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系統識別號 U0002-3007201216020200
中文論文名稱 生質汽油之製程設計與整合
英文論文名稱 Production of Biogasoline: a Chemical Process Design and Integration
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 游亞文
研究生英文姓名 Ya Wen -Yu
學號 699400080
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-17
論文頁數 275頁
口試委員 指導教授-陳錫仁
委員-周正堂
委員-張煖
中文關鍵字 生質汽油  程序合成與設計  熱能整合  狹點技術  化石能源比 
英文關鍵字 Biogasoline  Process Synthesis and Design  Heat Integration  Pinch Technology  Fossil Energy Ratio 
學科別分類
中文摘要 本文主要進行生質物轉製生質汽油之化工設計與整合,以生質汽油年產量1萬公噸為設計目標,分別進行三個製程:(1) 生質物製造合成氣;(2) 合成氣製造二甲醚;(3) 二甲醚轉製汽油。研究中針對「合成氣轉製汽油(StG)」製程進行熱能整合與經濟評估,比較節能效率及年製造成本,其中以冷熱複合曲線間之最小趨近溫度ΔTmin=5oC為節能效率最好,其熱公用設施減少89%,冷公用設施減少32%,化石能源比 (FER) 從1.8提升至5.1。然而,在經濟評估中,吾人發現年製造成本與生質汽油每公升之製造成本以ΔTmin=10oC時最小。在熱能整合前為US$17.0×106/yr及US$0.97/L,在熱能整合後,在ΔTmin=10oC時分別減為US$14.4×106/yr及US$0.79/L,故選擇 10oC為最佳方案,其FER值為4.7,並繪製其StG最後組態設計圖。
本論文中主要利用兩套化工軟體進行研究:“Aspen Plus” 與 “SuperTarget”。前者主要是用於程序合成、設計與模擬;後者則是進行狹點分析與換熱器網路合成。
英文摘要 In this thesis, we have presented a chemical process design and integration for the production of biogasoline from biomass. The goal is set at 10,000 tonnes/yr of biogasoline. The whole process integrates three sub-processes: (1) syngas production from the biomass (BtS), and (2) dimethyl ether production from syngas (StD), and (3) production of biogasoline from dimethyl ether (DtG). In particular, we have carried out a heat integration associated with its engineering economic evaluation for the“production of biogasoline from syngas (StD + DtG)”, compared the energy savings, yearly cost of manufacture and fossil energy ratio (FER). The results showed that the minimum approach temperature (ΔTmin = 5oC) between the hot and cold composite streams saves most with 89% hot-utility energy saving and 32% cold-utility energy saving, and the FER increased from 1.8 (base-case design) to 5.1. However, as seen from the economic analysis, we found that the yearly cost of manufacture and cost of biogasoline per liter are lowest using ΔTmin = 10oC. Consequently, we chose ΔTmin = 10oC as our final design scheme. The yearly cost of manufacture for ΔTmin = 10oC drops from US$17.0×106/yr (base-case design) to US$14.4×106/yr, cost of biogasoline per liter drops from US$0.97/L (base-case design) to US$0.79/L , and the FER rises from 1.8 to 4.7.
Two kinds of software were utilized in the research, Aspen Plus and SuperTarget. The former was used to implement the process synthesis, design, and simulation; the latter was used to perform the pinch analysis and the synthesis of heat-exchanger network.
