Continue vergisting van melasse tot ethanol

o ""

Nr:

2459

Laboratorium voor Chemische Technologie

-'

o

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

o

.... P ... J .•... DAJJ.D.Ey ... li •... lI!XEMML ..

o

onderwerp:

o

... , ... ETHANOL ... .

b

!

adres: _R~ Holstlaan

"

327, 'Delft opdrachtdatum : . april

79

..J~ ~ verslagdatum : _jnui

79

~~ +~ , i'~' • "

..

,

o

o

J

0

I

'.

0 ,J " .', ~: "

.'

r

₁ 0 ~c d., )

J.

0

o

.;

.,'

e

o

, '. ~ t , :r" ,\

....

c

( 0 0

o

o

o

1. INHOUDSOPGAVE 2. SAf'ENVATTING

3.

CONCLUSIES EN AAlmEVELINGEN 4. INLEIDING

5.

UITGANGSPt~TEN VOOR HET ONT~~RP

1 1 2 3 4 6

6.

BESCHRIJVING VAN m:T AFrrOSFERISCH PROCES

7

6~1. De sterilisatie

7

6.2. De fermentatie

9

6.3.

De destillatie 12

7. BERE!KENING VAN DE APPARATUUR BIJ HET ATf,10SFERISCH PROCES 13

8. HET VACUill<r PROCES 20

9.

BEREKENING VAN DE APPARATUUR BIJ HET VACUUM PROCES

'Q

10. IETS OVER DE PROCES F;CONOMIE

10.1 Het atmosferische proces

10.2 Het vacuum proces

12. LITERATUUR 13. SUrBOLEN LIJST Bijlage A 'Bi jlage B Bijlage I Bijlage

n

Bijlage

m

Bijalge IV Bijlage V Bijlage VI Bijlage

vn

: Warmtewisselaars

: Berekening van het warmte-overdragend oppervlak :

·

·

·

·

·

·

in de ferment oren

Berekening centrifuges; kosten-optimalisatie Vloeistof-damp-evenwichten

Dimensionering van de absorptiekolommen De dimensionering van de destillatiekolommen Berekening van een a8ntal kosten

23

31 31 31

32

33

o

c

c

c

[

c

o

o

o

o

- - - -- - - _ ... _ -2. SAME.!.'fVATTING

Dit fabrieksvoorontwerp bekijkt de continue vergisting van melasse tot ethanol met behulp van ~~cch~E~~~~~ cerevisiae Wanneer het proces onder de gebruikelijke condities wordt be-dreven( 1 bar en 300C ) moet een aanzienlijke hoeveelheid wa-ter de hele procesgang meemaken, omdat de melasse verdund moet worden van 5~~ tot 1~t sacoharose. Reden hiervan is, dat de ethanolconcentratie in de fermentor niet boven 8 à 10

%

mag komen, dit om te voorkomen dat de groei van de gist geremd en

wat erger is, het omzettingsrendement van suiker naar ethanol . ~l I '- "_. -Î Z l<J\'è.~JL r>~,.It .. ~~~c.L->

( \' , • ( 4 A X . (., \J: . ...,J,'-tJ.V

vermindert· •

Verdunning met water is niet nodig wanneer\de fermentor vacuUm

'\

~~

...

\,~

•. J.-H

g~~~~n

lo1ordt. De geproduceerde ethanol wordt dan continu door

l

~~;."

verdamping samen met de CO

2- stroom verwi jderd en na recompres

-~.,..)

sie gecondenseerd. We hoeven nu minder water mee te nemen in de destillatie, echter daar staat tegenover dat de compressie van de dampstroom heel "lat energie vraagt. Om te kijken of het vacuUmproces .. rel zo economisch is als door diverse auteurs ( 1 ) wordt beweerd, is naast het proces w~i~~thanol wordt

",";..:;.

afgedampt uit- d~·~ ook het continue proces onder atmos-ferische condities doorgerekend. Bij dit laatste proces wordt de ethanol als een 51o-ige stroom onderuit de ferment or afgetapt en, na door e~n 00ntinue centrifuge van gist bevrijdt te zijn,

naar de destillatiesectie gestuurd.

Als grondstof hebben we melasse gekozen omdat hierover voldoen-de literatuur beschikbaar was. We zijn uitgegaan van 100DOO ton

",,) 7 melasse per jaar. Dit levert dan ongeveer 300.000 hl industriële

.. Î

<i

(.t k.

J.-.vl..

1"'-1" ethanol van 95% op (24000 ton/jaar). De pri js van de ethanol

op basis van de productiekosten is voor het atmosferische proces geschat op f 76/hl en voor het vacuUmproces op f 74/hl. De prijs yan absolute ethanol was vorig jaar op de nederlandse markt

_{_}

..

----f 140/hl (:.1).

I

c

c

[)

o

o

o

o

o

3. CONCLUSIES EN AANBEVELING:r<:1l , ..

/~-Er is bij een bepa.alde produktie een optimale fermentorgrootte. Deze \-lordt door economi sche criteria bepaald.

Als beide processen vergeleken worden dan valt meteen het ver-schil in ingewikkeldheid op. Hij vonden dat beide processen ongeveer even rende.bel waren, hetgeen toch wel verrassend was. Een aantal mogelijkhed.en, die wij zien om het vacuUmproces

ren-dabeler te maken zijn:

a) De fermentatietemperatuur op 350C te brengen. Dit kan door een thermotolerantere variëteit bakkersgist te nemen. Het voordeel van deze ingreep is dat de druk iets stijgt en er een rijkere ethanol-damp stroom uit de ferment or wordt afge-zogen. Omdat de totale hoeveelheid ethanol in de damp

vast-ligt heeft dit tot gevolg dat er minder water verdampt en

dat de totale molenstroom damp minder wordt. Dit resulteert in een vermindering van de compressiekosten en van de des-tillatiekosten. Omdat er minder water verdampt kan de melasse in nog geconcentreerdere vorm de fermentor in.

b) De vloeistofringpompen kunnen misschien met behulp van stoom-turbines aangedreven worden. Dit heeft als voordeel dat er geen dure electrische energie hoeft te worden gebruikt.

r

'rN'( v ~J' Y' c)

u.JV"- .. 41./

\\~~-' k ... \ .

Het systeem van warmtewisselaars is ongetwijfeld te vereen-voudigen en verder te optimaliseren •

• \ &)IV'-") '

-~ir / ) 1"" Hoeveel zuurstof er onderin de fermentor moet worden ingeblazen,

/.

\

l

zal nog verder onderzocht moeten worden.

De ophoping van giftige stoffen in de fermentor kan nog een bron van problemen zijn. Verder onderzoek op dit punt lijkt ons nodig.

o

c

Co

o

o

o

o

o

o

Cl 4. IN LEI DIN G

Naar aémleiding Vé'n verwachte tekorten <"an vloeibare brandstoffen

wordt druk naar vervangingsmiddelen gezocht. Het is dan ook te be-grypen dat , naast de katalytische omzetting van etheen naar

ethanol, de fermentatieve route weer meer belangstelling trekt(3). Hét voordeel van de fermentatie is dat de grondstoffen niet

uit-geput hoeven te raken. Immers, men kan elke vergistbare suiker

gebruiken. Het is bijvoorbeeld ook mogelijk cellulose te

hydroly-seren, een grondstof, die onuitputtelijk is, mits genoeg bos wordt aangeplant. 1<1ede gezien de sti jgende energiepri jzen wordt het zaak

oude processen te optimaliseren. Zo is het in ieder geval wenseliJK

een batchproces waar mogelijk te vervangen door een continu. Een onderzoek met als doel de optimalisatie van de vergisting van melasse tot ethanol is aangepakt door Uilke e.a. (1 ,Ij) IJ l i j stellei1

een drietal verbeteringen voor:

a) Overgaan van batch- naar continue procesvoering.

b) Reoirculeren van de uit de produktstroom afgescheiden gist naar de fermentor. Het is hierdoor mogelijk een hogere produktie uit een even groot volume te krijgen.

c) Ethanol onder vacuüm afdampen. Dit heeft tot gev9lg dat ,ongeacht de concentratie aan suiker in de voeding van de fermentor, de ethanolconcentratie op een constant laag niveau gehouden wordt. Hierdoor wordt de ethanol-inhibitie, die bij

7%

ethanol al aanzienlijk wordt, opgeheven. Tevens wordt op destillatiekosten uitgespaard, omdat er minder water gebruikt hoeft te worden voor de verdunning van de melasse en er dus ook minder water uit de ethanol gehaald moet worden.

