首页 > 专利信息

用于通过转化为烃类燃料来减少在醇燃料生产中资源消耗的系统和方法与流程

用于通过转化为烃类燃料来减少在醇燃料生产中资源消耗的系统和方法
1.本技术是分案申请，原申请的申请日为2016年6月10日、申请号为2016800466456、发明名称为“用于通过转化为烃类燃料来减少在醇燃料生产中资源消耗的系统和方法”。
2.该申请要求2015年6月24日提交的美国临时专利申请号62/184,142和2015年6月12日提交的美国临时专利申请号62/174,672的优先权。这些和所有其他参考的外来材料在此均以它们的全部内容通过引用并入。在通过引用并入的参考文献中的术语的定义或使用与在此提供的术语的定义不一致或相反的情况下，认为在此提供的术语的定义是主导的。
技术领域
3.本发明的领域是将来自可再生源的醇转化成烃类燃料。
4.发明背景
5.背景说明包括可以对理解本发明有用的信息。这并不是承认在此提供的任何信息是现有技术或与目前申请的发明相关，或者明确地或隐含地参考的任何出版物是现有技术。
6.乙醇作为替代运输燃料的可再生源当前正受到大量的关注，在2014年全世界用于燃料目的生产的乙醇超过230亿加仑(870亿升)。乙醇典型地通过发酵过程(例如，玉米乙醇发酵)获得并且然后通过蒸馏和分子筛浓缩以生产燃料级产物。不幸地，液体和蒸汽的组成相同的乙醇/水共沸物的形成使高纯度乙醇的回收复杂化。结果，从发酵培养液去除乙醇以生产适合于用作燃料或在燃料混合物中应用的高纯度乙醇经常需要通过能量密集型蒸馏步骤(包括应用专门从共沸混合物去除水的能量密集型过程)加工。这些额外步骤显著影响生产燃料级乙醇的成本，降低温室气体减少潜力，并且对于乙醇作为可再生燃料的持续性提出质疑。
7.使用乙醇作为燃料有多个缺点。例如，必须对内燃发动机进行显著适配(adaptation)以允许它们使用乙醇作为燃料。另一个因素是乙醇并不是真正地可替代常规的烃类燃料。例如，当前基础设施不支持通过管道运输乙醇，而是使用油罐卡车和火车。乙醇还具有汽油的能量密度的三分之二，而这导致需求多达50％以上的乙醇才能与汽油行驶相同的距离。因为汽油和乙醇的性质的不同，当前大多数车辆并不能确保使用含有高于10％乙醇的乙醇/汽油共混物，而现有的基础设施局限于在汽油中使用高达85％乙醇(即e85燃料共混物)。乙醇的更低的能量密度和吸湿的性质阻止其在飞机中使用(其期待使单位质量的燃料能量含量最大化并使在燃料中保持的水最小化)。另外，乙醇不太适合使用在重型车辆中的柴油发动机中。
8.除了提供低能量密度，从可再生源(如发酵产物)生产燃料级乙醇具有相对高的能量需要。从可再生源提供的乙醇原料典型地具有高含水量，在作为燃料使用之前必须去除水。在大规模中，这典型地使用一个或多个蒸馏过程实现，其具有显著热量需要。由于形成乙醇：水共沸物，乙醇蒸馏的局限性使额外步骤的使用成为必要，如分子筛的应用，以生产用于燃料使用的充分无水的乙醇。这种分子筛材料的再生构成了额外的能量消耗。
9.除了高能量成本，从可再生源生产燃料级乙醇也消耗相当多的淡水。尽管目前用于乙醇生产的约96％的玉米是没有灌溉下生长的(参见aden，a."water usage for current and future ethanol production"，southwest hydrology，2007年9月/10月，22-23页)并且乙醇工厂通常回收大量的它们加工的水，但是显著的水的消耗发生在锅炉系统和冷却塔中。据估计，从玉米的发酵中生产每加仑的乙醇要消耗3至4加仑的水。在此处确定的所有出版物通过引用并入，达到犹如每个单独出版物或专利申请特定地和单独地指出通过引用并入的相同程度。在并入的参考文献中的术语的定义或使用与此处提供的术语的定义不一致或相反的情况下，此处提供的术语的定义适用而参考文献中的术语的定义不适用。在纤维素原料生物化学转化为乙醇中的水的消耗更大，生产每加仑的乙醇平均要约6加仑的水。用于纤维素生物质热化学转化为乙醇的水的消耗平均为每加仑的乙醇1.9加仑的水。这些淡水的大部分来源于地下水。
10.因此，仍需求减少从发酵过程的输出物生产醇燃料过程的能量和水的需要的系统和方法。

技术实现要素：

11.本发明的主题是提供减少从含有醇的原料流生产燃料的工厂对能量和水的需要的装置、系统和方法。引导含有醇的原料流通过生产能量密集型烃类燃料的催化过程。通过在中间过程和/或产物流之间传递热量和通过燃烧轻质烃类产物来减少或消除能量需要。通过回收由催化过程生成的水和通过冷却水流以减少蒸发来减少水的需要。
