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1、年产5万吨生物柴油生产工艺设计毕业论文目录1 前 言11.1生物柴油的概况11.1.1国外生物柴油发展现状11.1.2国生物柴油发展现状11.2 国生物柴油主要存在的问题11.3生物柴油的主要特性21.4生物柴油的技术现状21.4.1生物柴油的化学法生产21.4.2生物柴油的物理法生产41.4.3生物柴油的生物酶合成法52生物柴油及其生产工艺流程设计62.1 生物柴油的成分62.2 生物柴油的生产工艺流程图62.3 生物柴油的生产工序简介62.3.1 脱水脱杂工序62.3.2 酯化酯交换工序72.3.3 回收蒸馏工序72.4生物柴油的性能82.4.1生物柴油的动力性能82.4.2生物柴油的经济
2、性能82.4.3生物柴油的排放性能82.5 生物柴油的指标92.5.1 生物柴油的检测技术标准92.5.2 生物柴油的主要工艺指标92.6 原始设计条件与基本物性数据132.6.1原始设计条件132.6.2实验室试验提供的工艺参数与基本物性数据的选取132.7生物柴油的物料衡算132.8生物柴油的热量衡算142.8.1基准温度的选定152.8.2反应釜的热量衡算152.8.3回流冷凝器热量衡算182.8.4冷凝冷却器热量衡算192.9计算结果192.10设备的选型原则202.10.1 反应釜的选型原则202.10.2 塔设备的选型原则202.11车间设备布置原则213总结223.1设计中存在的
3、问题及改进措施223.2结语22参考文献23附录24谢 辞24外文资料26外文翻译30 .专业.专注. 1 前 言1.1生物柴油的概况1.1.1国外生物柴油发展现状 生物柴油是以菜籽油为原料，提炼而成的洁净燃油，其突出的环保性和可再生性引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。近十几年来，生物柴油产业在世界各国发展很快。美国是最早研究生物柴油的国家，为了降低生物柴油的生产成本，一般在普通柴油中加入10%-20%的生物柴油，如美国的B-20生物柴油，其尾气污染物排放量可降低50%以上。近年又在深度加氢精制的普通柴油中加入5%的生物柴油，以改善其润滑性能。生物柴油使用最多的是欧洲，其份额已
4、占到成品油市场的5%。欧盟制定了一系列促进机制和激励政策，鼓励生物柴油等生物质燃料的产业发展，将生物燃料的市场份额从2005年的2%逐步增加到2010年的5.75%。西方国家为发展生物柴油，在行业规和政策鼓励下采取了一系列的积极措施，制定了生物柴油技术标准，欧洲联盟即将出台鼓励开发和使用生物柴油的新规定，如对制造生物柴油的企业免征增值税，规定机动车使用的生物动力燃料占动力燃料营业总额的最低份额1。1.1.2国生物柴油发展现状 生物柴油是清洁的可再生能源，是一种含氧清洁燃料，由菜籽油、大豆油、回收烹饪油、动物油等可再生油脂与甲醇发生酯化反应制得。它是优质的石油柴油代用品。生物柴油是典型“绿色能源
5、”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。 生物柴油在中国是一个新兴的行业，表现出新兴行业在产业化初期所共有的许多市场特征。许多企业被绿色能源和支农产业双重“概念”凸现的商机所吸引，纷纷进入该行业，有人以“雨后春笋”形容生物柴油目前的状态。一些外国公司资金实力雄厚，生产技术成熟，产业化程度高，可以借规模经济效应获取成本优势，抢占原料基地和市场份额的综合能力更强 随着改革开放的不断深入，在全球经济一体化的进程中，中国的经济水平将进一步提高，对能源的需求会有增无减，只要把关于生物柴油的研究成果转化为生产力，形成产业化，则其在柴油引擎、柴油
6、发电厂、空调设备和农村燃料等方面的应用前景是非常广阔的1。1.2 国生物柴油主要存在的问题一是以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高，据统计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此采用廉价原料及提高转化从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。 二是用化学方法合成生物柴油有以下缺点： (1)工艺复杂、醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高，设备投入大； (2)色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质； (3)酯化产物难于回收，回收成本高； (4)生产过程有废碱液排放2。 1.3生物柴油的主要特性(1)生物柴油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，
7、使催化剂和发动机机油的使用寿命加长3。(2)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、使用方面的安全性又是显而易见的。(3)具有优良的环保特性。生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，而且二氧化硫的排放也较普通柴油低很多。(4)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，可供应量不会枯竭4。(5)具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷滤点达-20。(6)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。1.4生物柴油的技术现状1.4.1生物柴油的化学法生产 生物柴油的化学法生产是采用生物油脂与甲醇或乙醇