Het leek ons' interressant, dit vacuümproces wat verder uit te diepen. Ter vergelijking wordt het continue proces met gistrecycle in be-schouwing genomen.

Door dit verslag zal dus een tweedeling lopen. En wel als volgt Na hoofdstuk vijf (Uitgangspunten) wordt in hoofdstuk zes eerst het atmosferische proces beschreven.

Hoofdstuk zeven geeft de berekeningen, motivering van apparaatkeuze en bale.nsen van het atmosferische proces. Evenzo wordt in de hoofd-stukken acht en negen het vacuÜIDproces behandeld.

o

c

c

o

o

o

o

o

o

o

5

In hoofdstuk tien is het econ6mische gedeelte te vinden van beide processen, '\oIaé'.rna in elf de symbolenlijst volgt.

Een opsomming van de gebruikte literatuur en enige bijlagen

o

I

'e

I

!0

I I

o

o

o

o

o

o

5.

UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTHERP

We zijn begonnen de Nederlanse hoeveelheid melasse die

jaar-lijks verhandeld wordt te bekijken. Deze bleek ongeveer

291

kTon te zijn in

1978

(2).

(1972: 233

en

1973: 219).

Verder was

de productie van aan alcohol vorig jaar

689.103

hl

(1972: 538

en

1973: 565).

Een fabriek met een jaarlijkse afname van

100000

ton melasse en daarmee een productie var. ongeveer

300.103

hl

alcohol is dus voor de Nederlandse situatie erg groot te noemen.

Toch hebben we deze ca9aciteit gekozen om een redelijke

fabrieks-grootte' te krijgen en omdat er in de toekomst andere toepassingen

voor alcohol te verwachten zijn (bijv. motorbrandstof).

- De installaties draaien vol continu>

300

dagen per jaar.

- De grondstof, melassE:, bestaat voor de helft uitvergistbare

suikers en bevat tevens

30%

niet-waterige bestanddelen.

Gespuid wordt: a) Een CO

2- stroom. Deze is in een absorptiekolom gewassen met

water dat terug het proces ingaat en zal dus geen problemen

geven.

De bodemstroom van de destillatie. Deze stroom bevat naar

schatting

2.10

6

inwoner~equivalenten

en zal dus van te voren

gezuiverd moeten worden. We nemen aan dat dit op eenvoudige

wijze kan in een oxidatiesloot met borstelbeluchting.

c) Koelwater: dit kan probleemloos worden geloosd daar de

tem-peratuur lager dan 400C is.

- De geproduceerde ethanol zuiveren we met behulp van een

enkel-voudige destillatie tot

95%.

~ - In de gedeelten van het proces waar steriliteit vereist is hebben

we roestvrij staal 31~ genomen. Verder hebben gebruik gemaakt van

roestvrijstaal 304.

W

-

Qt

-

;

-etÎACt.&.0t

o

c

c

c

c

·

o

o

o

o

6. BESC1-''RI.TVIN<1 VAN ~T ATMnSPERISC'HE PROCES

Aan de hand van het -rrocesschema. zal het een en ander toegelicht worden. Het proces yan opgedeeld worden in drie delen namelijk sterilisatie, fermentatie en destillatie.

6.1. De aterilisatie

~

'-Volgens ~{i1ke(1) kan het best met een 1~ saccharose voeding ge-werkt worden. De melasse, een

50%

saccharose oplossing, moet dus eerst verdund worden. Dit gebeurt continu in een geroerd mengvat V1 met gewoon leidingwater. Voor de groei van gistcellen is naast suiker ook een aantal andere voedingsstoffen nodig. Cysewski en Wilke (~) noemen hier per kg glucose:

86 g gist 13,3 g NH

4

CI 1,21 g MgSO 4. 7R 20 0,61 g CaC1 2

Deze stoffen worden als waterige oplossing (stroom 2) gedoseerd. Verder zijn volgens Hebb(S) enkele spore-elementen nodig alsmede biotine en steroïd en lipoïd materiaal. We nemen aan dat de me-lasse de nodige spore-elementen bevat. Ret overschot aan gist

(stroom 18) wordt in z'n geheel als voedingsgist gebruikt en zorgt voor de door Webb genoemde organische voedingsstoffen. Met behulp van pomp P2 wordt de voeding op druk gebracht en met een platenwarmtewisselaar H3 voorver\'farmd tot 116~C. Een stoom-gecondenseerde tube/shell l'Tarmtewisselaar R4, die met L.D. stoom gevoed wordt, warmt de voeding verder op tot 1300C waarna in een geïsoleerde spiraal 2,5 m1llgesteriliseerd \·lOrdt. Gekozen is voor deze continue methode van steriliseren (R.T.S.T. ~ High Temperature Short Time) omdat de afsterfreakties van temperatuur-resistente micro-organismen een hoge activeringsenergie hebben{b). Bij een hoge temperatuur zullen deze reacties relatief sneller verlopen dan nevenreacties zoals bijvoorbeeld de Maillardreactie tussen carbonyl- en aminogroepen

(6).

Rij de berekening van de stroomsnelheid in en de afmetingen van de sterilisatie-spiraal zal rekening gehouden worden met de

longi-I

, ,I\,,\'-! '(\. tudinale menging (7). Levenspiel (B) geeft een correlatie tussen ~"~ I, A

\

.0

':

"

~-J~y~ de dimensieloze longitudinale dispersiecoëfficiënt D,/üd en het

j.J \

\V'

Reynoldsp.:etal (ü is de n;emiddelde snelheid in en d de diameter

, .~~ 1,. y'\' .... -, .-.

" van de spiraal). In het beschouwde Re-gebied (10\ Re <.1 06) neemt

o

c

c

c

c

c

o

o

o

o

o

deze coëfficiënt waarden aan tussen 0,2 en 0,4. Kiezen wij het

ongunsti~ste ~eval, dan wordt D/üd = 0,4 en hiermee vinden we

het Bodenstein~etal: L

Bv:: L;

-

L -::

~ L, :: :2 ) S

ci-D o,l.j t;cl (6-1)

Aiba en Okabe(fj geven een set formules, waarmee n/no' de fractie micro-organismen die de sterilisatie overleeft, te berekenen is:

t1 _ It}. .;;

xp (

Gch.

;0 -

{I dil"o!.xr (

~~

>

J

-

(1':'';?YeAr (-

~~)

met:

1-=

V (

; r 'r

Nr/13c)

(6-3) en: N,~ =

k

'

L

/;:t

-1

waarin k de afsterfsnelheid in s" is:

k

::

d.

""~r

~-

h/(T;-

-).7

1)

1

(6-2) (6-4)

(6-5) T is de temperatuur in °C;

a'

en b' z1Jn constanten met numerieke

( ) 62 -1 60 -1 4

waarden

7

:

Cl'::: 3,11.10 min = 5,17.10 s en b'= 5,71.10 K.

Deze laatste formule kan ter vergelijking ook als Arrheniusvergelij~

king geschreven worden:

k:: kce-'(r[

-E

p

/(R(T+27'3))!

_(6-6)

met R= 1,98 cal/(mol K). Cl' is dan gelijkmn k , de afsterfsnelheid o

bij oneindig hoge temperatuur, en E~ is de activeringsenergie per mol. Numeriek: E

A;:: 113 kcal/mol. Voor Ba;>" 10 is de laatste term in

de noemer van (6-2) te verwaarlozen, daar î ~ 1 is. Omwerken van vgl. (6-2) levert ons nu:

~~ Îm4~t-~k(I+~)

BI:>

-;

:2 __ Vl-,-ç, _ _ _ ~-=-_ _ _ _ _

'( - ï (6-7)

De berekening wordt dan zeer eenvoudig: \ie kiezen een temperatuur en berekenen k. Verder geldt dat:

tPv..

Ir

u -:;

.

~ IT.

cF

(6-8)

We vullen dit verband tussen ü en 1/d2 in in het Reynolds-getal en vinden, dat Re

=

constante

·V

ü.

He kie!2ren nu ü zodanig dat 105

<

Re

<

106 en vinden d uit (6-8) en ronden deze af op een waarde uit het HEBCl-pri jzenboekje (:1). Hier-mee krijgen we een nieuwe u.

Met Ü, d en Bo = 2,5 L / d vinden we: z uit vgl. (6-3)., V~rder kiezen we voor n / n 2,5 • 10-1 2.

o

Aiba en Okabe (1) houden voor n/ n 2,5. 10-8 aan voor een

batch-o

proces en bereiken hiermee een eindconcentratie micro-organismen van

-1

10 mI • Om voor een continue proces aan de veilige kant te zitten steriliseren we een factor 1000 meer.

