膜生物反應器封閉循環(huán)發(fā)酵燃料乙醇生產(chǎn)系統的工藝設計及安全分析

四川化工第11卷2008年第4期膜生物反應器封閉循環(huán)發(fā)酵燃料乙醇生產(chǎn)系統的工藝設計及安全分析徐瑤鐘月華王樹(shù)乾肖澤仗(四川大學(xué)化工學(xué)院,成都,610065)摘要基于最新的試驗結果,對該工藝的工業(yè)化流程進(jìn)行了初步設計和分析,將系統分為原料處理發(fā)酵、PDMS膜分離、精餾濃縮、產(chǎn)品貯存和發(fā)酵殘液處理等6個(gè)單元,運用蒙德火災、爆炸、毒性指數評價(jià)法對系統進(jìn)行了安全分析評價(jià),確定了各個(gè)單元的危險等級。分析表明,原料處理和發(fā)酵單元危險性屬于較緩和等級,應側重工藝參數控制分析及設備的安全設計;PDMs膜分離精餾濃縮單元和貯存單元分別屬于重和高度災難性等級,而國內外有關(guān)乙醇貯存單元的相關(guān)研究已較為成熟,此項研究著(zhù)重對負壓操作的PDMS膜分離和精餾濃縮單元爆炸極限等爆炸參數進(jìn)行了定量安全分析,并制定了相應的安全措施。最后采用蒸氣云爆炸模型貯存單元進(jìn)行了事故模擬關(guān)鍵詞:安全分析和設計燃料乙醇PDMS(聚二甲基硅氧烷)膜生物反應器連續發(fā)酵地球上的礦物能源特別是石油和天然氣正在加PDMS膜生物反應器封閉循環(huán)連續發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的速消耗距離完全枯竭已為期不遠。大膽地推測在新工藝。深入的系統試驗表明新工藝具有以下傳不遠的將來(lái),為了轉動(dòng)汽車(chē)輪子,人類(lèi)能夠依賴(lài)的資統工藝沒(méi)有的特征:源恐怕只有土地、陽(yáng)光和雨露,用這些資源,以年為(1)實(shí)現了長(cháng)周期封閉循環(huán)連續發(fā)酵操作運行時(shí)間單位周而復始地生產(chǎn)生物質(zhì)并轉化為熱力機械實(shí)現高體積產(chǎn)率高轉化率和高能量效率可用的燃料。這就是今天高度關(guān)注燃料酒精技術(shù)的(2)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)廢液排放原因。新工藝流程和設備都與傳統工藝大不相同,采以糖/淀粉質(zhì)為原料通過(guò)生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇(酒用 polydimethylsiloxane(PDMS)膜對發(fā)酵液進(jìn)行精)是古老的工藝,以批發(fā)酵/連續發(fā)酵和精餾分離連續原位分離,減少乙醇產(chǎn)物抑制作用實(shí)現了真正為核心的大規模工業(yè)化乙醇生產(chǎn)工藝是現在的成熟的連續發(fā)酵大規模提高了發(fā)酵產(chǎn)率。新工藝與傳技術(shù)美國、巴西等國采用此工藝每年生產(chǎn)數百億升統工藝相比,不僅具有經(jīng)濟上優(yōu)勢1-,而且可以實(shí)的燃料乙醇。過(guò)去幾年中國已經(jīng)建成的此工藝裝置現廢液零排放。因此,新工藝具有很大的工業(yè)推廣生產(chǎn)規模超過(guò)百萬(wàn)噸加上在建的,總規模已超過(guò)價(jià)值。燃料乙醇是一種危險化學(xué)品,國內外已發(fā)生500萬(wàn)噸。