12.本发明构思的一个实施方式是用于生产烃类产物的方法。在这种方法中，醇培养液提供给初级啤酒柱预加热器(并且在一些情况下给次级啤酒柱预加热器)以生成加热的醇培养液，该加热的醇培养液传递给啤酒柱。啤酒柱生产第一中间产物流(其包括醇/水混合物)和第二中间产物流(其包括残余固体物质)。引导第一中间产物流到反应器预加热器以生产具有至少大约220℃温度的预加热的第一中间产物流。在某个实施方式中，所有或部分的第二中间产物流回流到啤酒柱。引导预加热的第一中间产物流到加热炉以生产具有至少大约250℃温度的加热的第一中间产物流。引导加热的第一中间产物流到催化反应器，该反应器生成第三中间产物流，该第三中间产物流包括烃类产物、水和轻质烃。引导这第三中间产物流沿着热传递路线到相分离器，该热传递路线设置成传递第三中间产物流的热能的至少一部分到反应器预加热器和/或初级啤酒柱预加热器。相分离器将第三中间产物流分离成烃类产物(其被收集并包括烃类产物)、水流和轻质烃馏分流(fraction stream)。在一些实施方式中，轻质烃馏分流被传递到加热炉用于作为燃料使用，这可以由天然气替换或补充。在一些实施方式中，水流使用在发酵过程中。烃类产物可以为汽油、柴油机燃料、喷气式发动机燃料、化学品或btx产物。在这些实施方式中，在生产一定体积的烃类产物中提供给该方法的能量代表少于通过燃烧该体积的烃类产物获得的能量的20％。
13.本发明构思的另一个实施方式是用于执行如上所述的方法的系统。这种系统包括醇培养液源，该源是流体(fluidically)连接到初级啤酒柱预加热器(其可以进而连接到次级啤酒柱预加热器)。该系统还包括啤酒柱，所述啤酒柱接收来自初级啤酒柱预加热器的加热的乙醇培养液并且生产第一中间产物流(其包括醇/水混合物)和第二中间产物流(其包括残余固体物质)。该系统还包括反应器预加热器，所述反应器预加热器流体连接到啤酒柱
并且接收第一中间产物流，加热第一中间产物流以生产预加热的第一中间产物流。该系统还包括加热炉，所述加热炉与反应器预加热器流体连接并且接收预加热的第一中间产物流，加热第一中间产物流到至少约250℃以生产加热的第一中间产物流。该系统还包括催化反应器，所述催化反应器流体连接到加热炉并且生成第三中间产物流，所述第三中间产物流包括烃类产物、水和轻质烃。这种系统还包括第一导管，所述第一导管定位成引导第三中间产物流至相分离器，并且传递第三中间产物流的至少一些热能至反应器预加热器(和，在一些实施方式中，初级啤酒柱预加热器)。相分离器将第三中间产物流分离成烃类产物流(其包括烃类产物)、水流(其可以被引导至发酵过程)和轻质烃馏分流。该烃类产物可以为汽油、柴油机燃料、喷气式发动机燃料、化学品和/或btx产品。在一些实施方式中，该系统包括第二导管，所述第二导管流体连接至相分离器并且定位成引导轻质烃馏分流至加热炉。在其他实施方式中，这可以由天然气源替换或补充。在一些实施方式中，系统包括第三导管，所述第三导管流体连接至啤酒柱，并且定位成引导至少部分的第二中间过程流回到啤酒柱。在一些实施方式中，提供给该系统以生产给定体积的烃类产物的能量代表少于燃烧该一定体积的烃类产物获得的能量的20％。
14.本发明构思的另一个实施方式是用于在燃料工厂中减少水的消耗的方法。在这种方法中，获得醇培养液(其包括醇)并传递至初级啤酒柱预加热器(和在一些实施方式中，至额外的次级啤酒柱预加热器)，在那加热醇培养液以生产加热的醇培养液。加热的醇培养液从初级啤酒柱预加热器传递至啤酒柱，所述啤酒柱生成第一中间产物流(其包括浓缩的醇/水混合物)。该浓缩的醇/水混合物传递至催化单元预加热器，所述催化单元预加热器生成预加热的醇/水混合物。该预加热的醇/水混合物传递至炉，所述炉生成加热的醇/水混合物。该加热的醇/水混合物传递至催化单元，所述催化单元生成第二中间产物流，所述第二中间产物流包括水和烃类产物(和，在一些实施方式中，轻质烃)。在一些实施方式中，这个催化步骤对于每摩尔转化成烃的醇生成至少一摩尔水。该第二中间产物流传递至相分离器，所述相分离器将第二中间产物流分离成热水流和烃类产物流(和，在一些实施方式中，轻质烃流)。然后该热水流再循环到发酵过程或燃料生成过程两者或其中一个中。在一些实施方式中，来自热水流的热量可以被传递至次级啤酒柱预加热器，其可以由从第二中间产物传递的热量补充。这个热量传递过程可以减少热水流的温度。在本发明构思的一些实施方式中，冷却热水流(例如至少30℃)以生产冷却的水流。可以使用被动装置(如辐射器)或主动装置(如吸收冷却器)完成这个冷却。在一些实施方式中，这个主动装置可以通过从第二中间产物流传递的热量提供动力，在一些实施方式中，该轻质烃流可以用作加热炉的燃料。
15.本发明构思的另一个实施方式是用于减少燃料工厂中水的消耗的系统。这种系统包括包含乙醇的醇培养液源、初级啤酒柱预加热器(其流体连接至醇培养液源)和在一些实施方式中，次级啤酒柱预加热器(其流体连接至这个初级啤酒柱预加热器)。该系统还包括啤酒柱，所述啤酒柱流体连接至初级啤酒柱预加热器，并且生产第一中间产物流，所述第一中间产物流包括浓缩的醇/水混合物。该系统还包括催化单元预加热器，所述催化单元预加热器流体连接至啤酒柱，并且接收浓缩的醇/水混合物以生产预加热的醇/水混合物。该系统还包括炉，所述炉流体连接至催化单元预加热器，其接收预加热的醇/水混合物并生产加热的醇/水混合物。该系统还包括催化单元，所述催化单元流体连接至炉，所述催化单元接
