年产20000吨生物柴油工厂的工艺大学本科毕业论文.doc

毕业设计 设计题目：年产20000吨生物柴油工厂的工艺设计目录摘 要1Abstract2第1章 前 言31.1 生物柴油的简介31.2 生物柴油的基础知识41.3 生物柴油的质量标准51.4 生物柴油的品质性能61.5 生物柴油的稳定性71.6 原料路线71.6.1乌桕概述81.6.2乌桕油各项指标81.6.3 乌桕油制备生物柴油的意义81.6.4 乌桕油消费状况91.6.5 乌桕油原料路线确定91.7 固定化脂肪酶来源确定10第2章 厂址选择、布置及效益分析112.1 厂址选择112.1.1 拟建厂地区的地理位置112.1.2 厂址地区自然资源112.1.3 气象条件112.2 厂区总平面布置说明122.2.1 方案122.2.2 建设规模122.2.3 总平面布置122.3 效益分析与评价132.3.1 社会效益分析132.3.2 环境效益分析132.3.3 经济评价14第3章 生物柴油生产工艺流程论述153.1 生产模式163.2 生物柴油生产工艺流程163.2.1工艺路线与技术163.2.2 原料油预处理173.2.3 酯交换173.2.4分离生物柴油173.2.5甲醇的回收173.2.6甘油的回收17第4章 物料与能量衡算184.1 设计任务及物料衡算184.1.1工艺流程示意图184.1.2 已知数据184.1.3 反应过程184.1.4 计算基准194.1.5 原料油预处理工段194.1.6 生物柴油合成工段204.1.7 物料衡算汇总214.2 能量衡算224.2.1 能量流通关系示意图224.2.2 已知数据224.2.3 能量衡算过程224.2.4 蒸汽、冷凝水计算24第5章 生物反应釜设计及选型255.1 设计目的及参数确定255.1.1 设计任务、目的255.1.2 物料性质255.1.3 确定操作参数255.1.4 生物反应釜选择与设计255.1.5 反应釜搅拌器的选型265.2 搅拌特性计算275.2.1 计算雷诺数Re275.2.2 搅拌功率计算和电机的选择275.3 生物反应釜釜体及封头设计285.3.1 设计条件285.3.2 按计算压力计算釜体和封头厚度285.4 传热设计285.5 主要生产设备一览表31第6章 换热器的设计326.1 设计任务及要求326.1.1 设计题目326.1.2 设计任务及操作条件326.1.3 设计要求326.2 换热器类型的选择336.3 流体流速的选择336.3.1 确定物性数据336.3.2 物料衡算336.3.3 初算平均传热温差）346.3.4 初估总传热系数K346.3.5 计算传热面积346.3.6 计算工艺结构尺寸346.4 辅助电加热器的计算35第7章 生产辅助设备计算说明367.1 泵367.2 冷凝器367.3 过滤机367.4 离心过滤机37第8章 废水、废渣的处理和综合利用388.1 生产废水处理方法 388.2 废渣的处理和综合利用388.3 噪音防治 39第9章 安全生产与防火防爆409.1 安全防范重点部位409.2 设计时注意事项41第10章 设计总结42致 谢 辞43参考文献44附录46摘 要生物柴油作为一种环保和可再生的替代燃料，已受到越来越广泛的关注。近年来随着微水相酶学及技术的迅速发展，应用固定化脂肪酶催化制备生物柴油技术正成为生物能源领域新的战略，由于脂肪酶的高价格和油脂原料的缺乏，我国酶法生产生物柴油的产业化进程受到一定程度的制约。国际上主要利用大豆油、菜籽油等为原料制备生物柴油，而我国食用油供给仍需大量进口。我国东南地区有着大量的乌桕，每年出产大量的乌桕油。考虑不与民争粮、不与粮争地的情况下，政府作出了以乌桕油为原料大规模发展生物柴油的决定。本文利用固定化脂肪酶在微水相中催化乌桕油制备生物柴油，最佳配比是：甲醇/油的摩尔比率为4:1，脂肪酶用量为2.7%（质量分数），最适温度为41，200rpm的搅拌速度下进行12小时，产量达到96%，并对其工艺条件进行工艺设计。