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毕业设计开题报告
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2012年3月19日
一、文献综述
1．选题原因
世界化石燃料储藏逐渐枯竭，人们越来越担心未来的能源供应[15]。
Campbll和Laherrere（1998）用不同的方法估算原油储量，得出全球原油产量将于2010年前出现供不应求的状况，至2050年产量将会从现在的25×1010减至5×109桶。
我国人均可开采石油资源只占世界平均水平的12%，1993年已从石油净出口国变为净进口国，在未来30年中，中国将继续作为第二大能源消费国，世界能源需求增长量的20%和石油需求增长量的16%将来自中国。
随着我国工业化进程的加快，经济的高增长与能源供应能力之间的落差正日益明显，加之环境恶化的压力，我国可持续发展面临着严峻的挑战，发展生物质能等可再生能源成为不二选择。
燃料乙醇，顾名思义，即乙醇充当燃料[2]，是用粮食或植物生产的可加入汽油中的品质改善剂[6]。
越来越多的国家出于为保证环境与能源安全，对利用燃料乙醇替代化石能源越来越有兴趣[4]。
当今传统化石能源的供给日益紧张，人类对使用传统化石能源造成的严重环境污染有了充分认识的情况下，燃料乙醇作为一种新型的、可再生的清洁能源越来越受到世人的重视。
用乙醇替代等量汽油后，可提高汽油辛烷值，是汽油燃烧更完全，有效降低了汽车尾气中有害气体的排放，改善了环境和空气质量[11]。
因为燃料乙醇作为一种绿色可再生能源，使古老的发酵酒精工业在能源领域找到了自己的位置，呈现出光明的前景[1]。
燃料乙醇的生产原料直接来源于农业领域。
21世纪以来，由于国际能源价格基本上维持在高价位区间，为这一阶段的生物燃料产业发展提供了极大的支撑[8]。
主要为粮食作物（如小麦、玉米）、经济作物（如木薯、甜高粱）、农业生产残留物（如秸秆、植物纤维素）等,上述原料经发酵、蒸馏制成乙醇（俗称酒精）,将乙醇进一步脱水再经过不同形式的变性处理后便成为燃料乙醇。
乙醇汽油的使用方法一般有两大类：
用汽油发动机的汽车，乙醇加入量为5-22%；专用发动机的汽车，乙醇加入量为85-100%。
目前乙醇已不单是一种优良燃料，它己经成为一种优良的燃油品质改善剂被广泛使用。
利用燃料乙醇的优点是：
（1）可以替代或部分替代汽油做发动机燃料，减少汽油用量，缓解化石燃料的紧张，从而减轻对石油进口的依赖，提高国家能源安全性；
（2）乙醇作为汽油的高辛烷值组份，可提高点燃式内燃机的抗暴震性，使发动机运行更平稳；
（3）因其是有氧燃料，掺混到汽油中，可替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE（甲基叔丁基醚），使燃烧更充分，使颗粒物、一氧化碳、挥发性有机化合物（VOC）等大气污染物排放量平均降低1/3以上；
（4）可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成，延长主要部件的使用寿命。
燃料乙醇是一种可再生能源,可在专用的乙醇发动机中使用,又可按一定的比例与汽油混合,在不对原汽油发动机做任何改动的前提下直接使用。
燃料乙醇最广泛和最近期的用途就是车用乙醇汽油。
乙醇汽油是燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配而成的新型替代能源。
按照我国的国家标准,乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。
2.我国发展燃料乙醇的原因
生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源资源，在能源系统中占有重要地位］。
利用燃料乙醇的优点是：
（1）可以替代或部分替代汽油做发动机燃料，减少汽油用量，缓解化石燃料的紧张，从而减轻对石油进口的依赖，提高国家能源安全性；
