年产5万吨生物柴油生产工艺设计毕业课程设计大学论文 .doc

唐山学院毕业设计LLLLL设计题目：年产5万吨生物柴油生产工艺设计系别：环境与化学工程系班级：08石油化工生产技术2班姓　　名：指导教师：###2011年6月8日 毕业设计(论文)任务书1环境与化学工程系石油化工生产技术专业2班姓名：毕业设计(论文)时间：2011年3月22日至2011年6月8日毕业设计(论文)题目：年产5万吨生物柴油生产工艺设计毕业设计(论文)任务1.毕业设计（论文）的目的和意义随着经济的发展，能源短缺和环境污染是目前人类社会面临的巨大挑战，为了维持各自国家的可持续发展，许多国家正大力开发能源的可替代品。生物柴油作为优质的能源可替代品具有优良的环保特性和可再生性，大力发展生物柴油对推进能源替代、减轻环境压力、控制大气污染具有重要意义。2.毕业设计（论文）课题任务的内容和要求(1)根据设计任务，查阅有关资料、文献，了解国内外生物柴油生产的现状及发展趋势；熟悉和掌握与本设计相关的基础理论、基本知识、技术规范；运用所学专业理论对工程实际问题提出设计方案。(2）依据国家相关标准，参照###市滦南县金利海生物柴油生产工艺，进行生产生物柴油的工艺设计。包括工艺路线的确定；物料及热量衡算；设备选型；绘制工艺流程图、主要设备图、车间布置图；编写设计说明书。（3）设计说明书应按内容和先后次序分章、节编写。包括题目(中英文)、摘要(中英文)、关键词(中英文)、目录、正文、谢辞、参考文献、附录、外文资料及译文等九个部分。设计说明书字数不少于1万2千字。（4）绘制图纸：重点设备图、全厂工艺流程图、车间布置图，均要求2号图纸。图纸应标注图号、图题，图纸要求图面整洁、比例适当。3.毕业设计（论文）成果的要求(1)按学院要求格式撰写毕业论文，将论文题目、摘要关键词翻译成英文。(2)参考文献篇目不少于10篇，且必须有一定的外文文献，外文文献翻译出不少于1000汉字的内容简介附在毕业设计(论文)后面。 毕业设计(论文)进度计划安排阶段应完成的主要工作起止教学周1根据毕业设计任务书查阅国内外相关文献资料并进行整理第4—5周2确定工艺路线，撰写开题报告第5—6周3进行主要设备的工艺计算及设备尺寸计算第6—9周4依据计算结果和相关技术规范进行设备选型第9—12周5绘制工艺流程图，主要设备图，车间布置图第12—13周6编写设计说明书，翻译外文文献第13—14周7修改完善毕业设计第14—15周8答辩第16周主要参考文献[1]付玉杰，祖元刚.生物柴油，北京：科学出版社，2006.[2]陈顺玉，吕玮，陈登龙等.生物柴油制备方法的研究进展[J]，福建师范大学福清分校学报，2008，(1)：7-12.[3]葛婉华,等.化工计算[M].北京:化学工业出版社,1990:118-121.[4]E.贝拉蒂尼(意).油脂加工[M].北京:中国商业出版社,1988:2-58.指导教师(签名)：审批人(签名)：毕业设计(论文)指导教师评议书(1) 序号评分指标具体要求分数范围得分1学习态度努力学习，勤于思考，遵守纪律，作风严谨务实。0—4分2调研论证能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。0—8分3综合能力能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题，工作中有创新精神，成果有新意或有实用价值。0—10分4设计（论文）质量论证、分析、设计、计算、建模、实验正确合理，工作量饱满。0—10分5外文翻译摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。0—4分6说明书撰写质量说明书文字通顺、结构严谨、逻辑性强、格式规范、符合规定字数要求，绘图清楚、工整、规范。0—4分合计0—40分评语：指导教师：年月日本毕业设计（论文）需要特殊说明的有关问题指导教师：年月日毕业设计(论文)评阅教师评议书(2) 序号评分指标具体要求分数范围得分1调研论证能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。0—4分2综合能力能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题，工作中有创新精神，成果有新意或有实用价值。0—5分3设计（论文）质量论证、分析、设计、计算、建模、实验正确合理，工作量饱满。0—6分4外文翻译摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。0—2分5说明书撰写质量说明书文字通顺、结构严谨、逻辑性强、格式规范、符合规定字数要求，绘图清楚、工整、规范。0—3分合计0—20分评语：评阅人：年月日 毕业设计(论文)答辩小组评议书(3)评分指标具体要求分数范围自述思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，分析归纳合理。0—7分水平工作中有创新精神，成果有新意或有实用价值。0—8分答辩能够正确回答所提出的问题，基本概念清楚，有理论根据。0—20分资料资料齐全，符合学院毕业设计（论文）规范化要求。0—5分合计0—40分评委1评委2评委3评委4评委5评委6评委7总分平均成绩答辩纪要：答辩小组秘书（签字）：年月日答辩小组组长（签字）：年月日 答辩委员会意见指导教师评议评阅人评议答辩小组评议汇总成绩秘书（签字）###学院系毕业设计（论文）答辩委员会于年月日审查了专业学生的毕业设计（论文）（其中设计说明书（论文）共页，设计图纸张）。根据其设计（论文）的完成情况以及指导教师、评阅教师、答辩小组的意见，系毕业设计（论文）答辩委员会认真审议，决议如下：成绩评定为：主任（签字）：年月日 年产5万吨生物柴油生产工艺设计摘要本设计是根据生物柴油的制备和精馏工序，主要以髙凝点酸化油—地沟油为原料，在98%浓硫酸催化剂作用下，使其与99.9%的甲醇发生酯化反应，其中生成的纯甲酯进行精馏，生成的粗甲酯在97%氢氧化钠催化剂下，使其与99.9%甲醇发生酯交换反应，其中生成的甲酯进行精馏，经过酯化与酯交换反应后进行的精馏得到生物柴油产品和釜残。关键词：制备精馏酯化酯交换 FermentationProcessDesignOf50,000tonsBiologicaldieseloilPerYearAbstractThedesignisbasedonbiodieselpreparationanddistillationprocesses,mainlyintheacidoilpourpointGao-wasteoilasrawmaterial,98%concentratedsulfuricacidcatalyst,and99.9%ofitsesterificationreactionofmethanol,whichgeneratedthedistillationofpuremethylestertoproducethecrudemethylesterin97%sodiumhydroxidecatalysts,itoccurredwith99.9%methanoltransesterification,methylesterofwhichweregeneratedbydistillation,afteresterificationandtransesterificationafterthedistillationkettlebyresidualproductsandbio-diesel.Keywords:PreparationDistillationEsterificationTransesterification 目录1前言11.1生物柴油的概况11.1.1国外生物柴油发展现状11.1.2国内生物柴油发展现状11.2国内生物柴油主要存在的问题11.3生物柴油的主要特性21.4生物柴油的技术现状21.4.1生物柴油的化学法生产21.4.2生物柴油的物理法生产41.4.3生物柴油的生物酶合成法52生物柴油及其生产工艺流程设计62.1生物柴油的成分62.2生物柴油的生产工艺流程图62.3生物柴油的生产工序简介62.3.1脱水脱杂工序62.3.2酯化酯交换工序72.3.3回收蒸馏工序72.4生物柴油的性能82.4.1生物柴油的动力性能82.4.2生物柴油的经济性能82.4.3生物柴油的排放性能82.5生物柴油的指标92.5.1生物柴油的检测技术标准92.5.2生物柴油的主要工艺指标92.6原始设计条件与基本物性数据132.6.1原始设计条件132.6.2实验室试验提供的工艺参数与基本物性数据的选取132.7生物柴油的物料衡算132.8生物柴油的热量衡算142.8.1基准温度的选定152.8.2反应釜的热量衡算152.8.3回流冷凝器热量衡算182.8.4冷凝冷却器热量衡算19 2.9计算结果192.10设备的选型原则202.10.1反应釜的选型原则202.10.2塔设备的选型原则202.11车间设备布置原则213总结223.1设计中存在的问题及改进措施223.2结语22参考文献23附录24谢辞24外文资料26外文翻译30 唐山学院毕业设计1前言1.1生物柴油的概况1.1.1国外生物柴油发展现状生物柴油是以菜籽油为原料，提炼而成的洁净燃油，其突出的环保性和可再生性引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。