收加热的醇/水混合物并生产第二中间产物流，所述第二中间产物流包括水和烃类产物(和，在一些实施方式中，轻质烃)。这个催化单元对于每摩尔转化为烃类产物的醇可以生产至少1摩尔的水。该系统还包括相分离器，所述相分离器流体连接至催化单元并且接收第二中间产物流，分离该第二中间产物流为热水流、烃类产物流和(在一些实施方式中)轻质烃流。这种系统包括第一导管，所述第一导管流体连接至相分离器并输送热水流用于再循环。这种第一导管可以定位成从热水流向啤酒柱预加热器(例如，次级啤酒柱预加热器)传递热量。在一些实施方式中，该系统包括冷却单元，所述冷却单元流体连接至第一导管并且提供冷却的水流。这种冷却单元可以是被动装置(如辐射器)或主动装置(如吸收冷却器)。在一些实施方式中，该系统包括第二导管，所述第二导管流体连接至催化反应器和相分离器，并且服务于从催化反应器向相分离器传递第二中间产物，同时传递在第二中间产物中含有的至少部分热量至这种主动冷却装置。在一些实施方式中，该系统包括第三导管，所述第三导管流体连接至相分离器和炉，并服务于从相分离器向炉传递轻质烃流。在一些实施方式中，该系统包括第四导管，所述第四导管流体连接至催化单元和相分离器，并接收来自催化单元的第二中间产物流。在这种实施方式中，第四导管定位成传递在第二中间产物流中含有的热能至啤酒柱预加热器(如次级啤酒柱预加热器)。
16.从以下优选实施方式的详细描述，以及附图看，本发明主题的各种目标、特征、方面和优点将变得更加显而易见，附图中相同的标记代表相同的组件。
附图说明
17.图1示意性地描述了用于通过谷物发酵干磨生产醇燃料的典型现有技术过程；
18.图2示意性地描述本发明构思的一个示例性的过程，显示在各个单独的过程之间的热量的传递，其中发酵过程(例如，通过谷物发酵生产乙醇)与催化过程耦联以将乙醇转化为烃；
19.图3示意性地描述本发明构思的另一个示例性的系统，显示在催化过程中生产的水的冷却和再循环，其中发酵过程(例如，通过谷物发酵生产乙醇)与催化过程耦联以将醇转化为烃；
20.图4示意性地描述本发明构思的另一个示例性的系统，其中发酵过程(例如，通过谷物发酵生产乙醇)与催化过程耦联以将醇转化为烃。
具体实施方式
21.以下描述包括可以对理解本发明有用的信息。这并不是承认在此提供的任何信息是现有技术或与目前申请的发明相关，或者明确地或隐含地参考的任何出版物是现有技术。
22.本发明主题提供设备、系统和方法，其中将醇/水蒸汽混合物例如从发酵过程的下游位置获得的混合物(例如作为来自啤酒柱、精馏柱、分子筛的原料流)进行催化反应以生产烃类产物和水。该催化过程将这种醇/水蒸汽混合物的至少一部分乙醇转化成这样的混合物：所述混合物包括烃类燃料和/或其他化学品如btx(苯、甲苯和/或二甲苯)，和水，从该混合物中目标产物容易地与水和/或任何气态的副产物(例如，衍生自乙醇的轻质烃)分离。用于各种醇的这个方法的示例性反应如下面的式1至4所示，其中-c2h
4-代表烃(例如，烃燃
料的烃)。
23.2ch3oh
→‑
c2h
4-+2h2o(甲醇转化成烃和水)
24.式1
25.c2h5oh
→‑
c2h
4-+h2o(乙醇转化成烃和水)
26.式2
27.2c3h7oh
→
3-c2h
4-+2h2o(丙醇转化成烃和水)
28.式3
29.c4h9oh
→
2-c2h
4-+h2o(丁醇转化成烃和水)
30.式4
31.回收自这个反应的水可以再利用以减少与玉米或纤维素乙醇生产设备相关的水损失(例如，在冷却塔、固体干燥、锅炉系统等中的蒸发损失)和/或在原料灌溉中再利用。另外，通过催化反应的轻质烃产物的燃烧提供的热量和通过乙醇转化过程生成的热量可以被传递至并使用于乙醇生产和回收过程中(例如，在啤酒柱和/或精馏柱再沸器中)从而以更加碳中性方式减少能量成本。
32.通过催化反应的轻质烃产物的燃烧提供的热量和在乙醇转化过程中生成的热量被传递至并使用于工厂的各种过程中，从而以碳中性方式减少能量成本。
33.在一些实施方式中，用于描述和要求保护本发明的某些实施方式的表示组分的量、性质(如浓度、反应条件等等)的数量应理解为在一些情况下由术语“大约”修饰。因此，在一些实施方式中，在书面描述和所附权利要求书中列出的数字参数是近似值，可以根据通过特定实施方式寻求获得的期望性质而改变。在一些实施方式中，数字参数应该根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。虽然列出本发明的一些实施方式宽范围的数字范围和参数是近似值，但是尽实际精确地报告在具体示例中列出的数值。在本发明的一些实施方式中提出的数值可以含有从它们各自的测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
34.应该认识到公开的系统和方法提供了很多有益的技术效果，包括提供用于将玉米、糖或木素纤维素衍生的醇转化为高能量密度运输燃料和/或btx产物的连续过程，同时提供减少成本、能量消耗、水的消耗和碳足迹。
35.如在此使用的，并且除非上下文中另有规定，术语“耦联至”意在包括直接耦联(其中两个彼此耦联的元件彼此接触)和间接耦联(其中至少一个额外的元件位于两个元件之间)两者。因此，术语“耦联至”和“与
……
耦联”是同义使用。
36.从谷物源例如玉米生产燃料通常开始于发酵并以醇(例如，乙醇、丙醇和/或丁醇)的形式提供这种燃料。典型的现有技术过程的工作流程如下图1所示。
