包括用于生物燃料或生物化学设备的蒸气压缩的节能系统
优先权数据
本国际专利申请要求于2017年9月21日提交的美国专利申请号15/711,699的优先权，所述专利申请在此通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于从需要蒸馏的生物发酵设备回收和精制生物产品的方法、系统和装置。
背景技术
在生物产品的蒸馏过程中消耗的过程能量通常构成这些产品的生产生命周期中最大的能量需求。蒸馏系统的设计满足了进行设计和投资决策时与现有优先级相适应的许多要求。第一代蒸馏系统是在高度重视简单性、并且与能源利用相关的环境问题在很大程度上被限制为使相关有害排放最小化的情况下实施的。如今，旨在减少温室气体排放的政策和监管举措正在影响能源的消费者和生产商，从而形成了提高能源效率和使环境足迹最小化的激励因素。
影响能源消费者和生产商的法规的实例包括加州低碳燃料标准(LCFS)和美国环保局的清洁能源计划。LCFS对生命周期燃料路径进行建模，以为燃料指定反映燃料二氧化碳排放的碳强度(CI)。燃料生产商的途径(反映了其过程的CI)产生信用额或需要从其他生产商购买信用额以满足加州的CI目标。这些信用额在确定其价值并允许由生产商货币化的交易所进行交易。通过LCFS系统直接对过程能效的提高进行奖励，从而激励能效投资。这种系统以及政府当局正在考虑的类似系统即使在低能源价格几乎或根本没有动力进行此类投资的情况下也直接奖励生产商降低其能源需求。
生物发酵产品(包括生物燃料)是能源投资的结果，其通过栽种生物原料、然后通过化学处理将其转化为纯化液体燃料，其中每一步都需要能源密集型阶段(包括蒸馏)。生物酿酒设备采用的常规的第一代方法在蒸馏(包括蒸馏、蒸发以及可能的脱水)和干燥方面消耗了大量能量。这些方法的低效率对生产商的经济以及归因于所述过程的环境足迹产生了负面影响。
对于新的或现有的酿酒、或采用蒸馏的新的或现有的生物炼制，仍需要在商业上提高总体能效和优化。
发明内容
本发明的一些变型提供了一种配置用于酿酒或生物炼制的节能系统，其中所述酿酒或生物炼制能够将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中所述酿酒或生物炼制包括配置用于蒸馏以纯化所述生物燃料或生物化学物质的蒸馏单元，所述系统包括：
(i)蒸气压缩子系统，其包括机械蒸气再压缩(MVR)单元和/或热蒸气再压缩(TVR)单元，其中所述蒸气压缩子系统被配置为回收潜热并减少所述酿酒或生物炼制中的过程热能使用；以及
(ii)具有CHP发动机的可选热电联产(CHP)子系统，其被配置为提供用于驱动所述蒸气压缩子系统的机械能、电能和/或热能，其中当所述CHP子系统存在时，所述CHP子系统和所述蒸气压缩子系统被集成和配置为使得所述CHP发动机的残余废热抵消所述酿酒或生物炼制中的过程热能使用。
在一些实施例中，所述蒸气压缩子系统包括多个机械和/或热压缩机或蒸气喷射头，其中离开或来自所述蒸馏单元的级联热与多个釜馏物蒸发和/或脱水集成，并且其中压缩的生物燃料或生物化学蒸气和产生的蒸汽返回到所述系统内的所述蒸馏单元。
在一些实施例中，所述蒸气压缩子系统包括多个机械和/或热压缩机或蒸气喷射头，其中离开或来自所述蒸馏单元的级联热与包括第一或最后一个多重蒸发器的多个釜馏物蒸发集成，其中来自所述第一蒸发器的压缩蒸汽可选地在所述蒸馏单元与所述多个釜馏物蒸发的一部分之间分流，并且其中压缩机级被配置为在所述蒸馏单元与所述多个釜馏物蒸发之间级联潜热。
在一些实施例中，所述蒸气压缩子系统包括多个机械和/或热压缩机或蒸气喷射头，其中离开或来自所述蒸馏单元的多个釜馏物蒸发的级联热与离开或来自至少一个再沸器-蒸发器的蒸汽的压缩集成，以驱动所述蒸馏和部分蒸发，和/或其中压缩机级被配置为将潜热从所述蒸馏处理单元级联到蒸发单元中。
在一些实施例中，所述蒸气压缩子系统包括多个机械和/或热压缩机或蒸气喷射头，其中来自所述蒸馏处理单元的级联潜热被集成以驱动所述蒸馏单元的蒸气流输出的气相脱水。
在某些实施例中，节能系统包括被配置用于干燥源自蒸馏单元的釜馏物的干燥器，其中蒸气压缩子系统包括被配置为回收蒸馏的潜热的MVR单元和被配置为回收来自干燥器的废气的潜热的TVR单元两者。
在这些或其他实施例中，所述节能系统包括干燥器，其被配置用于干燥源自所述蒸馏单元的釜馏物，其中所述蒸气压缩子系统包括多个机械和/或热压缩机或蒸气喷射头，并且其中被再沸器-蒸发器重新捕获的来自所述干燥器的排气的级联潜热被集成以提供用于其他设备过程的蒸汽。
在本发明的一些变型中，CHP子系统存在于节能系统中。当CHP子系统存在时，所述CHP发动机的尺寸可以与所述蒸气压缩子系统的能量需求和/或所述酿酒或生物炼制的热能需求相一致，其中由所述CHP子系统回收的废热提供所述酿酒或生物炼制的至少一些所述热能需求。
在其中存在CHP子系统的这些或其他实施例中，蒸气压缩子系统包括TVR单元，其中CHP发动机的尺寸与TVR单元的动力蒸气需求相一致。
本发明的其他变型提供了一种改进酿酒或生物炼制的方法，其中所述酿酒或生物炼制将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中所述生物燃料或生物化学物质通过蒸馏纯化，所述方法包括：
(i)引入包括机械蒸气再压缩(MVR)单元和/或热蒸气再压缩(TVR)单元的蒸气压缩单元，以回收潜热并减少所述酿酒或生物炼制中的过程热能使用；并且
(ii)可选地引入具有CHP发动机的热电联产(CHP)系统，以提供用于驱动所述蒸气压缩单元的机械能、电能和/或热能，其中当所述CHP系统存在时，(a)与所述蒸气压缩单元结合，所述CHP发动机的残余废热抵消了所述酿酒或生物炼制中的过程热能使用，和(b)所述蒸气压缩单元与所述CHP系统的集成被平衡以优化过程能量需求、过程碳强度和/或过程能量成本。
在一些实施例中，所述蒸气压缩单元包括多个机械和/或热蒸气压缩机或蒸气喷射头，其中来自所述蒸馏的级联潜热与多个釜馏物蒸发和/或脱水集成，并且其中压缩的生物燃料或生物化学蒸气和产生的蒸汽返回到所述蒸馏。
在一些实施例中，蒸气压缩单元包括多个机械和/或热蒸气压缩机或蒸气喷射头，其中来自蒸馏的级联潜热与包括第一蒸发器的多个釜馏物蒸发集成，其中来自第一蒸发器的压缩蒸汽可选地在蒸馏与多个釜馏物蒸发的一部分之间分流，并且其中蒸馏和多个釜馏物蒸发的至少一部分在相等或接近相等的压力下操作，从而允许压缩机级在蒸馏与多个釜馏物蒸发之间级联蒸发潜热，并且可选地气相脱水。
在一些实施例中，蒸气压缩单元包括多个机械和/或热蒸气压缩机或蒸气喷射头，其中来自蒸馏的多个釜馏物蒸发的级联潜热与来自至少一个再沸器-蒸发器的蒸汽的压缩集成，以驱动蒸馏和部分蒸发，并且其中蒸馏和部分蒸发被操作使得蒸发压力高于蒸馏压力，从而允许压缩机级将蒸发潜热级联到蒸馏中。可选地，所述蒸馏蒸气的压缩与蒸馏蒸气在足够压力下的脱水集成，以产生含有所述生物燃料或生物化学物质的最终产物。
在一些实施例中，所述蒸气压缩单元的尺寸或操作采用标准蒸汽发生器，用于减少蒸馏、蒸发和/或脱水中所需的热能，其中由于所述蒸气压缩单元回收的能量导致蒸汽能量需求减少，所述标准蒸汽发生器以降低的速率操作。
当CHP系统存在时，CHP发动机的尺寸或操作可以与蒸气压缩单元的能量需求和酿酒或生物炼制的热能需求相一致，其中酿酒或生物炼制的至少一些热能需求由CHP系统回收的废热提供。
在其中存在所述CHP系统的某些实施例中，所述蒸气压缩单元包括TVR单元，并且所述CHP发动机的尺寸或操作与产生蒸汽或生物化学动力蒸气以驱动所述TVR单元的热能需求相一致。
所述蒸气压缩单元与所述可选的CHP系统的集成允许平衡过程燃料能量、电能单价和过程碳强度在所述酿酒或生物炼制中的使用，其中所述过程能量成本基于所述过程燃料能量和所述电能的相对市场定价被最小化，并且可选地其中总过程能量没有被最小化。
在各种实施例中，所述生物燃料或生物化学物质选自由以下组成的组：甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、叔丁醇、丙酮、及其组合。
附图说明