近十几年来，生物柴油产业在世界各国发展很快。美国是最早研究生物柴油的国家，为了降低生物柴油的生产成本，一般在普通柴油中加入10%-20%的生物柴油，如美国的B-20生物柴油，其尾气污染物排放量可降低50%以上。近年又在深度加氢精制的普通柴油中加入5%的生物柴油，以改善其润滑性能。生物柴油使用最多的是欧洲，其份额已占到成品油市场的5%。欧盟制定了一系列促进机制和激励政策，鼓励生物柴油等生物质燃料的产业发展，将生物燃料的市场份额从2005年的2%逐步增加到2010年的5.75%。西方国家为发展生物柴油，在行业规范和政策鼓励下采取了一系列的积极措施，制定了生物柴油技术标准，欧洲联盟即将出台鼓励开发和使用生物柴油的新规定，如对制造生物柴油的企业免征增值税，规定机动车使用的生物动力燃料占动力燃料营业总额的最低份额[1]。1.1.2国内生物柴油发展现状生物柴油是清洁的可再生能源，是一种含氧清洁燃料，由菜籽油、大豆油、回收烹饪油、动物油等可再生油脂与甲醇发生酯化反应制得。它是优质的石油柴油代用品。生物柴油是典型“绿色能源”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。生物柴油在中国是一个新兴的行业，表现出新兴行业在产业化初期所共有的许多市场特征。许多企业被绿色能源和支农产业双重“概念”凸现的商机所吸引，纷纷进入该行业，有人以“雨后春笋”形容生物柴油目前的状态。一些外国公司资金实力雄厚，生产技术成熟，产业化程度高，可以借规模经济效应获取成本优势，抢占原料基地和市场份额的综合能力更强随着改革开放的不断深入，在全球经济一体化的进程中，中国的经济水平将进一步提高，对能源的需求会有增无减，只要把关于生物柴油的研究成果转化为生产力，形成产业化，则其在柴油引擎、柴油发电厂、空调设备和农村燃料等方面的应用前景是非常广阔的[1]。1.2国内生物柴油主要存在的问题一是以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高，据统计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此采用廉价原料及提高转化从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。二是用化学方法合成生物柴油有以下缺点：33 唐山学院毕业设计(1)工艺复杂、醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高，设备投入大；(2)色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；(3)酯化产物难于回收，回收成本高；(4)生产过程有废碱液排放[2]。1.3生物柴油的主要特性(1)生物柴油具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长[3]。(2)具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的安全性又是显而易见的。(3)具有优良的环保特性。生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，而且二氧化硫的排放也较普通柴油低很多。(4)具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭[4]。(5)具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷滤点达-20℃。(6)具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。1.4生物柴油的技术现状1.4.1生物柴油的化学法生产生物柴油的化学法生产是采用生物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇，并使用氢氧化钠(占油脂重量的1%)或甲醇钠(Sodiummethoxide)做为触媒，在酸性或者碱性催化剂和高温(230～250℃)下发生酯交换反应(transesterification)，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中产生10%左右的副产品甘油。化学法包括高温裂解法和酯交换法。裂解法是在热或热和催化剂的作用下，由热能引起化学键断裂而产生小分子，一种物质转变成另一种物质的过程。最早对植物油进行热裂解的目的是为了合成石油。Schwab[5]等对大豆油热裂解的产物进行了分析，发现烷烃和烯烃的含量很高，占总质量的60%；裂解产物的黏度比普通大豆油下降了3倍多，但是仍远高于普通柴油的黏度值。在十六烷值和热值等方面，大豆油裂解产物与普通柴油相近。Pioch[5]等将椰油和棕榈油以SiO2/Al2O3为催化剂，在450℃裂解，得到的产物分为气液固三相，其中液相的成分为生物汽油和生物柴油。分析表明，该生物柴油与普通柴油的性质非常相近。33 唐山学院毕业设计高温热裂解法过程简单，没有污染物产生。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，所以生物柴油的生产很少采用裂解法。由于以上措施不能从根本上改善植物油的使用性能，研究者们又提出了对植物油进行酯化或酯交换反应来制备生物柴油的新方法，通过这种方法得到的产物燃烧性能接近轻柴油，燃烧后排放性能大大优于轻柴油，可直接代替石化柴油在柴油机上使用。酯交换法即用动物或植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在催化剂和高温下进行酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥制得生物柴油，是目前研究及应用最多的生物柴油制备方法[5]。甘油三酸酯(动植物油脂的主要成分)是羧酸官能团衍生物的一种，所有羧酸的官能团衍生物都含有同样的官能团—酰基，不管分子其它部分的结构如何，官能团的性质基本是一样的。羧酸的衍生物中含有羰基C=O，羧基决定了羧酸衍生物的性质。由于甘油三酸酯分子中存在羰基，决定了甘油三酸酯的特征和活性。羰基是由σ键和其它三个原子相连接的，由于这些键所利用的是sp2轨道，所以它们处于同一个平面之中，间隔是120°。碳所剩下的P轨道与氧的P轨道重叠而形成一个二键。这样，碳和氧就以双键连接起来，分子中紧靠羰基碳的周围部分是平的，氧羰基碳和直接连在羰基碳上的两个原子同处在一个平面中。如图1-1所示：图1-1.羰基化学空间结构电子因素和空间因素两者都使羰基特别易于在羰基碳上发起亲核进攻：(a)氧即使带上一个负电荷还是与获取电子的倾向；(b)差不多没有空间阻碍的过渡态导致三角形的反应物变成四面体中间体。这些因素也使酰基化合物易于遭受亲核进攻。酯交换反应如下所示。它是通过甲醇，将甘油三酸酯的甘油酯基取代下来，形成长链脂肪酸甲酯，经过酯基转移反应之后，使一个植物油或动物油的大分子分成33 唐山学院毕业设计3个单独的脂肪酸甲酯，缩短了碳链的长度，使产品的粘度降低，挥发度提高，低温流动性大大改善[6]。Freedman[6]等认为酯交换反应是由一连串可逆反应组成，甘油三酸酯逐步转化为二脂肪酸甘油酯、甘油单酯和甘油，每一步生成一种酯化产物。酯交换反应的机理如下所示。从上面的反应机理来看，酯交换法制备生物柴油的过程简单，所需的催化剂易得，工艺条件缓和，低温常压下便可大量生产，易于实现工业化生产。酯交换法制备生物柴油的技术关键是反应所用的催化剂，根据催化剂的不同，酯交换法可分为：均相催化法、非均相催化法及超临界无催化法。     1.4.2生物柴油的物理法生产33 唐山学院毕业设计在物理法生物柴油生产技术方面，主要是利用了动植物油脂具有高能量密度和可燃烧的特性用于柴油代用燃料。由于动植物油脂具有粘度较高的特点，为了使其能够用于内燃机燃烧，一种方法是将植物油与石化柴油直接混合用于柴油代用燃料。Amans[7]等在1983年将大豆油与2号柴油进行混合，然后在直接喷射的涡轮发动机上试验，结果表明，大豆油与2号柴油以l:2的比例可以得到很好地混合，降低了燃料油的黏度，并可直接用于农用机械的替代燃料。通常采用植物油与石化柴油5~30％的混合比，其性能与2号石油柴油的性能很接近。另一种方法是将动植物油制成微乳液，来解决动植物油的黏度高的问题。Georing[7]等用乙醇水溶液与大豆油制成微乳液Ziejewski等用冬化葵花籽油、甲醇、l一丁醇制成乳状液，Neuma等用表面活性剂(主要成分为豆油皂质、十二烷基磺酸钠及脂肪酸乙醇胺)、助表面活性剂(主要成分为乙基、丙基、异戊基醇)、水、石化柴油和大豆油制成可替代柴油的微乳液。我国江苏理工大学与德国ELSBETT公司合作，成功地开发了燃烧植物油的小缸径高速直喷内燃机，并在开发的车用内燃机上开展了用植物油做燃料的应用研究，成功地燃烧多种植物油[7]。1.4.3生物柴油的生物酶合成法生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。2001年日本采用固定化Rhizopusoryzae细胞生产生物柴油，转化率在80％左右，微生物细胞可连续使用430小时。