设计的主要任务包括酯交换工段的物料衡算并以此为依据完成设备的选型及辅助工程，车间布置的设计，相应的废水处理机制，综合利用等，最后绘制的车间布置图。关键词：生物柴油 固定化脂肪酶 酶催化 工艺设计1第1章 前 言1.1 生物柴油的简介能源是支撑人类文明进步的物质基础，也是现代社会发展须臾不可或缺的基本动力。人类对能源的利用，从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代，每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃。当然，传统化石能源的开发利用，也给人类的可持续发展带来了严峻挑战。近年来，绿色发展在全球蓬勃兴起，其核心是减少对能源资源的过度消耗，追求经济、社会、生态全面协调可持续发展1。生物柴油作为一种替代性燃料，它能够以纯态或与石化柴油混合使用。近年来，生物柴油得到了很快的发展。美国能源部在2001年提交美国国会的立法咨询报告中提出，美国应该通过立法，将替代燃料所占份额从2002年的1.2提高到2016年的4，其中，生物柴油的需求量将从2003年的7 300万加仑提高到2016年的8亿1000万加仑2。2011年世界生物柴油总产量约2050万吨，其中欧盟占51%，南美地区（巴西为主）占24%，亚洲13%，中北美为11%，其他地区1%。我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一，对能源的需求量长期持续高速增长，在现有的能源消耗构成中，石油和天然气供给远远满足不了经济发展的需要，据国际能源机构预测分析，到2015年，我国原油供给进口依存度将由现在的30递增到50 以上3。这样高的石油进口依存度，给我国的能源安全带来巨大的隐患。同时，随着国际石油价格的高涨，不仅增加了购买石油的外汇消耗，而且给我国经济的稳定发展造成不容忽视的负面影响。而生物柴油作为一种理想的清洁燃油，其无污染，可再生的特性使其大规模的产业化发展成为我国新能源战略的重点，该产业在我国的成功发展将对我们建设和谐的循环经济体系产生重大而深远的影响4生物柴油可以从可再生的本土资源中得到，因此可以减少对于石油燃料进口的依赖；其次它是可生物降解的，且无毒。与石化柴油相比，生物柴油在燃烧排放方面有很多优点，如一氧化碳、颗粒物及未燃碳氢化合物的排放量较低。生物柴油燃烧时产生的CO2能够通过光合作用循环，因此可以把生物柴油燃烧对温室效应的影响减到最小。生物柴油具有相当高的闪点（150），使得它具有更低的挥发性，因此与石化柴油相比，它在储存运输过程中更为安全。生物柴油所具有的润滑特性可以减少发动机的磨损，从而延长发动机的使用寿命。总之，生物柴油的这些优点使得它成为一种石化柴油的良好替代品，并且已经在很多国家使用，尤其是对环境比较重视的国家和地区。1.2 生物柴油的基础知识5生物柴油最常用的生产方法是采用酯交换反应。所谓酯交换反应是指甘油三酯与醇反应生成脂肪酸单酯（也称生物柴油）和甘油的一个反应过程。甘三酯作为油脂的主要组分，是由三个长链脂肪酸与一个甘油分子经酯化形成的。当甘三酯与醇（如甲醇）反应时，三个脂肪酸链与甘油骨架断开，与醇结合生成脂肪酸烷基酯（如脂肪酸甲酯或乙酯），并生成副产物甘油。甲醇因其成本比较低廉，所以比较常用。通常情况下，使用大量的过量甲醇可以使反应平衡向正方向进行，但大量的甲醇在造成成本浪费之外，也带来环境污染。制备生物柴油的化学反应方程式如图1-1所示：图1-1 酯交换反应方程式这里R1， R2和R 3是碳氢长链，有时也被称为脂肪酸链。