически модифицированным микроорганизмам, способным вырабатывать бутанол с использованием биосинтетического пути метаболизма, могут относиться члены родов . Согласно одному из вариантов изобретения, генетически модифицированные микроорганизмы могут выбираться из группы, состоящей из . Согласно одному из вариантов изобретения, генетически модифицированные микроорганизмы представляют собой Крэбтри-положительные дрожжи, выбранные из числа  и некоторых видов . Виды Крэбтри-положительных дрожжей включают, в частности, .
12
22
12
22
12
22
12
22
12
22
В системе 200, изображенной на фиг.2, выделение бутанола из бродильной среды осуществляется методом двухфазного экстрактивного сбраживания. Способы получения и выделения бутанола из ферментативного бульона с использованием экстрактивного сбраживания подробно описаны в патентной заявке США № 12/478,389, зарегистрированной 4 июня 2009 года, патентной заявке США № 12/758870, зарегистрированной 13 апреля 2010 года, и предварительной заявке США № 61/231,699, зарегистрированной 6 августа 2009 года, и включают этап взаимодействия ферментативного бульона с не смешивающимся с водой органическим экстрагентом, выбранным из группы веществ, состоящей из жирных спиртов C-C, жирных кислот C-C, сложных эфиров жирных кислот C-C, жирных альдегидов C-C, жирных амидов C-C и смесей веществ, с целью получения двухфазной смеси, содержащей водную фазу и содержащую бутанол органическую фазу. Под «взаимодействием» подразумевается обеспечение физического контакта бродильной среды и органического экстрагента в любой момент в ходе процесса сбраживания. Примеры подходящих экстрагентов включают экстрагент, содержащий по меньшей мере один растворитель, выбранный из группы веществ, состоящей из олеилового спирта, бегенилового спирта, цетилового спирта, лаурилового спирта, миристилового спирта, стеарилового спирта, олеиновой кислоты, лауриновой кислоты, миристиновой кислоты, стеариновой кислоты, метилмиристата, метилолеата, лауринового альдегида, 1-нонанола, 1-деканола, 1-ундеканола, 2-ундеканола, 1-нонаналя и смесей веществ. Согласно одному из вариантов изобретения, экстрагент содержит олеиловый спирт. Эти органические экстрагенты можно приобрести из различных источников, например, у компании Sigma-Aldrich (Сент-Луис, штат Миссури, США); в продаже имеются различные сорта, многие из которых пригодны для использования в экстрактивном сбраживании с целью получения или выделения бутанола. Технические сорта содержат смесь веществ, включающую искомый ингредиент и высшие и низшие жирные компоненты. Например, один из имеющихся в широкой продаже технических сортов олеилового спирта содержит около 65% олеилового спирта и смесь высших и низших жирных спиртов. Дополнительные методы, которые могут использоваться с описанными в настоящей заявке системами и способами, описаны в предварительных патентных заявках США №№ 61/368,429 и 61/379,546.
7
22
7
22
7
22
7
22
Как показано на фиг.2, бродильная среда 204 удаляется из бродильного аппарата 210 постоянно или регулярно, а экстрагент 255 добавляется в бродильную среду 204 для получения двухфазной смеси 205, получаемой в результате взаимодействия бродильной среды с экстрагентом 255. Двухфазная смесь подается в чан 215, в котором осуществляется разделение водной и органической фаз для получения содержащей бутанол органической фазы 208 и водной фазы 206. Экстрагент 255, как правило, представляет собой не смешивающийся с водой органический растворитель или смесь растворителей, характеристики которых позволяют использовать их для экстракции бутанола из ферментативного бульона. Согласно одному из вариантов изобретения, экстрагент 255 содержит по меньшей мере один растворитель, выбранный из группы веществ, состоящей из жирных спиртов C-C, жирных кислот C-C, сложных эфиров жирных кислот C-C, жирных альдегидов C-C и смесей веществ.
В предпочтительном варианте экстрагент выделяет бутанол из водной фазы с соотношением концентраций, составляющим, например, не менее 1,1:1 с тем, чтобы концентрация бутанола в фазе экстрагента как минимум в 1,1 раза превышала концентрацию бутанола в водной фазе при определении в процессе экстракции водного раствора бутанола при комнатной температуре. Согласно другому варианту изобретения экстрагент в предпочтительном варианте выделяет бутанол из водной фазы с соотношением концентраций не менее 2:1 с тем, чтобы концентрация бутанола в фазе экстрагента как минимум в два раза превышала концентрацию бутанола в водной фазе при определении в процессе экстракции водного раствора бутанола при комнатной температуре. Эстракция бутанолового продукта с помощью органического экстрагента может осуществляться с удалением или без удаления клеток из бродильной среды. Удаление клеток из бродильной среды может осуществляться известными в данной отрасли средствами, включая в частности фильтрование и центрифугирование. Экстрагент 255 может добавляться в бродильную среду 204 в отдельном сосуде (не показан) перед подачей в чан 215 или же может взаимодействовать с бродильной средой 204 после его добавления в чан 215 для получения двухфазной смеси 205, которая затем разделяется на органическую и водную фазы. Содержащая бутанол органическая фаза 208 отделяется от водной фазы 206 двухфазной бродильной среды с использованием известных в данной области техники способов, включая в частности сифонирование, декантацию, центрифугирование, использование отстойника, расщепление фаз с помощью мембраны и т.п.
В системе 200, изображенной на фиг.2, экстракция бутанола из бродильной среды осуществляется после бродильного аппарата 210. Также двухфазное экстрактивное сбраживание может осуществляться на месте, порционно или в непрерывном режиме в бродильном аппарате. В случае экстрактивного сбраживания, осуществляемого на месте, органический экстрагент может взаимодействовать с бродильной средой в начале сбраживания, образуя двухфазную бродильную среду. Как вариант, органический экстрагент может взаимодействовать с бродильной средой после достижения микроорганизмами требуемого уровня развития, который может быть определен путем измерения оптической плотности культуры. Кроме того, органический экстрагент может взаимодействовать с бродильной средой в тот момент, когда содержание бутанола в бродильной среде достигнет заранее выбранного уровня, например, перед тем, как концентрация бутанола достигнет уровня токсичности. После взаимодействия бродильной среды с органическим экстрагентом происходит разделение бутанолового продукта в органическом экстрагенте, что приводит к снижению его концентрации в содержащей микроорганизмы водной фазе, за счет чего ограничивается отрицательное воздействие бутанолового продукта на вырабатывающие бутанол микроорганизмы. Необходимый объем органического экстрагента зависит от целого ряда факторов, включая объем бродильной среды, размер бродильного аппарата, коэффициент распределения экстрагента для бутанолового продукта и выбранный режим сбраживания, как указано ниже. Объем органического экстрагента может составлять около 3-60% рабочего объема бродильного аппарата.
В непрерывном режиме экстрактивного сбраживания на месте согласно одному из вариантов изобретения экстрагент 255 может подаваться в бродильный аппарат 210 для получения в аппарате двухфазной смеси 205; при этом поток 208 содержащей бутанол органической фазы и поток 206 водной фазы выходят непосредственно из бродильного аппарата 210. Согласно другому варианту изобретения смесь бродильной среды и содержащего бутанол органического экстрагента удаляется из бродильного аппарата, после чего производится отделение содержащей бутанол органической фазы от водной фазы. Бродильная среда может быть возвращена в бродильный аппарат для повторного использования или заменена свежей средой. После этого производится обработка экстрагента с целью выделения бутанолового продукта и экстрагент может быть возвращен обратно в бродильный аппарат для дальнейшей экстракции продукта. Как вариант, возможно постоянное добавление в бродильный аппарат свежего экстрагента для замены удаленного. В одном из вариантов объем органического экстрагента может составлять около 3-50% рабочего объема бродильного аппарата, в другом варианте - около 3-30%; в еще одном варианте - около 3-20%; и в еще одном варианте - около 3-10%. Поскольку продукт постоянно удаляется из реактора, меньший объем органического экстрагента позволяет использовать больший объем бродильной среды.
В порционном режиме экстрактивного сбраживания на месте в бродильный аппарат добавляется определенный объем органического экстрагента для получения двухфазной смеси; при этом экстрагент в ходе процесса не удаляется. Данный режим требует использования большего объема органического экстрагента для сведения к минимуму концентрации в бродильной среде бутанолового продукта, отрицательно сказывающегося на деятельности микроорганизмов. Соответственно, объем бродильной среды и количество вырабатываемого продукта меньше аналогичных показателей в непрерывном режиме. Например, объем органического растворителя в порционном режиме может составлять около 20-60% рабочего объема бродильного аппарата в одном из вариантов изобретения и около 30-60% в другом варианте.
Газовая отгонка (не показана) может применяться одновременно с органическим экстрагентом для удаления бутанолового продукта из бродильной среды. Газовая отгонка может производиться путем пропускания через бродильную среду газа, например, воздуха, азота и двуокиси углерода, за счет чего образуется содержащая бутанол газовая фаза. Выделение бутанолового продукта из содержащей бутанол газовой фазы может осуществляться с использованием известных в данной области техники способов, например, путем использования конденсационного горшка с охлажденной водой для обеспечения конденсации бутанола или путем очистки газовой фазы растворителем. Способы регулирования концентрации бутанола при сбраживании с использованием газовой отгонки подробно описаны в находящейся одновременно на рассмотрении международной патентной заявке № WO 2009/079362 того же заявителя, зарегистрированной 12 декабря 2008 года.
В зависимости от эффективности экстракции титр водной фазы бутанола в бродильной среде может составлять, например, около 5-85 г/л, около 10-40 г/л, около 10-20 г/л, около 15-50 г/л или около 20-60 г/л. Если не ограничиваться теорией, можно предполагать, что способ экстрактивного сбраживания позволяет достигнуть более высокого значения титра бутанола, частично за счет удаления токсичного бутанолового продукта из бродильной среды, что позволяет поддерживать концентрацию бутанола на уровне ниже уровня токсичности для используемых микроорганизмов.