（2）乙醇作为汽油的高辛烷值组份，可提高点燃式内燃机的抗暴震性，使发动机运行更平稳；（3）因其是有氧燃料，掺混到汽油中，可替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE（甲基叔丁基醚），使燃烧更充分，使颗粒物、一氧化碳、挥发性有机化合物（VOC）等大气污染物排放量平均降低1/3以上；（4）可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成，延长主要部件的使用寿命[10]。
目前，生物质能相关研究已成为能源、生态环境、经济诸领域的一个热点问题[7]。
我国政府推广燃料乙醇的最初设想在1999年,当时我国的粮食严重积压,大量富余的粮食无法释放,只有储存起来。
2001年,当时的国家计委等五部委颁布了陈化粮处理若干规定,确定陈化粮主要用于生产酒精、饲料等。
于是在几个粮食主产区,国家规划了几个大的乙醇生产项目,用陈化粮来生产乙醇,以满足试点车用乙醇汽油所需变性已醇燃料。
在这样的背景下,国家批准全国建立4个燃料乙醇企业:
安徽丰原生化、中粮生化能源（肇东）有限公司（当时名为华润酒精）、吉林燃料乙醇、河南天冠集团[3]。
3.我国发展燃料乙醇的意义
我国发展燃料乙醇的意义是显而易见的：
（1）推动农产品转化,带动农民增收,实现农业可持续发展，推广燃料乙醇的生产,可以有效解决富余农产品转化问题,稳定和提高农产品价格和农民收入,形成一个长期、稳定、有效、繁荣的农产品消费市场,实现农业增产-消费-增收-刺激再生产的可持续发展。
（2）符合农业发展低碳经济的要求，燃料乙醇虽然在生产过程中会产生二氧化碳,但由于作为燃料乙醇原料的植物在其生长过程中本身吸收二氧化碳,并且二氧化碳本身作为燃料乙醇的副产品又可用于碳酸饮料、甲醇、干冰、制冷剂、碳酸二甲酯（DMC）、萃取剂等的生产,所以燃料乙醇在生产过程中符合低碳要求。
在消费过程中,燃料乙醇作为增氧剂与普通汽油混合成乙醇汽油使用,或是自身作为燃料燃烧。
由于其化学组分中含氧,所以常能促进更有效的燃烧,在充分燃烧后,可以减少一氧化碳、二氧化碳、挥发性碳烃类化合物、臭氧等有害气体的排放,饯行低碳理念。
（3）符合农业发展循环经济的要求物质的循环流动和利用在燃料乙醇的整个生产过程中也处处得到体现[3]。
4.燃料乙醇的应用价值
生产燃料乙醇的主要原料玉米粉碎后经改良湿法工艺处理产生脱胚淀粉浆,再经液化、糖化、发酵和蒸馏脱水,生产出乙醇含量在99.5%以上的燃料乙醇,同时也会产生酒糟废液。
酒糟废液经固液分离后,清液通过先进的厌氧发酵反应器（IC）和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）去除大量的化学需氧量（COD）,产生的沼气用于发电,供给燃料乙醇生产过程中使用。
沼渣与废水处理产生的污泥经发酵可制得肥料,返回玉米园。
处理后的水50%以上用做循环用水,主要用于鲜玉米的清洗和生产过程中的冷却用水。
在此生态工业生产体系中,物质的循环流动远远大于进、出系统的物质流,符合循环经济的要求。
能够有效替代和节约石油资源目前,我国的能源消费几乎全部依赖石油、煤炭等不可再生资源。
按目前的探储和开采速度,我国的石油将在2030年前后工业开采殆尽。
燃料乙醇作为农业生物能源,其燃烧性能可比汽油,加之储存方便、污染少、可再生、生产原料丰富、应用技术成熟,是很好的可替代石油的绿色能源,其与汽油混配后能使汽油燃烧更加充分,使用更为高效,所以也节约了不少石油资源。
5.燃料乙醇的发展现状及尚存在的问题
（一）我国发展生物液体燃料的必要性
由于经济高速增长和能源投资不足，我国自1992年起能源消费总量超过能源生产总量，至今能源供应低于能源消费的趋势仍在延续并呈逐步扩大的趋势。
并且，我国能源分布和供给存在显著的城乡差异，广大农村能源资源丰厚但供应不足。
发展生物液体燃料，开发利用农村丰富的生物质，既可以缓解我国能源供应紧张的局势，又可以发展农村经济，提高农民收入。
我国一直以来以煤为主的能源结构和不合理的能源消耗使我国目前成为温室气体排放大国之一，随着后京都时代的来临，我国应遵从共同但有区别的责任原则，积极发展清洁能源，应对气候变化。
