طراحی فرآیند با نرم افزارهای شبیه ساز
مهر ۲۶, ۱۴۰۳
مقدمه ایی بر راکتور ها و کاربرد آن ها در صنعت
مهر ۲۶, ۱۴۰۳
مقدمه
تولید بایو اتانول به دلیل ضرورت یافتن سوخت های تجدیدپذیر جایگزین، در دو دهه اخیر مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، تولید اتانول از مواد خام غذایی به دلیل رقابت مستقیم با مواد غذایی، بحث هایی را در مورد تولید آن ایجاد کرده است. در حال حاضر، تحقیقات بر روی زیست توده لیگنوسلولزی به دلایل زیر متمرکز شده است:
- در دسترس بودن بالا
- هزینه نسبی کم
- کاربردهای غذایی غیرمستقیم آن
چندین ماده لیگنوسلولزی به طور تجربی در تولید اتانول ارزیابی شده است که شامل موارد زیر است:
پوست بادام، دانه ذرت، فیبر ذرت، ساقه ذرت، خمیر کاج، کاج تاده،نی برنج، نیشکر. باگاس، بید، صنوبر، و…
مراحل تولید بایو اتانول
فرآیند تولید بایو اتانول شامل پنج مرحله است:
پیش تصفیه (هیدرولیز اول)
هیدرولیز سلولز (هیدرولیز دوم)
غلظت و سم زدایی
تخمیر
جداسازی
فناوری‌های مختلف پیش تصفیه
فناوری‌های مختلف پیش تصفیه با هدف مختل کردن مجموعه لیگنوسلولزی توسعه یافته که از جمله آنها می‌توان به مکانیکی، حرارتی، انفجار بخار، آب داغ مایع. (LHW)، اسیدی، قلیایی، اکسیداتیو، ترکیبی حرارتی و اسیدی، ترکیبی حرارتی و قلیایی، آمونیاک و پیش تصفیه دی اکسید کربن (AFEX) اشاره کرد. گسترده‌ترین روش مطالعه بین موارد ذکر شده، پیش تصفیه با اسید رقیق (DA) و با انفجار بخار است.
همچنین آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) وزارت انرژی ایالات متحده، که در حال حاضر در حال توسعه فن آوری برای تولید اتانول از زیست توده است. پیش تصفیه DA را برای طراحی جایگزین های فرآیند خود ترجیح داده است.
یکی از امیدوارکننده‌ترین روش‌ها، پیش تصفیه با آب داغ مایع (LHW) یا ترموهیدرولیز است. Laser et al اشاره کردند که در شرایط بهینه، این روش با پیش تیمار اسید رقیق اما بدون افزودن اسیدها. یا تولید ضایعات خنثی سازی هیدرولیز قابل مقایسه است. علاوه بر این، این فناوری همچنین نرخ بازیافت پنتوزها و تولید کم یا عدم تولید بازدارنده را نشان می‌دهد.
شرح فرایند تولید بایو اتانول
اولین واحد در شکل 1 (شبیه‌سازی تولید اتانول) یک سنگ شکن است که برای کاهش اندازه استفاده می‌شود. قطر نهایی ذرات مورد انتظار در این واحد 1 میلی‌متر است. بعد از آسیاب کردن، مواد خام تحت هیدرولیز اسیدی و در دمای 170 درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه قرار می‌گیرند. و یا اینکه در پیش تصفیه آب داغ مایع و در دمای 220 درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه قرار می‌گیرند. که امکان تبدیل همی سلولز به پنتوز که عمدتا زایلوزاست، را فراهم می‌کند. فورفورال و HMF به عنوان تنها محصولات جانبی این عملیات در نظر گرفته شدند. زیرا تخمیرپذیری هیدرولیزها با غلظت این ترکیبات رابطه معکوس دارد.
پس از پیش تصفیه، بخش جامد (سلولز و لیگنین) از هیدرولیز جدا شده و به هیدرولیز دوم فرستاده می شود. جایی که تبدیل سلولز در دمای 200 درجه سانتیگراد به مدت 3 دقیقه انجام می شود. و در مراحل سم زدایی که هدف از آن، آماده سازی بستر برای تخمیر است. تأثیر گنجاندن یا حذف غلظت قندها بر عملکرد اتانول و مصرف انرژی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در این مرحله همچنین، بخش مایع با هیدروکسید کلسیم در دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه تحت درمان قرار می گیرد تا غلظت فورفورال و HMF که ترکیبات بازدارنده برای تخمیر بیشتر هستند کاهش یابد. جریان خارج شده از سم زدایی بعداً با اسید سولفوریک خنثی می‌شود.
