【正文】 設(shè)計(jì)時(shí)要解決的是反應(yīng)釜和臺數(shù)的問題，其計(jì)算方法是采用單釜連續(xù)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。在催化反應(yīng)過程中有輕微的 反應(yīng) 熱，基本上可以忽略不計(jì)。 ③ Q5 損 =（ Q4+ 油 ） =（ +） = 式中 Q5 損 ——固定化脂肪酶帶走的熱量及管道的熱量損失， MJ； ——熱量損失系數(shù)； 忽略烏桕油的影響，反應(yīng)完成后輸出甲酯、甲醇、水及甘油，各自的量上表中已標(biāo)明。℃ )，密度 103 kg／ m3；甲醇密度 103kg／ m3，汽化潛熱 1195kJ／ kg，熱容 ／ (kg 用堿性膨潤土填充脫酸塔，需要量為： 2918 3%=脫酸后的原料進(jìn)入脫色塔進(jìn)行脫色，需活性白土： 2918 %=73kg/h。甘油三油酸酯的脂肪酸鏈全部為油酸。 17 第 4章 物料 與能量 衡算 [15] 設(shè)計(jì)任務(wù)及物料衡算 制備生物柴油最佳配比：甲醇 /油的摩爾比率為 4:1，脂肪酶用量為 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），最適溫度為 41℃ ， 200rpm 下轉(zhuǎn)化率為 %[11]。 生物柴油生產(chǎn)工藝流程 工藝路線與技術(shù) 圖 31 利用 固定化脂肪酶催化精制烏桕油 生產(chǎn)生物柴油的 工藝路線 16 原料油預(yù)處理 對原料油進(jìn)行脫酸、脫色預(yù)處理，在此過程的同時(shí)也進(jìn)行了脫膠。 但脂肪酶催化技術(shù)也具有如下一些缺點(diǎn)： ① 由于油分子的體量而失去部分初始活性； ② 酶的數(shù)量不統(tǒng)一； 15 ③ 生物催化劑比天然酶昂貴。 其次，就本項(xiàng)目而言，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，基本沒有工業(yè)污水的產(chǎn)生，催化劑、蒸汽、冷卻水等物料都在進(jìn)行循環(huán)使用，耗損甚少，環(huán)境效益良好。 效益分析與評價(jià) 社會效益分析 能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，能源危機(jī)是整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。 總平面布置 [13] 總平面布置原則 滿足生產(chǎn)工藝和物料運(yùn)輸流向要求： a、執(zhí)行國家現(xiàn)行的生產(chǎn)、管理、防火、衛(wèi)生和安全規(guī)范的要求。 （ 4） 全年平均氣溫 度 ， 嚴(yán)寒酷暑時(shí)間短，春、秋、初夏氣候溫和時(shí)間長 。還有眾多的 古文化遺址 和革命歷史紀(jì)念地，形成了獨(dú)具特色的人文景觀。廠址選擇的合理與否，將直接影響工廠前期的基建投資、建廠速度和企業(yè)后期的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本項(xiàng)目采購的粗烏桕油每噸價(jià)格在3500~4300 元之間。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，發(fā)展中國家的油脂增長潛力要高于發(fā)達(dá)國家。 （ 4） 發(fā)展烏桕油為原料生產(chǎn)第二代生物柴油和其他化工產(chǎn)業(yè)，包括精細(xì)化工產(chǎn)品，形成由農(nóng)業(yè)種植到工業(yè)生產(chǎn)直到進(jìn)入市場的產(chǎn)銷鏈，應(yīng)該依托已有科研單位和企業(yè)的支撐，也需要政府的政策扶持和多渠道的資金支持。 