Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

КАФЕДРА БІОТЕХНОЛОГІЇ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни " Проектування біотехнологічних виробництв "

на тему: "Проектування виробництва біоетанолу"

Виконала: студентка ННІЕБ

403 групи, Босікова Є.М.

Перевірив: старший викладач

кафедри біотехнології Горупа В.В.

Київ 2017



Реферат

Пояснювальна записка до курсового проекту

" Проектування періодичного виробництва біоетанолу": 35 с.; 7 рисунків; 11 літературних джерел.

Об'єкт дослідження - біоетанол.

Предмет дослідження - вивчення опису конструкції та класифікації теплообмінних апаратів.

Мета роботи - спроектувати генеральний план та технологію періодичного виробництва біоетанолу, а також зробити розрахунок і вибір основного та допоміжного технологічного обладнання.

Методи досліджень: пошук інформації, аналіз, систематичний підхід до роботи.

Результатом роботи є узагальнення новітніх літературних даних щодо загальної характеристики теплообмінних апаратів,. Проведено аналіз існуючих класифікацій теплообмінних апаратів: кожухотрубних, спіральних, змійовикових та графітових. Теплообмін в умовах промислового виробництва має настільки різноманітні форми, що говорити про деякий стандартний тип конструкції теплообмінного апарата не видається можливим. Саме різноманітність практичних задач викликає необхідність значної гами конструкцій типорозмірів теплообмінників.

Дана робота може бути використана з метою пошуку і підбору оптимальних засобів дослідження характеристики та класифікації теплообмінних апаратів.



Зміст

• Вступ
• 1. Теоретична частин
• 1.1 Класифікація біопалива
• 1.2 Перспективи використання біопалива
• 1.3 Технологія виробництва біоетанолу
• 2. Розрахунок та підбір технологічного обладнання
• Висновок
• Список використаної літератури

Вступ

біопаливо технологія біоетанол обладнання

В теперішній час у світі енергетичний баланс формується переважно на основі трьох невідновлюваних вуглеводневих джерел енергії - природного газу, нафти та вугілля.

Необхідність розв'язання глобальних проблем, пов'язаних з обмеженістю копалин запасів палива та забезпеченням екологічної безпеки, зумовила інтенсивний ріст використання відновлюваної енергетики, зокрема біоенергетики.

Зараз у світі відомо багато видів поновлюваних джерел енергії, таких як:

- біоконверсія, в ході якої рослини і мікроорганізми, наприклад морські водорості або анаеробні бактерії, конвертують сонячну енергію, утворюючи газ, який може використовуватися як паливо з дуже незначним негативним впливом на навколишнє середовище;

- власне біомаса, отримана з органічного речовини: відходів деревообробних виробництв, вторинних ресурсів АПК та інших органічних матеріалів, у випадку їх відповідної переробки також є важливим енергетичним джерелом. В якості біомаси можуть використовуватися стічні води, морські водорості, побутові та промислові відходи і т. п., енергія від яких може бути отримана хімічною переробкою. Тому біомаса часто згадується як поновлюване джерело енергії.

- сонячна енергія, отримана безпосередньо як енергія з високою температурою, не має негативного екологічного впливу. Застосування сонячних батарей є технологією, в якій енергія сонця перетвориться в електрику.

- геотермальна енергія є природно тепловою енергією глибоких шарів земної кори, що походять від природних пари, гарячої лави і природної радіоактивності гірських порід в корі Землі.

- енергія вітру використовується при перетворенні швидкості вітру в корисні форми енергії. Ця стара технологія використовувалася в вітряних млинах, а також для приведення в рух машин, виконання важкої фізичної роботи. Енергія вітру відноситься до поновлюваних джерел, вона екологічно чиста, не забруднює атмосфери, не створює парникового ефекту. Ця енергія може використовуватися як альтернативне джерело отримання електрики.

- газифікація вугілля є процесом перетворення вугілля в синтетичні газові або рідкі палива, які є більш екологічно прийнятними.

Один з відновлюваних джерел енергії - біологічні паливо - біоетанол, біогаз та біодизель. Біологічне паливо вважають нейтральним щодо емісії в атмосферу оксиду вуглецю. Діоксид вуглецю, що отримується при спалюванні біопалива, абсорбують самі рослини, які вирощують, щоб зробити біопалива.

Біоетанол - це етанол, отриманий під час бродіння цукру в матеріалах біомаси, таких як зерно кукурудзи та інші сільськогосподарські відходи. Його використовують у чистому вигляді, але частіше як добавку до бензину в двигунах внутрішнього згоряння.

Біогаз виробляють бактерії при анаеробному розкладанні органічної речовини в стічних водах і побутових відходу. Біогаз складається з комбінації метану і діоксиду вуглецю. Його використовують при отриманні гарячої води і електрики.

Біодизель - це розчинними мікроорганізмами паливо для транспортних засобів, отримане шляхом переетерифікації олій або жирів. Біодизель може бути використаний у чистому вигляді або як компонент дизельного палива в дизельних двигунах.



1. Теоретична частина

1.1 Класифікація біопалива

Біопаливо - це тверде, рідке або газоподібне паливо, що отримується з біомаси термохімічним або біологічним способом.

Це визначення лягає в основу найпоширенішою та найпростішою, для розуміння, класифікації біопаливних продуктів, а саме - поділу їх за агрегатним станом. Однак, це не єдина і не претендує на максимальну повноту опису властивостей і застосування різних видів біопалива, класифікація. Фахівці біопаливної галузі частіше оперують класифікаціями біопалива за поколінням або за способом їх виробництва.

Розглянемо більш детально кожну із згаданих вище класифікацій.

Класифікація видів біопалива за агрегатним станом.