图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10中的每个都是示意图，示出了具有三个散列方框区域的酿酒或生物炼制的工艺流程。第一个散列线区域被标记为“标准酿酒部分I”，第二个散列线区域被标记为“复合TVR-CHP部分II”或“复合MVR-CHP部分II”，没有限制(部分II也可以被称为“复合MVR/TVR-CHP”)，并且第三个散列线区域被标记为“干燥器排气热MVR/TVR部分III”、“干燥器排气热TVR部分III”或“干燥器排气热MVR部分III”，没有限制。如下所述，在各种实施例中，MVR或TVR的任何实例可以分别由TVR或MVR替代。
用于驱动蒸气压缩的动力可以由热电联产(CHP)或任何其他动力源提供，包括但不限于公用电网、太阳能电池阵列、风力涡轮机或其他形式的发电。图1至图10中的每个都应被理解为代表CHP的这种可选性。也就是说，虽然附图包括存在的CHP，但在替代实施例中，CHP被任何其他热源和/或动力源替代(或增强)。
在图1至图10中，部分I包括酿酒流程图，并且部分II包括增加的蒸气压缩(MVR和/或TVR)和可选的本发明变型的CHP。所述方案在蒸馏塔处将部分I和部分II分流，其中标准蒸汽驱动蒸馏在部分I中的塔的左侧上，并且机械蒸气压缩，以及可选的热电联产(MVR/TVR-CHP)在部分II中的塔的右侧上。部分III与部分I和部分II在干燥滚筒处分流，所述干燥滚筒具有从废气中回收的MVR/TVR热量。
图1是示意图，其中部分II描述了一种过程，其中来自可选的CHP的废热用于通过蒸汽产生的热回收(HRSG)产生过程蒸汽，其中所产生的蒸汽用于满足酿酒的蒸汽需求。
图2是示意图，其中部分II描述了一种过程，其中来自可选的CHP的废热用于通过蒸汽产生的热回收(HRSG)产生过程蒸汽，其中所产生的蒸汽用于满足酿酒的蒸汽需求，并且其中可选的CHP废热的一部分用于直接干燥酿酒副产品。
图3是示意图，其中部分II描述了一种过程，其中来自可选的CHP的废热专门用于直接干燥酿酒副产品。
图4是示意图，其中部分II描述了一种过程，其中来自可选的CHP的废热用于通过蒸汽产生的热回收(HRSG)产生过程蒸汽，其中所产生的蒸汽用于在蒸汽轮机中产生额外的电力，以满足酿酒的进一步电力需求或出售给电网。离开可选的热电联产涡轮机的低压蒸汽用作过程蒸汽，以满足酿酒的过程蒸汽需求。
图5是示意图，其中部分II描述了一种过程，其中蒸馏蒸气被传递到多效蒸发过程，同时来自最终效果的蒸汽被压缩并传递到蒸馏。对于图1、2、3和4中描述的过程配置，暗含了蒸气压缩与蒸发以及可选的CHP的这种集成。
图6是示意图，其中部分II描述了一种过程，通过所述过程，蒸馏蒸气被传递到多效蒸发过程，其中在第一效果中使生物染料或生物化学蒸气冷凝。产生的蒸汽传递到多个压缩机级，其中第一个压缩机级引入口从最低压力效应蒸发器传递，将蒸汽传递到另一个效应，在那里蒸汽被压缩并传递到后面的蒸发器和蒸馏过程。在蒸馏过程中，蒸馏的压力和高压蒸发效果优选地在共同的压力下操作，从而允许一个共同的压缩机。对于图1、2、3和4中描述的过程配置，暗含了蒸气压缩与蒸发的这种集成。
图7是示意图，其中部分II描述了一种过程，通过所述过程，蒸发产生的蒸汽蒸气传递到蒸馏中以驱动蒸馏过程，其中产生的醇蒸气在部分I的冷凝器中冷凝或传递到部分II的蒸气压缩。蒸发器蒸汽传递到压缩机级，其中压缩机级引入口中的蒸汽来自蒸发器的作用，并且压缩机的高压输出蒸汽将部分蒸汽传递回蒸发器作用，并将部分蒸汽传递回蒸馏。蒸馏过程的生物燃料/生物化学蒸气被传递到压缩机的引入口，其中高压生物燃料/生物化学蒸气传递到再沸器/蒸发器，并且产生的蒸汽传递到蒸馏。在蒸馏过程中，蒸馏的压力和高压蒸发效果优选地在蒸馏压力低于蒸发压力的情况下操作，从而允许蒸馏醇压缩蒸气压力输出和蒸发器蒸汽压缩蒸气输出具有共同的压力来驱动蒸馏。对于如图1、2、3和4中描述的过程配置以及可选的CHP，暗含了蒸馏蒸气压缩与蒸发蒸气压缩的这种集成。
图8是示意图，其中部分II描述了一种过程，通过所述过程，来自两相蒸馏系统的共沸物蒸气在部分I的冷凝器中冷凝或传递到部分II的蒸气压缩。来自两相蒸馏的共沸生物燃料/生物化学蒸气传递到压缩机级引入口中，并且压缩机的高压输出蒸气部分传递到再沸器/蒸发器的冷凝侧，其为水塔和两相蒸馏的另一部分产生蒸汽。蒸馏过程的剩余生物燃料/生物化学蒸气传递到压缩机的引入口，从而导致高压生物燃料/生物化学蒸气的输出传递到第二再沸器/有机蒸发器，其中产生的有机蒸气传递到有机蒸馏塔。对于如图1、2、3和4中描述的过程配置以及可选的CHP，暗含了两相蒸馏与驱动用于含水蒸馏的再沸器/蒸发的蒸气压缩和也驱动再沸器/有机蒸发器的蒸气压缩的这种集成。
图9是示意图，其中部分II描述了一种过程，通过所述过程，蒸馏蒸气被传递到蒸气压缩系统，在那里压缩的蒸馏塔顶产物蒸气的一部分传递到多效蒸发过程，其中共沸生物燃料或生物化学蒸气冷凝。产生的蒸汽返回到蒸馏，并且剩余的蒸气进一步压缩到脱水系统，其中生物燃料/生物化学产生的蒸汽的冷凝返回以驱动生物炼制或酿酒。对于图1、2、3、4、5、6和7中描述的过程配置，暗含了蒸馏蒸气压缩与脱水蒸气压缩的这种集成。
图10是示意图，其中部分III描述了一种过程，通过所述过程，来自湿饼(釜馏物)干燥器排气热的显热和可冷凝的水蒸气的一部分被重新捕获到再沸器-蒸发器，在那里蒸汽传递到蒸气压缩系统。然后来自再沸器-蒸发器的压缩蒸汽可以被传递到其他设备过程。对于图1、2、3、4、5、6、7、8和9中描述的过程配置，暗含了通过蒸气压缩来重新捕获干燥器排气热的可选集成。
当参考以下详细描述时，本发明的这些和其他实施例、特征和优点对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
具体实施方式
现在将以实现所要求保护的发明的方式，更详细地进一步描述本发明的某些实施例，使得本领域普通技术人员可以制造和使用本发明。本文对“发明”的所有引用应被解释为是指本专利申请中披露的非限制性实施例。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所用的表达条件、浓度、产率等的所有数字应理解为在所有情况下都由术语“约”来修饰。相应地，除非有相反指示，以下说明书和所附权利要求书中列出的数字参数是可以至少取决于具体分析技术而改变的近似值。任何数值固有地包含必然由在其相应的测试测量中存在的标准偏差而产生的某些误差。
如本说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个/一种(a/an)”和“the(所述)”包括复数的指示物。除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。如果在本节中列出的定义是与专利、公开的专利申请或通过引用并入的其他公开物中所列出的定义相反或在其他方面不一致，则本说明书所列出的定义优先于通过引用并入本文的定义。
与“包括”、“含有”或“特征在于”同义的术语“包含”是包括性或开放式的并且不排除额外的、未列举的元素或方法步骤。“包含”是权利要求语言中使用的专门术语，其意指所指定的权利要求要素是必要的，但可以添加其他权利要求要素并且仍然构成在所述权利要求的范围内的概念。
如本文所用，短语“由……组成”不包括未在权利要求书中指定的任何要素、步骤或成分。当短语“由……组成”(或其变型)出现在权利要求主体的条款中，而不是紧跟在前言之后时，所述短语仅限制所述条款中阐明的要素；整体上，其他要素并不排除在权利要求书之外。如本文所用，短语“基本上由……组成”将权利要求书的范围限制于指定的要素或方法步骤，加上不实质地影响所要求保护的主题的基础和一个或多个新颖特征的那些。
关于术语“包含”、“由……组成”以及“基本上由……组成”，当本文使用这三个术语之一时，当前披露的且要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任一个。因此，在未以其他方式明确叙述的一些实施例中，“包含”的任何实例可以替换成“由……组成”，或可替代地替换成“基本上由……组成”。
