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系統識別號 U0002-0708201318173100
中文論文名稱 木薯酒精燃料之程序合成與設計
英文論文名稱 Ethanol Fuel from Cassava: a Process Synthesis and Design
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 簡士傑
研究生英文姓名 Shih-Chieh Chien
學號 600400658
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-22
論文頁數 198頁
口試委員 指導教授-陳錫仁
委員-程學恆
委員-陳錫仁
委員-張煖
中文關鍵字 生質酒精  程序合成與設計  共沸蒸餾  滲透蒸發  經濟評估  木薯 
英文關鍵字 Bioethanol  Process Synthesis and Design  Azeotropic Distillation  Pervaporation  Economic Evaluation  Cassva 
學科別分類
中文摘要 本論文之內容主要進行木薯製造生質酒精之化工程序合成與設計,以年產量三萬公噸、純度達99.5 wt% 之酒精燃料為設計目標。以木薯為原物料,經過液化、醣化與發酵作用產生粗製酒精,之後進行濃縮、純化以達到無水酒精純度與產量要求。文中考慮兩種無水酒精純化的方法:第一種為共沸蒸餾,採用苯為共沸劑;第二種為滲透蒸發,使用親水性薄膜,將酒精與水分離。其次,針對滲透蒸發整體製程進行熱能整合,探討其節能減碳之成效。最後,進行生質酒精製程之經濟評估,吾人發現,共沸蒸餾整體製程之年製造成本、生質酒精每公升之製造成本以及化石能源比分別為US$27.0×106、US$0.68與0.74;滲透蒸發整體製程在熱能整合後之年製造成本、生質酒精每公升之製造成本以及化石能源比分別為US$23.6×106、US$0.59與1.5。
本論文研究主要應用“Aspen Plus”、“Aspen Custom Modeler”(ACM) 與“SuperTarget”三套化工程序軟體;前兩者用於程序合成與設計,後者則用於狹點分析及換熱器網路合成。
英文摘要 In this thesis, we have presented a chemical process synthesis and design for the production of bioethanol from cassava. The study aims to simulate a plant capacity of 30,000 metric tons per year of 99.9 wt% purity of ethanol fuel. Starting with cassava as the raw material, we use the liquefaction, saccharification, and fermentation process to accomplish the making of crude ethanol; then, we employ purification process to achieve the dehydrated ethanol production with a 99.5 wt% purity and the yield we desired. There are two kinds of purification process we use to separate ethanol and water. The first is azeotropic distillation process with benzene as the entrainer; the second is pervaporation process with the hydrophilic membrane. Then, we have carried out a heat integration for the cassava-to-ethanol combining pervaporation process. Ultimately, as seen from the economic analysis, we found that the yearly cost of manufacture, cost of bioethanol per liter, and fossil energy ratio (FER) are US$27.0×106, US$0.68, and 0.74, respectively, in the cassava-to-ethanol with azeotropic distillation process; and US$23.6×106, US$0.59, and 1.5 in the cassava-to-ethanol with pervaporation process after heat integration .
Three kinds of software are utilized in the research—Aspen Plus, Aspen Custom Modeler (ACM), and SuperTarget. The first and second are applied to implement the process synthesis and design; the third is applied to perform the pinch analysis and the synthesis of heat exchanger network.