37.图1示意性地显示了典型的现有技术谷物干磨发酵为乙醇燃料的过程，离开发酵的乙醇培养液首先在啤酒柱预加热器105中通过与来自啤酒柱115的底部流热交换而加热。这个热交换之后，将来自这个底部流的固体去除(例如通过离心或过滤)、干燥并作为干酒糟(ddgs)销售。在一些现有技术过程中，辅助加热器120用于进一步增加乙醇培养液的温度。然后预加热的乙醇培养液传递至啤酒柱115，在那从乙醇培养液中反萃取乙醇以产生浓缩的乙醇/水混合物(典型地含有～40-60％乙醇(w/w))。这个从底部流传递热量至啤酒柱预加热器105通过热集成减少过程加热/能量需要。来自啤酒柱的乙醇/水蒸汽混合物传递
至精馏柱120，在那乙醇/水混合物(典型地在进入精馏柱时40-60％醇(w/w))的蒸馏提供乙醇与水混合物的进一步分离并生产高乙醇含量馏分。高乙醇含量馏分随后经过分子筛125以生成可以用作运输燃料的高纯度乙醇(尽管与传统汽油相比其具有较低的能量密度)。来自精馏柱的底部流(具有低百分比的乙醇含量)传递至反萃取器130，所述反萃取器130分离大部分剩余乙醇并将其返回精馏柱120用于额外的加工。来自反萃取器130的水可以再循环用于在发酵和其他过程中使用。
38.应该认识到，这种系统的各种部件的能量消耗是显著的。对于典型的工厂，生产每加仑燃料乙醇的能量消耗如下：啤酒柱预加热器～3,000btu，啤酒柱～20,000btu，精馏柱～7,000btu，分子筛～2,000btu，以及反萃取器～1000btu。这个能量可以通过燃烧化石燃料(如天然气)来提供，这负面地影响这个过程的碳足迹。可选地，这些步骤可以使用一部分乙醇产物来作燃料，但是以过程效率为代价。
39.应该注意到，用于生产一加仑乙醇燃料的～33,000btu代表超过40％的通过乙醇燃烧生产的能量。当考虑到这些现实世界因素，如蒸发损失、运输成本(对于低能量密度燃料如乙醇，这是升高的)，以及小于完全燃烧/能量传递效率，从这些过程生产乙醇燃料的成本变得显著。在如此高的能量需要的情况下，使用这些过程乙醇作为燃料的实际可持续性受到争议。
40.在本发明构思的过程中，催化反应器耦联至常规的醇分离过程以从醇和水混合物中生成可替代(即，与石油化学品可互换)运输燃料(如柴油、汽油或喷气式发动机燃料)，在至少一些实施方式中连同气态的轻质烃产物。这种催化过程还可用于生成其他化学品，如苯、甲苯和/或二甲苯产物(即，btx)，以及其他烃馏分。催化过程利用提高的温度，并且来自反应器流出液的热量可以与若干中间过程流热集成以减少全部工厂的热量需要、ghg排放，以及化石衍生的燃料的使用。
41.应该认识到，尽管在通过发酵提供乙醇的转化的上下文中提供了例子，但也可以使用其他醇原料。例如，从木素纤维素的材料的热解和/或从由可再生源(例如生物质)生成的合成气获得的甲醇可以用作在本发明构思的系统和方法中的原料。类似地，也可以使用(例如通过使用基因修饰的微生物)衍生自可再生源的丙醇和/或丁醇。在一些实施方式中，两种或更多种醇原料可以在进入本发明构思的系统和方法时或之前合并。在这些实施方式中，合并的醇原料不需要是相同的类型。例如，衍生自谷物发酵的乙醇原料可以与由衍生自生物质的合成气生产的甲醇原料合并。应该认识到，这种能力为本发明构思的系统和方法提供了在现有技术中不存在的过程灵活性。本发明构思的过程的一个例子如图2中所示。
42.除非上下文有相反的规定，此处列出的所有范围应解释为包括它们的端点，并且开放式范围应解释为仅包括商业上可行的值。类似地，除非上下文中有相反的指示，所有值的列表应被视为包括中间值。此处叙述的所有值的范围仅仅是意在作为单独指落入该范围内的每个独立的值的速记方法。除非此处另有规定，范围内的每个单独的值都被并入到说明书，就像其在此处被单独叙述一样。
43.图2示意性地描述本发明构思的系统的一个实施方式，其中醇生产设备与催化反应器耦联，发酵培养液进入过程并通过第一啤酒柱预加热器205首先加热。这种发酵培养液可以是乙醇培养液，然而应该认识到，该发酵培养液可以是包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或这些中的两种或更多种的混合物的醇培养液。用于这个过程的至少一些热量可以通过啤酒柱
215底部流(其包括水和残余固体)进行提供。在该过程的这一点上，固体可以通过任何合适的方法从这种底部流去除并被进一步加工(例如，在玉米乙醇生产中作为ddgs和/或在纤维素乙醇工厂中固体用作锅炉燃料)。用于分离这些固体的合适的方法包括倾析、沉降、过滤和离心。在本发明构思的一个优选实施方式中，通过允许从底部流连续去除固体的离心机或涡流装置从底部流去除固体。
44.预加热的醇培养液可以传递至次级啤酒柱预加热器210，在那所述预加热的醇培养液被进一步加热(例如，通过与来自催化反应器230的产物流热交换)。在本发明构思的一些实施方式中，可以利用单个啤酒柱预加热器，并且可以从来自啤酒柱215的底部流和来自催化反应器230的产物流两者之一接收热量。然后这个加热的醇培养液可以被引导进入啤酒柱215，在那醇(即，甲醇、乙醇、丁醇和/或丙醇)从醇培养液反萃取为浓缩的醇/水流(例如，蒸汽)。这种醇/水流可以含有10重量％、20重量％、30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％或更多的醇。在本发明构思的一个优选实施方式中，这种浓缩的醇/水流含有40-60％的醇(w/w)。如所示的，来自啤酒柱215的底部材料可以传递至第一啤酒柱预加热器205以从这个流回收热量，因而减少加热/能量需要(即，通过热集成)。
