Σχεδιασμός Χημικών Εγκαταστάσεων Ι

Παρακάτω μπορείτε να δείτε μία βασική εκφώνηση τους θέματος του προτζεκτ του έτους. Σα πρώτη προσέγγιση δίνονται κάποιες επιπλέον οδηγίες που θα βοηθήσουν τις ομάδες στη κατάστρωση των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας καθώς και υλικό που μπορεί να βοηθήσει για το σκοπό αυτό. Διευκρινίσεις και απορίες θα συζητήθούν στη τάξη, και στο μάθημα της Πέμπτης και γενικότερα από εδώ και πέρα. όπως ιπώθηκε και στη τάξη, το συγκεκριμένο πρότζεκτ έχει πολύ έτοιμο υλικό για αυτό και η αξιολόγηση του θα είναι αυστηρή ως προς τη ποιότητα της εργασίας. 

Εκφώνηση θέματος τεχνοοικονομικής αξιολόγησης εργοστασίου βιοαιθανόλης

Σχεδιάστε το βασικό διάγραμμα ροής για μία μονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης από σάκχαρα. Το διάγραμμα ροής που θα δημιουργήσετε στο ΣΧΕΙ θα είναι μέρος του συνολικού διαγράμματος που θα ολοκληρωθεί στο ΣΧΕΙΙ. Η δυναμικότητα της μονάδας θα είναι 5.000 τόνοι βιοαιθανόλης το χρόνο.

Η πρώτη συσκευή στο διάγραμμα ροής που θα αναλυθεί περαιτέρω θα είναι ο αντιδραστήρας όπου θα λαμβάνει χώρα η όξινη υδρόλυση της βιομάζας. Θεωρούμε πως η βιομάζα (άχυρα καλαμποκιού για παράδειγμα) έχει υποστεί προκατεργασία που περιλαμβάνει διάφορα στάδια (άλεση, προθέρμανση, όξινη υδρόλυση, εξουδετέρωση όξινου διαλύματος, διαχωρισμοί υγρών στερεών.

Η σύσταση της βιομάζας που εισέρχεται στην όξινη υδρόλυση έχει ως εξής:

Στον αντιδραστήρα όξινης υδρόλυσης μία τυπική σύσταση είναι 30% κ.β. στερεά. Αρχικά σε αυτό το στάδιο μπορουμε να υποθέσουμε ότι υδρολύεται 90% της ημικυτταρίνης, 5% της κυτταρίνης και ότι διαλυτοποιούνται 5% της λιγνίνης και 50% της ανόργανης τέφρας. Ουσιαστικά δημιουργούνται έτσι δύο φάσεις, η στερεή (θα πρέπει να υπολογίσετε τη σύσταση της) και η υδατική που περιέχει ότι διαλυτοποιήθηκε. Η έξοδος του αντιδραστήρα όξινης υδρόλυσης εκτονώνεται σε δοχείο εκτόνωσης όπου απομακρύνεται στην αέρια φάση μέρος του νερού και μέρος της φουρφουράλης και οξικού οξέος (παραπροϊόντα που παράγονται από τα σάκχαρα κατά την όξινη υδρόλυση που σε αυτό το πρώτο στάδιο θα θεωρήσουμε ότι δεν παράγονται καθόλου). Μπορείτε να θεωρήσετε ότι απομακρύνετε μόνο νερό, συγκεκριμένα το 35,6% του νερού του αντιδραστήρα. Στην πράξη απομακρύνονται εν μέρει και φουρφουράλη και οξικό οξύ που έχουν παραχθεί ως παραπροϊόντα της όξινης υδρόλυσης.

Ακολουθεί διαχωρισμός υγρών στερεών που έχει ως σκοπό να διαχωρίσει το υδατικό ρεύμα που προκύπτει από την όξινη υδρόλυση της βιομάζας και την εξουδετέρωση του οξέος. Το ρεύμα εισόδου στο διαχωριστή περιέχει περίπου 30% κ.β. στερεά (θα πρέπει να το υπολογίσετε) είναι τυπικά στους ~75 ^oC και Πίεση ~4 atm.

