Solar fuel alcohol distillation/태양열 연료 알코올 증류

프로젝트 데이터

저자	앤드류 서버스
위치	킹스턴 , 캐나다
상태	디자인됨
용도	증류
대신에	태양광 스틸
OKH 매니페스트	다운로드

깨끗하고 지역적으로 생산된 가연성 연료가 풍부하면 개발도상국 일부 지역의 생활 수준이 극적으로 향상될 수 있습니다. 이 연료는 상품을 시장으로 운송하고, 증기와 전기를 생산하고, 집을 난방하고, 물을 끓이고, 음식을 요리하고, 통신 장비에 전력을 공급하고, 더 나은 교육 및 건강 기준을 제공할 수 있습니다. 더 더러운 연료에 대한 의존도가 줄어들면 실내와 실외의 대기 오염이 줄어들고 삼림 벌채와 토양 침식이 줄어들 것입니다. 이 보고서는 지역적, "마이크로" 수준에서 연료용 저비용 농축 에탄올을 안정적이고 안전하게 생산하기 위해 태양열 증류기의 효율성을 높이는 데 필요한 간단한 엔지니어링에 대해 설명합니다.

이 프로젝트는 연료-알코올만을 위한 것이며 사람이 소비하는 것이 아니라는 점에 유의해야 합니다. 단, 기본 설계 원칙은 물이나 기타 액체의 증류에 적용될 수 있습니다. 또한 이는 현 시점에서는 이론적인 설계이므로 프로토타입이나 테스트가 수행되지 않았지만 해당 테스트 결과는 사용 가능한 대로 게시될 예정입니다.

역사

지난 2세기 동안 설탕과 전분으로부터 알코올 연료(에탄올)를 생성하는 많은 시스템이 개발되었으며 발명가들은 이 연료의 유용성을 입증했습니다. 최초의 알코올 연료 엔진은 Samuel Morey가 1826년에 제작한 내연 기관이었습니다. ^[1] 50년 후, 독일 엔지니어 Nicholas Otto는 에탄올을 주 연료로 사용하는 4행정(Otto Cycle) 내연 기관을 발명했습니다. 1800년대 후반, Henry Ford의 Quadricycle은 에탄올을 사용하여 운행되었습니다. 그는 알코올이 "미래의 연료"라고 믿었고, 1912년에 에탄올 엔진을 장착한 Model-T를 출시했습니다. 유럽의 농기구는 20세기 내내 에탄올을 연료로 사용하여 개발되었으며 ^, 이로 인해 이들 국가의 자립도가 높아졌습니다. 북미의 중동 지역 석유 공급 중단은 1970년대 초에 시작되었으며, 이러한 공급 문제에 대응하여 공공 정책에서는 적대적인 공급업체에 대한 의존도에서 벗어나기 위한 방법으로 대체 연료에 대한 연구 개발을 장려해 왔습니다.

1981년 국립적정기술센터(National Center for Appropriate Technology)에서 발행한 보고서에서 Bradley, Moody, Portch 및 Runnion은 설탕과 전분에서 알코올 연료를 생산하는 데 일반적으로 사용 가능한 기술을 요약했습니다. ^[2] 이때부터 알코올 연료 생산 기술은 점점 더 복잡해졌고, 비용과 설계 단순성이 중요한 곳에서는 활용성이 떨어졌습니다.

연료 대 식품 논쟁

식품으로 사용될 수 있는 물질로부터 에탄올을 생산하는 것의 바람직성과 윤리성은 점점 더 많은 논란과 논란의 대상이 되고 있습니다. 그러나 논의되지 않은 것은 이러한 청정 연료의 사용 확대가 개발도상국과 지역 사회에 미칠 수 있는 지역 경제, 제조, 환경 및 생활 수준에 대한 심오하고 긍정적인 영향입니다. 이 논쟁에 대한 궁극적인 대답은 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로부터 연료 알코올을 저비용으로 생산하는 개발에 있을 수 있지만, 이 기술이 보다 쉽게 ​​이용 가능하고 저렴해질 때까지 공학은 잠재력과 현실 사이의 격차를 메울 수 있을 것입니다. 현재 지식을 사용하여 이점을 얻을 수 있습니다.

