SUPERVISOR
مرضیه شفیعی (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Mahsa Dehghanzad
مهسا دهقان ضاد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Simulation, Design, Technical and Economic Analysis and Heat Integration for the Biological Production of Acetone, Butanol and Ethanol (ABE) from Sweet Sorghum Whole Plant
Acetone, butanol and ethanol (ABE) fermentation is an old technique. Until the 1950s, it was one of the largest fermentation industries in the world that used for ammunition and colors production. Then, for various reasons, it lost the ability to compete with the petrochemical butanol production industry, and it apos;s production was not economically feasible. Recently, new features have been discovered of butanol, which features the same as an advanced biofuel, and it has made efforts to produce economical and competitive products in the industry. The most important issue of the feasibility of biobotanol production through fermentation of ABE, absence of cheaper substrate and optimal fermentation and recovery process for the product separation unit. In the meantime, with the goal of various conceptual design results from experimental results and their economic estimates, they try to provide the best design with the goal of high profitability for the production of butanol fermented. In this project, the conceptual design of six scenarios was different from butanol production with the implementation of the Aspen Plus V8.8 software. Then, with using the Aspen Process Economic Analyzer V8.8 software, the technical and economic evaluation of these processes was analyzed, effective parameters on the results of specific design and simulation, and the necessary steps to optimize the processes are investigated. In this regard, the sweet sorghum plant was chosen as a cheap substrate for feed to these biofuel refineries, which also has a sugar and starch content (grain and juice) and a lignocellulosic component (stalk) and the use of all of these components to simulate the production of biofuels has contributed greatly to optimization. Subsequently, the design of different parts of the process involves the preparation of feed, the pretreatment with acetone, which is supplied from the process product, sulfuric acid, hydrolysis, fermentation, separation and lateral services, which focus of this project is based on a variety of fermentation methods for optimization. For this purpose, different modes of hydrolysis and fermentation of “separate hydrolysis and fermentation (SHF)”, “simultaneous saccharification and fermentation (SSF)”, and “simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF)” were compared for ABE production from delignified bagasse. Finally, the direct fermentation of the whole stalk without extraction of juice was selected in two solid-liquid ratios of 1 to 5 and 1 to 10. After the economic evaluation of these scenarios, Stalks direct fermentation process without extraction of juice with a solid to liquid ratio of 1 to 5, with each tonne of butanol has cost for investor about 490 $, the most economical process was known. Butanol production capacity in this scenario is 11185 tonne per year and with a total investment is 50.85 million$. The return on investment obtained after 6.45 years. After identifying the best economic scenario, the thermal integration of heat exchanger network was carried out using the Aspen Energy Analyzer v8.8 software. During optimization of this network using Pinch Analysis, with an investment about 1739000$ for to retrofit and change the area of heat exchangers, it is possible to save 425300$ per year on operating costs, that operating costs are mainly the annual utility costs of the heat exchangers. It should be noted that the investment cost of retrofit of heat exchangers network is returned to the investor after four year r Keywords : Acetone- butanol - ethanol- sweet sorghum plant- Techno economic- SHF- SSF- CF- Pinch Analysis