He vinden nu Ba uit(6~) en L uit Bo=2,5L/d. Verder is de sterili-satietijd '''L gedef!niëerd als I= L / ü (s).

D

o

c

o

[i

o

o

o

o

o

~--- ~~ ---~---~--- ._---_._~---.~---

-Na désterilisatiespiraal wordt de warmte in warmtewisselaar H3 weer

afgestaan aan de nog te steriliseren voeding. Om de ~ote van H3 te

o -~

beperken zetten we de uitgangstemperatuur op 35 C. Hierna gaat de

gesteriliseerde voeding de ferment or in. ~~ge~in~_!~~~!~~!~~

Stroom 1,2, 3 en 13 zijn op een vaste waarde ingesteld. Stoorm 18 is het restant van de giststroom uit de centrifuge. Een niveauregelaar

regelt de afsluiter na de sterilisatiesectie (in stroom

9).

De

tem-peratuur van de sterilisatiespiraal wordt met een temtem-peratuurregelaar en een kraan in de stoomleiding.constant gehouden. Een verandering van de voedingsstroom is alleen nodig als de suikerconcentratie in de ferment or sterk zou steigen. Kleine veranderingen in de suiker-concentratie worden bijgeregeld door meer gist naar de ferment or te retournerel1'.

6.2. De fermentatie

_{- -}

_{- - - -}

-In een geroerde tank bevindt zich de voor de vergisting benodigde

hoeveelheid gist. Deze gist de Saccharomyces cerevisiae, beter

be-kend als bakkersgist, zet onder ana

.-

erobe omstandigheden saccharose

of een andere vergistbare suiker om in ethanol en kooldioxide: 2C

2H

₅

0H

-.'-1368 kJ warmt e. vri j •

1 De vergisting kan op verschillende manieren geremd worden:

t

e-,.

a. Bi J'

...

\l;

een hogere zuurstofconoentratie treedt naast da vergisting ~

!y:. ~ een direkte oxidatie van de saccharose tot kooldioxide op:

C6H1206 + 602 -~ _{6co 2}

t

+ _6H20

Het is duidelijk dat dit proces meer energie levert.

b. Wanneer de suikerconcentratie in de ferment or beneden 0,3

%

komt

stopt de vergisting tot ethanol en krijgt de onder a. genoemde oxidatieve route weer de overhand.

..., c. Ethanol zelf remt de groei

Vo).

Boven ongeveer 12 ~ ethanol stopt de groei, terwijl zij bij wat lagere concentraties duidelijk ge-remd wordt.

d. Hanneer onder strikt anaerobe condities vergist wordt kunnen de gistcellen bepaalde stoffen (sterolen en essentiële vetzuren) niet meer aanmaken. Een remedie hierop is het toevoegen van deze

stoffen of het doorblazen van een minimale hoeveelheid zuurstof

(1).

Laboratoriumexperimenten van \filke, e.a. (3) in een ferment or van

4

liter tonen aan, dat een zuurstofspanning van 0,07 mm Hg optimaal

,

. IJ [

c

o

o

o

o

Ju

is (fig. 1, 1i t. 1 ). Bi j lagere concentraties neemt de groei af door gebrek aan essentiële voedingsstoffen en bij hogere conoentra-ties neemt de oxidatieve afbraakreaktie toe, zodat het rendement van de omzetting daalt.

Gestreeft dient te vlOrden naar een zo efficiënt mogelijke groei: hierbij gaat zo min mogelijk energie zitten in het "onderhoud" van de cel. De onderhoudsterm neemt toe als het milieu onvriendelijker wordt, bijvoorbeeld bij een hoge ethanolconcentratie. In het gunstig-ste geval is het omzettingsrendement van saccharose naar micro-orga-nismen gelijk aan: YsjM= 0,10 kg/kg. Dus per kg substraat (S) wordt 0,10 kg gist

(M)

gevormd. De hoeveelheid gist wordt altijd uitge-drukt kg droge stof (d.s.). Levende gist is minimaal 4 maal zo zwaar

t' U

als droge gist. Het omzettinsrendement van saccharose naar ethanol

(p) en naer kooldioxide zijn respectievelijk: Y

U

P

= 0,465 en Ys{éó

/

_ 2

=

0,44 kg kg. Dat de som van deze drie rendementen boven één

ui tkomt komt doordat er nog extra voedingsstoffen worden ingebouwd in de gist.

't.&"v ...

\I.'twilke, e.a. (I) vonden, dat een 10

U;

saccharoseconcentratie in de voe

-.

:, J->,

ding de beste resultaten geeft; De produktiviteit per m3 reaktor is

,.~ ,L .' I ,J~" )1<- ,,) , \ . r . ,)j' \. 1.'\' \,," '7"\ ~

.

~

dan maximaal (fig. 2, lito I). Als we de suikerconcentratie in de ferment or 0,3

%

houden ligt met Ys/p

=

0,465 de ethanolconcentratie vast. 'Een gebruikelijke fermentatietemperatuur is 30 oe. Aiba, Shoda en Nagatani vo) geven de groei snelheid en de ethanolproduktie als functie van ethanol- en suikerconcentratie bij 30 oe. Hiermee is dan de voor de omzetting benodigde hoeveelheid gist te berekenen~

AaIs p de ethanolconcentratie (in gIl) en S de suikerconcentratie is, dan is de groeisnelheid (9):

( . ) C.

]i

:.

Pc

t.,:r -

kp

'.

;) ,

K~ f. Cs

(6-9) Hierin zijn k

1 en Ys constanten en is }-<o de groeisnelheid bij cs» Ks en p == 0,. dus de maximale gr,:,eisnelheid.

}AG=

1/2,4 hr-1, k₁ :: 0,016 lIg en Y

=

0,22 gil.

s

Verder geldt, dat de totale gistproduktie gelijk is aan de groei-snelheid maal de totale gisthoeveelheid:

(6-10) waarin V het werkzame reaktorvolume en CM de concentratie aan gist in kg d.s./m3 en RM de produktie van gist is (kg d.s./s).

In de ferment or bevindt zich een dubbele koelspiraal, die met

koel-o

water van 20 C ervoor zorgt, dat de rea.ktie"Jarmte afgevoerd wordt en de temperatuur in de fermentor op 300 blijft.

hoeveel-o

( (

c

c

o

o

o

o

.~ u :>

..,

0 a. 4.0 Ö c 0 :: '" È 2.0 c ... E ü :> "C 0 0. ",2.0 " 0 E "ij u

.ho

_c (.0 E ~ O.ygen tensien (mm Hgl

J

1"

_1.0 0.8 !-l23 '.. f:. :=-.:: Ü :> "0 e 0. o c:: o 0.6 ::: '" u

Fig.b."i Productivities as a function of oxygen tension at a dilution rate of 0.22

hr-'. 8.9% glucose reed, T = 35°C; pH = 4.0. (.) Fermentor EtOH productivity; (x)

fermentor cel! mass productivity; (11) specific EtOH prodüctivity.

Per cent sugor in leed

Condlttons ol "Complete" Subslrote Utilizotien

0.9 0.8 0.7' ... ..: 0.6 .~ .~ u 0.5 -5 o 04 _. C. _u 0.3 .~ 0.2 0.1 o a. en

Figb-Z Effect of glucose concentration on continuous fermentation.

(

r

c

o

o

o

o

beid ethanol en wordt met leidingwater gewassen in gepakte kolom T7. De waterige ethanoloplcrssing, die onder uit T7 komt wordt door pomp p6 naar V1 gepompt (stroom 4) en de kooldioxide wordt gespuid. Een constante stroom perslucht zorgt voor de benodigde hoeveelheid

zuurstof in de fermentor (stroom 13).

Stroom 17 is de gistrecycle teneinde de gisthoeveelheid in fermentor op het gewenste peil te houden.

IJ.

Stroom 14, de aftap van de fermentor wordt met een .. niveauregelaar geregeld en gaat via pomp pB naar een "nozzle-discharge" scbc, telcentri-fuge. Deze continu werkende centrifuge is ingesteld op het afscheiden van deeltjes groter dan 3 micron uit het beslag. De gist wordt terug

-gevoerd als een 15 procentige suspensie. Dit is de maximale concen

-tratie, die met een schotelcentrifuge te halen is (perry). Na pomp P10 wordt stroom 16 in tweeën gesplitst: een deel gaat direkt naar

de ferment or terug en wat over is gaat naar ~. Stroom 15 bevat naast water en 5

%

ethanol alle niet-waterige bestanddelen uit de melasset 0,3

%

saccharose en de restanten van de gistcellen.