表1-1 生物柴油的物化性能燃料密度（15）/gcm-3运动黏度（40）/mm2s-1闪点/灰分/%水分/mgkg-1热值/kJg-1餐饮废油生物柴油0.884.10152.00无240.0037.99菜籽油生物柴油0.884.00156.00无200.0038.61大豆油生物柴油0.884.50156.00无170.0040.67乌桕油生物柴油0.884.30152.00无200.0039.74ASTM标准-1.9-6.01000.0260130120110100100130凝固点 ()-12.8-2010碳残留(%)0.240.170.050.30.30.30.3硫含量 (%)0.0030.20.00150.0010.01-0.010.005水分 (mg.kg.-1)0.0180.020.030.050.030.020.030.05灰分(%)0.040.010.020.020.030.02机械杂志 (%)0.001200.00240.002475149494849酸值(mg KOH.g-1)0.00660.350.800.500.50.50.60.80表1-2 生物柴油样品的理化性质与各国生物柴油标准对比7 注：柴油：GB252-2000 ASTMD 6751：美国生物柴油标准 （1999.7 适用于脂肪酸甲酯）EN14214：欧盟生物柴油标准（2003.11 适用于植物油甲酯）DINE51606：德国生物柴油标准（1997.9 适用于脂肪酸甲酯）Journal official：法国生物柴油标准（1997.9.14 适用于植物油甲酯）SS155436：瑞典生物柴油标准（1996.11.27 适用于植物油甲酯）GB/T20828：中国生物柴油标准（2007.5 适用于植物油甲酯）1.4生物柴油的品质性能生物柴油的质量指标可以分成两类，第一类是密度、粘度、闪点、残碳量、灰分和十六烷值（CN）等，石化柴油也有这些指标；另一类如甲醇含量、甘油酯、游离脂肪酸和含磷量等衡量生物柴油的杂质成分，与原料和工艺过程有关，石化柴油没有这些成分。质量指标还可以按影响因素分类，一类主要受原料的影响如密度、十六烷值、含硫量和冷滤点，另一类则与生产方法和提纯步骤有关，如闪点受甲醇影响，粘度则与甘油酯含量有很大关系。与常规柴油相比，生物柴油具有无法比拟的性能：（1） 具有优良的环保特性；（2） 具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷滤点达-20；（3）具有较好的润滑性能，使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长；（4）具有较好的安全性能，由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面有着很好的安全性； （5）具有良好的燃料性能，十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性使催化剂和发动机机油的使用寿命延长；（6）具有可再生性能，作为可再生能源，与石油储量不同其通过农业和生物科学家的努力，供应量不会枯竭；（7）具有经济性，使用生物柴油的系统投资少，原用柴油的引擎、加油设备、储存设备和保养设备无需改动；（8）可调和性，生物柴油可按一定的比例与化石柴油配合使用，可降低油耗，提高动力，降低尾气污染；（9）可降解性，生物柴油具有良好的生物降解性，在环境中容易被微生物分解利用。 生物柴油的优良性能使得采用生物柴油的发动机废气排放指标不仅满足目前的欧洲号标准，甚至满足随后即将在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲号排放标准。而且由于生物柴油燃烧时排放的CO2远低于该植物生长过程中所吸收的CO2，从而改善由于CO2的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题。1.5生物柴油的稳定性生物柴油的稳定性包括在热和冷的环境下的稳定性，抵制氧化、聚合、微生物作用和抵制水分影响的能力。它在存储过程中会受到空气、热、金属、过氧化物、光的影响。