Escherichia coli
Saccharomyces cerevisiae
Изобутанол может быть получен путем экстрактивного сбраживания за счет использования модифицированного штамма  или , например, в сочетании с использованием олеилового спирта в качестве органического экстрагента для достижения эффективного титра более 22 г на литр бродильной среды в одном варианте, не менее 25 г на литр бродильной среды в другом варианте, не менее 30 г на литр бродильной среды в еще одном варианте, не менее 32 г на литр бродильной среды в еще одном варианте, не менее 35 г на литр бродильной среды в еще одном варианте, не менее 37 г на литр бродильной среды в еще одном варианте, и не менее 40 г на литр бродильной среды в еще одном варианте. Использование олеилового спирта в качестве экстрагента в сочетании с газовой отгонкой позволяет значительно повысить значения титров по сравнению со случаем использования только газовой отгонки, даже несмотря на то, что газовая отгонка сама по себе позволяет эффективно поддерживать концентрацию бутанола ниже уровня токсичности. Органические экстрагенты, содержащие олеиловый спирт или состоящие существенно из олеилового спирта, также способны повысить значения титров.
После отделения бродильной среды от экстрагента с помощью описанных выше средств бродильная среда может быть возвращена для повторного использования в бродильный аппарат, утилизирована или подвернута обработке с целью удаления остатков бутанолового продукта. В варианте, изображенном на фиг.2, после отделения бродильной среды от экстрагента водная фаза 206 разделяется на сырьевой поток 212 и рециркуляционный поток 214. Рециркуляционный поток 214 обеспечивает возвращение части бродильной среды в бродильный аппарат 210. Аналогично, в случае удаления клеток из бродильной среды до взаимодействия органическим экстрагентом изолированные клетки (не показаны) могут быть также повторно использованы в бродильном аппарате. Сырьевой поток 212 бродильной среды может быть подвергнут дегазации с целью удаления из него по меньшей мере части неконденсирующихся газов 266; дегазированный сырьевой поток 212' направляется в бражную перегонную колонну 220 с целью выделения каких-либо остатков бутанолового продукта, как подробнее показано ниже. Удаленные неконденсирующиеся газы 266 могут быть направлены в скруббер (не показан).
После экстракции бутанола из бродильной среды бутанол выделяется из содержащей бутанол органической фазы 208. Содержащая бутанол органическая фаза 208 обычно содержит не смешивающийся с водой органический экстрагент, воду, бутанол и, возможно, неконденсирующийся газ. Содержащая бутанол органическая фаза 208 может также дополнительно содержать побочные продукты сбраживания, обладающие достаточной растворимостью для распределения в фазе экстрагента. В одном из вариантов изобретения у содержащей бутанол органической фазы 208 массовая доля бутанола в подаваемом сырье составляет около 0,1-50%, в другом варианте около 0,1-40%, в другом варианте - около 1-40%, в другом варианте - около 2-40%, в другом варианте - около 5-35%, в другом варианте - около 10-35% массы фазы 208.
Выделение бутанола из содержащей бутанол органической фазы может осуществляться с использованием известных в данной области техники способов, в частности путем перегонки, адсорбции смолами, разделения молекулярными ситами, испарения через проницаемую перегородку и т.п. Приведенная в качестве примера система согласно фиг.2 предусматривает использование сочетания перегонки и декантации для выделения бутанола из содержащей бутанол органической фазы 208. Способы выделения бутанола из сырья, содержащего не смешивающийся с водой органический экстрагент, воду, бутанол и, возможно, неконденсирующийся газ, с использованием сочетания перегонки и декантации подробно описаны в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной заявке США № 61/225,662 того же заявителя, зарегистрированной 15 июля 2009 года, и могут использоваться в системе и способах, предлагаемых согласно настоящему изобретению. Для выделения бутанола из экстрагента путем перегонки рекомендуется, чтобы температура кипения экстрагента при атмосферном давлении была выше соответствующего показателя выделяемого бутанола как минимум на 30 градусов Цельсия, в другом варианте - как минимум на 35 градусов Цельсия, в другом варианте - как минимум на 40 градусов Цельсия, в другом варианте - как минимум на 45 градусов Цельсия, в другом варианте - как минимум на 50 градусов Цельсия, в другом варианте - как минимум на 55 градусов Цельсия, в другом варианте - как минимум на 60 градусов Цельсия.
В варианте, изображенном на фиг.2, перегонка с целью выделения бутанола из содержащей бутанол органической фазы 208 включает использование по меньшей мере двух перегонных колонн: колонны растворителя 230 и колонны бутанола 260. Колонна растворителя 230, в сочетании с декантацией, обеспечивает отделение любого неконденсирующегося газа, например, двуокиси углерода, и бутанола от экстрагента, например, олеилового спирта, и воды.
В частности, перегонка содержащей бутанол органической фазы 208 осуществляется в колонне растворителя 230 для получения парообразного верхнего потока 216 с высоким содержанием бутанола, содержащего воду, бутанол и неконденсирующийся газ (если таковой содержится в сырье), и потока 218 жидкого кубового остатка с высоким содержанием растворителя, содержащего экстрагент и воду и практически не содержащего бутанола. Под «практическим отсутствием бутанола» подразумевается, что массовая доля бутанола в кубовом остатке 218 не превышает около 0,01%. Хотя данная операция не показана, поток 218 выделенного экстрагента может быть возвращен для повторного использования в процессе экстрактивного сбраживания. Например, поток 218 выделенного экстрагента может быть использован в качестве экстрагента 255, взаимодействующего с бродильной средой 204.
Парообразный верхний поток 216 может содержать до 65% (масс.) бутанола и не менее 30% (масс.) воды. Согласно одному из вариантов изобретения парообразный верхний поток содержит до 65% (масс.) бутанола и не менее 32% (масс.) воды, согласно другому варианту - до 60% (масс.) бутанола и не менее 35% (масс.) воды, согласно еще одному варианту - до 55% (масс.) бутанола и не менее 40% (масс.) воды, и согласно еще одному варианту - 50-55% (масс.) бутанола и 45-50% (масс.) воды. Согласно одному из вариантов изобретения, массовая доля экстрагента в парообразном верхнем потоке 216 не превышает 2%. Парообразный верхний поток 216 может охлаждаться и конденсироваться в конденсаторе (не показан) и смешиваться в смесителе 240 с конденсированными парообразными верхними потоками 222 и 238 из бражной колонны 220 и колонны бутанола 260 соответственно. Смешанный поток 226 подвергается декантации в декантаторе 250 на жидкую фазу с высоким содержанием бутанола и жидкую водную фазу с низким содержанием бутанола. Например, жидкая бутаноловая фаза (являющаяся более легкой жидкой фазой) может содержать до 30% (масс.) воды, или же 20-30% (масс.) воды, или же 16-30% (масс.) воды, или же 10-20% (масс.) воды, а также может содержать менее 0,001% (масс.) остаточного экстрагента, который подается через верхнюю часть колонны растворителя 230. Содержание остаточного экстрагента в жидкой фазе с высоким содержанием бутанола может быть сведено к минимуму за счет использования ректификационной секции в колонне 230. Жидкая водная фаза может содержать менее 10% (масс.) бутанола; согласно одному из вариантов изобретения - от 3% до 10% (масс.) бутанола. Если в потоке 216 из колонны растворителя 230 содержится неконденсирующийся газ, по меньшей мере часть неконденсирующегося газа может быть удалена из процесса, как показано на чертеже, где поток 268 выходит из декантатора 250. Удаленный газ может быть направлен в скруббер (не показан), а вода скруббера (не показана) возвращается в декантатор 250 для выделения содержащегося в ней бутанола. Этот вариант является более предпочтительным по отношению к варианту с возвратом воды скруббера в секцию сбраживания процесса для повторного использования в силу токсичности бутанола для выделяющих бутанол микроорганизмов в бродильной среде. Декантататор может иметь любую традиционную конструкцию.
Вся жидкая водная фаза из декантатора 250 или ее часть может возвращаться в колонну растворителя 230 в виде потока флегмы 228. Поток 232 жидкой фазы с высоким содержанием бутанола из декантатора 250 может быть разделен; при этом часть его возвращается в колонну растворителя 230 в виде потока флегмы 234, а остаток 236 подается в колонну бутанола 260. Колонна бутанола 260 обеспечивает разделение бутанола и воды и позволяет получить поток 242 бутанолового кубового остатка, массовая доля бутанола в котором составляет практически 100% и который практически не содержит воды. Выражения «массовая доля бутанола составляет практически 100%» и «практически не содержит воды» означают, что в потоке 242 кубового остатка содержится около 0,01% (масс.) воды и/или других отличных от бутанола компонентов (например, экстрагента). Парообразный верхний поток 238 содержит бутанол и воду, например, около 67% (масс.) бутанола и около 33% (масс.) воды, или, например, 60% (масс.) бутанола и около 40% (масс.) воды, или, например, 55% (масс.) бутанола и около 45% (масс.) воды. Парообразный верхний поток 238 может быть подвергнут конденсации в конденсаторе (не показан) и возвращен в декантатор 226 через смеситель 240.
В качестве колонны растворителя 230 может использоваться любая традиционная перегонная колонна, имеющая по меньшей мере впуск для подачи сырья, выпуск для отводимых с верха паров, выпуск для потока кубового остатка, средства нагрева и достаточное количество ступеней для обеспечения отделения бутанола от экстрагента. Например, в одном из вариантов изобретения, согласно которому экстрагент содержит олеиловый спирт, колонна растворителя 230 может иметь по меньшей мере 5 ступеней и может содержать кипятильник. Согласно одному из вариантов изобретения колонна растворителя 230 имеет 15 ступеней. Для сведения к минимуму потерь экстрагента в потоке 236 может потребоваться ректификационная секция, которая может использоваться сама по себе или в сочетании с использованием потока флегмы 234. Средства нагрева могут представлять собой нагретый пар, например, водяной пар, подаваемый в колонну через впуск для пара. Согласно одному из вариантов изобретения впуск для пара расположен в нижней части колонны 230, а выпуск для отводимого с верха пара расположен в верхней части колонны 230. Согласно одному из вариантов изобретения давление в колонне растворителя 230 поддерживается на уровне ниже атмосферного (такое давление достигается, например, за счет функционирования конденсатора (не показан), обеспечивающего конденсацию отводимых с верха паров 116 при давлении ниже атмосферного). В этом случае, давление во впуске для пара колонны растворителя 230 будет ниже атмосферного. Подаваемый нагретый пар должен иметь давление, соответствующее давлению во впуске для пара колонны. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 8,4 фунт./кв.дюйм абс. (около 0,57 атм), а давление в выпуске для пара составляет около 7 фунт./кв.дюйм абс. (около 0,47 атм). Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 14,0 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 12,5 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 11,0 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 9 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 9,0 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 7 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 8 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 6,5 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения перепад давления в колонне растворителя 230 поддерживается на уровне около 1,5-2,0 фунт./кв.дюйм абс., в другом варианте - около 2,0-2,5 фунт./кв.дюйм абс., а в еще одном варианте - около 1,0-2,5 фунт./кв.дюйм абс.