Vat V11 is e~n buffertank, die de produktie van de fermentor minstens 3 uur lang op kan vangen. StrDom 19 wordt door warmtewisseling met het bodemprodukt van de destillatiekolom (T14) voorgewarmd tot net beneden z'n kooktemperatuur en op schotel 29 de kolom ingestuurd.

In totaal bevat de kolom 39 schotels, waarmee de ethanol tot 95

%

gezuiverd kan worden. De topcondensor H17 wordt met een drukregelaar zo geregeld, dat net alle damp condenseert .• De reflux wordt met een debietregelaar geregeld. De destillaatstroom 25 wordt nagekoeld tot 300 met koelwater (H?O). Kookketel H30 zorgt voor de benodigde dampstroom in de kolom. Het bodemprodukt, dat nog veel organisch materiaal bevat, wordt na warmtewisseling met de voeding van de des

o

( .

o

o

o

r

IJ

7. REREKENING VAN DE APPARATUUR BIJ HET ATNOSFERISCRE PROCES

;J

V' ...

'f ';\~.1,Ai

'~" '-r'

In dit hoofdstuk worden de essentiële apparaten in volgorde van nume-ring berekend (voorzover mogeliJK). Als nulniveau voor de enthalpie

1.• s 200 C _ge.t\ozen. 1,

Mengtank V1

-_

...

---De verblijf tijd in de mengtank moet kort zijn, omdat stroom 18 nog levende gist bevat, die natuurlijk nlet mag gaan groeien in de meng-tank. We kiezen voor een gemiddelde verblijf tijd van 1 min. Hieruit volgt (uitgaande stroom 19,300 kgf s

=

0,0193 m3/ s) een volume van 1,16 m3• Geschikt liJKt daarom een complete cilindrische roertank van 1500 liter.

Pomp P2

---Het pompvermogen is bij benadering:

4

-

;../p

.

l1p

=

4 kW.

Voor de berekening van de warm ewisselaare H3 en H4 wordt verwezen naar bi jlage I.

We moeten eerst een keuze maken van

u.

We elim~neren d met formule

6-8 uit Re = fÜ

d/~

en vullen

~"'"

en r i n ..

<yt=

2.10-4 kg/ms bij 1300) Di t geefi: Re

=

7,84-105

'Vü

Daar 105

<

Re<106 moet zijn kiezen we ü= 1 mis. Uit formule 6-8 volgt dan, dat d= 0,157 m. De dichtstbijzijnde diameter uit het WEBCI-prijzenboekje is 0,165 m. Bij deze waarde wordt ü=0,903 mis.

\ .

>f"\yi

t'I V\

r;

We substitueren nu eers.t Nr en Bo in vergelijking 6-3 met

resl'ective-y~

(7-1)

.uJ;l-\~:~

lijk 6-4 en 6-1. Dit geeft:

)Ly,r

.

i

=

Vli

+1,b

kJ,/ü:)

\v' \

LL/ - -;, .

,r

L~ ~ v .

o

J~ We berekenen nu~ij een aantal sterilisatietemperaturen

achtereen-~ J.._

v

,~ volgens k, z, Bo, L en 1: met formule 6-5, 7-1,1 6...;.;1 en "!et 0=1/ü.

IT(Oc)1 k

~~~1)

--r-

-Z- - -B-O- - -: L-('-m-)--;-(s-;--j--· 1401, 4,671

-t--

1

·-

,5-3-8-3-

i

-9-9

----I--

6

-

,

-

5

-+--

-····

~~25

135 8,581.10-1 1,1185 1 450

I

29,8 33 8 -1

3

1

130

I

1, 04.10 1 ,026~ 2,05.10 135 150 1

~~

J_

4 ~~~9

_

.

_

1_0-

_

2

--C..,_

1_,

_OO_0_6---'!_· __

~~~~

_

~~~

~_

~~09.

____

~

-'.

6500 Tabel 7-1: Keuze van de sterilisatietemperatuur.

-o

c

c

'

c

Cl

c

'

o

o

o

o

(J

We }~zen 130 C. De redenen hiervoor zijn: a. de sterilisatietijd mag niet a1 te lang zijn. b. er kan nog net met lage druk stoom gewerkt worden.

~~~~~!~E_~2

~ _{,~-t ~L-~} .- . " I( .

(,.y."' ... I.'-.:"(.t.'., -l:·~ - :l,-""t- ~ I';-~~ )L..,.~

De hoeveelheid gist in de ferment or volgt uit 6-9 en 6-10:

8 -6 -1 3

,J;., = 4 ,5.10 s en G,.V_eff= 3,88.10 kg.

Met de keuze van cM,de gistconcentratie in de fermentor, ligt de effectieve grootte van de ferment or vast. Het werkelijke volume kiezen we 2~ groter omdat er altijd schuimvorming en vermindering van het volume door CO

2-holdup optreedt. Voor een fermentor met de gebruikelijke afmetingen en een dubbele zes-bladige turbineroerder wordt het roervermogen:

}>=

~

".

p

_

N~j)/

(vc!;'(' Rt>iO't) _(7-2)

Hierin is

r

de soortelijke massa, Di{ de diameter van de roerder

. (s-1).

en N het toerental •

L;V

N

=

~,t '])R~

t..."

Voor de mengt i jd t kiezen ,"ve t = 30 s.

m m

De totale kosten per jaar voor de fermentor bedragen:

(1-3)

K= prijs kolom (~~CI) x 5,8(geschatte Lang-factor voor

rand-apparatuur)~

7

2

xO,10(rente) + roervermogen x 24 x 300 (dagen)

x

0,06.10-3

~

(e~gieprijs

in

kf/k~f.h)

kf. (7-4) Uit de resultaten van de berekeningen (zie bijlagellI) voor ver-schillende gistconcentraties in de fermentor blijkt dat het kostenminimum bij 21 kg/m3 ligt. Het energieminimum ligt bij

25 kg/m3 (zie fig.

1-1 ).

\-le houden 25 kg/m3 aan en vinden dan voor het effectieve fermen-torvolume 155 m3 • De totale ferment or wordt hiermee 186 m3 • De diameter is dan 4,9 m en de hoogte 9,8 m. De reactiewarmte

(2569 k~n en de roerwarmte (299 kH, motorefficiëntie

90% )

en de warmte uit de voeding (350C) worden afgevoerd met een dub-bele watergekoelde spiraal (Zie bijlage .lJ-).

_.

Onderin de fermentor wordt perslucht ingeblazen. Volgens Cysew-ski en Hilke (11) is hiervoor 0,0.8 vol.%/min. nodig. Dit komt

- ....

_

.-neer op 0,002 kg/se

De damp stroom die de fermentor verlaat bevat naast alle CO

2 een hoeveelheid ethanol die in T1 geabsorbeerd wordt.

o

c

(î

o

o

o

o

o

1000 ,I x' I x / f . /

(kW)

1000 I . ! .1 500: I o ~ __________ L -_ _ _ _ _ _ _ _ ~~ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ~ _ _ ~ : 100 ·-~-~-1 50 ~. - . C'" (k31'M~)

...

i

.1. . J

Fig.

7-1:

Bepaling van de optimale fermentorgrootte.

~~~!::g~~=_~2

Bij de optimale fermentorgrootte blijkt uit tabel ][-1, dat een

centrifuge met een scheidingscapaciteit van

4,9.104

m

2

nodig ie.

Het energieverbruik is

371

kW.

De giststroom is

3,432

kg/s en bevat dus

0,15. 3,432

=

0,517

kg/s

gist. Aangezien stroom

18

de nettogistproduktie afvoert

(0,186

kg/s)

moet er

0,331

kg/s gist teruggevoerd worden naar de fermentor. De

recyclestroom

17

wordt dus

0,331/0,15

=

2,207

kg/se

Eerst hebben we evenwichtsvoorwaarden nodig. Daar om. slechts zeer

lage concentraties gaat, nemen we aan, dat geldt (12):

k -

1

_

f""'>

PdCl. W,,1,A

- - - A'

)~

_p

(7-5)

r~"" is dan de acti vi tei tscoëfficiënt van ethanol in veel water;

f'cJ4-1M

p.ls de dampdruk van A bij de procestemperatuur. We

vinden{1~

:

o

c

c

c

o

o

o

o

o·

- - - - --

-~--1b

We hebben daarbij aangenomen, dat de gemiddelde procestemperatuur 250 C is. Omdat x en y in kmol / (totaal aantal krool) bijna

het-)

zelfde i s al s kmol / (kmol inert) (aangegeven met een accent), wordt de vergelijking van de evenwichtslijn als volgt:

dl:: 0,:2 3 1.; ff.-/

Uit de fermentor komt een kooldioxidestroom met iets ethanol (bijlage ]I):

4

1

hl1J

,G ::

O, 0i

9

k.",~t/s

i

y~

~O

;

rJ01S'5

l~le voeden de kolom met looingwater, dus

7(.;::

o.

We kiezen 2 kg/s (dit levert een redelijke flowparameter op), dus

cPvv.j,L:::

0,111

kV'-1.:.:l/s.

I

Voor

Jr

kiezen we 0,00005 (komt overeen met

een verlies van 1 tja ethanol). Uit een mas sa-balans over de komom volgt (fig. 7-2):

I

)(13 :: 0, oo1,~:;

Het aantal evenwichtstrappen benaderen we

met de volgende formule (13):

d

r

,y~

-

k

x~

I\I~ -: ~

t 1 _

K

~iM"I.G

14".d,L

~-~

-

k

Jer'

Invullen leidt tot het resultaat: N~~:: $,:(.

(7-7)

~~J,LU

:1;

:t'r I i I i

I

I

I

..

I I ~i!

xd

Tf

~~I,b

Fig. 7-2: Mas~-balans .. (7-8)

Voor de dimensionering van de absorptiekolom verwijzen we naar bijlage V. De resultaten zijn een kolom met een diameter van 0,80 m en een lengte van 10 m (hoogte van de pakking 8,0 m).

Buffertank V11

Uit de centrifuge komt: 17,235 kg/s

=

62 ton/ho Bij problemen met de destillatie moet er ruimte zijn om de produkt stroom tijdelijk op te slaan. Reëel lijkt een tijd van drie uur. Een vat van 234 m3 is voldoende.

Warmtewisselaar H13

Voor de berekeningen ver~rijzen we naar bijlage I.

D~atillatiekolom T14

Gekozen \oTordt voor de grafische berekeningsmethode volgens fl.cCabe-Thiele. Dit mag als de molaire verdampingswarmten van

e~hanol ~~er ongeveer g~ zijn. Dit is het geval. De andere componenten verlaten de kolom via de bodem. We nemen aan dat ze geen invloed hebben op de evenwichtssamenstellin~en.

c

c

(

o

o

o

o

o

De voeding van de kolom is: };: = 0,861 kmol/a, AF = 0,0208.

Voor de destillaatsamenstelling kiezen we 0,881 (95

gew%

ethanol). De samenstelling van het bodemprodukt stellen we op 0,00005 (dit komy overeen met een verlies van ongeveer 50 tja ethanol).

De refluxverhouding moet vastgesteld worden. De minimale reflux-verhouding vinden we met behulp van het snijpunt van de q-lijn

(die bijna vertikaal loopt) en de evenwichtslijn (fig. 7-3~

.

•

He vi~den voor dit sni jpunt de coördinaten (0,18 , 0,0208). Dus:

R

.

_

0

;

881 -

o,c~og

\f\WO\

-o;'S - lJ,o'2o6 (7-9)

\ De optimale refluxverhouding is in de praktijk 1,5 ~ 2 maal de

( minimale refluxverhouding, dus R == 8. Daarmee ligt de vergelijking

van de eerste werkli jn vast:

11::

~

)( t · 'XD

=

o

;

86~

X .f

0

,

°97

9

(7-10)

J R H R +1

De tweede werklijn kan zo in de figuur worden getekend (fig.

7-3)

&

De bekende trapjesconstructie kan nu uiitgevoerd worden. We vinden, dat bovenin 17 en onderin 6 theoretische schotels nodig zijn. Voor de dimensionering van de kolom verwijzen we naar bijlage VI. De resultaten van de berekening zijn: diameter kolom 2,0 m,

lengte 21 m, met boven 28 schotelS en onder 11 schotels.

De weerstand voor warmte-overdracht buiten de pijpen moet bere-kend worden. Hiervoor kan formule 10-107 uit Perry bebruikt worden, welke in SI-eenheden als volgt luidt:

.

_

(~IAJ

'

CL.

)O

'

b

J

(r

.

ÀI.)C

l

l1

(p,-

J' 0.33

·lt,=Oj;U~ . - . - - 1

A

,

r- rf'

fG

Enig rekenen levert Qan een vergelijking in A:

..

11 - 0 I

~3

k

W/

1M;1 Ge

k ::.

133,'. (1

1-

=

AOI~j/133

.

t-O,1

iA

7

0U.

S ::

1 . 3'1,0.

Ft

J

Aot3/n"3

+

c;1

Hieruit volgt A == 41,3 m2• Zie ook tabel 1-1.

(7-11)

(7-12)

(7-13)

(7-14)

~~~~~~~!

r

~!I

.

Ook hier moet de warmte-overdrachtscoëfficiënt buiten de pijpen bepaald worden. Een nomogram uit Perry (fig. 10-9 in perry) levert hier een oplossing. We nemen een vertikale condensor met een leng-te van 3 m. We vinden dan een warmleng-te-overdrachtscoëfficiënt van

--_{: .1} ._' . -. _{:! :} r:,.-,.,,, .. -.--.-tC).,_ .

-"-'

''''1

°':-

"

...

;

..

.

'-

"

,-:---

0

"

.::::t _ ... , I"") . , . " . ~ .' .,: .

I

~

1

'

'

.

.

t"') , " 1 ('I I ," u

i, i'.' • . • . , j ' , l ' ; , ' :' ,: . : I; I ' : ' , : I '.: :::,! : ' 1 ', ' I I . : '. ; , I , ! : !, I :;:! I. ~ : • • .. :: ,_ . : . _ _ • _ : _ _ ._ . • _ ~ • .~. !. _ i ' : -. I . . i , .: ., . ï

, .

,

"','

I

,.1

i '. ' ..

!!

1--···· ' ... _L ..

_

.

_j .. _.

-'

1-

'-

"-17._.1 ... '1-"-.. : ... , .. ! ... _, .. . _ . . ; "; • "1" - r · I " . , .

j.

I

I

' I " ! '

:: : .. : :'; ~... ' . .. ï;':: . ( I " ' : ' , , ' '.,' " i:' '.: :::

'I,,:

I . . I ' .. : . . , ::- ' , I ;.. , , ' ! : , ' .1' 'I

, . ,.

,

"cl ..

'

~

P'

l

t

·,;

,

.

I . I

I

..

,.,

J,Cj~, ,"j_~

..

-I

·,J

'

..

1.-" ,. '.- -,,' .

.1.

J

".

,-'

.

,,,

_,._1"

~"'I

.. , . ... 1"'" 1''' -.'".

I

" ,

-

'-1'''

,"'

.,

d::'i :;",;:,:

, .

..,·h

"1/,-,-..

;1," ';' " 1 -

t--f-'l"~:-

-'

::';

'

-f7

7r~':

~'~

'

fl ~

·

1:]

L.

'

,

I

)!~

C~b.

::'Th

i

t~cbnki.l~Qti,è

·

~ar

..

i

del

'

bkr

:

kJnitl'lg

! .

!.:

lli

:.

l-)

I

,:!

.

:.:

,

:/1

.

i

:: •. : t' _{. 1} I; '1' .. ,. _' .j,.... ,.,

I'"

.

'

.

,

..

.

, '

:

:

:'

..

.

:.

.

.

.

:

. ! , I

~

'

~

"

t:

"

,

'

r" · I '

1

'

~

I , ! ' I I , . ' ; , ' I" I I ' I ' I I " l ' . I '. ' I I ' • .1.

'f .:

,

.

,,, i I , ! I , : / 00

:·

·

t

~

':';"

"

.

.

,1' ,.

I

v

~n

~

de

l

:~,LÇtttrle.t

,

atló.L . .d.e.s:t.H ..

t~e

.. (a;t1st'.em-'-"I ... :._.L .... ,.

·~·

A"-

-~

...

.

,,

_

....

.

~:~~·~-_

..

t:

''j' .~

;:.,I

I,

-c-··I

"·

:"·'

r·

..

-:

·-t·_T,-::;.-

·

"

'.)

....

~-:-;-:

.

.

I"·--j:'~;-·:- i. :-, -, 7';-!-'~" ! T-. ') ' ·l ,! : " .

I

:

,

~

.

I:

I .

i

!.

'j .... . .

:, .'.'

,

1-'--'

. .

:

"

I·

.~

..

...

'

.

.

:

-

I ... :.. .. '._ . .:. ... ' •. - ... - !3çhe pWoç:el? • . .. T ••• 1 .. :-· ..