生物柴油不稳定主要在于它含有的双键，双键不稳定，多个双键共轭还会有协同作用，使之更容易氧化降解。金属与人造橡胶会影响生物柴油稳定性，加快生物柴油氧化产生过氧化物。研究表明菜籽油甲酯和乙酯应存储在密闭不锈钢容器里，温度低于30，加入抗氧化剂TBHQ8 以提高抗氧化性能。研究还发现甲酯比乙酯稍微稳定，较高温度时光照会略微加快氧化速度。研究发现温度和容器对生物柴油的稳定性影响最大。生物柴油中总是存在水分(溶解的、乳化的、甚至存在于容器底部，微量单甘、甘二酯还能增强生物柴油的吸水能力)，水解是生物柴油劣变的原因之一，残留的酸会使生物柴油酸败，水分还会促使锈生成。水分还是微生物生长的一个必要条件，微生物存在于水相和柴油的界面处。水分在2#柴油中的溶解度为60ppm(25)，而在生物柴油中的溶解度高1500ppm ，用处理石化柴油的方式处理生物柴油常会导致生物柴油水分含量较高，为微生物的生长提供场所，当与石化柴油混合时，高含量的水分还可能从中析出9 。1.6原料路线生物柴油的原料主要分为两类，一种是含油脂农作物，包括亚麻、大豆、橡胶籽、蓖麻、棉籽、油菜、麻风树、小油桐等；另一种就是餐厨废油，包括地沟油、植物油泥等。生物柴油原料的选用根据各国的实际情况而有所区别。据了解，欧洲在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物，用于生产生物柴油的原料主要为双低菜籽油（低硫甙、低芥酸）；美国、巴西选用了大豆和玉米；日本采用的是工业废油和废煎炸油；东南亚一些地区则是棕榈油。利用酸化油、地沟油等廉价原料生产生物柴油是成本最少、还可以变废为宝的好办法，而且炼出的柴油质量仍可达到国际上最为苛刻的生物柴油标准10。专家建议，应在利用现有原料进行生产的同时，积极和植物、农业和林业科研部门联合研究油料作物的育苗、优选、种植和合理套种。同时，基因工程会是未来生物质能利用的一个重要研究方向。在我国利用废弃动植物油、泔水油以及植物油下脚料加工生物柴油的研究不断有成果报导，利用菜籽油加工生物柴油的研究成果已经得到肯定，但因为原料数量有限、收集困难，使得采用废弃动植物油、泔水油以及植物油下脚料作为原料加工生物柴油无法大量生产。菜籽油和大豆油虽然在我国有一定产量，但它们是我国主要食用油品种之一。而我国东南部极其丰富的天然资源之一就是乌桕油。所以，本项目利用精炼乌桕油加工生产生物柴油。1.6.1乌桕概述乌桕，又称木梓，俗称油梓，是我国特有的木本油料植物，大悟县则是乌桕之乡，县内乌桕品种繁多，主要品种有葡萄桕、鸡爪桕、铜锤桕、猪油粑、灯笼罩等，分布面广，各乡镇均有。现全县大约有新老乌桕树400余万株，年产桕籽500余万公斤，居全国县级之首。所产桕籽，油脂丰富，皮、籽出油率总计达50以上。在科技高度发展的今天，桕籽的用途更加广泛，是国防、化工、纺织、机械、医药等工业生产不可缺少的原料。日本专家称赞中国乌桕为“绿色原子弹”。1.6.2乌桕油各项指标乌桕油作为催化底物，它的种子含油量高达45%，而且其含有的不饱和脂肪酸达到90%(见表1-3)。因而，它非常适合制备生物柴油。在中国，乌桕油籽每年的产量都很大，政府作出了决定以乌桕油为原料大规模发展生物柴油的发展战略。脂肪酸成分数值（%）特征数值十二酸甲酯(C12:0)2.7密度(g/cm3)0.9378十六酸甲酯(C16:0)7.25皂化值(mg KOH/g)194.74十八酸甲酯(C18:0)2.27酸值(mg KOH/g)16.34油酸甲酯(C18:1)13.6总脂肪酸(%)99.6亚油酸甲酯(C18:2)29.88分子质量943.6亚麻酸酸甲酯(C18:3)44.33碘值(g/100g)127.74含水量(%)0.164运动粘度(25,mPa.s)45.23过氧化值(meq/kg)8.2表1-3：乌桕油的组成和特点1.6.3 乌桕油制备生物柴油的意义11（1） 发展乌桕油为原料生产第二代生物柴油技术和生物化工产品是落实中国工程院“可再生能源发展战略研究”重大咨询项目的具体举措，是发展生物质液体燃料的组成部分，符合国家中长期发展战略。