В качестве колонны бутанола 260 может использоваться любая традиционная перегонная колонна, имеющая по меньшей мере впуск для подачи сырья, выпуск для отводимых с верха паров, выпуск для потока кубового остатка, средства нагрева (например, нагретый пар) и достаточное количество ступеней для требуемого отделения с тем, чтобы обеспечить практическое отсутствие воды в потоке 242 кубового остатка. Например, в одном из вариантов изобретения колонна бутанола 260 может иметь по меньшей мере 6 ступеней и может содержать кипятильник. Согласно одному из вариантов изобретения колонна бутанола 260 имеет 10 ступеней; в одном из вариантов изобретения давление в колонне бутанола 260 поддерживается на уровне ниже атмосферного. Согласно одному из вариантов изобретения давление в колонне бутанола 260 поддерживается на уровне выше атмосферного и отводимые с верха пары 260 могут подаваться в единственный блок 503 первой ступени в качестве теплоносителя, а конденсат возвращается в декантатор 250.
После отделения бродильной среды от экстрагента поток 212' дегазированного сырья водной фазы подается в бражную колонну 220 для получения парообразного верхнего потока 22 с высоким содержанием бутанола, содержащего воду, бутанол и неконденсирующийся газ (если таковой содержится в сырье), и жидкого потока 224 бражного кубового остатка с низким содержанием бутанола. Поток 224 бражного кубового остатка содержит побочные продукты, например, барду и фильтрат барды. Парообразный верхний поток 222 может быть подвергнут конденсации в конденсаторе (не показан) и направлен в декантатор 250 для выделения бутанола с использованием колонны бутанола 260, как указано выше. Таким образом, бражная колонна 220 функционирует параллельно с колонной растворителя 230, и конденсированный парообразный верхний поток 222 из бражной колонны 220 может смешиваться с конденсированным парообразным верхним потоком 216 из колонны растворителя 230 в смесителе 240, после чего смешанный поток 226 подвергается декантации в декантаторе 250.
В одном из вариантов изобретения, не отраженных на чертежах, бродильная среда не отделяется от экстрагента перед перегонкой с целью выделения бутанола. В таком варианте перегонка двухфазной смеси осуществляется в бражной колонне, которая призвана обеспечивать отделение бутанола от экстрагента и воды.
В качестве бражной колонны 220 может использоваться любая традиционная перегонная колонна, имеющая по меньшей мере впуск для подачи сырья, выпуск для отводимых с верха паров, выпуск для потока кубового остатка, средства нагрева средства нагрева (например, нагретый пар) и достаточное количество ступеней для обеспечения отделения бутанола от бражного кубового остатка. Например, в одном из вариантов изобретения бражная колонна 220 может иметь по меньшей мере 10 ступеней и может содержать кипятильник. Согласно одному из вариантов изобретения давление в бражной колонне 220 поддерживается на уровне ниже атмосферного. Согласно одному из вариантов изобретения перепад давления в бражной колонне 220 поддерживается на уровне около 1,5-2,0 фунт./кв.дюйм абс., в другом варианте - около 2,0-2,5 фунт./кв.дюйм абс., и в еще одном варианте - около 1,0-2,5 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара бражной колонны 220 ниже атмосферного. Согласно одному из вариантов изобретения впуск для пара расположен в нижней части колонны 220, а выпуск для отводимого с верха пара расположен в верхней части колонны 220, как показано на чертеже. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 8,4 фунт./кв.дюйм абс. (около 0,57 атм); давление нагретого пара, подаваемого в колонну через впуск для пара, составляет около 8,4 фунт./кв.дюйм абс. (около 0,57 атм) Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 7 фунт./кв.дюйм абс. (около 0,47 атм). Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 14,0 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 12,5 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 11,0 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 9 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 9,0 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 7 фунт./кв.дюйм абс. Согласно одному из вариантов изобретения давление во впуске для пара составляет около 8 фунт./кв.дюйм абс., а давление в выпуске для пара составляет около 6,5 фунт./кв.дюйм абс.
Поскольку побочные продукты бражного кубового остатка могут использовать в качестве корма, обычно целесообразна дальнейшая переработка всех этих побочных продуктов или их части в по меньшей мере один из следующих продуктов: сухую барду, сырую дробину, сухой экстракт барды, сгущенный экстракт барды и/или сухую барду с растворимыми примесями (DDGS), а не утилизировать бражный кубовой остаток как отходы. В варианте, изображенном на Фиг.2, поток 224 бражного кубового остатка подвергается дополнительной обработке с целью получения DDGS 282. Для этого поток 224 бражного кубового остатка подается в сепаратор 270, который может быть механическим, например, представлять собой центрифугу или фильтр-пресс, для отделения сухие веществ зерна 272 бражного кубового остатка от фильтрата барды, содержащего преимущественно воду. Часть 274' фильтрата барды может быть возвращена в смешанное сырье 202, подаваемое в бродильный аппарат 210. Остаток фильтрата барды 274 сгущается в упаренную барду 276 путем выпаривания из него существенного количества воды в многоступенчатой испарительной системе 280. Согласно одному из вариантов изобретения многоступенчатая испарительная система 280 обеспечивает такой уровень выпаривания воды из фильтрата барды 274, при котором массовая доля воды в упаренной барде 276 приблизительно вдвое меньше массовой доли воды в фильтрате барды 274. Согласно одному из вариантов изобретения многоступенчатая испарительная система 280 обеспечивает такой уровень выпаривания воды из фильтрата барды 274, при котором массовая доля воды в упаренной барде 276 составляет около 40-65%, а в другом варианте изобретения массовая доля воды в упаренной барде 276 составляет около 45-60%. Согласно одному из вариантов изобретения массовая доля воды в фильтрате барды 274 составляет около 85-95%, а в другом варианте изобретения массовая доля воды в фильтрате барды 274 составляет около 90%. После этого упаренная барда 276 может быть смешана с сухими веществами зерна 272 в смесителе 290, после чего состоящий из зерна и упаренной барды смешанный поток 278 может быть подвергнут сушке в сушилке 295 с целью получения DDGS 282.
В одном из вариантов изобретения, не отраженных на фиг.2, перегонка двухфазной смеси осуществляется в бражной колонне, призванной обеспечивать отделение бутанола от экстрагента и воды. Полученные побочные продукты бражного кубового остатка подвергаются переработке, как указано выше, с целью их превращения в по меньшей мере один из следующих продуктов: сухую барду, сырую дробину, сухой экстракт барды, сгущенный экстракт барды и/или сухую барду с растворимыми примесями (DDGS), а фильтрат барды содержит экстрагент. Часть содержащего экстрагент фильтрата барды может быть возвращена для повторного использования в бродильный аппарат, как указано выше, а остаток сгущается в упаренную барду путем выпаривания из него существенного количества воды, как описано выше, в описанной многоступенчатой испарительной системе.
В многоступенчатой испарительной системе 280 чистый пар 288 установки и/или повторно используемый пар 288' установки (см. Фиг.3) используются в качестве источника тепла для обеспечения выпаривания воды из фильтрата барды с целью получения промежуточной барды. Получаемый в результате водяной пар, состоящий из воды, выпаренной из фильтрата барды, может затем использоваться в испарителях следующих ступеней для постепенного выпаривания воды из промежуточной барды с целью получения упаренной барды 276. Пар, представляющий собой воду, выпаренную из промежуточной барды, собирается и выводится через паропровод 292 и используется в системе 200 в качестве средства нагрева, например, для бражной колонны 220 и/или колонны растворителя 230, или в качестве средства нагрева для других секций, например, для колонны бутанола 260. Например, согласно одному из вариантов изобретения пар третьей ступени может использоваться в колонне бутанола 260 вместо кипятильника. В этом случае подаваемый пар может быть подвергнут конденсации и декантации в декантаторе 250, хотя это может привести к увеличению гидравлической нагрузки в ходе операций перегонки. В варианте, изображенном на фиг.2, паропровод 292 разделен на трубопроводы 294 и 296, подающие пар в бражную колонну 220 и колонну растворителя 230 для обеспечения теплом операций разделения в этих колоннах. Отвод парового конденсата из испарителей осуществляется через конденсатопровод 275, после чего конденсат может по мере необходимости направляться для повторного использования в другие секции системы 200 или подаваться обратно в генераторы пара установки (не показаны). Согласно одному из вариантов изобретения паровой конденсат 275 нагревается и обрабатывается (не показано) для повторного использования в секции сбраживания описываемого процесса, например, для смешивания с молотым зерном для получения смешанного сырья 202, которое подается в бродильный аппарат 210.
Ниже приводится описание многоступенчатой испарительной системы 280 со ссылкой на фиг.3. Многоступенчатая испарительная система 280 состоит из трех станций, испарителей трех ступеней (всего 9 испарителей), предназначенных для сгущения фильтрата барды 274, поступающего из сепаратора 270, в упаренную барду 276, которая затем может подаваться в сушилку 295, как указано выше. Испарители 501, 502 и 503 являются испарителями первой ступени. Испарители 511, 512 и 513 являются испарителями второй ступени. Испарители 521, 522 и 523 являются испарителями третьей, или последней, ступени. Испарители каждой из ступеней могут иметь любую традиционную конструкцию. Например, как показано на примере испарителя 501 первой ступени, каждый из испарителей может содержать верхнюю часть 540, оборудованную кожухотрубным теплоообменником известного в данной области техники типа, и нижнюю кубовую часть 545. В верхней части 540 трубы обеспечивают подачу барды из расположенного над теплообменником впуска (например, через расположенный рядом клапан 324), через секцию теплообменника, а затем в расположенную ниже кубовую часть 545. Удаление барды осуществляется через выпуск (например, через расположенный рядом клапан 326), сообщающийся со впуском для барды следующего испарителя (например, испарителя 502). Нагретый пар из источника пара поступает во впуск для пара (например, через расположенный рядом клапан 320) и изолируется в межтрубной зоне теплообменника известного в данной области техники типа. Теплообмен между и нагретым паром и бардой вызывает испарение воды из барды и конденсацию пара с удалением конденсата через конденсатопровод 275. Конденсат поступающий из разных испарителей, может смешиваться и повторно использоваться в системе 200 (см. линию 275 на фиг.2). Выпариваемая из барды вода может отводиться через выпуск для пара (например, через расположенный рядом клапан 328), который может быть соединен с впусками для пара расположенных дальше по направлению тока ступеней испарительной системы 280. Различные трубопроводы, ведущие к испарителям, оборудованы клапанами, позволяющими изолировать и обходить любой из испарителей с целью их технического обслуживания.