但是,現在的乙醇發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)有幾個(gè)了大量的乙醇燃燒爆炸事故,2004年2月,一艘運固有的嚴重缺點(diǎn),例如:載工業(yè)乙醇的油輪在美國東部弗吉尼亞州附近的海(1)系統能量效率低發(fā)酵反應器的生產(chǎn)強度低域發(fā)生爆炸后沉沒(méi),27名船員中至少3人死亡,6人和原料轉化率低等;重傷。2007年2月11日,深圳市龍崗區的洋華科(2)環(huán)境污染嚴重技廠(chǎng)由于車(chē)間乙醇揮發(fā)形成的可燃氣體遇電氣線(xiàn)路針對上述問(wèn)題研究新的工藝技術(shù),是發(fā)展更大火花發(fā)生特大火災事故,造成10人死亡,9人受傷規模燃料酒精技術(shù)關(guān)鍵將對未來(lái)能源戰略產(chǎn)生重的中國煤化工.15萬(wàn)元。此外由要影響。利用PDMS膜的滲透蒸發(fā)選擇性分離特于此CNMH進(jìn)行安全分析、評征,四川大學(xué)膜工程與分離技術(shù)實(shí)驗室發(fā)展了價(jià)和設計以確保安全性是必要的。傳統生產(chǎn)燃料乙基金項目:國家自然科學(xué)基金資助(20276041,20776088)。第4期膜生物反應器封閉循環(huán)發(fā)酵燃料乙醇生產(chǎn)系統的工藝設計及安全分析醇日產(chǎn)100t較為普遍,因此,以100t/d為例,進(jìn)行行周期提高到100l,每個(gè)運行周期結束時(shí),發(fā)酵單了新型PDMS膜生物反應器封閉循環(huán)連續發(fā)酵燃元和滲透蒸發(fā)單元殘液和餾出液一起進(jìn)入殘液處理料乙醇工藝流程初步設計和相關(guān)的安全分析。單元(工藝圖中未畫(huà)出)。一個(gè)運行周期的產(chǎn)品量為1工業(yè)化工藝過(guò)程設計4000t,殘液總量設計為1200m3,經(jīng)離心分離回收酵母細胞,再經(jīng)噴霧干燥回收殘余固相物生產(chǎn)DDGS本實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的PDMS膜生物反應器封閉循飼料蒸發(fā)冷凝液回到前工序循環(huán)利用環(huán)連續發(fā)酵系統們與傳統工藝相比除了表1所列出的性能特征外,乙醇轉化率達到理論值的2安全分析過(guò)程87.2%碳回收率為89.5%也遠高于傳統工藝。根據該系統的特點(diǎn)把它分成原料處理、發(fā)酵、工業(yè)化乙醇連續發(fā)酵膜生物分離耦合系統簡(jiǎn)單工藝CO回收PDMS膜分離精餾濃縮、產(chǎn)品貯存和發(fā)流程如圖1所示。酵殘液處理6個(gè)單元分別進(jìn)行危險性分析及安全設表1發(fā)酵性能對比計。作為附加單元的CO2回收單元和殘液處理單元項目傳統工藝新工藝基質(zhì)濃度0%可發(fā)酵糖3%~5%可發(fā)酵糖將在后續論文中詳細說(shuō)明。發(fā)酵液中乙醇濃度7%-11(直接蒸餾)4%-5%膜分離)2.1危險源辨識乙醇體積產(chǎn)率1 gL-Ih-l運行特征60h批發(fā)酵1000h連續發(fā)酵在PDMS膜生物反應器封閉循環(huán)連續發(fā)酵生產(chǎn)乙醇新工藝系統中,中間品和成品涉及多種易燃新工藝3%~5%可發(fā)酵糖4%~5%膜分離)5易爆、有毒的物質(zhì)。當負壓系統滲入空氣,或乙醇從gL-h-100lk連續發(fā)酵新工藝仍采用淀粉質(zhì)原料,不嚴密處泄漏,與空氣形成爆炸性混合物,遇到生產(chǎn)經(jīng)預處理成淀粉乳,在粉漿罐1內預熱到60℃左中的高熱、沖擊或摩擦產(chǎn)生的火星和靜電火花加熱右,經(jīng)蒸汽噴射連續蒸煮加熱到135~145℃,最后或檢修用的明火,即會(huì )發(fā)生燃燒或爆炸。