Κατά τον πρώτο διαχωρισμό προκύπτουν δύο φάσεις, μία στερεή που περιέχει 65 % κ.β. στερεά και 35% κ.β. το υδατικό διάλυμα που αποτελείται από νερό και τα συστατικά που έχουν διαλυτοποιηθεί. Η δεύτερη φάση είναι το υπόλοιπο υδατικό διάλυμα σακχάρων, δηλαδή νερό με ότι έχει διαλυτοποιηθεί. Η στερεή φάση πλένεται με ποσότητα νερού ίση με το βάρος της. Μετά τη πλύση θεωρούμε ότι η σύσταση της στερεής φάσης παραμένει 65% κ.β. στερεά με το υπόλοιπο καθαρό νερό. Το νερό πλύσης ενώνεται με την υδατική φάση και έτσι εξασφαλίζεται ότι όλα τα διαλυτοποιημένα σάκχαρα παραμένουν στην υδατική φάση στην οποία πρέπει να λάβει χώρα ρύθμιση του pH. Περαν της ρύθμισης του pH, το διάλυμα αυτό αποτοξικοποιείται, θεωρούμε ότι απομακρύνονται οι διαλυτοποιημένες λιγνίνη και ανόργανη τέφρα με μηδαμινές απώλειες σε σάκχαρα (υπόθεση).

*Υπάρχει η επιλογή πρώτα να γίνει η ρύθμιση pH και μετά ο διαχωρισμός και η αποτοξικοποίηση, με αντίστοιχες παραδοχές.

Η είσοδος στον αντιδραστήρα ενζυμικής υδρόλυσης αποτελείται από τη στερεή βιομάζα που περιέχει κυρίως κυτταρίνη, λίγη ημικυτταρίνη και λιγνίνη και ανόργανη τέφρα.

Τυπικές συγκεντρώσεις αυτού του ρεύματος σε στερεά είναι 10-30% (παράμετρος βελτιστοποίησης). Ως πρώτη προσέγγιση για το πρότζεκτ του ΣΧΕΙ θεωρείται σταθερή συγκέντρωση 20%. Επιπλέον, εισάγεται και κοκτέιλ ενζύμων σε συνήθεις συγκεντρώσεις ~20-100 mg enzymecocktail / g cellulose (παράμετρος βελτιστοποίησης). Τυπικοί χρόνοι παραμονής είναι μεταξύ ~60-80 h(παράμετρος βελτιστοποίησης που είναι άμεσα συνδεδεμένος με τη συγκέντρωση των ενζύμων – μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ενζύμων οδηγούν σε μικρότερους χρόνους παραμονής και επομένως μικρότερους αντιδραστήρες αλλά αυξημένο λειτουργικό κόστος λόγω κόστους ενζύμων).

Σκοπός αυτού του σταδίου είναι η ενζυμική υδρόλυση κυρίως της κυτταρίνης και της εναπομείνασας ημικυτταρίνης προς τα μονοσάκχαρα τους, το βασικό (αλλά όχι μοναδικό) προϊόν είναι η γλυκόζη. Θεωρήστε ότι σε αυτό τον αντιδραστήρα διαλυτοποιείται προς μονοσάκχαρα 90% της κυτταρίνης και 100% της ημικυτταρίνης που είχε απομείνει, η λιγνίνη και η ανόργανη τέφρα παραμένουν ως στερεά στην έξοδο του αντιδραστήρα.

Στην έξοδο του αντιδραστήρα ενζυμικής υδρόλυσης λαμβάνει και πάλι διαχωρισμός στερεού υγρού. Όπως και πριν προκύπτουν δύο φάσεις, μία στερεή που περιέχει 65 % κ.β. στερεά και 35% κ.β. το υδατικό διάλυμα που αποτελείται από νερό και τα διαλυτοποιημένα σάκχαρα. Η δεύτερη φάση είναι το υπόλοιπο υδατικό διάλυμα σακχάρων, δηλαδή νερό με ότι έχει διαλυτοποιηθεί. Η στερεή φάση πλένεται με ποσότητα νερού ίση με το βάρος της. Μετά τη πλύση θεωρούμε ότι η σύσταση της στερεής φάσης παραμένει 65% κ.β. στερεά με το υπόλοιπο καθαρό νερό. Το νερό πλύσης ενώνεται με την υδατική φάση και έτσι εξασφαλίζεται ότι όλα τα διαλυτοποιημένα σάκχαρα παραμένουν στην υδατική φάση η οποία ενώνεται με την υδατική φάση που εξήλθε από τον αντιδραστήρα όξινης υδρόλυσης, ρυθμίστηκε το pH της και αποτοξικοποιήθηκε. Το συνολικό υδατικό ρεύμα σακχάρων οδηγείται σε δεξαμενή αποθήκευσης από την οποία τροφοδοτούνται οι ασυνεχείς βιοχημικοί αντιδραστήρες παραγωγής βιοαιθανόλης.