Тверде біопаливо.

Найпоширеніший представник виду - дрова. Опустивши історію виникнення і еволюцію процесу спалювання деревини, відзначимо, що в даний час для виробництва дров або біомаси використовуються так звані енергетичні лісу. У їх складі включають швидкорослі породи деревини, чагарників і трав (верба, тополя, евкаліпт, акація, цукровий очерет, кукурудза та ін). Посадку проводять квадратно-гніздовим способом або в шаховому порядку. В міжряддях з дерев часто висаджують сільськогосподарські культури (так звані комбіновані посадки). Період ротації енергетичного лісу (від зрізання до зрізання) становить 4-6 років. Екологічні переваги енергетичної біомаси:

· попередження ерозії ґрунту;

· при спалюванні біомаси, в атмосферу виділяється тільки CO₂, поглинений при її зростанні.

Яскравим прикладом використання біомаси є електростанція, розташована в Зіммерінзі (Австрія). Її потужність - 66 МВт. Щорічне споживання біомаси - 190 тисяч тонн.

Іншим, поки трохи менше поширеним видом твердого біопалива, є деревні паливні гранули (ДГТ). Це паливний продукт, отриманий пресуванням деревних відходів (тирси, тріски, кора, некондиційної деревини та ін), соломи, відходів сільського господарства (гною, курячого посліду, лушпиння соняшника, горіхової шкаралупи,) та іншої біомаси.

ДГТ - екологічно чисте біопаливо, зольність якого не перевищує 3 %.

Спрощено, процес виробництва ДГТ (або, як їх ще називають, пелет) виглядає наступним чином. Біосировину надходить у дробарку, де подрібнюється до консистенції борошна. Дана борошно передається в сушарку, а вже з неї - у спеціальний прес-гранулятор. Стиснення під час пресування підвищує температуру борошна, при цьому лігнін, що міститься в деревині, стає клейким, що дозволяє отримувати на виході щільні циліндрики. Готові гранули охолоджують, пакують у стандартну упаковку або доставляють споживачеві розсипом. Найбільш поширене застосування пелет - опалення об'єктів індивідуального будівництва (приватні будинки, котеджі), а також невеликих виробничих приміщень. Найбільш динамічно розвивається ринок споживання пелет - країни Європейського Співтовариства. За різними оцінками, в деяких країнах Європи до 2/3 житлових приміщень опалюються за допомогою пелет. Також необхідно відзначити, що в США і європейських країнах діє ряд стандартів на паливні гранули. Ознайомитися з ними Ви можете в нашому розділі «Бібліотека».

Також, серед видів твердого біопалива необхідно згадати паливні брикети (висушені і брикетировані енергоносії біологічного походження, наприклад, гній) і біологічні відходи з мінімальним ступенем підготовки до спалювання (тирса, тріска, кора, лушпиння, солома, лушпиння й т. д.). В Європі паливні брикети, поряд з пелетами, використовують для опалення житлових і виробничих приміщень, а тріску в основному спалюють на великих теплоелектростанціях потужністю до декількох десятків мегават.

Рідке біопаливо.

Вельми і вельми перспективний клас біопалива, основне застосування якого - двигуни. Його отримують з найрізноманітніших рослин - від пшениці і цукрових буряків, до ріпаку та відходів деревообробки.

Рідке, або як його ще називають, біопаливо моторне - речовина, що отримується в процесі переробки рослинної сировини (кукурудзи, ріпаку, цукрових буряків, цукрової тростини), засобами технологій, в основі яких лежить використання природних біологічних процесів (наприклад, бродіння).

Біоетанол.

Велика частка світового виробництва рідкого (моторного) біопалива припадає на біоетанол (етанол, одержуваний з цукрової тростини, зерна та цукрових буряків, а також метилового ефіру ріпакової з насіння ріпаку). Причина популярності біоетанолу криється в економічній ефективності його виробництва, т. к. при врожайності насіння ріпаку 2-4 т/га з 1 гектара можна отримати 1-1,5 тонни біоетанолу та 2-2,5 тонни високоякісних рослинних кормів. Характеристики моторного палива, що отримується з рослин, близькі до показників дизельного палива. При цьому шкідливі викиди при використанні біодизельного палива істотно менше.

Виробництво біоетанолу у всьому світі становить близько 40 млрд літрів (на 2006). Найактивніший «гравець» на ринку виробництва біоетанолу - Бразилія (48,5% загального обсягу). Етанол в Бразилії виробляється з цукрової тростини. У грудні 2007 року MnCAR (Центр Автомобільних Досліджень Міннесоти) опублікував результати своїх досліджень по темі енергоефективності застосування біоетанолу в автомобільному транспорті. Найбільший інтерес дослідження представляє результат експлуатації звичайних автомобілів. Дослідженню піддалися суміші від 2 % до 85% вмісту етанолу в бензині. Для звичайних автомобілів з ДВС самою оптимальною виявилася суміш Е30 (30% етанолу і 70% бензину). На цій суміші споживання палива знизилася на 1% (трохи, але набагато важливіше екологічні показники) порівняно з бензином (октанове число-95). Однією з найважливіших характеристик біоетанолу є паливний баланс (співвідношення енергії виділяється паливом до енергетичним витратам на його виробництво). В даний час, найкращий результат становить 1,24 (енергія, отримана з етанолу, на 24% перевищує енергію, витрачену на його виробництво). Але це не рекорд. так, наприклад, у Бразилії, багато цукрового очерету знайшла застосування в якості палива для електростанцій. В цих умовах паливний баланс етанолу, досягає коефіцієнта 8 - дуже хороший результат! Паливний баланс бензину відчутно гірше - для його виробництва потрібна велика кількість енергії (розвідка нафти, її видобуток і транспортування, переробка та доставка). Екологічний ефект використання біоетанолу в якості палива - зниження викидів діоксиду вуглецю (т. зв. парниковий газ). Зрозуміло, скорочення його викиду залежить від багатьох факторів використовується рослинна сировина, кліматична зона, накладні витрати на вирощування, транспортування і переробку. Зниження викидів CO₂ при виробництві етанолу із зерна станом на 2008 р. в США становило в середньому 21%. Однак, при модернізації спиртового виробництва, що полягає в переведенні його на природний газ, можливе зниження викидів вуглекислого газу на 29-35%.

