发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计毕业论文

浙 江 * * 学 院毕业设计（论文）题目：发酵法年产 5 万吨乙醇的工艺设计姓 名 :系 别 、 专 业 : 导 师 姓 名 、 职 称 : 完 成 时 间 : 发酵法年产 5 万吨乙醇的工艺设计摘 要 ：乙醇的生产过程包括原料除杂，粉碎，液化，糖化，除菌，发酵，精馏这几个主要的过程。本设计简述了从木薯原料预处理、液化、酶糖化到发酵生产后处理整个发酵乙醇生产工艺流程，主要完成了发酵段，精馏段的计算及附属设备的选型。关键词 ：乙醇 ；发酵；精馏- III -Technological Design of 50,000 tons by fermentation of ethanol Every Year.Abstract:Ethanol production process includs these major processes: raw material impurity, grinding, liquefied, saccharification, sterilization, fermentation, distillation. The design brief pretreatment of raw materials from cassava, liquefaction, saccharification enzyme fermentation production to post-processing the entire production process,and the major assignments are calculated fermentation, distillation section and selecting of pumps and storage tanks.Keywords: Ethanol ;Fermentation; Distillation- IV -目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 概述 .11.1 乙醇的性质及质量标准 .11.1.1 物理性质 .11.1.2 化学性质 .11.1.3 生化性 .11.1.4 质量标准 .11.2 乙醇生产的意义及发展史 .21.2.1 乙醇生产的意义 .21.2.2 乙醇生产的发展 .21.3 乙醇的应用领域 .31.4 主要生产工艺 .31.4.1 合成法 .31.4.2 发酵法 .42 建厂可行性分析 .82.1 需求和拟建规模 .82.1.1 原料简介 .82.1.2 木薯原料的优势 .82.1.3 乙醇市场分析 .82.2 主要建设条件 .82.3 环境保护及废物处理 .82.4 企业组织管理 .82.5 资金筹措方式 .93 乙醇发酵工艺 .103.1 木薯的处理 .103.1.1 原料除杂 .103.1.2 原料粉碎 .103.1.3 原料输送 .113.2 液化和糖化 .113.2.1 液化 .113.2.2 糖化 .123.3 乙醇发酵 .123.3.1 乙醇发酵常用的微生物 .123.3.2 酵母生长条件 .133.3.3 酵母的培养工艺 .13- V -3.3.4 发酵乙醇的机理 .153.3.5 乙醇发酵工艺 .153.3.6 乙醇发酵的成熟指标 .153.4 空气除菌与设备 .154 物料衡算 .184.1 原料消耗的计算 .184.1.1 每吨 95%乙醇木薯干的消耗量 .184.1.2 每吨 95%乙醇 -淀粉酶的消耗量 .184.1.3 每吨 95%乙醇糖化酶的消耗量 .184.2 醪液量的计算 .194.3 发酵过程的计算 .204.3.1 发酵罐的计算 .204.3.2 发酵热的计算 .214.3.3 成熟醪发酵液中乙醇含量 .224.4 产品精制 .224.4.1 计 算机模拟结果 .224.4.2 塔高与塔径 .244.4.3 塔(T-2)塔板主要工艺尺寸 .294.4.3.1 溢流装置的计算 .294.4.3.2 塔板分块 .314.4.3.3 筛板计算 .314.4.3.4 筛板的流体力学验算 .314.4.4 塔板负荷性能图的计算 .324.5 换热器选型 .364.5.1 塔（T-1 ）塔顶冷凝器（ E-1） .364.5.2 塔（T-2 ）塔顶冷凝器（ E-2） .364.6 储罐选型 .374.6.1 储罐(V-1) .374.6.2 其它储罐选型 .374.7 泵的选型 .374.7.1 泵(P-1) .374.7.2 其它泵的选型 .384.8 