化工设计最新版

1、合 肥 学 院HEFEI UNIVERSITY 化工工艺课程设计题 目年产5万吨蓖麻油乙酯生物柴油工艺系 别化学与材料工程系专 业化学工程与工艺班 级12级化工班姓 名*学 号120302*指导教师* 2015年 7月 7 日目 录化工工艺课程设计任务书4第一章 概述51.生物柴油的概述52生物柴油的应用概况51.2.1国外概况51.2.2国内概况7第二章 生物柴油的特性与制备方法82.1生物柴油的优点82.2生物柴油的生产方法及新技术92.2.1直接混合法92.2.2微乳液法92.2.3热解法102.2.4酯交换法102.2.5新技术10第三章 生物柴油的制备研究123.1实验部分123.1

2、.1实验原理123.1.2实验仪器123.1.3实验方法123.2 结果和讨论143.2. 1 酯交换反应的优化条件143.2. 2 放大实验对比实验及最佳反应时间的确定143.3 结 论15第四章 物料衡算16第五章 热量衡算185.1 基准温度的选定185.2 反应釜的热量衡算185.2.1 加热去除原料油中水分的焓变量185.2.2 原料油降温至50的焓变量195.2.3 维持回流反应所需的热焓195.2.4 反应完成后回收乙醇所需的焓：205.2.5 回流带回反应釜的热焓205.2.6 带出反应釜总热焓205.2.7 反应釜散热损失205.2.8 反应釜的热量平衡计算215.2.9 外

3、加热油炉负荷计算225.3 回流冷凝器热量衡算225.3.1 回流冷凝器的负荷计算225.3.2 回流冷凝器峰值热负荷计算235.4 冷凝冷却器热量衡算235.4.1 冷凝原料油干燥中产生的水分焓变235.4.2 冷凝冷却回收乙醇的热负荷235.4.3 冷凝器冷却峰值热负荷计算235.5 计算结果24第六章 设备计算和选择256.1 设备选型的原则256.2 主要设备反应釜计算256.3 主要设备及选型25第七章 致谢27附录28参考文献29化工工艺课程设计任务书一、设计题目：年产5万吨蓖麻油乙酯生物柴油工艺二、设计条件及任务1、生产能力：年产5万吨2、方法：氢氧化钾催化下酯交换反应（蓖麻油+

4、乙醇蓖麻油乙酯生物柴油+甘油）3、年开车时间：300天4、原料：蓖麻油、乙醇、氢氧化钾、等5、地点：合肥6、产率：90%7、副产物：甘油8、间隙式操作三、设计内容检索相关合成原理，确定合成工艺条件（如温度、时间等），画出框式工艺简图，参照CAD教材画出工艺流程图（带控制仪表），进行物料衡算与热量衡算，确定反应器尺寸，绘制出主体设备图（反应釜），撰写设计说明书。具体设计内容如下：1、物料衡算、能量衡算2、绘制带控制点的工艺流程图3、系统主要设备计算（包括尺寸等）4、绘制主体设备（酯化反应釜）图5、设计评价四、设计说明书组成1. 目录 2. 概述3. 物料与能量衡算4. 结构设计与说明5. 设计总

5、结6附录（符号含义等，具体见模板）7致谢8. 参考文献9. 指导教师评分表10. 附工艺流程图、主体设备图、平面布置图各一张 （出A3以上的图，用AutoCAD绘制）五、设计进度1 设计动员，下达设计任务书 0.5天2 搜集资料，阅读教材，拟定设计进度 1.5天3 设计计算（包括电算，编写说明书草稿） 5 6天4 绘图 3 4天5 整理，抄写说明书 2天6 设计小结及答辩 2天六、设计成绩评分体系成绩分为五档：优秀、良好、中等、及格、不及格评定方法 ：答辩20% 图纸25% 说明书45% 平时10%第一章 概述1.生物柴油的概述生物柴油是一种以长链脂肪酸的单烷基酯为主成分的燃料，是石化柴油的可