发展生物液体燃料可以改善能源结构，是促进温室气体减排的良策。
（二）我国生物液体燃料的发展现状
我国十分重视生物液体燃料的生产和推广。
“八五”计划期间，生物燃油资源与转换技术的研究开发已经出现，当时仅限于在食品和轻工业领域采用传统技术用粮食和油料作物生产醇类和油类产品;“九五”计划期间，我国开始制取生物液体燃料作为交通能源;“十五”计划期间，我国启动了生物液体燃料的相关研究和定点生产;此后经过近10年的探索，我国已基本形成了以燃料乙醇、生物柴油为主的生物液体燃料初步产业化格局。
目前，我国的燃料乙醇生产主要以粮食为原料，并已投入实际使用，但生物柴油多为技术示范和实验生产，还没有实现规模化生产。
近年来，我国以油料作物为原料的生物柴油建设项目竞相上马，势头强劲，但总体而言，与其他能源相比，我国生物液体燃料的产业市场化程度较低，实施政府监管定价，相关项目必须经国家发改委批准后方能建设，项目承担主体以国家定点企业为主;生物液体燃料产业的原料供应因农业生产具有季节性和分散性而缺乏连续性和集中性，严重制约了生产的合理进行。
（三）发展生物液体燃料的环境影响
生物液体燃料生产会带来能源作物的广泛种植，导致森林砍伐、生物多样性锐减，同时还会造成水污染和大气污染。
例如，木薯是我国目前非粮乙醇的重要原料之一，但木薯生产燃料乙醇具有高污染性，木薯酒精废液是一种高浓度有机废水，治理难度很大，目前绝大部分酒精厂都将其未经有效处理而直接排放，对当地水环境和大气环境造成了严重影响[14]。
有学者提出，除甘蔗乙醇外，其他乙醇对缓解气候变化并没有显著的作用。
对于生物液体燃料的生产利用可能带来的环境问题，我国政府部门并未进行谨慎的预防和有效的应对。
农业部于2007年发布了《农业生物质能产业发展规划》，其中悉数了生物液体燃料生产对农业发展和农民增收的积极意义，却很少提及其可能对农村环境带来的负面影响。
《国家林业局关于做好林业生物质能源工作的通知》中未指明生物液体燃料产业可能导致的森林砍伐、林业生物多样性破坏等问题。
作为国家环境保护的行政主管部门，环境部尚未注意到生物液体燃料可能带来的诸多环境问题。
能源作物的大量种植必然带来土地与水资源的合理利用问题，而国土资源部、水利部等部门尚未出台任何应对措施。
上述问题的根源在于我国缺乏统一的、较高位阶的生物液体燃料立法，而如果没有专门立法对生物液体燃料各管理部门的具体职责、相互协作和法律责任进行合理的设计，生物液体燃料的发展必将因发展思路不统一、利益纷争严重而难以持续。
因此，我国必须制定生物液体燃料综合性立法，为生物液体燃料的快速、稳定发展提供充分的法制保障[9]。
（四）与国外技术水平的比较
我国作为世界上第三大燃料乙醇生产和消费国,其生产技术水平仍远不及在此领域处于世界领先的美国和巴西[13]。
据统计,我国每生产1t的乙醇汽油,将消耗3.3t玉米和12t水,而美国则只需要消耗2.8t玉米和1.8t水。
当前市场上的玉米价格约在1900~2000元/,t按生产1t车用乙醇汽油消耗3.3t玉米计算,乙醇汽油仅玉米的成本就高达6270~6600元/t。
如果算上其他成本,乙醇汽油的成本最少为8000~9000元/,t显著高于成品油和柴油的市场价格（分别在7000和6500元/t左右）,则使用乙醇汽油的汽车1年所需的费用比使用普通汽油的汽车高1500元。
目前正在大力建设的纤维素乙醇生产项目,亦是由于生产技术水平比较落后,大约5~7t秸秆才能转化为1t乙醇,导致纤维素乙醇的生产成本高达8000~9000元/,t从而未能实现商业化生产。
6.燃料乙醇国内外的应用情况
三十年代，乙醇汽油最早出现在巴西，二战前燃料乙醇在法国和我国也有一定量的应用。
在巴西，1975年开始生产“国家乙醇生产计划”，现如今，全国使用乙醇汽油的汽车达到1550万辆，摩托车达到150万辆，完全使用含水乙醇作燃料的汽车达到220万辆，成为世界上以乙醇作燃料最成功的国家之一；而美国，自从80年代以来，开始以玉米酿制酒精，用作乙醇汽油混合燃料，占市场份额70%的汽油是含有10%燃料乙醇的混合燃料。