小结 .385 全厂总平面设计 .405.1 总平面设计任务及内容 .405.1.1 总平面设计任务 .405.1.2 工厂组织 .405.2 总平面设计原则 .40- VI -5.3 总平面布置论述 .405.4 辅助车间设施 .415.4.1 质检室 .415.4.2 仓库 .415.4.3 机修间 .415.4.4 污水处理 .425.4.5 生活设施 .425.5 供电系统 .425.5.1 供电要求和相应措施 .425.5.2 车间配电原则 .425.5.3 主车间配电 .425.6 用水系统 .425.6.1 乙醇厂用水分类 .425.6.2 给水系统和配水系统 .425.6.3 冷却水循环系统 .425.6.4 排水系统 .426 人力组织 .436.1 基本原则 .436.1.1 劳动力组织原则 .436.1.2 企业组织原则 .436.2 车间劳动制度 .436.3 乙醇生产车间人员编制 .43符号说明 .44致谢 .45参考文献 .46附录一 工艺流程图 .47附录二 筛板塔（T-2）条件图 .48附录三 车间平面布置图 .49附录四 车间立面图 .50第 1 页 共 50 页1 概述1.1 乙醇的性质及质量标准乙醇又名酒精，是由碳、氢、氧 3 种元素组成的有机化合物，分子式为 C2H5OH，结构简式为CH3CH2OH，相对分子质量为 46。乙醇既是食品、化工、医药、染料、国防等工业十分重要的基础原料，又是可再生的清洁能源。乙醇作为重要的溶剂和化工原料而广泛应用于化学工业和医药卫生事业，它又是饮料酒工业的基础性原料，也是一种方便而较干净的液体（或固体）燃料。1.1.1 物理性质乙醇是无色透明的液体，比水轻，具有特殊的芳香气和刺激味，吸湿性很强，可与水以任何比例混合并产生热量。乙醇易挥发易燃烧，燃烧时产生大量的热量，燃烧产物是水和二氧化碳。乙醇蒸汽与空气能形成爆炸性混合气体，爆炸极限为 3.5%-18%（体积分数）乙醇的物理指标：熔点() ：-114.1 沸点( )：78.3 相对密度(水=1)：0.79 相对蒸气密度(空气=1)： 1.59 饱和蒸气压(kPa)：5.33(19) 燃烧热(kJ/mol)：1365.5 蒸发热(kJ/L)：918.76 临界温度() ：243.1临界压力(MPa)：6.38 辛醇/水分配系数的对数值：0.32闪点() ：12 引燃温度( )：363溶解性： 与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂。1.1.2 化学性质1） 氧化作用下乙醇的变化2C2H5OH + O22CH 3CHO + 2H2OC2H5OH + O2CH 3COOH + H2OCHOH + O 2CO2+3H2O2） 碱金属，碱土金属与乙醇的作用2Na + 2C2H5OH2C 5H5ONa + H2Mg + 2C2H5OHC(C 2H5O)2 Mg + H23） 酸与乙醇的反应CH3COOH + C2H5OHCH 3COOC2H5 + H2O4） 乙醇的脱水反应CH3CH2OH CH2=CH2 + H2O2CH3CH2OH C2H5OC2H5 + H2O1.1.3 生化性乙醇能使细胞蛋白质凝固，尤以 75%（体积分数）的乙醇作用最为强烈，浓度过高，细胞表面的蛋白质迅速凝固形成一层薄膜，阻止乙醇向内部渗透，作用效果反而降低，浓度过低则不能使蛋白质凝固 1。因此常选用 75%（体积分数）的乙醇作消毒剂乙醇易被人体肠胃吸收，吸收后迅速解放出热量。少量乙醇对大脑有兴奋作用，数量较大则有麻醉作用，大量乙醇对肝脏和神经系统有害作用。1.1.4 质量标准乙醇作为一种原料性的产品，其产品质量必须达到一定的标准。通常，乙醇按含杂质多少分为：无水乙醇、试剂乙醇、食用乙醇，医药乙醇，工业乙醇。其食用乙醇国家标准如表 1.1 所示。表 1.1 乙醇的质量指标表项 目 特 级 优 级 普 通 级色度/号 10 10 10乙醇/（体积分数） 96.0 95.5 95.0硫酸试验/号 5 10 60氧化时间/min 40 30 20醛/mg/L 1 3 30第 2 页 共 50 页甲醇/mg/L 2 50 150正丙醇/mg/L 2 35 100异丁醇异戊醇/mg/L 1 2 30酸（以乙酸计）/mg/L 7 10 20酯（以乙酸乙酯计）/mg/L 10 18 25不挥发物/mg/L 10 20 25重金属（以 Pb 计）/mg/L 1 1 1氰化物（以 HCN 计）/mg/L 5 5 51.2 乙醇生产的意义及发展史1.2.1 乙醇生产的意义乙醇是可再生能源,若采用小麦、玉米、稻谷壳、薯类、甘蔗、糖蜜等生物质发酵生产乙醇,其燃烧所排放的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳, 在数量上基本持平,这对减少大气污染及抑制温室效应意义重大。