1

· ....

· -

'

.

. . j . ... .... . : i . , .. . . . ,' , I ' 1

.. I . . . . .. . I ... , . - .. ï '" -. : ", ' ' ' ,

I

.'

I ! 1 ' I I ' 1 " " . , I , I " , I ' ' J

1"'.

I . ' ,

.:,1: .

'.! :

o~·,

i ; ' i I :

1/' ;

"

.

,

l .

'do

':':'~'I

:-..

;

...

~

.

I

.. ; .. - : .... : ..

..i.

_ .. : ..

-1·

..

':

:

.

.I

:

.

-~

...

+.:-~

.-

..

I ... ! .. I ... ,:.. .... L·i_··I-_::· , .... ·: ..

-W

..

'

.:

"

....

! ...

':..~.

:" •• i ••

~::r-'

'.

-

:-;

-

~

.~;Jtr-

..

"I

·'"

;'--ï" . ·1--;-·; .. · .. ·:-:: ..

~.

; .

'·l'::~i.:.'·

.

~

i:

,-:

;

,

I

I

'

:'

;

':

j

.,

i

!

I'

~.

j

:

.

':

.

:

.

,

.

.

I

.

!'.:

i

I

:

l

/,

!

'

:

I

'.J

:.

1

.

i :' _o,. t· . , : ' " , " 'I

Y .,

··_1· .. ·'·..:... ..

--

1- ' _ ... ,2 .. ·.~~_ . .:.:...:.!...~ .. : ... -.... .{ ... , ... ... - ... . " . . , .: - .. " .. 'I .... , J I · · ' , , ,

!

'

l

-r -_ .... --, .-.~ . . . ! 1 __ · • I - ~ .. - - , I ' " , I ' I I , ' . . ' ! i ' t r " !

I

" '

"

I ' j' , :;, '. .' !", '.: . I . I i I' . 1 • • • , : "I ,I, ," ; :' ,. ! : ' . : , . ! , I ! ~ I . : I ) ' , " . t ' • •

"b:';

.1 ' , , /'

J!:

I

.

1 j'/ '

J .

"1" 0.8

-]L-~-E'

'

':':''':'.~

'''

~

, ,

.

..

.

1

...

:

__ ..

1

'

._ ....

...

r· ...

~

..

·j.._··,-'_·_·t

....

...1· ...

1--

...

-

;_

.

,

-

..

:i: .. - ..

_.-.-.~.

'//~V"

"''''i

'--''-'''''

'

'''''''''-''I'''''-'"

,

'

-:-...

·r-

'··- .

~:-····

..

·-·I···_ .. ·· .. ;Y-,---ï·- ,"'-!-'" .... - ,

J

'.::

'

:

. ':

I,' ':1"

I

"

:

I

'

I : I I I : ' I 1 ," : ' I" ;

::., ' :;' . . ' ! ï

,I

,. ,

/

,

I : ' , ,.,,;: "., :',.'" ' " I ; " J • I . • , .... ' . . . .

'_.!

..

'

...

1 . ' .' J , .1.. . ,.J',/ J. " I . . ,: .. , • . .

~.:,.'. -I" _ .... : ;. ~ : .... : ''',

i'·'

i . ï

"'r

-'"

:

'~;,': ";7' :-" :':--j:;~:':: ... ~! i-''',''' : . :-. , .: .: ' : I :

1.

.:

I

!

:

i. ' ! .. -:.-. ...: : . ! ! :.'

I

'

·l

'

J

..

·

I..n

;'1

I'!

I' Ij'

:/1',.

1

/

: .

~

" • •

-..:tl.:

.:

~ j~ ~:L

...

.:.L.l_JJ..""";

."

-

:.._

...

!_.-... I.:...:

_..J.

··-;..

-·

··r'

..

+-

·

~·~LI

... -\·.·.. .--..

~-

..

·

r

'I'··~--

.,..,

~··

..

4V

....

~

..

-.

'1'''-' . ,·--·--t·--.--..

.

-

..

.

.

- --"f"'"

,~ -

...

·

·· ..

·71.. ","''''.' - ' ".""-'" '~--, , ' . ', " I I I i I ' I ' , ' " , , ' /', I ' 1

i .~' ii i I I -'! . I ! : ',: l , , ' l ' I ' . 'I ' 1 , " 1 ! t : ; . I ' ! __ _ :~~ ~/ j . I . : _, ! .

, . " I· , ' / , I , .... ,. ..:.C.: .. _ . . . . -, .. 1 .' .. : ... . . . ! ! : ' . '! 1 : . " . '1' . ,' , , ~ , : / ' , ,' ,

· . _ . . .. , -I - I I . ! I . j ' , . . . / '

• : : • ! I I I . ' , ~ ; , • ,!! " I I

'

j

. :

i ' : ' I • I : i r , • • , 1.1 ,., IJ • I ' " ' ! . . _, __ . _. __ 4 • _ . _ _ _ , . _

:

._.1-

..

-'..

..

~

.... , ...

...

,1.)-. .;..

·i-

-:

..

!

·

.

.

i-.... _ ...

~'t

-·:r··

"TT"~·

-I ;_.

'~

':~

,-"j:-'"

~

"

j'

'':

.... ; .... .. T .. , ... 1-";" ·t· ' : .

;,~~,t

'.

II.

~'

_

'

,':

f· ·

!

1 t

I _{' 1} I ,.' ;:1 . .( i ! , :' . I" ,:.:. '::.!.:. : .. I ,. :.' i ::1' ., .. !. , : I : ' , I.

'

l

é " .•• : .. ''''-1'' / , , . . . . .. ... , ..

1 1 . . ·'1 . . , ,

,I

..

·..···L··· ··T '·'!' .... ·· ....

·r·

..

! .. , .. , . . , ··1 " l ' "I ".! ..

,~

" , I ' I

!

.

I

. ,

·~·~·

~·

~~

~-;·:

l···~

.

~;,

·

I

1

:

'-~l:~

::~~

:

·

:.:.

+~--

..

;:.t+

:rj<~l.i·+I:

·

:~

:

~~+-'·

·"':

·.

·""'+·"

..

~

...

I

~~;·

~

~t~·~

l

'

_

'

,'"

i

~~-)(

..

:

....

.

~

.

. '

..

l... ..-:· .. ··· ..

:c~;·

~J

I , 1 ' ç K. . . ,Q.Ot. ... O.pl ' ... I-; .. ·': .. ·:_-..

·;...·

·

r~

..

,·

_·

·

r

· ..

·,

·

--

...

.

.

~

...

"T .. ' . , .... , ... + , / . " I " ! ' --1 ' " . I .

-) -

bi

uJ'

i-:;

/

.

::I~

_

o

,

t

.

-.-~"t--i-~I

..

~

'

-,I=t

,:·i

),>t~Lcc

-t-·~t

,~

r)i

.

'

0

;

6

.'

I • x:,

°

1

9

.

I

i ..

~;-,-LLj_H'C

_+

;

·t

~r.c

..

r

"I~ilC·+'r'j;7'f

-.li

•.

-,

'-h.I.

;rHI

' I

I j

.!

,

/I,

i

I ' . ..I·· ,< ~ • • I "

I

i ,

I

' :

'

1 / : , . . t I ' \' , I I , I t. I • •

·

···~

..

~j

....

+··I·

··

I . } .; '. ' : '.' '1 'T':-

,+

....

+··-

...

~

T

-:-

·

_

1..-

:--··1· ..

·_

·

..

I !. ·'1" , 'I '," I •

"')1"

-

"

"'

+

-./.

, '

,

,.:..7

~

.

..

..

, .: . " ., .. . -.,' .. ' - " , 1 · ': ' I

I

I

'

I 11 ' " I I ' , '.' '{'

..

:

.

.

,

r

..

....

: ..

..

!· .. : . . .

I

\

I· .. ~. .': .: • ... ;.. ', .- ._;+_ ... ' .L. , ,. '-7' - I . i " I" .. - , .:r~:: . : ' I

'

1

'

,

: '\

I :, ;

:'

1

:

1 1 .. ·L .. ___ ~_Jl~ .• · , jl~!. Ir'

·

.

l

_.!_ •. ·~ ... i·_.~_

...

L_.: . ~ .. r~l·~·

.

""'-'T'--'

'''

'

'-

.. -

...

....

.

... ,

..

'

'

_:''''

':

1'_

°.11

'--1':'·1-'-' .,

';";

-"

1-:::-.