مرحله اصلی کل فرآیند تولید اتانول تخمیر است. که جریان قندهای حاصل از مراحل قبلی توسط باکتری نوترکیب ZM4 (pZB5) در دمای 33 درجه و به مدت 30 ساعت به اتانول تبدیل می‌شوند. در نهایت اتانول تولید شده با تقطیر مداوم جدا و در ستون های غربال مولکولی برای آبگیری اتانول استفاده می شوند.
پیکربندی فرآیند
پیکربندی فرآیند تولید اتانول ارائه شده در این کار فقط برای Z. mobiliz ZM4 (pZB5) کاربرد دارد. هر گونه متفاوت از مورد به کار رفته، سازماندهی مجدد طرح و شرایط تخمیر را نشان می دهد. استفاده از یک میکروارگانیسم تخمیری متفاوت نیز به مدل جدیدی نیاز دارد. و شاید جذب همزمان هگزوزها و پنتوزها امکان پذیر نباشد. اثر تغییر میکروارگانیسم به توانایی رشد بر روی گلوکز یا زایلوز به عنوان منبع تک کربن بستگی دارد. به این معنا، اگر فقط یک قند جذب شود. یک میکروارگانیسم اضافی و یک واحد تخمیر برای استفاده کامل از قندها مورد نیاز خواهد بود.
مرحله اصلی فرآیند: تخمیر
برای تخمیر قندها، مدل ریاضی توسعه یافته توسط Leksawasdi و همکاران. برای تخمیر دو لایه (گزیلوز و گلوکز) استفاده شد. نویسندگان استفاده از این مدل را در دمای 33 درجه سانتیگراد به مدت 30 ساعت پیشنهاد کردند. آنها پارامترهای آزمایشی یک مدل جنبشی تخمیر را به دست آوردند. که در آن باکتری نوترکیب Zymomonas mobiliz ZM4 (pZB5) قادر است گلوکز و زایلوز را به طور همزمان جذب کند. مدل‌های مربوط به واحدهای عملیاتی مانند آسیاب، فیلترها، مبدل‌های حرارتی و ستون تقطیر با جزئیات توضیح داده نشده‌اند. زیرا این موارد در Aspen Plus گنجانده شده و به خوبی توضیح داده شده است.
شبیه‌سازی فرآیند
طرح فرآیند اتانول شبیه سازی شده در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1. صفحه جریان تولید اتانول سوخت از پوسته برنج با استفاده از پیش تیمار LHW یا DA
1.سنگ شکن، 2. هیدرولیز مرحله اول، 3. فیلتر برای جداسازی الیاف غیرهیدرولیز شده، 4. هیدرولیز مرحله دوم، 5. فیلتر برای جداسازی لیگنین، 6. اواپراتور برای غلظت قندها، 7. کولر، 8. راکتور سم زدایی، 9. راکتور خنثی سازی، 10. فیلتر برای جداسازی گچ، 11. تخمیر، 12. ستون غلظت، 13. ستون یکسوسازی، 14. غربال های مولکولی برای آبگیری اتانول، 15. مخزن محصول.
پیش تیمارهای LHW و DA همان پیکربندی را با تفاوت تنها در شرایط هیدرولیز اول ارائه می دهند.
روش شبیه‌سازی
شبیه سازی پیکربندی های تکنولوژیکی (تولید اتانول از پوسته برنج با استفاده از DA و LHW). با استفاده از Aspen Plus (Aspen Technology Inc., USA) انجام شد. داده‌های ورودی اصلی استفاده‌شده برای شبیه‌سازی فرآیند در جدول 1 نشان داده شده است.
شبیه‌سازی‌ها با در نظر گرفتن مواد خام مورد نیاز به مقدار 240 تن در روز، برای ظرفیت کارخانه تقریباً 100000 لیتر اتانول بی آب در روز انجام شد. بخشی از داده‌های خصوصیات فیزیکی مولفه‌های مورد نیاز برای شبیه‌سازی از Wooley و Putsche به‌دست آمد. و برای مدل سازی فاز بخار معادله حالت هیدن استفاده می شود.