发展乙醇不仅可以促进农业的可持续发展，并且可以作为清洁能源代替汽油或汽油添加剂，减少工业大气污染，保护环境，同时也可缓解原油进口的压力。根据我国生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划，“十一五”期间，我国将生产 600 万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇 500 万吨，生物柴油 100 万吨；到 2020 年，生产 2000 万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇 1500 万吨。如果完全用玉米来生产，按照 1：3.3 比例计算，2010 年对玉米的需求将达到 1650 万吨，2020 年将达到 4950 万吨，加上其他工业消费对玉米需求的增长，未来我国玉米生产将难以满足燃料乙醇生产的工业化需求，完全使用玉米生产燃料乙醇在我国并不现实。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升，考虑到玉米生物乙醇的发展可能威胁到国家的粮食安全，为此，2006 年起国家停止新批玉米燃料乙醇企业，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。所以以非粮作物为原料生产乙醇有着广阔的市场前景，对解决日益紧迫的液体燃料短缺问题具有极其重要的意义。1.2.2 乙醇生产的发展1）生产技术的现代化新中国成立前，我国乙醇工业的规模很小，生产工艺均为间歇式，以麦芽作淀粉糖化剂，原料不经粉碎，淀粉利用率只有 60%左右。20 世纪 50 年代中期开始进行技术革新，首先在糖化剂方商采用微生物糖化剂代替麦芽，1964 年推行机械通风制曲，随后普遍应用液体曲，1978 年开发出高活力糖化酶新菌种（UV-11）进入 20 世纪 90 年代后逐步使用具有国际水平的耐高温 X-淀粉酶和高转化率糖化酶。在淀粉质原料的蒸煮、糖化工艺方面采用一级真空冷却连续糖化。在发酵方面，出现了应用耐高温酵母、酿酒用活性干酵母（或鲜酵母）及固定化酵母的新工艺。在蒸馏方面乙醇蒸馏的塔器配置从两塔、三塔/四塔、五塔发展到八塔蒸馏，近年来差压蒸馏等新技术正在生产中推广应用。50 年来，我国的乙醇生产技术得到很大发展，淀粉利用率达 90%以上，水平高的企业淀粉出酒率达 5556%；发酵液乙醇浓度由 5%提高到 10%左右；每吨乙醇耗煤从过去普遍在 2 吨以上降到 1吨以下（最低达 500 公斤） 。进入 90 年代后，随着食用乙醇国家标准的制订和实施，我国乙醇工业的生产技术水平得到了普遍性的提高2） 建立了完善的乙醇产品质量标准，具有生产多种规格乙醇产品的实力20 世纪 50 年代初期，我国乙醇产品无统一的质量标准。有的厂“够度“ 即算合格，有的厂参考外国标准自行规定一些检查项目，也有的厂按中华药典中医药乙醇的要求生产。1954 年，哈尔滨、济南、天津等乙醇厂应军工的需要按原苏联的乙醇标准（roct5921-51 ）试制成功“ 精馏酒精“，并按此生产。1956 年，原食品工业部参照原苏联乙醇标准及中华药典制订了“精馏酒精“ （食酒 0301-56）和“医药酒精“（食酒 0302-56）的部颁标准。至此，我国乙醇工业有了全国统一的产品质量标准。现今，我国已经具备较完整的乙醇产品质量标准体系，并正在对食用乙醇国家标准（GB13043-89）组织进行修订，以使其进一步和国际先进水平接轨。不断提高并有着先进性的产品标准，有力促进了我国乙醇生产和质量水平的不断提高。现在大多数企业都能生产普级食用乙醇，相当一部分企业具有生产优级食用乙醇的实力，有多家企业进行着高纯度特级乙醇的生产。3） 糟液治理与综合利用取得长足发展第 3 页 共 50 页过去，糟液除略行简单过滤直接用作饲料外，基本上不予处理。随着生产的发展，对糟液的治理逐步引起重视，20 世纪 60 年代用薯类乙醇糟液大规模进行沼气发酵取得成功，逐步推广并不断完善，现在最大的沼气发酵罐容已达 5000 立方米。针对沼气发酵后消化液的进一步处理，好氧法取得一定成效；近来南阳乙醇总厂开发出一套实用而有效的治理措施，采用物理化学法去除悬浮扬（制得部分干酒糟和肥料） ，利用生物法去除可溶性有机物（获得沼气） ，从而使薯类乙醇糟液的治理实现了经济上有利的达标排放 2。