文冠果生物炼制工艺的过程集成研究

论文摘要

文冠果是我国所特有的木本油料植物,具有生产生物能源和保护生态环境的双重效益,因此受到大家的普遍重视。文冠果的潜在经济价值丰富,种仁油可以生产生物柴油,副产物甘油可以生物转化为1,3-丙二醇,果壳和种皮中大量的木质纤维素可生产纤维素乙醇,并且种仁和果壳中含有皂苷、蛋白、淀粉等多种有效成分。为实现文冠果生物炼制过程高效、低成本的生物炼制工艺路线,本文利用化工流程模拟软件Aspen Plus建立文冠果生物炼制过程的模拟模型,从生产工艺整合、物质和能量集成两个角度系统阐述文冠果生物炼制工艺的过程集成,并对整个过程进行了经济分析,为文冠果生物炼制工艺开发提供准确、有效、可量化的基础设计数据。主要研究内容包括：1.采用流程模拟软件Aspen Plus对文冠果生物炼制工艺进行全流程工艺设计与模拟。以纤维素乙醇、生物柴油和1,3-丙二醇的前期研究结果为基础,建立文冠果多产物联产的生物炼制过程的模拟模型,对该生物炼制工艺进行严格的物料和能量衡算,并计算文冠果生物炼制工艺的生产成本。分析表明：年处理30万吨文冠果的生物炼制过程,将生产纤维素乙醇12,960吨,生物柴油37,417吨,1,3-丙二醇1,504吨；文冠果生物炼制过程的年总生产成本为29,369万元,其中原辅料成本和公用工程费用分别占总成本的78%和15%。经济效益估算表明,文冠果生物炼制工艺产品的年销售额总计53,841万元,年净利润为16,396万元。2.采用夹点技术对文冠果生物炼制过程的能量进行分析,将冷、热流股进行匹配换热,提出热集成方案,降低文冠果生物炼制过程中的能耗。对文冠果生物炼制过程能量集成的结果表明：热集成工艺消耗的冷、热公用工程较热集成前工艺分别节省52.8%和67.4%,纤维素乙醇、生物柴油和1,3-丙二醇的单位蒸汽能耗降为1.30、0.28和22.70吨。文冠果生物炼制能量集成工艺的年总生产成本为26,592万元,较原工艺降低了9.2%。3.采用化工流程模拟软件ProⅡ对以甘油为原料微生物法年产千吨1,3-丙二醇的三种不同分离工艺路线（醇沉、双水相、电渗析）进行了工艺设计模拟及技术经济性对比分析。结果表明：醇沉、双水相和电渗析三种工艺的总生产成本分别为14,793、14,201和14,345元／吨。敏感性分析表明,甘油价格是影响工艺单位成本的最关键因素。其次是1,3-丙二醇浓度和转化率,提高这两个指标有利于降低生产成本,提高工艺的经济性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 文冠果的开发利用价值
• 1.2 文冠果生物炼制关键工艺
• 1.2.1 纤维素乙醇生产工艺
• 1.2.2 生物柴油生产工艺
• 1.2.3 生物柴油副产甘油生产1,3-丙二醇工艺
• 1.3 工艺流程模拟技术
• 1.3.1 稳态流程模拟技术
• 1.3.2 流程模拟软件
• 1.4 化工过程系统的能量集成
• 1.4.1 用能一致性原则
• 1.4.2 夹点设计法
• 1.5 本课题的研究内容及意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 2 文冠果生物炼制工艺设计与模拟
• 2.1 工艺流程简介
• 2.2 模型的建立
• 2.2.1 定义化学组分
• 2.2.2 热力学方法的确定
• 2.2.3 单元模型的建立
• 2.3 文冠果生物炼制工艺的模拟过程与结果
• 2.3.1 总体工艺设计指标
• 2.3.2 工艺设计
• 2.3.3 模拟结果
• 2.3.4 生产成本核算
• 2.4 小结
• 3 文冠果生物炼制工艺的系统能量集成
• 3.1 文冠果生物炼制基本工艺物流数据的选取
• 3.2 文冠果生物炼制工艺的夹点分析
• 3.2.1 夹点位置的确定
• 3.2.2 物流间的匹配换热
• 3.2.3 能量集成工艺的经济评价
• 3.3 小结
• 4 微生物法生产1,3-丙二醇不同工艺的生产成本分析
• 4.1 工艺流程介绍
• 4.2 流程模拟方法
• 4.3 流程模拟与生产成本计算的结果与讨论
• 4.3.1 三种工艺的能耗对比分析
• 4.3.2 生产成本分析
• 4.3.3 敏感性分析
• 4.4 小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