年产150000吨国标燃料酒精的工厂设计说明书.doc

年产150000吨国标燃料酒精的工厂设计摘要：本次课程设计主要任务是设计年产150000吨国标燃料酒精的工厂，选用薯干为原料，采用双酶糖化，连续蒸煮，间歇发酵，三塔蒸馏的生产工艺，生产的燃料酒精乙醇含量99.5%以上(体积分数)。本设计书介绍了燃料酒精的生产工艺、用途及发展趋势等，主要对设备设计选型及车间布置进行设计。关键词：燃料酒精 糖化车间 设备布置图 1.设计概述1.1 背景介绍我国酒精生产以发酵法为主，大多数工厂是采用薯干为原料，而广东、广西、福建、四川、台湾、等省是以甘蔗糖蜜发酵生产酒精的比例较大，华北、东北地区则以甜菜糖蜜发酵生产酒精较多。酒精工业和其他轻工业一样，具有投资小、回收期短、资金周转快的特点，在国民经济中起着重要的作用，与人民生活有着密切的关系。随着现代科学事业的不断发展，酒精的应用范围越来越广泛，利用酒精可以制造合成橡胶、聚氯乙烯、聚苯乙烯、乙二醇、冰醋酸等。酒精是一种很好的有机溶剂，也可作为洗涤剂和浸出剂。在医药上酒精可用与灭菌和药剂的调试，高纯度的酒精可用来配制各种饮料酒。在国外有的工厂用酒精作燃料，取代煤和汽油；有的国家正在使用，用酒精作为燃料的汽车。随着自然资源开发的日渐减少，酒精作为绿色资源永不腿色，它的用途将更为广泛。 酒精发酵生产的副产物杂醇油，主要含有高级醇和脂类，可用来制造香料、油漆及增塑剂，也可用作有机溶剂。二氧化碳可制成液体二氧化碳与干冰，液体二氧化碳可用于清凉饮料的制造和消防事业及焊接工业等，固体二氧化碳可作冷冻剂及人工降雨需用的材料。1.2 酒精的种类和和工业生产的方法1.2.1酒精的种类我国工业生产的酒精按国家规定分为高纯度酒精、食用酒精和工业酒精等，并由轻工业部和卫生部颁布标准。 1、高纯度酒精（GB68778 无水酒精） 酒精浓度不得低于99.5%（容量），是一种严格中性没有杂味的酒精，专供国防工业、电子工业与化学试剂用。 2、食用酒精（GB1034389 食用酒精） 酒精浓度不得低于95.0%（容量），杂质含量较少，主要用于食品行业配制饮料酒、医药行业和精细化工行业。 3、工业酒精 只要求酒精浓度达到95.0%（容量），无其它要求，主要用于油漆稀释，合成橡胶等工业生产，或作燃料使用。1.2.2酒精工业的生产方法 可分为发酵法和化学合成法两大类：发酵法和化学合成法。 1、发酵法 是利用淀粉质原料或糖质原料，在微生物的作用下生成酒精，根据原料的不同，又可分为： （1）淀粉质原料发酵生产酒精 这是我国当前生产酒精的主要方法，它是利用薯类、谷物及野生植物等含淀粉的原料，在微生物的作用下将淀粉水解为葡萄糖，再进一步发酵生成酒精。整个生产过程包括原料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、发酵及蒸馏等工序。 （2）糖蜜原料发酵生产酒精 直接利用糖蜜中的糖分，经过稀释并添加部分营养盐，借酒母的作用发酵生成酒精。 （3）亚硫酸盐纸浆废液发酵生产酒精 造纸原料经亚硫酸盐液蒸煮后，废液中含有六碳糖，这部分糖在酵母作用下可以发酵生成酒精，主要是工业酒精。2、化学合成法生产酒精 是利用炼焦炭、裂解石油的废气为原料，经化学合成反应而制成酒精。生产方法又可分为间接水合法和直接水合法两种，目前工业上普遍采用后者。 （1）间接水合法 又称硫酸水合法，它的生产过程是将乙烯与硫酸经加成作用生成硫酸氢乙脂，再进行水解，生成乙醇和硫酸。此法的缺点是对设备腐蚀严重，酸消耗较多，优点是对原料气体的纯度要求不高，设备简化，易于操作。 （2）直接水合法 乙烯与水蒸气在磷酸催化剂存在下，在高压高温下可直接发生加成反应，生成酒精。此法要求乙烯纯度在98%以上的原料气，需要采用特出的方法分离裂解其中各种组分，对设备、材料都提出了较高的要求，但此法步骤简单，无腐蚀问题。1.3淀粉质原料酒精生产1.3.1淀粉原料的选择在选择工业上大规模生产酒精的原料时，应考虑到下列诸条件：(1) 因地制宜，就地取材，原料产地离工厂要近，便于运输，节省费用。(2) 要求原料内碳水化合物含量较多，蛋白质含量要适当，适合与微生物的需要和吸收利用。(3) 原料资源要丰富,容易收集。由于酒精生产需要大量原料，要保证一定的库存量。(4) 原料要容易贮藏。应考虑到新鲜原料内含水量多，不耐久藏，最好选择经，干燥后，含水极少的干原料，易与保藏，不宜霉烂。(5) 对人民的身体无害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含。