بررسی فرایند تولید اتانول

بررسی فرایند تولید اتانول

مقاله رشته شیمی و مهندسی شیمی

چکیده:
در این مقاله تلاش شده است ضمن آشنایی با الکل و انواع آن و تاریخچه، روش های تولید اتانول نیز بررسی شود. سپس به شرح و بررسی انواع روش تولید اتانول پرداخته ایم. در مرحله بعدی با معرفی نرم افزار هایسیس و شرح نحوه ی کار با این نرم افزار با طراحی پارامترهای واحد تولید اتانول و انجام محاسبات مربوط به موازنه های جرمی و انرژی، روش تولید اتانول را در این نرم افزار شبیه سازی نموده ایم.

مقدمه
اتانول به دو طریق مصنوعی (سنتزی) و تخمیر تولید می‌شود. در روش تولید سنتزی این ماده از مواد نفتی استحصال می‌گردد و در روش تخمیر از مواد غذایی و گیاهان حاوی قند استفاده می‌شود بیشترین اتانول تولیدی در جهان (حدود ۹۳ درصد) از روش تخمیر و فقط حدود ۷ درصد از روش مصنوعی تولید می‌گردد.لازم به ذکر است که از کل تولید الکل جهان به روش تخمیر، حدود ۶۵ درصد از طریق تخمیر از محصولات جانبی صنایع شکر و ۳۵ درصد دیگر از تخمیر سایر مواد قنددار مانند ذرت، گندم، خرما و غیره حاصل می‌گردد.
اتانول یا الکل اتیلیک یا فرمول شیمیاییCO2H5OH رامی توان هم به روش پتروشیمیایی(هیدراسیون یا به عبارتی احیای غیرمستقیم و یا احیای مستقیم گاز اتیلن) و هم به روش بیوتکنولوژی( زیست فناوری) از مواد اولیه گوناگون با منشاو طبیعی( زیستی) تولید کرد به اتانولی که به روش دوم( زیستی) و با بهره گیری از مواد اولیه با منشاء طبیعی، و نه از نفت و گاز(سوخت های فسیلی)، تولید شود” بیواتانول” می گویند.
وجه تمایز اصلی اتانول تولیدی به روش پترو شیمیایی( یا به اصطلاح ، اتانول سنتیتک) با بیواتانول این است که اولی سوختی است تجدید ناپذیر با منشاء فسیلی، اما دومی سوختی است تجدید پذیر با منشاء غیر فسیلی. این دو محصول به عنوان یک سوخت از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی و کاربردی تفاوتی با هم ندارند، اما کاربردهای دارویی، بهداشتی، آرایشی، خوراکی وصنعتیشان با هم متفاوت است.
با توجه به وجود منابع فسیلی غنی و همچنین فرآورده های بالادست صنعت نفت در کشور و پیشرفت در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی ؛ تولید اتانول با روش سنتزی روشی مناسب و پر بازده است .

فصل اول
الکل و انواع آن
۱-۱)الکل
ازنظر علم شیمی هرماده ای که در فرمول شیمیایی آن عامل هیدروکسیل (OH- ) وجود داشته باشد ،یک الکل محسوب می شود . الکل ازمشتقات هیدرو کربن هاست که درآن هر مولکول ، ترکیبی ازچند اتم هیدروژن وکربن می باشد .نهایت ،یک عامل (OH) جانشین یک اتم هیدروژن می گردد.
و دبنابر تعداد عامل (OH) ،الکل را یک یا چند ظرفیت می گویند.کلمه الکل ازلغت عربی ال –کهول مشتق شده است که این ماده (ال –کهول ) پودر نرم وخالص عنصر فلزی آنتیموان میباشد که از راه تقطیر فلز آنتیموان بدست می آید ودر آرایش چشم به کار می رود .