几十年来，蒸馏中蒸气压缩的概念已经被用于降低精炼的过程要求。其还已经广泛地用于海水淡化和过程蒸发。然而，这种能量回收方法很少用于生物发酵生产商的蒸馏过程。此外，热电联产(CHP)的选择尚未在生物燃料酿酒中得到广泛地使用，因为过程设计的进步已经将生产商的电力需求显著地降低至总加工能量的约五分之一，从而降低了激励因素。
在本说明书中，“MVR”意指机械蒸气再压缩，并且“TVR”意指热蒸气再压缩。“MVR/TVR”意指MVR和/或TVR。“蒸气压缩”、“蒸气再压缩”、MVR、TVR、MVR/TVR等的所有实例都意味着机械蒸气再压缩、热蒸气再压缩、或其组合。热蒸气再压缩还可以称为热压或蒸汽压缩。
本发明的一些变型基于这样的认识：生物发酵蒸馏中消耗的能量可以通过过程和系统配置来减少，所述过程和系统配置通过应用如本文披露的蒸气压缩和热电联产方法来循环蒸馏热。蒸气压缩和热电联产的组合优选地被配置为利用现有工艺设备投资的完全冗余改造。压缩通过回收否则会被拒绝的蒸发热来降低设备的总热过程能量需求，并且机械压缩中所需的机械能和/或热压缩中所需的热能可以可选地由热电联产方法来提供。可选的热电联产系统的电能和废热可以用于抵消设备的电力需求和过程热能需求。
本发明涉及蒸馏、压缩和可选的热电联产方法的组合，其中购买的电和热过程能量的总减少可以通过以最小化产生的每加仑产品的生产能量使用、成本和环境影响的方式平衡能量使用和转换来优化。从电力供应商购买的或通过自发电提供的过程电能与从供应者购买的过程热能燃料的比率可以通过考虑每种形式的能量相对于生产成本的成本和本发明可用的使用的减少来管理。本发明提供了通过可选的热电联产过程改变发电量的选择，以使用电力购买或自发电来优化过程效率，从而提供超出设备能力或强加证明这种购买合理的低效率的短缺或循环需求。热电联产系统的废热可以作为重新捕获的热量传递到蒸馏阶段内外的过程。
在一些情况下，本发明可以利用所提供的电力，并增加或取消可选的CHP系统。假如作为另一过程或系统的副产物产生的电力，或者更好地满足环境目标的电力，例如可以被使用，并且先前的CHP系统的效率和成本效益有利于其他益处。例如，对于排放的限制可能有利于太阳能、风能或公用电网提供的电力。在一些情况下，与CHP发电成本具有竞争力并通过消除CHP需求降低项目资本成本的非常低成本的公用电网电力可能更好地满足项目经济目标。最小化碳强度可能有利于利用可再生的低碳强度发电选项为蒸气压缩提供动力。
通过添加本发明，这些设备的过程热能使用中有意义的和可观的减少也将显著降低归因于设备过程的碳强度。在没有机械蒸气压缩的标准生物发酵酿酒中，蒸馏能量占总过程能量的40％至60％。当用于蒸馏、蒸发、脱水和干燥时，机械蒸气压缩通过封闭的热泵回收潜热，如例如在美国专利号4,340,446、4,422,903、4,539,076、4,645,569、4,692,218、4,746,610、5,294,304、7,257,945、8,101,217、8,101,808、8,114,255、8,128,787、8,283,505、8,304,588、8,535,413和8,614,077中所披露，其特此通过引用并入本文。当用于蒸馏、蒸发、脱水和干燥时，热蒸气压缩通过封闭的热泵回收潜热，如例如在美国专利号5,772,850、4,536,258和4,585,523中所披露，其特此通过引用并入本文。
在利用生物发酵的设备中，蒸馏通常是最大的能量消耗，因为必须稀释由微生物生产的啤酒。啤酒中的大量水分必须通过蒸馏从所希望产品中分离。通常，蒸馏系统由锅炉中燃烧燃料产生的蒸汽加热。从蒸馏系统收集的蒸气在冷凝器中冷却，在那里它们释放其冷凝潜热。这些能量被冷凝器的冷却水所消耗，而冷却水又将其热量释放到大气中。通过在蒸气引入冷凝器之前改变蒸气的路线，并通过压缩提高蒸气的压力和温度，迫使过热蒸气在再沸器中冷凝，冷凝的潜热可以被捕获并转移到用于产生蒸汽的水中。如图1、2、3和4所描述，这种来自再沸器的产生的蒸汽可以直接循环到蒸馏塔。
在一些实施例中，来自再沸器的产生的蒸汽可以用于驱动蒸发系统，其中蒸发效应中的压降可能需要额外的压缩，如图5所描述。在一些实施例中，蒸发和蒸馏可以由共同的压缩系统驱动，将蒸汽传递到与蒸馏在共同压力下操作的蒸发器，如图6所描述。在一些实施例中，蒸馏压缩机蒸气作为蒸发的一部分传递到再沸器，将蒸汽传递回蒸馏，并且蒸发将蒸汽传递到蒸馏，如图7所示。在一些实施例中，蒸馏蒸气在再沸器中部分冷凝，同时剩余的蒸气被压缩用于气相脱水，其中脱水的无水蒸气产物在再沸器中冷凝，同时产生的蒸汽传递回酿酒或生物炼制。在一些实施例中，两相蒸馏压缩机共沸物蒸气在两个再沸器之间平衡，其中一部分蒸气在一个再沸器中冷凝为水，这产生用于驱动含水蒸馏塔的蒸汽，并且剩余的压缩蒸气通过产生用于驱动有机蒸馏塔的有机蒸气而传递到另一个再沸器以使有机醇冷凝，如图8所示。
过去，驱动蒸气压缩机的高成本限制了可能获得的经济优势。具有集成热重新捕获功能的更高效电机已经变得可用，其用于发电以驱动电动压缩机驱动电机或直接驱动压缩机，极大地提高了工艺成本和效率。使用来自现有蒸汽产生系统的蒸汽来代替通过蒸气压缩产生的蒸汽可以允许电机增加它们在峰值效率下操作的时间，并且提供用于驱动热蒸气压缩的动力蒸气。由蒸气压缩不需要的过量发电提供的电力可以替代以前由公用事业供应的电力，并且电机热重新捕获可以提供额外的过程热。优化电机的效率，并且使用系统蒸汽和公用电力或由任何其他方式提供的电力来调节输出，可以实现优化的系统配置，其最小化总能耗、成本和二氧化碳排放。通过保留可以在改造蒸气压缩系统的维护期间操作的现有蒸汽发生和蒸馏系统，提高了系统可靠性。
在利用机械蒸气压缩的系统中，压缩的机械能典型地相当于没有压缩的相同蒸馏过程所需热能的约15％至20％。机械蒸气压缩的能量优势典型地将为约5:1，或者在各种实施例中，约3:1、4:1、5:1、6:1、7:1或更高。热能和电力的市场价值因市场而改变，其中电力成本和天然气热能成本显示出3:1至8:1的每单位能源历史成本关系。热能与电力之间的相对单位能源价格关系决定了机械压缩在蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的经济价值。压缩设备的投资成本是机械蒸气压缩相对于热蒸气压缩或标准蒸馏的经济优势的另一个决定因素。驱动机械压缩系统的高电气成本可能超过由热能需求减少提供的节约。较低的资本成本和低的热能成本可能有利于热蒸气压缩。
在利用热蒸气压缩的系统中，压缩的热能典型地相当于没有蒸气压缩的相同蒸馏过程所需热能的约40％至70％。热蒸气压缩的能量优势典型地将为约1.5:1，或者在各种实施例中，约1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1或更高。
每单位能量的电力成本与每单位能量的热天然气成本的典型高比率支持在生物发酵酿酒加工中使用高效的热电联产。通常，可以比本地公用事业提供商可得的电力价格更低的成本来发电，并且来自发动机的废热很容易被引入设备内的许多过程，这些过程需要的热能不包括在蒸馏阶段。最近，可再生发电技术的进步鼓励使用太阳能和风力发电，以及废物转化为能源技术，像气化和厌氧消化，从而为蒸气压缩系统提供动力选择，相对于更传统的发电技术，所述蒸气压缩系统可能具有成本和环境优势。
在优选的实施例中，本发明将通过使用热电联产系统降低机械能成本所提供的优势与通过机械蒸气压缩实现的蒸馏系统所需的降低的热能结合起来。所述设计的优化在当前能源定价与能源定价和环境监管的预期未来趋势之间取得了平衡。本发明集中于蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的机械蒸气压缩以及热电联产的集成，为主要部件的设计和尺寸确定以及来自热电联产的废热的利用提供了多种选择。提供了几个实例来说明利用蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的机械蒸气压缩以及热电联产的集成系统的可能配置。