(6) 原料价格低廉，可降低产品成本。此外，还应当考虑到大力节约粮食原料，尽量少用或不用粮食原料，充分利用当地的非粮食原料，广泛利用野生植物原料，同时利用农林副产物和植物纤维原料，以及亚硫酸盐纸浆废液等，对于节约粮食原料有着重要意义。1.3.2淀粉质原料酒精生产的特点及其生产的基本过程1、原料系采用薯类、粮谷类及野生植物等，在投产前必须先经过破碎处理。目前国内上有一部分产量较小的酒精厂，采用间歇蒸煮，原料不经粉碎，就直接将快状或粒状原料投入生产，但大部分中等规模以上的酒精厂，原料多经二次粉碎，然后进行高压连续蒸煮，有利原料的受热面加大，更有效地达到蒸煮的要求。 2、原料必须经过蒸煮，在高温高压过程中，引起原料细胞的组织破裂，使存在于细胞中的淀粉转化为可发酵性糖。蒸煮温度由于原料的品种与规格不同而有差异，通常为130150度，但经过粉碎的原料，其蒸煮所须的温度较低，大约120130度。高温处理除了使淀粉糊化，便于淀粉酶起糖化作用外，还可把附着的有害杂菌杀死。 3、淀粉质原料生产酒精，要经过加曲糖化作用，把糊化成溶解状态的淀粉转化成可发酵性糖。由于曲的生产方法不同，可分为麸曲糖化法、液曲糖化法、根酶糖化法（阿米罗法）、根酶酒母混合法、麦芽糖化法等。目前在国内是以麸曲糖化法和液曲糖化法为主，在国外使用淀粉质原料生产酒精的方法，大致可分为： A.麦芽法 以麦芽、黍芽、稷芽作糖化剂。 B.阿米罗法 将根霉或毛霉等霉菌，在糊化醪冷却至3040度时，接种培养，在霉菌生长过程中转化淀粉成发酵性糖，再加酵母发酵。C.曲法 以固体曲或液体曲作为糖化剂。D.酶法 用淀粉酶代替曲。 4、淀粉悬浮液在糊化和溶解过程中，粘度是不断变化的，当淀粉颗粒溶解时，粘度逐渐增加，达到最大限度后，随着温度的继续上升，醪液粘度下降。 5、蒸煮过程中原料因受高温高压，易产生焦糖。由于淀粉质原料甘薯内所含的碳水化合物中以淀粉为主，另外还有少量糊精和糖类；而马铃薯中所含的糖主要是堡葡萄糖和果糖，以及少量的蔗糖；在谷粒中则以葡萄糖为主。在蒸煮时，不同的糖分其化学变化也不同。例如糖分回转化，醛糖回变成酮糖（异构化）；各种糖分都会焦化，形成焦糖；己糖分解变为羟甲基糠醛，又很容易和新的氨基酸分子起作用而生成黑色素。焦糖是不能被发酵的，还会阻按碍酵母的发酵作用，影响发酵而降低酒精产量。因此，蒸煮是要注意控制适宜的温度和压力。由于形成焦糖的作用，一般在高浓度溶液中比低浓度溶液中容易进行，因而淀粉质原料蒸铸时，如原料内含有较多的糖分，便容易形成黑色物质和焦糖。醪液浓度越高，也越容易形成焦糖。因此，对甘薯干的原料加水比，一般都采用1313.4，有时还要稍稀些，这样便于淀粉率的提高。2.淀粉质原料酒精生产的工艺流程设计2.1工艺流程框图：淀粉质原料生产燃料酒精流程图2.2工艺步骤此流程主要是说明用淀粉质原料生产酒精时，投产前必须先把快状或粒状的原料，磨碎成粉末状态后，经过高压蒸煮和糖化作用，然后在进行发酵，最后经蒸馏得到成品酒精，现简要叙述如下： 1.原料粉碎 连续蒸煮的酒精工厂，原料出库后，先经过粉碎，然后在投入生产。几乎大多数工厂都采用了锤式粉碎机，把原料磨成粉。很多工厂都采用二次粉碎法，在进入锤碎机前先经过粗碎，把大快原料初步打碎成小快原料，再经过锤碎机，将小快原料打碎成较细的粉末原料，这样便于连续蒸煮。 2.蒸煮糊化 把磨碎后的粉末原料，先行拌水预热，使原料升温，为连续蒸煮作好预煮准备。原料内的淀粉颗粒，经高压蒸煮后逐步破裂，趋与溶解状态，蒸煮醪液成糊状。 3.糖化 经蒸煮糊化后的醪液，通过淀粉酶进行糖化作用，能把原料内含有的淀粉转变为可发酵性糖，供酵母菌利用。 4.酵母发酵 酒精发酵是属于厌气性发酵，在发酵过程中进行无氧呼吸，在此过程中，发生着复杂的生物化学变化，有生成糖、肽和氨基酸，这些物质一部分被酵母吸收合成菌体细胞，另一部分则被发酵，生成酒精和CO2。 5.蒸馏提纯 经酵母菌把糖转变成酒精后，在成熟发酵醪内，除含有酒精和大量水分外，还含有固形物和许多杂质。蒸馏是把发酵醪液中含有的酒精提纯出来，通过粗馏和精馏，最后取得合乎规格的酒精，同时得到副产物杂醇油，还有大量的酒糟（也称废醪）排除。有的工厂把酒糟内的余热，设法取出，充分利用。3. 