由于利用物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、无污染物排放等优点，具有环境友好性，因而日益受到人们的重视。但利用生物酶法制备生物柴油目前存在着一些亟待解决的问题：脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，一般仅为40%-60%；甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活；副产物甘油和水难以回收，不但对产物形成一致，而且甘油也对酶有毒性；短链脂肪醇和甘油的存在都影响酶的反应活性及稳定性，使固化酶的使用寿命大大缩短。这些问题是生物酶法工业化生产生物柴油的主要瓶颈[8]。33 唐山学院毕业设计2生物柴油及其生产工艺流程设计2.1生物柴油的成分生物柴油，成分为脂肪酸甲酯，为黄色澄清透明液体，具有一种温和的、特有的气味，结构稳定，没有腐蚀性。生物柴油就是以生物质原料为基础加工而成的一种柴油(液体燃料)，具体地说，它利用植物油脂如蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等；动物油脂如鱼油、猪油、牛油、羊油等；或者是上述油脂精练后的下脚料——皂脚或称油渣、油泥、酸化油；汽车修理厂的废机油，脏柴油等；或者是城市潲水油(地沟油)；或者是各种油炸食品后的废油和各种其他废油在进行改性处理后，与有关化工原料酯化、醇解、复合而成。其颜色与柴油一样清亮透明。生物柴油含碳量18—22，与柴油(16—18)基本一致，在酯化后，分子量大约280左右，与柴油220接近，根据相似相溶的原理，它与柴油相溶性极佳，而且能够与国标柴油一样混合或者单独用于汽车及机械。生物柴油由此成名[9]。2.2生物柴油的生产工艺流程图图2-1生物柴油生产工艺流程图2.3生物柴油的生产工序简介2.3.1脱水脱杂工序第一段脱水脱杂的工艺流程：原料油首先进入储油池ST101，在50℃33 唐山学院毕业设计下自然间为6个小时。储油池ST101，ST102用于除去原料油中的泥沙，植物纤维。从ST102沉降6小时，取上层液进入储油池ST102。在50℃下，第二次沉降除杂，沉降时中出来的原料油经过过滤，再经过进料泵P103，常开液位调节器RV101后进入换热器E101，E102。经换热后的油进入加热器H101，在导热油流量的调节下进入脱水塔T101，脱水塔T101的操作温度为130±5℃。塔顶出来的水蒸气作为换热器E101的热源，塔釜出来已经脱水后的油进入油罐V101。V101底部要每班排一次胶质。之后油罐中的油进入2段生产。2.3.2酯化酯交换工序第二段酯化酯交换工艺流程：一段得到的油从酯化反应釜R201的顶部进入，甲醇储罐V201中的甲醇从酯化反应釜R201的底部进入，再加入改性浓硫酸，使三者在R201中反应，反应时间为2小时，依靠调节导热油的流量调节R201的温度．使其温度控制在130℃—135℃。R201塔顶出来甲醇汽，塔釜出来的产品经过加热器H201加热后进入脱气塔T201，T201的操作温度为120℃—130℃。T201的塔顶出来甲醇汽。塔釜产品油进入酯化反应釜R202的顶部，改性浓硫酸也进入R202顶部，甲醇从R202的底部进入，三者在R202中进行反应，反应时间为2小时，依靠调节导热油的流量调节R202的温度，使其温度控制在130℃—135℃。R202塔顶出来甲醇汽，塔釜产品油经过加热器H202加热后进入脱气塔T202。T202的操作温度不得超过145℃。T202塔顶出来甲醇汽，塔釜油进入油罐V202。定期每班排放一次V202中的胶质，之后油罐中的油进入3段生产。这是合成生物柴油的酯化过程。第三段精馏塔塔釜产品中性油进入酯交换反应釜R203，甲醇从配碱罐V203顶部进入，与NaoH混合后进入R203，在R203内反应2小时。依靠调节导热油的流量调节R203的温度，使其控制在105—110℃，然后向R203中加入H2SO4，中和反应后的NaoH。R203塔顶出来甲醇汽，塔釜产品油经加热器H203加热后进入脱气塔T203。T203的操作温度控制在120—130℃。T203塔顶出来甲醇汽，塔釜出来的产品油进入油罐V205，之后油罐中的油进入3段生产，这是合成生物柴油的酯交换过程。2.3.3回收蒸馏工序第三段甲醇回收产品蒸馏的工艺流程：前两段反应生成的甲醇汽进入气液分离器S301，并使S301中保持一定液位，使其中的气相进入甲醇塔的气相入口，液相进入甲醇塔的液相入口。甲醇精馏塔T301的塔顶冷凝温度设计为67℃，塔釜再沸温度控制在100—105℃，进料温度设计为90℃，回流比为2:1。通过调节导热油的流量实现对T301的塔釜温度控制。T301的塔顶产品经冷却器E301冷却后进入V301，从V301中出来的甲醇一部分进入甲醇储罐V20133 唐山学院毕业设计，一部分回流进入甲醇塔。T301的塔釜通过调节液位控制器排出废水。这是甲醇回收过程。油罐V202中的粗甲酯经过加热器H302后一部分进入脱气塔T302，T302是常压设备，塔釜温度控制在180—200℃，塔顶出来甲醇汽进入S301中继续反应；一部分在液位调节器作用下进入真空精馏塔T303。T303的真空压力设计为2.0±0.5，塔顶冷凝温度控制在75—90℃。在2.5±0.5的真空压力下，塔釜液相气化温度为225—240℃，塔釜温度依靠H303的加热强度进行调节。T303的侧线采出温度控制在180—220℃，侧线采出产品经冷却器E304后出来产品，塔釜在液位调节器调节下出来二段酯交换原料进入V204。油罐V205中的粗甲酯经过加热器H304后一部分进入脱气塔T304，T304塔釜温度控制在180—200℃，塔顶出来甲醇汽进入S301中继续反应；一部分在液位调节器作用下进入真空精馏塔T305。T305的真空压力设计为2.0±0.5，塔顶冷凝温度控制在75—90℃。在2.5±0.5的真空压力下，塔釜液相气化温度为230—240℃，塔釜温度依靠H305的加热强度进行调节。T305的侧线采出温度控制在180—220℃，侧线采出产品经冷却器E304后出来产品，塔釜在液位调节器调节下出来釜残。从真空精馏塔T305塔顶出来的产品进入真空缓冲罐V302，在V302中分为气相和液相。气相连接真空泵，液相进入V303，从V303底部出产品。2.4生物柴油的性能2.4.1生物柴油的动力性能柴油是许多大型车辆如卡车，内燃机及发电机等的主要动力燃料，其具有动力大，价格便宜的优点，我国柴油需求量很大，具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物成微酸性，是催化剂和发动机机油的使用寿命加长。2.4.2生物柴油的经济性能具有良好的低温发动机启动性能。无添加剂，冷滤点达-20℃。无需改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。2.4.3生物柴油的排放性能采用生物柴油尾气中有毒有机物排放量仅为十分之一，颗粒物为普通柴油的20％，一氧化碳和二氧化碳排放量仅为石油柴油的10％，无硫化物和铅及有毒物的排放；混合生物柴油可将排放含硫化物浓度从500PPM(PPM百万分之一)降低到5PPM。检测表明，与普通柴油相比，使用生物柴油可降低90%的空气毒性，降低94%的患癌率[10]。33 唐山学院毕业设计2.5生物柴油的指标2.5.1生物柴油的检测技术标准参看表2-1。2.5.2生物柴油的主要工艺指标一段工艺指标1.操作温度储油池ST101、ST102的最佳操作温度是40-50℃，该温度下有利于保持原料油良好的流动性。温度过低会使原料油黏度增大，流动性变差，使得原料油除杂效果变差。温度过高，储油池与环境温差较大，从而大量散热导致能量损失。脱水塔T101的最佳操作温度是125-135℃。脱水塔温度不能太高也不能太低，温度太低脱水不彻底，温度过高会造成中间储罐V101的温度过高，导致高温原料油与空气接触氧化而最终影响产品质量。2.操作压力脱水塔T101的操作压力为微正压，该微压是由脱水产生的蒸汽通过换热器和管道产生的阻力造成的。操作时尽量保持管道阀门畅通，降低脱水塔的操作压力，保证脱水更彻底。3.操作流量脱水塔T101的入口流量设计值为4.68m3/h，最大不能超过5.8m3/h。4.沉降池的沉降时间不低于6h。二段工艺指标1.操作温度酯化釜R201、R202的最佳反应温度为130-135℃，酯交换反应釜的最佳反应温度为105-110℃。各级反应釜的操作温度通过调节加热夹套的导热油流量来控制，在实际操作过程中必须严格控制各级反应釜的反应温度，避免反应温度过高导致系统超压引发安全事故，同时注意避免反应温度过低，导致反应时间延长，影响产量。脱气塔T202的最高操作温度应控制在不超过145℃。T201、T203的最佳操作温度为120-130℃。各脱气塔的操作温度通过调节加热器H201、H202、H203的导热油流量来调节，脱气后的反应液分别进入V202和V205，其净罐温度控制在不超过130℃，以避免温度过高在中间油罐内反应液与空气发生氧化反应而影响产品质量。