年产6000吨生物柴油设计.doc

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1、年产6000吨生物柴油项目初步设计说明书 课 题 报 告 课 题 题 目： 年产6000吨生物柴油项目可行性报告 学 院 名 称： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工095班 团 队 名 称： 天 翼 团 队 成 员： 定稿日期：2012年04月3019目录一、市场分析31.1生物柴油市场分析31.2生物柴油的竞争力分析生物柴油的竞争力分析3二、工艺阐述52.1生物柴油的生产方法评述和选择52.2工艺流程介绍52.3工艺流程图6三、产区选择及布置73.1厂址选择原则73.2我们的厂址73.3厂区平面布置图及主车间平面布置图83.3.1厂区平面布置图83.3.2主车间平面布置

2、图83.4开发生物柴油的经济及社会意义93.4.1我国开发生物柴油的社会意义93.4.2我国开发生物柴油的经济意义10四、经济分析与评价114.1原料费用114.2设备费用一览表114.3 建筑成本124.4总成本费用估算134.5盈利能力分析13五、设备选型及典型设备设计145.1典型非标设备精馏塔的工艺设计145.1.1设计采用的专业标准规范145.1.2.塔的物料衡算和操作回流比的确定145.1.3精馏段与提馏段的质量流量155.1.4填料塔的塔径165.1.5塔高175.1.6设计结果18六、项目总结196.1综合评价196.2研究报告的结论19一、市场分析1.1生物柴油市场分析随着界

3、能源短缺和价格的不断上涨, 以及各国环保法规的日益完善, 原料易得、价格低廉、优质清洁的生物柴油脱颖而出, 开发热潮不断升温, 技术进展屡屡突破, 作为一种重要的石油炼制产品, 在各国燃料结构中的份额逐年提高, 随着世界范围内车辆柴油化趋势的加快, 未来柴油的需求量会愈来愈大, 尤其是进入了20世纪90年代, 生物柴油以其优越的环保性能受到了各国的重视。1.2生物柴油的竞争力分析生物柴油的竞争力分析相比于汽油动力车, 柴油车的经济性不比同档次的混合动力车便宜不少, 比同档次的汽油车省油不少, 排放时温室效应也低了不少。在欧洲, 柴油车以其高效节能而大行其道, 在许多国家甚至占了半壁江山。199

4、8年6月4日, 为了改善车的运行性能和降低汽车尾气中有害物质的排放量, 美国、欧洲和日本汽车工类标准。柴行免政策, 生物柴油在加油站的零售价格约1. 45马克/L, 而业协会提出了汽车燃料质量国际统一标准即世界燃油规范，柴油为1. 60马克/L。生物柴油燃烧排放物对人体健康的影响，美国研究人员通过有害气体对人的体重、食欲、死亡率、血液、神经、肺部、眼睛及DNA等方面的影响得到结论：生物柴油的燃烧尾气对人体没有明显副作用。B-20(含20生物柴油的混合油)可降低16的毒性危害程，B-100(含100生物柴油的混合油)则可降低80。表11石化柴油和生物柴油尾气挥气排放的对比排放物g/(kw.h)排

5、放COHCPMSOOTPAHC02NOx减()67306850851002-6满足生物柴油行业的原材料需求对于全球来说将是一个巨大的挑战, 世界生物柴油生产原料构成见图1 图1􀀁 世界生物柴油生产原料构成图由图可以看出, 含油量高的油菜籽在满足生物柴油行业需求上的潜力较大, 目前世界上生物柴油的原料主要是菜籽油, 所占比例84%左右, 其次是葵花籽油, 其他原料比例很小。从长远来看, 中国生产生物柴油原料应采用植物油, 并在降低其成本上下功夫。首先, 所选用的含油植物尽可能不要同食用油的来源冲突; 其次它的生产量要大, 生产周期要短, 不同原料生产生物柴油成本见表1。表1 不

6、同原料生产生物柴油成本比较(单位: 元)原料价格成本价格盈利空间棉籽油480051004450- 650菜籽油510052004450- 750动物油279137984450652棕榈油317544650450 -200地沟油220036504450800下脚料600 80047504450- 300注: 除动物油和地沟油有盈利外, 其他原料生产生物柴油略有亏损,如有政府补贴, 可保本微利。二、工艺阐述2.1生物柴油的生产方法评述和选择已有的生物柴油生产方法有以下几种：1)直接使用植物油与常规柴油混合。该法的优点是：柴油液态，轻便，方便运输，具有可再生性、热值高；缺点是：粘度太高，易变质，燃烧