45.在本发明构思的一些实施方式中，来自啤酒柱215的醇/水混合物可以在不改变组成的情况下被引导至催化反应器230。在另一些实施方式(没有示出)中，可以利用精馏器(rectifier)或类似设备提供醇从由啤酒柱215获得的醇/水混合物中的额外分离以生产富含醇的醇/水流，所述醇/水流引导至催化反应器230。在这种实施方式中，精馏器或类似设备将插入在啤酒柱215与催化反应器230之间并与它们流体连通。在这些实施方式的任一个中，醇/水混合物可以被传递至反应器预加热器220，其将醇/水混合物的温度从约110℃升高到约220℃(例如，通过与催化反应器230的产物流热交换)。然后，这种预加热的醇/水混合物可以被传递至加热炉225，在那其被加热至适合于催化反应的温度(例如，约275℃至约350℃)。从加热炉225的输出物引导至催化反应器230，其在约350℃下生产产物流(可以包括所期望的燃料、btx或化学产物、水和/或轻质烃产物)。
46.催化反应器230产物流升高的温度代表在其到达相分离器235(例如，3相倾析器)之前可以有利地利用的相当多的热能源。此热量的部分可以传递至醇/水混合物预加热器220，从而降低催化反应器产物流的温度(例如，至约230℃)。类似地，剩下热量的部分可以传递至啤酒柱215(例如，至再沸器)和/或至次级啤酒柱预加热器210以减少或消除这些组件的燃料消耗，并且进一步降低催化反应器230产物流的温度(例如，至约120℃)。剩下的热量或其部分可以传递至第一啤酒柱预加热器205，减少或消除用于这个过程的燃料需要。
47.在这些热集成步骤之后，来自催化反应器230混合物的产物流传递至相分离器235，其将该混合物分离成两种或更多种产物流，例如(a)可以直接使用的喷气式发动机燃料(jet)、柴油机燃料(diesel)、汽油、化学品或btx烃类产物，(b)可以再循环(例如，进入发酵过程)的水，以及(c)轻质烃240馏分。合适的相分离器包括倾析器(如3相倾析器)、离心机和膜分离器。如所示的，轻质烃馏分240可以被引导至加热炉225，其中燃烧给醇/水混合物提供热量。如果可获得的轻质烃馏分不足或者如果轻质馏分具有足够的商业价值，可以供给额外的燃料(例如，天然气)以补充或者完全提供系统的热量需要。
48.如所示的，在催化反应器产物流中的热能可以与该过程的多个组件热集成，以便减少在将产物+水混合物传递至相分离器期间的加热需求。如所示的，可以输送热产物+水
混合物以向反应器预加热器、啤酒柱、啤酒柱加热器和/或啤酒柱预加热器提供热量。这有利地为这些组件提供必要的热量，同时消除或减少燃料需求，而同时冷却产物+水混合物至适合于相分离器操作的温度。热集成可以通过任何合适的工具进行。合适的工具包括使经历热传递的产物流直接热连通的热交换组合件。可选地，可以间接传递热量，例如通过使用与热源流和热目的地流两者热连通的热传递介质，或者通过使用热管。可选地，热能可以在热源处转变成不同形式的能量(例如，电能或机械功)，传送至热目的地，以及转变回热能(例如，通过电阻加热或摩擦)。
49.这种热传递，与通过过程的轻质馏分产物的燃烧提供的热量结合，可以提供全部或部分(例如，约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或更多)支持整个过程所需的热量。在通过离开催化反应器的产物+水混合物和轻质馏分产物的燃烧提供的热量不足够的实施方式或实施方案中，差额可以使用天然气、其他合适的燃料的燃烧或者来自其他过程(例如，本发明构思的系统外部的过程)的热量传递来调节。
50.由于消耗燃料的蒸馏过程的相对缺乏和从催化反应器的输出物的热量传递，相对于现有技术过程实现了相当多的能量节约。对于典型的利用本发明构思的系统和方法的工厂，生产每加仑燃料的能量消耗如下：啤酒柱预加热器～3,000btu，啤酒柱～10,000btu，加热炉～2,000btu。总的来说，生产每加仑燃料利用～15,000btu。这代表相对于现有技术过程能量成本降低大于50％。
51.也应该认识到，所得产物为能量密集型燃料或高价值的有机溶剂，其可以不用适配而直接地利用在当前车辆和过程中。这样，通过本发明构思的系统和过程生产的每加仑燃料利用的约15,000btu仅代表在汽油或喷气式发动机燃料产物中含有的能量的约12％和在柴油机燃料产物中含有的能量的约11％。其结果，本发明构思的系统和方法真正地提高了从可再生源(如谷物)对燃料和/或btx产物的可持续和经济上可行的生产。
52.尽管以上提供的例子专注于通过所谓的玉米干磨从玉米生产醇，但应该认识到本发明构思的系统和方法可以同样很好地适用于通过源自糖甘蔗和/或其他糖源的糖的发酵；通过纤维素或木素纤维素生物质的分解释放的糖的发酵生产乙醇和其他醇(例如，甲醇、丙醇和丁醇)；通过湿磨和其他过程从玉米生产醇；和/或通过非发酵过程(例如，化学或生物介导的合成气催化转化为乙醇)生产乙醇或其他醇。在一些实施方式中，来自两种或更多种醇源的醇可以合并并利用在本发明构思的过程中。这种合并可以发生在导至催化反应器之前和/或导至催化反应器时。另外，应该认识到，操作的顺序和选择也可以从所描绘的那些修改，以便提供节能效益。
