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    淺談燃料乙醇工藝的化學工業創新

       日期:2015-12-29     來源:論文網    瀏覽:76    評論:0    

      隨著世界石化能源的日趨匱乏,石油類產品價格日益攀升,開發一種綠色可持續的能源已經變得相當急迫。乙醇作為一種生產工藝成熟、生產來源廣泛的替代能源越來越受到人們的關注。

      乙醇俗稱酒精,它以玉米、小麥、薯類、糖蜜木質纖維素等為原料經發酵,蒸餾而制成。所謂燃料乙醇是指對濃度95%左右的乙醇進一步脫水,再加上5%體積分散(一般為無鉛汽油或無鉛的烴類)的變性劑使之成為水分小于0.8%,且不可食用的變性無水乙醇。燃料乙醇既是一種清潔能源,又是一種良好的汽油增氧劑和辛烷值調和組分,用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚(MTBE)或乙基叔丁基醚(ETBE),乙醇調入汽油對降低汽車尾氣中的一氧化碳含量很有效,起到凈化空氣的效果,同時,乙醇用糧食制造,是一種生物轉化的太陽能,是一種取之不盡,用之不竭的可再生能源,在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料,能節約石油、凈化空氣,轉化多余的糧食,為人類社會的可持續發展提供一條簡單有效的途徑。

      目前,世界上燃料乙醇的生產方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法兩種。由于近年來受原油資源問題及乙烯價格上漲的制約,合成法被生物法所取代。生物法生產燃料乙醇,大部分是以甘蔗、玉為、薯干和植物秸桿與農產品或農林廢棄物為原料酶解糖化發酵制造的,其生產工藝有酶解法、酵水解法及一步酶法工藝法等。這段工藝與食用乙醇的生產工藝基本相同,所不同的是需增加濃縮脫水后處理工藝,使其水的體積分數降到1%以下,由于乙醇生產過程中水的存在,使得乙醇與水形成二元共沸物,而采用普通精餾方法所得乙醇中水的體積分數約為5%,要想控制燃料乙醇水的體積分數達到1%以下就必須采用較新的脫水工藝(目前開發的脫水工藝主要有:滲透汽化、吸附蒸餾、特殊蒸餾、加鹽萃取蒸餾、變壓吸附和超臨界萃取分離等),脫水后制成的燃料乙醇再加少量變性劑就成為變性燃料乙醇。

      燃料乙醇生物法生產過程包含發酵生物化學反應與乙醇分離兩大主要過程,其工藝流程與人們熟知的化學工程中的許多單元操作存在不少共同點,如傳遞和反應諸多化學工程問題,所不同的是這里反應是發酵生化反應。在理論上來說似乎是簡單的過程,但要想在大規模水平上獲得最大效率,卻需要依靠生物學和化學工程的結合。

      化學工程的核心仍是“三傳一反”,即使在納米尺度上,反應和傳遞兩種因素的共同作用是造成形形式式物質結構的根本原因,目前發醇工藝的放大仍停留在經驗階段,并沒有上升到理論水平,這與燃料乙醇發展的需求極不相稱,因此,采用化學工程的成熟理論及先進技術來研究燃料乙醇工藝過程,并進行創新具有重要的理論及實際意義。

      一、發酵過程的化學工程分析

      1.多尺度問題

      由于酒精發酵過程是一個綜合了微生物學、生物化學以及化學工程等的復雜過程,因此,模擬市場計算該過程不能僅僅單一采用傳統的生物學方法或化學工程的方法,而應對生物反應器中多尺度問題作綜合考慮。在化學工程學角度看來,酒精發酵罐可以看做是反應器,理論上計算反應器的模型應可以適用于酒精發酵罐。