烏桕油各項(xiàng)指標(biāo) 烏桕油作為催化底物，它的種子含油量高達(dá) 45%，而且其含有的不飽和脂肪酸達(dá)到 90%(見表 13)。菜籽油和大豆油雖然在我國有一定產(chǎn)量，但它們 是我國主要食用油品種之一。水分在 2柴油中的溶解度 為 60ppm(25℃ )，而在生物柴油中的溶解度高 1500ppm ，用處理石化柴油的方式處理生物柴油常會導(dǎo)致生物柴油水分含量較高，為微生物的生長提供場所，當(dāng)與石化柴油混合時(shí)，高含量的水分還可能從 中析出 [9] 。它在存儲過程中會受到空氣、熱、金屬、過氧化物、光的影響。 表 12 生物柴油樣品的理化性質(zhì)與各國生 物柴油標(biāo)準(zhǔn)對比 [7] 注 ：柴油： GB25220xx ASTMD 6751：美國生物柴油標(biāo)準(zhǔn) （ 適用于脂肪酸甲酯） EN14214： 歐盟 生物柴油標(biāo)準(zhǔn)（ 適用于植物油甲酯） DINE51606： 德國 生物柴油標(biāo)準(zhǔn)（ 適用于脂肪酸甲酯） Journal official： 法國 生物柴油標(biāo)準(zhǔn)（ 適用于植物油甲酯） 理化性質(zhì) 烏桕油 生物柴油 柴油 ASTMD 6751 EN 14214 DINE 51606 Journal official SS 155436 GB/T 20828 密度 （ 15℃ ） () 黏度 (40℃ )(mm2s1) 閃點(diǎn) (℃ ) 131 68 130 120 110 100 100 130 凝固點(diǎn) (℃ ) 20 10％碳?xì)埩?(%) 硫含量 (%) 水分 () 灰分 (%) 機(jī)械雜志 (%) 0 餾程 （ 360℃ ） 90% — 90% 90% 95% 90% 冷濾點(diǎn) (℃ ) 0 ≤10 ≤5 十六烷值 51 42 47 51 49 49 48 49 酸值 (mg ) 5 SS155436：瑞典生物柴油標(biāo)準(zhǔn)（ 適用于植物油甲酯） GB/T20828：中國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)（ 適用于植物油甲酯） 生物柴油的 品質(zhì)性能 生物柴油的質(zhì)量指標(biāo)可以分成兩類，第一類是密度、粘度、閃點(diǎn)、殘?zhí)剂?、灰分和十六烷?（ CN） 等，石化柴油也有這些指標(biāo)；另一類如甲醇含量、甘油酯、游離脂肪酸和含磷量等衡量生物柴油的雜質(zhì)成分，與原料和工藝過程有關(guān)，石化柴油沒有這些成分。因生物柴油的特性普遍類似于礦物柴油，故前者作為后者的替代燃料具有很強(qiáng)的競爭力。甲醇因其成本比較低廉，所以比較常用。生物柴油燃燒時(shí)產(chǎn)生的 CO2 能夠通過光合作用循環(huán)，因此可以把生物柴油燃燒對溫室效應(yīng)的影響減到最小。近年來，生物柴油得到了很快的發(fā)展?？紤]不與民爭糧、不與糧爭地的情況下， 政府作出了以烏桕油為原料大規(guī)模發(fā) 展生物柴油的決定。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 年產(chǎn) 20xx0噸生物柴油工廠的 工藝設(shè)計(jì) 目錄 摘 要 .............................................................................................................................1 Abstract ............................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本文 利用固定化 脂肪酶 在微水相中 催化 烏桕油 制備生物柴油，最佳配比是：甲醇 /油的摩爾比率為 4:1，脂肪酶用量為 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），最適溫度為 41℃ ， 200rpm的攪拌速度下進(jìn)行 12小時(shí) ， 產(chǎn)量達(dá)到 96%， 并對 其工藝條件進(jìn)行 工藝設(shè)計(jì) 。