6、靠替代品。1983 年，美国科学家将经过酯交换得到的脂肪酸甲酯定义为生物柴油( Biodiesel) ，这是狭义上的生物柴油。1984 年美国和德国的科学家将生物柴油的定义广泛化，即指凡是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料油，通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料都称为生物柴油1.生物柴油与石化柴油相比有以下优点：(1）优异的环保性。生物柴油燃烧产生的SO2和硫化物排放量低、不含芳香族烷烃、含氧量高，CO 的排放与普通柴油相比减少约90%、无毒。（2）高度的安全性。目前世界各地生产的生物柴油闪点均高于130，具备极好的热稳定性和抗爆性，在运输、贮存和使

7、用方面安全性很高。（3）优异的低温启动性。无添加剂冷滤点达-20，可确保在低温环境下正常启动。（4）良好的可燃性和润滑性。生物柴油的十六烷值一般不低于石化柴油，燃烧性能优于普通石化柴油；其润滑性能也很好，可以降低喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率，延长发动机使用寿命。由于近年来石化柴油价格的飙升以及世界各国对生物柴油政策上的扶持，生物柴油越来越受到人们的重视和青睐。生物柴油作为优质的石化柴油代用品，属于环境友好型绿色燃料，具有很好的经济效益与社会效益。用来制备生物柴油的原料来源广泛，如蓖麻油、茶油、桐油、亚麻油、棕榈油、菜籽油、棉籽油、橄榄油、大豆油、花生油、玉米油、鱼油、猪油、牛油、藻类油脂、

8、餐饮业废油脂等。生物柴油产业具有巨大的发展潜力吗，对保障石油安全、保护生态环境、促进农业和制造业的发展、提高农民收入，将产生非常重要的作用2生物柴油的应用概况1.2.1国外概况1.2.1.1美国概况美国是世界上最大的石油消费国，也是最早研究生物柴油的国家。自1990 年“空气清洁法”和1992年“能源政策法”颁布以来，美国加强了对降低空气污染、保护环境和减少对外能源依赖性等问题的深人研究，生物柴油的商品化问题又被重新提上议事日程。为促进本国可再生能源的开发和应用，美国早于1998 年就制定了相应的生物柴油标准，2002年美国材料试验学会（ASTM）通过了生物柴油标准，同时制定了更加严格的石化柴

9、油标准，并已于2006年开始执。目前美国有4个生物柴油生产厂家，总能力约30万t/a，2002年美国生物柴油销售量为5万t，2003年提高到8万t，增加67%，美国规划年生物柴油生产115 万t，2016年达到330万t。1.2.1.2欧盟概况在世界上，欧盟是最大的生物柴油生产区，也是最大消耗区，生产生物柴油的主要原料是菜籽油。在生物发展阶段，欧盟各国出台相应的政策大力扶持生物柴油的发展。欧盟免除生产厂商90%的税收; 德国对种菜籽的农民给予一定的补贴，降低生物柴油的税收，使生物柴油的价格低于石化柴油的价格; 法国对生物柴油进行降税或免税，并鼓励研发生物柴油发动机，来促进生物柴油在法国的发展，

10、并且有可能超越德国成为生物柴油第一大生产国。按照京都协议书规定，欧盟20082012年期间要减少CO2排放量8%。根据“欧盟战略能源技术规划”的要求，生物能源占欧盟能源消耗总量的比例要达到至少14%。生物柴油在绿色能源中占有举足轻重的角色，因此欧盟将要更大力度的发展生物柴油，来缓解能源的危机和减轻环境的压力。2009 年 3月，欧盟宣布对来自美国的生物柴油进行反倾销和反补贴征税等措施，来保护生物柴油在欧盟的市场。根据欧洲生物柴油委员会的报告显示，20052012年欧盟生物柴油的产量如图所示。欧盟的生物柴油产量在逐年增加，从阿根廷和印度尼西亚以及北美生物柴油进口量的增加导致欧盟 2011 年生物

11、柴油的产量下降。目前欧洲联盟拥有254个生物柴油设备，分析师预测将只能够完成欧盟2020年度生物燃料任务的66%1.2.2国内概况我国柴油产量到2005年达到80.5Mt，仍缺口600 2400 kt。预计到2010年柴油的需求量将突破100Mt，与2005年相比，将增长24%；至2015年市场需求量将会达到130Mt左右。近几年来，尽管炼化企业通过持续的技术改造，生产柴汽比不断提高，但仍不能满足消费柴汽比的要求。我国的生物柴油产业刚刚起步，目前的年产量不到3万t，但是发展势头较好。生产高质量的生物柴油目前还很困难，中国科技大学、石油化工科学研究院、东北林业大学、华东理工大学等单位多年来进行了