7、不完全。 2)微乳法，该法有助于充分燃烧，可和其他方法结合使用。 3)热解法，植物油和动物脂肪在高温下热解，需在高温下进行，需要常规的化学催化剂，由于在高温下进行，反应产物难以控制，设备昂贵。目前应用最广泛的制各方法是酯交换方法，酯交换反应可用的油包括植物油，动物脂肪和醇类。根据催化剂的不同，可以分为三类：碱催化的酯交换反应，用该法制备的生物柴油，还副产高附加值的甘油，反应的速度比较用酸催化快，但剩余碱时有皂生成，堵塞管道，需进行后处理。酸催化的酯交换反应，该法适用于含游离脂肪酸和水较多的体系。脂肪酶催化的酯交换反应，该法对游离脂肪酸和水的含量要求不高，相对清洁；但酶价格偏高，且易失活，反应时

8、间较长。 通过比较各种方法的优劣，以及考虑到原料和处理副产物的复杂程序，我们结合了各种方法，各取利弊，决定用酯交换法，考虑到原料的广泛性和价格，我们以棕榈油和地沟油作为我们的原料油，这些废脂由于含有较高的游离脂肪酸，在使用碱性催化剂时易形成皂类物质而不能直接转化为生物柴油。在生产过程中皂能阻止生物柴油从甘油中的分离。所以我们利用酸性催化剂处理使不能形成皂，然后通过碱性催化剂将实现酯交换反应。2.2工艺流程介绍(1)物理精炼:首先将油脂水化或磷酸处理，除去其中的磷脂，胶质等物质)。再将油脂预热、脱水、脱气进入脱酸塔，维持残压，通入过量蒸汽，在蒸汽温度下，游离酸与蒸汽共同蒸出，经冷凝析出，除去游离

9、脂肪酸以外的净损失，油脂中的游离酸可降到极低量，色素也能被分解，使颜色变浅。各种废动植物油在自主研发的DYD催化剂作用下，采用酯化、醇解同时反应工艺生成粗脂肪酸甲酯； (2)甲醇预酯化:首先将油脂水化脱胶，用离心机除去磷脂和胶等水化时形成的絮状物，然后将油脂脱水。原料油脂加入过量甲醇，在酸性催化剂存在下，进行预酯化，使游离酸转变成甲酯。蒸出甲醇水，经分馏后，无游离酸的分出C12-16棕榈酸甲酯和C18油酸甲酯； (3)酯交换反应:经预处理的油脂与甲醇一起，加入少量NaOH做催化剂，在一定温度与常压下进行酯交换反应，即能生成甲酯，采用二步反应，通过一个特殊设计的分离器连续地除去初反应中生成的甘油

10、，使酯交换反应继续进行； (4)重力沉淀、水洗与分层； (5)甘油的分离与粗制甲酯的获得； (6)水份的脱出、甲醇的释出、催化剂的脱出与精制生物柴油的获得。2.3工艺流程图酯化法生产生物柴油流程示意图三、产区选择及布置 3.1厂址选择原则 厂址选择主要包括以下一些原则：（1）原料和市场：厂址应该靠近各种原料市场和市场。（2）能源：化工厂需要大量的动力和蒸汽，应靠近燃料供应点。（3）气候：气候适宜，温度不宜过高保证正常的工作时间；选在稍有台风、 海啸、地震等灾难性的地方。（4）运输条件：尽量考虑靠近交通枢纽以及利用河流、运河、湖泊或海洋进行运输的可能性。（5）供水：化工厂使用大量的水，用于产生蒸

11、汽、冷却、洗涤等。因此厂址选择必须靠近水量充足和水质良好的水源。（6）对环境的影响：应得到当地环保部门的认可，以便于妥善处理废物。（7）用地节约用地，尽量少占耕地，并考虑工厂发展的土地空间。（8）协作条件:选择在储运、机修、公用工程和生活设施等方面具有良好协作条件的地区。 (9)预防灾害及其它：远离灾害区及文物保护区3.2我们的厂址我们厂的年生产规模为6000吨，位于山东威海工业新区，厂的名称为新世纪生物柴油有限公司，是个生物柴油小厂。威海市地处山东半岛东部，北东南三面濒临黄海，北温带季风型大陆性气候，雨水丰富、气候温和。全市年平均气温11.9，年平均降水量730.2毫米。威海经济发达，技术型