本发明的一些变型提供了一种改进酿酒或生物炼制的方法，其中所述酿酒或生物炼制将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中所述生物燃料或生物化学物质通过蒸馏纯化，所述方法包括：
(i)引入包括机械蒸气再压缩(MVR)单元和/或热蒸气再压缩(TVR)单元的蒸气压缩单元，以回收潜热并减少所述酿酒或生物炼制中的过程热能使用；并且
(ii)可选地引入具有CHP发动机的热电联产(CHP)系统，以提供用于驱动蒸气压缩单元的机械能、电能和/或热能，其中CHP发动机的残余废热抵消了酿酒或生物炼制中的过程热能使用，
其中蒸气压缩单元与可选的CHP系统的集成被平衡，以优化过程能量需求、过程碳强度和/或过程能量成本。
本发明的一些变型提供了一种改进酿酒或生物炼制的方法，其中所述酿酒或生物炼制将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中所述生物燃料或生物化学物质通过蒸馏纯化，所述方法包括：
(i)引入机械蒸气再压缩(MVR)单元以回收潜热并减少酿酒或生物炼制中的过程热能使用；
(ii)引入热蒸气再压缩(TVR)单元以进一步回收潜热并进一步减少酿酒或生物炼制中的过程热能使用；并且
(ii)可选地引入具有CHP发动机的热电联产(CHP)系统，以提供用于驱动MVR单元的机械能和电能以及用于驱动TVR单元的热能，其中CHP发动机(当CHP系统存在时)的残余废热抵消了酿酒或生物炼制中的过程热能使用，
其中MVR和TVR单元与可选的CHP系统的集成被平衡，以优化过程能量需求、过程碳强度和/或过程能量成本。
在一些实施例中，所述蒸气压缩单元包括多个机械或热蒸气压缩机，其中来自所述蒸馏的级联热与多个釜馏物蒸发集成，并且其中压缩的生物燃料或生物化学蒸气和产生的蒸汽返回到所述蒸馏。
在一些实施例中，所述蒸气压缩单元包括多个机械或热蒸气压缩机，其中来自所述蒸馏的级联热与包括第一蒸发器的多个釜馏物蒸发集成，其中来自所述第一蒸发器的压缩蒸汽可选地在所述蒸馏与多个釜馏物蒸发的一部分之间分流，并且其中所述蒸馏和多个釜馏物蒸发的至少一部分在相等或接近相等的压力下操作，从而允许压缩机级在所述蒸馏与所述多个釜馏物蒸发之间级联蒸发热。
在一些实施例中，所述蒸气压缩单元包括多个机械或热蒸气压缩机和/或包括多个蒸气喷射头的TVR单元，其中来自所述蒸馏的多个釜馏物蒸发的级联热与来自至少一个再沸器-蒸发器(例如，来自其输出被组合的两个或更多个再沸器-蒸发器)的蒸汽的压缩集成，以驱动所述蒸馏和部分蒸发，其中所述蒸馏和所述部分蒸发被操作使得蒸发压力高于蒸馏压力，从而允许压缩机级将所述蒸发热级联到所述蒸馏中。
在一些实施例中，蒸气压缩单元包括多个机械或热蒸气压缩机，其中来自蒸馏的级联热被部分再压缩到再沸器，在那里冷凝的蒸馏塔顶产物被回收用于回流，并且剩余的蒸气被传递到脱水，同时蒸气的压力足以(可选地，使用额外的压缩机)根据需要升高压力以驱动脱水。
所述蒸气压缩单元的尺寸或操作采用标准蒸汽发生器，以减少所述蒸馏中所需的热能，并且其中由于所述蒸气压缩单元回收的能量导致蒸汽能量需求减少，所述标准蒸汽发生器以降低的速率操作。
可选的CHP发动机的尺寸或操作与(i)MVR单元(如果存在的话)的机械需求；(ii)TVR单元(如果存在的话)的热需求；和(iii)酿酒或生物炼制的热能需求相一致。当TVR单元存在时，TVR单元和酿酒或生物炼制的至少一些热能需求可选地由被CHP系统回收的废热提供。
蒸气压缩单元与可选的CHP系统的集成使得在酿酒或生物炼制中使用过程燃料能量和电能单价达到平衡。例如，基于过程燃料能量和电能的相对市场定价，过程能量成本可以被最小化。可选地，总过程能量没有被最小化。
蒸气压缩单元与可选的CHP系统的集成通过选择性使用电力和热燃料使酿酒或生物炼制的碳强度最小化，从而使过程能量的总碳强度最小化。在一些实施例中，基于过程燃料能量和电能的相对市场定价以及分配给热和电过程能量生命周期的单个碳强度，过程能量成本没有被最小化。
本发明还提供了一种包括或适用于任何所披露方法的过程。生物燃料或生物化学物质可以选自由以下组成的组：甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、正丁醇、异丁醇、2-丁醇、叔丁醇、丙酮、及其组合。生物燃料或生物化学物质还可以选自有机酸，如乳酸、高级醇(例如C5+醇)、烷烃等。如本文所用，“生物燃料”、“生物化学物质”、“生物燃料/生物化学物质”等应指一种或多种感兴趣的发酵产品。副产品包括但不限于DDG、DDGS、糖、木质素、釜底物和能源。
此外，本发明提供了被配置为执行所披露方法的系统。一些变型提供了包括这种系统的酿酒或生物炼制。所述系统可以是对现有设备的改造。在其他实施例中，生物炼制是绿地设备。
在各种实施例中，生物质原料可以选自农作物和/或农业残余物。在一些实施例中，农作物选自含淀粉的原料，如玉米、小麦、木薯、水稻、马铃薯、小米、高粱、或其组合。在一些实施例中，农作物选自含蔗糖的原料，如甘蔗、甜菜、或其组合。
木质纤维素生物质也可以用作生物质原料。木质纤维素生物质包括例如，植物和植物来源的材料、植被、农业废弃物、林业废弃物、木材废弃物、纸张废弃物、动物来源的废弃物、家禽来源的废弃物以及城市固体废弃物。在本发明的各种实施例中，生物质原料可以包括选自以下的一种或多种材料：木材收获残余物、软木碎片、硬木碎片、树枝、树桩、节子、树叶、树皮、锯末、不合格纸浆、纤维素、玉米、玉米秸秆、麦秸、稻草、甘蔗渣、柳枝稷、芒草、动物粪便、城市垃圾、城市污水、商业废弃物、葡萄浮石、杏仁壳、山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、草颗粒、干草颗粒、木材颗粒、纸板、纸张、碳水化合物、塑料和布料。例如，可以使用含淀粉和/或含蔗糖的原料与纤维素原料的混合物。
一些变型提供了一种配置用于酿酒或生物炼制的节能系统，其中所述酿酒或生物炼制能够将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中所述酿酒或生物炼制包括配置为纯化所述生物燃料或生物化学物质的蒸馏，所述系统包括：
(i)包括机械蒸气再压缩(MVR)子系统和/或热蒸气再压缩(TVR)子系统的蒸气压缩单元，其被配置为回收蒸馏、蒸发、脱水和/或干燥中的潜热并减少酿酒或生物炼制中的过程热能使用；以及
(ii)可选地，具有CHP发动机的热电联产(CHP)子系统，其被配置为提供用于驱动蒸气压缩单元的机械能、电能和/或热能，
其中可选的CHP子系统和蒸气压缩单元被集成和配置为使得CHP发动机的残余废热抵消酿酒或生物炼制中的过程热能使用。
一些变型提供了一种配置用于酿酒或生物炼制的节能系统，其中所述酿酒或生物炼制能够将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中所述酿酒或生物炼制包括配置为纯化所述生物燃料或生物化学物质的蒸馏，所述系统包括：
(i)机械蒸气再压缩(MVR)子系统，其被配置为回收蒸馏、蒸发、脱水和/或干燥中的潜热并减少酿酒或生物炼制中的过程热能使用；
(ii)热蒸气再压缩(TVR)子系统，其被配置为回收蒸馏、蒸发、脱水和/或干燥中的潜热并进一步减少酿酒或生物炼制中的过程热能使用；以及
(iii)可选地，具有CHP发动机的热电联产(CHP)子系统，其被配置为提供用于驱动MVR单元的机械能和电能以及用于驱动TVR单元的热能，其中可选的CHP子系统与MVR和TVR单元被集成和配置为使得CHP发动机的残余废热抵消酿酒或生物炼制中的过程热能使用。
在一些实施例中，所述蒸气压缩单元包括多个MVR和/或TVR压缩机，其中来自所述蒸馏的级联热与多个釜馏物蒸发集成，并且其中压缩的生物燃料或生物化学蒸气和产生的蒸汽返回到所述系统中的所述蒸馏。
在某些实施例中，蒸气压缩单元包括多个MVR和/或TVR压缩机，其中来自蒸馏的级联热与包括第一蒸发器的多个釜馏物蒸发集成，其中来自第一蒸发器的压缩蒸汽可选地在蒸馏与多个釜馏物蒸发的一部分之间分流，并且其中压缩机级被配置为在蒸馏与多个釜馏物蒸发之间级联蒸发热。