論文目次 目錄
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 論文緣起 1
1.2.1 生質物前處理 2
1.2.2 電漿氣化 5
1.2.3 硫化物氣體淨化技術 7
1.3 研究目的與方法 9
第二章 理論基礎 12
2.1 程序合成與設計 12
2.1.1 程序合成之經驗法則 12
2.2 Aspen Plus 模擬軟體簡介 17
2.2.1 Aspen Plus 固體處理 20
2.4 狹點原理 24
2.4.1 狹點技術 27
2.4.2 數據擷取 28
2.4.3 狹點分析 30
2.4.4 換熱器網路合成 33
2.5 換熱器網路設計範例 35
2.6 範例結果討論 43
第三章 生質物製造合成氣 44
3.1 前言 44
3.2 生質物製造合成氣之製程描述 45
3.3 生質物製造合成氣製程模擬與設計 46
3.3.1 生質物之設定 46
3.3.2 程序的核心-反應器 48
3.3.3 分離系統 52
3.3.4 合成氣優質化系統 54
第四章 合成氣製造二甲醚 62
4.1 前言 62
4.1.1 合成氣製造二甲醚之製程描述 63
4.2 合成氣製造二甲醚製程模擬與設計 65
4.2.1 三段壓縮系統 65
4.2.2 程序的核心-反應器 66
4.2.3 分離系統-氣液分離槽 80
4.2.4 分離系統-CO2之移除 82
4.2.5 分離系統-二甲醚之精餾 82
4.2.6 分離系統-甲醇之精餾 85
第五章 二甲醚轉製汽油 91
5.1 前言 91
5.2 二甲醚轉製汽油簡介 92
5.2.1 二甲醚轉製汽油製程特色 92
5.2.2 反應器之觸媒簡介 93
5.2.3 二甲醚轉製汽油之製程描述 94
5.2 二甲醚轉製汽油製程模擬與設計 96
5.2.1 程序的核心-反應器 96
5.2.2 分離系統-三相分離槽 98
5.2.3 分離系統-生質汽油塔 99
5.2.4 生質汽油之熱值 105
5.2.5 化石能源比 107
第六章 合成氣轉製汽油製程之熱能整合 112
6.1 合成氣轉製汽油之換熱器網路合成 112
6.1.1 狹點分析 112
6.1.2 換熱器網路合成 112
6.2 合成氣轉製汽油之能源比計算 149
第七章 合成氣轉製汽油製程之經濟評估 151
7.1 熱能整合前之經濟評估 151
7.1.1 固定設備成本 153
7.1.2 操作成本 159
7.1.3 公用設施成本 160
7.1.4 廢水處理 169
7.1.5 原料成本 169
7.1.6 製造成本 170
7.1.7 生質汽油每公升之製造成本 170
7.2 熱能整合後之經濟評估 171
7.2.1 熱能整合後固定設備成本 171
7.2.2 熱能整合後公用設施成本 175
7.2.3 熱能整合後年製造成本 183
7.2.4 熱能整合後生質汽油每公升之製造成本 185
7.3 最佳方案選擇與最後組態設計 186
第八章 結論與建議 189
8.1 結論 189
8.2 建議 191
參考文獻 192
附錄A 195
A.1 合成氣轉製汽油熱能整合前之設備尺寸大小計算 195
A.2 合成氣轉製汽油熱能整合後之熱交換器面積計算 231
附錄B 260
B.1 合成氣轉製汽油熱能整合前之設備清單 260
B.2 合成氣轉製汽油熱能整合後之換熱器設備清單 267
附錄C 275


圖目錄
圖1.1 生質物轉換汽油關鍵技術發展與整合之計畫架構示意圖 2
圖1.2 生質能量密度曲線圖 4
圖1.3 純氧生質物氣化熱平衡下之合成氣組成分布(O/C=1.0) 5
圖1.4 核研所先導型電漿氣化廠系統流程圖 6
圖1.5 生質汽油製程之整合方塊流程圖 11
圖2.1 程序設計之洋蔥模式圖 16
圖2.2 Aspen Plus 之熱力學模式選擇流程圖 19
圖2.3 複合曲線預測能源目標 25
圖2.4 換熱系統的熱源與熱沼特性 26
圖2.5 狹點分界 (零越過狹點熱流) 26
圖2.6 狹點分界 (越過狹點XP單位的熱流) 27
圖2.7 線性化分段示意圖 29
圖2.8 單成份系統之相變化圖 30
圖2.9 最佳操作點之示意圖 31
圖2.10 設計範例之網格圖 36
圖2.11 ΔTmin = 5°C冷、熱複合曲線 37
圖2.12 設計範例 (ΔTmin = 5°C) 之換熱器網路合成網格圖 39
圖2.13 ΔTmin = 5°C之換熱器網路組態圖 42
圖3.1 生質物製造合成氣之程序流程圖 45