33 唐山学院毕业设计表2-1生物柴油的检测技术指标[11]项目质量指标试验方法S500S50密度(20℃)/(kg/m)820-900GB/T2540运动粘度(40℃/(mm/s)19-6.0GB/T265闪点(闭口)/℃不低于130GB/T261项目质量指标试验方法S500S50冷滤点/℃报告SH/T0248硫含量(质量分数)/%不大于0.005SH/T068910%蒸余物残炭(质量分数)/%不大于0.3GB/T17144硫酸盐灰分(质量分数)/%不大于0.020GB/T2433水含量(质量分数)/%不大于0.05SH/T0246机械杂质无GB/T511铜片腐蚀(50℃，3h)/级不大于1GB/T5096十六烷值不小于49GB/T386氧化安定性(110℃)/小时不小于6.0EN14112酸值/(mgKOH/g)不大于0.80GB/T264游离甘油含量(质量分数)/%不大于0.020ASTMD6584　游离甘油含量(质量分数)/%不大于0.240ASTMD6584　90%回收温度/℃不高于360GB/T65362.装填量和配料比第一酯化反应釜R201：装填原料油9-10m3，配加甲醇4.5-5m3，其中包括以汽相形式加入的甲醇和补充加入的新鲜甲醇。催化剂配加量按原料油装填质量的千分之一来计算，即每吨原料油配加1千克浓硫酸。第二酯化反应釜R202:装填原料油和配加甲醇量与R201一样。但加入甲醇全为新鲜甲醇。催化剂配加量按原料油装填质量的0.6/1000计算，即每吨原料油配加0.6千克的浓硫酸。酯交换反应釜R203：装填原料油9-10m3，配加甲醇4.5-5m333 唐山学院毕业设计，均为新鲜甲醇，催化剂配加量按原料油装填质量的1.5/1000NaOH计算，即每吨原料油加1.5千克NaOH。3.反应时间第一第二次酯化反应时间不低于2h。反应时间指达到设定温度和设定压力后，保温保压反应的时间。酯交换反应时间也需要2h以上。4.操作压力酯化反应釜R201、R202设计操作压力为0.8MPa，酯交换反应釜R203设计操作压力为0.3MPa。在酯化和酯交换反应过程中可通过调节反应釜夹套导热油的流量来控制反应釜的温度，由此来实现对操作压力的控制，适当调节反应过程的醇油比或释放甲醇蒸汽也可实现对反应釜操作压力的控制。三段工艺指标1.甲醇精馏塔T301：关键参数包括塔顶冷凝温度、塔底再沸温度、回流比三个参数。塔釜液位和塔顶气回流罐V301的液位也是甲醇精馏塔T301的重要工艺参数。塔顶冷凝温度设计为67℃，为了避免从冷凝液回流罐V301中释放的不凝气中夹带甲醇，操作中适当增加冷凝换热器的冷却强度，进一步降低冷凝温度以得到冷凝液。塔釜再沸温度甲醇精馏塔T301正常操作时塔釜液相温度控制在100-105℃，塔釜再沸热量由导热油提供。塔釜温度应该严格控制避免温度过高造成暴沸干塔或温度过低造成塔釜采出的废水中甲醇含量超标，甲醇精馏塔T301的进料温度设计为90℃。回流比:为了得到比较纯的甲醇，回流比应控制在2:1是比较合理的。如果改善甲醇的纯度可以适当提高回流比。相关液位:塔釜液位应保持在较高水平，以使再沸器H301被较高的液相浸没，避免干塔操作。通过调节热水泵P301的出口流量实现对塔釜液位的控制。为了使精馏塔操作稳定，DCS控制系统需设超高液位和超低液位报警，塔顶回流罐V301的液位通过液位调节阀自动采出。系统中的不凝气通过V301的排气孔直接排放。在气液分离器S301中保持一定的液位也非常需要。其目的是使气相进入甲醇塔的气相入口，液相进入甲醇塔液相入口。气液分离器S301的液位通过调节阀门V001控制。2.脱气塔T302是常压设备，关键参数是塔釜温度和液位。塔釜温度依靠加热器H302的加热强度进行调节，即通过调节导热油流量实现对塔釜温度的控制。塔釜温度设定为180-200℃，当温度高于200℃时DCS控制系统报警。33 唐山学院毕业设计脱气塔T302的液位直接影响脱气效果和后续真空精馏塔T303的稳定操作。为了维持塔内的物料平衡，塔釜液位既不能过高也不能过低。脱气塔T302的液位由排往Ｔ303管线上的流量调节阀控制，塔釜液位超高或超低时，DCS控制系统报警。3.真空精馏塔T303关键操作参数有系统真空度、塔顶冷凝温度、塔底再沸温度、侧线采出温度、相关液位和采出流量。(1)系统真空度T303的操作真空压力设计为2+-0.5KPa，以塔顶压力表测量的数值为准。塔釜的真空压力应不高于3+-0.2KPa，T303的操作真空度由两级蒸汽喷射泵和一级水环真空泵串联实现。系统真空度与塔釜再沸温度直接相关，随着操作真空度的降低，塔釜再沸温度会相应提高，当塔釜再沸温度超过250℃时，塔釜物料发生聚合和裂解反应，而产生结焦生碳现象，从而导致甲酯收率降低，一般情况下塔釜再沸温度不能长时间超过250℃。(2)塔顶冷凝温度塔顶冷凝温度是指塔顶出口处不凝气的温度，冷凝温度与冷却换热器E302管程内的温度是一致的。可由管程出口的温度测点确定。在正常的真空压力下，塔顶冷凝温度控制在75-90℃之间，温度过高会导致产品轻组分跑失量增大温度过低会影响采出的产品质量。在控制过程中换热器E302的换热强度也是一个比较重要的参数，需要调节冷却水的流量来实现对塔顶冷凝温度的控制。生产操作中E302的冷却水出口温度一般不低于60℃。(3)侧线采出温度T303的侧线采出温度与产品质量直接相关，一般控制在180－220℃，该温度通过调节采出流量来控制，增大采出流量能降低侧线温度，提高真空精馏塔的负荷或加大塔釜的加热量也能提高侧线采出温度。(4)塔釜再沸温度真空精馏塔T303正常操作时从塔顶到塔釜会建立起稳定的上低下高的温度分布。在2.5±0.5KPa的真空压力下，对应的塔釜液相汽化为225－240℃。随着真空压力的升高或降低，塔釜温度也随之升降，调整幅度不应超过±10℃。塔釜温度依靠H303加热强度进行调节，即通过调节导热油的流量来实现。由于生物柴油在高温条件下容易聚合和裂解，因而真空精馏塔T303的塔釜应控制在不超过250℃，如果在该温度下仍不能正常精馏，说明真空度不够，经及时采取措施提高真空度，以避免长时间在高温条件下操作造成不必要的反应，导致反应的损失。(5)相关液位和采出流量33 唐山学院毕业设计塔釜液位应保持在适当水平，以免过高液位造成塔釜液停留时间过长，产生物料焦化损失，同时也避免液位过低造成干塔操作。为了维持塔内物料平衡，塔釜液位不能过高也不能过低，因此DCS控制系统应设置超高液位和超低液位报警。4.冷却换热器E304经过真空精馏得到的生物柴油产品温度较高，容易氧化而影响产品质量，需经过换热降温后再进入产品储罐，换热出口温度控制在100℃以下。2.6原始设计条件与基本物性数据2.6.1原始设计条件原料：地沟油。生物柴油产量:年产5万吨，320个工作日，每釜产生物柴油78t，间歇操作，一釜料为一作周期。2.6.2实验室试验提供的工艺参数与基本物性数据的选取2.6.2.1实验室试验提供的工艺参数生物柴油得率90%；酯交换反应时间2h；酯交换反应加热温度105～110℃；原料油含水量0.8%(质量分数)。2.6.2.2基本物性数据的选取在低温下油或油脂的平均热容在2.05～2.51kJ/(kg·℃)，随温度升高比热将增加，取地沟油油热容[12]2.09kJ/(kg·℃)，原料地沟油[12]密度0.92×103kg/m3；甲醇密度[13]0.79×103kg/m3，潜热1195kJ/kg，热容2.508kJ/(kg·℃)，沸点64.5℃；水密度[14]1.0×103kg/m3，热容4.18kJ/(kg·℃)，潜热2253kJ/kg，沸点100℃。2.7生物柴油的物料衡算根据物料衡算的质量守衡定律，在间歇操作过程中，若系统内不发生物料量的积累，输入的物料量等于输出的物料量。按一操作周期处理原料87t，其中含水0.7t，甲醇加入量按去水后油脂的50%计，催化剂加入量按去水后油脂的1/1000。根据工艺流程，物料衡算框图见图2-2。根据物料衡算图，列出下列物料衡算式(单位：吨):[15]F1+F2+F3+F4=P1+P2+P3+P4分项物料衡算式:P1=F1×X1=77.7P2=F1×(X2+X3+X4)=17.3P3=F3-F1×X4=33.7P4=F2=0.7P5=F3×X5=86.3式中:F1—去除水分的原料油油质量，t；F2—原料油中水分质量，t；F3—33 唐山学院毕业设计甲醇质量，t；F4—催化剂质量，t；P1—生物柴油质量，t；P2—甘油混合物质量，t；P3—回收的甲醇质量，t；P4—冷凝水质量，t；P5—回流甲醇质量，t；X1—生物柴油得率，90%；X2—甘油对原料油的得率，7%；X3—皂类物质对原料油的产率，2%；X4—甲醇对原料油的综合消耗率，11%；X5—甲醇回流量与加入量的比值取，200%。F3甲醇F4催化剂P4冷凝水0.7t43.15t86.3kg反应釜回流冷凝器冷凝器反应釜P3回收甲醇P3+P433.7tF1油86.3tP5F2水0.7tP5P1粗制柴油77.7tP2甘油混合物17.3t图2-2物料衡算框图2.8生物柴油的热量衡算33 唐山学院毕业设计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=ΔH，即焓变就等于外加的热量。通过计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=ΔH式可表达为ΣQ=ΣH2-ΣH1[15]。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ΔH=mCPΔT[15]。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。2.8.1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℃(293K)。