53.除了消耗大量的能量，应该认识到，典型的现有技术过程(如在图1中描绘的那些)利用大量的水。在该过程中的多个点，水从这些系统损失，包括：1)与冷却来自分离柱的流出液相关的从冷却塔的蒸发损失，2)与干燥固体(例如，ddgs)相关的蒸发损失，3)锅炉排污以避免来自蒸气蒸发的杂质浓缩，以及4)泄漏。应该认识到，这种系统的各种组件对水和能量的消耗可以是显著的。对于典型的利用玉米发酵的工厂，生产每加仑的燃料乙醇的净水消耗平均在3和4加仑的水之间。在纤维素原料生物化学转化为乙醇中水的消耗更大，生产每加仑乙醇平均要约6加仑的水。对于纤维素生物质热化学转化为乙醇的水消耗是每加仑乙醇平均1.9加仑的水。
54.取决于用于生产乙醇培养液的原材料和转化技术，在典型的现有技术过程中水的
消耗范围为生产每加仑的乙醇要1.9-6加仑的水。随着淡水的日益供不应求，这样高的水的需要使得使用这种现有技术过程将乙醇作为燃料的可持续性值得怀疑。
55.如上所述，在本发明构思的过程中，催化反应器可以与常规的醇分离过程耦联以从醇和水混合物生成可替代(即与石油化学产物可互换)运输燃料(如柴油、汽油或喷气式发动机燃料)。在至少一些实施方式中，气态的轻质烃产物可以另外生产。这种催化过程还可以用于生成其他化学品如苯、甲苯和/或二甲苯产物(即btx))，以及其他烃馏分(例如，轻质的或气态的馏分)。该催化过程利用升高的温度，并且来自反应器流出液的热量可以与若干中间过程流热集成以减少整个工厂的热量需要、ghg排放以及化石衍生的燃料的使用。本发明构思的系统和方法还显著减少从可持续的醇原料流生产燃料的水的需要。本发明构思的系统的一个例子如图3中所示。
56.如在图3中所示，在本发明构思的系统(其中醇生产设备与催化反应器耦联)中，发酵或醇培养液进入过程并最初例如在第一啤酒柱预加热器305中进行加热。这种发酵培养液可以是乙醇培养液，但是应该认识到，发酵或醇培养液可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或这些中的两种或更多种的混合物。在通过第一啤酒柱预加热器305之后，醇培养液可以传递至次级啤酒柱预加热器310用于进一步加热。用于这些过程的至少一些热量可以传递自啤酒柱315底部流(其典型地包括水和残余固体)。过程固体可以从这个底部流(例如通过离心或过滤)去除并进一步加工。例如，这些去除的固体可以在玉米乙醇生产中用作ddgs和/或在纤维素乙醇工厂中用作锅炉燃料的固体。在本发明构思的一些实施方式中，可以利用单个啤酒柱预加热器，并且可以从来自啤酒柱315的底部流和来自催化反应器330的产物流之一或两者中接收热量。
57.然后加热的醇培养液可以引导进入啤酒柱315，在那从醇培养液将醇(例如甲醇、乙醇、丁醇和/或丙醇)反萃取为浓缩的醇/水流。这种醇/水流可以含有10重量％、20重量％、30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％或更多的醇。在本发明构思的一个优选实施方式中，这种浓缩的醇/水流含有40-60％的醇(w/w)，并可以是蒸汽的形式。将醇/水混合物传递至反应器预加热器320，其将乙醇/水混合物的温度从大约110℃提高至大约220℃。然后将预加热的醇/水混合物传递至加热炉325，在那将其加热至适合于催化反应温度(例如，大约350℃)。来自加热炉325的输出物引导至催化反应器330，其在约350℃下生产与水混合的期望的燃料、btx或其他化学产物。
58.在一些本发明构思的一些实施方式中，来自啤酒柱315的醇/水混合物可以在不改变组成的情况下引导至催化反应器330。在其他实施方式(未示出)中，精馏器或类似设备可以用于提供醇从由啤酒柱315获得的醇/水混合物中的额外分离以生产富含醇的醇/水流，其引导至催化反应器330。在这种实施方式中，精馏器或类似设备将插入在啤酒柱315和催化反应器330之间并与它们流体连通。在这些实施方式的任一个中，醇/水混合物可以传递至反应器预加热器320，其将醇/水混合物的温度从大约110℃升高至大约220℃(例如，通过与催化反应器330的产物流热交换)。这种预加热的醇/水混合物可以传递至加热炉325，在那将其加热至适合于催化反应的温度(例如，大约275℃至大约350℃)。来自加热炉325的输出物引导至催化反应器330，其在大约350℃下生产产物流，所述产物流可以包括所期望的燃料、btx或化学产物、水和/或轻质烃340产物。
59.催化反应器330的输出物的升高的温度代表可以在它到达相分离器335(例如，3相
倾析器)之前有利地利用的相当多的热能源。此热量的部分可以传递至醇/水混合物预加热器320，从而降低催化反应器流的温度(例如，至大约230℃)。类似地，剩余热量的部分可以传递至啤酒柱315(例如，至再沸器)和/或至次级啤酒柱预加热器310、精馏器再沸器和其他需要热量的过程(例如，工厂水输入)以减少或消除这些组件的燃料消耗，并进一步降低催化反应器330产物流的温度(例如，至大约120℃)。剩余的热量或其部分可以传递至啤酒柱预加热器305，减少或消除用于这个过程的燃料需要。