Біометанол - метанол, одержуваний за допомогою біологічного перетворення морського фітопланктону. Виробництво цього виду біопалива почало зароджуватися в кінці 70-х, початку 80-х років, коли кілька європейських країн об'єднали свої зусилля з розробки проекту промислового культивування та переробки біомаси фітопланктону. Проектом передбачалося створення промислових зон в тих, що стояли порожніми, на той момент, прибережних районах. Однак, розвитку той проект не отримав, чому великою мірою сприяло суттєве зниження світових цін на нафту. Пройшли десятиліття і фахівці і компанії, зайняті в біопаливної галузі, знову повернулися до питань культивування фітопланктону і виробництва метанолу. Зараз цей напрям виробництва біопалива вважається одним з найперспективніших, оскільки відрізняється від інших більш високої виробленням біомаси (до 110 т/га фітопланктону в рік), відсутністю серйозних вимог до виробничої майданчику (не потрібні родючі ґрунти і прісна вода, т. е. процес не створює конкуренції сільському господарству) і високим рівнем енерговіддачі (11-14 на стадії отримання метану і до 9 на стадії вироблення метанолу).

Також у світовій практиці газопостачання накопичено достатній досвід використання інших джерел сировини для одержання біогазу. Так наприклад:

- газ метантенків, який одержують на міських каналізаційних очисних спорудах (БГ КОС);

- біогаз, який одержують в біогазових установках (БГУ) при зброджуванні відходів сільськогосподарських виробництв (БГ СГП);

- газ звалищ, одержуваний на полігонах відходів, що містять органічні компоненти (БГ ТПВ).

Метатенкові і сільськогосподарські біогазові установки не мають принципових відмінностей, за винятком використовуваного субстрату. Під час зброджування в гної розвивається мікрофлора, яка послідовно руйнує органічні речовини до кислот, а останні під дією сінтрофних і метаноутворюючих бактерій перетворюються в газоподібні продукти - метан і вуглекислоту.

У метантенках забезпечуються всі необхідні параметри процесу-температура(33-37є С), концентрація органічних речовин, кислотність (6,8-7,4) і ін. Ріст клітин метанового біоценозу також визначається співвідношенням C:N, і оптимальне його значення складає 30:1. Деякі речовини, що містяться у вихідному субстраті, можуть інгібувати метанове зброджування. Наприклад, курячий послід часто інгібує метанове зброджування надлишком NH₃.

Біогаз, одержуваний на полігонах ТПВ. Процес некерованого газоутворення на полігонах побутових та інших відходів, що містять велику частку органічних компонентів, можна розглядати як процес отримання метанвмісного газу в акумулятивної системі, тривалість процесу до повного розкладання органічної частини тут набагато більше, ніж у метатенках.

У вітчизняній практиці системи утилізації біогазу на полігонах ТПВ поки не отримали широкого розповсюдження, тому при подальшому розгляді конструктивних особливостей систем збору і транспорту біогазу буде враховуватися зарубіжний досвід.

Біодизель - вид біопалива, для виробництва якого використовуються жири рослинного, мікробного і тваринного походження (а також одержуваних з них ефірів). Сировиною для виробництва біодизелю може виступати пальмова, рапсова, соєва та інші олії, відходи харчової промисловості, а також морські водорості. Біодизель знаходить застосування в автомобільних двигунах, причому використовувати його можна як в чистому вигляді, так і у вигляді сумішей з традиційним дизельним паливом. Зазвичай такі суміші маркують, вказуючи процентний вміст біодизеля, так в США для позначення сумішей дизельного палива з біодизелем використовується літера B, після якої потрібно число, що означає процентне входження біодизеля (В2 - 2%, В100 - 100 %). Застосування таких сумішей не потребує внесення конструктивних змін в двигуни.

Екологічний ефект від використання біодизелю доведено досить давно і не піддається сумніву:

· попадання біодизеля у воду не заподіює шкоди тваринному і рослинному світу;

· в ґрунті і воді біодизель

Екологічний ефект від використання біодизелю доведено досить давно і не піддається сумніву:

· попадання біодизеля у воду не заподіює шкоди тваринному і рослинному світу;

· в ґрунті і воді біодизель практично повністю розпадається за 25-30 днів;

· при згорянні біодизеля виділяється точно такий же обсяг вуглекислого газу, який був спожитий рослинами, які є сировиною для його виробництва, за весь період життя;

· на відміну від класичного дизельного палива, біодизель майже не містить сірки.

З практико-технічних переваг біодизеля можна виділити наступні:

· отриманий в ході виробництва біодизеля макуху можна використовувати як корми для худоби, що дозволяє найбільш повно використовувати сировинну біомасу;

· виробництво біодизеля сприяє введення в обіг низькоякісних невикористовуваних сільськогосподарських земель;

· біодизель має виняткові мастильними характеристиками, незважаючи на значно менший вміст сірки, у той час як звичайне мінеральне дизельне паливо при виключенні зі складу сірчистих сполук втрачає мастильні здібності.

