随着对低碳排放燃料需求的不断上升，资源丰富的生物燃料工艺设计，例如，玉米、甘蔗、藻类以及纤维素等合成生物柴油、生物乙醇、合成气和沼气等设计，正变得更具吸引力和更高收益。可燃生物燃料作为现有石油和天然气能源基础设施的碳平衡替代燃料，吸引了持续的投资兴趣。近日，美国低成本天然气和致密页岩油的涌入改变了生物燃料的经济标准，给工艺工程师带来了压力，促使工程师进行最佳设计。利用包含经济、能源和换热器设计的流程模拟工具进行生物燃料生产工艺设计，优化过程能源消耗和成本，不仅能获得更佳的设计方案，而且还缩短了时间周期。

    随着生物能源的发展，一系列设计难题也涌现出来。首要的是证明技术可行性和盈利能力，然后是详细设计和吸引资本投资。其他难题包括替代作物和纤维素乙醇研究带来突飞猛进的工艺创新，以及优化原料选择压力和确保装置设计适应变化的灵活性问题。为了进一步确保盈利能力，许多过程也必须结合生产盈利的副产品，包括动物饲料和化学品。从加工原料、控制最终产品到设备选型、成本核算，过程模拟贯穿于整个生物燃料设计的全过程，包括从研发到概念设计，再到工程和采购。

    用户利用过程模拟工具设计生物燃料各工艺模型，从而比较并筛选出利润更好且更为灵活的设计方案。生物燃料加工的整个过程，如原料预处理、转换（如水解、糖化作用和发酵）、乙醇脱水、生物质气化以及甘油三酸酯的酯交换反应等，均可在过程模拟工具中进行概念设计。用户可从整个工艺的可视化和优化中获得收益，而不是单独的某一过程。 这个设计是模块化的，从而便于研究不同单元和技术在整体过程中的影响。采用数据库中稳定和可靠的物性数据，例如，选用全面且先进的美国国家标准技术研究所（NIST）数据库，可提高模型的保真度。此外，过程模拟还可以进行优化研究，确定最佳的操作条件，同时考虑工艺限制条件，如：产物水含量或容器温度。用户还可在相同的工艺条件下，测试不同的原料和原料混合方案。有了这些功能，用户就可以开发出更高质量的模型，预测装置放大和经济性，而无需担心缺乏技术可行性。

    化工过程建模已经有30多年的历史，一直为很多工业部门提供以模型为中心的集成解决方案。迄今为止，用户已将模型广泛用于玉米淀粉装置、干湿磨玉米制乙醇过程、纤维素制乙醇过程以及生物质气化过程。此外，过程模拟还广泛应用于设计重要乙醇的过程，包括水解作用、糖化作用、发酵、蒸馏和脱水、副产品回收和pH值控制等。 图1为玉米制乙醇装置模拟的范例。大部分原料以固态形式进入生物燃料处理装置（包括玉米、吹扫气、甘蔗等），使得工厂操作面临着挑战。过程模拟工具集成了固体建模功能，因此用户可采用更精确的原料处理设备模型，如破碎机和研磨机处理固体原料，并利用离心分离和干燥等设备模块建立液体/固体分离模型。

                           图1：包含经济分析的玉米制乙醇过程模拟

    如今，市场上有多种过程模拟工具。根据不同的供应商，用户可采用集成的过程工程工具进行生物燃料工艺设计过程。这些集成工具可为过程模拟带来能源优化、换热器严格设计和核算以及成本估算工具。利用集成能源优化软件，用户可评估换热网络来增加热量回收，并通过有效评估不同设施类型的成本效率，进而将操作成本降至最低。采用过程模拟集成换热器严格设计和核算工具，用户可直接进行换热器的设计并进行评估，利用此设计增加流程精确度，并检查换热器的操作风险和预警，包括振动、污垢以及过量的操作温度和压力。使用集成的经济评估工具，用户可在更短时间内比较替代设计方案，同时考察操作决策对整体操作成本的影响。在设计过程早期采用这些分析，可以设计出更高利润的方案。

    虽然目前很多模拟工具都可用来设计化学过程，艾斯本的Aspen Plus却在设计和优化生物燃料装置和过程方面，深受EPC工程总承包公司、顶级生产商以及政府研究机构的信赖。由Eric Dunlop经营管理的泛太科技是一家可持续能源咨询公司，采用Aspen Plus开发不同的生物过程模型，评估碳-微藻生物转换与下游生物柴油生产的技术和商业可行性(注1)。泛太科技应用创新的aspenONE解决方案解决了生物物性问题，成功建立了与实验室和行业数据结果匹配的Aspen Plus模型。基于上述案例，泛太科技使用模型、能量平衡和相关的艾斯本成本评估系统，了解过程扩大的制约条件和主要经济状况。此模型经过美国能源部（DOE）先进生物燃料和生物制品国家联盟（NAABB）的验证和批准。巴西生物乙醇科学和技术实验室（CTBE），一个不在巴西境内的研究中心，采用Aspen Plus设计并扩大甘蔗提炼厂，评估生物燃料生产的不同路线 (注2)。CTBE考察了第一代和第二代乙醇装置，以甜高粱作为原料生产出丁醇，并对经济、社会和环境因素进行了比较。CTBE采用aspenONE工程方案，获得了投资回报率最高的配置。

    除了艾斯本专家开发出的一些生物燃料模型，国家可再生能源实验室（NREL）也有大量的采用Aspen Plus开发的生物燃料加工模型，并向公众提供(注3)。利用这些生物燃料生产过程建模的现有技术，用户便可开始设计新的工艺流程。

    采用创新的软件模拟，用户甚至是包括早期研发或技术验证阶段的机构，都可以开发出创新的生物燃料工艺设计，不仅具有更强的技术可行性，还减少了设计时间。严格的过程结果同时能够证明新工艺或新原料的工程可行性和经济性以及。