В представленных на чертежах вариантах во впуски для пара испарителей первой ступени 501, 502 и 503 подается чистый пар 288 установки и/или повторно используемый пар 288' установки, используемые в качестве источника тепла. Фильтрат барды 274 поступает в верхнюю часть 540 испарителя 501 по трубопроводу 274a и покидает нижнюю кубовую часть 545 испарителя 501 в слегка сгущенном состоянии. Как вариант, фильтрат барды 274, поступающий в испарительную систему 280 может параллельно распределяться поровну или другим образом между тремя испарителями первой ступени 501, 502 и 503 с помощью соответствующих трубопроводов 274a, 274b и 274c, соединенных со впусками для барды этих испарителей. Сгущенная барда, покидающая испаритель 501, может быть направлена в верхнюю часть следующего испарителя 502 и наконец выйти из нижней части последнего испарителя 503 первой ступени в виде первой промежуточной барды через трубопровод 374 первой промежуточной барды. Водяной пар, удаляемый выпариванием из фильтрата барды в испарителях 501, 502 и 503, выводится через соответствующие выпуски для пара в виде пара первой ступени и поступает в паропровод 388 пара первой ступени. Согласно некоторым вариантам изобретения, повторно используемый пар 288' установки содержит технологический пар из других секций, нуждающийся в конденсации. В таких вариантах корпуса испарителей первой ступени, в которые поступает пар, могут служить конденсаторами такого технологического пара; при этом межтрубная зона корпусов испарителей должна изолироваться с тем, чтобы сгущенная технологическая жидкость могла быть возвращена в другие процессы без загрязнения конденсата чистого пара, который может быть направлен в бак оборотной воды. Согласно одному из примеров повторно используемый пар 288' установки содержит парообразный верхний продукт, поступающий из колонны бутанола 260, который может быть подвергнут конденсации в корпусах испарителей первой ступени и декантации в декантаторе 250.
Согласно одному из вариантов изобретения испарители первой ступени 501, 502 и 503 работают при давлении около 20 фунт./кв.дюйм абс. и температуре около 105-115°C, согласно другому варианту - 105-110°C, и согласно еще одному варианту - около 109°C. Температура и давление пара установки могут превышать соответствующие рабочие показатели испарителей первой ступени с тем, чтобы выдерживать определенный перепад температур между и бардой и нагревающим паром. Согласно одному из вариантов изобретения перепад температур составляет около 10-20°C, а в другом варианте перепад температур составляет около 10°C. Температура и давление в испарителях первой ступени могут быть чуть выше или чуть ниже выше диапазонов температур и давлений. Например, согласно одному из вариантов изобретения температура в первой ступени может составлять около 99-130°C. Снижение температуры первой ступени приведет к снижению температуры третьей ступени. Таким образом, в целом температура испарителя первой ступени должна поддерживаться в пригодном для работы диапазоне, позволяющем гарантировать температуру и давление пара третьей ступени, необходимые для нагрева одной или нескольких перегонных колонн (например, бражной колонны 220 и колонны растворителя 230), используемых в процессе выделения определенного спирта. Это позволит увеличить разрежение, необходимое для функционирования перегонных колонн, использующих пар третьей ступени. Использование для перегонки высокого вакуумметрического давления может осложнить конденсацию верхнего парового потока колонны (если давление не восстанавливается), если в потоке содержатся неконденсирующиеся газы. Оптимальной является не слишком высокая температура, позволяющая снизить или полностью исключить засорение на стороне барды испарителей и в то же время гарантировать выработку полезного пара третьей ступени.
Согласно одному из вариантов изобретения пар первой ступени вырабатывается испарителями первой ступени под давлением около 14-38 фунт./кв.дюйм абс. (что соответствует температуре около 99-130°C), и под давлением около16-30 фунт./кв.дюйм абс. Согласно другому варианту изобретения пар первой ступени имеет давление около 20 фунт./кв.дюйм абс. и температуру около 109°C. Пар первой ступени, вырабатываемый испарителями первой ступени 501, 502 и 503 смешивается (в трубопроводе 388), а затем распределяется, поровну или иным образом, между испарителями второй ступени 511, 512 и 513. Паропровод 388 для пара первой ступени обеспечивает подачу пара первой ступени во впуски для пара испарителей второй ступени 511, 512 и 513. Как вариант, пар первой ступени может подаваться от каждого из испарителей первой ступени к соответствующему испарителю второй ступени. Например, пар, вырабатываемый в испарителе 501 первой ступени подается в испаритель 511 второй ступени.
Компоновка и принцип работы испарителей второй ступени 511, 512 и 513 и испарителей третьей ступени 521, 522 и 523 во многом совпадает с компоновкой и принципом работы испарителей первой ступени 501, 502 и 503; отличие заключается в том, что испарители второй и третьей ступеней действуют при более низких значениях температуры и давления, испарители второй ступени обогреваются паром первой ступени, поступающим от испарителей первой ступени 501, 502 и 503, а испарители третьей ступени обогреваются паром второй ступени, поступающим от испарителей второй ступени 511, 512 и 513. Согласно одному из вариантов изобретения перепад давления для испарителей каждой ступени составляет около 4,0-7,0 фунт./кв.дюйм. Согласно одному из вариантов изобретения перепад давления для испарителей очередной ступени меньше, чем для испарителей предыдущей ступени. Например, для конкретного варианта, в котором давление первой ступени составляет 20 фунт./кв.дюйм абс., перепад давления для испарителей первой ступени составляет около 6,1 фунт./кв.дюйм абс., а для испарителей второй ступени - около 4,6 фунт./кв.дюйм абс. В целом общий перепад давления по всем испарителям зависит от перепада температур между ступенями испарителей. Например, для конкретного варианта, где давление первой ступени составляет 20 фунт./кв.дюйм абс., а пар третьей ступени вырабатывается под давлением около 9,3 фунт./кв.дюйм, перепад давления по всем испарителям определяется исходя из перепада в 10°C между последовательными ступенями.
Первая промежуточная барда поступает в верхнюю часть испарителя 511 второй ступени и покидает нижнюю часть испарителя 511 в более сгущенном состоянии. Сгущенная барда, выходящая из испарителя 511, может быть направлена в верхнюю часть следующего испарителя второй ступени 512 и наконец выйти из нижней части последнего испарителя второй ступени 513 в виде второй промежуточной барды через трубопровод 384 второй промежуточной барды. Водяной пар, удаляемый выпариванием из первой промежуточной барды в испарителях 511, 512 и 513, выводится через соответствующие выпуски для пара в виде пара второй ступени и поступает в паропровод 398 пара второй ступени. Пар второй ступени, вырабатываемый испарителями второй ступени, может смешиваться (в паропроводе 398), а затем распределяться, поровну или иным образом, между испарителями третьей ступени. Паропровод 398 для пара второй ступени обеспечивает подачу пара второй ступени во впуски для пара испарителей третьей ступени 521, 522 и 523. Как вариант, пар второй ступени может подаваться от каждого из испарителей второй ступени только к соответствующему испарителю третьей ступени в соответствующей выпарной станции. Согласно одному из вариантов изобретения пар второй ступени вырабатывается испарителями второй ступени с давлением около 10-16 фунт./кв.дюйм абс. и температурой около 90-106°C. Согласно другому варианту изобретения пар второй ступени имеет давление около 13,85 фунт./кв.дюйм абс. и температуру около 99°C.
Вторая промежуточная барда поступает в верхнюю часть испарителя 521 третьей ступени и покидает нижнюю часть испарителя 521 в более сгущенном состоянии. Сгущенная барда, покидающая испаритель 521, может быть направлена в верхнюю часть следующего испарителя третьей ступени 522 и, наконец, выйти из нижней части последнего испарителя третьей ступени 523 в виде упаренной барды 276, которая может быть направлена в смеситель 290 для создания состоящего из зерна и упаренной барды смешанного потока 278, который подвергается сушке целью получения DDGS 282. Водяной пар, удаляемый выпариванием из второй промежуточной барды в испарителях 521, 522 и 523, выводится через соответствующие выпуски для пара в виде пара третьей ступени и поступает в паропровод 292, который разделяется на паропроводы 294 и 296, обеспечивающие подачу пара третьей ступени в бражную колонну 220 и колонну растворителя 230 соответственно. Согласно одному из вариантов изобретения пар третьей ступени вырабатывается испарителями третьей ступени с давлением около 7-12 фунт./кв.дюйм абс. и температурой около 80-95°C, а в другом варианте температура пара третьей ступени составляет около 85-90°C. Согласно другому варианту изобретения пар третьей ступени имеет давление около 9,3 фунт./кв.дюйм абс. и температуру около 88°C.
Согласно одному из вариантов изобретения пар третьей ступени обеспечивает достаточное количество тепла для перегонки сброженного сырья 212' в бражной колонне 220. Согласно одному из вариантов изобретения пар третьей ступени обеспечивает достаточное количество тепла для перегонки содержащей бутанол органической фазы 208 в колонне растворителя 230. Согласно одному из вариантов изобретения для обеспечения достаточного количества тепла для перегонки сброженного сырья 212' в бражной колонне 220 вместе с паром третьей ступени используется пар установки. Согласно одному из вариантов изобретения для обеспечения достаточного количества тепла для перегонки содержащей бутанол органической фазы 208 в колонне растворителя 230 вместе с паром третьей ступени используется пар установки. Согласно другому варианту изобретения паром третьей ступени снабжается только бражная колонна 220. Согласно другому варианту изобретения паром третьей ступени снабжается только колонна растворителя 230. В других вариантах процессов выделения бутанола, например, в процессе, использующем технологии удаления продукта на месте вместо или в дополнение к жидкостной экстракции (например, отгонку, адсорбцию, испарение через проницаемую перегородку, экстракцию растворителем через мембрану); кроме того, что касается процессов получения продукта, относящихся к другим спиртам, пар третьей ступени из описанной в настоящей заявке многоступенчатой испарительной системы может использоваться для обеспечения теплом одной или нескольких перегонных секций, задействованных в процессе. Давление в одной или нескольких перегонных секциях, которые обеспечивает теплом пар третьей ступени, должно поддерживается на уровне ниже атмосферного, что позволяет избежать необходимости в повышении давления пара третьей ступени перед его подачей в определенную перегонную колонну.