在一些实施例中，蒸气压缩单元包括多个MVR和/或TVR，其中来自蒸馏的多个釜馏物蒸发的级联热与来自至少一个再沸器-蒸发器的蒸汽的压缩集成，以驱动蒸馏和部分蒸发，并且其中压缩机级被配置为将蒸发热级联到蒸馏中。
MVR单元可以配置有标准蒸汽发生器，以减少蒸馏中所需的热能。可选的CHP发动机的尺寸与(i)MVR单元的机械需求和(ii)酿酒或生物炼制的热能需求相一致。由CHP系统回收的废热可选地提供了酿酒或生物炼制的至少一些热能需求，并且当与MVR单元一起存在时，可以驱动可选的TVR单元。
TVR单元可以配置有标准蒸汽发生器，以减少蒸馏中所需的热能。可选的CHP发动机的尺寸与(i)TVR单元的热需求和(ii)酿酒或生物炼制的热能需求相一致。由CHP系统回收的废热可选地提供至少一些动力蒸气以驱动TVR蒸气喷射头和/或提供酿酒或生物炼制的热能需求。
术语“酿酒”、“酿酒过程”和“酿酒设备”在本文中是指一种生物发酵设备或过程，其中原始生物质经过通向发酵阶段的阶段进行处理，并且然后使用蒸馏分离、蒸发和脱水作为产品纯化的至少一个阶段来分离发酵产物。术语“生物炼制”在本文中是指一种设备或过程，其中原始生物质经过通向发酵阶段的阶段进行处理，并且然后使用蒸馏分离作为产品纯化的至少一个阶段来分离发酵产物，其中发酵产物可以是任何生物燃料或生物化学物质，并且其中生物质原料可以是木质纤维素生物质。在一些实施例中，本说明书中的“酿酒”的所有实例可以用“生物炼制”代替，并且反之亦然。
术语“总过程能量”在本文中是指通过燃烧燃料来提高过程蒸汽所需的热能，或通过燃烧燃料来直接加热过程所需的热能，加上用于泵送、搅拌、研磨等的机械动力所需的电能。
术语“在蒸馏、蒸发、脱水和干燥中添加机械蒸气压缩”和“添加热电联产”在本文中是指对使用标准热驱动酿酒过程的标准酿酒或生物炼制进行改造或扩建，使酿酒或生物炼制通过将蒸气转移到集成在酿酒或生物炼制中的机械蒸气压缩系统(包括热电联产系统)中的选择而增强。
术语“蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的机械蒸气压缩”、“蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的热蒸气压缩”和“集成的热电联产”在本文中分别是指机械蒸气压缩、蒸气喷射压缩和热电联产的添加，以提供以机械蒸气压缩和/或热蒸气压缩、由原始系统产生的标准过程蒸汽，以及热电联产的各种组合进行操作的能力，从而从每个添加的过程(即，蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的机械蒸气压缩和/或热蒸气压缩，以及热电联产)获得最大优势。
术语“生物发酵酿酒过程阶段”，如在本文中的每个示意性流程图(图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10)中所发现，通常是指如下阶段1至9：
阶段1：研磨阶段或装置，其通过用暴露原料内部的碾磨或挤压过程物理分割原料来处理生物质；
阶段2：蒸煮阶段，其使用控制温度、压力、搅拌和用酸性或碱性化学物质和/或酶(例如淀粉酶或纤维素酶)进行特殊化学调理的各种组合，将多糖破碎成葡萄糖苷；
阶段3：热交换器阶段，其将蒸煮溶液冷却至发酵温度，并且相反地将发酵后产物加热至蒸馏温度；
阶段4：发酵阶段，其中蒸煮溶液具有引入的生物试剂，以将糖发酵成一种或多种所希望的生物化学产物；
阶段5：蒸馏阶段，在发酵产物已经在阶段3的热交换器中预热之后，其中生物化学塔顶产物与发酵水分离；
阶段6：冷凝阶段，其中来自蒸馏阶段5的蒸气被传递到冷却系统，在那里潜热被丢弃，或者其中蒸气被机械压缩以回收潜热并将热量级联到或从阶段7和阶段8级联；
阶段7：蒸馏或含水蒸馏阶段5的底部产物的釜馏物处理阶段，用于回收发酵的湿副产物，其有待用可能的干燥和潜在的蒸发进一步处理以浓缩稀釜馏物；
阶段8：来自蒸馏阶段5的生物化学产物的可选的脱水阶段，在蒸馏阶段5不能充分地将生物化学物质从发酵水中分离以达到所希望纯度的情况下；以及
阶段9：可选的存储阶段，其中高级生物化学试剂进入存储，在生物化学产物没有立即从设备运走的情况下(例如，在没有直接泵入油罐车或轨道机动车的情况下)。
本文中的“一般酿酒过程”总的来说是指所有需要呈热/蒸汽或机械/电形式的能量的许多阶段，其中热能和机械能部分或全部由热电联产设备供应。未从热电联产设备提供的那部分能量源自从供应商处购买的或自发电或燃料，如将在没有蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的机械蒸气压缩和/或没有热电联产的设备中，或者在没有使用蒸馏、蒸发、脱水和干燥中的蒸气压缩和/或热电联产的情况下所见。
除了作为阶段5的蒸馏之外，酿酒中的过程能量分布取决于前述阶段1至阶段9，其中使用机械蒸气压缩降低了用于蒸馏、蒸发和可选脱水的热蒸汽能量。蒸馏通常代表酿酒中最大的能量消耗阶段，并且因此为降低整个过程的总能量提供了最大的潜在机会。除了阶段5中蒸馏的机械能和热能需求之外，其他阶段需要较少量的机械能和/或热能，这可以通过热电联产系统来满足。
可用于向酿酒和干燥器供应由热电联产系统产生的热-机械能的不同选项的实例在图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10中的十个示意图中示出。热电的热和机电分布被提出了用于酿酒阶段的各种用途。在这些附图中，相同的数字是指相同的装置、流或单元操作。
本发明的一些实施例在图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10中示出，具有共同的过程路径，其中过程流出物流从储存在箱1中的原始生物质开始，该箱经由输送导管2将生物质基质输送到研磨/挤压过程3，其使基质变成具有合适尺寸的生物质粉，使得原始生物质的内部部分被暴露用于化学转化和加工。生物质粉经过具有附加化学物质(其可以包括例如酸或酶试剂)的导管4，并最终到达容器6中的蒸煮过程。
从导管4经过的生物质粉通过过程管线5与过程用水混合，在此混合的粉和过程用水进入蒸煮容器6。在蒸煮容器6内，温度/压力的施加由过程蒸汽管线7输送，并且蒸煮容器6中的化学物质，在搅拌系统8的帮助下进行化学转化为可发酵的糖类。
来自蒸煮容器6的化学转化的浆液的产物经由过程管线9传递到热交换器10，在那里投入到蒸煮过程中的热量在发酵之前被除去，因为发酵典型地在比蒸煮更低的温度下发生。在热交换器10中冷却后，蒸煮浆液由经由阀系统12控制的过程管线11运输，在那里蒸煮浆液传递到一组发酵罐13，其可以被构造成具有搅拌系统14的分批或连续发酵系统。
含有所希望的生物化学产物和其他副产物的水溶液的最终发酵产物经由阀控制管线15传递到过程管线16，在那里发酵的生物化学产物经由热交换器10被加热，该热交换器将热量从进入发酵系统的高温蒸煮浆液传递到发酵产物，所述发酵产物离开发酵系统，经由过程管线17传递到蒸馏系统18(图1至7)或18a(含水蒸馏系统，图8)。在图8中，蒸馏系统18(a,b)包括含水蒸馏系统18a和有机蒸馏系统18b。
蒸馏系统18或18(a,b)进一步处理水发酵溶液，以进一步从水中分离所希望的生物化学产物。蒸馏系统18或18(a,b)产生塔顶产物，其具有在一些实施例中接近与水的共沸物的生物化学产物组成，或者可能接近关于所希望生物化学产物的纯度。共沸物或几乎纯的生物化学产物作为蒸气经由蒸气管线19或19(a,b)流出蒸馏系统。蒸馏蒸气管线19或19(a,b)通向两条不同的过程路径。现有过程路径标有“部分I”。改造或增强系统标有“部分II”和“部分III”。
在部分I中，蒸气传递到标准蒸馏冷凝器20，其中冷凝的蒸馏塔顶产物经由液体管线21传递到保持回流罐22(图1至图7和图9中的回流罐，以及图8中的相分离罐)。
蒸馏冷凝器系统20由冷却系统23(冷却塔)冷却。来自冷却系统20的冷却水经由管道24传递到循环泵25，该循环泵通过阀控制管道26将冷却水泵送到冷凝器20，之后冷却水经由管道27返回到冷却系统23。
