乙醇/水两组分体系在生物质上的气相吸附过程研究

论文摘要

具有较高乙醇浓度的乙醇/水混合物存在共沸组成,因此基于精馏的乙醇-水的分离及脱水在乙醇工业生产的能耗中占有很大的比例。在生物质发酵法制乙醇过程中,若将作为发酵原料的生物质用作吸附剂进行选择性气相吸附脱水制无水乙醇,由于吸附剂再生温度低,或可直接用于发酵原料不必再生,因而有可能大幅度降低能耗,这对于降低乙醇生产成本,特别是对燃料乙醇的生产具有重要的意义和价值。本论文对乙醇/水两组分体系在生物质上的气相吸附过程进行研究。设计了小试规模的固定床恒温吸附塔,塔内径为25mm,有效装填高度为900mm。考虑到我国有丰富的淀粉质生物质资源,以淀粉质原料发酵制乙醇具有十分良好的前景,本研究主要以玉米粉为吸附剂进行研究,同时也研究了稻谷粉的吸附性能,以进行比较。实验测量了在乙醇/水体系中水在玉米粉上的吸附等温线和乙醇的拟平衡吸附等温线;测量了不同气速、不同温度、不同进料浓度条件下玉米粉和稻谷粉的平衡吸附选择性,测量了不同气速下透过点处玉米粉的动力学吸附选择性;测量了不同气速、不同温度、不同床层高度、不同进料浓度条件下玉米粉和稻谷粉的吸附透过曲线（以99.5wt%乙醇浓度为透过点）、不同床层位置的吸附和脱附温度曲线、压降曲线以及吸附剂的生产能力。对不同条件下的实验数据进行分析和比较,得到了操作条件对生物质吸附性能影响的一些基本规律。乙醇的拟吸附平衡定义为:在同一吸附剂上水达到平衡条件下乙醇的吸附量。利用吸附势理论、线性等温线模型、Sircar模型和GAB模型对水在玉米粉上的吸附等温线进行了拟合,模型预测效果都很好;利用BET模型给出了水和乙醇分别在玉米粉上的吸附比表面积;基于淀粉葡萄糖单元上的羟基吸附位,对水和乙醇在生物质上的吸附进行了分析;利用传质区模型对不同条件下的透过曲线进行分析,给出非利用区长度（LUB）和床层利用率以用于工业放大;利用Klinkenberg模型对不同条件下的透过曲线进行分析,预测出玉米粉和稻谷粉吸附过程的总传质系数和有效扩散系数,利用回归得到的总传质系数和有效扩散系数可预测其他条件下的透过曲线。论文得出的结论是: 105℃对流烘干8小时的玉米粉和稻谷粉气相吸附过程均能得到99.5wt%乙醇产品;因为生物质能够选择性吸附水的机理是水与淀粉上的羟基作用力较乙醇强,又由于稻谷粉和玉米粉的主要成分都是淀粉,因此可以推断稻谷粉与玉米粉的吸附特性相似。若定义99.5wt%乙醇浓度为透过点,在91℃和气相进料乙醇浓度为93.8wt%下,稻谷粉和玉米粉的吸附生产能力约为0.3g乙醇/g吸附剂,在透过点处水的吸附量约为0.0198g水/g吸附剂;相同烘干条件下,稻谷粉较玉米粉具有较大的吸附容量。生物质气相选择性吸附的乙醇脱水过程可能是速率控制过程,而非平衡控制过程。生物质吸附过程中,乙醇与水相比有相当的吸附量,吸附的乙醇应予回收。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 燃料乙醇的使用现状
• 1.2 燃料乙醇的制备
• 1.2.1 发酵法制乙醇工艺简介
• 1.2.2 玉米发酵工艺介绍
• 1.2.3 乙醇脱水工艺简介
• 1.3 生物质气相吸附过程的研究进展
• 1.3.1 国外动态
• 1.3.2 国内动态
• 1.3.3 吸附平衡测定
• 1.3.4 吸附剂的选择性
• 1.4 吸附机理研究
• 1.4.1 玉米和淀粉结构
• 1.4.2 吸附作用力
• 1.5 本课题研究方案
• 第2章 实验装置与测试方法
• 2.1 实验装置
• 2.1.1 实验装置图
• 2.1.2 实验条件
• 2.1.3 实验仪器
• 2.1.4 实验步骤
• 2.2 实验测试方法
• 2.2.1 气相色谱的检测条件
• 2.2.2 气相色谱校正因子的测量
• 2.2.2.1 定量校正因子
• 2.2.2.2 校正因子的测定
• 2.2.2.3 组分的定量计算方法
• 2.2.3 多路热电阻数字温度仪的标定
• 2.3 数据处理
• 2.3.1 吸附剂原料脱水量的计算
• 2.3.2 吸附剂床层孔隙率的估算
• 2.3.3 床层透过曲线
• 2.3.4 吸附选择性和分离因数的定义
• 第3章 乙醇/水体系生物质的气相吸附平衡研究
• 3.1 引言
• 3.2 气相吸附平衡
• 3.3 吸附等温线模型
• 3.3.1 亨利定律