      2.動力學與放大

      乙醇發醇過程前沿課題主要集中在液化、糖化和發酵過程節能降耗,包括:耐高溫、高糖濃度、高乙醇濃度的能力以及酵母高效發酵過程的基礎研究;液化酶、糖化酶的作用機制及實際物系的動力學研究;同步糖化發酵動力學方面的研究。從化學工程角度看,上述問題涵蓋發酵生物反應動力學及傳遞特性兩個方面,動力學方法是發酵過程放大的理論基礎。發酵動力學包括兩個層次:一是本征動力學,它是指沒有傳遞等工程因素影響時,發酵生物反應固有的速率;二是宏觀動力學,它是指在反應器內所觀測到的總反應速率及其形式和結構、操作方式、物料的流動與混合,傳遞與傳熱等。

      在大多數情況下,只要體系物性、流場、流態與在實際操作(熱態)時比較接近,往往可以用冷模的實驗方法模擬在熱態下的流體力學狀態,這對大設備的放大規律的研究有幫助。因此,采用大型冷模研究在過程設備中流體的流體力學特性并與小型熱模所進行的動力學研究相結合是研究發酵設備放大規律的一種有效方法。

      3.發酵罐內多場分布

      多場分布包括溫度分布、濃度分布和速率分布。發酵生物反應器中的物理因素—傳遞特性將影響到反應器內基質和產物的濃度分布及溫度分布,進而影響到反應器內某一組分的反應速率。因此,傳遞特性的研究是不可忽視的問題,研究發酵罐內傳熱、傳質及傳動將是化學工程領域的一項重要任務,同時也為更好地控制發酵過程提供了理論依據。

      CFD模型在模擬反應器內的溫度、濃度和速度分布上是一種十分重要的方法,應引起重視。

      二、乙醇純化過程中的化學工程問題

      采用發酵的方法生產乙醇,同時不可避免地會生成水,要獲得乙醇勢必要對乙醇和水進行分離,從原理講分離乙醇和水的方法有精餾、吸附、滲透汽化膜分離等方法,然后發酵液中乙醇質量分數一般為5%~12%,而燃料乙醇產品的純度卻要在99%以上。因而從發酵液中分離出乙醇所消耗費的能量占總能量的絕大部分。所以從發酵液中分離乙醇—水混合液一般分兩步:先用普通精餾得到質量分數為92.4%的乙醇,再用共沸精餾、萃取精餾、液液萃取、吸附或其它方法得到無水乙醇。

      精餾作為具有技術成熟度和應用成熟度較高的分離方法,是分離乙醇—水混合液最早,也是最普遍的方法,但需很高的能耗。現有3種方法替代精餾方法生產乙醇:萃取法、超臨界流體法和滲透蒸發膜分離法,這部分工藝幾乎等同于化學工程的分離工藝技術,可以應用。

      三、生物發酵反應與分離過程耦合

      現有燃料乙醇工藝的基礎研究包括生產過程放大和流程創新、研究生物反應與分離過程耦合探索新的短流程工藝。

      將生物發酵直接看作反應并與分離技術耦合來提高整個發酵及分離的效率,將推動燃料乙醇工藝的技術進步。

      多場耦合對開發新型發酵與分離設備具指導意義,未來發展趨勢必將是將反應與分離以及多種分離結合一起的設備。如精餾與吸附、發酵與精餾等通過一個設備操作實現兩者完美結合,而目前的多塔生產工藝將會被逐漸淘汰而發展對應短流程工藝這方面研究及發展將極大地消減成本,同時也降低能耗,對改善反應與分離過程,提高效率具很大潛力。

      貫穿于燃料乙醇生產過程的流體流動、熱量傳遞、質量傳遞問題與發酵生化反應交織在一起,對燃料乙醇過程產生決定性的影響。發酵過程尤其是同步糖化發酵技術背后的物理、生物、化學機制及工程策略,發酵罐中流場、溫度場及濃度場的多場耦合,對生物反應器中多尺度問題作綜合考慮,采用人工智能研究流程優化組合分析工程策略,發展新型分離發酵設備等,都是目前急需研究的內容,是燃料乙醇領域的難點和熱點問題。

      采用化學工程學理論及方法研究燃料乙醇生物反應工程規律、工程放大及流程創新將是一種主要趨勢。

     
    標簽: 燃料乙醇
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