Три станции и три ступени испарителей согласно настоящему изобретению способны обеспечить преимущество по сравнению с двухступенчатой испарительной системой за счет эффективного использования пара второй ступени для получения более густой упаренной барды или для получения упаренной барды той же концентрации, что и в случае с двухступенчатой испарительной системой, но с обеспечением большей производительности. Для обработки может быть желательным использовать более разведенную упаренную барду, поскольку разведенная упаренная барда позволяет снизить вероятность засорения оборудования и требует меньше усилий для транспортировки. Сгущенная упаренная барда тоже имеет свои преимущества и позволяет обеспечить большую по сравнению с разведенной упаренной бардой энергоэкономичность, поскольку меньшее содержание воды в сгущенной упаренной барде позволяет снизить теплопроизводительность расположенной дальше по направлению тока сушилки DDGS (например, сушилки 295). Три станции и три ступени испарителей согласно настоящему изобретению также способны обеспечить преимущество эффективного использования пара испарительной системы за счет получения из последней ступени пара, имеющего оптимальные температуру и давление для непосредственной подачи в бражную колонну 220 и колонну растворителя 230 без дополнительных операций подогрева или охлаждения и/или повышения давления. Более того, для, в частности, производства бутанола конфигурация бражной колонны, колонны растворителя и колонны перегонки бутанола позволяет использовать пар третьей ступени и одновременно поддерживать температуру испарителя первой ступени на сравнительно низком уровне, благодаря чему в процессе эксплуатации испарителю требуется лишь несколько очисток в год. В частности, поскольку бражная колонна 220 и колонна растворителя 230 установлены параллельно и могут работать с минимальным перепадом давления (например, около 1,5-2,0 фунт./кв.дюйм), настоящее изобретение обладает тем преимуществом, что испарители первой ступени могут работать при умеренных значениях температуры и давления (например, около 20 фунт./кв.дюйм абс. и около 109°C), что позволяет обеспечить необходимые значения перепада давления для испарителей второй и третьей ступеней и в то же время достигнуть приемлемых значений температуры и давления пара третьей ступени для непосредственной его подачи в колонны перегонки, используемые для выделения бутанола.
Более того, различные трубопроводы, идущие к каждому из испарителей или от испарителей, могут быть оборудованы клапанам, что позволяет изолировать и обходить любой из трех испарителей первой ступени 501, 502 и 503, любой из трех испарителей второй ступени 511, 512 и 513 и любой из трех испарителей третьей ступени 521, 522 и 523 с целью их технического обслуживания. Клапаны, обеспечивающие возможность изолировать и обходить испаритель, описываются со ссылкой на испаритель 501. Испаритель 501 включен в линию, если клапан 320 паропровода открыт, впускной клапан 324 фильтрата барды открыт, выпускной клапан 326 фильтрата барды открыт, клапан 328 выпуска пара первой ступени открыт, а перепускной клапан 322 фильтрата барды закрыт. Когда клапаны 320, 322, 324, 326 и 328 находятся в положении, в испаритель 501 поступают пар установки для подогрева и фильтрат барды для выпаривания, а испаритель вырабатывает пар первой ступени для использования испарителями второй ступени (испарителями 511, 512 и 513) и вырабатывает слегка сгущенную барду для последующего ее выпаривания испарителем 502, если испаритель 502 включен в линию. Испаритель 501 отключен от линии, когда клапан 320 паропровода закрыт, впускной клапан 324 фильтрата барды закрыт, клапан 328 выпуска пара первой ступени закрыт, а перепускной клапан 322 фильтрата барды открыт. Когда клапаны 320, 322, 324, 326 и 328 находятся в этом положении, в испаритель 501 не поступают пар установки, фильтрат барды и даже обратный поток пара первой ступени. В такой конфигурации фильтрат барды движется в обход испарителя 501, направляясь в испаритель 502. Следует осознавать, что другие испарители трех ступеней могут быть оборудованы клапанами аналогично испарителю 501 и могут точно так же включаться или отключаться от линии, в силу чего в подробном обсуждении клапанов этих испарителей нет нужды. Кроме того, каждый из испарителей второй и третьей ступеней может быть оборудован клапаном паропровода пара установки, аналогичного клапану 320 паропровода испарителей первой ступени. Таким образом, пар установки может использоваться в качестве дополнения или замены пара испарителя, который в свою очередь используется для обеспечения функционирования следующего испарителя. Например, в случае выключения одного из испарителей (например, испарителя 501 первой ступени) в составе выпарной станции (например, испарителей 501, 511 и 521), испаритель следующей ступени данной станции (например, испаритель 511 второй ступени) может продолжать работу, используя пар установки.
Если производительность и КПД установки могут быть повышены за счет использования большего числа активных испарителей, вырабатывающих больше пара для использования в других секциях системы 200 (например, в описанных выше бражной колонне 220 и колонне растворителя 230), то клапаны позволяющие изолировать и обходить один или несколько испарителей, обеспечивают возможность гибкого планового технического обслуживания, очистки или ремонта испарителей по мере необходимости с минимальными простоями установки. В зависимости от того, какие испарители нужно отключить от линии, может также возникнуть необходимость в изменении конфигурации выпарной станции и параметров процесса. Например, хоть данный вариант и не является оптимальным, возможно отключение от линии целой ступени (например, испарителей первой ступени) с тем, чтобы система функционировала как трехстанционная двухступенчатая система с использованием в системе пара второй ступени. Однако при использовании всего двух ступеней в процессе сгущения выпариванием эффективность использования энергии может быть сравнительно низкой, и может возникнуть необходимость в снижении скорости подачи фильтрата барды в испарители с тем, чтобы добиться получения сильно сгущенной упаренной барды. Рекомендуется одновременно отключать не более одного испарителя в каждой ступени, чтобы система могла функционировать как двухстанционная трехступенчатая система. Таким образом, система по-прежнему сможет вырабатывать пар с оптимальной температурой и давлением для обеспечения нагретого пара для работы бражной колонны и колонны растворителя - так же, как в тех случаях, когда в линию включены все испарители. Тем не менее, существуют и другие варианты конфигурации включенных и отключенных от линии испарителей. Например, еще один вариант заключается в том, чтобы отключить от линии только один испаритель в системе (например, первый испаритель 501 первой ступени) и использовать остальные испарители 502 и 503 первой ступени, а также все испарители второй и третьей ступеней. В этом случае может возникнуть необходимость в добавлении подпиточного пара установки через подпиточный паропровод (не показан), соединенный с паропроводом 388 для пара первой ступени, чтобы обеспечить соответствующие параметры пара для работы всех трех испарителей второй ступени.
Кроме того, каждый испаритель может быть оснащен датчиком уровня в своей нижней кубовой части 545 для обнаружения в части сгущенной барды; также возможно оснащение расходомерами трубопроводов, соединенных с испарителем. Для регулирования показателей расхода на основе показаний датчиков могут использоваться различные клапаны. Таким образом, возможно, например, регулировать скорость подачи барды в каждый испаритель с тем, чтобы увеличивать или уменьшать количество подаваемой в конкретный испаритель барды в зависимости от замеренных датчиками показателей для кубовой части 545 соответствующего испарителя. Кроме того, можно регулировать подачу пара в каждый испаритель с помощью соответствующих клапанов впусков для пара, оптимизируя таким образом теплопроизводительность для каждого отдельного испарителя.
Кроме того, в нижней кубовой части 545 любого из испарителей может быть установлен межфазный датчик для определения разделения фаз. Межфазные датчики известны в данной области техники могут использовать различные технологии, в частности использовать инфракрасное или ближнее инфракрасное излучение или измерения плотности. Согласно некоторым вариантам изобретения, емкость испарителя может иметь конфигурацию, позволяющую определять разделение фаз визуально. В тех вариантах, где фильтрат барды содержит масло (например, масло из сырья) или растворитель и, соответственно, представляет собой двухфазную смесь, разделение фаз может определяться в любом из испарителей, что позволяет удалять органическую фазу из барды до образования конечной упаренной барды. Удаление органической фазы в испарителе означает снижение нагрузки на последующие испарители и сказывается на объемах и мощности перекачки. В тех вариантах, где органическая фаза содержит растворитель, удаленный растворитель может быть переработан для последующего использования в процессе.
В дополнение к процессу, описанному со ссылкой на фиг.3, из данного описания специалистам в данной области техники будет понятно, что дополнительные конфигурации также позволяют воспользоваться преимуществами изобретения, не отступая от его сущности. В качестве примера ниже приведено описание многоступенчатой испарительной системы 600 со ссылкой на фиг.5. Многоступенчатая испарительная система 600 состоит из двух станций и испарителей четырех ступеней (всего 8 испарителей), предназначенных для сгущения фильтрата барды 274, поступающего из сепаратора 270, в упаренную барду 276, которая затем может подаваться в сушилку 295. Испарители 601 и 602 являются испарителями первой ступени. Испарители 611 и 612 являются испарителями второй ступени. Испарители 621 и 622 являются испарителями третьей ступени. Испарители 631 и 632 являются испарителями четвертой ступени. Испарители могут иметь любую традиционную конструкцию, предназначенную, например, для многоступенчатой испарительной системы 280. В данной конфигурации четвертая ступень является последней, и пар последней ступени позволяет обеспечивать нагретый пар для работы бражной колонны и/или колонны растворителя.