درابتدا ,الکل به هر پودر نرم وخالص اطلاق می شده است ,اما بعداًشیمی دانان قرون وسطی این اصطلاح رادرمورد مواد خالص تقطیر شده به کار بردند که این امر موجب هدایت صحیح روند استفاده ازاین اصطلاح شد.
اتانول دارای نقطه ذوب ۱/۱۱۴- سانتی گراد ، نقطه جوش ۵/۷۸ سانتی گراد و چگالی ۷۸۹/۰ گرم برمیلی لیتر (دردمای ۲۰سانتیی گراد ) می باشد .
پایین بودن نقطه انجماد اتانول باعث شده است که این مایع به عنوان یک ماده مفید وسودمند دردما سنج ها برای دماهای زیر ۴۰- سانتی گراد (دمای ۴۰- سانتی گراد نقطه انجماد جیوه می باشد )به کار رود ونیز کاربرد دیگر این مایع در رادیاتور اتومیبل درهوای سرد از اتانول استفاده می شود . اکنون نوشیدنی های الکلی و بیش از نیمی از الکل های صنعتی از طریق فرآیند تخمیر قندها ساخته می شود .
قندهای ساده ، مواد خام می باشند . زیمار ( یک آنزیم از مواد مخمر ) تبدیل کننده قندهای ساده به اتانول و دی اکید کربن است .
واکنش تخمیر که در معادله روبرو به صورت ساده C 6 H1206 2CH3CH2OH+2CO2 بیان شده است در واقع دارای پیچیدگی های زیادی می باشد که از جمله این پیچیدگی ها می توان به تولید و پرورش ناخالص مخمر و نیز مقادیر مختلف از مواد دیگر شامل گلیسیرین و اسیدهای آلی حاصل از این واکنش اشاره کرد.
درتولید نوشیدنی هایی از قبیل ویسکی و براندی ، ناخالصی های فوق الذکر باعث و سبب تهیه این مواد می شوند . دراصل چاشنی مواد نوشیدنی مذکور ، این ناخالصی ها می باشند . همچنین نشاسته های موجود درسیب زمینی ، ذرت ، گندم وسایر گیاهان می تواند در تولید اتانول از طریق فرآیند تخمیر ، استفاده شود . با این وجود ، نشاسته ها باید ابتدا به قندهای ساده تبدیل (شکسته )شوند .
دیاستار (مجموعه ای ازآنزیم ها ی تولید شده درحین جوانه زدن دانه ها ،که نشاسته رابه دکستروز تبدیل می کند .) آنزیمی است که حین جوانه زدن گیاه جو به وجود می آید و نشاسته را به قند های ساده تر تبدیل می کند . بنابر این عمل جوانه زدن جو که پدیده مالتی نامیده می شود ، اولین گام در درست کردن آبجو ازگیاهان نشاسته ای مانند ذرت وگندم می باشد . (مالت = جوانه خشک شده جو )
اتانول درچند سلسله تخمیر که در غلظتی تقریباًدرحدود ۱۴%صورت می گیرد ، به وجود می آید . اگر غلظت بالای ۱۴%باشد ، اتانول باعث تخریب آنزیم زیماز شده ودرنتیجه عمل تخمیر متوقف می شود . اتانول حاصل ازتقطیر از محلول های آبی به طور طبیعی غلیظ می باشد اما می بینیم که بخار حاصل ازمحلول آبی اتانول نیز دارای ۹۵% اتانول و ۴% آب می باشد ، بنابراین اتانول خالص را نمی توان از تقطیر بدست آورد .
اتانول تجاری دارای ۹۵% اتانول و ۵% آب می باشد که می توان با استفاده ازعوامل دهیدرات کننده ، این ۵% آب باقی مانده را هم از بین برد و یک اتانول کاملاً خالص بدست آورد .
برای نوشیدنی هایی که امروزه به طور مصنوعی ساخته می شوند ، اتانول زیادی ،درنظر گرفته نمی شود . همچنین برای ساختن استالدئین از استیلن و یا اتیلن از نفت خام نیز اتانول زیادی به کار نمی رود . اتانول ابتدا به استالدئید وسپس به اسید استیک ، اکسید می شود . این می تواند همچنین به شکل دیگری هم دهیدرات شود .
اتانول می تواند در سوخت خودروها (مواد سوختنی مصرفی در اتومبیل ها ) استفاده شود به نحوی که با ترکیب اتانول با بنزین می توان گازوئیل بدست آورد .

۱-۲)تاریخچه الکل در ایران
کشف الکل اولین بار در ایران و توسط دانشمند معروف ایرانی بنام ابوبکر محمدبن زکریای رازی در قرن دهم میلادی صورت گرفته است . این دانشمند از تقطیر شراب، الکل بدست آورد و لذا امروزه کشف الکل بنام این دانشمند معروف در جهان ثبت گردیده است .
اولین کارخانه الکل‌سازی در کشور کارخانه آرارات است . این کارخانه در سال ۱۳۵۴ در استان تهران تأسیس گردید . ظرفیت آن ۲٫۰۰۰٫۰۰۰ لیتر در سال بوده و نوع تولید آن الکل اتیلیک با درجه خلوصیت ۹۶ درصد می‌باشد . مواد اولیه مصرفی این کارخانه ملاس چغندر است .
در حال حاضر تعداد سی و دو کارخانه تولید الکل در کشور وجود دارد که چهار واحد از آنها تعطیل شده است . از نظر پراکنده‌گی جغرافیایی می‌توان گفت که این واحدها در سیزده استان کشور پراکنده می‌باشند
مجموع ظرفیت اسمی واحدهای فعال تولید الکل در کشور (بیست و هشت واحد فعال کشور) ۶۲۵۰۰ هزار لیتر در سال می‌باشد . لیکن میزان تقاضا کمتر از این مقدار بوده و بنوعی می‌توان گفت که بازار الکل در کشورمان کاملا در حالت اشباع قرار دارد.