تخمیر استون، بوتانول و اتانول (ABE) یک عمل قدیمی است. تا قبل از سال های 1950 یکی از بزرگ ترین صنایع تخمیری جهان بوده،که برای تولید مهمّات و رنگ های لاکی استفاده می کردند، سپس به دلایل مختلف توانایی رقابت با صنعت تولید بوتانولِ پتروشیمیایی را از دست داد و تولید آن به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نبود. به تازگی خصوصیات جدیدی از بوتانول کشف شده که همین خصوصیات آن را به عنوان یک سوخت زیستی پیشرفته معرفی کرده و باعث شده تلاش برای تولید اقتصادی و رقابت این محصول در عرصه ی صنعت ضروری به نظر رسد. مهم ترین مسئله ی امکان سنجی اقتصادی تولید بیوبوتانول از طریق تخمیر ABE، فقدان سوبسترای ارزان قیمت و فرآیند تخمیر و بازیابی بهینه برای قسمت جداسازی محصول است. در این میان با هدف طراحی های مفهومی مختلف حاصل از نتایج آزمایشگاهی و برآوردهای اقتصادی آن ها تلاش می شود، تا بهینه ترین طراحی با هدف سود دهی بالا برای تولید تخمیری بوتانول فراهم شود. در این پروژه طراحی مفهومی شش سناریو متفاوت از تولید بوتانول با به کارگیری نرم افزار Aspen PlusV8.8 انجام؛ سپس با استفاده از نرمافزار Aspen Process Economic Analyzer V8.8ارزیابی فنی و اقتصادی این فرآیندها تحلیل و بررسی شد، تا پارامترهای مؤثر بر نتایج حاصل از طراحی و شبیه سازی مشخص، و راه کارهای لازم جهت بهینه سازی فرآیندها بررسی شوند. در این راستا گیاه سورگوم شیرین به عنوان سوبسترای ارزان قیمت، خوراک این پالایشگاه های زیستی انتخاب شد. این گیاه هم دارای قسمت قندی و نشاسته ای (دانه و شیره) و هم قسمت لیگنوسلولزی(ساقه) است و استفاده از تمامی این قسمت ها برای شبیه سازی تولید سوخت زیستی، کمک شایانی به بهینه سازی طرح کرده است. پس از آن طراحی بخش های مختلف فرآیند شامل آماده سازی خوراک، پیش فرآوری با استون، که از محصول فرآیند تامین می شود و سولفوریک اسید، هیدرولیز، تخمیر، جداسازی و سرویس های جانبی می باشد،که تمرکز این پروژه بر روی انواع روش های تخمیر برای بهینه سازی است. به همین منظور انواع روش های تخمیریSHF ،SSF، SSCF و تخمیرمستقیم کل ساقه به صورت یکجا طی دو سناریو متفاوت بررسی شد. تخمیر(SHF) به منظور انجام مرحله ی هیدرولیز و تخمیر هر یک به صورت جداگانه، و تخمیر شیره به صورت مستقیم پس از استخراج، (SSF) انجام هم زمان مرحله ی قندسازی و تخمیر برای باگاس ساقه و تخمیر شیره به صورت مستقیم پس از استخراج، (SSCF) انجام هم زمان مرحله ی قندسازی و تخمیر باگاس ساقه و شیره به صورت هم زمان و در نهایت تخمیر مستقیم کل ساقه بدون استخراج شیره در دو نسبت جامد به مایع 1 به 5 و 1 به 10 انتخاب شده است. پس از ارزیابی اقتصادی این سناریوها، سناریوی فرآیند تخمیر مستقیم کل ساقه بدون استخراج شیره با نسبت جامد به مایع 1 به 5، با قیمت تمام شده ی هر تن بوتانول 490 دلار ، اقتصادی ترین فرآیند شناخته شد. ظرفیت تولید بوتانول در این سناریو ,11185 تن در سال و با سرمایه گذاری کل 50/85میلیون دلاری، شاخص بازگشت سرمایه 6/45 سال بدست آمد. پس از مشخص شدن بهترین سناریوی اقتصادی، انتگراسیون حرارتی شبکه ی مبدل های این سناریو با استفاده از نرم افزار Aspen Energy AnalyzerV8.8 انجام شد. طی بهینه سازی این شبکه با استفاده از آنالیز پینچ، می توان با 1739000 دلار هزینه ی سرمایه گذاری در راستای اصلاح و تغییر سطحمبدل ها،300, 425 دلار سالیانه در هزینه های عملیاتی که عمدتا تامین یوتیلیتی سالیانه مبدل ها می باشد، صرفه جویی کرد. لازم به ذکر است که هزینه ی سرمایه گذاری اصلاح شبکه ی مبدل ها پس ازطی 4 سال به سرمایه گذار برگردانده می شود. واژگان کلیدی استون- بوتانول- اتانول- سورگوم شیرین-آنالیز فنی واقتصادی- SHF - SSF- SSCF- آنالیز پینچ