Це перевага біодизеля визначається його особливим хімічним складом і, зокрема, вмістом у ньому кисню. Результати різних незалежних досліджень впливу біологічного дизельного палива на двигуни показують, що при використанні біодизеля на серійних, не модернізованих двигунах, термін служби двигуна і паливного насоса збільшується в середньому не менш ніж на 50%.

Високі показники значення техніко-економічних показників біодизеля і його незаперечні екологічні переваги обумовлюють постійне зростання в різних країнах числа державних програм, спрямованих на збільшення обсягів виробництва і споживання біодизеля. Зрозуміло, виробництво і використання біодизелю має певну специфіку і недоліки.. Однак, загальносвітове виробництво біодизеля в останні роки тільки збільшується, що характеризує даний вид біопалива як один з найбільш затребуваних і перспективних

Газоподібне біопаливо

Газоподібне біопаливо (біогаз, біоводень) - продукт, одержуваний в результаті бродіння біомаси або використання інших термо - і біохімічних процесів, спрямованих на її переробку. Найбільш поширені вид газоподібного біопалива - біогаз, одним з різновидів якого є біоводень.

Біогаз - газ, що отримується в ході бродіння біомаси (відходів) за допомогою впливу різних видів бактерій. Сучасна технологія виробництва біогазу послідовно використовуються три види бактерій, кожен з яких харчується продуктами життєдіяльності попереднього гідролізні бактерії; кислотоутворюючі бактерії; метаноутворюючі бактерії.

Перелік сировини, придатного для отримання біогазу, досить широкий. В основному, це органічні відходи, такі як фекальні опади, гній, пташиний послід, пивна дробина, буряковий жом, трава, побутові відходи, а також відходи рибних та забійних виробництв (кров, кишки) і т. д. Крім того, біогаз можна виробляти з енергетичних культур - силосної, а також водоростей. Вихід газу може досягати до 350 м³ з 1 тонни відходів і залежить від, власне, виду сировини і застосовуваних технологій (з тонни гною великої рогатої худоби отримують до 70 м³ біогазу, до 400 м³ біогазу можна отримати з різних видів рослин, до 1400 м³ метану отримують з жиру - це своєрідний «біогазовий рекорд»).

Екологічний ефект від використання біогазу - незаперечний. Його виробництво запобігає викиди в атмосферу метану, що провокує розвиток парникового ефекту. Крім того, перероблений гній, барда та інші рослинні і органічні відходи знаходять застосування в сільському господарстві як добрив. Це знижує потребу в хімічних добривах, що зменшує забруднення ґрунтових вод. Практичне застосування біогазу можливо у всіх сферах, де використовується звичайний природний газ. Після збагачення (очищення) біогазу до стану біометану (повний аналог природного газу з концентрацією метану до 99%) газ може використовуватися як моторне паливо, подаватися в загальну систему газопостачання в трубопроводи середнього або низького тиску, використовуватися на технологічні потреби в якості повної заміни природного газу.

Класифікація видів біопалива за поколінням

Як вже говорилося вище, при класифікацію видів біопалива за поколінням і технологій виробництва, різні фахівці та інформаційні структури багато в чому оперують одними і тими ж вхідними даними, тому найбільш правильний підхід є об'єднання цих двох класифікацій.

Біопаливо першого покоління виробляється з будь-якого сільськогосподарського сировини допомогою застосування традиційних технологій (близькі до природних, біологічні та термохімічні процеси, такі як бродіння). Зараз, питання подальшого нарощування оборотів виробництва біопалива першого покоління викликає у всьому світі запеклі дискусії. До цього виду палива належать біоетанол (виробляється з цукрової тростини, кукурудзи, пшениці і т. д.) і біодизель (отримується з олійних культур - сої, ріпаку, пальми, соняшнику).

Очевидно, що для їх виробництва потрібно використання якісних орних земель, різноманітна важка сільськогосподарська техніка, а також добрива і пестициди. Ці факти роблять виробництво біопалива прямим конкурентом харчового сектора економіки країни-виробника. З урахуванням досягнення у 2010-2012 роках цінами на продовольство свого історичного максимуму, багато експертів вважають необхідним знижувати обсяги виробництва біопалива першого покоління. Але з іншої точки зору, зв'язок між зростанням цін на продовольство і виробництвом біопалива тут вельми сумнівний. Восени 2008 року, коли спостерігалося зниження цін на продовольство віце-президент Російської біопаливної асоціації Олексій Аблаєв в одній з своїх публікацій дав, на наш погляд, дуже вірну оцінку впливу виробництва біопалива на вартість продовольства: «Ціни на продовольство зараз різко падають разом з цінами на нафту. Причому виробництво біопалива в США і Європі аж ніяк не зменшилася, а збільшилася. Вина виробництва біопалива в зростанні цін - це великий міф, штучно підтримуваний нафтовою галуззю. На вартість продовольства впливають рівень цін на нафту, збільшується споживання з боку Індії і Китаю. А біопаливо - це третій, четвертий фактор, але ніяк не перший».

Біопалива другого покоління виготовляються з харчового сировини (відпрацьовані жири і рослинні масла, біомаса дерев і рослин). Технологічно виробництво біопалива другого покоління являє собою процес отримання палива допомогою переробки целюлози і лігніну, що містяться в деревної або волокнистої біомасі. Перевага такого біопалива другого покоління полягає в тому, що сировину, необхідну для виробництва (рослини) може вирощуватися на менш упорядкованих, порівняно з біопаливом першого покоління, землях. Для їх виробництва потрібно мінімум техніки, добрив і пестицидів. Основний недолік виробництва криється у властивостях самої сировини - лігноцеллюлоза деревини - складний полімерний вуглевод, що вимагає більшого числа хімічних перетворень і, відповідно, енергії для отримання з нього рідких палив. Умовна ефективність виробництва енергії з біомаси біопалив першого і другого поколінь однакова і становить приблизно 50%. З лігноцеллюлози рослин отримують два основних види палива: біоетанол і біонафта.