焓变量的计算运用公式ΔH=mCPΔT[15]计算各部分焓的变化。2.8.2反应釜的热量衡算根据间隙操作工艺过程，每釜加入原料87t(其中含水0.7t)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50℃；(3)在加入甲醇后将釜内的物料加热至130℃，并维持甲醇在64.5℃下回流反应2h，总回流量为加入甲醇量的2倍；(4)反应完成后回收甲醇所需的热量；(5)带回反应釜总热焓；(6)带出反应釜的热焓。2.8.2.1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87t(其中油86.3t，水0.7t)，加热到130℃，并将水蒸发，焓变量为:ΔH油1=m油CP油ΔT1=87000×2.09×(130-20)=20001300(kJ)(1)ΔH水1=m水CP水ΔT2+ΔHV水=700×4.18×(130-20)+700×2253=1898960(kJ)(2)式中:ΔH油1、ΔH水1—油、水的焓变量，kJ；m油、m水—油、水的质量，kg；CP油、CP水—油、水的比热容，kJ/(kg·℃)；ΔHV水—0.7kg水的汽化热，kJ；γ水—水的汽化潜热，kJ/kg；ΔT1、ΔT2—油、水加热前后的温差，℃。其中，ΔHV水=m水γ水=1577.1(kJ)γ水=2253(kJ/kg)2.8.2.2原料油降温至50℃的焓变量原料油从130℃降到50℃，焓变量为:ΔH油2=m油CP油ΔT3=86300×2.09×(130-50)=14429360(kJ)(3)33 唐山学院毕业设计式中:ΔH油2—油的焓变量，kJ；ΔT3—油降温前后的温差，℃。2.8.2.3维持回流反应所需的热焓加入甲醇后，再将油从50℃加热至130℃，甲醇在64.5℃下蒸发回流，甲醇加入温度20℃，焓变量为:ΔH油3=m油CP油ΔT3=86300×2.09×(130-50)=14429360(kJ)(4)ΔH醇1=m醇1CP醇ΔT4+ΔHV醇1=43150×2.508×(64.5-20)+43150×1195=56380049(kJ)(5)式中:ΔH油3、ΔH醇1—油、甲醇的焓变量，kJ；m醇1—加入甲醇的质量，kg；CP醇—甲醇的热容，kJ/(kg·℃)；ΔHV醇1—43150kg甲醇的汽化热，kJ；γ醇—甲醇的汽化潜热，kJ/kg；ΔT3、ΔT4—油、甲醇加热前后的温差，℃。其中，ΔHV醇1=m醇1γ醇，γ醇=1195(kJ/kg)设总回流量为甲醇加入量的2倍，冷凝回流后返回反应釜的甲醇温度为50℃，所以维持回流还需热焓:ΔH醇2=m醇2CP醇ΔT5+ΔHV醇1=43150×2.508×(64.5-50)+43150×1195=53133443(kJ)(6)式中:ΔH醇2—维持甲醇回流还需的热焓，kJ；ΔT5—甲醇返回反应釜加热前后的温差，℃。2.8.2.4反应完成后回收甲醇所需的热焓回收甲醇要加的热焓为:ΔH醇3=m醇4CP醇ΔT5+ΔHV醇2=33700×2.508×(64.5-50)+33700×1195=41497034(kJ)(7)式中:ΔH醇3—回收甲醇所需的热焓，kJ；m醇4—回收甲醇的质量，kg；ΔHV醇2—33700kg甲醇的汽化热，kJ。2.8.2.5回流带回反应釜的热焓甲醇回流2h带回反应釜的热焓为:ΔH醇4=m醇3CP醇ΔT6=2×43150×2.508×(50-20)33 唐山学院毕业设计=6493212(kJ)(8)式中:ΔH醇4—带回反应釜的热焓，kJ；m醇3—回流甲醇的质量，kg；ΔT6—甲醇流入反应釜时与基准温度差，℃。2.8.2.6带出反应釜总热焓甲醇回流2h带出釜热焓为:ΔH醇5=2×ΔH醇1=2×56380049=112760098(kJ)(9)式中:ΔH醇5—带出反应釜的热焓，kJ。回收甲醇带出釜热焓为:ΔH醇6=m醇4CP醇ΔT7+ΔHV醇2=33700×2.508×(64.5-20)+33700×1195=44032622(kJ)(10)式中:ΔH醇6—带出反应釜的热焓，kJ；ΔT7—甲醇流出反应釜时与基准温度差，℃。2.8.2.7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[12]。P=αTAW(TW-T)式中:TW—设备外壁温度，℃；T—环境温度，℃；AW—设备外壁面积，m2；αT—传热膜系数，kJ/(m2·℃·h)。当TW<150℃时，对有保温层的反应釜联合传热膜系数αT=9.4+0.052(TW-T)。取TW=40℃，T=20℃，AW=12m2，代入各式计算:αT=9.4+0.052×(40-20)=10.44(W/(m2·℃))=37.6(kJ/(m2·℃·h))P=αTAW(TW-T)=37.6×12×(40-20)=9024(kJ/h)(11)按间歇操作每釜平均加热时间4h计，总散热量(Q损)为:Q损=9024×4=36096(kJ)(12)2.8.2.8反应釜的热量平衡计算反应釜热量平衡计算见图2-3。33 唐山学院毕业设计进入反应釜的热量总和为:ΣH2=ΔH油1+ΔH水1+ΔH油3+ΔH醇1+ΔH醇2+ΔH醇3+ΔH醇4+Q损=193869454(kJ)(13)带出反应釜的热量总和:ΣH1=ΔH油2+ΔH水1+ΔH醇5+ΔH醇6+Q损=173157136(kJ)(14)根据热量平衡关系，可求得完成反应后釜内物料的焓变量HQ为:HQ=ΣH2-ΣH1=20712318(kJ)(15)反应釜需外加补充热量H外为:H外=ΔH油1+ΔH水1+ΔH油3+ΔH醇1+ΔH醇2+ΔH醇3+Q损=187376242(kJ)(16)2.8.2.9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P炉为:P炉=H外/T1=187376242÷4=46844061(kJ/h)(17)式中:T1—热油炉平均加热时间。ΔH醇3Q损41497034kJ36096kJ反应釜HQ187376242kJΔH醇2ΔH醇453133443kJ6493212kJΔH醇156380049kJQ损36096kJΔH油314429360kJΔH水11898960kJΔH醇644032622kJΔH油120001300kJΔH油2ΔH醇5112760098kJ14429360kJΔH水11898960kJ33 唐山学院毕业设计图2-3反应釜热量衡算框图2.8.3回流冷凝器热量衡算2.8.3.1回流冷凝器热负荷计算甲醇总回流量为86300kg，回流冷凝器热负荷为:ΔH醇7=m醇3CP醇ΔT5+2×ΔHV醇1=86300×2.508×(64.5-50)+2×43150×1195=106266886(kJ)(18)式中:ΔH醇7—回流冷凝器热负荷，kJ。2.8.3.2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P回1为:P回1=ΔH醇7/T2=106266886÷2=53133443(kJ/h)(19)式中:T2—回流冷凝器平均操作时间。2.8.4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)冷凝冷却回收的甲醇。2.8.4.1冷凝原料油干燥中产生的水分的焓变冷凝蒸汽相变带走热焓ΔHV水为:ΔHV水=m水γ水=700×2253=1577100(kJ)(20)2.8.4.2冷凝冷却回收甲醇热负荷冷凝甲醇带走的热焓ΔH醇8为:ΔH醇8=m醇4CP醇ΔT8+ΔHV醇2=33700×2.508×(64.5-50)+33700×1195=41497034(kJ)(21)式中:ΔH醇8—冷凝冷却回收甲醇的热负荷，kJ；ΔT8—甲醇冷凝冷却温度差。2.8.4.3冷凝冷却器峰值热负荷计算33 唐山学院毕业设计根据工艺过程，冷凝原料油干燥中产生的水分和冷凝冷却甲醇，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P回2:P回2=ΔH醇8/T3=41497034÷1=41497034(kJ/h)(22)式中:T3—冷凝冷却器平均操作时间2.9计算结果年产50000t生物柴油中试生产线以一釜料为一个操作周期，总物料流量为原料菜籽油87t、甲醇43.15t(其中可回收33.7t)，催化剂86.3kg，得甘油混合物17.3t、粗制柴油77.7t。根据物料衡算结果，进行热量衡算，50000t生物柴油中试生产线，外加热油炉的峰值热负荷出现在甲醇回流期间，1个生产周期(4h)的平均热负荷为46844MJ/h；回流冷凝器冷却负荷为53133MJ/h，冷凝冷却器最大冷却负荷为41497MJ/h，釜内冷却盘管的总负荷为14429MJ。2.10设备的选型原则2.10.1反应釜的选型原则搅拌反应釜是轻化工厂最常用的典型设备之一。在轻化工工艺中，涉及众多反应类型，如酯化、皂化、氧化、氢化、中和等。在这些反应中，一般都要用到搅拌反应釜，而在操作条件上，有的是高温高压，有的须减压真空，有的要防燃防爆防腐蚀。所以在设计和制造各种反应釜时，都分别必须满足上述工艺条件及安全操作条件，此外，还要考虑到技术经济指标和结构条件的要求[16]。