全厂物料衡算3.1 原料消耗的计算（1）淀粉原料生产酒精的总化学反应式糖化： (C6H10O5)n+ nH2O nC6H12O6 （1-1） 162 18 180发酵： C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 （1-2） 180 462 442 （2）生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量由式(1-1)和式(1-2)可求得理论上生产1000kg燃料酒精(按乙醇含量99.18%算)所耗的淀粉量为：注：燃料酒精体积分数99.5%换算成质量分数为99.18%。（3）生产1000kg燃料酒精实际淀粉消耗量实际上，整个生产过程经历原料处理，发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品的实际产率必然低于理论产率。据实际经验，各阶段淀粉损失率如表（1-3）所示。表1-3 生产过程各阶段淀粉损失率生产过程损失原因淀粉损失率/%备注原料处理蒸煮糖化发酵发酵发酵蒸馏脱水粉尘损失淀粉残留及糖分破坏发酵残糖巴斯德效应酒气自然蒸发与被CO2带走废糟带走等脱水损失总计损失0.400.401.34.00.301.601.09.0加酒精捕集器发酵系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失率为9.0%。故生产1000kg燃料酒精需淀粉量为：这个原料的淀粉出酒率达到了我国现阶段木薯干原料生产酒精的先进出酒率水平。（4）生产1000kg食用酒精木薯干原料消耗量据基础数据给出，木薯干原料汗淀粉68%，故1000kg酒精耗木薯干量为：若应用液体曲糖化工艺，并设每生产1000kg燃料酒精产品需要的糖化剂所含的淀粉量为，则木薯干原料需要量减为：（5）-淀粉酶消耗量应用酶活力为20,000U/g的-淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗。-淀粉酶按8U/g原料计算。 酶用量为：（6）糖化酶耗量应用酶活力为100,000U/g的糖化酶，使用100U/g原料，则糖化酶消耗量为：此外，酒母糖化酶用量按200U/g原料计算，且酒母用量为8%，则用糖化酶量为：式中65%为酒母的糖化液占65%，其余为稀释水与糖化剂。两项合计，糖化酶用量为3.114kg.3.2蒸煮醪量的计算根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1：3，故粉浆量为：蒸煮过程使用直接蒸汽加热,在后熟器和汽液分离减压蒸发,冷却降温,用喷射液化连续蒸煮工艺。调浆的粉浆温度为50，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至105，然后进入维持管保温液化58min，真空闪急蒸发冷却至95后进入液化罐反应约60min后，进真空冷却器冷却至63后糖化30min。干物质含量的木薯干比热容为：粉浆干物质含量为：蒸煮醪比热容为：式中cw水的比热容kJ(kgK)（1）经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：式中2748.9喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）的焓(kJ/kg)（2）经液化维持管出来的蒸煮醪温度降为102，蒸煮醪的量为：式中2253液化维持管的温度为102下饱和蒸气的汽化潜热(kJ/kg)（3）经闪蒸汽液分离器后的蒸煮醪量为：式中227195下饱和蒸气的汽化潜热(kJ/kg)（4）真空冷却后最后蒸煮醪液量为：式中2351真空冷却温度为63下饱和蒸气的汽化潜热(kJ/kg)3.3 糖化醪与发酵醪量的计算由发酵成熟醪酒精含量：14% (体积分数)；相当于11.32%（质量分数）。并蒸馏效率为98%，而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成熟醪量的5%和2%，则生产1000kg93.118%（质量分数）酒精成品有关的计算如下：（1）需蒸馏的成熟发酵醪量为：（2）若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：（3）如蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：（质量分数）（4）相应发酵过程放出CO2总量为：（5）接种量按8%计，则酒母醪量mo为:（6）酒母醪的65%为糖化醪，其余为稀释水与糖化剂，则糖化醪为：3.4 废醪量的计算废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分及其他挥发组分后的残留液，此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加热，所以还需要加上塔的加热蒸汽冷凝水。