Біопалива третього покоління виробляється з водоростей. Перспективність цього напряму розвитку біопаливної галузі пов'язана зі специфікою складу водоростей. За характеристиками, які можуть зацікавити фахівців біопаливної галузі, вони значно переважають рослини, середовищем існування яких є суша. Якщо говорити спрощено - водорості «жирніше», так, наприклад, в штамі водоростей вміст жирів становить від 75 до 85% сухої ваги. При використанні жиру для виробництва біопалива - «чим більше жиру, тим більше вихід енергії». Додатковою перевагою водоростей є те, що з однієї технологічної площадки можна збирати до 35 врожаїв у рік. Також, досить цікавим моментом є той факт, що якщо розміщувати майданчики для культивування «біопаливних водоростей» нижче скиду тепла ТЕЦ, можна «покрити» до 77% потреб у теплі, необхідному для вирощування водоростей.



1.2 Перспективи використання біопалива

У 1903 році Генрі Форд сконструював автомобіль ModelT, що працював виключно на рослинному спирті, отриманому шляхом конверсії насіння конопель. Форд вважав, що “Етиловий спирт - паливо майбутнього”. Однак на той час значної популярності вже здобули нафтові палива, які були значно дешевшими, і про використання біопалив “забули” до часів ІІ Світової Війни (під час війни у Німеччині виробляли спиртове паливо з картоплі, після війни інтерес до розвитку біопаливної галузі знову зменшився).

Проте постійна нестача палив, виникнення проблем, пов'язаних з енергетичною залежністю, усвідомлення можливості швидкого вичерпання традиційних видів палив, змусила науковців та Уряди багатьох країн активізувати дослідження у сфері виробництва та використання біопалив.

У 2005 році Конгрес США видав Закон “Про Енергетичну політику” (EnergyPolicyAct 2005), який вимагав використання 4 млрд. галонів біопалива, починаючи з 2006 року. До 2012 року обсяг біопалива у складі звичайного палива згідно із Законом, мав зрости до 7,5 млрд. гал.

У 2005 році США стали найбільшим виробником біоетанолу у світі. Частка біоетанолу на ринку бензину в США зросла за обсягом з 1 % у 2000 році до більше ніж 3 % у 2006 році та до 10 % у 2011 році. Внутрішні виробничі потужності з 2000 року до 2012 збільшилися більше ніж у дев'ять разів, з 1,63 млрд. гал до 14,9 млрд. гал.

Що стосується Бразилії, у 1975 році указом Президента було прийнято Програму виробництва етанолу (Programa Nacional do Бlcool). Ця Програма зобов'язувала виробити 3,5 млрд. л біоетанолу з цукрової тростини до 1980 року. З 1976 року уряд Бразилії зобов'язав додавати біоетанол до бензину у межах від 10 до 22 %. У 1993 році обов'язковий вміст біоетанолу становив 22 %. У 2003 році було встановлено мінімальний та максимальний вміст: 20 % та 25 % відповідно. Загалом виробництво біоетанолу у Бразилії з 1975 року зросло у 49 разів. Бразилія є другим за величиною світовим виробником біоетанолу та найбільшим експортером цього палива у світі.

Світове виробництво паливного етанолу збільшилось втричі протягом 2000-2007 років з 17107 млн. л до 49550 млн. л. З 2000 року виробництво біоетанолу мало чітку тенденцію до збільшення, і лише у 2011 році зафіксовано слабке зниження обсягів виробництва. З 2007 по 2012 виробництво біоетанолу зросло ще на 71 % і становило 85088 млн. л.

У 2011 році США та Бразилія виробили 87,1% сукупного виробництва біоетанолу, яке склало 22,36 млн. гал. Причому США вдалося досягти абсолютного лідерства, виробивши 13,9 млн. гал. У Бразилії виробництво біоетанолу того ж року становило 5,6 млн. гал.

Згідно прогнозу Міжнародного Енергетичного Агентства прогнозований обсяг виробництва біоетанолу у світі у 2020 р. за оптимістичним прогнозом буде складати 281,5 млрд. л, за песимістичним - 187,5 млрд. літрів.

Етанол є менш «енергомісним» джерелом енергії чим бензин; пробіг машин що працюють на Е85 (суміш 85% етанолу та 15% бензину; буква «Е» від англійського Ethanol) на одиницю об'єму палива складає приблизно 75% від пробігу стандартних машин. Звичайні автомобільні ДВС не можуть працювати на Е85, хоча прекрасно працюють на Е10 (деякі стверджують що можна використовувати навіть Е15 і успішно використовується Е40). На «справжньому» етанолі можуть працювати тільки так звані машини «Flex-Fuel» (автомобіль з багатопаливним двигуном). Ці автомобілі також можуть працювати на звичайному бензині (невелика добавка етанолу все ж потрібно) або на довільній суміші того й іншого. Бразилія є лідером у виробництві та використанні біоетанолу з цукрового очерету в якості палива. Автозаправки в Бразилії пропонують на вибір або Е20 (іноді Е25) під виглядом звичайного бензину, або «acool» Е100, азеотроп етанолу (96% С₂Н₅ОН і 4% (по вазі) води). Користуючись тим, що етанол дешевший за бензин, недобросовісні заправники розбавляють Е20 азеотроп, так що його концентрація може негласно доходити до 40%. Переробити звичайну машину в «Flex-fuel» можна, але економічно недоцільно.