12、生物柴油技术的研究开发，并进行了小型工业实验，但都未实现产业化。目前我国已经有海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源发展公司、河北古杉油脂化学有限公司和无锡华宏生物燃料有限公司等企业生产生物柴油，他们主要以回收的废油、野生油料、植物油下脚料及废动植物油脂等为原料生产生物柴油，所得产品的性能与0#柴油相当。但是国内生产的生物柴油没有统一的质量标准，存在使用性能差、品种波动大等问题，一般仅可用于农用柴油发动机或燃油取暖锅炉，要想直接用于汽车、船舶并保证不对其带来机械损害还有一定的距离。目前由中国石油化工股份有限公司提出、石油化工科学研究院起草的我国第一项生物柴油国家标准柴油机燃

13、料调和用生物柴油己进入报批程序，这将为我国生物柴油大规模的产业化发展提供有利的保障。第二章 生物柴油的特性与制备方法2.1生物柴油的优点( 1) 生物柴油的十六烷值一般高于49，矿物柴油的十六烷值一般为 45，因而生物柴油比矿物柴油具有更好的发火性，具有更短的着火滞后期，有利于降低柴油机的燃烧过程中的压力升高率，可以减少柴油机的振动和噪声。 ( 2) 生物柴油含氧量可达11%，高于矿物柴油。所以，因为生物柴油的着火滞后期较矿物柴油的短，所以生物柴油在发动机气缸燃烧时裂解聚合为碳粒的概率比矿物柴油小，因此，发动机燃用生物柴油的碳烟排放要比燃用矿物柴油时低。另外，由于生物柴油分子本身含氧，因而在燃

14、烧过程中对外部氧需求量比矿物柴油少，因此，在发动机进气量不变的前提下，可以向气缸内喷入更多的生物柴油，以抵消因生物柴油热值略低于矿物柴油而导致的功率降低，使柴油机的动力性能基本保持燃用矿物柴油的水平。 ( 3) 由于生物柴油具有较高的含氧量，因而有利于完全燃烧，所以柴油机燃用生物柴油时的CO和HC排放要比燃用纯矿物柴油时低。柴油机燃用B20并配用催化转化器可以使微粒排放减少31%，一氧化碳减少21%，总碳氢排放减少47%。又由于生物柴油中的芳香族烃类、硫、铅、卤素等有害成分比矿物柴油要低得多，因而，柴油机排气中具有致癌性的碳氢化合物、SO2、硫酸盐、铅化物等有害物质极少，柴油机燃用生物柴油还能

15、消除或减轻柴油机排气的不良气味和对人眼的刺激。柴油机燃用生物柴油时排气中的NOX随发动机负荷和测试方法不同略有增加或减少。生物柴油与催化转化器、 微粒捕集器、废气再循环等改善排放技术不存在矛盾。生物柴油是第一种完全通过美国清净空气法案规定的健康影响试验的代用燃料。(4) 生物柴油与矿物油相比具有较高的运动粘度，而且燃烧形成的胶质也具有一定的润滑作用，从而可以补偿因降低矿物柴油中的含硫量而引发的润滑不良问题。(5) 生物柴油的毒性较矿物柴油的低，是可再生能源，且生化分解性良好，具有良好的环境友好性。(6) 与其化代用燃料相比，柴油机不需要进行改造河直接燃用生物柴油，也无需另外增设专用的储存和加油

16、设备，使用维修人员也不需要进行特殊的培训。(7) 生物柴油的闪点在100以上，而普通柴油的闪点一般不超过70。所以，生物柴油在运输、储存和使用过程中比矿物柴油具有更高的安全性。(8) 尽管纯生物柴油对天然橡胶和聚严氨酯泡沫材料有劣化作用，会降低与其接触的由天然橡胶制成的胶管和垫圈的寿命，但是，含20%及其以下的生物柴油的混合柴油不存在这种问题。纯生物柴油或混合柴油都可以存储在任何可以存储矿物柴油的容器中。生物柴油可以与矿物柴油使用相同的基础设施进行运输、存储和使用。(9) 尽管生物柴油不可能完全取代矿物柴油，但可以部分替代矿物柴油，并改善柴油机的排放性能，而且可以减轻对矿物柴油的完全依赖，既有