В качестве дополнительного примера ниже приведено описание многоступенчатой испарительной системы 700 со ссылкой на ФИГ.6. Многоступенчатая испарительная система 700 использует четыре станции и две ступени испарителей традиционной для заводов по производству этилового спирта конструкции с добавлением третьей ступени, состоящих из 1-4 испарителей (всего 9-12 испарителей), предназначенных для сгущения фильтрата барды 274, поступающего из сепаратора 270, в упаренную барду 276, которая затем может подаваться в сушилку 295. Испарители 701, 702, 703 и 704 являются испарителями первой ступени. Испарители 711, 712, 713 и 714 являются испарителями второй ступени. Испарители 721, 722 и 723 являются испарителями третьей ступени. Однако хотя на Фиг.6 последняя ступень содержит 3 испарителя, в данной конфигурации последняя ступень может состоять из 1, 2, 3 или 4 исправителей. Испарители могут иметь любую традиционную конструкцию, предназначенную, например, для многоступенчатой испарительной системы 280. В данной конфигурации третья ступень является последней, и пар последней ступени позволяет обеспечивать нагретый пар для работы бражной колонны и/или колонны растворителя. Паровой поток 792 может смешиваться с другим паром второй ступени или может быть непосредственно направлен в другую секцию описываемого процесса. Аналогично, в других вариантах паровой поток от следующих ступеней вплоть до последней может быть непосредственно направлен в какую-либо колонну или в другую секцию описываемого процесса.
Процесс, составляющий предмет настоящего изобретения, может быть продемонстрирован с помощью вычислительной модели процесса. Моделирование процесса является отработанной методикой, используемой инженерами для имитации сложных химических процессов. Программное обеспечение моделирования процессов выполняет множество фундаментальных инженерных расчетов, например, расчеты баланса масс и энергетического баланса, парожидкостного равновесия и скорости протекания реакций. Моделирование устройств разделения на фракции отработано особенно хорошо. Расчеты, основанные на полученных опытным путем данных касательно равновесия бинарных систем пар-жидкость и жидкость-жидкость, позволяют надежно прогнозировать поведение многокомпонентных смесей. Эти возможности стали шире, позволяя моделировать сложные многоступенчатые и многокомпонентные перегонные колонны и испарители за счет использования строгих алгоритмов, например, алгоритма «inside-out», разработанного Джозефом Бостоном (Joseph Boston), сотрудником компании Aspentech, Inc. (Берлингтон, штат Массачусетс, США). Для разработки точных моделей и точной оценки процессов могут применяться коммерческие программы моделирования, например, Aspen Plus компании Aspentech, в сочетании с базами данных физических характеристик, например, DIPPR, которую можно приобрести в компании American Institute of Chemical Engineers, Inc. (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США). Дополнительной иллюстрацией настоящего изобретения служат рассмотренные ниже неограничивающие примеры.
ПРИМЕРЫ
Рассматриваемые ниже сравнительные примеры были получены путем моделирования процесса и иллюстрируют эффективность утилизации энергии в процессах производства спиртов согласно настоящему изобретению по сравнению с традиционным процессом производства этилового спирта при той же самой загрузке сухой кукурузой на 25,5%. Загрузка сухой кукурузой определяется как общее количество сухой кукурузы, загружаемое в бродильный аппарат для порционного сбраживания, разделенное на общую массу материалов в бродильном аппарате, включая воду. В каждом примере подача кукурузы для затирания, нагрева и сбраживания составляет 50 млн гал./год и имеет следующий состав: массовая доля воды 15%, остальное - сухая кукуруза. Сухая кукуруза содержит 70% (масс.) крахмала, 9,8% (масс.) белка и 8% (масс.) несбраживаемых растворенных примесей (NFDS).
Пример 1: Процесс производства этилового спирта с выпариванием барды с помощью четырехстанционной двухступенчатой системы
Пример 1 представляет собой моделирование процесса производства этилового спирта путем сбраживания с использованием технологии сухого помола, который следует схеме процесса для завода 100 по производству этилового спирта на основе технологии сухого помола, приведенной и описанной выше со ссылкой на фиг.1. Как показано на фиг.1, для данной модели поток 194 разделяется на потоки 126 и 128 с целью обеспечения тепла для функционирования бражной колонны 120 и ректификатора 130 соответственно. Параметры, использовавшиеся в качестве вводных для моделирования примера 1, перечислены в Таблице 1. Кроме того, в Таблице 1 приведены некоторые размеры и данные теплопроизводительности, рассчитанные с помощью данной модели процесса. Эти параметры не включают физических характеристик, параметров, касающихся различных добавок к затертому кукурузному сырью (например, ферментов или аммиака), параметров разваривания и осахаривания затора, а также параметров, имеющих отношение к сходимости, других параметров расчетов и анализа. В приведенных ниже таблицах сокращение «EtOH» используется для обозначения этилового спирта.
Таблица 1
Условия, использовавшиеся для моделирования процесса получения этилового спирта согласно Примеру 1
Блоки оборудования
Вводные параметры
Значение
Единицы
Подача кукурузы (102 и 104)
50
млн гал./год
Подача кукурузы (жидкая фаза)
14120
кг/ч
Подача кукурузы (твердые вещества)
41910
кг/ч
Секция сбраживания (110)
Производительность разварника
16913
МДж/ч
Температура в бродильном аппарате
90
°F
Давление в бродильном аппарате
16
фунт./кв.дюйм абс.
Титр EtOH
110
г/л
Дегазатор CO2 (не показан)
Температура дегазатора
185
°F
Температура конденсатора дегазатора
100
°F
Бражная колонна (120)
Число теоретических ступеней (бражная колонна не имеет конденсатора и кипятильника)
12
ступени
Давление в верхней части колонны
9,2
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
11,5
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
3
м
Местонахождение дегазированного сброженного жидкого сырья (106)
1
ступень
Конденсатное сырье (не показано), полученное после дальнейшей обработки газов, удаленных в дегазаторе
1
ступень
Местонахождение парового сырья (126) испарителя
12
ступень
Концентрация этилового спирта в кубовом продукте (116)
100
ч./млн
Ректифика-ционная колонна (130)
Число теоретических ступеней (содержит парциальный конденсатор. Головной инертный поток удаляется в виде пара при равновесной температуре. Головной продукт и флегма переохлаждаются до 140°F).
18
ступени
Давление в верхней части колонны
7
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
11
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
Ректификационная секция
4
м
Отпарная секция
2,5
м
Местонахождение дистиллятного сырья (108) бражной колонны
10
ступень
Местонахождение сырья (114) для регенерации молекулярного сита
7
ступень
Местонахождение парового сырья (129) секции сбраживания
17
ступень
Этиловый спирт в верхней части
90,85
% масс.
Этиловый спирт в кубовом остатке
431
ч./млн
Скруббер(не показан)
Число теоретических ступеней (скруббер не имеет конденсатора и кипятильника)
3
ступени
Давление
15
фунт./кв.дюйм абс.
Молекулярные сита (140)
Температура перегревателя
135
°C
Давление в перегревателе
50
фунт./кв.дюйм изб.
Производительность перегревателя
27700
МДж/ч
Доля сырья, выходящего с паром (114) регенерации молекулярного сита
для компонента H2O
0,97
для компонента EtOH
0,16
для компонента CO2
0,29
Температура продукта EtOH (112)
135
°C
Давление продукта EtOH (112)
50
фунт./кв.дюйм изб.
Температура охладителя/конденсатора регенерации (не показаны)
57
°C
Давление в охладителе/конденсаторе регенерации (не показаны)
14,7
фунт./кв.дюйм абс.
Охладитель/конденсатор (145) продукта EtOH
Температура на входе нагревателя испарителя
135
°C
Температура на выходе нагревателя испарителя
121
°C
Температура на выходе первого охладителя
60
°C
Температура на выходе последнего конденсатора
68
°F
Давление на выходе последнего конденсатора
18,5
фунт./кв.дюйм абс.
Центрифуга (160)
Расход твердых веществ/общий расход в концевых фракциях центрифуги
0,287
% масс.
Сушилка DDGS (180)
Содержание воды в смешанном потоке (174) в сушилку DDGS
61,5
% масс.
Содержание воды в продукте DDGS (182)
9
% масс.
Производительность сушилки (источник пара)
66359
МДж/ч
Испарители (150)
Содержание воды в упаренной барде (158) после выхода из последнего испарителя 2-й ступени (164)
61,5
%
Давление в испарителях 1-й ступени (151-153)
18
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в последнем испарителе 1-й ступени (154) с подогревом паром (112') продукта EtOH
20,8
фунт./кв.дюйм абс.
Температура в испарителях 1-й ступени (151-153)
223
°F
Производительность нагревателя конденсата для рециркуляционного конденсата испарителя, подаваемого в секцию сбраживания
10104
МДж/ч
Теплопроизводительность (как источника пара) испарителей 1-й ступени (151-153)
84284
МДж/ч
Температура в испарителях 2-й ступени (161-163)
204
°F
Продукт EtOH (112”)
Производство EtOH
17765
кг/ч
Плотность производимого EtOH
0,79
г/куб.см
Результаты моделирования потока для примера 1 приведены в Таблице 2. Профили нагрузки бражной колонны и массового состава жидкости приведены в Таблице 3. Профили нагрузки ректификационной колонны и массового состава жидкости приведены в Таблице 4.
Пример 2: Процесс производства бутанола с выпариванием барды с помощью трехстанционной трехступенчатой системы
Пример 2 представляет собой моделирование процесса производства бутанола путем сбраживания с использованием технологии сухого помола, который следует схеме процесса для системы 200, иллюстрированной и описанной выше со ссылкой на Фиг.2 и 3. Пример 2 был получен путем моделирования процесса с использованием изобутанола в качестве изомера бутанола и олеилового спирта в качестве экстрагента. Аналогичных результатов можно ожидать для аналогичных случаев, где в качестве изомера бутанола выбран 1-бутанол или смесь 1-бутанола и изобутанола, в силу сходства данных физических характеристик изобутанола и 1-бутанола, а также гетерогенной природы азеотропной смеси, образованной водой и изомерами бутанола.
Параметры, использовавшиеся в качестве вводных для моделирования примера 2, перечислены в Таблице 5. Кроме того, в Таблице 5 приведены некоторые размеры и данные теплопроизводительности, рассчитанные с помощью данной модели процесса. Эти параметры не включают физических характеристик, параметров, касающихся различных добавок к затертому кукурузному сырью (например, ферментов или аммиака), параметров разваривания и осахаривания затора, а также параметров, имеющих отношение к сходимости, других параметров расчетов и анализа. В приведенных ниже таблицах сокращение «OLEYLOH» используется для обозначения олеилового спирта, а сокращение «I-BUOH» или «BUOH» используется для обозначения изобутанола.