論文目次 目錄
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 生質酒精製程簡介 2
1.2.1生質酒精製造之程序流程 2
1.3 共沸組成之純化法 6
1.3.1 變壓蒸餾 6
1.3.2 變壓吸附 9
1.3.3 共沸蒸餾 10
1.3.4 滲透蒸發 11
1.4 研究目的與方法 13
第二章 理論基礎 16
2.1 程序合成與設計理論 16
2.1.1 程序合成與設計之經驗法則 16
2.1.2 洋蔥模式 20
2.1.3 程序的核心─反應器 21
2.1.4 分離和迴流 21
2.1.5 換熱器網路 22
2.1.6 公用設施 22
2.2 Aspen Plus 模擬軟體簡介 23
2.2.1 Aspen Plus之基本架構 23
2.2.2 Aspen Plus 之模擬操作步驟 24
2.2.3 Aspen Plus之固體處理 27
2.3 SuperTarget換熱器網路設計合成軟體簡介 30
2.4 狹點原理 30
2.4.1 狹點技術 33
2.4.2 數據擷取 34
2.4.3 狹點分析 36
2.4.4 換熱器網路合成 39
第三章 木薯製造生質酒精之程序合成與設計 41
3.1 前言 41
3.2 木薯製造生質酒精之製程描述 42
3.3木薯製造生質酒精程序模擬與設計 44
3.3.1 生質物之設定 44
3.3.2 程序的核心─反應器 45
3.3.3 分離系統─驟沸槽 54
3.3.4 分離系統─乙醇吸收塔 57
3.3.5 分離系統─固體分離與乙醇迴流 59
第四章 木薯製造生質酒精之純化流程─共沸蒸餾 67
4.1 共沸蒸餾之純化製程描述 67
4.2 共沸蒸餾之純化設計 69
4.2.1 預濃縮塔 69
4.2.2 共沸蒸餾塔 76
4.2.3 分相槽 80
4.2.4 共沸劑回收塔 82
4.3 蒸餘曲線圖之分析 89
第五章 木薯製造生質酒精之純化流程─滲透蒸發 94
5.1 滲透蒸發之純化製程描述 94
5.2 滲透蒸發之純化設計 96
5.2.1 預濃縮塔 96
5.2.2 滲透蒸發薄膜模組 103
5.2.3 滲透液迴流 108
第六章 木薯製造生質酒精與滲透蒸發純化製程之熱能整合 112
6.1 前言 112
6.2 狹點分析 112
6.3 換熱器網路合成 112
第七章 木薯製造生質酒精製程之經濟評估 124
7.1木薯製造生質酒精製程之經濟評估 126
7.2共沸蒸餾製程之經濟評估 132
7.3 滲透蒸發製程之經濟評估 138
7.4 滲透蒸發整體製程熱能整合 (ΔTmin = 10℃) 後之經濟評估 144
7.4.1熱能整合後固定設備成本 144
7.4.2 熱能整合後公用設施成本 145
7.4.3 熱能整合後年製造成本 146
7.5 成本分析與比較 147
7.6 化石能源比 149
第八章 結論與建議 153
8.1 結論 153
8.2 建議 156
參考文獻 157
附錄A 160
附錄B 161
附錄C 182
附錄D 190

圖目錄
圖1.1 變壓蒸餾之醋酸甲酯/甲醇分離程序 7
圖1.2 醋酸甲酯在1 atm與8 atm之氣液平衡曲線 7
圖1.3 醋酸甲酯在1 atm與8 atm之T-x-y曲線 8
圖1.4 變壓吸附之酒精脫水程序 9
圖1.5 共沸蒸餾之酒精脫水程序 10
圖1.6 滲透蒸發薄膜模組 12
圖1.7 滲透蒸發之酒精脫水程序 12
圖1.8 木薯製造生質酒精之方塊流程 15
圖2.1 程序設計之洋蔥模式 20
圖2.2 整體分離系統組合 22
圖2.3 Aspen Plus 之熱力學模式選擇流程 26
圖2.4 複合曲線預測能源目標 31
圖2.5 換熱系統的熱源與熱沼特性 32
圖2.6 狹點分界 (零越過狹點熱流) 32
圖2.7 狹點分界 (越過狹點XP單位的熱流) 33
圖2.8 線性化分段示意圖 35
圖2.9 單成份系統之相變化圖 36
圖2.10 最佳操作點之示意圖 37
圖3.1 木薯製造生質酒精之程序流程 43
圖3.2 木薯澱粉液化作用之Aspen Plus程序模擬 45
圖3.3 結合液化作用與醣化反應器之Aspen Plus程序模擬 48
圖3.4 加入發酵反應器之Aspen Plus程序模擬 51