17、利于国家的能源供给，也有利于农副产品的转化和废弃动植物油酯的有效利用。综上所述，柴油机使用生物柴油不仅利于改善燃料结构，而且可以降低有害排放。从能源战略角度分析，生物柴油是最为重要的代用燃料之一。目前，从生物柴油的生产能力和生产成本来看，发展生物柴油的目的并不是要完全取代矿物柴油，而在于改善矿物柴油的性能。2.2生物柴油的生产方法及新技术生物柴油的生产方法主要有直接混合法、微乳化法、热解法和酯交换法。目前工业化生产主要采用的是酯交换法，即以各种油脂和短链醇为原料，以酸、碱、酶等为催化剂，或在超临界条件下不使用催化剂而进行酯交换反应的方法。2.2.1直接混合法将植物油与矿物柴油按一定的比例混合后

18、作为发动机燃料使用。目前各国通常采用5% 20%的混合比，其性能与石化柴油的性能接近。2.2.2微乳液法微乳液是由两种不相溶液体与其它两性分子混合形成胶体分散系统，透明、热力学稳定，且各向同性分散相粒径为1150nm之间。微乳化法生产生物柴油是利用乳化剂，使植物油分散到猫度较低溶剂中。Neuma等开发了可替代柴油的新的微乳状液体系，其中组成为柴油3.160 g、大豆油0.790 g、水0.050 g、异戊醇0.338 g、十二烷基碳酸钠0.676 g的微乳状液体系的性质与柴油最为接近。2.2.3热解法高温裂解是在空气或氮气流中由热能引起化学键断裂而产生小分子的过程。高温热裂解法过程简单，没有污

19、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。2.2.4酯交换法醋交换法就是用短碳链的单烷基脂肪醇（如甲醇、乙醇、丙醇或丁醇）取代油脂中子的甘油三醋变成分子量相对更小的脂肪酸醋，即生物柴油。酯交换反应的催化剂有酶、酸和碱，根据催化剂的不同可以将反应分为三类：碱催化的酯交换反应、酸催化的酯交换反应及脂肪酶催化的酯化反应。目前生物柴油主要用酸碱催化法生产，即采用动物或植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在酸或碱性催化剂和230250高温下进行醋化反应，生成相应的脂肪酸甲醇或乙醇，经洗涤干燥即得生物柴油。在反应釜里发生的酯交换反应方程式如下：2.2

20、.5新技术A.微波辐射与超声强化微波对物质的加热过程与物质的分子极性有密切的关系，极性溶剂能强烈地吸收微波而升温较快，非极性溶剂极少或不吸收微波，因而利用高极性的离子液体作为微波吸收剂，可促进微波化学反应。由于超声波具有独特的效应，近年来超声辅助制备生物柴油的研究越来越受到广大研究者的关注。超声强化酯交换制备生物柴油不但提高了生物柴油产率,缩短反应时间，而且反应条件温和，对设备的要求也不严格。目前，超声强化酯交换制备生物柴油还停留在实验室探索阶段，超声化学反应器的设计和放大也限制了其生产上的应用。B.超临界甲醇法超临界流体对操作温度及压力变化具有很强的敏感性，因而可通过改变反应中的操作条件来调

21、节超临界流体的物理特性，以进一步影响反应体系在超临界流体中的传质、溶解度及反应动力学性能，从而改善产率、选择性及反应速率。C.工程微藻生产“工程微藻”生产柴油，是从海藻中提炼生物燃料，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。利用“工程微藻”生产柴油，其优越性在于：微藻生产能力高，用海水作为天然培养基可节约农业资源；比陆生植物单产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫；燃烧时不排放有毒有害气体，排人环境中也可被微生物降解，不污染环境。D.离子液体法离子液体制备生物柴油的特点是离子液体既可作催化剂又可作溶剂，加快了反应，与传统的酸碱催化剂相比，腐蚀性低，反应速率快，过程清洁，催化剂结构可调，转化率高。张锁