并且，欧洲的一些国家和印度、泰国、津巴布韦、南非等国家也于上世纪90年代开始施行燃料乙醇汽油计划。
而在我国，根据生物质能源的资源现状和技术进步与发展水平，国务院于2007年6月7日通过了《可再生能源中长期发展规划》，确定了生物质能源产业发展目标[12]。
国家技术监督局于2001年颁布了《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准，开始试点推广车用乙醇汽油，目前已经在黑龙江、吉林、辽宁与河南四个省全范围内推广使用，近吉林而言，车用乙醇汽油市场覆盖率已经达到了90%左右；辽宁，黑龙江和河南三省的市场覆盖率达到了80%。
总之，燃料乙醇的发展与应用，是当前减少石油消耗的最直接、最有效的方法，特别是可以综合性的解决我国的石油紧缺、粮食过剩、环境污染等情况，进而使我国的农业、能源、环保、交通、财政等众多方面起到积极的推动作用。
7.燃料乙醇的发展前景
（1）应坚持燃料乙醇原料非粮化不动摇的政策措施
与美国、巴西分别拥有丰富的玉米资源、甘蔗资源不同，我国人口众多，人均资源缺乏，可耕地面积只有美国的1/9，而人口却比美国多好几倍。
因此，我国燃料乙醇行业的发展模式不可能走美国或巴西之路。
燃料乙醇原料长期坚持非粮化是我国未来燃料乙醇行业的必然的发展方向。
（2）应注重技术研发，突破产业化瓶颈，合理控制产业规模
积极发展燃料乙醇产业试点，进行产业化示范。
在这种大环境下，一方面要注重技术研发，突破产业化瓶颈；另一方面，要充分考虑我国人多地少的基本国情，合理控制燃料乙醇产业的发展规模和产业化步伐，不可以一哄而起[5]。
8.个人对课题的解决意见
面对技术水平较低导致燃料乙醇生产成本虚高的问题,目前最为直接有力的解决对策就是在大力开展燃料乙醇生产技术研发的同时,积极引进国外这一领域的先进技术和人才,为我国燃料乙醇产业服务。
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二、设计内容
1．设计的指导思想和主要设计内容
蒸馏系统工艺流程:
原流程主要由6个塔组成，每个塔都有塔顶冷凝系统和塔釜再沸系统。
塔的主要参数如表1所示。
蒸馏系统工艺流程如图1所示。
从图1可以看出，如果将流程作为一个整体用PROII模拟软件进行模拟，将面临太多参数的变化，收敛将极其困难。
表1蒸馏系统塔板主要参数
项目
精馏段塔板数
提镏段塔板数
醪塔
14
30
1号丁醇塔
乙丙段26
丁醇段32
2号丁醇塔
44
6
丙酮塔
50
25
除醛塔
盲板上段30
盲板下段34
乙醇塔
47
23
该物系属于典型的烃类系统，过程中含有大量的水蒸气，工艺物料有多次的冷凝与汽化，液体活度系数模型NRTL能够很好的处理此类液液平衡。
乙醇为非理想物系，故采用CHEMDIST算法。
蒸馏塔用Distillation模块计算，换热器和分相罐采用SimpleHX和闪蒸Flash模块配合模拟计算，汇合物料采用Mixer模块计算。
物料衡算：
（1）玉米为原料生产乙醇的总化学反应式：
糖化：
（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6
n×162n×180
发酵：
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2↑
18092
（2）生产10万吨乙醇所需玉米理论用量：
×﹙162÷92﹚=﹙t﹚
（3）生产t乙醇实际淀粉消耗量实际上，整个生产过程经历原料预处理、糖化等生产过程，产品得率必然小于理论得率，故实际生产中淀粉实际用量为：
理论淀粉用量÷（100％-淀粉总损失率）
（4）生产20000t乙醇所需玉米量（单位：
吨）
实际需的淀粉量÷a
式中a——玉米中含的淀粉量
3热量衡算
3.1分析物料流向及变化，写出热量衡算式：
∑Q入=∑Q出+∑Q损
式中∑Q入——输入的热量总和（KJ）
∑Q出——输出的热量总和（KJ）
∑Q损——损失的热量总和（KJ）
3.2合理确定计算基准
取不同的基准温度，计算出的数据就不同；一般选准一个设计温度，而且每一物料的进出口基准必须一致。
通常取0℃为基准温度进行计算，这样可以简化