美國能源部在 20xx 年提交美國國會的立法咨詢報(bào)告中提出，美國應(yīng)該通過立法， 將替代燃料所占份額從 20xx 年的 ％提高到 20xx年的 4％，其中，生物柴油的需求量將從 20xx 年的 7 300 萬加侖提高到 20xx 年的 8億 1000 萬加侖 [2]。生物柴油具有相當(dāng)高的閃點(diǎn)（ 150℃ ），使得它具有 更 低 的 揮發(fā)性， 因此與 石 化 柴油 相 比 ，它 在儲存運(yùn)輸過程中 更為 安全。通常情況下，使用大量的過量甲醇可以使反應(yīng)平衡向正方向進(jìn)行 ，但大量的甲醇在造成成本浪費(fèi)之外，也帶來環(huán)境污染 。 生物柴油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [6] 生物柴油的生產(chǎn)應(yīng)該有標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也是市場準(zhǔn)入的一個(gè)重要條件，生物柴油的發(fā)展刺激著生物 柴油標(biāo)準(zhǔn)的建立。質(zhì)量指標(biāo)還可以按影響因素分類，一類主要受原料的影響如密度、十六烷值、含硫量和冷濾點(diǎn)，另一類則與生產(chǎn)方法和提純步驟有關(guān)，如閃點(diǎn)受甲醇影響，粘度則與甘油酯含量有很大關(guān)系 。生物柴油不穩(wěn)定主要在于它含有的雙鍵，雙鍵不穩(wěn)定，多個(gè)雙鍵共軛還會有協(xié)同作用，使之更容易氧化降解。 原料路線 生物柴油的原料主要分為兩類，一種是含油脂農(nóng)作物，包括亞麻、大豆、橡膠籽、蓖麻、棉籽、油菜、麻風(fēng)樹、小油桐等；另一種就是餐廚廢油，包括地溝油、植物油泥等 。而我國東南部極其豐富的天然資源之一就是烏桕油。因而，它非常適合制備生物柴油。 （ 5） 產(chǎn)業(yè)發(fā)展與市場開拓，包括考慮擴(kuò)大烏桕樹種植、烏桕油的生產(chǎn)、生物柴油及深度加工產(chǎn)品生 產(chǎn)，需要資金投入。 20xx 年，全球 烏桕 油消費(fèi)量為 2400 萬噸，自 1995 年以來， 以烏桕 油 制備生物柴油的 消費(fèi)出現(xiàn)急劇增長，到了 20xx 年，全球 烏桕 油的消費(fèi)量達(dá)到了 3300 多萬噸，5 年的消費(fèi)增幅達(dá)到 38%。 固定化脂肪酶來源確定 烏桕油是本項(xiàng)目的主要原料，其來源是我們主要考慮的問題?，F(xiàn)將廠址定于湖北省大悟縣東城郊，靠近原料產(chǎn)地。大悟自然資源十分豐富，已探明的 礦藏 有 37 種，其中金、銅、磷、螢石、大理石、 花崗 石 品質(zhì)好易于開采，蜚聲中外。 11 廠區(qū)總平面布置說明 方案 建設(shè)年生產(chǎn) 20xx0 噸生 物柴油生產(chǎn)裝置，及其配套的生產(chǎn)輔助設(shè)施、公用工程、生活福利等設(shè)施。 b、結(jié)合地形、地質(zhì)、氣象和周圍環(huán)境等條件，因地制宜，節(jié)約用地。隨著經(jīng)濟(jì)全球一體化步伐的加快，世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各國對石油、天然氣、煤等不可再生的礦物能源爭奪也越來越激烈，嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。 經(jīng)濟(jì)評價(jià) 由經(jīng)濟(jì)核算分析得出利用烏桕油、菜子油等植物油合成生物柴油其原料油價(jià)格相對較高，要控制成本必須對工藝方案進(jìn)行改進(jìn)，使操作成本和其它原料消耗降低以提高利潤。 