22、江介绍了由烷基咪唑、烷基吡啶、季铵盐、季磷盐等含氮、含磷化合物与金属或非金属的卤化物或酸式盐形成的在室温下呈液化状态的离子液体作为催化剂，或者离子液体和其它的酸或碱复合作为催化剂合成生物柴油的方法。综上所述，将生物柴油的制备方法及其优缺点汇总如下表制备方法优缺点直接混合法 微乳液法高温热裂解法碱催化酯交换法 酸催化酯交换法酶催化酯交换法优点：以液态存在，密度较小，易于运输，热值较高，可再生。缺点：粘度大，易变质，燃烧不完。优点：热力学稳定好，粘度小，燃烧充分，可以与其他物质联合使用。缺点：热值量比较低。优点：工艺简单，污染小缺点：高温操作，设备昂贵，得到产物复杂难以控制。优点：反应时间短，反应

23、速率比酸催化快，成本低。缺点：反应碱过剩会产生皂化现象，堵塞管道，甲醇过量时，对油脂的酸值和含水量高。优点：当油脂中水和脂肪酸含量高时，生产效果好。缺点：甲醇过量的情况下，产物分离困难。优点：不受油中水和脂肪酸含量影响，催化剂和产物易分离，反应条件温和。缺点：酶的价格昂贵，甲醇过量会使催化剂失活。第三章 生物柴油的制备研究3.1实验部分3.1.1实验原理生物柴油的制备原理是：油脂和短链醇（通常是乙醇）在催化剂的作用下共热酯化生成生物柴油和甘油。3.1.2实验仪器蓖麻油，KOH 、乙醇 (95 %)、 Na2S2O3 、H2SO4 、KI、KIO4 和可溶性淀粉均为分析纯。蓖麻油是最重要的羟基酸

24、油脂。蓖麻籽仁含油45% 65%，去皮籽仁含油可达70%左右。蓖麻油不能食用, 主要用作工业原料。蓖麻油的甘三酯组成比较简单, 主要为三蓖麻酸甘油酯67. 9%, 二蓖麻酸甘油酯 (包括二蓖麻酸亚油酸酯、油酸酯、二羟基硬脂酸酯)28. 1%，一蓖麻酸甘油酯3. 2%,还有少量不含蓖麻酸的甘油酯。蓖麻油因为含有大量的羟基, 溶解性与其他油脂大不相同。蓖麻油在羟类溶剂中的溶解性较差，但在室温下能溶于冰乙酸 ; 蓖麻油可与无水乙醇任意比例混溶，1 体积的蓖麻油还可以溶解于5体积的 95 %乙醇中。利用蓖麻油的特性可以定性鉴别蓖麻油。蓖麻油的理化指标见表 1。3.1.3实验方法A. 酯交换反应由于蓖麻

25、油的酸值较小,在1左右,所以可以不经过酯化反应直接进行酯交换反应。在酯交换反应装置中加入蓖麻油、甲醇、催化剂 (KOH ), 边搅拌边加热到一定温度 , 反应120m in后，测定其转化率。反应结束后, 将混合液在分液漏斗中进行分离,分出甘油层。上层甲酯首先进行常压蒸馏, 回收过量的甲醇；然后，用适量的稀酸溶液洗涤，再用水洗至水层呈中性；最后进行蒸馏得到生物柴油，下层为副产物甘油。采用多因素正交实验设计方法,对蓖麻油酯交换反应的条件进行优化，选择最佳反应条件和试剂用量。实验中蓖麻油均100g，物质和条件因子及水平的设计见表2，实验因子安排采用正交表。B. 蓖麻油转化率的测定利用皂化 水解法测定

26、产物中的甘油含量甘油产率等于蓖麻油转化率,转化率的计算式：生物柴油中甘油含量% =转化率 =(蓖麻油甘油含量 -蓖麻油生物柴油甘油含量)/蓖麻油甘油含量 × 100% 式中：V0 空白消耗Na2S2O3体积 ，mL； V样品消耗Na2S2O3体积， mL；CNa2S2O3 Na2S2O3溶液浓度, mol/L；m 称取样品质量，g。3.2 结果和讨论3.2. 1 酯交换反应的优化条件从表3中直观分析，A 因子以A2 水平酯交换反应转化率最高，即催化剂用量为油重的1.0%。B因子以 B3水平酯交换反应转化率最高，从13水平趋势可看出，甲醇用量10% 并非最理想用量。C因子以C1水平酯交