배경

사용 가능한 연료 기질 공급원

설탕, 곡물, 비식용 식물 재료(셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스)를 에탄올로 전환하는 과정은 가수분해, 발효, 증류의 3단계를 통해 이루어집니다. 여기에는 이러한 공정에 대한 간략한 설명이 제공되지만 "에탄올 생산을 위한 전분 가수분해"라는 제목으로 가수분해에 대한 보다 자세한 설명이 제공됩니다. By GB Borglum of Myles Laboratories는 여기에서 볼 수 있으며 , 발효에 대한 좋은 리뷰는 여기에서 볼 수 있습니다 . 태양열 증류에 대해 설명하는 특히 좋은 기사는 여기에서 찾을 수 있습니다.

가수 분해

설탕과 전분의 모든 원천인 과일, 야채, 곡물을 삶고 30분간 교반하여 세포벽을 분해하여 긴 사슬의 설탕을 방출합니다. 저렴하고 상업적으로 이용 가능한 알파-아밀라아제를 용액이 냉각되면서 첨가되어 이러한 장쇄 당을 단쇄 다당류로 가수분해합니다. 다음으로 베타-아밀라아제를 이 용액에 첨가하여 짧은 사슬의 당을 개별 포도당 분자로 환원시킵니다. 이 프로세스는 이 기술에 대한 비용과 요구 사항이 적기 때문에 원격 및 개발 중인 커뮤니티에 적합합니다.

비식용 식물 셀룰로오스와 사탕수수, 옥수수 줄기 또는 목재 섬유와 같은 헤미셀룰로오스를 사용하는 경우에는 끓여서 다양한 다당류를 방출합니다. 이 시점에서는 다양한 유기체에서 추출된 셀룰라아제 형태의 보다 정교한 화학 물질을 사용하여 이러한 긴 사슬 설탕을 단순한 단당류로 전환합니다. ^[3] 이러한 단순당에는 자일로스, 마노스, 갈락토스, 오탄당 등이 포함됩니다. _{강산(H 2} SO ₄ , HCl) 에 의한 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 화학적 가수분해를 사용하여 당을 노출시킬 수도 있습니다. ^[4]

발효

용액에 단순 포도당이 포함되어 있는 경우 맥주 효모(Saccharomyces cerevisiae)를 첨가하고 용액을 교반하여 10~20분 동안 산소를 공급하여 효모의 발아를 시작합니다. 사카로미세스는 산소 속에서 포도당을 발효시키지만 혐기성 조건에서는 더욱 완전하게 발효됩니다. 용액은 공기로부터 분리되고 CO ₂ 와 에탄올이 생성됩니다. 가수분해에서 논의한 바와 같이, 포도당 이외의 당(셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에서 파생된 당)이 존재하는 경우 다른 효소가 필요합니다. 자일로스는 셀룰라이트 가수분해의 주요 단당류이므로 베타-D-자일로시다제가 일반적으로 사용됩니다. ^[5] 혐기성 조건에서 이러한 효소를 생산하는 유기체의 도입으로 인해 다양한 부산물, 주로 CO ₂ 및 에탄올이 생산됩니다.

어느 공정에서나 생산된 "맥주"의 에탄올은 용액의 당분이 고갈되거나 에탄올 농도가 발효에 사용되는 유기체의 허용치를 초과하여 죽을 때까지 농도가 증가합니다. 이는 일반적으로 14% 이상에서 발생합니다. 대부분의 발효 공정에서는 비중계를 사용하여 발효 제품을 추출할 시기를 결정합니다. 일반적으로 10~12%의 농도로 새로운 기질을 추가하여 농도를 희석하고 필수 유기체를 죽이지 않고 공정을 계속할 수 있습니다. .

증류

에탄올은 물과 섞일 수 있으며 용액은 증류를 통해 연료로 기능할 수 있는 수준, 즉 50% 이상의 혼합물로 농축될 수 있습니다. 농도가 증가함에 따라 연료로 사용되는 용액의 잠재력이 증가합니다. 알코올과 물은 에탄올 농도가 약 95%일 때 공비혼합물이 되기 때문에 증류기 내부의 압력을 제어하는 ​​것은 이 설계의 범위를 벗어나므로 이 농도까지 증류하는 것이 이상적입니다.

기화실의 온도가 에탄올의 끓는점에 도달하면 에탄올은 혼합물에서 분리됩니다(증발 온도 표는 표 1에서 확인할 수 있습니다). 에탄올-물 용액의 증발 온도는 용액의 농도에 따라 에탄올의 끓는점과 물의 끓는점 사이에 있게 됩니다.