（2） 发展乌桕树种植，具有独特的优势。作为生产生物柴油和生物化工产品的原料，有利于国家石油能源的替代，有利于科技支农和区域经济发展，对促进湖北省等革命老区脱贫致富，科技转化为生产力，实现农业资源产业化开发具有重要意义。（3） 生产不含氧的碳氢化合物作为第二代生物柴油是当前国际上新的发展趋势，而以乌桕油为原料又有其独特的优势。我国生产第二代生物柴油和产品综合利用的技术，包括乌桕油加氢制备生物柴油组分、水力空化反应生产第一代生物柴油和产品的深度梯级加工、部分高附加值产品开发、工艺技术已趋成熟，但必须保证原料的稳定供应和合理定价，乌桕树的育种，矮化、密植、高产、采收以及储存等技术需要进一步改进和提高。（4） 发展乌桕油为原料生产第二代生物柴油和其他化工产业，包括精细化工产品，形成由农业种植到工业生产直到进入市场的产销链，应该依托已有科研单位和企业的支撑，也需要政府的政策扶持和多渠道的资金支持。（5） 产业发展与市场开拓，包括考虑扩大乌桕树种植、乌桕油的生产、生物柴油及深度加工产品生产，需要资金投入。在油料、原油价格与国际价格接轨的前提下，原料价格与产品要有市场竞争力，需要有关各方共同努力应对，合理定价。此项目具有良好的发展前景和吸引力。（6） 要从先行工业试点示范、可持续发展和经济实效出发，把当前和长远发展结合起来考虑，逐步扩大乌桕树种植。乌桕油和生物柴油的生产规模，并最终走向以全部生物质为原料生产生物柴油，包括生物质废弃和产品综合利用的全生物产业链和实现循环经济的理念。1.6.4 乌桕油消费状况 近些年来，动物油脂消耗量在全球油脂中的比重大幅下降，植物油脂的消耗却以每年3-4%的速度增长。地域性的油脂消耗比例是向发达国家倾斜的，世界上75%人口聚集在亚洲和非洲地区，但占世界人口少数的欧洲和美洲却消耗掉40%的油脂总量。随着经济发展，发展中国家的油脂增长潜力要高于发达国家。2001年，全球乌桕油消费量为2400万吨，自1995年以来，以乌桕油制备生物柴油的消费出现急剧增长，到了2005年，全球乌桕油的消费量达到了3300多万吨，5年的消费增幅达到38%。总体上，乌桕油的消费主要集中在亚洲国家，欧盟也提高了乌桕油进口量。目前，乌桕油主要消费国有中国、印度、印度尼西亚、马来西亚，这些国家占到消费总量的60%。近几年，我国乌桕油消费增幅最为明显，2010年我国国内乌桕油消费量刚刚超过800万吨 。1.6.5 乌桕油原料路线确定乌桕油容易分离精制，以乌桕油为原料的生物柴油因凝点为-10，不容易凝结。原料丰富，可再生；可采取多种工艺制备生物柴油，工艺流程简单，条件温和。副产物甘油，其蒸出的甲醇或乙醇可循环使用。本项目采购的粗乌桕油每吨价格在35004300元之间。1.7 固定化脂肪酶来源确定乌桕油是本项目的主要原料，其来源是我们主要考虑的问题。而另一个原料固定化脂肪酶，是本项目设计的主要特点之一。以疏水性MCA大孔树脂为载体，固定洋葱假单胞菌分泌的脂肪酶。实验研究表明12 ，使用乌桕油，加入2.7的固定化脂肪酶，在醇：油4：1及41下反应12h，反应转化率大于96，是一种性能优良的催化剂，具有催化效率高、无副反应、无废水、易于分离、对设备无腐蚀及可以回收再生重复使用等一系列特点。由于市场上目前尚未有公司正式生产该产品，而本项目的需求量不大，本项目采取委托特定厂商为我们制造固定化脂肪酶，保证催化剂的充足供应。第2章 厂址选择、布置及效益分析2.1 厂址选择厂址选择是企业建设的重要环节，包括了建厂地区的选择和工厂场地位置的选择。厂址选择要根据建厂地区的自然环境、技术经济条件、行业特点综合考虑而定。厂址选择的合理与否，将直接影响工厂前期的基建投资、建厂速度和企业后期的经济效益和社会效益。现将厂址定于湖北省大悟县东城郊，靠近原料产地。