27、换反应转化率最高，但从1 3水平趋势看，相差不大。极差大小为 RC> RA > RB。从表3中的数据可以得出，F B、F C的值均小于F0.01 (2, 2) =9. 00，表明因子催化剂用量 B、油醇摩尔比C在实验设计水平变化条件下对转化率均无显著影响；而F0. 01 (2, 2) =9.00 < FA =10. 08 < F 0.05 (2，2) =19. 00，表明反应催化剂 A 在实验设计水平变化条件下对转化率影响显著。随着温度升高，反应转化率提高不明显。考虑能耗等因素， 得出在实验设计水平内的最佳反应条件：催化剂用量为油重的1.0%，甲醇用量为20%,反应温度

28、为65。3.2. 2 放大实验对比实验及最佳反应时间的确定为考察该方法的稳定性、通用性及确定最佳反应时间，设计如下实验：在以上实验所取得的最佳反应条件下，取1000 g蓖麻油进行实验，每30min取样测定生物柴油转化率(前30 min取样2次)。结果见图1。从图 1可以看出，在实验确定的优化条件下加大原料油的量，同样取得了与正交实验中效果最好的第6组相当的生物柴油转化率(约86%)，并且反应时间缩短30 min。此结果表明该方法制备生物柴油效果稳定，最佳反应时间为90 min。从图1的反应结果也可以看出，当反应在进行到70 min左右时，转化率已达到较高的值，但随着反应时间的延长，转化率的提高

29、并不明显，且反应进行到一定程度时，转化率反而略有下降，这说明最初反应阶段酯交换速率较快，当接近反应平衡点时，其速率逐渐减慢，并趋于恒定，达到动力学平衡，与均相酯交换反应动力学过程相似。3.3 结 论通过实验得出以蓖麻油为原料制备生物柴油，在实验设计水平内的最佳反应条件：催化剂用量为油重的1.0%，甲醇量为油重的20%，反应温度65，反应时间90 min，该条件下转化率为86%。该研究结果可为开发蓖麻油资源制备生物柴油提供有效参考。第四章 物料衡算物料衡算指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个生产装置、生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成进行平衡计算。根据物料衡算的质量守衡定律，在间歇操

30、作过程中，若系统内不发生物料的积累，输入的物料量等于输出的物料量。按一操作周期1000Kg，其中含水2Kg，乙醇加入量按去水后油脂的30%计，催化剂加入量按去水后油脂的1%。根据工艺流程，物料衡算框图见下图。反应釜冷凝器回流冷凝器F3乙醇299KgF4催化剂10KgF1油988KgF2水2KgP2甘油混合物200KgP4冷凝水P3回收乙醇P1粗制柴油948KgP5根据上图衡算框图，列出列出下列物料衡算式（单位：kg） ： 总物料衡算式：分项物料衡算式： 式中：去除水分的蓖麻油质量，kg；蓖麻油中水分质量，kg；乙醇质量，kg；催化剂质量，kg；生物柴油质量，kg；甘油混合物质量，kg；回收的乙

31、醇质量，kg；冷凝水质量，kg；回流乙醇质量，kg；生物柴油得率， 92%； 甘油对原料油的得率， 7%； 皂类物质对原料油的产率， 2%； 乙醇对原料油的综合消耗率，11%；乙醇回流量与加入量的比值取 200%。第五章 热量衡算热量衡算解决两种类型的问题， 一种是先对使用中的设备或装置实际测定一些热量，通过衡算计算出一些难以直接测定的热量，由此作出热量方面的评估，另一种是在设计新设备或装置时， 根据已知或可设定的物料量求得未知的物料量或温度和需要加入或移走的热量。本研究的热量衡算以第二种情况为主，忽略了位差、功的传递、反应热，因此总热量衡算式可简化为 Q=H，即焓变就等于外加的热量。 通过计