۱-۳)واکنشهای شیمیایی
۱-۳-۱)پروتون‌زدایی
الکل ‌ها می‌توانند در حضور بازهای بسیار قوی به سان یک اسید عمل کنند و تشکیل یون الکوکسی دهند. برای نمونه در واکنش سدیم هیدروکسید و اتانول ، سدیم جانشین هیدروژنِ مثبت(پروتون) الکل شده و سدیم متوکسی به دست می‌دهد .

فهرست مطالب:
چکیده
بخش اول: الکل و انواع آن
۱-۱) الکل
۱-۲) تاریخچه الکل در ایران
۱-۳) واکنشهای شیمیایی
۱-۳-۱)پروتون‌زدایی
۱-۳-۲)  هیدروژن‌زدایی
۱-۳-۳) واکنش‌های هسته‌ دوستی
۱-۳-۶) احتراق
۱-۳-۷) هالوژن دار شدن
۱-۵) طبقه بندی الکل ها
۱-۵-۱) الکل متیلیک
۱-۵-۴) الکل اتیلیک(Ethylic Alcohol)
۱-۶) انواع الکل اتیلیک
۱-۶-۱)  الکل اتیلیک طبی
۱-۶-۲) الکل اتیلیک خالص یا مطلق
۱-۶-۳) الکل تقلیب شده
۱-۶-۴) الکل طبی ۸۰ یا ۷۰ درجه
۱-۷) ویژگی های اتانول
۱-۸) موارد مصرف
۱-۹) اتانول به عنوان سوخت
بخش دوم: روش های تولید اتانول
۲-۱) روش های تولید اتانول
۲-۲) ساختار شیمیایی بیوماس
۲-۲-۱) قندهای مونومری
۲-۲-۲) نشاسته
۲-۲-۳) سلولز
۲-۲-۴) همی سلولز
۲-۳) تولید الکل به روش تخمیر یا فرمانتاسیون
۲-۳-۱) آماده سازی مواد اولیه
۲-۳-۲) تخمیر
۲-۳-۳) تقطیر
۲-۳-۴) آبگیری
۲-۳-۵) تغلیظ
۲-۴) تولید الکل از ترکیبات قنددار
۲-۴-۱) فرایند آسیاب خشک
۲-۵) جداسازی اتانول از طریق تقطیر
۲-۶) تولید اتانول از نیشکر
۲-۷) تولید اتانول چغندر قند
۲-۸) تولید اتانول خرما
۲-۸-۱) روش تولید الکل از خرما
۲-۹) تولید الکل از ترکیبات نشاسته‌دار
۲-۹-۱) تولید اتانول سیب زمینی
۲-۹-۲) تولید اتانول گندم
۲-۹-۳) تولید اتانول ذرت
۲-۹-۳-۱) ذخیره سازی مواد اولیه و حمل(PFD-P110-A101)
۲-۹-۳-۲) اساس طراحی
۲-۱۰) تولید الکل از ترکیبات سلولزی
۲-۱۱) تولید اتانول باگاس
۲-۱۱-۱) مطالعات آزمایشگاهی
۲-۱۲) تولید الکل اتیلیک به روش سنتزی
۲-۱۲-۱) شرایط
۲-۱۲-۲) پالایش (تصفیه)
۲-۱۳) فرآیند هیدراتاسیون مستقیم از اتیلن برای تولید اتانول مصنوعی
۲-۱۳-۱) شرح مختصر فرایند
۲-۱۳-۲) اطلاعات تکمیلی درباره فرایند
۲-۱۳-۳) بخار آب خالص
۲-۱۳-۴) تبیین شرایط
۲-۱۳-۵) دما
۲-۱۳-۱۶)در نظر گرفتن Rate
۲-۱۳-۱۷)سازگاری
۲-۱۳-۱۸)فشار
۲-۱۳-۱۹)معایب فشار بالا
۲-۱۳-۲۰)کاتالیست
۲-۱۴) کاتالیزور
۲-۱۵) انواع کاتالیزور
۲-۱۵-۱)کاتالیزورهای جامد فلزی
۲-۱۵-۲) کاتالیزورهای اکسید فلزی
۲-۱۵-۳)  کاتالیزروهای اکسید فلزی- عایق
۲-۱۵-۴) کاتالیزورهای زیگلر- ناتا
۲-۱۶) کاربرد کاتالیزور
۲-۱۶-۱) صنعت اتومبیل
۲-۱۶-۲)  صنعت نفت و پالایش مواد نفتی
۲-۱۷) مکانیسم اسیدهای کاتالیستی برای هیدراتاسیون اتیلن
۲-۱۷-۱)مکانیسم عملکرد
۲-۱۸) اسید فسفریک
۲-۱۸-۱) روشهای تولید اسید فسفریک در صنعت
