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1、台灣化學工程學會2009程序設計比賽生質柴油製程設計淡江大學化學工程與材料工程學系四年級學生：李秉諺 F126770870廖程楷 A125850016廖宏吉 M122298078民國98年2月67摘要地球資源有限，人口卻日益增加，石化資源的消耗也逐步增加，也因此資源的開發，變成現階段最重要的課題；除此之外，尋找替代能源，也是很重要的課題。本報告將說明一個生質柴油生產製程的設計。本製程生質柴油的產達到8萬公秉，純度達99.8wt%以上，需要使用到的主要設備包括熱交換器、幫浦、反應器、蒸餾塔、驟沸器、萃取塔等。設計工作首先由系統初步質量平衡決定原物料之用量，繼而進行設備之設計條件決定，再用Aspe
2、n Plus進整體流程模擬，最後決定設備尺寸，完成成本分析，此外，並利用模擬探討重要變數改變之影響，進行最適化分析。本報告也包括了製程控制系統之規劃與安全性之討論。成本分析結果顯示，設備之總購置成本為529,520美元，總裸模成本為2,666,378美元，總投資成本為3,800,973美元，總製造成本為68,394,681美元，其中以生質柴油蒸餾塔及甘油蒸餾塔之成本最高，因此針對此二塔另進行最適化探討。目錄摘要I目錄II圖目錄V表目錄VII一、前言1二、程序設計32.1設計規範32.2程序說明32.3系統初步質量平衡132.4反應器之設計152.5萃取塔之設計172.6蒸餾塔之設計19 2.6
3、.1甲醇驟沸塔之設計202.6.2生質柴油蒸餾塔之設計212.6.3甘油蒸餾塔之設計232.7熱交換器之設計242.8幫浦之設計26三、成本分析283.1設備成本及裸模成本283.1.1反應器、攪拌器之設備成本及裸模成本283.1.2蒸餾塔、萃取塔設備成本及裸模成本293.1.3熱交換器設備成本及裸模成本30 3.1.3.1蒸餾塔冷凝器設備成本及裸模成本30 3.1.3.2加熱器、冷凝器設備成本及裸模成本30 3.1.3.3蒸餾塔再沸器設備成本及裸模成本313.1.4幫浦設備成本及裸模成本313.1.5投資成本表323.2製造成本333.2.1公用設施成本333.2.2原物料成本343.2.3
4、廢棄物處理成本353.2.4人力操作成本363.2.5製造成本表37四、控制系統之設計38五、本質安全及風險危害評估40六、最適化分析41 6.1甘油塔最適化41 6.2生質柴油塔最適化43七、結論46八、致謝47九、符號說明48十、參考文獻51十一、附錄52附錄一 系統初步質量平衡53附錄二 各設備之設計54附錄三 設備成本及裸模成本之設計59附錄四 製造成本之設計63圖目錄圖 1 程序模擬流程圖5圖 2 系統初步質量平衡圖14圖 3 反應器(R-101)之程序流程圖15圖 4 轉化率對時間圖16圖 5 萃取操作流程圖17圖 6 萃取塔(T-301)之程序流程圖19圖 7 冷凝器的類型19圖
5、 8 甲醇驟沸塔(T-101)之程序流程圖20圖 9 生質柴油蒸餾塔(T-103)之程序流程圖22圖 10 甘油蒸餾塔(T-104)之程序流程圖24圖 11 驅動效率對軸功圖27圖 12 CEPCI值28圖 13 設備購置成本對功率消耗圖29圖 14 幫浦設備購置成本圖31圖 15 幫浦壓力因子圖32圖 16 幫浦裸模因子對壓力材質因子圖32圖 17 控制系統設計39圖 18 調整迴流比所需增加的板數41圖 19 Qc與Qr對迴流比的影響42圖 20 迴流比對公用設施成本的影響42圖 21 總裸模成本對迴流比的影響42圖 22 總年成本對迴流比的影響43圖 23 冷凝器熱負荷對迴流比圖43圖
6、24 再沸器熱負荷對迴流比圖44圖 25 總年成本對迴流比圖44圖 26 甘油蒸餾塔之冷凝器E-109物流配置示意圖55圖 27 冷凝器E-104物配置示意圖56圖 28 加熱器E-101物配置示意圖56圖 29 甘油蒸餾塔之再沸器E-111物配置示意圖57表目錄表 1 物流資料表6表 1(續) 物流資料表7表 1(續) 物流資料表8表 1(續) 物流資料表9表 2 各蒸餾塔的熱交換器之公用設施及設備規格10表 3 熱交換器之公用設施及設備規格11表 4 塔及反應器設備規格12表 5 幫浦公用設施之及設備規格12表 6 反應器(R-101)之物流資料表16表 7 萃取塔(T-201)之物流資料
7、表18表 8 甲醇驟沸塔(T-101)之物流資料表20表 9 160 oC、170 oC、180 oC下的飽和蒸氣壓21表 10 生質柴油蒸餾塔(T-103)之物流資料表22表 11 甘油蒸餾塔(T-104)之物流資料表23表 12 熱交換器-冷凝器、加熱器設計條件及結果表25表 13 各蒸餾塔熱交換器-冷凝器、再沸器模擬結果表25表 14 冷凝器熱傳面積表25表 15 加熱器、再沸器熱傳面積表25表 16 幫浦設計條件及結果表26表 17 反應器購置成本及裸模成本表29表 18 攪拌器購置成本及裸模成本表29表 19 蒸餾塔及萃取塔之塔身塔板購置成本表29表 20 蒸餾塔及萃取塔之購置成本與