32、算在指定条件下进出物料的焓差， 从而确定过程传递的热量。由于生物柴油生产的进出物料在一种以上，Q=H 式可表达为Q=H2-H1。在计算过程中由于把热容值看作常数，因此焓的变量即可表示为H=mCPT。通过热量衡算， 计算出在生物柴油生产中热油炉、 换热器、 釜内冷却盘管的负荷。5.1 基准温度的选定为便于计算，热量输入和输出的基准温度选为 20( 293 K )。焓变量的计算运用公式H =mCPT 计算各部分焓的变化。5.2 反应釜的热量衡算 根据间隙操作工艺过程，每釜加入原料油 1000kg(其中含水 2kg)在反应釜内完成以下热传递过程： 1) 加热去除原料油中的水分；2) 将原料油降温至

33、50；3) 在加入乙醇后将釜内的物料加热至 100，并维持乙醇在 64.5下回流反应 2h，总回流量为加入乙醇量的 2 倍；4) 反应完成后回收乙醇所需的热量；5) 带回反应釜总热焓；6) 带出反应釜的热焓。 5.2.1 加热去除原料油中水分的焓变量 设原料油加入温度 20，原料油 1000 kg(其中油 988 kg，水 2 kg)，加热到100，并将水蒸发，焓变量为:式中：、 油、水的焓变量，KJ；、油、 水的质量，Kg；、油、水的比热容，KJ/(kg·)；9 kg 水的汽化热，KJ；水的汽化潜热，KJ/Kg；油、水加热前后的温差，。其中，=9012 (KJ)， =2253(KJ

34、/Kg)。5.2.2 原料油降温至50的焓变量原料油从100降到 50，焓变量为：式中：油的焓变量，kJ；油降温前后的温差，。5.2.3 维持回流反应所需的热焓加入乙醇后，再将油从 50加热至 100，乙醇在 64.7下蒸发回流，乙醇加入温度 20，焓变量为：式中：油、乙醇的焓变量，KJ；加入乙醇的质量，Kg；乙醇的热容，kJ/( kg·)；543 kg 乙醇的汽化热，KJ；乙醇的汽化潜热，KJ/Kg；油、乙醇加热前后的温差，。其中， =1200 （KJ/Kg）设总回流量为乙醇加入量的 2 倍，冷凝回流后返回反应釜的乙醇温度为50，所以维持回流还需热焓式中：维持乙醇回流还需的热焓，k

35、J；乙醇返回反应釜加热前后的温差，。5.2.4 反应完成后回收乙醇所需的焓：回收乙醇要加的热焓：式中：回收乙醇所需的热焓， KJ；回收乙醇的质量， kg；344 kg 乙醇的汽化热，KJ。5.2.5 回流带回反应釜的热焓乙醇回流2h带回反应釜的热焓为：式中： 带回反应釜的热焓， KJ；回流乙醇的质量， kg；乙醇流入反应釜时与基准温度差，。5.2.6 带出反应釜总热焓乙醇回流2h带出釜热焓为：式中：带出反应釜的热焓，KJ。 回收乙醇带出釜热焓为：式中：带出反应釜的热焓，KJ；乙醇流出反应釜时与基准温度差，。5.2.7 反应釜散热损失散热损失主要考虑反应釜的热损失：热载体管道的热损耗不包括在计算

36、中。由于化工设备的外壁温度高于周围的环境温度， 因此热量将由壁面以对流和辐射的形式散失。根据各自的传热速率方程，可求得单位时间的散热量 P。式中：设备外壁温度，；t环境温度，；设备外壁面积，；传热膜系数，KJ/( m2··h )。当 < 150时， 对有保温层的反应釜联合传热膜系数， = 9.4+0.052(-t )。取 =40，t=20， =12，代入各式计算：按间歇操作每釜平均加热时间 4h 计，总散热量(Q损)为：5.2.8 反应釜的热量平衡计算反应釜热量平衡计算见下图。 进入反应釜的热量总和为：带出反应釜的热量总和：根据热量平衡关系，可求得完成反应后釜内物料的