圖3.2 PSD之模擬設定 47
圖3.3 “Sensitivity” 功能中 “Define” 之設定 48
圖3.4 “Sensitivity” 功能中“Vary” 之設定 49
圖3.5 “Sensitivity” 功能中“Tabulate” 之設定 49
圖3.6 “Sensitivity” 模擬之結果 50
圖3.7 電漿氣化 “RYield” 反應器之產率設定 50
圖3.8 由 “Sensitivity” 模擬氣化之成分分佈圖 51
圖3.9 生質物電漿氣化之Aspen Plus程序模擬圖 51
圖3.10 生質物固氣分離之Aspen Plus程序模擬圖 52
圖3.11 BtS程序 “Design Specs 1” 中 “Define” 之設定 55
圖3.12 BtS程序 “Design Specs 1” 中 “Spec” 之設定 55
圖3.13 BtS程序 “Design Specs 1” 中 “Vary” 之設定 55
圖3.14 BtS程序 “Design Specs 2” 中 “Define” 之設定 56
圖3.15 BtS程序 “Design Specs 2” 中 “Spec” 之設定 56
圖3.16 BtS程序 “Design Specs 2” 中 “Vary” 之設定 56
圖3.17 BtS程序 “Design Specs 1” 的模擬結果 57
圖3.18 BtS程序 “Design Specs 2” 的模擬結果 57
圖3.19 BtS製程之Aspen Plus程序模擬圖 58
圖4.1 二甲醚合成路徑示意圖 63
圖4.2 合成氣製造二甲醚之程序流程圖 64
圖4.3 三段壓縮系統之程序模擬圖 65
圖4.4 合成氣莫爾比H2:CO:CO2 = 2:1:0.25下產物DME在不同溫度壓力之組成 74
圖4.5 合成氣莫爾比H2:CO:CO2 = 2:1:0.25下產物DME在不同溫度壓力之組成等高線 74
圖4.6 合成氣莫爾比H2:CO:CO2 = 2:1:0.25下產物MeOH在不同溫度壓力之組成 75
圖4.7 合成氣莫爾比H2:CO:CO2 = 2:1:0.25下產物MeOH在不同溫度壓力之組成等高線 75
圖4.8 合成氣莫爾比H2:CO:CO2 = 2:1:0.25下產物H2O在不同溫度壓力之組成 76
圖4.9 合成氣莫爾比H2:CO:CO2 = 2:1:0.25下產物H2O在不同溫度壓力之組成等高線 76
圖4.10 三段壓縮與RGibbs反應器之Aspen Plus程序模擬圖 77
圖4.11 結合氣液分離槽之Aspen Plus程序模擬圖 80
圖4.12 T-102“Design Specs”中 “Specifications” 之設定 83
圖4.13 T-102“Design Specs”中 “Components” 之設定 83
圖4.14 T-102“Design Specs”中 “Feed/Product Streams” 之設定 83
圖4.15 T-102“Vary”中 “Specifications” 之設定 84
圖4.16 T-102“Vary”之模擬結果 84
圖4.17 T-103“Design Specs”中 “Specifications” 之設定 85
圖4.18 T-103“Design Specs”中 “Components” 之設定 85
圖4.19 T-103“Design Specs”中 “Feed/Product Streams” 之設定 86
圖4.20 T-103“Vary”中 “Specifications” 之設定 86
圖4.21 T-103“Vary”之模擬結果 86
圖4.22 合成氣製造二甲醚之Aspen Plus程序模擬圖 87
圖5.1 生質汽油製程之方塊流程圖 91
圖5.2 Mobil公司1972年合成的新型沸石結構圖 93
圖5.3 Patasil Chains連結而成的骨架結構 94
圖5.4 二甲醚轉製汽油之程序流程圖 95
圖5.5 “RYield” 汽油反應器之Aspen Plus程序模擬圖 97
圖5.6 三相分離槽之Aspen Plus程序模擬圖 98
圖5.7 T-201 99
圖5.8 T-201“Design Specs 1”中 “Components” 之設定 100
圖5.9 T-201“Design Specs 1”中 “Feed/Product Streams” 之設定 100