Таблица 5
Условия, использовавшиеся для моделирования процесса получения бутанола согласно примеру 2
Блоки оборудования
Вводные параметры
Значение
Единицы
Подача кукурузы
50
млн гал./год
Подача кукурузы (жидкая фаза)
17830
кг/ч
Подача кукурузы (твердые вещества)
52922
кг/ч
Затор (202)
Затор (жидкая фаза)
148330
кг/ч
Затор (твердые вещества)
52763
кг/ч
Производительность разварника (не показан)
20594
МДж/ч
Бродильный аппарат (210)
Температура в бродильном аппарате
90
°F
Давление в бродильном аппарате
16
фунт./кв.дюйм абс.
Титр BUOH
25
г/л
Дегазатор CO2 (не показан)
Температура дегазатора
201
°F
Температура конденсатора дегазатора
100
°F
Бражная колонна (220)
Число теоретических ступеней (бражная колонна не имеет конденсатора и кипятильника)
10
ступени
Давление в верхней части колонны
6,9
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
8,4
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
2,2
м
Местонахождение дегазированного сброженного жидкого сырья (212')
1
ступень
Конденсат (не показан) после дальнейшей обработки газов, удаленных в дегазаторе
Направ-ляется прямо в декан-татор (250)
Местонахождение парового сырья испарителя (294)
10
ступень
Концентрация бутанола в кубовом продукте (224)
59
ч./млн
Колонна растворителя (230)
Число теоретических ступеней (колонна растворителя не имеет кипятильника и конденсатора; конденсатор смоделирован в декантаторе)
15
ступени
Давление в верхней части колонны
6,9
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
8,4
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
3,75
м
Местонахождение сырья (208) с высоким содержанием растворителя
3
ступень
Местонахождение сырья (228) - водной флегмы
1
ступень
Местонахождение сырья (234) - органической флегмы
1
ступень
Местонахождение парового сырья испарителя (296)
15
ступень
Бутанол в верхней части
51,25
% масс.
Бутанол в кубовом остатке
13,5
ч./млн
Колонна бутанола (260)
Число теоретических ступеней (колонна бутанола оснащена кипятильником, но не имеет конденсатора; конденсатор смоделирован в декантаторе)
10
ступени
Давление в верхней части колонны
6,9
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
7,6
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
2,7
м
Местонахождение сырья (236) - органической флегмы
1
ступень
Бутанол в верхней части
65,5
% масс.
Вода в кубовом остатке
100
ч./млн
Производительность кипятильника
29733
МДж/ч
Охладитель/конденсатор продукта BUOH (не показаны)
Температура на выходе последнего конденсатора
68
°F
Давление на выходе последнего конденсатора
18,5
фунт./кв.дюйм абс.
Скруббер (не показан)
Число теоретических ступеней (скруббер не имеет конденсатора и кипятильника)
7
ступени
Давление
15
фунт./кв.дюйм абс.
Центрифуга (270)
Расход твердых веществ/общий расход в концевых фракциях центрифуги
0,287
% масс.
Сушилка DDGS (295)
Содержание воды в продукте DDGS (282)
9
% масс.
Производительность сушилки (источник пара)
68971
МДж/ч
Испарители (280)
Содержание воды в упаренной барде (276) после выхода из последнего испарителя 3-й ступени (523)
45
%
Давление в испарителях 1-й ступени (501-503)
20
фунт./кв.дюйм абс.
Температура в испарителях 1-й ступени (501-503)
229
°F
Теплопроизводительность (как источника пара) испарителей 1-й ступени (501-503)
85492
МДж/ч
Производительность нагревателя конденсата для рециркуляции-онного конденсата испарителя, подаваемого в секцию сбраживания
21457
МДж/ч
Температура в испарителях 2-й ступени (511-513)
210
°F
Температура в испарителях 3-й ступени (521-523)
191
°F
Продукт BUOH (242)
Производство BUOH
18123
кг/ч
Плотность производимого BUOH
0,805
г/куб.см
Результаты моделирования потока для примера 2 приведены в таблице 6. Профили нагрузки бражной колонны и массового состава жидкости приведены в Таблице 7. Профили нагрузки колонны растворителя и массового состава жидкости приведены в Таблице 8. Профили нагрузки колонны бутанола и массового состава жидкости приведены в Таблице 9.
Пример 3: Процесс производства бутанола с выпариванием барды с помощью четырехстанционной двухступенчатой системы
Пример 3 представляет собой сравнительное моделирование процесса производства бутанола путем сбраживания с использованием технологии сухого помола, которая существенно следует схеме процесса для системы 200, иллюстрированной и описанной выше со ссылкой на фиг.2, с тем отличием, что испарительная система 280 заменена четырехстанционной двухступенчатой испарительной системой 280', изображенной на фиг.4. В испарительной системе 280', изображенной на фиг.4, фильтрат барды 274 сгущается в упаренную барду 276' (а затем направляется в смеситель 290, см. фиг.2), а подогрев испарителей первой ступени 151-154 осуществляется чистым паром 288 установки. Пар 292' второй ступени, вырабатываемый испарителями второй ступени 161-164 покидает испарительную систему 280' (после чего разделяется в паропроводах 294 и 296, обеспечивающих подачу пара в бражную колонну 220 и колонну растворителя 230, см. фиг.2). Конфигурация четырехстанционной двухступенчатой испарительной системы 280' совпадает с конфигурацией испарительной системы 150, описанной выше со ссылкой на процесс производства этилового спирта согласно фиг.1 и предназначенному для сравнения примеру 1, с обозначением идентичных или функционально сходных элементов одними и теми же цифрами. Соответственно, в подробном обсуждении фиг.4 нет нужды.
Параметры, использовавшиеся в качестве вводных для моделирования примера 3, перечислены в Таблице 10. Кроме того, в Таблице 10 приведены некоторые размеры и данные теплопроизводительности, рассчитанные с помощью данной модели процесса. Эти параметры не включают физических характеристик, параметров, касающихся различных добавок к затертому кукурузному сырью (например, ферментов или аммиака), параметров разваривания и осахаривания затора, а также параметров, имеющих отношение к сходимости, других параметров расчетов и анализа.
Таблица 10
Условия, использовавшиеся для моделирования процесса получения бутанола согласно примеру 3
Блоки оборудования
Вводные параметры
Значение
Единицы
Подача кукурузы
50
млн гал./год
Подача кукурузы (жидкая фаза)
17826
кг/ч
Подача кукурузы (твердые вещества)
52911
кг/ч
Затор (202)
Затор (жидкая фаза)
147583
кг/ч
Затор (твердые вещества)
52752
кг/ч
Производительность разварника (не показан)
19331
МДж/ч
Бродильный аппарат (210)
Температура в бродильном аппарате
90
°F
Давление в бродильном аппарате
16
фунт./кв.дюйм абс.
Титр BUOH
25
г/л
Дегазатор CO2(не показан)
Давление в дегазаторе
16
фунт./кв.дюйм абс.
Температура конденсатора дегазатора
100
°F
Бражная колонна (220)
Число теоретических ступеней (бражная колонна не имеет конденсатора и кипятильника)
10
ступени
Давление в верхней части колонны
10,3
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
11,8
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
2,65
м
Местонахождение дегазированного сброженного жидкого сырья (212')
1
ступень
Конденсат (не показан) после дальнейшей обработки газов, удаленных в дегазаторе
Направ-ляется прямо в декантатор (250)
Местонахождение парового сырья испарителя (294)
10
ступень
Концентрация бутанола в кубовом продукте (224)
<1
ч./млн
Колонна растворителя (230)
Число теоретических ступеней (колонна растворителя не имеет кипятильника и конденсатора; конденсатор смоделирован в декантаторе)
15
ступени
Давление в верхней части колонны
6,9
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
8,4
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
3,25
м
Местонахождение сырья (208) с высоким содержанием растворителя
3
ступень
Местонахождение сырья (228) - водной флегмы
1
ступень
Местонахождение сырья (234) - органической флегмы
1
ступень
Местонахождение парового сырья испарителя (296)
15
ступень
Чистота бутанола (по массе) в нижней части
<1
ч./млн
Колонна бутанола (260)
Число теоретических ступеней (колонна бутанола оснащена кипятильником, но не имеет конденсатора; конденсатор смоделирован в декантаторе)
10
ступени
Давление в верхней части колонны
6,9
фунт./кв.дюйм абс.
Давление в нижней части колонны
7,6
фунт./кв.дюйм абс.
Внутренний диаметр колонны
2,5
м
Местонахождение сырья (236) - органической флегмы
1
ступень
Олеиловый спирт в верхней части
0,01
% масс.
в кубовом остатке
100
ч./млн
Производительность кипятильника
32065
МДж/ч
Охладитель/конденсатор продукта BUOH (не показаны)
Температура на выходе последнего конденсатора
104
°F
Давление на выходе последнего конденсатора
18,5
фунт./кв.дюйм абс.
Скруббер (не показан)
Число теоретических ступеней (скруббер не имеет конденсатора и кипятильника)
6
ступени
Давление
15
фунт./кв.дюйм абс.
Сушилка DDGS (295)
Содержание воды в продукте DDGS (282)
9
% масс.
Производительность сушилки (источник пара)
82458
МДж/ч
Испарители (280')
Давление в испарителях 1-й ступени (151-154)
18
фунт./кв.дюйм абс.
Температура в испарителях 1-й ступени (151-154)
223
°F
Теплопроизводительность (как источника пара) испарителей 1-й ступени (151-154)
109092
МДж/ч
Производительность нагревателя конденсата для рециркуляционного конденсата испарителя, подаваемого в секцию сбраживания
27212
МДж/ч
Температура в испарителях 2-й ступени (161-164)
204
°F
Содержание воды в промежуточной барде на выходе 5-го испарителя (161)
85
% масс.
Содержание воды в промежуточной барде на выходе 6-го испарителя (162)
81
% масс.
Содержание воды в промежуточной барде на выходе 7-го испарителя (163)
73
% масс.
Содержание воды в упаренной барде (276') на выходе 8-го испарителя (164)
61,5
% масс.
Продукт BUOH (242)
Производство BUOH
18119
кг/ч
Плотность производимого BUOH
0,805
г/куб. см
Результаты моделирования потока для примера 3 приведены в Таблице 11. Профили нагрузки бражной колонны и массового состава жидкости приведены в таблице 12. Профили нагрузки колонны растворителя и массового состава жидкости приведены в таблице 13. Профили нагрузки колонны бутанола и массового состава жидкости приведены в Таблице 14.