Використання біоетанолу в якості палива дозволяє знизити викиди діоксиду вуглецю, який є парниковим газом. Скорочення викидів діоксиду вуглецю при використанні біоетанолу залежить від використовуваного рослинної сировини, кліматичної зони і накладних витрат на його вирощування, транспорт та переробку, оскільки в цих процесах використовується викопне паливо (агротехнічні роботи, сушка зерна при закладці на зберігання, виробництво добрив для відновлення родючості грунтів, ректифікація спирту і переробка відходів). Зниження викидів CO₂ при виробництві етанолу із зерна за станом на 2007 р. у США становило в середньому 19%, передбачається, що при модернізації спиртового виробництва та переведення його виключно на природний газ можливе зниження викидів вуглекислого газу на 28-32%.

1.3 Технологія виробництва біоетанолу

Сировина, яка надходить для виробництва біоетанолу проходить приймання, що включає розважування та очищення від різноманітних домішок перед тим як надходить на стадію змолу. Подрібнення сировини здійснюється на валкових або молоткових дробарках провідних європейських виробників, що забезпечують однорідність помелу з заданим розміром частинок, що безпосередньо впливає на ефективність подальшої переробки отриманої муки.

Існує два основних способи отримання біоетанолу: так звані "сухий" і "мокрий" способи, що відрізняються головним чином додатковим вилученням клейковини, крохмалю А і В при "мокрому" способі. У цьому випадку на виробництво біоетанолу йде крохмаль В.

У випадку "сухого" способу отримання біоетанолу, борошно змішується з водою і отриманий затор відправляється на оцукрювання, де міститься в суспензії крохмаль під дією тепла і спеціальних ферментів перетворюється на цукру для подальшого зброджування.

Наступним етапом виробництва біоетанолу є бродіння оцукреного сусла, здійснюване в бродильних чанах з додаванням дріжджів, які перероблюють цукор на спирт. На цьому етапі одержують так звану бражку з вмістом спирту близько 8%. Для досягнення необхідної концентрації і чистоти спирту, отриману бражку піддають очищенню на стадії дистиляції, оснащеної двома колонами. На виході виходить спирт концентрацією 96%. Подальше зневоднення спирту до отримання біоетанолу міцністю 99,8% виробляється на колонах з молекулярними ситами.

Кінцевий продукт зі стадії абсолютування направляється в спиртосховище, звідки відвантажується автомобільним, або залізничним.

На всіх стадіях виробництва біоетанолу максимально використовується отримане, процесі роботи заводу, тепло з метою зниження експлуатаційних витрат на отримання біоетанолу.

Таблиця 1.1

Орієнтовна урожайність різних сільськогосподарських культур та можливий вихід біоетанолу з біосировини

Культура (біосировина)	Планова урожайність, ц/га	Вихід етанолу
		з тонни сировини, л/т	на один гектар, л/га
Цукровий буряк	900	50	4498
Топінамбур	300	87	2610
Цикорій	350	92	3248
Картопля	324	114	3693
Кукурудза (зерно)	70	416	2912
Пшениця	50	395	1975
Ячмінь	58	370	2150
Жито	30	340	1020



Рисунок 1.2 Гідропневматична схема виробництва біоетанолу: 1 - циклон; 2 - гідролізатом; 3 - рухливий шарнір. 4 - звороний клапан та штуцер; 5 - транспортер; 6 - змішувач; 7 - струменевий підігрівач; 9 - насос, 10 - теплообмінник; 11 - випарник; 12 - збірник; 13 - інвертор; 14 - клапан; 15 - фільтр; 16 - ємність для зберігання сульфатної кислоти; 17 -вагомір; 18 - нейтралізатор; 19 - відстійник;% 20 - вакуум-охолоджувальна установка; 21 - аератор; 22 - фільтр - прес; 23 - варильно-бродильний апарат; 24 - інокулятор; 25 - насос-сепаратор; 26 - конденсатор бражної колони; 27 - спиртоуловлювач; 28 - бражна колонна; 29 - брагорегулятор; 30 - збірник бражної колони; 31 - молекулярні сита



Рис. 2.2 Бродильний апарат: 1 - кришка; 2 - корпус; 3 - сорочка; 4 - механічна мішалка; 5 - привід, 6 - двигун, 7 - люки для завантажування та вивантажування



2. Розрахунок та підбір технологічного обладнання

Ваги. Для зважування сировини використовують платформні ваги на 10 т. Продуктивність їх визначається по діаметру, який дорівнює 240 мм.

Час заповнення збірника на вагах при 10-тонному навантаженні складе відповідно до формули:

Кількість зважувань складе відповідно до формули:

де Щ - добова витрата меляси, т;

10 - граничне навантаження вагів, т.

Тривалість зважування добової витрати меляси при встановленні одних вагів дорівнює відповідно до формули:

Вагове відділення спиртового заводу працює в одну зміну, тому необхідно встановити двоє десятитонних вагів.

Напірний збірник соляної кислоти. Збірник розраховується, виходячи з добового запасу, який складає 2,7 м³. Враховуючи коефіцієнт наповнення збірника, його ємність повинна складати:

На заводі є збірник об'ємом 5 м³.

Його розміри Н=2920 мм.

Д=1770 мм.

Напірний збірник ортофосфорної кислоти. Добові витрати розчину ортофосфорної кислоти складають 1,1 м³, а враховуючи коефіцієнт заповнення 0,9 об'єм збірника відповідно до формули. складе:

На заводі є збірник ортофосфорної кислоти V=1,5 м³, з розмірами

Н=1000 мм

Д=1380 мм.

Збірник розчину карбаміду. Добова витрата розчину карбаміду складе 1,1 м³. Об'єм збірника при коефіцієнті заповнення 0,9 складе 1,2 м³.