2.1.1拟建厂地区的地理位置大悟县位于大别山脉西段，湖北省东北部，鄂豫两省交界处。区域优势独特，交通便捷，气候宜人，基础设施齐全，开发条件优越。大悟地灵人杰，流芳百世这里是全国著名的革命老区之一。距京广铁路7公里，107国道5公里，京港澳高速公路过城区直贯县境。2.1.2厂址地区自然资源大悟风光旖旎，景色迷人。境内奇峰峻岭千姿百态，涌泉飞瀑赏心悦目，幽洞怪石，自然天成。还有众多的古文化遗址和革命历史纪念地，形成了独具特色的人文景观。大悟自然资源十分丰富，已探明的矿藏有37种，其中金、铜、磷、萤石、大理石、花岗石品质好易于开采，蜚声中外。大悟土特产品琳琅满目，板栗、花生、茶叶、银杏、油桐、药材形成产业化格局，尤其是乌桕产量居全国之冠。板栗是大悟县内主要特产之一，主要产地为宣化、丰店、三里、芳畈等山乡，年产量达500万公斤以上。乌桕分布在海拔高度100米及250米之间的低丘区。2.1.3气象条件（1） 风况：大悟县属北亚热带季风气候，冬季受西北冷气团的影响，夏季受东南、西南季风控制。 （2） 降水：降雨集中在夏季，6、7、8、9的雨量占全年的65%85% （3） 降雪和积雪 ： 年平均降雪日为10天左右，主要出现在122月。低山、丘陵区积雪深，平原积雪浅。 （4） 全年平均气温15.8度，严寒酷暑时间短，春、秋、初夏气候温和时间长。2.2厂区总平面布置说明2.2.1方案建设年生产20000吨生物柴油生产装置，及其配套的生产辅助设施、公用工程、生活福利等设施。年生产20000吨生物柴油项目工程建筑内容包括：（1）主要生产装置。建设一条现代化的自动控制的年生产20000吨生物柴油的生产工艺。（2）设立的公段和仓库。生物柴油合成工段；原料存放仓库和成品油仓库。（3）生产辅助设施、公用工程、生活福利设施。新建厂房，锅炉房，循环水系统、变电所、配电室、机修室、厂区道路、环保设施、职工生活设施等公用工程和生产辅助设施等，2.2.2建设规模建设年生产20000吨生物柴油工厂。2.2.3总平面布置132.2.3.1 总平面布置原则满足生产工艺和物料运输流向要求：a、执行国家现行的生产、管理、防火、卫生和安全规范的要求。b、结合地形、地质、气象和周围环境等条件，因地制宜，节约用地。c、避免人流和物流的交叉，确保交通顺畅。d、搞好环境绿化和美化，改善和创造人工空间环境。2.2.3.2 总平面布置方案根据总平面布置原则，各生产工段尽可能考虑与原有设施集中或同一界区布置，以利于生产操作和生产管理，节省外管、线等投资，房屋尽可能南北走向布置，以利自然通风和采光，并与原有建构筑物布置相协调，使整个工程建成后仍保持原料主要生产区、成品库区、动力区、厂前区及办公区等各自的功能分区，利于公司内交通，减少人、物流交叉。其内部主要布置为：由于为了扩大一定的影响力，使大门正对大路，同时厂区主路由大门口直贯穿整个厂区同时将生产区与生活区分开。并用隔离墙将生产区与生活区进行隔离；在大门旁边可建设一些接待间、备用间等，如一些配电间、化验间、维修间，即可节约用地有可方便生产；办公楼建在生活区靠近大门以利于办公和与外界交流；食堂和套房设置在办公楼左侧区域，可完全与生产区办公区隔离，其设计原则是少地多层即采用少的建筑面积设置多层楼高，一般以4层楼高算；消防水池和油罐设置在厂房的最底段，其物流通道主要以侧门为主，为达到防火防爆要求，将两个污水池放在油罐与锅炉房之间，以达到锅炉房远离油罐和厂房的目的；料仓挨厂房建设以利于进料方便，且靠近侧门交通便利；生产区为整个厂区的心脏，其位置靠近厂区中心，并在其左侧设置料渣存放区和一些水塔设施，并只进行物流的交换，厂区员工主要从厂房右侧进入厂房，原料油储罐和生物柴油储罐围绕其布置；厂区的物流与人流进行一定的分开，生产区的物料及设备的出入口以侧门为主，产品的量可定期从大门出。具体布置见厂区布置图。2.3效益分析与评价2.3.1社会效益分析 能源是国民经济的命脉，能源危机是整个世界经济发展面临的最大挑战。