生產(chǎn)模式 由于能源危機(jī)的產(chǎn)生，人們迫切希望可再生能源來代替以緩解這種狀況，生物柴油成了相當(dāng)熱門的研究課題，作為原料油之一的烏桕油也隨之水漲船高。脫酸的最佳工藝條件為 56℃、 120 min、堿性土用量 3％；脫色的最佳工藝條件為 50℃、 25min、白土用量 ％。然而工業(yè)上追求的不僅是產(chǎn)量最高，還要考慮經(jīng)濟(jì)效率，在能耗與效率之間選取平衡點(diǎn)。圖 41 表示甘 完全 反應(yīng)生成油三油酸酯和甲 醇反應(yīng)的方程式。脫色后過濾，除去夾帶的少量吸附物質(zhì)?！?)，沸點(diǎn) ℃ ；甘油熱容 ／ (kg甲酯的比熱計(jì)算公式為： Cp4=+T+105T3 =+41+105413=（ kg. ℃ ） ； 混合物的比熱容 Cp=Cp2n2+Cp3n3+Cp4n4+Cp5n5=（ kg. ℃ ） ； 即可知物料散熱損失后溫度變?yōu)? t=41－ Q5 損 /Cp/M =41－ ≈℃ 23 ④ 忽略溫度變化對甲酯熱容的影響，甲酯相中甘油三脂按甲酯算，只蒸出其中的甲醇，則 Q3=Cp4Δt4M 5+Cp3Δt4M 6+M6r1 式中 Q3——蒸發(fā)器需熱， MJ； Cp4——甲酯 熱容， KJ/（ kg. ℃ ）； Δt4——加熱 溫差， ℃ ； M5——甲酯相 質(zhì)量， ； M6——甲醇質(zhì)量， ； r1——甲醇的汽化熱， KJ/Kg； 用公式表示為： Q3=++1195 = 即甲醇冷凝所需冷量為： Q 冷 = M5 r1=1195= 冷卻后溫度為 ℃。綜合以上分析，反應(yīng)體系對攪拌效果的要求為：有適當(dāng)?shù)姆稚⒓醇羟辛鳎忠羞m當(dāng)?shù)妮S向渦流造成催化劑的懸浮。 25 圖 51 多釜串聯(lián)反應(yīng)器組合 由工藝設(shè)計(jì) 反應(yīng)釜 容積，對直立式 反應(yīng)釜 通常式指內(nèi)筒體 和 下封頭兩部分容積 之和；容器的大小與生產(chǎn)能力有關(guān)，習(xí)慣上生產(chǎn)能力常以產(chǎn)品重量表示，這里用單位時(shí)間處 理量來表示，首先將產(chǎn)品量化成單位時(shí)間的體積量，然后按連續(xù)工況進(jìn)行計(jì)算。多釜串聯(lián)是工業(yè)上一種常見的操作方式，是一種介于理想混合和理想置換的流動模型。 由物料衡算可 得 處理的料液量為 /h，脂肪酸甲酯與甲醇要在反應(yīng) 釜 中反應(yīng) 12h 左右，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化率。 能量衡算過程 按每小時(shí) 能量 消耗進(jìn)行 衡算 ： ① Q=CpΔtM 式中 Q——預(yù)熱需要的熱， MJ； Cp——原料的熱容， KJ/（ kg. ℃ ）； Δt——溫差， ℃ ； M——物料 的質(zhì)量， kg； 原料油加熱需熱 量： Q1=Q1 油 =（ 56－ ） 2918 =， 22 Q1 損 =W1 傳動 =25KW Q2 損 =W2 傳動 =25KW Q3 損 == =，此時(shí)甘油三油酸酯的溫度變?yōu)?33℃，再預(yù)熱到 41℃，需要熱量： Q2= Q2 油 +Q2 水 +Q2 甲醇 =Cp1Δt2M 2+Cp2Δt3M 3+Cp3Δt3M 4 式中 Q2 油 ——烏桕油需 預(yù)熱器供熱， MJ； Q2 水 ——物料中水量需 預(yù)熱器供熱， MJ； Q2 甲醇 ——甲醇需 預(yù)熱器供熱， MJ； Cp1——油脂熱容， KJ/（ kg. ℃ ）； Cp2——水 熱容， KJ/（ kg. ℃ ）； Cp3——甲醇 熱容， KJ/（ kg. ℃ ）； Δt2——油脂預(yù)熱溫差， ℃ ； Δt3——水、甲醇 預(yù)熱溫差， ℃ ；