本设计采用的是搪玻璃闭式搅拌容器，根据反应条件和工艺计算，得到设备的各项指标见表2-2：表2-2搪玻璃闭式反应釜技术参数项目容器参数夹套参数设计压力(MPa)1.00.6工作压力(MPa)0.90.6设计温度(℃)200200工作温度(℃)0-2000-200水压试验压力(MPa)1.430.8介质水蒸汽33 唐山学院毕业设计搪玻璃闭式反应釜的规格型号：F16000L，设备质量：11750kg，容器类别：二类，内径：3000mm，高径比：2。2.10.2塔设备的选型原则在塔设备的选型中，一般应注意以下几个方面要求。如生产能力大，有足够弹性；机械性能好，可靠性高；满足工艺要求，操作稳定，效率高；结构简单，制造和维修方便，成本低[16]。本设计根据塔设备在工艺流程中的地位和特点，选用甲醇精馏塔的各项指标见表2-3：表2-3甲醇精馏塔项目参数设计压力(MPa)0.3最高工作压力(MPa)0.2耐压试验压力(MPa)0.62设计温度(℃)150介质甲醇、水甲醇精馏塔的容器净重：24020kg，设备类型／产品标准：一类JB／T4710-2005，塔高：27815mm，塔径:1500mm，板间距：3080mm，人孔：450mm，裙座：2500mm，进料口：200mm，气液分布器：760mm。2.11车间设备布置原则在布置车间设备时，应根据车间在工厂中总平面图中的相对位置，车间工艺流程，主要设备和附属设备的类型，尺寸等来确定车间的设备平，立面位置以及厂房柱网尺寸[17]、通道宽度与净高度见表2—4表2—4通道宽度与净空高度项目指标(m)人行道，狭窄通道，楼梯，人孔周围宽度0.75走道，楼梯，操作台，管架的净空高度2.2～2.533 唐山学院毕业设计主要检修路，厂房间道路，次要道路宽6～7，净空4.2～4.8；宽2.4，净空2.7平台到水平人孔0.6～1.51.酯化酯交换车间均采用长方形，优点是便于总图布置，有利于设备排列，自然通风，采光较好，节约用地。2.依据生产工艺流程和设备选型，保证工艺流畅和顺畅，保证水平方向和垂直方向的连续性，缩短工艺管路。3.保证设备所需的安全距离。4.留有必要的运输通道，消防通道及出入口。33 唐山学院毕业设计3总结3.1设计中存在的问题及改进措施对我来说存在的问题应该是基础知识的缺乏，虽然实习了近三个月，可是专业知识不够还是会吃亏的。设计中涉及到的物料衡算、能量衡算、设备的选型原则、车间布置原则等都是书中学到的知识，由于学的不够扎实，在设计时花费了很多时间查阅资料。改进措施就是有空的时候还是要多看书，给自己充充电，不要以为毕业了就可以脱离课本，学海是无涯的！3.2结语生物柴油作为一种优质和环境友好的可再生生物质新能源，已经在世界范围内形成了可再生能源领域的研究开发热潮，生物柴油在欧美等发达国家已经是市场普遍接受的实用产品。目前我国在生物柴油新能源领域技术和产业化才刚刚起步，需要政府给予积极的政策扶持和引导，创造良好的产业发展环境，同时科研单位加强生物柴油技术创新研究和应用技术研究，多研究开发具有自主知识产权的先进适用技术，产业界积极开拓生物柴油市场，相信通过社会各界协调一致的共同努力，在不久的将来，生物柴油必定能够在我国能够形成一个巨大的可再生能源产业。33 唐山学院毕业设计参考文献[1]付玉杰，祖元刚.生物柴油.北京科学出版社(2006).87-124[2]徐元浩.生物柴油的实用性研究[学位论文].武汉:武汉理工大学，2005.325-331[3]崔心存.内燃机的代用燃料.北京:机械工业出版社，1990:1～10[4]兰维娟，魏世军，夏朝凤等.新能源与新材料，2005，(3):29～30[5]姚向君，田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术.北京化学工业出版社(2005.1).172[6]方岳亮.酯交换技术制备生物柴油的研究[学位论文].杭州:浙江工业大学，2005.21-25[7]徐元浩，叶盛焱.武汉理工大学学报，2005，27(5):90～93[8]卢碧林，周玲革，毛治超等.生物技术，2005，15(3):95～97[9]张勇.利用地沟油制备生物柴油[J].中国油脂，2008，33(11):48-50..[10]吕凡，何品晶，邵立明.废食用油脂作生物柴油原料的可行性分析[J].环境污染治理技术与设备，2006，7(2):10-11.[11]德国标准1DiEsElFuElToBioFuEl，DIN51606:1997[12]E.贝拉蒂尼(意).油脂加工[M].北京:中国商业出版社，1988:2-58.[13]国家医药管理局上海医药设计院.化学工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社，1986:637-644.[14]上海化工学院，等.化学工程(第一册)[M].北京:化学工业出版社，1980:263-264，347-348.[15]葛婉华，等.化工计算[M].北京:化学工业出版社，1990:118-121.[16]徐永州主编.石油化工工程设计基础.中国石化出版社，2009.2:114-117[17]上海医药设计院.化工工艺设计手册.化工出版社(1986).186[18]EncinarJM，GonzalezJF，SabioE，etal.IndustrialandEngineeringChemistryResearch，1999，38(8):2927～2931[19]FreedmanB，PrydeEH，MountsTL.JAOCS，1984，61:1638～1643[20]KrishnaSH，KaranthNG.CatalysisReviews，2002，44(4):499～59133 唐山学院毕业设计附录(1)工艺流程图见附图1(2)车间平面布置图见附图2(3)车间立面布置图见附图3(4)主要设备酯化反应釜见附图4(5)主要设备甲醇精馏塔见附图533 唐山学院毕业设计谢辞本设计是在###老师的辅导下完成的。毕业设计期间，我在###金利海生物柴油股份有限公司实习，与老师在一起探讨的时间比较少，所以毕设时我遇到了很多问题，例如设计中的物料衡算、能量衡算、如何使用CAD制图、如何画车间平面布置图等。么老师很热情的为我解决了难题，耐心的指导我，我非常感谢么老师的悉心指导和无私帮助，他严谨细致、一丝不苟的作风将成为我工作中榜样。同时也非常感谢其他老师和同学的热心帮助和指点，我喜欢那种在忙碌中寻找学习快乐的感觉。毕业设计的顺利完成，也意味着大学生活的结束，来不及感叹，大学生活已近尾声。三年的努力与付出，也将随着本次论文的完成划下完美的句号。我喜欢回首自己走过的路，我不断地回首、伫足，突然感到“别有一番滋味在心头”。曾经我是多么盼望着毕业，现在却充满了留恋和不舍。因为这里有我可敬可爱的老师们，他们严谨的态度和用心的教学，使我在快乐中成长，在快乐中学到知识，这将激励我在工作中更加努力。这里还有我可亲可爱的同学们，我们曾一起欢笑，一起哭泣，一起学习，一起打闹。无论何时，这些记忆都无法淡忘，它是我人生岁月里最美好的大学时光。他们曾给予我许多热情无私的帮助，带给我许多发自内心的感动。再见了，美丽的校园；再见了，我的第二故乡；再见了，我心中永远的爱!33 唐山学院毕业设计外文资料EsterificationEsterificationreaction,isaclassoforganicchemicalreactions,isthealcoholwithacidoroxygen-containinginorganicacidesterandwatergenerationreaction.Reactionwiththealcoholintocarboxylicacidorinorganicoxygenacidsandinorganicacidswiththealcoholswiththealcoholscategories.Esterificationofcarboxylicacidswithalcoholsisreversible,andthegeneralresponsehasbeenveryslow,sothesulfuricacidusedascatalyst.Polycarboxylicacidreactionwithalcohol,youcangenerateavarietyofesters.Inorganicacidwithalcohols,andthespeedusuallyfaster.Atypicalesterificationreactionofethanolandaceticacidreactswiththearomaticsmellofethylacetate,isthemanufactureofdyesandpharmaceuticalrawmaterials.Esterificationwidelyusedinorganicsynthesisandotherfields.BasicProfile:Alcoholwiththeacidorinorganicacidgeneratingesteroxygenandwater,thisreactioniscalledesterification.  Twopossibilities:carboxylicacidswithalcoholsandinorganicoxygenacidwithalcohols.Carboxylicacidreactionwithalcoholisgenerally:thehydroxylcarboxylicacidandalcoholmoleculehydroxylhydrogenmoleculescombinetoformwater,withtherestofeachester.Ithasbeenconfirmedbythetracer.Formulas:hydroxyacidtoalcoholtothehydroxylhydrogen.  