随着经济全球一体化步伐的加快，世界经济的迅猛发展，各国对石油、天然气、煤等不可再生的矿物能源争夺也越来越激烈，严重影响国民经济的可持续发展。在全球石油资源面临枯竭的大背景下，寻找更加环保的替代能源，无疑是我国一项长期的战略性任务。本项目的建设能够适应能源发展趋势，以可再生生物能源替代矿物能源，缓解原油短缺的压力，减少对进口石油的依赖性，同时本项目的建设对当地的财政收入、缓解就业压力具有一定的好处，因此本项目社会效益较好。2.3.2环境效益分析 首先，生物柴油环保效益明显。由于生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约30%（有催化剂时为70%）；生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油。由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与柴油相比减少约10%（有催化剂时为95%）；生物柴油的生物降解性高。同时生物柴油所具有的优良性能使得采用生物柴油的发动机废气排放指标满足欧洲号排放标准, 而且由于生物柴油燃烧时排放的CO2远低于该植物生长过程中所吸收的CO2，从而改善由于CO2的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题。其次，就本项目而言，在整个生产过程中，基本没有工业污水的产生，催化剂、蒸汽、冷却水等物料都在进行循环使用，耗损甚少，环境效益良好。2.3.3经济评价由经济核算分析得出利用乌桕油、菜子油等植物油合成生物柴油其原料油价格相对较高，要控制成本必须对工艺方案进行改进，使操作成本和其它原料消耗降低以提高利润。本项目的生物柴油工艺方案设计具有一定的利润，但要面对当今不断波动的原油价格和成品油价格，所以要依靠国家和当地政府的支持，享受一定的优惠政策来促进公司效益，但是从人类发展角度看，生物柴油公司给社会和环境带来的效益是无法估量的，必将成为以后发展潮流。第3章 生物柴油生产工艺流程论述生物柴油的生产工艺主要包括乌桕油的采购，酯交换，分离生物柴油，回收甲醇和甘油。目前国内外生物柴油的生产主要使用酸催化法或碱催化法，但存在能耗高、工艺复杂、醇消耗量大、环境污染等缺点。生物酶法制备生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、产物易分离、环保等优点，因而被认为是取代化学法生产生物柴油的绿色工艺。表3-1 生物柴油的制备工艺优缺点比较 工艺 优点 缺点微乳法工艺较为简单，产物粘度有所降低产物十六烷值较低，且对发动机易造成损害热裂解法 制备工艺法简单需高温和催化剂，耗能大；且设备要求高，产物中以生物汽油为主化学法碱法速率快，效率高；酸法对原料油脂要求不高皂化物加大产物分离的难度；酸法时间较长；均有三废产生，污染环境酶法 反应条件温和，甲醇用量少；对环境无污染反应时间长，脂肪酶成本高，易失活超临界法 不需要催化剂，速率快，效率高，底物消耗量小设备要求极高，能量需求大，成本高工程微藻 属天然细胞代谢物，对环境无害，成本低对水体会产生污染，且起步较晚，技术不成熟 在生物酶法中，固定化脂肪酶催化技术倍受青睐，其具有以下优点14： 固定化酶可以再生和再利用，因为反应进行时，它们能够留在反应器中； 可以允许在反应器中使用高浓度的酶，这会更长久地保持酶的活性； 由于处于天然状态，酶具有更强的热稳定性； 酶的固定化能够在溶剂中保护酶，而溶剂则能防止所有的酶颗粒聚集到一起。 产品的分离更为容易。但脂肪酶催化技术也具有如下一些缺点： 由于油分子的体量而失去部分初始活性； 酶的数量不统一； 生物催化剂比天然酶昂贵。3.1 生产模式由于能源危机的产生，人们迫切希望可再生能源来代替以缓解这种状况，生物柴油成了相当热门的研究课题，作为原料油之一的乌桕油也随之水涨船高。