1.3 乙醇的应用领域乙醇的用途很广，主要有：1）消毒剂：医院用的一般用浓度为 70% 75%的乙醇溶液，因为这种浓度的乙醇溶液杀菌能力最强；此外也是碘酒消毒剂的成分之一。2）饮料：乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为 56 度的酒。3）基本有机化工原料：乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。4）汽车燃料：乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，美国销售乙醇汽油已有 20 年历史。此外乙醇还做：稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是消毒剂。1.4 主要生产工艺乙醇工业生产方法分为发酵法和合成法两大类。1.4.1 合成法化学合成法是利用炼焦炭、裂解石油的废气为原料，经过化学合成反应而制成乙醇。目前工业上采用的合成法主要是乙烯直接水合法，即将乙烯在浸渍有磷酸的固体催化剂上进行水合反应。所得稀乙醇溶液需经过精馏提纯以除去部分水和副产物。此外还有乙烯间接水合法、乙醛加氢法、CO-H 2 合成乙醇等。1）乙烯直接水合发乙烯直接水合法就是乙烯和水在高温、加压、催化剂条件下直接加成得到乙醇的方法：C2H4 + H2O C2H5OH2）乙烯间接水合法间接水合法生产乙醇的出现早于直接水合法。在 1825 年，就已经出现了乙烯在硫酸介质存在下，液相水合为乙醇的实验研究。经过一个世纪后乙烯用硫酸吸收再经水解制备乙醇的方法获得了工业化。乙醇间接水合法又称硫酸法，采用硫酸作催化剂，经过两步反应，由水与乙烯合成乙醇。第一步：乙烯与硫酸作用生成硫酸氢乙酯或硫酸二乙酯；CH2=CH2 + H2SO4 CH 3CH2-OSO2OH 或 2CH2=CH2 + H2SO4 (CH 3CHO)2SO2第二步：硫酸氢乙酯或硫酸二乙酯水解，生成乙醇，释放出硫酸：CH3CH2-OSO2OH + H2O CH 3CH2OH + H2SO4或 (CH3CHO)2SO2 + 2H2O 2CH 3CH2OH + H2SO4硫酸氢乙酯、硫酸二乙酯水解过程中伴随有副产物乙醚的生成。3）乙醛加氢法此法是将乙醛在 160200，铜催化剂的存在下加氢制得乙醇，其他化学反应式如下：CH3CHO + H2 H3CH2OH乙烯氧化发生产乙醛又分为氧气法和空气法。氧气法是在 120130，300kPa 左右的压力下进行反应；空气法是在 100105，压力 11.2MPa 下进行反应。利用氯化钯做催化剂，在盐酸溶液中使乙烯被空气或氧气直接氧化成乙醛.4）CO-H 2 合成乙醇催化剂230300，78MPa催化剂第 4 页 共 50 页一氧化碳和氢气混合气来源十分广泛，我国煤炭储量丰富，大力开发煤气化制备 CO-H2 混合气具有广泛的发展前景。2CO + H2C 2H5OH + H2O3CO + H2C 2H5OH + CO2由反应式可知。CO 与 H2 的摩尔比应符合化学计量关系， CO:H 2=1:2 或 1:1。因此实际生产中为使混合气的摩尔比恰好为 1:2，可采用向欲转化的烃类中通 CO2 以调整转化后的产物中的分子比例。即：3CH4 + 2H2O + CO2 4CO + 8H 2从热力学角度看，合成乙醇在较低的温度下进行比较适宜，但低温下反应速度太慢，为提高反应速度，应适当提高反应温度。然而随着温度的提高，副反应增多并加剧，而且无论从热力学和动力学角度来看，温度提高对副反应的生成较乙醇的生成更便利，因此为使反应向主反应方向进行，必须寻找一种选择性高、催化性好的催化剂，这是由 CO-H2 合成乙醇的关键。1.4.2 发酵法发酵法采用各种含糖（双糖） 、淀粉（多糖） 、纤维素（多缩己糖）的农产品，农林业副产物及野生植物为原料，经过水解（即糖化） 、发酵使双糖、多糖转化为单糖并进一步转化为乙醇。淀粉质在微生物作用下，水解为葡萄糖，再进一步发酵生成乙醇。发酵法制酒精生产过程包括原料预处理、蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、废醪处理等。1）淀粉质原料的发酵工艺 乙醇的发酵工艺分为间歇发酵、半连续发酵和连续发酵三种。间歇发酵 间歇发酵也称单罐发酵，发酵的全过程在一个发酵罐内完成。根据糖化醪的添加方式分为以下几种。一次加满法。该法是将糖化醪冷却到 27-30后，送入已经清洗、灭菌的发酵罐中，一次加满，同时加入 10%的酒母醪，经 60-72h 发酵即得到成熟发酵醪。该法具有操作简单，易于管理的优点。但存在初始酵母密度低，发酵除患期延长，初始生长和发酵