年产20000吨生物柴油工厂的工艺设计

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 .1Abstract .2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 Re.275.2.2 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 K .346.3.5 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 .461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12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。31.2 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由表 1-1，由各种植物油制备的生物柴油黏度与石油柴油接近，容积热值略低，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 0.88 4.10 152.00 无 240.00 37.99菜籽油生物柴油 0.88 4.00 156.00 无 200.00 38.61大豆油生物柴油 0.88 4.50 156.00 无 170.00 40.67乌桕油生物柴油 0.88 4.30 152.00 无 200.00 39.74ASTM 标准 - 1.9-6.0 100 60 130 120 110 100 100 130凝固点 () -12.8 -2010碳残留(%) 0.24 0.17 47 51 49 49 48 49酸值(mg KOH.g-1) 0.0066 0.35 0.80 0.50 0.5 0.5 0.6 0.805SS155436：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；（