离开冷凝器的蒸馏塔顶产物经由液体管线29(a,b)传递到回流罐/缓冲罐，并且然后作为回流传递到蒸馏系统18(a,b)。塔顶产物的至少一部分作为单相共沸物(如图1至7和9所示)传递回到蒸馏18。在一些实施例中，可相分离的共沸物的至少一部分(如图8所示)作为总的塔顶产物传递，经由基于相分离的两个分离的流，传递回到蒸馏塔；重含水相经由液体管线29a传递到含水蒸馏18a，并且轻有机相经由液体管线29b传递到有机蒸馏18b。图1至图7和图9中的单相实例具有来自蒸馏系统18的冷凝蒸馏塔顶产物的剩余部分，其没有传递，因为回流是最终产物(纯的或接近纯的生物化学物质或与水的共沸物)，其经由液体管线30传递到脱水系统54。
蒸馏系统18或18(a)的底部产物(含有作为釜馏物的重质组分)经由液体管线31传递到泵32，在这里液体经由管线33传递，该管线通向两条潜在的路径，其中其经由液体管线33在最终底部产物之间分流，或者经由一个或多个液体管线48(a,b)通过一个或多个再沸器-冷凝器43(a,b)循环，同时差值经由液体管线34离开蒸馏系统18或18(a)，其中釜馏物可选地进一步加工以回收具有商业价值的副产物。稀釜馏物返回到再沸器43(a)和43(b)，从而导致稀釜馏物传递到管线48(d)和48(e)，并且来自产生的蒸汽的再沸器冷凝物作为冷凝物经由管线48(c)传递到蒸煮阶段。
蒸馏系统18或18(a,b)可以部分地由蒸汽发生器35热驱动，其中生产蒸汽经由具有控制阀37(潜在地服务于系统中的其他热需求，如蒸汽管线7)的蒸汽管线36，传递到蒸煮过程。蒸汽发生器35经由燃料管线200被供给燃料。双向蒸汽管线38经由蒸汽管线53形成蒸汽发生器35与来自热电联产系统52的潜在废热之间的连接。蒸汽管线39由阀40控制，以输送蒸汽来潜在地驱动蒸馏系统18(a)。
在部分II中，蒸馏系统18或18(a,b)的塔顶产物经由一个或多个蒸气管线19或19(a,b)传递，其潜在地与冷凝器系统20分流，传递到可选的蒸气管线41(a)用于单相蒸馏或者41a和41b用于两相蒸馏系统，然后传递到压缩机42(a)用于单相蒸馏或者42a和42b用于两相蒸馏。一个或多个压缩机42(a,b)从发动机驱动器50接收机械能，从而经由产生机械-电能的管线201接收燃料，以满足所述一个或多个压缩机的需求和/或设备过程中的电力需求，或者经由蒸汽/蒸气管线87的动力蒸气能量。
在图5中，压缩机42(a)压缩通过蒸气管线42的富含生物燃料/生物化学物质的馏出物蒸气。压缩的蒸气传递到再沸器-冷凝器43(a)，在那里它们在比蒸馏18的釜馏物底部产物更高的温度下冷凝，经由液体管线48(a)由泵33泵送到再沸器-冷凝器43(a)。釜馏物底部产物在再沸器-冷凝器43(a)中沸腾，从而与经由蒸汽管线49传递的蒸汽一起形成蒸汽，以驱动和满足蒸馏系统18的热需求。
在图9中，压缩机42a压缩传递到再沸器-冷凝器43a的富含生物燃料/生物化学物质的釜馏物蒸气的一部分，在那里它们在比蒸馏18的釜馏物底部产物更高的温度下冷凝，同时剩余的富含生物燃料/生物化学物质的釜馏物蒸气传递到可选的压缩机42b，并且然后传递到脱水蒸气管线61进行气相脱水。
图1至图7和图9中用于单相蒸馏的一个或多个再沸器-冷凝器43或43(a)冷凝物，以及图8中用于相分离蒸馏的一个或多个再沸器-冷凝器43a和43c冷凝物，作为接近纯的生物化学物质或共沸物，经由液体管线44传递到图1至图7和图9中的压缩侧回流罐45或图8中的相分离罐45。冷凝的纯的或共沸的生物化学产物作为回流经由液体管线46传递到蒸馏系统18，其中剩余部分是图1至图7和图9中用于单相蒸馏的最终塔顶产物，或者经由管线46在图8中回流到两相蒸馏中的18b。两相共沸物的冷凝物经由管线46与轻质液体分离到有机蒸馏塔18b，并且经由液体管线30与重质含水混合物分离到含水蒸馏塔18a。
图1至图7和图9中具有压缩机侧回流罐45的单相蒸馏经由液体管线47将残余冷凝物作为最终蒸馏塔顶产物传递到脱水系统54，在那里，图9可以经由42b将所有最终生物燃料或生物化学物质作为压缩蒸气传递到蒸气管线61进行脱水。
图8中的两相蒸馏系统实例经由液体管线47将来自有机蒸馏塔18b的最终生物化学底部产物传递到再沸器43c(再沸器/有机蒸发器)，并经由液体管线54传递到再沸器55。在再沸器43c中产生的有机蒸气经由蒸汽管线46传递到有机蒸馏塔18b，并且蒸气经由蒸汽管线61从再沸器55传递到有机蒸馏塔18b。未传递到再沸器42c和55的剩余的最终生物化学产物经由液体管线73传递到生物化学储存罐74。
驱动热电联产系统50的发动机经由管线91、42(a,b,c)为一个或多个压缩机产生机械动力和/或为蒸气喷射头的动力蒸气产生热能，并经由发电机102为蒸馏系统产生电力。来自发动机的废热经由热导管51提供了驱动酿酒的热能来源。
蒸气发生器90产生蒸气，经由管线91传递，用于驱动热蒸气压缩机42。来自发动机的废热提供了热能来源，以经由管线92驱动热蒸气压缩机42，并提供了热源以经由管线51驱动酿酒。
来自热电联产系统50的废热经由管道/导管系统51传递到直接使用热量的点，或者传递到热交换器52。热交换器52可以从热回收蒸汽发生器(HRSG)产生蒸汽，其中回收的热量经由蒸汽管线51作为蒸汽传递，并且其中产生的蒸汽经由蒸汽管线53满足整个酿酒的蒸汽需求。蒸汽管线53连接到通向蒸馏系统18(a)的蒸汽管线39。
蒸汽管线38连接到驱动蒸煮罐6的蒸汽管线7，并连接到驱动共沸脱水蒸发器55的蒸汽管线56。由此，来自热电联产系统50的废热提供了蒸煮过程、蒸馏过程和/或脱水系统中所需的热能。
对于图1至图7，当共沸物需要进一步除去水以达到所希望的生物化学产物质量时，单相蒸馏塔顶产物经由液体管线30和47传递到变压气相分子筛脱水或其他最终脱水系统。此系统经由管线54接收共沸产物。从蒸馏移动到脱水系统的液体或蒸气共沸产物应当是在增加的压力下蒸发或过热的蒸气，这发生在热交换器55(蒸汽驱动的有机蒸发器)中。当共沸物经由管线54蒸发或过热时，经由管线56的蒸汽冷凝，其中共沸物蒸气经由蒸气管线61传递到脱水系统。驱动蒸发器热交换器55的过程蒸汽冷凝并且液体冷凝物经由传递到循环泵58的冷凝物管线57循环到蒸汽发生器35，和/或废热驱动蒸汽发生器(HRSG)53。循环冷凝物经由冷凝物管线59传递到蒸汽发生器35和/或经由冷凝物管线60移动到废热驱动HRSG 52。
如图8所示，两相蒸馏经由液体管线47传递来自有机蒸馏塔18(b)的最终有机产物。最终产物传递到再沸器43c(再沸器/有机蒸发器)，其中产生蒸气，以经由蒸气管线46c驱动有机蒸馏塔18b，同时剩余的有机产物传递到液体管线54。经由管线54移动的最终有机液体产物传递到再沸器55(蒸汽驱动的有机蒸发器)，其产生经由蒸气管线46b传递的蒸气，该蒸气管线将蒸气传递到蒸气管线46c，该蒸气管线将蒸气传递到有机蒸馏塔18b。驱动蒸发器热交换器55的过程蒸汽冷凝并且液体冷凝物经由传递到循环泵58的冷凝物管线57循环到蒸汽发生器35，和/或废热驱动蒸汽发生器(HRSG)53。循环冷凝物经由冷凝物管线59传递到蒸汽发生器35和/或经由冷凝物管线60移动到废热驱动HRSG 52。
在图1至图7和图9的单相蒸馏系统中，产生与过量水的共沸物，加压共沸物蒸馏塔顶产物被传递到气相脱水系统。脱水系统被描述为三瓶系统，尽管瓶的数量可以是两个或更多个。所述脱水系统经由三阀系统传递加压蒸气，其中瓶子之一处于脱水模式，而其他两个可替代瓶子在低压下再生。这三个瓶子以循环方式循环，其中每个瓶子基于脱水介质的容量使用一段时间，而可替代瓶子通过应用真空来再生以回收捕获的水。脱水产物的一部分用于反冲再生瓶，因此当捕获的水被去除后，再生瓶可以重新投入使用。
图1至图7和图9中的脱水系统经由蒸气管线61将加压蒸气传递到控制阀系统62a/62b/62c，其中打开的阀将加压蒸气传递到适当的蒸气管线63a/63b/63c，该蒸气管线将产物传递到脱水瓶64a/64b/64c，其在操作期间使用。脱水产物作为无水生物化学产物经由出口控制阀65a/65b/65c通过脱水瓶传递到蒸气管线66。