На заводі є збірник з об'ємом 1,5 м³ і розмірами

Д=1000 мм;

Н=1380 мм.

Апарати для антисептування поживного середовища. У відділенні встановлено два апарати об'ємом 44 м³ кожний. При коефіцієнті заповнення 0,9 корисна їх ємність дорівнює 44^.0,9=40 м³.

Працює відділення в три зміни. В кожній зміні готується 6 заторів. За добу готується попередньої обробки антисептиком і поживними речовинами 688 м³, а за зміну 223 м³.

Тоді на один затор приходиться 223:6=38 м³. Що вміщується в один апарат.

Насос для перекачування антисептованої маси. При добовій витраті антисептованого сусла 688 м³/год, його подається в напірний збірник 29 м³.

Встановлюють два насоси СОТ - 30. Їх характеристика:

Q=30 м³/год;

Н=25 м;

N=10 кВт;

n=1600 об/хв.

Напірний збірник сусла. Ця ємкість повинна вміщати тридцятихвилинний запас сусла):

де - V_ас - часова витрата сусла, м³;

0,9 - коефіцієнт заповнення збірника.

На заводі встановлено збірник об'ємом 19,6 м³ з розмірами

Д=2350 мм;

Н=3600 мм.

Діаметр патрубків для меляси - 125 мм, для води - 100 мм.

Дріжджегенератори. Загальний об'єм дріжджегенераторів для одно потокової вдосконаленої схеми повинен складати 30 м³ на тисячу дал добової продуктивності заводу. Для даного проекту це 300 м³.

До встановлення приймаються дріжджегенератори об'ємом 72 м³.

При співвідношенні висоти до діаметра 1,5:1, розміри їх будуть:

Д=4220 мм;

Н=6330 мм.

Піноловушка. Об'єм її повинен складати 40% від об'єму одного дріжджегенератора, тобто 28,8 м³.

На заводі встановлена ловушка об'ємом 30 м³ з розмірами:

Д=3,0 м;

Н=4,5 м.

Апарат чистої культури. Об'єм великого АЧК повинен складати 25% від об'єму дріжджегенератора. Відповідно він складатиме:

На заводі встановлений великий АЧК при співвідношенні Н:Д=1,6:1 розміри його будуть дорівнювати відповідно з формулою:

Ємність малого АЧК повинна складати 2,5% від об'єму дріжджегенератора. Відповідно він складатиме:

На заводі встановлений малий АЧК з розмірами:

Д=1,2 м;

Н=1,44 м.

Спиртоловушка дріжджегенераторного відділення. З метою зменшення втрат спирту з видаляємими в атмосферу СО₂, встановлюємо у відділенні спиртоловушку з розмірами:

Н=5250 мм;

Д=300 мм.

Бродильний апарат. Розрахунок дріжджебродильної батареї проводять по спиртозйому з одиниці геометричного об'єму.

Визначивши загальну геометричну ємність дріжджегенераторів V_др за формулою:

де 10000 - добова продуктивність заводу;

7,5 - спиртоз'єм з 1 м³ бродильного апарату.

Об'єм бродильної батареї знаходимо відповідно до формули

На заводі є 12 бродильних апаратів по 120 м³, загальна ємність 1440м³. Розміри апарату:

Д=4700 мм;

Н=6500 мм.

На спиртовому заводі може бути встановлена бражна колона діаметром 2200 мм, яка має 28 сітчастих тарілок і забезпечує продуктивність 10000 дал спирту за добу.

Висота колони 16095 мм. маса 3246 кг.

Бражна колона комплектується трьома підігрівачами бражки з поверхнею теплообміну 64,5 м² кожний:

діаметром 1000 мм,

довжиною 4132 мм,

масою 3246 кг.

Однією водяною секцією підігрівача бражки з поверхнею теплообміну 31 м²:

діаметром 600 мм,

довжиною 3445 мм,

масою 983 кг.

Встановлено, що на 100 дал/год продуктивності апарату по спирту необхідно мати 0,35 м³ ємності сепаратора. При годинній продуктивності апарата по спирту 417 дал. Визначаємо об'єм сепаратора:

При

Прийнявши Н=2Д, знаходимо V відповідно до формули:

Звідси:

На заводі встановлений типовий сепаратор бражки:

діаметром 1200 мм;

висотою 2107 мм;

масою 412 кг.

Сепаратор комплектується конденсатором:

площа поверхні теплообміну 31,5 м²;

діаметр 700 мм;

висота 3537 мм;

маса 940 кг.

Кип'ятильник бражної колони. Для закритого обігрівання колона оснащена кип'ятильником:

поверхня теплообміну 125 м²;

діаметр 1350 мм;

висота 3000 мм.

Конденсатор. Поверхня теплообміну конденсатора становить 20% від поверхні теплообміну дефлегматора:

де - F₁-поверхня теплообміну дефлегматора;

2 - кількість дефлегматорів.

У відділенні встановлюється конденсатор з поверхнею теплообміну 28 м² з розмірами:

діаметр конденсатора 600 мм;

діаметр труб 25 мм;

висота 1500 мм.

Ловушка. Оксид вуглецю та інші гази, які не конденсуються, виносять з собою деяку кількість парів спирту. В такому випадку поверхня теплопередачі не повинна перевищувати поверхню більшого конденсатора, тобто 19,8 м².

Для цієї мети встановлено конденсатор:

поверхня теплообміну 20 м²;

діаметр 700 мм;

висота 1500 мм.

Пробний холодильник. Встановлено пробний холодильник з такими розмірами:

поверхня теплообміну 0,25 м²;

діаметр 200 мм;

висота 657 мм;

маса 35 кг;

кількість 2 шт.

На рисунку 2.1 наведена схема цеху з виробництва біоетанолу з рослинної сировини.