圖5.10 T-201 “Vary 1”中 “Specifications” 之設定 100
圖5.11 T-201“Vary 1”之模擬結果 101
圖5.12 T-201“Design Specs 2”中“Specifications” 之設定 101
圖5.13 T-201“Design Specs 2”中 “Components” 之設定 102
圖5.14 T-201“Design Specs 2”中 “Feed/Product Streams” 之設定 102
圖5.15 T-201“Vary 2”中 “Specifications” 之設定 102
圖5.16 T-201“Vary 2”之模擬結果 103
圖5.17 T-201“Design Specs 3”中“Specifications”之設定 103
圖5.18 T-201“Design Specs 3”中 “Components” 之設定 103
圖5.19 T-201“Design Specs 3”中 “Feed/Product Streams” 之設定 104
圖5.20 T-201“Vary 3”中 “Specifications” 之設定 104
圖5.21 T-201“Vary 3”之模擬結果 104
圖5.22 Aspen Plus中熱值之計算步驟 105
圖5.23 二甲醚轉製汽油之Aspen Plus程序模擬圖 108
圖6.1 合成氣轉製汽油之程序流程圖 113
圖6.2 加熱器E-101之T-Q圖 116
圖6.3 冷卻器E-102之T-Q圖 116
圖6.4 加熱器E-201之T-Q圖 117
圖6.5 冷卻器E-202之T-Q圖 117
圖6.6 T-101冷凝器之T-Q圖 118
圖6.7 T-101再沸器之T-Q圖 118
圖6.8 T-102冷凝器之T-Q圖 119
圖6.9 T-102再沸器之T-Q圖 119
圖6.10 T-103冷凝器之T-Q圖 120
圖6.11 T-103再沸器之T-Q圖 120
圖6.12 5oC時,StG製程之冷熱複合曲線圖 122
圖6.13 10oC時,StG製程之冷熱複合曲線圖 122
圖6.14 15oC時,StG製程之冷熱複合曲線圖 123
圖6.15 20oC時,StG製程之冷熱複合曲線圖 123
圖6.16 5oC時,StG換熱器網路合成之網格圖 124
圖6.17 10oC時,StG換熱器網路合成之網格圖 130
圖6.18 15oC時,StG換熱器網路合成之網格圖 136
圖6.19 20oC時,StG換熱器網路合成之網格圖 142
圖7.1 合成氣轉製汽油製程於 10oC之最後組態設計圖 188
圖A.1 冷卻器 (E-001) 之程序流程圖 195
圖A.2 冷卻器 (E-002) 之程序流程圖 196
圖A.3 冷卻器 (E-003) 之程序流程圖 197
圖A.4 冷卻器 (E-004) 之程序流程圖 198
圖A.5 冷卻器 (E-005) 之程序流程圖 199
圖A.6 冷卻器 (E-006) 之程序流程圖 200
圖A.7 冷卻器 (E-007) 之程序流程圖 201
圖A.8 加熱器 (E-101) 之程序流程圖 202
圖A.9 冷卻器 (E-102) 之程序流程圖 203
圖A.10 加熱器 (E-103) 之程序流程圖 204
圖A.11 加熱器 (E-103) 之程序流程圖 205
圖A.12 冷凝器 (T-101C) 之程序流程圖 206
圖A.13 再沸器 (T-101R) 之程序流程圖 207
圖A.14 冷凝器 (T-102C) 之程序流程圖 208
圖A.15 再沸器 (T-102R) 之程序流程圖 209
圖A.16 冷凝器 (T-103C) 之程序流程圖 210
圖A.17 再沸器 (T-103R) 之程序流程圖 211
圖A.18 加熱器 (E-201) 之程序流程圖 212
圖A.19 冷卻器 (E-202) 之程序流程圖 213
圖A.20 冷凝器 (T-201C) 之程序流程圖 214
圖A.21 熱交換器 (T-201R) 之程序流程圖 215
圖A.22 冷卻器 (E-203) 之程序流程圖 216
圖A.23 加熱器 (E-103) 之程序流程圖 217
圖A.24 驟沸槽 (V-101) 之程序流程圖 218
圖A.25 CO2移除塔回流槽 (V-102) 之程序流程圖 219
圖A.26 DME純化塔回流槽 (V-103) 之程序流程圖 220