12、人才密集，交通便利，拥有威海港等自有港口，生产的生物柴油能出口日韩朝等国，威海工业新区于2006年经山东省人民政府批准设立，并报国务院备案。作为威海市政府规划建设的新型工业城区，威海工业新区是山东半岛区域规划面积最大、规划建设标准最高、最具发展潜力的新型城区。区内基础设施完善，快速主干公路与港口、市区及周边城市相连接，区内还建设了40多条次干公路，同步铺设各类配套管线，网络实现全区覆盖威海工业新区对进区项目在土地使用、低成本经营、税收等方面提供一系列的政策扶持。3.3厂区平面布置图及主车间平面布置图3.3.1厂区平面布置图3.3.2主车间平面布置图3.4开发生物柴油的经济及社会意义3.4.1我

13、国开发生物柴油的社会意义我国是最大的发展中国家，也是目前经济发展最为迅速的国家，能源发展战略始终在我国的经济发展中占有重要地位。优质石油能源的相对短缺及煤炭能源开发与利用过程中的低效率和所造成的环境污染正成为我国经济与社会可持续发展的重要制约因素。庞大的石油进口危及到我国战略安全，有识之士已经呼吁建立我国石油战略储备，但随着石油资源逐渐枯竭，未来世界各国对石油能源的争夺将更为激烈，建立战略储备不能从根本上解决石油资源短缺问题。与世界能源发展趋势一样，煤层甲烷、地热能、风能、太阳能、生物质能及其它可再生的清洁能源在今后的中国经济发展中将是重要补充。其中生物可再生能源由于来源的稳定性及环境的友好性

14、一直是最重要的能源研究方向。 大量研究资料表明：利用油脂生产生物柴油，转化能耗相当低，并具有良好的能量正平衡。用棕榈油生产生物柴油，投入产出比高达1：4.3，远远高于粮食发酵生产醇类代用原料的能量投入产出比；且生物柴油即可以直接使用，也可以与石化柴油以任意比例混合在现有柴油车中使用而不需要对现有发动机作任何改进；并可以利用已有的庞大矿物柴油销售和储存网络发展生物柴油对我国农业结构调整、农村经济社会发展和增加农民收入具有重要意义。种植油料作物来生产生物柴油，走的是农产品向工业品转化之路，而且液体燃料市场广阔，是一条强农业富农民的可行途径。它还可以创造大量就业机会，带动农村及区域经济社会发展，为国

15、家和地方增加税收。发展生物柴油既有明显的社会效益，总体经济效益也大大超过国家扶植产业发展的投入。3.4.2我国开发生物柴油的经济意义虽然目前在我国生产生物柴油尚不具备良好的经济效益，但发展我国生物柴油产业具有非常巨大的和不可估量的潜在经济意义。现有的将粮食转化成生物能 源的技术效率和效益都比较低，有些地方因种出不挣钱，土地抛荒现象较为严 重，但可通过结构调整发展成生物柴油的原料产地。同时我国国土中不适宜种植粮食的荒山、荒坡及水土流失和沙化严重的面积非常巨大，完全可以开发种植特色高产能源木本油料，发展成生物能源的供应地，而不必考虑油脂生产能力过大对油脂市场的冲击；通过对土地的有效利用，每年将增加

16、生物能源的供应量成千万吨计，按目前柴油价格28003400元/吨计算，将形成一个300多亿元的产业。并将建设大量的能源工厂，增加就业机会。值得注意的是现代石油工业是高度集中、连续性很强的产业，油田与炼油厂在战争时期是敌方的重点攻击目标，容易被破坏，恢复生产也难。生物柴油原料和生产分散，工艺简单，规模可大可小，易于隐蔽，总体生存能力强。 总之，发展生物柴油具有调整农业结构、增加社会有效供给、改善生态环境、缓解能源危机、增加就业机会等多方面重要意义。四、经济分析与评价4.1原料费用有两套生产生物柴油的设备，以日产量为10吨计算，每套仪器有3000吨/年，所以年产量为6000吨/年（原料油中地沟油占

17、50%，棕榈油占50%）生产所需原料的价格：（以每吨计）磷酸原料油甲醇氢氧化钠棕榈油地沟油50003175220028003000根据我们的工艺要求：我们所得产品的酯含量在98，最高收率在904，使用1的氢氧化钠作催化剂，以醇油摩尔比6：l的投料（即质量比为0.74，甲醇的分子量为32g/mol，油的分子量大约为260g/mol）。设生产一吨的生物柴油，需要1.1吨的油脂和0.8吨的甲醇，0.011吨的氢氧化钠（占油脂重量的1%），0.01吨的酸性催化剂。副产物甘油0.11吨（占油脂重量的10%）生成的产物以及副产物：生物柴油：6000元/吨；甘油：4900元/吨（山东市场价）年产量为6000