• 3.3.2 吸附势理论
• 3.3.3 Sircar 模型
• 3.3.4 GAB 模型
• 3.3.5 BET 模型计算比表面积
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 吸附平衡数据
• 3.4.2 水的吸附等温线分析
• 3.4.2.1 吸附势理论分析
• 3.4.2.2 线性吸附等温线模型分析
• 3.4.2.3 Sircar 模型分析
• 3.4.2.4 GAB 模型分析
• 3.4.2.5 BET 模型计算水在玉米粉上的吸附比表面积
• 3.4.3 乙醇的拟平衡吸附量分析
• 3.4.3.1 吸附势理论分析
• 3.4.3.2 吸附等温线分析
• 3.4.4 稻谷粉与玉米粉吸附平衡量对比
• 3.5 小结
• 第4章 乙醇/水体系生物质的气相吸附过程和传质区模型分析
• 4.1 引言
• 4.2 传质区模型
• 4.2.1 传质区模型基本概念
• 4.2.1.1 负荷曲线和透过曲线
• 4.2.1.2 吸附等温线对透过曲线的影响
• 4.2.2 操作方式对透过曲线的影响
• 4.2.3 传质区简化模型
• 4.3 吸附过程分析
• 4.3.1 吸附剂的脱水量
• 4.3.2 吸附剂床层孔隙率的估算
• 4.3.3 不同床层位置的吸附温度变化曲线
• 4.3.4 气速对吸附操作的影响
• 4.3.4.1 不同气速下的透过曲线
• 4.3.4.2 不同气速下的床层压降
• 4.3.5 温度对吸附操作的影响
• 4.3.5.1 不同温度下玉米粉的透过曲线
• 4.3.5.2 不同温度下稻谷粉的透过曲线
• 4.3.6 床层高度对吸附操作的影响
• 4.3.6.1 不同床层高度下的透过曲线
• 4.3.6.2 不同床层高度下的床层压降
• 4.3.7 稻谷粉和玉米粉吸附性能对比
• 4.3.7.1 不同吸附剂的透过曲线
• 4.3.7.2 不同吸附剂的压降曲线
• 4.3.8 不同吸附床层位置的脱附温度变化曲线
• 4.4 传质区模型分析
• 4.4.1 玉米粉传质区模型分析
• 4.4.1.1 不同床层高度下的透过曲线分析
• 4.4.1.2 不同温度下的透过曲线分析
• 4.4.1.3 不同气速下的透过曲线分析
• 4.4.2 稻谷粉传质区模型分析
• 4.4.2.1 不同床层高度下的透过曲线分析
• 4.4.2.2 不同气速下的透过曲线分析
• 4.4.3 稻谷粉和玉米粉床层利用率对比
• 4.5 小结
• 第5章 乙醇/水体系生物质的气相吸附选择性研究
• 5.1 引言
• 5.2 选择性研究实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 选择性数据一览表
• 5.3.2 不同气速下平衡吸附量和透过点处的吸附量
• 5.3.3 温度对吸附能力的影响
• 5.3.4 进料浓度对吸附能力的影响
• 5.3.5 稻谷粉与玉米粉吸附性能对比
• 5.3.6 与前人实验数据的对比
• 5.4 小结
• 第6章 乙醇/水体系生物质的吸附动力学和透过曲线预测
• 6.1 引言
• 6.2 恒温扩散模型
• 6.2.1 连续性方程
• 6.2.2 线性推动力模型
• 6.2.3 外扩散系数的关联
• 6.2.4 Klinkenberg 模型
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 水的线性吸附等温线
• 6.3.1.1 水在玉米粉上的线性吸附等温线
• 6.3.1.2 水在稻谷粉上的线性吸附等温线
• 6.3.2 总传质系数的预测
• 6.3.2.1 玉米粉总传质系数的预测
• 6.3.2.2 稻谷粉总传质系数的预测
• 6.3.3 透过曲线的预测
• 6.3.3.1 不同床层高度透过曲线的预测
• 6.3.3.2 不同气速透过曲线的预测
• 6.3.3.3 不同进料浓度透过曲线的预测
• 6.3.4 传质阻力分析和有效内扩散系数的预测
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 符号说明
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 附录4
• 附录5
• 附录6
• 附录7
• 附录8
• 附录9
• 附录10
• 致谢