8、等低碳醇，并使用氢氧化钠 (占油脂重量的1%) 或甲醇钠 (Sodium methoxide) 做为触媒，在酸性或者碱性催化剂和高温(230250)下发生酯交换反应(transesterification)，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中产生10%左右的副产品甘油。化学法包括高温裂解法和酯交换法。裂解法是在热或热和催化剂的作用下，由热能引起化学键断裂而产生小分子，一种物质转变成另一种物质的过程。最早对植物油进行热裂解的目的是为了合成石油。Schwab5等对大豆油热裂解的产物进行了分析，发现烷烃和烯烃
9、的含量很高，占总质量的60%；裂解产物的黏度比普通大豆油下降了3倍多，但是仍远高于普通柴油的黏度值。在十六烷值和热值等方面，大豆油裂解产物与普通柴油相近。Pioch5等将椰油和棕榈油以SiO2/Al2O3为催化剂，在450 裂解，得到的产物分为气液固三相，其中液相的成分为生物汽油和生物柴油。分析表明，该生物柴油与普通柴油的性质非常相近。高温热裂解法过程简单，没有污染物产生。缺点是裂解过程必须在高温下进行、需催化剂、设备昂贵、反应难以控制，且主要产品是生物汽油，产量不高，所以生物柴油的生产很少采用裂解法。由于以上措施不能从根本上改善植物油的使用性能，研究者们又提出了对植物油进行酯化或酯交换反应来
10、制备生物柴油的新方法，通过这种方法得到的产物燃烧性能接近轻柴油，燃烧后排放性能大大优于轻柴油，可直接代替石化柴油在柴油机上使用。酯交换法即用动物或植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在催化剂和高温下进行酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥制得生物柴油，是目前研究及应用最多的生物柴油制备方法5。甘油三酸酯(动植物油脂的主要成分)是羧酸官能团衍生物的一种，所有羧酸的官能团衍生物都含有同样的官能团酰基，不管分子其它部分的结构如何，官能团的性质基本是一样的。羧酸的衍生物中含有羰基C=O，羧基决定了羧酸衍生物的性质。由于甘油三酸酯分子中存在羰基，决定了甘油三酸酯的特征和活性。羰基是由键和其它三个原
11、子相连接的，由于这些键所利用的是sp2轨道，所以它们处于同一个平面之中，间隔是120。碳所剩下的P轨道与氧的P轨道重叠而形成一个二键。这样，碳和氧就以双键连接起来，分子中紧靠羰基碳的周围部分是平的，氧羰基碳和直接连在羰基碳上的两个原子同处在一个平面中。如图1-1所示：图1-1. 羰基化学空间结构电子因素和空间因素两者都使羰基特别易于在羰基碳上发起亲核进攻：(a)氧即使带上一个负电荷还是与获取电子的倾向；(b)差不多没有空间阻碍的过渡态导致三角形的反应物变成四面体中间体。这些因素也使酰基化合物易于遭受亲核进攻。酯交换反应如下所示。它是通过甲醇，将甘油三酸酯的甘油酯基取代下来，形成长链脂肪酸甲酯，
12、经过酯基转移反应之后，使一个植物油或动物油的大分子分成3个单独的脂肪酸甲酯，缩短了碳链的长度，使产品的粘度降低，挥发度提高，低温流动性大大改善6。Freedman6等认为酯交换反应是由一连串可逆反应组成，甘油三酸酯逐步转化为二脂肪酸甘油酯、甘油单酯和甘油，每一步生成一种酯化产物。酯交换反应的机理如下所示。从上面的反应机理来看，酯交换法制备生物柴油的过程简单，所需的催化剂易得，工艺条件缓和，低温常压下便可大量生产，易于实现工业化生产。酯交换法制备生物柴油的技术关键是反应所用的催化剂，根据催化剂的不同，酯交换法可分为：均相催化法、非均相催化法及超临界无催化法。1.4.2生物柴油的物理法生产 在物理
13、法生物柴油生产技术方面，主要是利用了动植物油脂具有高能量密度和可燃烧的特性用于柴油代用燃料。由于动植物油脂具有粘度较高的特点，为了使其能够用于燃机燃烧，一种方法是将植物油与石化柴油直接混合用于柴油代用燃料。Amans7等在1983年将大豆油与2号柴油进行混合，然后在直接喷射的涡轮发动机上试验，结果表明，大豆油与2号柴油以l:2的比例可以得到很好地混合，降低了燃料油的黏度，并可直接用于农用机械的替代燃料。通常采用植物油与石化柴油530的混合比，其性能与2号石油柴油的性能很接近。另一种方法是将动植物油制成微乳液，来解决动植物油的黏度高的问题。Georing7等用乙醇水溶液与大豆油制成微乳液Ziej
14、ewski等用冬化葵花籽油、甲醇、l一丁醇制成乳状液，Neuma等用表面活性剂(主要成分为豆油皂质、十二烷基磺酸钠及脂肪酸乙醇胺)、助表面活性剂(主要成分为乙基、丙基、异戊基醇)、水、石化柴油和大豆油制成可替代柴油的微乳液。我国理工大学与德国ELSBETT公司合作，成功地开发了燃烧植物油的小缸径高速直喷燃机，并在开发的车用燃机上开展了用植物油做燃料的应用研究，成功地燃烧多种植物油7。1.4.3生物柴油的生物酶合成法生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。2001年日本采用固定化Rh
15、izopus oryzae细胞生产生物柴油，转化率在80左右，微生物细胞可连续使用430小时。 由于利用物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、无污染物排放等优点，具有环境友好性，因而日益受到人们的重视。但利用生物酶法制备生物柴油目前存在着一些亟待解决的问题：脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，一般仅为40%-60%；甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活；副产物甘油和水难以回收，不但对产物形成一致，而且甘油也对酶有毒性；短链脂肪醇和甘油的存在都影响酶的反应活性及稳定性，使固化酶的使用寿命大大缩短。这些问题是生物酶法工业化生产生物柴油的主要瓶颈8。 2生物柴油及其生产工艺流程设计2.1 生物柴油的成分 生物柴油，成分为脂肪酸甲酯，为黄色澄清透明液体，具有一种温和的、特有的气味，结构稳定，没有腐蚀性。生物柴油就是以生物质原料为基础加工而成的一种柴油(液体燃料)，具体地说，它利用植物油脂如蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等；动物油脂如鱼油、猪油、牛油、羊油等；或者是上述油脂精练后的下