在此項研經(jīng)真空冷卻到約65℃進(jìn)入糖化階段。經(jīng)糖化的糖究中采用英國帝國化學(xué)公司蒙德部門(mén)的火災爆化醪由噴淋冷卻器冷卻到發(fā)酵溫度35~40℃,進(jìn)入炸毒性指數法(Mnd法)7,對乙醇生產(chǎn)過(guò)程中到發(fā)酵單元。經(jīng)物料衡算及設備選型,確定采用的各個(gè)單元進(jìn)行分析評價(jià)并對危險度進(jìn)行分級,為兩級500m3發(fā)酵罐進(jìn)行連續發(fā)酵。接種啟動(dòng)約24h安全設計提供依據。整個(gè)乙醇連續發(fā)酵膜生物反應后發(fā)酵液內乙醇含量達到4%~5%發(fā)酵單元產(chǎn)生器系統的有害介質(zhì)以及Mond法評價(jià)結果見(jiàn)表2的CO2經(jīng)酒精捕集器到CO回收單元(圖中未畫(huà)在生產(chǎn)過(guò)程中要根據各單元危險物質(zhì)主要特性,依出),此時(shí)乙醇進(jìn)入到滲透蒸發(fā)單元進(jìn)行封閉循環(huán)分據相關(guān)標準制定相應的防范措施其中滲透汽化單離。滲透蒸發(fā)單元由八個(gè)高度為14:4m,內徑為元和精餾單元作為較特殊單元將進(jìn)行較為詳細研2.m的真空罩并聯(lián)構成,每個(gè)真空罩中有32個(gè)并究,而貯存單元雖為重大危險源,但國內外已進(jìn)行了聯(lián)的PDMS膜組件單個(gè)膜組件膜面積為36m2,整較為深入的研究因此,本研究只做簡(jiǎn)略介紹。個(gè)單元總膜面積為9216m2。發(fā)酵液經(jīng) PDMS膜滲表2裝置危險區域及物料分布透蒸發(fā)后,得到濃度為30%的乙醇蒸氣,而滲余液危險區域主要危險物料危險類(lèi)別Mond法返回發(fā)酵罐繼續進(jìn)行發(fā)酵。再對滲透產(chǎn)品進(jìn)行精餾評價(jià)結果料處理單元濃縮和脫水,得到99.5%的燃料乙醇。第一粗餾塔發(fā)酵單元二氧化可引起烹息出口645%的乙醇液進(jìn)入第二精餾塔,從第二精餾膜分離單元醇易燃易爆有毒塔頂出來(lái)的乙醇蒸汽質(zhì)量分數達95%溫度乙醇中國煤化工夾爆炸重的113℃輸送到分子篩脫水單元(工藝圖中未畫(huà)出)二貯CNMH(爆炸高度災耐性進(jìn)一步制成9.5%燃料乙醇。新工藝將把連續運四川化工第11卷2008年第4期co至二氧糖酒精捕營(yíng)殘液處理一加熱介質(zhì)加熱介質(zhì)餾出液出液真空泵1.粉漿罐;2.粉漿泵;3蒸煮罐;4.后熟器;5.汽液分離器;6.真空冷卻器;7.連續糖化罐;8液體曲貯罐;9.糖化醪泵;10.噴淋冷卻器;1l.混合冷卻器:12.蒸汽噴射器;13熱水箱;14.預發(fā)酵罐;15,16.發(fā)酵罐;17.19滲透蒸發(fā)膜組件;20冷凝器;21,26精餾塔;22冷凝器:23.儲槽;24,27.再沸器1連續發(fā)酵滲透蒸發(fā)系統工藝流程圖2.2單元危險分析及安全設計堿度進(jìn)行控制,同時(shí)必須保證設備嚴格密封,發(fā)酵設2.2.1′原料處理單元備應有經(jīng)久耐用的混合性能和良好的攪拌裝置;罐此單元和傳統工藝的玉米原料處理過(guò)程相同內必須保持正壓,避免發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生過(guò)多的泡沫。由蒸煮糊化曲霉糖化組成。