8、裸模成本表30表 21 蒸餾塔冷凝器之購置成本與裸模成本表30表 22 加熱器、冷凝器之購置成本與裸模成本表30表 23 蒸餾塔再沸器之購置成本與裸模成本表31表 24 幫浦設備成本及裸模成本表31表 25 設備成本與固定設備成本表33表 26 冷卻水之成本表與用量表33表 27 低壓水蒸汽之成本與用量表34表 28 高壓水蒸汽之成本與用量表34表 29 設備耗電量及用電成本表34表 30 原物料用量與成本表35表 31 廢棄物流量與棄置成本表35表 32 廢水流量與棄置成本表35表 33 操作人員需求估計表36表 34 總製造成本表37表 35 甘油蒸餾塔在不同迴流比下的模擬結果41表 36
9、 甘油蒸餾塔與生質柴油蒸餾塔最適化結果表45表 37 各項設備成本資料表60表 38 裸模因子常數表61表 39 程序設備之壓力因子表62一、前言地球的資源有限，人口卻日益增加， 2000年人口人成長已經達到了60億；由於石化燃料為目前人類活動主要能量來源之一，故每年大量消耗石化燃料，不僅產生能源危機，更造成地球環境變遷，其中以大氣污染最為嚴重，並導致溫室效應、地球溫暖化、酸雨或氣候變化等現象。因此近幾年來，全球科學家多年來不斷研究開發替代能源，以取代日進耗竭的高污染高耗能石化燃料，其中之一即為生質柴油(Biodiesel)。1911年，Dr. Diesel為前瞻提出以植物油為發動引擎的未來願
10、景，他認為以植物油當作燃料可同時大幅提升農業發展，1912年，Dr. Diesel再度指出以植物油作為引擎燃料雖然暫時不及石化燃料重要，但終究在長遠的未來會證明，生質柴油與石化燃料具有相同的重要性。Dr. Diesel是柴油引擎的發明者，亦是以植物油作為引擎燃料的倡導者，並為未來發展生質柴油建立基礎。生質柴油有許多特性；1.閃火點高：生物柴油的閃火點約為190比石化柴油的52高出許多，相對也提升了安全性。2.無毒性：不含有石化聚芳香烴化合物等致癌物質3.可生物分解：生物柴油的原料本身就是自然界的物質，所以能在自然環境下分解，28天內其分解率可達95%。4.安全性高：除了閃火點高這種安全性之外，
11、生物柴油的火勢只需使用水即可撲滅。5.高十六烷值：生質柴油的十六烷值較石化柴油高，十六烷值較高則容易起動、燃燒均勻、輸出功率大。6.適應低溫狀態：具有較好的低溫發動機啟動性能。經添加劑得調配冷濾點可達-20。7.潤滑性：具有較好的潤滑性能。使喷油泵、發動機缸的磨損率低，使用壽命長。8.再生性：為可再生能源，與石油為有限儲量不同。9.可直接添加使用：不需要更改柴油機，生質柴油使用方式與石化柴油亦同。10.降低油耗：與石化柴油以35的混合使用，可達到降低油耗的功能。經由歐美等先進國家進行各種實驗及實車測試，發現可有效減少空氣污染物(硫化物、粒狀污染物、黑煙、一氧化碳、碳氫化合物)排放，對於減少石化
12、燃料使用量及改善空氣品質具有相當效益。美國是最早提出生質柴油商業化量產的國家，當初大力提倡生質柴油開發，原因在於消化國內過剩的大豆產量。但之後歐洲卻是最積極發展生質柴油的地區，其在於歐洲國家的農業部門在1992年重新檢討歐洲的農業政策，特別針對當初為防止農產品過剩或為穩定價格而讓部分田地休耕，政府因而給予農民補貼的政策進行檢討。歐盟在2001年11月通過兩項建議(1)要求會員國2005年在汽柴油中生質燃料比率需達2%以上，持續增加到2010年達到5.75%。(2)會員國將稅率優惠運用在乾淨燃料(純生質燃料)或摻配之生質燃料。而生質柴油的爆發性成長是近年來化學工業產品所少見的，從2001年初開始
13、發展，2002年全世界的生質柴油產量達到 106萬公噸，2003年143萬公噸，2004年225萬公噸。這種世界趨勢也是台灣科技產業未來的風向球，相對於石油工業百年的發展歷史，以及未來石油工業的式微(世界石油的缺鑿)未來生質柴油的前景將不可限量。在世界上可供為生質柴油的製造所需油脂原為製的植物油，如可大斷供應而價格較的大豆油或菜籽油均是。以其供應充足而且價格合或價為考因素。在歐洲以菜籽油及葵花油而在美國以大豆油(黃豆油)為主要的油脂原料。其他如熱帶地區的棕櫚油與椰子油、米糠油、紅花籽油、芥子油以及動物油如牛脂與油，均可使用。通常考供應、價格、儲存品質，以及引擎作業功能為其選擇標準依據。如飽和脂肪成份較高的原則其產品生質柴油容產生低溫動性問題。 另外，價的回收廢油脂(包括植物油與動物脂)亦可供用，但由於多含高溫處所產生的遊