Esterificationofcarboxylicacidswithalcoholsisreversible,andthegeneralresponsehasbeenveryslow,sothesulfuricacidusedascatalyst.Polycarboxylicacidreactionwithalcohol,youcangenerateavarietyofesters.SuchasoxalicacidwithmethanolcanberaworOxalicoxalicaciddimethylmethylhydrogen.HOOC-COOH+CH3OH→HOOC-COOCH3+H2O  Inorganicacidwithalcohols,anditsspeedisgenerallyfaster,suchasconcentratedsulfuricacidwithethanolatroomtemperature,thereactionofhydrogensulfatetoethyl.    C2H5OH+HOSO2OH→C2H5OSO2OH+H2O    Ethylhydrogensulfate    C2H5OH+C2H5OSO2OH→(C2H5O)2SO2+H2O    DES    Polyolreactionwithinorganicoxygenacid,alsoproduceesters.33 唐山学院毕业设计Ingeneral,inadditiontodirectesterificationofacidandalcoholesterificationreactioncanoccuroutsidethematerialhasthefollowingthreecategories:  Acylhalidesandalcohols,phenols,alcoholsesterificationreactionofsodium;Anhydrideandalcohol,phenol,alcoholesterificationofsodium;Ketonesandalcohols,phenols,alcoholsesterificationreactionofsodium;[18]Ifesterhydrolysisunderalkalineconditionswillbealcoholandorganicacidintothecorresponding.SuchasCH3CO-OCH2CH3+NaOH→CH3COOH+CH3CH2OH,inorganicacidesterswillbehydrolyzedundertheconditionsofthecorrespondingacidsandalcohols:CH3CO-OCH2CH3+H2O→(conditionsH+)CH3COOH+CH3CH2OHResponses:Arereversible,ingeneral,thereactionisnotcomplete,inaccordancewithequilibriumtheory,toimprovetheyieldofester,needacomponentseparatedfromtheproductorthereactantsapproachoneofthesecomponentsoverthedirectionofthereactionis.Substitutionreactionis   Principleofreaction: Reactionmechanism:Intheesterificationreaction,thereisareversibleequilibriumreactionstep.Step②isthecontrollingstepofesterification,andhydrolysissteps④isthecontrolstep.ThisreactionisSN2reaction,aftertheaddition-eliminationprocess.  Approachusingisotopelabelingconfirmedalcoholesterificationwaterisgeneratedfromhydroxycarboxylicacidsandalcoholshydrogen.However,theesterificationofcarboxylicacidswithtertiaryalcoholisalcoholalkoxybondbreakingoccurredinthemiddlecarbocationsgenerated.Intheesterificationreaction,thealcoholasanucleophiletothecarboxylcarbonyl33 唐山学院毕业设计nucleophilicattack,inthepresenceofprotonacid,carbonylcarbonmoreelectron-deficientanditisconducivetoalcoholandnucleophilicaddition.Withoutthepresenceofacid,acidesterificationwithalcoholdifficult.[19]Typicalreaction:Generationofethanolandaceticacidesterificationwitharomaticodorofethylacetate,isthemanufactureofdyesandpharmaceuticalrawmaterials.Insomedishesthecookingprocess,ifboththevinegarandwine,willbepartoftheesterificationreactionofaromaticesters,thedishestasteevenmoredelicious.Ifyouwantresponsetoindustryrequirements,theneedtosulfuricacidasthecatalyst,sulfuricacidandabsorbthewaterproducedinreactiontotheesterificationreactionismorethorough.Reactionequationisasfollows:Esterificationreactionofaceticacidethylequation:CH3COOH+CH3CH2OH→CH3COOC2H5+H2O(reversiblereaction,heating,concentratedsulfuricacidcatalyst)  Methanolandesterificationofterephthalicacid,dimethylterephthalateisgenerated,anddimethylterephthalatewithethyleneglycolesterexchangereactionoccurs,youcangeneratepolyethyleneterephthalate,thatis,Polyester.Alcoholsandinorganicacidscanbecarriedoutesterificationreactionsuchasmethanolandsulfuricaciddimethylsulfate,isamethylationreagentfortheintroductionofmethylcarbohydrates.[3]ResponseType:FischeresterificationEsterificationreactionisgenerallyreversible.Traditionalesterificationtechnologyistheuseofacidandalcoholintheacid(usuallysulfuricacid)wasrefluxedcatalyzedreaction.ThisreactionisalsoknownasFischeresterification.Theroleofconcentratedsulfuricacidcatalystandlosscontrolagent,whichcanbesub-carboxylicacidcarbonylsubstrate,andenhancetheelectrophiliccarbonylcarbon,makingthereactionrateaccelerated;theyalsoremovethereactionby-productsofwater,toimprovetheyieldofester. Ifthematerialislowinacidandalcohol,solubleinwater,thereactiontothereactionmixtureafteraddingwater(ifnecessarybyaddingsaturatedsodiumcarbonatesolution),andthereactionsolutionplacedinaseparatoryfunnelforseparatinghandling,collectionisdifficulttheupperlayerofwater-solubleester,whichesterpurificationreaction.Theroleofsodiumcarbonatereactswiththecarboxylicacidsalt,carboxylicacidsincreasethesolubilityandreducethesolubilityofesters.Iftheproductofalowerboilingpoint33 唐山学院毕业设计esters,canalsokeeptheesterinthereactiondistillation,thereactionbalanceright,andcondensationtocollectvolatileesters.  