本项目采购大别山区炼制的乌桕油作为原料油，以降低生物柴油的原料成本，便于大规模生产。同时希望争取到政府的补贴或政策扶持，使之推广使用。尤其是近来议论的较多的燃油税，一旦正式在我国实施，将大大有利于本项目产品的推广。燃油税若首先将在炼油厂的原油上征收，这将促使炼油厂把生物柴油以一定的比例加入到0#柴油中，再进行出售，这样来获得更大的利润。在目前没有相关政策的支持下，本项目是否盈利取决于乌桕油价格及0#柴油价格。考虑到实际情况，本项目在有盈利的情况下，按照计划进行生产。3.2 生物柴油生产工艺流程3.2.1工艺路线与技术图3-1利用固定化脂肪酶催化精制乌桕油生产生物柴油的工艺路线3.2.2原料油预处理 对原料油进行脱酸、脱色预处理，在此过程的同时也进行了脱胶。脱酸的最佳工艺条件为56、120 min、碱性土用量3；脱色的最佳工艺条件为50、25min、白土用量2.5。3.2.3酯交换按甲醇/油的摩尔比率为4:1加入物料，在固定化脂肪酶的催化作用下进行酯交换反应，反应温度为41，反应时间12h，酯纯率可达96。反应结束离心、静置，下层为甘油水溶液，上层为甲酯层。3.2.4分离生物柴油由于甲酯、甘油与甲醇之间存在一定的密度差，其分离方法主要是自然沉降或离心分离，由于自然沉降所需时间长，一般采用间歇操作，即同时采用几个自然沉降槽进行并联间歇操作，其操作复杂，效率低，现在工业上逐渐采用离心分离机进行分离，其效率高并可连续化，两者的共同前提都必须是前面的酯交换反应进行彻底，副产物少，由于工厂采用固定化酶催化反应，其产率高，几乎没有副反应产生，所以采用离心分离机进行分离不会存在什么问题。3.2.5甲醇的回收由于甲醇、甲酯之间的沸点差太大，在精馏过程中导致再沸器能耗太大，且加热蒸汽温度太高难于达到要求，综合这些因素，本工艺采用降膜式蒸发器，控制蒸发器加热温度150，蒸发压力0.3MPa,可以达到要求。3.2.6甘油的回收生物柴油生产过程中产生大量的甘油水。甘油水经过浓缩和蒸馏，可以生产大量甘油产品，但需要消耗大量的能量，故直接出售给其他厂家。第4章 物料与能量衡算154.1设计任务及物料衡算制备生物柴油最佳配比：甲醇/油的摩尔比率为4:1，脂肪酶用量为2.7%（质量分数），最适温度为41，200rpm下转化率为96.22%11。然而工业上追求的不仅是产量最高，还要考虑经济效率，在能耗与效率之间选取平衡点。另外，脂肪酶有一个独特的特征，能够在水相和有机相的界面起作用，而它的活性通常取决于有效界面面积，加水后，水能有助于油形成更多的油水液滴，有效界面增大，该反应体系需要7%（质量分数）的水参与。故本项目采取的工艺条件为：甲醇/油的摩尔比率为4:1，脂肪酶用量为2.7%（体积分数），温度41，转速200rpm，转化率为96%。现以年产20000吨生物柴油为项目，进行物料衡算。4.1.1工艺流程示意图 参照第三章的图3-1。4.1.2已知数据已知：甘油三油酸酯平均分子量为884，含水量0.30%；甲醇分子量为32，含水量1%；甘油分子量为92；脂肪酸甲酯平分子量为296，收率为99%。4.1.3反应过程为了简化起见，假设采购的乌桕油的成分为纯净的甘油三油酸酯。甘油三油酸酯的脂肪酸链全部为油酸。图4-1表示甘完全反应生成油三油酸酯和甲醇反应的方程式。 图4-1 甘油三油酸酯的酯化反应根据计算，甘油三油酸酯的平均分子量是884，所以，1摩尔甘油三油酸酯的重量为884g，三摩尔甲醇的重量为96g，3摩尔的油酸甲酯为888g，1摩尔的甘油为92g。但事实上发生的反应并不是这样，我们通常添加过量的甲醇来保证反应完全。 甘油三油酸酯+4甲醇 3油酸甲酯+甘油+1甲醇 884g 432g 3296g 92g 32g根据实验结果，甲酯得率为96%，因此，按照100kg的油，使用33.3% 过量甲醇的物料平衡如下：100 kg 油+ 14.48kg 甲醇 100.45kg 生物柴油+ 10.40kg甘油+ 3.63kg过量甲醇表4-1 生物柴油物