Στο βιοχημικό αντιδραστήρα τροφοδοτείται η καλλιέργεια και το διάλυμα σακχάρων για ζύμωση προς αιθανόλη. Τυπικοί χρόνοι παραμονής στο βιονατιδραστήρα αυτό είναι οι 60 ώρες. Επιπλέον, απαιτούνται 6 ώρες για προετοιμασία του βιοαντιδραστήρα, 3 ώρες για φόρτωμα στην αρχή των αντιδράσεων και 3 ώρες για ξεφόρτωμα στο τέλος των αντιδράσεων, δηλαδή σύνολο 12 ώρες. Θα πρέπει να υπολογιστεί ο απαιτούμενος αριθμός αντιδραστήρων για τη ζητούμενη δυναμικότητα βάσει ορθού χρονοπρογραμαμτισμού.

Υποθέστε ότι ο αντιδραστήρας με όποια στελέχη βακτηρίων επιλέξετε επιτυγχάνει μετατροπή γλυκόζης σε βιοαιθανόλη κατά 90% του θεωρητικά μέγιστου και μετατροπή ξυλόζης κατά 70% του θεωρητικά μέγιστου. Και στις δύο περιπτώσεις η θεωρητικά μέγιστη τιμή παραγωγής βιοαιθανόλης είναι 0,51 g βιοαιθανόλης ανά g σακχάρου (είτε γλυκόζη, είτε ξυλόζη).

Όροι αναζήτησης:

Cellulosic ethanol, second generation bioethanol, lignocellulosic biomass to bioethanol, technoeconomic study, feasibility assessment

Κάποιες χαρακτηριστικές εργασίες για 2^ης γενιάς βιοαιθανόλη:

https://www.mdpi.com/2227-9717/12/5/987

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10012730/

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6117988/

https://www.mdpi.com/2311-5637/7/4/268

https://www.nrel.gov/docs/fy10osti/46588.pdf

https://www.nrel.gov/docs/fy11osti/47764.pdf

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852424002980?via%3Dihub

και βίντεο που εξηγούν τα βασικά σημεία της διεργασίας:

https://www.youtube.com/watch?v=fCvlaXLisAw

https://www.youtube.com/watch?v=i1HQ4PsUjsA

https://www.youtube.com/watch?v=ctNrVfXzw9o

https://www.youtube.com/watch?v=JALTcEIZoZw

https://www.youtube.com/watch?v=h7fJu2_NOek

Η εργασία είναι υποχρεωτική και ομαδική με 5 μέλη ανά ομάδα. Η εργασία θα δώσει εξτρά βαθμούς (1 – 2), απαραίτητη προϋπόθεση για να περάσει κάποιος το μάθημα είναι να πάρει βαθμό στη τελική εξέταση >4. Προαιρετικά η συγγραφή της εργασίας μπορεί αν γίνει στα αγγλικά. Τόσο στα ελληνικά όσο και στα αγγλικά θα γίνει έλεγχος λογοκλοπής.

Παράδειγμα περιεχομένων

1. Επιτελική Σύνοψη Ελληνικά και Αγγλικά
2. Εισαγωγή
3. Τεχνική ανάλυση ανα επιμέρους μονάδα
   • Βασικό Διάγραμμα Ροής Μονάδας Παραγωγής (BFD)
   • Μονάδα όξινης υδρόλυσης
   • Μονάδα διαχωρισμού ρευμάτων όξινης υδρόλυσης
   • Μονάδα ενζυμικής υδρόλυσης
   • Μονάδα ζύμωσης
   • Διαστασιολόγηση βασικού εξοπλισμού
   • Σύνοψη βασικού εξοπλισμού
4. Συζήτηση Αποτελεσμάτων
   • Πρώτες Ύλες
   • Αντιδράσεις
   • Σύστημα Αντιδράσεων
   • Σύστημα Διαχωρισμού
5. Συμπεράσματα
6. Βιβλιογραφία