Butafewesterificationreaction,theacidoralcoholhydroxylprotonofthewateraway,generatepositiveionsoracylcarbocationintermediate,theintermediateandthenreactswiththealcoholoracidester.Thesereactionsdonotfollowthe"a-hydroxyacid,ahydrogenalcohol"rule.  Carboxylicacidchlorideandthenthroughthereactionofesterswithalcohols.Reactivethanthecarboxylicacidchloridestronger,sothismethodiscommonlyusedmethodsPreparationofesters,theyieldgenerallyhigherthandirectesterification.Forthelessreactiveacylhalidesandalcohols,canbeaddedasmallamountofalkali,suchassodiumhydroxideorpyridine.H3C-COCl+HO-CH2-CH3→H3C-COO-CH2-CH3+H-Clcarboxylicacidanhydrideandthenthroughthereactionofesterswithalcohols.Carboxylicacidsalt,andthenthroughthereactionofesterswithalkylhalides.Reactionmechanismisacarboxylicacidanionontheα-carbonhalogenatednucleophilicsubstitutionreaction.SteglichesterificationCarboxylicacidwithDCCandasmallamountofalcoholinthepresenceofDMAPesterification.Thismethodisespeciallysuitableforesterificationoftertiaryalcohols.DCCisthereactionofthelosscontrolagent,DMAPesterificationiscommonlyusedcatalyst.Yamaguchiesterification2,4,6-trichlorobenzoylchloridereactswiththecarboxylicacidsubstrate,activatedcarboxylicacidmixedanhydride,followedbyasmoothfunctionwithalcoholester.DMAPasacatalystforesterification.[20]33 唐山学院毕业设计外文翻译酯化反应酯化反应，是一类有机化学反应，是醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水的反应。分为羧酸跟醇反应或无机含氧酸跟醇反应和无机强酸跟醇的反应两类。羧酸跟醇的酯化反应是可逆的，并且一般反应极缓慢，故常用浓硫酸作催化剂。多元羧酸跟醇反应，则可生成多种酯。无机强酸跟醇的反应，其速度一般较快。典型的酯化反应有乙醇和醋酸的反应，生成具有芳香气味的乙酸乙酯，是制造染料和医药的原料。酯化反应广泛的应用于有机合成等领域。基本简介：醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水，这种反应叫酯化反应。分两种情况：羧酸跟醇反应和无机含氧酸跟醇反应。羧酸跟醇的反应过程一般是：羧酸分子中的羟基与醇分子中羟基的氢原子结合成水，其余部分互相结合成酯。这是曾用示踪原子证实过的。口诀：酸去羟基醇去羟基氢。羧酸跟醇的酯化反应是可逆的，并且一般反应极缓慢，故常用浓硫酸作催化剂。多元羧酸跟醇反应，则可生成多种酯。如乙二酸跟甲醇可生乙二酸氢甲酯或乙二酸二甲酯。HOOC—COOH+CH3OH→HOOC—COOCH3+H2O无机强酸跟醇的反应，其速度一般较快，如浓硫酸跟乙醇在常温下即能反应生成硫酸氢乙酯。C2H5OH+HOSO2OH→C2H5OSO2OH+H2O硫酸氢乙酯C2H5OH+C2H5OSO2OH→(C2H5O)2SO2+H2O硫酸二乙酯多元醇跟无机含氧强酸反应，也生成酯。一般来说，除了酸和醇直接酯化外能发生酯化反应的物质还有以下三类：酰卤和醇、酚、醇钠发生酯化反应；酸酐和醇、酚、醇钠发生酯化反应；烯酮和醇、酚、醇钠发生酯化反应；酯如果在碱性条件下会水解成相应的醇和有机酸盐。如CH3CO-OCH2CH3+NaOH→CH3COOH+CH3CH2OH，酯在无机酸性条件下会水解成相应的酸和醇：CH3CO-OCH2CH3+H2O→(条件是H+)CH3COOH+CH3CH2OH反应特点：33 唐山学院毕业设计属于可逆反应，一般情况下反应进行不彻底，依照反应平衡原理，要提高酯的产量，需要用从产物分离出一种成分或使反应物其中一种成分过量的方法使反应正方向进行。属于取代反应原理反应式：反应机理：在酯化反应中，存在着一系列可逆的平衡反应步骤。步骤②是酯化反应的控制步骤，而步骤④是酯水解的控制步骤。这一反应是SN２反应，经过加成－消除过程。采用同位素标记醇的办法证实了酯化反应中所生成的水是来自于羧酸的羟基和醇的氢。但羧酸与叔醇的酯化则是醇发生了烷氧键断裂，中间有碳正离子生成。在酯化反应中，醇作为亲核试剂对羧基的羰基进行亲核攻击，在质子酸存在时，羰基碳更为缺电子而有利于醇与它发生亲核加成。如果没有酸的存在，酸与醇的酯化反应很难进行。典型反应：乙醇和醋酸进行酯化生成具有芳香气味的乙酸乙酯，是制造染料和医药的原料。在某些菜肴烹调过程中，如果同时加醋和酒，也会进行部分酯化反应，生成芳香酯，使菜肴的味道更鲜美。如果要使反应达到工业要求，需要以硫酸作为催化剂，硫酸同时吸收反应过程生成的水，以使酯化反应更彻底。反应方程式如下：乙酸的酯化反应制乙酸乙酯的方程式：CH3COOH+CH3CH2OH→CH3COOC2H5+H2O(可逆反应、加热、浓硫酸催化剂)甲醇和对苯二甲酸进行酯化反应，会生成对苯二甲酸二甲酯，而对苯二甲酸二甲酯与乙二醇发生酯交换反应，可以生成聚对苯二甲酸乙二酯，即涤纶。33 唐山学院毕业设计醇类和无机酸也能进行酯化反应，例如甲醇和硫酸反应生成硫酸二甲酯，是一种甲基化试剂，可以为碳水化合物引入甲基。反应类型：费歇尔酯化反应酯化反应一般是可逆反应。传统的酯化技术是用酸和醇在酸(常为浓硫酸)催化下加热回流反应。这个反应也称作费歇尔酯化反应。浓硫酸的作用是催化剂和失水剂，它可以将羧酸的羰基质子化，增强羰基碳的亲电性，使反应速率加快；也可以除去反应的副产物水，提高酯的产率。如果原料为低级的羧酸和醇，可溶于水，反应后可以向反应液加入水(必要时加入饱和碳酸钠溶液)，并将反应液置于分液漏斗中作分液处理，收集难溶于水的上层酯层，从而纯化反应生成的酯。碳酸钠的作用是与羧酸反应生成羧酸盐，增大羧酸的溶解度，并减少酯的溶解度。如果产物酯的沸点较低，也可以在反应中不断将酯蒸出，使反应平衡右移，并冷凝收集挥发的酯。但也有少数酯化反应中，酸或醇的羟基质子化，水离去，生成酰基正离子或碳正离子中间体，该中间体再与醇或酸反应生成酯。这些反应不遵循“酸出羟基醇出氢”的规则。羧酸经过酰氯再与醇反应生成酯。酰氯的反应性比羧酸更强，因此这种方法是制取酯的常用方法，产率一般比直接酯化要高。对于反应性较弱的酰卤和醇，可加入少量的碱，如氢氧化钠或吡啶。H3C-COCl+HO-CH2-CH3→H3C-COO-CH2-CH3+H-Cl羧酸经过酸酐再与醇反应生成酯。羧酸经过羧酸盐再与卤代烃反应生成酯。反应机理是羧酸根负离子对卤代烃α-碳的亲核取代反应。STEgliCh酯化反应羧酸与醇在DCC和少量DMAP的存在下酯化。这种方法尤其适用于三级醇的酯化反应。DCC是反应中的失水剂，DMAP则是常用的酯化反应催化剂。山口酯化反应2，4，6-三氯苯甲酰氯与羧酸底物作用生成混酐使羧酸活化，继而与醇顺利作用成酯。DMAP为酯化的催化剂。33