圖A.27 MeOH分離塔回流槽 (V-104) 之程序流程圖 220
圖A.28 三相分離槽 (SP-201) 之程序流程圖 221
圖A.29 生質汽油塔回流槽 (SP-201) 之程序流程圖 222
圖A.30 二甲醚反應器 (R-101) 之程序流程圖 222
圖A.31 生質汽油反應器 (SP-201) 之程序流程圖 223
圖A.32 二甲醚反應器之泵浦 (P-101) 之程序流程圖 224
圖A.33 生質汽油反應器之泵浦 (P-201) 之程序流程圖 225
圖A.34 CO2移除塔之泵浦 (T-101P) 之程序流程圖 225
圖A.35 DME純化塔之泵浦 (T-102P) 之程序流程圖 226
圖A.36 MeOH分離塔之泵浦 (T-103P) 之程序流程圖 227
圖A.37 生質汽油塔之泵浦 (T-201P) 之程序流程圖 227
圖A.38 CO2移除塔 (T-101) 之程序流程圖 228
圖A.39 DME純化塔 (T-102) 之程序流程圖 229
圖A.40 MeOH分離塔 (T-103) 之程序流程圖 229
圖A.41 生質汽油塔 (T-201) 之程序流程圖 230



表目錄
表2.1 成份屬性型態分析表 21
表2.2 生質物性質模式表 22
表2.3 灰分性質模式表 22
表2.4 次物流組合之物流形式 23
表2.5 範例物流資料表 35
表2.6 換熱器網路配對資料表 40
表3.1 生質物木屑之成分分析表 46
表3.2 BtS製程之物流資料表 53
表3.3 BtS經優質化製程之物流資料表 59
表4.1 DME之化學反應計量 66
表4.2 標準狀態 (298 K、1.013 bar) 生成自由能與生成熱 68
表4.3 標準狀態下自由能、生成熱與反應常數 68
表4.4 不同化學反應在不同溫度下之lnKP2與KP2 69
表4.5 各成份反應改變量(合成氣莫爾比 ) 70
表4.6 一大氣壓下之不同溫度之莫爾數及生成率 72
表4.7 不同溫度下不同壓力對甲醇與DME之莫爾生成率 73
表4.8 三段壓縮與RGibbs反應器之物流資料表 78
表4.9 氣液分離槽之物流資料表 81
表4.10 StD製程之物流資料表 88
表5.1 汽油反應器之產率 97
表5.2 重要物流之熱值 106
表5.3 DtG製程之物流資料表 109
表6.1 StG製程中各設備所需消耗能源 114
表6.2 StG製程之冷熱物流資料表 121
表6.3 StG製程於 5oC之換熱器網路配對資料 127
表6.4 StG製程於 10oC之換熱器網路配對資料 133
表6.5 StG製程於 15oC之換熱器網路配對資料 139
表6.6 StG製程於 20oC之換熱器網路配對資料 145
表6.7 StG製程在不同 下冷熱公用設施節能比較表 148
表7.1 製造成本估算項目表 152
表7.2 熱交換器設備成本表 154
表7.3 壓縮機設備成本表 156
表7.4 塔設備成本表 156
表7.5 泵浦設備成本表 157
表7.6 壓力容器設備成本表 158
表7.7 操作人員需求估計表 159
表7.8 公用設施之單位成本 160
表7.9 需用冷卻水設備之能源消耗表 161
表7.10 需用低壓蒸汽設備之能源消耗表 162
表7.11 需用冷媒設備之能源消耗表 164
表7.12 電力設備使用量表 168
表7.13 公用設施成本及需求表 169
表7.14 5oC之配對換熱器成本 171
表7.15 10oC之配對換熱器成本 172
表7.16 15oC之配對換熱器成本 173
表7.17 20oC之配對換熱器成本 174
表7.18 5oC之冷熱公用設施成本 176
表7.19 10oC之冷熱公用設施成本 178
表7.20 15oC之冷熱公用設施成本 180
表7.21 20oC之冷熱公用設施成本 182
表7.22 StG製程不同最小趨近溫度之製造成本及化石能源比比較表 187
表8.1 StG製程不同最小趨近溫度之節能、製造成本及化石能源比比較表 190
表B.1 換熱器設備清單 260
表B.2 壓力容器與蒸餾塔設備清單 263
表B.3 壓縮機與泵浦設備清單 265
表B.4 oC換熱器設備清單 267
表B.5 oC換熱器設備清單 269
表B.6 oC換熱器設備清單 271
表B.7 oC換熱器設備清單 273
參考文獻 參考文獻
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