고농축 에탄올을 생산할 수 있는 증류기는 순수한 에탄올의 끓는점 온도를 유지함으로써 그렇게 합니다.

표 1 - 95% 에탄올의 끓는점 대 고도

낮은 기술로 만든 고급 연료

태양열 스틸은 태양 에너지를 사용하여 용액의 물에서 에탄올을 분리하는 최소한의 정교한 장치입니다. 단파장, UV 방사선은 증류기 표면의 유리를 관통하여 증발 심지의 어두운 표면에 닿고 장파 방사선으로 변환되어 증류기에 갇혀 가열됩니다(온실 효과). 증발 패드에서 올라온 에탄올 증기는 증류기 전면의 유리와 접촉하여 응축되어 원래 용액의 농도를 초과하는 농도로 수집됩니다. 처음에는 증류기가 에탄올의 끓는점까지 따뜻해지며 대부분의 증류는 상대적으로 빠르게 진행됩니다. 그러나 에탄올이 추출되고 물 혼합물의 조성이 변화함에 따라 증류기 내부 온도가 증가하여 결국 50℃에 도달합니다. 혼합물의 일부가 끓기 시작하는 지점입니다. 실제로 이는 10% 에탄올 용액의 초기 배치에서 60%에 가까운 농도를 생성합니다. 추가 증류를 실행하면 결국 95% 용액이 생성됩니다.

짓다

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디자인은 아직 테스트되지 않았지만 이 프로젝트의 스틸은 이론적으로 배치 및 연속 스틸로 작동해야 합니다. 또한 내부 온도를 제어하는 ​​데 도움이 되도록 능동적으로 제어되는 통풍구를 추가할 수 있는 옵션도 제공합니다. 아래 그림 1은 증류기의 기본 설계와 제안된 치수를 보여줍니다. 내부 치수는 1리터의 배치 크기를 처리할 수 있는 증류기의 요구 사항을 기반으로 선택되었습니다. 표준 직경의 플라스틱 파이프와 건설에 적합한 것으로 간주되는 치수를 기준으로 최적의 파이프 직경과 길이는 각각 3인치와 20인치로 선택되었으며 내부 치수는 20" x 20" x 4.5"입니다.

그림 1: 스틸의 치수 스케치.

재료

• 측면 재료(권장: 4.5" x 3/4" 목재 또는 기타)
• 각진 베이스 피스를 만드는 재료 (측면 재료의 끝부분을 잘라서 사용)
• 벤트커버를 만드는 재료 (측면재의 끝부분을 잘라서 사용)
• 증류기 뒷판을 덮는 재료(1/4인치 합판 또는 동급)
• 삼베 또는 기타 어두운 심지 물질
• 내부 직경 3인치, 길이 20인치 PVC 파이프 2개
• 나사 2개
• 증류기를 스탠드에 장착하기 위한 볼트 2개와 해당 드릴 비트
• 상자 전면을 덮을 만큼 큰 플렉시 유리 1개
• PVC 파이프에 구멍을 뚫기 위한 1/16" 드릴 비트 또는 이에 상응하는 것
• 통풍구를 만들기 위한 1/4인치 드릴 비트입니다.
• 검정색 페인트(선택사항)
• 스탠드 재료(이 프로젝트에서는 다루지 않음)

