《Journal of Chemical Technology & Biotechnology》：Effects of temperature, flow rate, number of stages and a heads column on congener removal in fuel-ethanol distillation: a simulation study
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本文通过稳态模拟系统评估了巴西燃料乙醇蒸馏系统中D塔（头部塔）对挥发性同系物（乙醛、乙酸乙酯、CO2）去除的效果，对比了含D塔与无D塔的多种配置。研究发现，D塔在单独提馏段能显著提升同系物去除率（乙醛42.39% vs 无D塔的5.31–18.91%），但经精馏后各系统总去除率趋近（乙醛91.50% vs 88.14%），表明精馏塔可补偿D塔的部分功能。研究进一步指出，进料组成（如乙醇浓度）对乙酸乙酯去除影响显著，通过优化操作参数可在降低设备成本的同时满足产品质量标准。
背景
美国和巴西是全球乙醇生产领导者，2021年产量占全球82%。巴西政府计划将乙醇-汽油混合比例从27.5%提升至30%，年消费量预计增加超100万立方米。乙醇生产原料除甘蔗、玉米外，已拓展至木质纤维素、微藻等二代原料，但相关蒸馏研究仍处于早期阶段。蒸馏作为乙醇生产核心环节，面临高能耗与杂质去除的挑战，需满足法定杂质限值（如乙醛、乙酸乙酯）。巴西传统工艺在提馏塔上方设置D塔用于脱气，但其实际效益存在争议。
材料与方法
研究采用AVEVA PRO/II软件对乙醇蒸馏流程进行稳态模拟，物系包含乙醇、水、乙醛、乙酸乙酯、甲醇、丙醇、异丁醇、异戊醇及CO2，液相采用NRTL模型，气相视为理想气体。模拟基于Batista等（2012）的甘蔗醪液数据，并扩展至玉米发酵醪（乙醛和乙酸乙酯含量更高）。提馏段设计6种配置（S0–S5）：S0为含D塔的基准系统，S1–S5为无D塔的简化方案，差异在于回流位置、冷凝器数量及气相采出方式。精馏段则通过3k因子设计分析冷凝器温度、回流比、塔板数等参数的影响。
结果与讨论
提馏段性能
S0配置（含D塔）在单独提馏段对乙醛、乙酸乙酯和CO2的去除率最高（分别为42.39%、51.72%、96.85%），但乙醇损失也最大（0.671%）。无D塔的S2配置去除率显著降低（乙醛仅5.31%），但精馏后总去除率与S0差异缩小（乙醛88.14% vs 91.50%）。因子分析表明，塔顶气相分流比是对同系物去除最显著的影响因素，而D塔塔板数仅对乙酸乙酯去除有次要影响。
精馏段补偿作用
精馏段通过高压冷凝器（76°C）和优化回流比可大幅提升同系物去除率，使无D塔系统的最终产品仍能满足标准。例如，S2配置经精馏后乙醛总去除率达88.14%，接近S0的91.50%。乙酸乙酯的去除则强烈依赖进料乙醇浓度：低乙醇浓度下其相对挥发度升高，更易被脱除。
D塔的实际效益
D塔的优势在处理低乙醇浓度进料（如甘蔗醪）时最为明显，但整体而言，其额外分离效果可被精馏段参数调整替代。研究指出，D塔的安装会增加系统压降与能耗，而通过提高精馏段冷凝温度或调整回流比，可在无需D塔的条件下实现相近的杂质控制水平。
结论
D塔在单独提馏环节能有效提升同系物分离效率，但在完整蒸馏系统中其优势被精馏段削弱。乙醇损失主要受最终冷凝器温度控制，优化该参数可平衡产品纯度与操作成本。研究建议在低乙醇浓度进料或乙酸乙酯限值严苛的场景下保留D塔，其他情况下可通过工艺优化简化设备配置，降低投资与运行成本。
