عنوان پایان‌نامه
طراحی فرآیند و ارزیابی بهینه با کمک شبیه سازی راکتور هیدرولیز در تولید بیواتانول از مواد لیگنو سلولزی
- رشته تحصیلی
- مهندسی سیستم های انرژی - سیستم های انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 301526;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76933;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 301526;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76933
- تاریخ دفاع
- ۱۴ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- مجتبی لک کمری
- استاد راهنما
- احمد حاجی نژاد
- چکیده
- نگرانیهای جهانی در مورد مسائل زیستمحیطی تلاشها برای پیدا کردن یک راهحل قابل اجرا را بیشتر کرده است. یکی از مهمترین راهحلها در این زمینه استفاده از سوختهای زیستی مایع به عنوان سوخت مورد استفاده در حمل و نقل میباشد. یکی از مهمترین سوختها در این دستهبندی بیواتانول یا اتانول زیستی میباشد. امروزه با افزایش رشد جمعیت و مصرف سوخت و با توجه به محدود بودن منابع سوختهای فسیلی و تجدیدناپذیر و همچنین مشکلات زیست محیطی ناشی از آنها، تقاضا برای سوختهای تجدیدپذیر و پاک مانند بیواتانول افزایش یافتهاست. تولید بیواتانول به روش تخمیری در حال حاضر به علت قیمت بالای سو بستراهای معمولی مانند منابع قندی و نشاستهای و میزان تولید پایین، از لحاظ اقتصادی جایگاه خود را نیافته است. از طرف دیگر، در حال حاضر، تولید این نوع سوخت با توجه به سطح بالای انرژی موردنیاز فرآیند تولید، در بسیاری از کشورها مقرون به صرفه نمیباشد. با توجه به قیمت پایین و دسترس بودن، استفاده از مواد خام لیگنوسلولزی میتواند مشکلات این فرآیند را تا حدودی بر طرف سازد. در این پروژه به شبیهسازی و مدلسازی یک واحد تولیدی بیواتانول با ظرفیت 104 تن در ساعت علوفه ی ذرت به عنوان خوراک پرداخته شده است. پس از شبیهسازی و طراحی فرآیندهای واحد شامل پیشفرآوری و خنثیسازی، واحد تولید آنزیم و میکروارگانیسمهای تخمیر، هیدرولیز و تخمیر همزمان و واحد جداسازی و آبگیری به کمک نرمافزار Aspen HYSYS و انجام موازنه های جرم و انرژی، آنالیزهای حساسیت برای بررسی بهینه ی فاکتورهای تاثیرگذار بر بازدهی تولید بیواتانول و مصرف انرژی فرآیند انجام گرفت. میزان تولید اتانول به ازای یک تن خوراک خشک ورودی، 326 لیتر بدست آمد. جریانهای انرژی موردنیاز فرآیند، شامل kJ/h 108×229/3 مجموع واحدهای گرمایش، kJ/h 108×289/2 مجموع واحدهای سرمایش و kJ/h 106×363/8 توان الکتریکی موردنیاز برای واحد مدلسازی شده، برآورد شد. همچنین بیشترین حجم مصرف انرژی واحد تولید بیواتانول مربوط به فرآیند جداسازی با kJ/h 108×797/3 میباشد. در این پژوهش آنالیزهای انرژی برای یافتن نقاط بهینه در تولید اتانول زیستی انجام گرفت. نتایج نشان دادند حدود 70 درصد انرژی موردنیاز فرآیند در واحدهای جداسازی و آبگیری مصرف میشود. این واحد شامل برجهای تقطیر بییر و یکسو سازی میباشد .آنالیز نتایج نشان میدهند بهترین آرایش مصرف انرژی برای برج تقطیر بییر، برجی با 32 سینی که خوراک ورودی به برج از سینی 5 از بالای برج وارد و جریان محصول از سینی 9 از بالای برج گرفته میشود، میباشد. این آرایش حداقل مصرف انرژی برای برج مذکور را به دنبال دارد. باید به این نکته توجه شود که شماره گذاری سینی-های برجها از بالا به پایین انجام میشود. علاوه بر این، برای برج تقطیر یکسوسازی، آرایشی شامل 45 سینی، سینی ورودی خوراک بین 15 تا 30 از بالا به سمت پایین برج، بهترین نتایج از نقطه نظر حداقل مصرف انرژی را بهمراه دارد.
- Abstract
- Global concerns over environmental issues raised several efforts to find an applicable solution. One of the most important solutions is to promote liquid bio-refinery products as a transportation fuel. The most common fuel in this category is bioethanol. Today, population growth and thereby increasing consumption of fuel, limited resources of non-renewable fossil fuels, and the environmental problems associated with their usage have led to increasing demand for clean fuels such as bioethanol. However, the current fermentation-based bioethanol production has not economically achieved its proper position due to the high price of conventional substrates such as sugar, starch and their low production rates. Lignocellulosic raw materials can partly solve the above-mentioned problems owing to their low price and availability. This study modeled a bioethanol unit with a capacity of 104 tons of corn stover as feedstock per hour. After the simulation and design of related processes including pretreatment and conditioning, the unit of enzyme production, SSCF and distillation and dehydration units via Aspen HYSYS software and perform mass and energy balances, sensitivity analyzes were performed to evaluate the factors affecting the efficiency of bioethanol production and energy consumption. The production of biothanol per ton of inlet dry biomass was 326 liters. Process required energy flows for the simulated unit were estimated to be 3.229×108 kJ/h total energy flows of hot utilities, 2.289×108 kJ/h total energy flows of cold utilities and 8.363×106 kJ/h total electrical power. The highest volume of energy consumption of bioethanol production unit was related to the separation unit with 3.797×108 kJ/h. Energy analysis has been used throughout this study to find optimum points for bioethanol production. Results show that about 70% of the total required energy for the process is used in distillation columns for production of 99.54 wt.% bioethanol. Distillation unit includes beer and rectification columns. In this study, it was found that for the beer distillation column, the best combination for energy consumption reduction is a column with 32 trays in which the feed is inserted on tray 5, and the side stream is received from tray 9. It should be noted that the counting of trays is from top to bottom. Furthermore, for the rectification column, the arrangement of 45 trays should be maintained and the feed should be inserted on a tray between 15 and 30 from top to bottom, so that the best results could be garnered with the minimal energy consumption.