مشخصات اولیه ستون های تقطیر با استفاده از روش میانبر DSTWU موجود در Aspen Plus برآورد شد. با این اطلاعات و نتایج تجزیه و تحلیل استاتیک، محاسبه دقیق ستون های تقطیر با استفاده از مدل RadFrac Aspen Plus انجام شد. که بر اساس جرم، تعادل، جمع و گرما (MESH) است.
برآورد مصرف انرژی بر اساس انرژی حرارتی مورد نیاز مبدل‌های حرارتی، بویلرها و واحدهای مرتبط بود. DA و LHW با استفاده از راکتورهای دسته ای با عبارات جنبشی شبیه سازی شدند. هیدرولیز دوم با استفاده از یک راکتور دسته ای با عبارات جنبشی برای هیدرولیز سلولز شبیه سازی شد. سم زدایی و تخمیر قندها از جمله زیر روال های کاربر توسط رابط matlab اکسل برای حل مدل ریاضی شبیه سازی شد. یک سیستم احتراق/توربوژنراتور بستر سیال در گردش (CFBC/TG) نیز به عنوان فناوری تولید همزمان مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
تجزیه و تحلیل اقتصادی
تجزیه و تحلیل اقتصادی توسط بسته Aspen Icarus Process Evaluator (Aspen Technology, Inc., USA) انجام شد. این تجزیه و تحلیل به دلار برای یک دوره 10 ساله با نرخ بهره سالانه 16.02% با در نظر گرفتن روش استهلاک خط مستقیم و مالیات بر درآمد 33% برآورد شد.
قیمت پوسته برنج 5 دلار به ازای هر تن تنها با در نظر گرفتن هزینه حمل و نقل مربوط به این نوع مواد برآورد شد. هزینه آهک و اسید سولفوریک به ترتیب 0.08 به ازای هر kg و 0.09 به ازای هر کیلوگرم بود. نیروی کار اپراتور و سرپرست به ترتیب 2.14 در hr و 4.29 در ساعت بود. هزینه برق، آب آشامیدنی و فشار کم بخار به ترتیب $ 0.038 در هر کیلووات ساعت، $ 1.25 در هر متر مکعب و 8.18 دلار در هر تن بود. (همه قیمت‌ها بر حسب دلار هستند).
نرم افزار فوق با استفاده از اطلاعات طراحی ارائه شده توسط Aspen Plus و داده های معرفی شده توسط کاربر برای شرایط خاص، به عنوان مثال مکان پروژه، هزینه های سرمایه واحدهای فرآیند و همچنین هزینه های عملیاتی را در میان سایر داده های ارزشمند برآورد می کند.
نتایج شبیه‌سازی
نتایج اصلی ترکیب جریان به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی‌ها در جدول 2 نشان داده شده است.
هر دو پیش تیمار تبدیل همی سلولز کامل را به دست آوردند. با این حال، با DA تبدیل سلولز قابل توجهی 31.20٪ در پیش تیمار انجام شد. که DA به دلیل اثر کاتالیزوری بر هیدرولیز سلولز اسید اضافه شده. عملکرد قند بیشتری (40.61٪) نسبت به LHW (30.87٪) نشان داد. حضور اسید در محیط واکنش تأثیر بیشتری بر هیدرولیز سلولز نسبت به دمای بالاتر داشت. ولی با وجود این حضور اسید به ترتیب منجر به دهیدراته شدن گلوکز و زایلوز به HMF و فورفورال شد.
بررسی عامل تاثیرگذار بر عملکرد بایو اتانول
غلظت قندها بر عملکرد اتانول تأثیر می‌گذارد. زمانی که واحد غلظت در نظر گرفته نمی‌شود. در واقع غلظت کل قند برابر با 37 گرم در لیتر است. بازده اتانول کمتری برای DA و LHW به ترتیب 26/319 و 33/286 لیتر در تن به دست آمد. تأثیر غلظت قندها در پیش تیمار LHW با دستیابی به افزایش 15 درصدی در عملکرد اتانول بیشتر بود. بازده به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی‌ها از آنچه که (236 L/t) برای اتانول باگاس نیشکر از طریق هیدرولیز اسید رقیق و تخمیر هگزوز گزارش شده بود، بالاتر بود.