'-j_."i"'~-'" "r .-. 1)0---'

I

I'

"

"

v.' : ' . : 'I . I ! : ' , ; j:' I I I.! r; I' " J ! : ' : ;' , l ' I : : , _ ':r~/

,

I

'

I

I • ,. . . . . , .. I . . . . , -. . --... , .. -1 _. .

I

'

...

t • , ' " . , , . • ... "../, . I ' " I I' 1

I

'I'

, ' :

"

. '

,

,

'

.

'

,'

,

/

,'

: I • I I , • I I: I , I , I "~I l ! _ ' ~ ~. . r ,. • • • 'i . _ i __ ' t ~ -~. . ' . ~ I

I

.

.

I~·

..

.

.

-"-'''r ... 1._ . . . - '.--.- ·1 .... "'· . /.... .; . 1 " • t ,

____

~_._.r_--_:·

... __

-

"f ' - , I ' , I

I

r .

,/'

I

l l , I

I '

I j~.J...-_.,..r ~1 1 ' . i I : I ': ' , i I I I I " I I : , / : : I ! I ; .1 _ I . 1 I . I , .1 1.' / '

:

...

:1. .. :

:

.,.

'

I

I

"

\

"

'

1

"

,

..

I

..

·

.~

... , .. "

A

'

,

I , ! I 1·1 I ; ·1'" .r /. , I . ' . I : . : I I ' / J J " ' I , . , / ,1 , I ' • ~ I :

I

..

,

! .. . : . . . .. ../ ...

0.3

_

:

_~

...

.

__

.,1-,-... : __ .•. _L_.J_ ' .. _..1... ' . . . ... L-_ .. J .... : ..

-·

i

-

~.

_

.

•

:

- i -'

I

....

·f. -

l:.~

..

r··r:'

.r-

~'

...

!

..

.

~

..

.

j_ ;. ... , ... I

...

.

-,

... " .... '

1

'-"

·

..

.

..

..

.

I ' I · I '

!..

'

" .

I " I I . , ' I., ' ." / , . ,

;

.

i .,,

:

,

! , : 'I , '," 1 :

I

;

:

!/~::! .

I

'

i i " , i I ' I, /': I ,;' / . : :. . , ... . . , . -: .. .. . ,. r : i . \ ;; ..

I....

...

:.

I .. , ;..1 .. ,. i 1 i .' : ' :. 1 I ' . ' , I d .. 1..::,1-1

/

"!

i ' , ! ' I . '

i"

I ' " , I y ' j: " , : . . . . : ,_.1 . .. 'I -J" I .' J" , .;... ' -... ,_ . ...: .. , . . 0,1 ;J . . ', ' , ' .... , .... , ... -. , 'J"'_.""J''''.' ·v'· -·1·.·. .. .

"

I'

I"" r :. ! ',. i ;7 . /, , : · , ., / I ' "

I

!

.

~ I / ! 1 . . , " , I ' , I " , ,. i . I 1 //1 i ' , 1 . : . • ' : / , . . ... : . . . : . • • / . ' . , . . ,. ' , : J'

I

' ...

,.

'

"

.

;..:.

'

/

,

:

: ' • • • - I t ! I : ~ 1 / I I I I \ I : I j / , ;

! !

;

I I 1 II~" I ~r-i 1,/ , i ~ _ .. L_.:.L_L ..

L

..

:

"

1

'

.,

'.','

j-. / .. -... 1. ...

~J.

.

'

r

~

~ï

--:-~i,

.

~~:.~

.J

":-,

...

:. : ..

,

.

.

"

.

.

...

-

:

.. :

....

j

...

r

·t;.r" T r·

JJ

f'/-':

.

/

..

~

"

:

-I .... ·

.~

':';'

,

, '

'

1 ' ,

"

y' , 1 " ' ' ' ' /., ,~. '1" ol·' . , , " ' " I I 1 ./ " ' I . : _• ' I I _"I . . _I , • _: I _{1 -~} .:I· -, . : .: . . _., . ; - ' ',,\ .. , '' . : . ,.. .. . . ' t - , .l , " ' , , , ' " . ..

J .

:

t. .

'/

~

'A

;

"

I

,

I

'

.

1 I,' .. . , ... : ï/ I '

I

'I ; . . : ,·,,;:·:~t' ;, :".,. " '." " ' 1 , ' . "1 ~ i j ' I I'

I

,'

I , ! ' I ' ' I 1 1 " .. " t ' ' I " , • r i J L

... _j ...

~:

j"

_'

l~.~:

..

..

j --- 'L.I ; ....

/~/"

' ... , .. ) -

~,' -~i": '~:"'I'

"!

~

':

·)I!"-

:_

·

,

..

_

,J-'C-It._·,

---11:-':"-'" ... · .. ::;..t ..

·

l~,

·

:

·_·

.

I~:r

,

.. /.

~

---, ...

~I

... -: .. ... -.... . . ... ,. I . . .. ,

I

.

"

I ,

I

.

, ' ,

.

I

'

I " / i . " , • • • ' . " , • I . I , J ' ~' ' • • I I : 1 '/ ' " 1 I f • ~ " / . I 1 ' " I ~ , . ' \ . .., ., , ; i ' I " i'~:' ' ) , , ' , , , . , ' I ' , ,' . , ' I I I , I ' . ' . . ' 1 " 1 I

--.;

.

:'

/"-+'

-

1

-";

"'

/:

"

i"~

:

,..{.

:;

'i

-

.

i .... -r'

_~

O

,

J

" , ; :

-·t:

·

,

:

.

;"

J::l-..

~I;;

•. :

l

.;

I

.

'

i .

i

','

!

.: ...

!

~

i"'1 .; ..

!";' ; 1, .

• ,I ' ' ' , ' / , : : .

I'

..

:

..

.

,

..

.

.. ....

1 • • • •• 1 ... , .. I .. ,. . , .

1

1 .. -. I""j" " , I , I ' I '

'"

....:..

l

~

- :!' i: . ! . I i ! ! , , 1 . 1, ~ I , I: !;;: t , :!Î ,! I : , : I I I I 1 ' • I ' : i : ! ' l , I , ' ; :

.

'

r-:.:~

-

·,1

....

1' ... : J

.~

;. ...

l.

:

...

: .

.

~

..

.. :

.

'1"

,;, ..

::1.:",'

i .•

J~

t.

L;_ . ....;...( .. -4: :.;".j .. : ;7-'-"

~

.. ;

i

,

~!~!I

"

"

f·,·

.j. ..

I

·

:

J •. : ••. I

·'·I;

~

·

.

.

:

, ::,'

f-

,.j: ..

1 ....

,J..

"I" -',- ..),_ .. ! oJ;!' , .. -

.j

.

:.l .. :... ·f

l"

-1-

....

..

:

. " -'

;

'

·1' . ,

"

\ : :

,

.

I , ' : !

I

, :!. ,~:

I

'

I: !'.:' I' !;').':: .',

I

.:

I

'

I

'

i 'I ,I

,1

.

I': 1 ; I': ! . , ;- . i

'.

!

.

:

·:;:t· .

I

.

",

' .

;

.

I . I ., . ! ..

~:

. .... I '.

r" ;

'.,

. :

.·~~L

. . ' T' \ .. : .. ',.' i

l

,oT

':1

;':

-

I

·

"1 1'· : .... ··_·1 .. '" , . ,

' !

, I

!

.1 .,

j

'

,

I ' ,

I

:'

,

I ' I ,' I

I

,,~ I

H-

'"

I ' " I---f.-.t '

,.' : ",: ["1', jO lC ;1 1 "I , .

!-;-:-:ï

:·'I

~

i.

~

::1 .

i::

'.;

,:;

.

.

.

l

: .

I

,

~,

' 1

1,' i

1

:

{.,;-'

'

"1

;

t-;-:--:.,..

0

~--:-->t

' ' :. ; ' . : , - 11' " ... I , • I · _~ .. ''')#..;.' '' '' ... : . . li' ~'". " ; J),~'l , ~: ru~ .1 o,s. I 0 Q' rV .' . "" 0.&

-.00 ./ j /

o

19

/ 20

1,02 kW m e . Voor de rest van de berekening verwijzen we naar tabel 1-1.

c

_{Refluxaccumulator v18}

Hiervoor kiezen we een horizontaal vaatje van 5 m

3•

c

Nakoeler H20

Voor de dimensionering van R20 verwijzen \-le naar tabel 1-1.

c

c'

o

o

o

o

o

(I

e

c

c

c

o

o

o

o

o

8.