被再生的脱水瓶传递来自一个活性瓶的脱水蒸气的一部分来反冲再生瓶。低压瓶由控制阀67a/67b/67c控制，同时含有再生水蒸气和反冲无水产物的混合物的再生蒸气经由蒸气管线68传递。再生由真空泵系统69驱动，其中蒸气经由管线70泵送。脱水再生产物经由管线71返回到蒸馏系统18，用于再蒸馏含有反冲产物的再生产物。
来自脱水的最终无水生物化学产物作为蒸气传递到无水冷凝器再沸器72，其中最终产物被冷凝并经由液体管线73传递到储存罐74(例如，无水生物化学罐)。无水冷凝器经由冷凝水管线75由冷凝器水冷却，其中热水在再沸器72中蒸发成蒸汽，同时蒸汽经由管线蒸汽管线75传递，并且其中蒸汽可以用于驱动酿酒的热需求。
过程蒸汽锅炉35具有经由水管线300和/或301添加到冷凝物返回管线60和/或75中的补充水。
在部分III中，干燥滚筒80经由来自燃烧燃烧器或加热滚筒的加热废气接收干燥热量。载有水蒸气的干燥器废气传递通过管线81，该管线连接到从管线302进料补充水的再沸器-蒸发器82，其从废气中重新捕获废热，同时部分冷凝，其中冷凝物作为过程用水经由管线83传递。再沸器-蒸发器82中的补充水沸腾，形成经由管线84传递到压缩机85的低压蒸汽，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所描绘，或者经由管线87由从蒸汽发生器35产生的动力蒸汽驱动的蒸气喷射头85，这提高了经由管线86传递到过程蒸汽管线76的蒸汽的压力和/或温度，用于满足设备过程要求。
购买或自发电100用于满足研磨/挤压、蒸煮搅拌、发酵搅拌和泵送101的过程电力需求。经由管线201消耗燃料的热电联产系统50产生电力102，其抵消其他电力需求100。从热电联产系统50捕获的热能经由HRSG 52产生蒸汽，其抵消经由管线200提供燃料的蒸汽发生器35中消耗的燃料。经由管线201从热电联产中回收的废热部分减少了蒸汽发生器35所需的燃料200。
热电联产系统提供局部机械/电能201和回收的废热能52，其中酿酒的机械/电力需求可以经由电力线102通过使用局部能量生产来满足。在机械蒸气压缩压缩机42中消耗的机械能通过减少通向蒸馏18的蒸汽管线40中的蒸汽需求来减少酿酒的热能需求，和/或蒸气喷射头42的热蒸气压缩减少通向蒸馏18的管线40中的酿酒的热能需求。当化合物MVR-CHP部分II被操作时，蒸汽发生器35中以前或以其他方式通过消耗燃料200产生的蒸汽中的大部分由在一个或多个再沸器43(a,b)中重新捕获的热量产生的蒸汽提供，否则所述蒸汽将在标准酿酒部分I标准操作中损失到冷却塔23。操作部分II提供了所需燃料200和电力100两者的净减少。发动机/CHP中消耗的燃料驱动一个或多个压缩机42(a,b)，并产生过量的电力102以满足设备需求，从而抵消先前或以其他方式购买的电力100以满足设备需求—从而降低燃料和电力两者的能量需求。
参照上述阶段1至9，图1的实例优选地确定热电联产系统的尺寸，以产生机械能和电能来驱动阶段5中的机械蒸气压缩。蒸馏的热能大大减少，并且超过驱动蒸气压缩系统的压缩机所需量的电能被用于产生电力。此电力服务于其他阶段的电力需求，这些阶段需要机械能，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图1示出了来自用于通过热回收和蒸汽产生来产生蒸汽的热电联产系统的热量，其中蒸汽被传递到潜在的所有其他热密集型阶段，如阶段2中的蒸煮、阶段5中的蒸馏和阶段7中用于副产物干燥(对于未被机械蒸气压缩抵消的任何蒸汽)和/或阶段8中的脱水。通过这种方法，热电联产可以被定尺寸为在蒸气压缩中提供如所需的机械能，同时剩余功率抵消蒸馏阶段否则更昂贵的电成本。所得的废热满足但不超过热密集型阶段的其他热-蒸汽需求。
与图1类似，图2的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5中的机械蒸气压缩，其中蒸馏的热能大大减少，并且超过驱动蒸气压缩的压缩机的需求的电能用于产生电力，其用于服务需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图2示出了来自用于通过热回收和蒸汽产生来产生蒸汽的热电联产系统的热量的分流，其中蒸汽被传递到潜在的所有其他热密集型阶段，如阶段2中的蒸煮、阶段5中的蒸馏(对于未被机械蒸气压缩抵消的任何蒸汽)和/或阶段8中的脱水。在阶段7中，热电联产系统的部分废热可以被直接传递到酿酒釜馏物的干燥副产物，并通过蒸气压缩从废气中回收的热量产生蒸汽。
与图1和图2类似，图3的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5中的机械蒸气压缩，其中蒸馏的热能大大减少，并且超过驱动蒸气压缩的压缩机所需量的电能服务于需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图3示出了来自热电联产系统的热量，所述热电联产系统用于通过使用来自动力系统的加热的冷却水，或者通过使用直接和非接触热交换的组合来预热过程用水，来直接预热过程用水，其中阶段2中的蒸煮已经降低了热需求和/或使用动力系统废热来直接干燥阶段7中的酿酒釜馏物的副产物，并通过蒸气压缩从废气中回收的热量产生蒸汽。
与图1和图2类似，图4的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5中的机械蒸气压缩，其中蒸馏的热能大大减少，并且电能可以小于或等于驱动蒸气压缩系统的压缩机所需的量，留下很少或没有剩余的电来服务于需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图4示出了来自用于通过蒸汽产生的热回收来产生蒸汽的热电联产系统的热量，其中蒸汽然后通过发电的蒸汽涡轮机，其中涡轮机的低压阶段将废蒸汽传递到潜在的所有其他热密集型阶段，如阶段2中的蒸煮、阶段5中的蒸馏(对于未被机械蒸气压缩抵消的任何蒸汽)和阶段8中的脱水，并且蒸汽涡轮机电力用于满足需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。
与图1、2、3和4类似，图5和图6的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5和阶段7中的机械蒸气压缩，其中蒸馏和蒸发的热能大大减少，并且产生的电能可以小于或等于驱动蒸气压缩系统的压缩机所需的量，留下很少或没有剩余的电来服务于需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图5示出了阶段5中通过压缩进行的蒸馏将潜热传递到阶段7中的多效蒸发，用于浓缩来自阶段5的烯釜馏物底部产物，并且来自最终蒸发效果的级联蒸汽是机械蒸气压缩的一部分，其将蒸汽再循环回蒸馏阶段5。来自热电联产的废热被分布以满足蒸煮过程阶段2、蒸馏阶段5、干燥阶段7(通过蒸气压缩从废气的回收热量产生蒸汽)和脱水阶段8的热需求。
与图1、2、3和4类似，图7的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5和阶段7中的机械蒸气压缩，其中蒸馏和蒸发的热能大大减少，并且产生的电能可以小于或等于驱动蒸气压缩系统的压缩机所需的量，留下很少或没有剩余的电能来服务于需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图7示出了阶段5中通过压缩进行的蒸馏将潜热传递到阶段7中的多效蒸发，用于浓缩来自阶段5的烯釜馏物底部产物，并且来自再沸器-蒸发器以及最终蒸发效果的级联蒸汽是机械蒸气压缩的一部分，其将蒸汽再循环回以驱动蒸馏阶段5。来自可选的热电联产的废热被分布以满足蒸煮过程阶段2、蒸馏阶段5、干燥阶段7(其中通过蒸气压缩从来自废气的回收热量产生蒸汽)和脱水阶段8的热需求。