60.这些热集成步骤之后，来自催化反应器330混合物的产物流可以传递至相分离器335(例如，3相倾析器)，其将混合物分离成至少三种产物流：(a)可以直接使用的喷气式发动机燃料、柴油、汽油、化学品或btx烃类产物，(b)可以再循环(例如，进入发酵过程)的热水(例如，大约80℃至90℃)，以及在一些实施方式中，(c)轻质烃馏分340。热水流可以直接重新使用，或将其冷却(例如，至40-50℃)以便减少蒸发损失。这种冷却可以通过被动装置如辐射器345或类似装置提供。可选地，来自热水流的热量可以在日间操作期间传递至蓄热体(thermal mass)，然后停止热传递并在夜间对蓄热体被动冷却。这种热量传递可以是直接的(即，通过直接的热连通)或间接的。间接的传递可以使用热量传递介质和/或热量传递装置(例如，热管)完成。在又一个实施方式中，热量可以通过大地耦联(earth coupling)从热水流传递。如所示，轻质烃馏分340可以引导至加热炉325，在那燃烧提供热量给醇/水混合物。如果可获得的轻质烃馏分不足或者如果轻质馏分具有足够的商业价值，可以供给额外的燃料(例如，天然气)以补充或者完全提供系统的热量需要。
61.如所示，在催化反应器产物流中的热能可以与过程的多个组件热集成以便减少在产物+水混合物传递至相分离器期间的加热需要。如所示，可以输送热产物+水混合物以提供热量给反应器预加热器、啤酒柱、啤酒柱加热器/再沸器和/或啤酒柱预加热器。在其他实施方式中，热产物+水混合物可以用于减少在精馏柱中的热量需要。这有利地提供必要的热量给这些组件，同时消除或减少对燃料的需求，而同时冷却产物+水混合物至适合于相分离器操作的温度。这种热量传递，与通过过程的轻质馏分产物的燃烧提供的热量结合，可以提供所有或部分(例如，大约30％、大约40％、大约50％、大约60％、大约70％、大约80％、大约90％或更多)的支持整个过程所需的热量。在通过离开催化反应器的产物+水混合物和轻质馏分产物的燃烧提供的热量不足够的实施方式或实施方案中，该差额可以使用天然气、其他合适的燃料的燃烧或者从其他过程(例如，本发明构思的系统外部的过程)的热量传递来调节。
62.在本发明过程的一些实施方式中，在热水流中含有的热量传递至系统的其他组件以便减少能量消耗并减少再循环的水的温度(从而减少例如从冷却塔的蒸发损失)。这种实施方式的一个例子示意性地如在图4中所示。
63.如图4所示，发酵提供醇培养液，其可以如上所述在第一和第二啤酒柱预加热器(分别为405和410)中加热。然后预加热的醇培养液传递至啤酒柱5，在那醇从醇培养液以浓缩的醇/水混合物(含有10％、20％、30％、40％、50％或更多的醇(w/w))形式反萃取。如所示，来自这个过程的残余材料可以从啤酒柱的底部传递至第二啤酒柱预加热器410用于反复提取以便提高效率。如在上面的图3中描绘的系统的描述所述，在一些实施方式中，可以使用单个啤酒柱预加热器。来自啤酒柱的浓缩的醇/水混合物传递至反应器预加热器420，其将醇/水混合物的温度从大约110℃提高至大约220℃。然后预加热的醇/水混合物传递至
加热炉425，在那将其加热至适合于催化反应的温度(例如，大约350℃)。来自加热炉425的输出物引导至催化反应器430，其在大约350℃下生产与水混合的所期望的燃料或btx产物(在一些实施方式中，轻质烃馏分440)。
64.催化反应器430的输出物的升高的温度代表在其传递至3相倾析器435时可被利用的相当多的热能源。此热量的部分可以传递至反应器预加热器420，从而降低催化反应器输出物的温度至大约230℃。类似地，剩余热量的部分可以传递至啤酒柱415和/或至第二啤酒柱加热器410以减少或消除这些组件的燃料消耗，并进一步减少来自反应器的产物混合物的温度(例如，至大约120℃)。剩余热量或其部分可以传递至第一啤酒柱预加热器405，减少或消除用于这个过程的燃料需要。
65.催化反应器430混合物的输出物可以传递至相分离器435，其将混合物分离成不同的产物流：(a)热(例如，80℃至90℃)水流，(b)可以直接使用的喷气式发动机燃料、柴油、汽油燃料产物或btx产物，以及在一些实施方式中，(c)轻质烃馏分440。来自热水流的热量可以传递至系统的其他过程以便减少能量成本，同时降低热水流的温度。如图4所示，热量可以从热水流传递至第一啤酒柱预加热器405。在一些实施方式中，热量传递至其他系统组件、辐射冷却和/或主动冷却(例如，在吸收冷却器中)可以单独或组合利用以减少热水流的温度。合适的主动冷却方法包括使用吸收冷却器、使用爱因斯坦冰箱(einstein refrigerator)、使用热力发动机收回(withdrawal)热量、以及使用热电效应收回热量。在一些实施方式中，热水流的温度可以通过吸收冷却器445而降低。这种吸收冷却器445可以至少部分通过从系统的中间过程流传递的热量驱动。在图4描绘了这种实施方式中，其中来自催化反应器430输出物的热量被这样利用。在其他实施方式中，可以使用来自燃烧燃料(如天然气和/或来自醇转化过程的轻质烃馏分440)的热量以补充或替代从系统过程流传递至吸收冷却器445的热量。这种处理可以降低热水流的温度(例如，至大约40℃至50℃)，从而减少由于蒸发的水损失。如所示，轻质烃馏分440可以引导至加热炉425，在那燃烧给醇/水混合物提供热量。如果可获得的轻质烃馏分不足，可以提供天然气作为额外的燃料以加热加热炉425。