بازدهی بالاتر به استفاده اضافی از پنتوز برای تولید اتانول توسط باکتری های نوترکیب نسبت داده شد. ظرفیت کارخانه برای تولید اتانول از پوسته برنج، با در نظر گرفتن مبنای محاسبه 240 تن پوسته برنج در روز، حدود 80000 لیتر در روز با در نظر گرفتن غلظت قند و 70000 لیتر در روز بدون غلظت بود.
اشکال اصلی این فرآیند
یک پارامتر مهم در تولید اتانول از لیگنوسلولوزها مصرف انرژی است. این همواره یکی از اشکالات اصلی این نوع فرآیند بوده است. جدول 3 مصرف انرژی خالص موارد ارزیابی شده با و بدون تولید همزمان انرژی را نشان می دهد.
همانطور که انتظار می رفت بیشترین مصرف انرژی زمانی به دست آمد که غلظت قندها (هیدرولیزهای غنی از گلوکز و زایلوز) در نظر گرفته شد. (شکل 1 واحد 6 را ببینید). سهم مصرف انرژی بر اساس مراحل در شکل 2 نشان داده شده است.
برای هر دو فناوری پیش تصفیه ارزیابی شده، مشخص شد که. پیش تصفیه و غلظت قندها به بیشتر انرژی کل تولیدات اتانول نیاز دارند. جداسازی از نظر انرژی تنها زمانی مرتبط بود که غلظت قندها در نظر گرفته نشد. هنگامی که فناوری‌های پیش تصفیه مقایسه می‌شوند. LHW مصرف انرژی بالاتری نسبت به DA نشان می‌دهد.
تأثیر غلظت قندها در مصرف انرژی پایین دستی را می توان در شکل 2 مشاهده کرد. هنگامی که غلظت قندها گنجانده شد.، مصرف انرژی مراحل تخمیر و جداسازی برای DA و LHW به ترتیب 68 و 54 درصد کاهش یافت. فقط پیش تیمار DA با تولید همزمان انرژی و بدون غلظت قند مصرف انرژی کمتر از ارزش انرژی اتانول (21.20 MJ/L) داشت. که 39 کیلوگرم اجازه تولید 11.3 کیلووات برق را در هر لیتر اتانول تولیدی داد، علاوه بر این، گرمای تولید شده از سیستم به ترتیب جایگزین 32% و 30% از کل انرژی مورد نیاز برای پیش تیمارهای DA و LHW با غلظت قند شد.
نتیجه‌گیری
طبق این مقاله نیاز به انرژی برای پیش تصفیه یک معیار قوی در ارزیابی فرآیند تولید اتانول از زیست توده لیگنوسلولزی است. زیرا بخش اصلی تقاضای انرژی را نشان می‌دهد. شبیه‌سازی انجام شده. و برررسی‌ها در این کار نشان داد که DA و LHW فرآیندهای کارآمدی هستند. اما اگر تولید همزمان انرژی اجرا نشود، این روش‌های پیش تصفیه به علت نیاز به مقدار زیادی انرژی برای صنعت قابل اجرا نیستند.
هزینه تولید اتانول از پوسته برنج بسیار به مصرف انرژی بستگی دارد. با وجود این اگر یک سیستم تولید همزمان گنجانده شود. نیازهای انرژی تامین می‌شود و هزینه تولید به طور قابل توجهی کاهش می یابد. علاوه بر این، زمانی که فروش برق به عنوان محصول مشترک در نظر گرفته شد، هزینه تولید اتانول در مقایسه با آنچه برای مواد خام معمولی به دست می‌آید رقابتی شد. این نتایج به شدت به ترکیب مواد لیگنوسلولزی مورد استفاده بستگی دارد. به عنوان مثال، پوسته برنج حاوی لیگنین بیشتری نسبت به باگاس نیشکر است که به این معنی است که انرژی بیشتری از اولی در فرآیند احتراق به دست می‌آید. Aspen Plus نشان داده است که یک ابزار قوی است که قادر به مدل سازی و ارزیابی فرآیندهای پیچیده مانند اتانول است.