進(jìn)行安全分析時(shí),主要此單元有別于傳統發(fā)酵工藝滲透單元滲余液將回是針對工藝參數(如蒸煮壓力蒸煮溫度投料水溫流到發(fā)酵系統,因此要特別加強回流系統管道泵等)的控制,以使整個(gè)過(guò)程按最佳方式運行。除此等設備的滅菌之外,糖化過(guò)程應重點(diǎn)制定防止染菌措施和空氣過(guò)2.2.3滲透蒸發(fā)膜分離單元濾器的本質(zhì)安全設計以及空氣壓縮機爆炸事故的原真空罩處于10mmHg的負壓狀態(tài),當真空罩出因分析,并制定事故預防措施。鍋爐是給淀粉乳蒸現裂紋或密封失效時(shí),空氣將進(jìn)入真空罩與乙醇蒸煮提供蒸汽的設備,一且鍋爐出現事故整個(gè)發(fā)酵都汽形成混合氣體不僅將引起PDMS膜分離性能降將停止,將造成重大的損失。因此,應把鍋爐列為重低,且7濃中汁列埋比機陽(yáng)葉,遇到火源將發(fā)生點(diǎn)對象按國家標準制定相應的措施。中國煤化工爆炸度可達2754℃。2.2.2發(fā)酵單元常溫形,mx斯走極限為4.3%~連續發(fā)酵過(guò)程不僅要對溫度溶解氧濃度、酸190%但是,爆炸極限不是一成不變的可燃性混第4期膜生物反應器封閉循環(huán)發(fā)酵燃料乙醇生產(chǎn)系統的工藝設計及安全分析45合氣的初始溫度環(huán)境壓力含氧量、點(diǎn)火源惰性氣乙醇含量為03P/P1,式(1)化為:體等都將影響可燃性混合氣的爆炸極限。溫度不高LLP(2)時(shí),溫度波動(dòng)對爆炸極限影響較小,因此,在該項研究中忽略溫度對爆炸極限的影響。而此系統的真空只有當乙醇含量處于爆炸極限,才能發(fā)生爆炸,罩以及精餾塔作為情性氣體的水蒸氣含量以及漏即:p=0.7p<100×9.384p-0m的入空氣量將影響乙醇蒸汽爆炸極限。負壓下乙醇蒸于L=4.3%,經(jīng)運算并結合乙醇的臨界爆炸壓汽的爆炸極限如圖2所示。乙醇的爆炸臨界壓力大力,只有當37.6mmHg20t)為重大危險源,因從真空罩出來(lái)的30%乙醇蒸汽經(jīng)直徑為此把此單元定為安全設計的重點(diǎn),對乙醇罐區的爆70mm,長(cháng)度約5m的管道,到精餾單元,流速為炸事故進(jìn)行定性定量分析,以便于進(jìn)一步預防乙醇如果空氣進(jìn)入管道,達到爆炸條件,也將發(fā)罐區事故生爆炸。采用管狀容器爆炸模型進(jìn)行近似計算:乙醇泄漏量很小時(shí)形成的蒸氣云,爆炸威力也dP aK, P(Pm-Po)dt(6)很大,而且乙醇有毒有害采用蒸氣云爆炸傷害模型同樣以空氣進(jìn)人量使輸出管壓力上升到,對乙醇泄露算出不同泄漏量下的死亡半徑重傷半徑等,便于制定事故應急預案,以及當事故發(fā)生時(shí)能50mmHg進(jìn)行計算爆炸壓力上升速度a達到最預測事故范圍。以泄漏量為1%為例,計算結果如大值(dP/dh)m≈0.028MPa·s,K=0.008MPa/s表4所示。表4乙醇爆炸模擬計算結果根據計算結果,一旦空氣進(jìn)入,滲透蒸發(fā)單元發(fā)泄漏量WnT死亡半重傷半輕傷半財產(chǎn)損失生爆炸的危害性是重大的如爆炸范圍波及到精餾3乙積3208911.76單元和儲存單元,后果更不堪設想,因此,真空罩應設置聯(lián)鎖裝置和壓力報警裝置。罐區應釆用可燃氣體報警器進(jìn)行監測。另外應2.2.4精餾濃縮單元加強安全管理和監察,嚴格控制火源,防止撞擊及靜兩個(gè)精餾塔的上部分別30%~645%和電火花的產(chǎn)生保障罐區內防爆電器的性能等都是64.6%~9.5%的乙醇蒸汽依據滲透蒸發(fā)膜分離預防儲罐燃爆的有效措施單元爆炸極限計算方法粗餾塔和精餾塔的漏入空3結論氣后壓力分別達37.6mmHg