Рисунок 2.1 Цех з виробництва етилового спирту з рослинної сировини.

Будівельні конструкції і вироби.

Фундаменти - монолітні залізобетонні з бетону В₁₅, типорозмірів - 4; збірні бетонні блоки по ГОСТ 13579-78, типорозмірів - 3; фундаментні збірні плити по ГОСТ 13580-85, типорозмірів - 5; елементи подборних стін по серії 3.002.1-1 в.1, типорозмірів - 2. Колони- збірні залізобетонні по серії 1.420-12 в.2, типорозмірів - 2.

Балки покриття - збірні залізобетонні по серії 1.462.1-3/89, типорозмірів - 1.

Стіни - керамзитобетонні панелі серії 1.030.1-1/88, типорозмірів - 3.

Плити покриття - збірні залізобетонні по серії 1.465.1-17. типорозмір - 1; по серії 1.465.1-20, типорозмірів - 1.

Плити перекриттів - збірні залізобетонні по серії 1.442.1-1.87, типорозмірів - 2, плити пустотні по серії 1.141-1 в.63.

Ригелі - збірні залізобетонні по серіях: 1.420-12 В.7; ІІ23-2/70, типорозмірів - 2.

Покрівля - рулонний килим з 3-х шарів біостійкі руберойду із захисним шаром гравію.

Сходи: внутрішні - зі збірних залізобетонних ступенів по сталевих косоурам, серія 1.450-1; зовнішня - сталева індивідуальна.

Підлоги - бетонні, асфальтобетонні, цементні, з покриттям керамічними плитами, лінолеум.

Вікна - дерев'яні по ГОСТ 12506-81, ГОСТ 11214-86, типорозмірів - 7.

Двері - дерев'яні по ГОСТ 24698-81, ГОСТ 6629-88, металеві протипожежні по серії 1.436.2-22, типорозмірів - 9.

Найбільша маса монтажного елемента (балка покриття) - 8,4 т.

Оздоблення внутрішнє - оброблення швів панелей і цегляних стін з подальшим фарбуванням силікатними фарбами світлого кольору.

Внутрішнє оздоблення - облицювання керамічною плиткою приміщень душових та санвузлів, забарвлення інших приміщень ПХВ, силікатними і масляними фарбами. Масляна фарбування столярних виробів та захист металевих деталей лакофарбовими антикорозійними матеріалами.

Інженерне обладнання використовується наступне.

Водопровід:

- побудово-питний від зовнішньої мережі. Напір на вводі 30 м в. ст.

- виробничо-протипожежний від зовнішньої мережі - 40м в. ст.

- оборотної води від водопровідного вузла. Напір на вводі подає води 40 м в. ст.

- технічної повторно використовуваної води від зовнішньої мережі. Напір на вводі 30 м в. ст.

Каналізація: побутова, виробнича, дощова. Скидання в зовнішні мережі каналізації.

Опалення - водяне, параметри теплоносія:

- 70-150⁰С від теплових мереж для виробничих приміщень;

- 70-95⁰С після елеватора для адміністративно-побутових приміщень.

Вентиляція - приточно-витяжна примусова механічна і природня.



Висновок

Один з відновлюваних джерел енергії - біологічні паливо - біоетанол, біогаз та біодизель. Біологічне паливо вважають нейтральним щодо емісії в атмосферу оксиду вуглецю. Діоксид вуглецю, що отримується при спалюванні біопалива, абсорбують самі рослини, які вирощують, щоб зробити біопалива.

Біоетанол - це етанол, отриманий під час бродіння цукру в матеріалах біомаси, таких як зерно кукурудзи та інші сільськогосподарські відходи. Його використовують у чистому вигляді, але частіше як добавку до бензину в двигунах внутрішнього згоряння.

Біогаз виробляють бактерії при анаеробному розкладанні органічної речовини в стічних водах і побутових відходу. Біогаз складається з комбінації метану і діоксиду вуглецю. Його використовують при отриманні гарячої води і електрики.

Біодизель - це розчинними мікроорганізмами паливо для транспортних засобів, отримане шляхом переетерифікації олій або жирів. Біодизель може бути використаний у чистому вигляді або як компонент дизельного палива в дизельних двигунах.



Список використаної літератури

1. ГОСТ 17299-78. Спирт этиловый технический.

2. Біоетанол: валюту зекономить і довкілля збереже // Дзеркало тижня. № 47 (371) 1 - 7 грудня 2001.

3. Стратегічне завдання: стати рапсовим Кувейтом // Дзеркало тижня. № 44 (723) 22 - 28 листопада 2008.

4. Валакин В.П. Одержання синтетичного етилового спирту. М., Хімія, 1976.

5. Юкельсон И.Ю.Технология основного органічного синтезу. М., Химия, 1968 р.

6. ПаушкинЯ.М.Нефтихимический синтез у промисловості. М., Наука, 1966 р.

7. Бородіна О., Шевчишин М. Біопаливо: європейські уроки для України. Ж.«Агроперспектива». 2008. №8 (104).

8. Рябцев Г.Л. Биоэтанол от «А» до «Я» / Геннадий Рябцев // Терминал. 2008. №13. С. 6-15.

9. Джатдоева М.Р. Теоретические основы прогрессивных технологий. Химический раздел. Ессентуки: ЕГИЭиМ, 1998. 78 с.

10. Воскобійник Ю.П. Проблеми виробництва та формування ринку біопалива в Україні / ННЦ «Інститут аграрної економіки». 2010.

11. Святченко С.І. Економічні розрахунки витрат при виробництві біопалива / Вісник ЦНЗ АПВ Харківської області. 2010. №8. С. 274-279.

Размещено на Allbest.ru