圖3.5 結合驟沸槽之Aspen Plus程序模擬 54
圖3.6 結合乙醇吸收塔之程序模擬 57
圖4.1 共沸蒸餾之程序流程 68
圖4.2 “Design Specs”中“Specifications”設定 70
圖4.3 “Design Specs”中“Components”設定 70
圖4.4 “Design Specs”中“Feed/Product Streams”設定 71
圖4.5 “Vary”中“Specifications”設定 71
圖4.6 “Vary”中之“Results” 72
圖4.7 “Design Specs”中“Specifications”設定 72
圖4.8 “Design Specs”中“Components”設定 73
圖4.9 “Design Specs”中“Feed/Product Streams”設定 73
圖4.10 “Vary”中“Specifications”設定 74
圖4.11 “Vary”中之“Results” 74
圖4.12 預濃縮塔之程序模擬 74
圖4.13 “Design Specs”中“Specifications”設定 76
圖4.14 “Design Specs”中“Components”設定 77
圖4.15 “Design Specs”中“Feed/Product Streams”設定 77
圖4.16 “Vary”中“Specifications”設定 78
圖4.17 “Vary”中之“Results” 78
圖4.18 結合共沸蒸餾塔之程序模擬圖 78
圖4.19 結合分相槽之程序模擬圖 80
圖4.20 “Design Specs”中“Specifications”設定 82
圖4.21 “Design Specs”中“Components”設定 83
圖4.22 “Design Specs”中“Feed/Product Streams”設定 83
圖4.23 “Vary”中“Specifications”設定 84
圖4.24 “Vary”中之“Results” 84
圖4.25 “Balance”中質量平衡設定 85
圖4.26 “Balance”中計算設定 85
圖4.27 共沸蒸餾之程序模擬 86
圖4.28 乙醇─水─苯之蒸餘曲線 89
圖4.29 乙醇─水─苯之三成份相圖 91
圖4.30 共沸蒸餾製程之物流組成 92
圖4.31 共沸蒸餾程序於三成份相圖中之關係 93
圖5.1 滲透蒸發之程序流程 95
圖5.2 “Design Specs”中“Specifications”設定 97
圖5.3 “Design Specs”中“Components”設定 97
圖5.4 “Design Specs”中“Feed/Product Streams”設定 98
圖5.5 “Vary”中“Specifications”設定 98
圖5.6 “Vary”中之“Results” 99
圖5.7 “Design Specs”中“Specifications”設定 99
圖5.8 “Design Specs”中“Components”設定 100
圖5.9 “Design Specs”中“Feed/Product Streams”設定 100
圖5.10 “Vary”中“Specifications”設定 101
圖5.11 “Vary”中之“Results” 101
圖5.12 預濃縮塔之程序模擬 101
圖5.13 滲透端酒精濃度與酒精進料濃度之關係 104
圖5.14 水的滲透通量與酒精進料濃度之關係 105
圖5.15 結合滲透蒸發薄膜之程序模擬 106
圖5.16 滲透蒸發之程序模擬 109
圖6.1 木薯製造生質酒精製程之程序流程(滲透蒸發) 113
圖6.2 生質酒精製程加熱器LIQUEFY之T-Q關係 114
圖6.3 生質酒精製程冷卻器E-103之T-Q關係 114
圖6.4 滲透蒸發製程加熱器E-201之T-Q關係 115
圖6.5 滲透蒸發製程加熱器E-202之T-Q關係 115
圖6.6 滲透蒸發製程加熱器E-203之T-Q關係 116
圖6.7 滲透蒸發製程加熱器E-204之T-Q關係 116
圖6.8 滲透蒸發製程冷卻器E-205之T-Q關係 117
圖6.9 滲透蒸發製程冷卻器E-206之T-Q關係 117