HET VACUUMPROCES AI,Q:emeen

Op een aantal punten wijkt de fermentatie onder verminderde druk (0,05 bar) af

vah

het atmosferische proces:

a) De gistcellen moeten meer energie aanwenden voor hun onder-houd. Het gevolg hiervan is dat de groei vertraagd wordt. De etha.nolopbrengst 'verandert echter niet: Y /

=

0,06

s m in plaats van 0, 0; Y /

=

0,465 blijft hetzelfde.

B p

b) De melasse gaat in geconcentreerde vorm

(34%

saccharose) de fermentor in. De dampstroom uit de fermentor heeft een concentratie van

33%

ethanol, betrokken op ethanol-water. Onderin de ferment or wordt afgetapt. Volgens Cysewski en Wilke moet de aftapstroom een minimale waarde hebben (~) om ophoping van voor de gist giftige bestanddelen te voor-komen. Tevens dient de gistproductie afgevoerd worden. c) De verdamping in de fermentor vraagt meer energie dan de

vergistingsreactie en de roerwarmte leveren. Derhalve wordt in tegenstelling tot het atmosferische proces warmte aan de fermentor toegevoerd met warm water. De compressie van de dampstroom kost heel wat energie, maar dit wordt terug-verdiend doordat de destillatie en de sterilisatie minder stoom vergen.

d) De installatie bevat meer apparaten dan het atmosferische proces en de procesregelingen zijn ingewikkelder.

De voorbereiding van de voeding is analoog aan die bij het atmosferische proces. Het grote verschil is dat er minder water nodig is voor de verdunning van de melasse en ~at.der­ halve de voedingsstroom naar de ferment or bijna driemaal zo-klein is. Hierdoor worden zowel mengtank V1 alsmede de

warmte-o wisselaars

H3

en H4 evenredig kleiner. De voeding gaat op

35

C de ferment or in.

o

(

c

c

( (

o

o

o

o

o

De fermentatie

---In R5, de fermentor vindt bij 300C de vergisting plaats. de

residuale suikerconcentratie is weer 0,3%; de

ethanolconcen-tratie is

5,~

en de gistconcentratie 50. kg/m3o stroom 16 is

de dampstroom die 1,641 kg/s water, 0,895 kg/s ethanol en

0,847 kg/s CO

2 bevat. De druk van deze stroom is 5,85 kPa

(0,058 bar). Onderin de fermentor wordt 3,374 kg/s beslag

af-getapt en in nozzle-discharge centrifuge M7 gescheiden in een

spuistroom (no. 11), die alle afval uit de melasse bevat, en

een 15 procentige giststroom (no.12). Deze stroom(1,125 kg/s)

wordt gesplitst in een recyclestroom 13 om de gistconcentratie

in de ferment or op peil te houden, en stroom 14, de

gistproduc-tie, die regelrecht naar V1 gaat. De fermentor wordt met behulp

van een dubbele spiraal en warm water uit de condensor van de

destilla.tietoren op 300 gehouden. Een niveauregelaar op de fer

-mentor en een niveauregelaar op V1 zorgen dat er genoeg water

in de ferment or blijft. stroom 15 voert zuivere zuurstof aan;

de sui~erconcentratie wordt met de gistrecycle op 0,3% gehou-den.

De dampstroom wordt in twee stappen gecomprimeerd tot 1 bar.

C9 is een vloeistofringpomp die de damp comprimeert tot 24,3

kPa (0,24 bar). stroom 20 is de pompvloeistof, die tevens als

koelvloeistof dienstdoet, en wordt met stroom 16 de pomp

in-gezogen. Een drukregelaar regelt het vermogen dat aan de pomp

wordt toegevoerd. De damp die de pomp verlaat is in evenwicht

met de pompvloeistof. De temperatu~envan damp en vloeistof

zijn zodanig gekozen dat geen condensatie of verdamping in de

compressor optreedt (57,40C). Dit heeft tot gevolg dat de

hoeveelheid pompvloeistof, die in V10 van de damp wordt

afge-scheiden, constant is, Tevens zi jn de dampstromen 16 en l.J

gelijk op hun temperatuur na. stroom 18 wordt gekoeld in H11 en H12. De temperatuur wordt door middel van een

niveaurege-laar op V10 en een regelkraan op H12 zodanig geregeld dat

geen condensatie of verdamping in de pomp optreedt.

c

(

c

o

o

o

o

o

n

Eerste condensatie

De dampstroom die de compressor op 57,40C verlaat \-Tordt tot 300C geJ.-oeld. De vloeistof die hierbij onstaat bevat 27% ethanol en wordt met P29 na warmtewisseling in H24 en H25 op 84,20C de destillatiekolom T29 ingepompt.

Tweede compressie

De damp stroom na de eerste condensatie bevat 34% ethanol (betrokken op ethanol-water) en wordt met een tweede vloei-stofringpomp op 1 bar gebracht. Weer wordt geëist dat de damp-stroom voor en na compressie gelijk is. Dit wordt bewerkstel-ligd met een niveauregelaar op vloeistof-dampscheider v16. Hiermee wordt de koelwaterstroom door H17 geregeld" De druk voor de pomp wordt door een drukregelaar ge~eld.

Tweede condensatie

In H18 condenseert het grootste deel van de dampstroom 29.

Het restant wordt in gepakte kolom T20 van ethanol bevrijd."

Uit V19 wordt de 68 procentige ethanol met p19 na warmtewis-seling in H22 op 78°C de kolom ingestuurd. De bodemstroom

van T20 wordt in buffert ank v26 bij stroom 11 gevoegu. Van hieruit gaat een 38 procentige stroom, die nog veel melasse-en gistafval bevat, de kolom in. H11 melasse-en H28 warmmelasse-en deze stroom op tot 950C.

Destillatie

De drie voedingen naar de kolom bevatten 68,27 en 4% ethanol en worden op respectievelijk de 28e, 30e en 33e schotel in-gebracht. De kolom telt 37 schotels. Het topproduct (95%) wordt in H30 gecondenseerd en nadat de refluxstroom 51 naar de kolom is teruggeleid (R=5) eekoeld in H22 en H24. De kook-ketel H30 wordt met L.D. stoom gevoed. Het bodemproduct dat

-Q,012% ethanol bevat wordt na warmtewisseling in H,25 en H28

nagekoeld in R35 tot 400C en gespuid op een afvalwaterzuivering.

(

c

c

c

c

o

o

o

o

9. B~REKm{ING VAN DE APPARATUUR BIJ HET VACUUM PROCES

}'iengtank V1

---

....

----Voor de mengtank geldt een analoog verhaal als bij het atmosferi-sche proces met dit verschil, dat de stroom door de tank ongeveer de helft kleiner is, zodat hier volstaan kan worden met een vat van 800 liter.

Pomp P2

-Pomp P2 heeft een vermogensopname van 2 kH.

Warmtewisselaar H3 en H4

Voor warmtewi sselaars. kan verwezen worden naar tabel 1-2.

De sterilisatiespiraal

---De berekening op analoge wijze uitvoeren heeft als resultaat, dat o

bi j een diameter van 0,085 m en een temperatuur van 130 C de leng-te van de spiraal 146 m moet zijn. De sleng-terilisatietijd wordt 149 s.

~~!~~!~!_~~

De hoeveelheid gist blijft hetzelfde, want er moet ongeveer even-veel suiker omgezet worden en we werken bij dezelfde ethanolconcen-tratie.

23

De resultaten van de kostenoptimalisatie staan in bijlage ~. Eén en ander is nog eens uitgezet in fig. 9-1.

De optimale concentratie aan gist is 50 kg/m3 • Ret effectieve fermen-torvolume bij deze concentratie is 78 m3 • De vrije ruimte boven in de reaktor stellen we op 30

%.

Dit resulteert in een fermentorgrootte van 105 m3• De diameter is dan 4,06 m en de hoogte: 8,12 m.

De reaktiewarmte is 2632 kW, de roerwarmte bedraagt 124 kW. Er moet verder ethanol en water verdampt worden. Hiervoor is zoveel warmte nOdig, dat netto nog warmte aan de ferment or moet worden toegevoerd. Dit doen we door opgewarmd koelwater door een spiraal in de reaktor te leiden. Zie hiervoor verder bijlage

n.

,

Onderin de ferment or wordt zuurstof ingeblazen, daar de oplosbaa~­ heid van zuurstof bij lage druk veel geringer is (1~). Bij Cysewski

en Hilke (Lt) vinden .. Te, dat bij hun vacuum proces 0,12 v/v/min nodig

zou zijn. Dit zou neerkomen op een zeer grote zuurstofstroom en kan dus niet goed zijn. Een zuurstofspanning van 0,07 mm Hg is optimaal

(I).