计算。
基准也可是计算任意确定，主要考虑尽量减少计算工作量而选择恰当的基准。
3.3收集数据
主要收集已知物理量、工艺条件和有关物性的数据等，这些可从专门的手册中查阅或以工厂的实际数据选定。
3.4热量计算式
Q=cm△t
式中c——比热容〔KJ∕（Kg.℃）〕
m——物质质量（Kg）
△t——温度的变化（℃）
3.5换热器的热负荷计算
Q=WhCph（T1-T2）=WcCpc（t2-t1）
Cp——流体的平均比热容，KJ∕（Kg.℃）；
t——冷流体的温度，℃
T——热流体的温度，℃
4.设备容积及数量
4.1设备容积计算
已知物料流量qv和逗留时间t，可计算设备的有效体积V有效
V有效=qv×t﹙m3﹚
4.2设备数量计算
n=V有效（&V′）
V有效——设备有效体积﹙m3﹚
V′——单台设备容积﹙m3﹚
&——填充系数
2．设计拟采取的工艺原理技术路线
乙醇可以通过石油合成或生物质发酵法生产。
1995年，世界上93%的乙醇是通过发酵法生产的。
发酵就是酵母等微生物以可发酵性糖为食物进行新陈代谢，产生乙醇和其它副产品。
最常见的可发酵糖是葡萄糖，所以包含高水平葡萄糖或其前驱物的生物质是最容易转化成酒精的；发酵微生物包括真菌、细菌和酵母，以酿酒酵母（saccharomycescerevisiae）来发酵葡萄糖成乙醇技术最成熟。
80年代初，能够发酵五碳糖为乙醇的微生物被发现，并掀起了选育木糖发酵生产乙醇菌种的热潮，至今已发现包括细菌、真菌和酵母在内的100多种能够代谢木糖为乙醇的微生物。
1990年美国弗罗里达大学的Dr.LonnieIngram发现能代谢各种糖类生产乙醇的E.Coli菌，并申请专利。
美国能源发展实验室（DOE）也发现了一种天然的可有效将糖发酵成乙醇的细菌Zymomones。
目前生物质水解得到的大部分糖类都可以发酵制成乙醇。
发酵法制乙醇一般包括三步：
（1）可发酵糖的生成；
（2）糖发酵成乙醇；（3）乙醇的分离提纯，通常用蒸馏法。
理论上葡萄糖发酵乙醇得率为0.51g/g（乙醇/消耗的糖），木糖为0.46g/g（乙醇/消耗的糖）。
微生物代谢己糖和戊糖生成乙醇的反应方程式为：
C6H12O6
2C2H5OH+2CO2
3C5H10O5
5C2H5OH+5CO2
发酵原料有糖原料、淀粉原料和纤维原料，后两种要先通过水解得到可发酵糖。
糖原料包括甘蔗、甜菜、甜高梁和各种水果。
淀粉原料主要包括谷物（玉米和小麦）、土豆、红薯和木薯。
淀粉分子由长链葡萄糖分子组成，所以通过水解可以将淀粉分子转变成葡萄糖分子，然后发酵成乙醇。
采用不同的技术，玉米发酵生成乙醇的得率为34.5%-40wt%（干基原料）。
纤维原料指主要组分是纤维素、半纤维素和木质素的生物质原料，包括木材、农业废弃物、废纸张等。
生产燃料乙醇的主要原料玉米粉碎后经改良湿法工艺处理产生脱胚淀粉浆,再经液化、糖化、发酵和蒸馏脱水,生产出乙醇含量在99.5%以上的燃料乙醇,同时也会产生酒糟废液。
酒糟废液经固液分离后,清液通过先进的厌氧发酵反应器（IC）和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）去除大量的化学需氧量（COD）,产生的沼气用于发电,供给燃料乙醇生产过程中使用。
沼渣与废水处理产生的污泥经发酵可制得肥料,返回玉米园。
处理后的水50%以上用做循环用水,主要用于鲜玉米的清洗和生产过程中的冷却用水。
三、工作计划
序号
设计（论文）各阶段任务
时间安排
1
检索相关文献
3月2日~3月13日
2
确定实验目的，撰写开题报告
3月16日~3月20日
3
合理安排设计方案，
3月23日~3月27日
4
对设计方案进行分析，校正
3月30日~4月3日
5
进行生产乙醇工艺设计
4月6日~5月8日
6
确定各方面数据，合理分析
5月11日~5月22日
7
攥写毕业论文，准备答辩，外文翻译贯穿整个过程
5月25日~6月10日
四、开题报告会提出的主要问题及建议
无
记录人李月
年月日
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