与图1、2、3和4类似，图8的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5和阶段7中的机械蒸气压缩，其中蒸馏和蒸发的热能大大减少，并且产生的电能可以小于或等于驱动蒸气压缩系统的压缩机所需的量，留下很少或没有剩余的电能来服务于需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。图8示出了阶段5中通过压缩进行的蒸馏将潜热传递到阶段7中的多效蒸发(其包括两个独立的再沸器)，同时浓缩来自阶段5的含水蒸馏塔的烯釜馏物底部产物，并且来自再沸器-蒸发器以及最终蒸发效果的级联蒸汽是机械蒸气压缩的一部分，其将蒸汽再循环回以驱动阶段5的含水蒸馏塔，以及来自有机再沸器的生物化学底部产物级联蒸气驱动到有机蒸馏塔。来自热电联产的废热被分布以满足蒸煮过程阶段2和蒸馏阶段5的热需求。
与图1、2、3和4类似，图9的实例示出了来自可选的热电联产系统的热量分布，所述热电联产系统用于产生机械能和电能以驱动阶段5、阶段7和阶段8中的机械蒸气压缩，其中蒸馏、蒸发和脱水的热能大大减少，并且产生的电能可以小于或等于驱动蒸气压缩系统的压缩机所需的量，留下很少或没有剩余的电能来服务于需要机械能的其他阶段的电力需求，如泵送、搅拌(如阶段2中的蒸煮)和阶段4中的发酵。来自热电联产的废热被分布以满足蒸煮过程阶段2、蒸馏阶段5和脱水阶段8的热需求。
与图1、2、3、4、5、6、7、8和9类似，图10的实例示出了通过将来自阶段7釜馏物处理和加工的低等级干燥器的废热传递到再沸器-蒸发器(其中过程用水在低温下沸腾)中来对其进行捕获。经由机械蒸气压缩和/或热蒸气压缩，此低压蒸汽的压力和/或温度升高，同时压缩的蒸汽作为过程蒸汽被传递到酿酒中。干燥器废热捕获和转化为压缩蒸汽可以应用于酿酒或生物炼制过程的任何配置，如图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10中所示的那些。
应当注意，关于图1至10，在一些实施例中可以省略特定的单元操作，并且在这些或其他实施例中，可以包括未明确示出的其他单元操作。另外，串联或并联的多件设备可以用于任何单元操作、泵等。此外，在所述过程中产生或存在的固体、液体和气体流可以独立地再循环、传递到后续步骤，或者在任何时候从所述过程中移除/清除。
如本领域普通技术人员将理解的，本披露的原理可以应用于除了在附图中明确披露或描述的那些之外的许多生物炼制配置。各种组合都是可能的，并且可以利用或调整从一些变型中选择的实施例，以获得不一定包括本文披露的所有特征的附加变型。具体地，虽然一些实施例涉及乙醇作为主要的生物燃料/生物化学物质，但本发明绝不局限于乙醇。
例如，本发明可以应用于ABE发酵，从而产生丙酮、正丁醇和乙醇的混合物。可以包括一个或多个额外的蒸馏或其他分离单元，以分离发酵混合物的组分。此外，在一些实施例中，初级产物比水(在大气压下)更不易挥发，而不是像乙醇那样更易挥发。比水更不易挥发的生物燃料/生物化学物质的实例是异丁醇。
本发明还提供了一种由包括改进酿酒或生物炼制的方法的过程产生的生物燃料或生物化学产物，其中酿酒或生物炼制将生物质转化为生物燃料或生物化学物质，并且其中生物燃料或生物化学物质通过蒸馏纯化，所述方法包括：
(i)引入包括机械蒸气再压缩(MVR)单元和/或热蒸气再压缩(TVR)单元的蒸气压缩单元，以回收潜热、蒸发、干燥和/或脱水过程，并减少所述酿酒或生物炼制中的过程热能使用；并且
(ii)可选地引入具有CHP发动机的热电联产(CHP)系统，以提供用于驱动蒸气压缩单元的机械能、电能和/或热能，其中与蒸气压缩单元结合，CHP发动机的残余废热抵消了酿酒或生物炼制中的过程热能使用；并且其中蒸气压缩单元与可选的CHP系统的集成优选地是平衡的，以优化过程能量需求、过程碳强度和/或过程能量成本。
通过将机械蒸气压缩与热电联产集成在一起的混合组合，可以实现热电优化的这些和其他组合。这两种互补技术的集成，其中蒸馏、蒸发、干燥和可选的脱水中的蒸气压缩降低了酿酒的总热能需求，并且节省的热能燃料中的一部分然后专用于热电联产以抵消过程电能，允许热能需求和电能需求的同时降低，同时降低了过程能量成本和设备的碳强度。
本发明的一些变型提供了一种用于在改进现有蒸馏系统中优化能量使用、生产经济性和环境性能的方法。蒸馏系统的操作能力得以保持，同时增加了一个更节能的过程，其转移一部分原本会冷凝的蒸馏蒸气，并压缩它们，从而加热它们并提高它们的沸点。被压缩的蒸气在再沸器中冷凝，从而捕获释放的能量，否则这些能量会被流经冷凝器的冷却水所损失。用于驱动压缩机的方法、再沸器的设计和额外可用能量的产生是平衡的，以相对于现有系统和希望的优化提供完全冗余能力。
在一个方面，提供了一种用于改进和增强酿酒的方法，其中通过回收潜热的机械蒸气压缩来增加所披露的用于热量管理的蒸馏方法，提供了过程热能的减少以及用于增加驱动压缩的机械和电能的热电联产，其中发动机的残余废热与蒸馏、蒸发、干燥和/或脱水中的蒸气压缩结合抵消了酿酒中的热能需求。蒸气压缩与热电联产的集成被平衡，以优化过程能量需求、过程碳强度和/或过程能量成本的减少。
在一些实施例中，蒸气压缩的尺寸或操作与标准蒸汽发生器一致，以减少蒸馏、蒸发、干燥和/或脱水中所需的热能，由于在蒸馏、蒸发、干燥和/或脱水中通过机械蒸气压缩回收的能量导致蒸汽能量需求的降低，所述标准蒸汽发生器以降低的速率操作。在这些或其他实施例中，可选的热电联产系统的尺寸或操作与蒸气压缩的机械或热需求以及酿酒的热能需求一致，其中热能的一部分、一些或全部由通过热电联产系统回收的废热提供。
蒸馏、蒸发、干燥和/或脱水中的机械蒸气压缩与热电联产的组合允许基于过程燃料能量的市场价格和电能单位价格来平衡酿酒中的使用，其中总过程能量没有被最小化，尽管过程能量成本基于两种能量来源的相对定价被最小化。
此外，蒸馏、蒸发、干燥和/或脱水中的蒸气压缩与热电联产的组合允许通过以最小化过程能量的总碳强度的方式选择性地使用电和热燃料来最小化过程的碳强度，尽管因为两种能量来源的相对定价以及分配给热和电过程能量生命周期的单个碳强度，过程能量成本并没有被最小化。
通过重新捕获和再循环过程热，所披露的技术为扩大生物燃料/生物化学生产提供了一种选择：
(a)减少或消除对额外蒸汽产生能力的需要；
(b)减少或消除对额外冷却能力的需要；并且
(c)在高环境温度和湿度下，减少或消除由于冷却系统容量限制造成的季节性生产限制。
此外，所披露的技术可以允许产量增加，而不超过现有环境许可下允许的空气排放和水使用以及排放限制。
本发明的一些实施例提供了一种系统或子系统，其包括或由图1至图10中任一个、或其部分、或本文阐述的任何其他披露内容中描绘的过程或装置配置组成。本发明的一些实施例提供了对于用图1至10中任一个、或其部分、或本文阐述的任何其他披露内容中描绘的过程或装置配置来改造现有酿酒或生物炼制的说明。
从小型实验室规模的单元到全商业规模的生物炼制，包括任何试点、示范、或半商业规模，生产量或处理能力可能有很大差异。在各种实施例中，处理能力是至少约1kg/天、10kg/天、100kg/天、1吨/天(所有吨都是公吨)、10吨/天、100吨/天、500吨/天、1000吨/天、2000吨/天、3000吨/天、4000吨/天或更高。
本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请通过引用以其全部内容并入本文，就如同每个出版物、专利、或专利申请已在本文中明确地且单独地提出。
在此详细描述中，已经参考了本发明的多个实施例以及与如何理解和实践本发明相关的非限制性实例和附图。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用本文未提供阐述的所有特征和优点的其他实施例。本发明纳入了本文描述的方法和系统的例行实验和优化。这样的修改和变型被视为落入由权利要求书限定的本发明范围内。
当上述方法和步骤表明某些事件以某种顺序发生时，本领域普通技术人员将认识到可以修改某些步骤的顺序，并且此类修改是根据本发明的变型进行的。另外，这些步骤中的某些步骤可以在可能的情况下按并行过程同时进行、也可以依次进行。
因此，就本发明的变型而言，其在本披露的精神内或等同于在所附权利要求中发现的发明，本专利的意图也将是涵盖这些变型。本发明将仅由权利要求书限制。
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