18、吨，所以年成本为：单位：万元磷酸原料油甲醇氢氧化钠棕榈油地沟油301047.75726134419.8原料费用为30+1047.75+726+1344+19.8=3167.55万4.2设备费用一览表序号设备名称型号规格数量单 价(万元)合 计(万元)动 力(KW)备 注1油泵KCB-83.310.2760.2762.2不锈钢2浓硫酸罐CGS14010.2000.200150m3钢塑复合储罐3硫酸泵ICB50-32-12510.3580.3582.2（轴功率）不锈钢4酯化反应釜ZHG18020.9801.960185不锈钢5回流冷凝器LN25115001.5006甲醇蒸馏塔ZLT40110000

19、10.0001010000L7水喷射泵SPB10030.1000.300不锈钢8甲醇储罐CG10010.5000.500不锈钢9导热油炉YGL350MA13.8003.80035010储油罐YG12010.3000.30050m3钢塑复合储罐11冷凝器ZL3611.21.2不锈钢12精馏塔9.8009.800不锈钢13闪蒸罐500-5000L10.50.514换热器10.110.1140不锈钢15水解反应器12.352.35不锈钢16离心机112.6512.6518.5不锈钢17真空干燥器ZTS-50113.813.84.0不锈钢18分离器10.450.450.2不锈钢19水洗塔11.001.

20、00一套设备的总费用为：418.696万元所以总的设备费用为：837.392万元4.3 建筑成本1.行政楼400m2：400 m2*1800=72万2.生产车间总建筑面积为900m2：900 m2*1800=162万3.仓库总建筑面积为1500m2:1500 m2*1200=180万4.助生产区总建筑面积44500m2:4450 m2*1200=534万5.生活区：总面积为1300 m21300 m2*1500元m2/=195万6.消防区面积为100 m2:100 m2*1500元m2/=15万总费用：72万+162万+180万+132万+23.1万+31.25万+195万+15万=810.3

21、5万4.4总成本费用估算人工费中，初步以6000吨/年的年产量，厂内有20个人，平均工资有3000元/月，所以年工资总共需要60万总成本费包括：建筑费用+原料费用+设备费用+人工费+流动资金 =810.35+3167.55+837.392+60+100=4975.292万元4.5盈利能力分析生物柴油定价：6000元/吨 副产物甘油：4900元/吨产品的年收益为：单位：万元生物柴油甘油3600323.4第一年：3600+323.4-4975.292=-1051.892万元第二年：-1051.892+3600+323.4-3167.55-60-100=-456.042万元第三年：-456.042+

22、3600+323.4-3167.55-60-100=139.808万元可知，该厂第三年开始盈利，项目的经济效益良好，前景可观。五、设备选型及典型设备设计5.1典型非标设备精馏塔的工艺设计5.1.1设计采用的专业标准规范表5-1设计采用的专业标准规范名称标准号固定式压力容器 GB 150.1150.4-2010锅炉和压力容器用钢板GB 713-2008奥氏体不锈钢焊接钢管选用规定HG20537.1-1992化工装置用不锈钢大口径焊接钢管技术要求HG20537.4-1992安全阀的设置和选用HG/T20570.2-1995爆破片的设置和选用HG/T20570.3-1995设备进、出管口压力损失计算

23、HG/T20570.9-1995钢制化工容器设计基础规定HG/T 20580-2011钢制化工容器材料选用规定HG/T 20581-2011钢制化工容器强度计算规定HG/T 20582-2011钢制化工容器结构设计规定HG/T 20583-2011钢制化工容器制造技术规定HG/T 20584-2011化工设备设计基础规定HG/T20643-1998压力容器无损检测JB/T 4730-2005钢制压力容器焊接工艺评定JB4708-2000钢制压力容器焊接规程JB/T4709-2000钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验JB4744-2000承压设备用碳素钢和合金钢锻件JB47265.1.2.塔

24、的物料衡算和操作回流比的确定表1 物质及相对分子量物质分子式相对分子量(gmol-1)甘油C3H8O392氢氧化钠NaOH40甲醇CH3OH32生物柴油（FAME）300棕榈油260表2 物料衡算始（mol）始（g）反应后（mol）反应后（g）棕榈油0.001120.29168.96*10-50.023296甲醇6.75*10-30.2166.75*10-52.16*10-3氢氧化钠7.425*10-52.97*10-37.425*10-52.97*10-3生物柴油003.23*10-40.27甘油003.23*10-30.297总7.944*10-30.510573.78435*10-30.