66.由于消耗水和燃料的蒸馏过程的相对缺乏、使用分子筛的缺乏，以及从各种过程流传递热量，相对于现有技术过程实现了相当多的水和能量节省。本发明过程的系统通过至少两种不同的方法提供减少的水消耗。在一些实施方式中，缺乏精馏器(其代表在现有技术系统中水损失的主要来源)与现有技术过程相比可以减少本发明构思的系统的水消耗20％或更多。在现有技术过程中一些水也在使用分子筛加工期间损失；在本发明构思的系统和方法中这些装置是非必要的。通过由乙醇转化过程生成的水的再循环产生的水节省相对于现有技术过程典型地范围从5％至15％或更多。在玉米乙醇工厂目前每年生产约150亿加仑乙醇的情况下，这可以一年减少利用玉米发酵的工厂的水消耗约45至60亿或更多加仑，或者通过在乙醇转化过程期间产生水每年减少更多，以及当由于精馏器缺乏的节省包括在内时每年一年减少约113至200亿加仑或更多的水。
67.对于本领域技术人员应该显而易见的是，除了那些在此处已经描述的修改还可以进行更多修改，而不脱离此处的发明构思。因此，本发明主题除了在所附权利要求的精神中以外不受限制。而且，在解释说明书与权利要求书两者时，所有术语应该以与上下文一致的尽可能最广泛的方式解释。具体地，术语“包含”应该以非排他性的方式解释为涉及元件、组
件或步骤，这指示所涉及的元件、组件或步骤可以与其他元件、组件或步骤(没有明确涉及的)存在、利用或结合。在说明书权利要求书涉及从a、b、c
……
和n组成的组中选择至少一个的情况下，文本应该被解释为仅要求组中的一个要素，而不是a加n，或b加n，等等。

技术特征：

1.一种用于生产液体烃类产物的系统，其包含：醇培养液源，其与初级啤酒柱预加热器流体连通；啤酒柱，其配置成从所述初级啤酒柱预加热器接收加热的醇培养液，并且生产残余物和包含第一量的水和第二量的醇的醇/水混合物；反应器预加热器，其与所述啤酒柱流体连通，并且配置成接收所述醇水混合物并加热所述醇水混合物以生产预加热的包含第一量的水和第二量的醇的醇水混合物；加热炉，其与所述反应器预加热器流体连通，并且配置成接收所述预加热的醇水混合物并加热所述预加热的醇水混合物至至少250℃以生产加热的包含第一量的水和第二量的醇的醇水混合物；催化反应器，其与所述加热炉流体连通并且包括催化剂，所述催化剂被选择以将所述加热的醇/水混合物转化成包含液体烃类产物、水和轻质烃的中间产物流；第一导管，其配置成引导所述中间产物流至相分离器，其中所述导管配置成在引导至所述相分离器之前将所述中间产物流的至少部分热能传递至所述反应器预加热器，以及其中所述相分离器配置成将所述中间产物流分离成包含所述液体烃类产物、水流和轻质烃馏分流的液体烃类产物流；第二导管，其与所述相分离器和所述加热炉流体连通，并且所述第二导管被配置成传递至少部分所述轻质烃馏分流至所述加热炉。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述液体烃类产物选自汽油、柴油机燃料、喷气式发动机燃料、化学品和btx产物。3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含天然气源，其与所述加热炉流体连通。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一导管配置成在传递热量至所述反应器预加热器之后并且在引导至所述相分离器之前从所述中间产物流传递热量至所述初级啤酒柱。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一导管配置成在传递热量至所述啤酒柱之后并且在引导至所述相分离器之前从所述中间产物流传递热量至所述初级啤酒柱预加热器。6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含预备啤酒柱预加热器，其插入在所述醇培养液源和所述初级啤酒柱预加热器之间，并且与所述醇培养液源和所述初级啤酒柱预加热器流体连通。7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一导管配置成在传递热量至所述初级啤酒柱预加热器之后并且在引导至所述相分离器之前从所述中间产物流传递热量至所述预备啤酒柱预加热器。8.根据权利要求1所述的系统，其包括第三导管，所述第三导管与所述相分离器和发酵过程流体连通，并且配置成引导所述水流的至少部分至所述发酵过程。9.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含第四导管，其与所述啤酒柱流体连通，其中所述第四导管配置成将至少一部分所述残余物送回至所述啤酒柱。

技术总结

本申请涉及用于通过转化为烃类燃料来减少在醇燃料生产中资源消耗的系统和方法。提供了在用于从可再生的含有醇的原料流生产燃料过程中减少能量和水消耗的系统和方法。在催化过程中，醇含量直接转化为烃运输燃料，热量在中间过程流之间传递以减少热能消耗。通过从催化过程回收水和降低水温度以减少蒸发损失来减少整体的水消耗。减少整体的水消耗。减少整体的水消耗。