В Таблице 15 сравниваются значения общего потребления тепла для процессов согласно примеру 1, примеру 2 и примеру 3 исходя из данных теплопроизводительности, холодопроизводительности, и данных производительности, полученных для теплообмена, протекающего между процессами, рассчитанных на основе модели соответствующего процесса. Таблица 15 показывает, что производство бутанола с использованием процесса согласно настоящему изобретению является значительно более энергоэкономичным, чем традиционные процессы производства этилового спирта, в пересчете на производимый продукт. В частности, удельная энергоемкость (на единицу массы) бутанола приблизительно на 25% выше энергоемкости этилового спирта, и принимая во внимание эту разницу в удельной энергоемкости, потребление тепла на килограмм этилового спирта больше аналогичного показателя для бутанола для соответствующих моделей примеров 1 и 2. Кроме того, при сравнимо теплопроизводительности испарителей первой ступени примера 1 (т.е. 84284 МДж/ч) и испарителей первой ступени примера 2 (т.е. 85492 МДж/ч), трехступенчатая трехстанционная система в примере 2 позволяет получить более концентрированную упаренную барду с массовой долей воды 45%, несмотря на то, что она содержит на одну выпарную станцию меньше, чем система в примере 1, у которой массовая доля воды в получаемой упаренной барде составляет 61,5%.
Аналогично, система в примере 2 позволяет получить более концентрированную упаренную барду с массовой долей воды 45%, несмотря на то, что она содержит на одну выпарную станцию меньше, чем система в примере 3, у которой массовая доля воды в получаемой упаренной барде составляет 61,5%. Кроме того, для получения продукта DDGS с массовой долей воды 9%, расчетная производительность сушилки DDGS в примере 2 должна составлять всего 68971 МДж/ч, а расчетная производительность сушилки DDGS в примере 3 составляет 82458 МДж/ч. Более того, как видно из таблицы 15, потребление тепла на килограмм бутанола в примере 3 превышает аналогичный показатель для примера 2. Отсюда видно, что процесс производства бутанола с использованием четырехстанционной двухступенчатой испарительной системы, смоделированной в примере 3, является менее энергоэкономичным, чем процесс производства бутанола с использованием трехстанционной трехступенчатой испарительной системы согласно настоящему изобретению.
Таблица 15
Общее потребление тепла (Q) для процессовсогласно примерам 1, 2 и 3
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Q/кукурузы (кДж/кг)
3665
Q/кукурузы (кДж/кг)
3198
Q/кукурузы (кДж/кг)
3819
Q/EtOH (кДж/кг)
11560
Q/BUOH (кДж/кг)
12484
Q/BUOH (кДж/кг)
14910
Q/EtOH (кДж/л)
9116
Q/BUOH (кДж/л)
9803
Q/BUOH (кДж/л)
11708
Пример 4: Процесс производства этилового спирта с выпариванием барды с помощью трехстанционной двухступенчатой системы
Пример 4 представляет собой моделирование процесса производства этилового спирта путем сбраживания с использованием технологии сухого помола, который использует ту же схему процесса и практически те же параметры моделирования, что и в примере 1 (см фиг.1 и Таблицу 1), однако при этом из модели процесса исключена одна выпарная станция испарительной системы 150. Параметры моделирования процесса, использовавшиеся в примере 1 и претерпевшие незначительные изменения в примере 4, включают работу охладителя/конденсатора регенерации при 39°C, температуру на входе нагревателя испарителя 115,5°C и температуру на выходе 111,6°C. Кроме того, пример 4 моделирует производство упаренной барды (158), которая содержит 60% (масс.) воды, а после сушки (в сушилке 180 DDGS) - 9% (масс.) воды. Пример 4 моделирует сценарий работы завода 100 по производству этилового спирта, изображенного на фиг.1, с трехстанционной двухступенчатой испарительной системой, являющейся результатом обхода одной выпарной станции, которая отключена от линии для очистки или технического обслуживания. В частности, модель процесса в примере 4 напоминает пример 1, но с исключением из схемы процесса выпарной станции, содержащей испаритель 153 первой ступени и испаритель 163 второй ступени. Таким образом, барда, выходящая из испарителя 152 первой ступени, подается в последний испаритель первой ступени 154, а барда, выходящая из испарителя 162 второй ступени, подается в последний испаритель второй ступени 164. В таблице 16 приведены данные общего потребления тепла для процесса из примера 4 исходя из данных теплопроизводительности, холодопроизводительности, и данных производительности, полученных для теплообмена, протекающего между процессами, рассчитанных на основе модели соответствующего процесса.
Пример 5: Процесс производства бутанола с выпариванием барды с помощью двухстанционной трехступенчатой системы
Пример 5 представляет собой моделирование процесса производства бутанола путем сбраживания с использованием технологии сухого помола, который использует ту же схему процесса и практически те же параметры моделирования, что и в примере 2 (см. фиг.2 и 3 и Таблицу 5), однако при этом из модели процесса исключена одна выпарная станция испарительной системы 280. Пример 5 моделирует сценарий работы системы 200, изображенной на фиг.2 и 3 и предназначенной для выделения бутанола, с двухстанционной трехступенчатой испарительной системой, являющейся результатом обхода одной выпарной станции, которая отключена от линии для очистки или технического обслуживания. В частности, модель процесса в примере 5 напоминает пример 2, но с исключением из схемы процесса выпарной станции, содержащей испаритель 502 первой ступени, испаритель 512 второй ступени и испаритель 522 третьей ступени. Таким образом, барда, выходящая из испарителя 501 первой ступени, подается в последний испаритель первой ступени 503, барда, выходящая из испарителя 511 второй ступени, подается в последний испаритель второй ступени 513, а барда, выходящая из испарителя 521 третьей ступени, подается в последний испаритель третьей ступени 523. Пример 5 моделирует производство упаренной барды (276), которая содержит 45% масс. воды, а после сушки (в сушилке 295 DDGS) - 9% масс. воды. В таблице 16 приведены данные общего потребления тепла для процесса из примера 5 исходя из данных теплопроизводительности, холодопроизводительности, и данных производительности, полученных для теплообмена, протекающего между процессами, рассчитанных на основе модели соответствующего процесса.
Пример 6: Процесс производства бутанола с выпариванием барды с помощью трехстанционной двухступенчатой системы
Пример 6 представляет собой моделирование процесса производства бутанола путем сбраживания с использованием технологии сухого помола, который использует ту же схему процесса и практически те же параметры моделирования, что и в примере 3 (см. фиг.2 и 4 и Таблицу 10), однако при этом из модели процесса исключена одна выпарная станция испарительной системы 280'. Кроме того, в примере 6, давление в верхней части бражной колонны и колонны растворителя составляет 8,8 фунт./кв.дюйм абс., а в нижней части 10,3 фунт./кв.дюйм абс., а у колонны бутанола давление в верхней части составляет 8,8 фунт./кв.дюйм абс., а в нижней части 9,6 фунт./кв.дюйм абс. Пример 6 моделирует сценарий работы системы 200, предназначенной для выделения бутанола, с использованием трехстанционной двухступенчатой испарительной системы, являющейся результатом обхода одной выпарной станции, которая отключена от линии для очистки или технического обслуживания. В частности, модель процесса в примере 6 напоминает пример 3, но с исключением из схемы процесса выпарной станции, содержащей испаритель 153 первой ступени и испаритель 163 второй ступени. Таким образом, барда, выходящая из испарителя 152 первой ступени, подается в последний испаритель первой ступени 154, а барда, выходящая из испарителя 162 второй ступени, подается в последний испаритель второй ступени 164. Пример 6 моделирует производство упаренной барды (276'), которая содержит 61,5% масс. воды, а после сушки (в сушилке 295 DDGS) - 9% масс. воды. TB Таблице 16 приведены данные общего потребления тепла для процесса из примера 6 исходя из данных теплопроизводительности, холодопроизводительности, и данных производительности, полученных для теплообмена, протекающего между процессами, рассчитанных на основе модели соответствующего процесса.
Таблица 16
Общее потребление тепла (Q) для процессовсогласно примерам 4, 5 и 6
Пример 4
Пример 5
Пример 6
Q/кукурузы (кДж/кг)
3622
Q/кукурузы (кДж/кг)
3198
Q/кукурузы (кДж/кг)
3825
Q/EtOH (кДж/кг)
11422
Q/BUOH (кДж/кг)
12485
Q/BUOH (кДж/кг)
14931
Q/EtOH (кДж/л)
9007
Q/BUOH (кДж/л)
9803
Q/BUOH (кДж/л)
11724
Таблица 16 показывает, что производство бутанола с использованием процесса согласно настоящему изобретению является более энергоэкономичным, чем традиционные процессы производства этилового спирта, в пересчете на производимый продукт, даже если в процессе сгущения побочных продуктов перегонки отключить от линии одну выпарную станцию. Из таблицы 16 также видно, что производство бутанола с использованием двухстанционной трехступенчатой испарительной системы для сгущения барды в соответствии с процессом, описанным в настоящем изобретении, может быть более энергоэкономичным, чем процесс производства бутанола, использующий трехстанционную двухступенчатую испарительную систему. Помимо этой наглядной повышенной энергоэкономичности и гибкости системы и процессы согласно настоящему изобретению обладают также тем преимуществом, что используют для массового производства спиртового топлива возобновляемые источники сырья и сочетают его с производством корма для скота из побочных продуктов перегонки в рамках экономичного, экологически безопасного и гибкого производственного процесса.
Несмотря на то, что выше приведено описание различных вариантов настоящего изобретения, следует понимать, что эти варианты приведены только в качестве примера и их описание не является ограничивающим. Специалистам в соответствующей области техники будет очевидна возможность изменения формы и деталей описанных вариантов без отступления от сущности и объема данного изобретения. Таким образом, объем настоящего изобретения не должен ограничиваться описанными выше в качестве примера вариантами и определяется только приведенными ниже пунктами формулы изобретения и их аналогами.
Все упомянутые в настоящем описании публикации, патенты и патентные заявки указывают на уровень знаний специалистов в области техники, к которой относится настоящее изобретение, и включены в настоящую заявку посредством ссылки в той же мере, как если бы для всех этих публикаций, патентов и патентных заявок было отдельно и особо оговорено их включение в настоящую заявку посредством ссылки.