집회

1.0	Cut and assemble the four sides of the box such that the box is square and the inner dimensions measure 20" x 20" x 4.5". Cut and fit the back-plate to the sides. Cut and install the slanted base piece such that it has a height of less than 1" on one end, slopes to no height at the other and is the full thickness of the box. Paint the inside faces of the sides, bottom and back-plate black if possible.
2.0	Cut one piece of PVC pipe in half along its length and install in the box approximately 1" from the bottom and tightly pressed against the back-plate. Seal around all three edges contacting the box if possible (caulking, tape etc.). This will be the mixture collection trough.
3.0	Attach the wicking material to the back-plate. cover from the top of the box to inside the collection trough. The fluid to be distilled will either soak down or wick up this material depending on the method being used to operate the still.
4.0	Drill small (~1/16"), evenly spaced (~1" interval) holes in the remaining whole PVC pipe piece and install in the top of the still with the holes facing directly downward when the still is tilted at its optimal angle. Seal around the ends of the pipe if possible.
5.0	Find the center mass of the box and install bolts to allow the still to be mounted to a stand and tilted to the appropriate angle to receive the maximum amount of sun.
6.0	Drill three holes. One that aligns with the center of the full pipe piece; one that aligns with the lowest point in the mixture collection trough when the box is set at its optimal angle to the sun; and one in the bottom corner of the back-plate, such that any fluid running down the angled base-piece will flow out through this hole. Install plumbing fittings and seal edges of PVC if possible.
7.0	If an active temperature-control system is desired, drill venting holes in the side of the box as shown in figure 6 and then cover with the vent cover, as seen in figure 7. This will allow the disc to spin either opening or closing the holes while keeping the disk balanced about the rotation axis. Using a temperature sensor/controller chip such as the Aniomagic temperature learning sensor ($4.80/chip when bought in quantities over 100) in conjunction with either a 3V battery or an equivalent solar panel and a small electric motor mounted outside the box to spin the vent cover. Place two small screws at the desired stop-points for the disk, also seen in figure 6, allowing either a vent-open or closed position. The temperature learning sensor allows for simple calibration, and therefore a carefully temperature controlled probe could be placed in contact with the sensor with the calibration temperature based on the elevation at which the still was being used. The Aniomagic sensor has three possible outputs, one for when the temperature is below the setpoint (vents closed), temperature at setpoint (do nothing), temperature above setpoint (reverse motor polarity to open vents). This control system could also be used with a small fan to aid in the cooling of the chamber. Furthermore, a passive control system could be designed to control the temperature in the evaporation chamber by using the expansion and contraction of a fluid to actuate venting, or to regulate the flow of alcohol/water mixture into the still. Regulating the temperature through flow rate would use the heat capacity of the ethanol mixture to control the internal temperature. This system would allow more fluid in when the temperature was too high, and would restrict the input flow as temperature decreased. If carefully calibrated, this system could temperature-regulate a continuous flow solar still with no external energy consumption.
8.0	Secure the Plexiglass panel to the front of the still and seal if possible.

Operation

If the still is being operated using a batch of fluid, fill either the top pipe or the collection trough with 10% ethanol/water solution. Depending on where the fluid is input, it will soak down or wick up the material on the back-plate, which gives it a much greater area to evaporate from. The ethanol will begin to evaporate as the still heats up and it will condense on the Plexiglas. Once condensed, the ethanol will run down to the slanted base-piece where it can be collected via the hole in the back of the still and either used directly if the concentration is correct, or reprocessed if not. If the top pipe was filled with the batch, or if the still is being used in a continuous distillation process, the fluid in the collection trough can be collected for reprocessing, cascaded into a second still, or discarded.

Future Work

이 프로젝트의 향후 작업에는 10% 에탄올-물 혼합물로 시작하는 장치의 프로토타입 제작 및 현장 테스트가 포함됩니다. 장치의 증류 효율성에 대한 기준이 확보되면 활성 온도 제어 시스템을 테스트해야 합니다. 증류기의 온도 유지 능력이 입증되면 진정한 수동형 온도 제어 시스템을 설계, 구축 및 현장 테스트해야 합니다. 프로젝트에 또 다른 추가 사항은 영어를 구사하지 않는 사용자를 위한 그림 지침을 만드는 것입니다.

참고자료

페이지 데이터

부분의	메크425
키워드	엔지니어링 , 태양열 증류 , 알코올 연료 , 태양 에너지
SDG	SDG07 저렴하고 깨끗한 에너지
저자	앤드류 서버스
특허	CC-BY-SA-3.0
소속	퀸스대학교
언어	영어 (en)
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여기에 어떤 링크가 있나요?	10페이지
별칭	수동적 열 제어 알코올 증류 , 수동적 열 제어 연료 알코올 증류 , 연료-알코올 증류 , 태양열 연료-알코올 증류
영향	페이지뷰 3,100회
만들어진	2010년 4월 1일 Andrew Severs 작성
수정됨	2023년 10월 23일 유지보수 스크립트 기준
다음으로 인용	앤드류 서버스 (2010-2023). "태양에너지 알코올 증류" . Appropedia . 2024년 1월 24일에 확인함 .
API 쿼리	기본 , 의미 , HTML , 파일 , 기타