圖6.10 ΔTmin = 10℃時生質酒精與滲透蒸發製程之冷熱複合曲線 118
圖6.11 ΔTmin = 10℃時生質酒精與滲透蒸發製程換熱器網路合成 119
圖6.12生質酒精與滲透蒸發製程於ΔTmin = 10℃之最後組態設計 123
圖7.1 Aspen Plus中計算熱值步驟之“Prop-Sets” 150
圖7.2 Aspen Plus中計算熱值步驟之“Physical properties” 150
圖7.3 Aspen Plus中計算熱值步驟之“Setup” 151
圖7.4 Aspen Plus中計算熱值步驟之“Property Sets” 151


表目錄
表2.1、Aspen Plus物流型態說明 24
表2.2 次物流組合之複合物流形式 29
表3.1 木薯澱粉液化作用之流體物流資料 46
表3.2 木薯澱粉液化作用之固體物流資料 47
表3.3 木薯澱粉醣化作用之流體物流資料 49
表3.4 木薯澱粉醣化作用之固體物流資料 50
表3.5 葡萄糖發酵之流體物流資料 52
表3.6 葡萄糖發酵之固體物流資料 53
表3.7 驟沸槽之流體物流資料 55
表3.8 驟沸槽之固體物流資料 56
表3.9 乙醇吸收塔之物流資料 58
表3.10 木薯製造生質酒精之流體物流資料 61
表3.11 木薯製造生質酒精之固體物流資料 65
表4.1乙醇─水之共沸組成資料 (2.1 bar) 69
表4.2 預濃縮塔之物流資料 75
表4.3 共沸蒸餾塔之物流資料 79
表4.4 分相槽之物流資料 81
表4.5 共沸蒸餾之物流資料 87
表4.6 乙醇─水─苯之共沸組成資料 (2.2 bar) 90
表5.1乙醇─水之共沸組成資料 (2 bar) 96
表5.2 預濃縮塔之物流資料 102
表5.3 滲透蒸發薄膜之物流資料 107
表5.4 滲透蒸發程序之酒精純度 108
表5.5 滲透蒸發之物流資料 110
表6.1 生質酒精與滲透蒸發製程之冷熱物流資料 118
表6.2 生質酒精與滲透蒸發製程於ΔTmin = 10℃之配對資料 120
表7.1 公用設施之單位成本 125
表7.2 廢棄物處理之單位成本 125
表7.3生質酒精製程之熱交換器設備成本 126
表7.4生質酒精製程之壓縮機設備成本 126
表7.5生質酒精製程之幫浦設備成本 127
表7.6生質酒精製程之壓力容器設備成本 127
表7.7生質酒精製程之塔設備成本 127
表7.8生質酒精製程之操作人員需求估計 128
表7.9生質酒精製程需用冷卻水設備之能源消耗 129
表7.10 共沸蒸餾製程之熱交換器設備成本 132
表7.11 共沸蒸餾製程之壓力容器設備成本 132
表7.12 共沸蒸餾製程之幫浦設備成本 133
表7.13 共沸蒸餾製程之塔設備成本 133
表7.14 共沸蒸餾製程之操作人員需求估計表 134
表7.15 共沸蒸餾製程需用蒸汽設備之能源消耗 134
表7.16 共沸蒸餾製程需用冷卻水設備之能源消耗 135
表7.17 滲透蒸發製程之熱交換器設備成本 138
表7.18 滲透蒸發製程之壓力容器設備成本 138
表7.19 滲透蒸發製程之真空幫浦設備成本 139
表7.20 滲透蒸發製程之幫浦設備成本 139
表7.21 滲透蒸發製程之塔設備成本 139
表7.22 共沸蒸餾製程之操作人員需求估計表 140
表7.23 共沸蒸餾製程需用蒸汽設備之能源消耗 140
表7.24 共沸蒸餾製程需用冷卻水設備之能源消耗 141
表7.25 熱能整合後之配對換熱器成本 144
表7.26 共沸蒸餾製程需用蒸汽設備之能源消耗 145
表7.27生質酒精製程需用冷卻水設備之能源消耗 145
表7.28 熱能整合前後之冷熱公用設施成本 146
表7.29 各製程成本比較 148
表C.1 木薯製造生質酒精製程之熱交換器設備清單 182
表C.2 共沸蒸餾製程之熱交換器設備清單 183
表C.3 滲透蒸發製程之熱交換器設備清單 184
表C.4 木薯製造生質酒精製程之壓力容器設備清單 185
表C.5 共沸蒸餾與滲透蒸發製程之壓力容器設備清單 186
表C.6 壓縮機與幫浦設備清單 187
表C.7 塔設備清單 189
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