37、焓变量为：反应釜需外加热补充热量为：5.2.9 外加热油炉负荷计算根据工艺过程，一操作周期反应釜平均加热时间为 4h，因此热油炉负荷 为：式中：热油炉平均加热时间。5.3 回流冷凝器热量衡算5.3.1 回流冷凝器的负荷计算 乙醇总回流为1086Kg，回流冷凝器热负荷为：式中：回流冷凝器热负荷，KJ。5.3.2 回流冷凝器峰值热负荷计算1 个操作周期，回流冷凝器平均操作时间为 2h，因此峰值热负荷为：式中：回流冷凝器平均操作时间。5.4 冷凝冷却器热量衡算 冷凝冷却器在间歇操作过程中有以下热传递过程： 1)冷凝原料油干燥中产生的水分；2)冷凝冷却回收的乙醇。5.4.1 冷凝原料油干燥中产生的水分

38、焓变 冷凝蒸汽相变带走热焓水为：5.4.2 冷凝冷却回收乙醇的热负荷冷凝乙醇带走的热焓为：式中：冷凝冷却回收乙醇的热负荷，kJ；乙醇冷凝冷却温度差。5.4.3 冷凝器冷却峰值热负荷计算根据工艺过程，冷凝原料油干燥中产生的水分和冷凝冷却乙醇，平均操作时间约各为1h。显然后者热负荷大于前者，因此峰值热负荷：式中：冷凝冷却器平均操作时间。5.5 计算结果5.5.1 年产 500 t 生物柴油中试生产线以一釜料为一个操作周期， 总物料流量为原料大豆油 1000 kg 、乙醇 299 kg(其中可回收 160 kg)，催化剂 10 kg，得甘油混合物 200 kg、粗制柴油 948kg。 5.5.2 根

39、据物料衡算结果，进行热量衡算，300t 生物柴油中试生产线，外加热油炉的峰值热负荷出现在乙醇回流期间，2h 总需要热量为 570 MJ，1 个生产周期( 4h )的平均热负荷为 252MJ/h；回流冷凝器冷却负荷为 263MJ/h，冷凝冷却器最大冷却负荷为 140MJ/h，釜内冷却盘管的总负荷为 189MJ。第六章 设备计算和选择6.1 设备选型的原则1、主要设备的生产能力应与建设规模、产品方案和技术方案相适应，满足项目投产后的生产或使用的要求；2、主要设备之间、主要设备与辅助设备之间的生产能力应相互配套；3、设备质量可靠，性能优良，能够保证正常生产和产品质量稳定；4、在保证设备满足生产要求的

40、前提下，力求经济、合理、实用；5、所选设备应符合国家或行业专门机构发布的有关技术标准。6.2 主要设备反应釜计算选择技术成熟的 15m3 反应釜，装料系数 0.8，生物柴油密度 0.84kg/L，反应时间 2 小时，加上装料放料时间，每一个生产周期 4 小时，年生产时间 300 天， 7200 小时。每台反应釜每个生产周期产量： 15×0.8×0.84=10.08 吨每台反应釜年产量：10.08×（7200÷4）=18144 吨反应釜数量：50000÷18144=2.76 台选3台，可以满足生产需要。6.3 主要设备及选型装置的工艺设备主要有储

41、罐、反应釜、精馏塔、换热器等。年产5万吨生物柴油生产设备清单序号设备名称规格型号数量用途及配套设备1316L反应釜15m33台酯化反应器，带电控箱、电子阀门、减速机、电机2搪瓷反应釜15m31台酯化反应器。3304冷凝器120m22台冷凝降温430蛇管冷凝器40m22台冷凝降温5304 精馏塔4tx1200mm3套产品精制。带电控箱、电子阀门6321 分子薄膜蒸发器28m22套产品精制。每台含 40 m2（304）不锈钢冷凝器7导热油锅炉120 万大卡2套加热。带电控箱及2台22.5kw 导热油泵8真空机组Sk-202套酯化反应、蒸馏时抽真空。9304 计量罐6台原料计量、缓冲10A3 缓冲罐3台原料计量、缓冲111500m3 储量油罐原料和产品贮存12原料预处理设备1套原料预处理13生物柴油生产设备1套生产生物柴油14生物柴油精制装置1套精制生物柴油15乙醇罐1×30m3储存原料乙醇16废油脂储罐2×100m3储存废油脂第七章 致谢经过两周的设计工作，我们组终