25、595生产能力：F=0.595g/s原料混合液中易挥发组分含量: xF= 2.16*10-3/0.595=0.00363; 质量=6.75*10-5/3.78435*10-3=0.0178同理，根据塔顶出料含有进料物料的总甲醇量的94%馏出液中易挥发组分含量 xD= 1(质量)=1kmol /kmol釜残液中易挥发组分含量 xW= 0.016(质量)=0.046kmol /kmol得出D=6.75*10-50.9432=2*10-3g/s W=F-D=0.595-2*10-3=0.593g/s采用五个理论级数及回流比为2就可以使甲醇与其它物质之间得到很好的分离即R=2，n=55.1.3精馏段与

26、提馏段的质量流量A为塔顶馏出物，即甲醇，MA=32g/molB为塔釜釜残液，根据表2数据，取MB=145g/mol精馏段液体平均摩尔组成xJ= =0.7228kmol/kmol精馏段液体摩尔质量Mx,J=MAxJ+MB(1-xJ)=63.32kg/kmol精馏段平均质量流量LJ=0.5715263.32/32=2.26kg/s提馏段液体平均摩尔组成xT= =0.2458kmol/kmol提馏段液体摩尔质量Mx,T=MAxT+MB(1-xT)=117.22kg/kmol提馏段平均质量流量GT= =7.69kg/s同理可得精馏段中蒸汽平均摩尔组成yJ=0.8228kmol/kmol精馏段中蒸汽摩尔

27、质量My,J=MAyJ+MB(1-yJ)=62.02kg/kmol精馏段中蒸汽平均质量流量GJ=3.96kg/s提馏段中蒸汽平均摩尔组成yT=0.3461kmol/kmol提馏段中蒸汽摩尔质量My,T=115.91kg/kmol提馏段中蒸汽平均质量流量GT=4.52kg/s蒸汽速度和塔径液泛时蒸汽极限空塔速度查资料图得tJ=89,tT=120精馏段蒸汽密度y,J= =2.01kg/m3提馏段蒸汽密度y,T=3.76kg/m3查资料，89时甲醇的密度和釜残液（取100%生物柴油）密度相近，即x,T=x,J=823kg/m3查甲醇和生物柴油粘度表，得x,J=0.2525mPas x,T=3.820

28、mPas根据公式解得uf,J=1.96m/s uf,T=1.23m/s 5.1.4填料塔的塔径取操作速度u为极限速度uf的70%，则uJ=0.7uf,J=0.71.96=1.365m/suT=0.7uf,T=0.71.23=0.861m/s故dJ=1.356mdT= =1.334m选取上下塔两段为相同的筒体标准直径d1.5m塔中蒸汽的实际操作速度uJ=1.365(1.356/1.5)2=1.115m/suT=0.861(1.334/1.5)2=0.681m/s分别为极限速度的56.9%和55.4%5.1.5塔高一节填料层高取4m，塔的填料层总节数为5层精馏塔总高度HZ=Zn+(n-1)hp+Z

29、J+ZT 式中：Z每节填料层高度，m；hp为两节填料层间的距离，m，其间装有液体分布器，取hp=0.5m；n填料节数，节；ZJ填料上方分离空间的高度，m，参考表3选定；ZT填料与塔底的距离，m参考表三选定表三 塔径与填料上、下方离空间高度塔径d/mZJ/mmZT/mm400100060015001200220010002000240014002500根据表三，选定ZJ=1m，ZT=2m故塔的总高HZ=45+(5-1) 0.5+1.0+2.0=25m5.1.6设计结果操作回流比R2塔总节数5蒸汽实际操作速度m/s精馏段1.115提馏段0.681塔径m精馏段1.356提馏段1.334取相同的筒体标准直径1.5每节填料层高度m4塔高m25六、项目总结 6.1综合评价1.该项目市场广阔，有销路，可为国家、地方和企业创造较好的经济效益和社会效益。2.该项目工程条件较为优越，工艺技术成熟，原料来源可靠，水电供应稳定。3.该项目的环保、劳动安全卫生、消防均符合国家和地方的有关规范和规定的要求。4.经济效益显著，本项目经过经济分析和财务评价，各项经济指标较好。 6.2研究报告的结论 综上所述，建设生物柴油公司社会与经济效益较好，该项目可行