۲-۱۹) بهینه سازی انرژی بخش فرایند تولید اتانول سنتزی
۲-۱۹-۱) بیان مسئله و ضرورت انجام مقاله
۲-۱۹-۲) شرح روش ارائه شده و مزایای آن
۲-۲۰) مراحل تولید درکارخانه الکل خرمشهر
۲-۲۰-۱) دیگ های بخار و آب سرد
۲-۲۰-۲) خشک کنی
۲-۲۰-۳) آزمایشگاه
۲-۲۰-۴) افیس
۲-۲۰-۵) تعمیرات و نگهداری
بخش سوم: معرفی و آشنایی با نرم افزار هایسیس
۳-۱) مقدمه
۳-۲) شبیه سازی فرایند
۳-۳) معرفی نرم افزار هایسیس
۳-۴) توانایی های نرم افزار هایسیس
۳-۵) روش حل معادلات در هایسیس
۳-۶) محیط های اصلی هایسیس
۳-۶-۱) محیط اولیه
۳-۶-۲) محیط  اجزای برش های نفتی
۳-۶-۳) محیط Main Flow Sheet
۳-۶-۴) محیط Sub Flow Sheet
۳-۷) مدل سازی فرآیند
بخش چهارم: طراحی پارامترهای واحد تولید اتانول توسط نرم افزار هایسیس
۴-۱) شبیه سازی کمپرسور ۱۰۰ و۱۰۱
۴-۱-۱) کمپرسور ۱۰۰: k-100
۴-۱-۲) کمپرسور ۱۰۱
۴-۲)  شبیه سازی تجهیزات انتقال حرارت
۴-۲-۱) هیترها و کولر ها
۴-۲-۲) مبدل حرارتی پوسته ولوله
۴-۲-۳) قسمت sizing
۴-۳) طراحی راکتور واحد
۴-۳-۱)واکنش های شیمیایی
۴-۳-۲) واکنش های تعادلی
۴-۳-۳) شبیه سازی راکتور تعادلی
۴-۳-۴) روش حل معادله واکنش
۴-۳-۵) انواع راکتور ها
۴-۴) شبیه سازی برج تقطیر
۴-۴-۱) برج های تقطیر Short Cut
۴-۴-۲) تقطیر آزئو تروپیک
۴-۴-۳) شبیه سازی برج تقطیر توسط هایسیس
بخش پنجم: محاسبات مربوط به موازنه های جرمی و انرژی
۵-۱) طراحی وداده های مربوط به شبیه سازی واحد:
۵-۲) خوراک ورودی اتیلن :
۵-۳) جریان خروجی از کمپرسور
۵-۴) جریان بخار آب ورودی
۵-۵) جریان بخار خروجی از جداکننده
۵-۷) جریان ورودی به مبدل پوسته ولوله
۵-۷-۱) مشخصات مبدل
۵-۸) جریان ورودی سمت لوله (جریان بخار خروجی از راکتور)
۵-۹) جریان ورودی به کوره
۵-۱۰) جریان ورود به راکتور
۵-۱۱) جریان ورودی به شیر
۵-۱۲) جریان گاز خروجی از راکتور
۵-۱۳) جریان ورودی به کولر
۵-۱۴) جریان دوفازی وارد به جداکننده
۵-۱۵) جریان بخار خروجی از جداکننده حاوی اتیلن واکنش نداده
۵-۱۶) جریان ورودی به کمپرسور دوم (جریان برگشتی به راکتور)
۵-۱۷) جریان گاز خروجی از کمپرسور دوم
۵-۱۸) جریان ورودی به برج تقطیر
۵-۱۸-۲) جریان خروجی از پایین برج
۵-۱۸-۴) جریان خروجی از بالای برج
۵-۱۸-۶) کندانسور
۵-۱۸-۷) جریان ورودی به کندانسور
۵-۱۸-۸) جریان خروجی از کندانسور
۵-۱۸-۱۰) بار حرارتی ریبویلر
۵-۱۸-۱۱) جریان ورودی به ریبویلر
۵-۱۸-۱۲) جریان خروجی از ریبویلر
منابع و ماخذ
ضمائم

راهنمای استفاده:
مناسب جهت استفاده دانشجویان رشته شیمی و مهندسی شیمی
در قالب فایل word و قابل ویرایش
دارای فهرست مطالب، چکیده، منابع و ماخذ، ضمائم