设进塔的醪液（F1）的温度t1=70,排出废醪的温度t4=105；成熟醪固型物含量,塔顶上升酒气的乙醇浓度50%（体积分数）即47.18%（质量分数）。则：（1）醪塔上升蒸汽量为：（2）残留液量为：（3）成熟醪比热容为：（4）发酵醪带入塔的热量为： （5）蒸馏残留液固形物含量为： 此计算是以间接加热，故没有加热蒸汽冷凝水的工艺。（6）蒸馏残留液的比热容为：（7）塔底残留液带出热量为：查得50%（体积分数）酒精蒸汽焓为H=1965kJ/kg,故有：（8）上升蒸汽带出热量为：塔底采用0.05MPa（表压）蒸汽加热，焓为I=2689.8kJ/kg;又蒸馏过程热损失Qn可取为传递总热量的1%。根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为： 若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量为：3.5 150000t/a淀粉原料燃料酒精厂总物料衡算（1）醛酒产量 在醛塔取酒一般占成品酒精的1.2%3%，在保证主产品质量合格的前提下，醛酒量取得越少越好。设醛酒量占成品酒精的2%，则生产1000kg成品酒精可得次品酒精量为：（2）燃料酒精产量 每生产1000kg酒精，其燃料酒精产量为：1000-20=980（kg）（3）杂醇油产量杂醇油量通常为酒精产量的0.3%0.7%，取平均值0.5%，则淀粉原料生产1000kg酒精副产杂醇油量为：（4）酒精成品日产燃料酒精量为：150000/320=468.7(t),取整数为；日产次品酒精量为：；日产酒精总量为。实际年产燃料酒精量为：320469=150080（t/a）；实际年产次品酒精量为: 实际年产酒精总量为。（5）主要原料木薯干用量日耗量为：2822.4478.57=1350716（kg/d）年耗量为：1350716320=4.32108（kg）=432229（t/a）淀粉酶，糖化酶用量以及蒸煮粉浆量，糖化醪，酒母醪，蒸馏发酵醪等每日量和每年量均可算数，衡算结果详见表1-4表1-4 150000t/a淀粉原料酒精厂物料衡算表 数量物料生产 1000kg 99.5%酒精物料量（kg）每小时数量/kg每天数量/t每年数量/t燃料酒精98019542469150080次品酒精20398.759.573062木薯干原料2822.4562801350.716432229-淀粉酶1.12922.50.54172.9糖化酶3.11462.11.49476.9硫酸铵8159.63.831225.1硫酸599.62.39765.7蒸煮粉浆11289.62251215402.91728921.6成熟蒸煮醪11472.82287755490.61756977.4糖化醪9651.41924544618.91478043酒母醪733.914633351.2112391.5蒸馏发酵醪9566.11907544578.11464980杂醇油599.62.39765.7二氧化碳96819304463.3148242.3废醪9524.41899214558.11458593.84水平衡计算4.1蒸馏工艺流程示意图本设计以淀粉原料生产燃料酒精,采用半直接式三塔蒸馏流程和相应的脱水工艺,流程示意图如下：4.2 工艺技术指标及基础数据（1） 排醛塔和精馏塔塔顶温度均为78.579，塔顶蒸汽的酒度为95%96%，第二分凝器温度 为40。（2） 醛酒产量占成品总量的2%。（3） 杂醇油分油提取温度取25%。（4） 去除杂醇油馏分的酒精浓度为4260(体积分数)，平均值50%。4.3 蒸馏车间的水衡算燃料酒精蒸馏采用三塔差压流程，95%（体积分数）气相分子筛脱水，考虑脱水损失取1%，分子筛脱水后冷凝，从过热温度119（0.3MPa）降至30。1，醛塔分凝器冷却用水工厂所处的地理位置或气候条件不同或在不同的季节，冷却水温可能有较大差异。现假定所用冷却水的初温tH1=25,且冷却水的逆流串联方式通过各分凝器,离开时终温tH2=70。醛塔分凝器冷却水耗量可且通过以下计算求解：根据前面的物料衡算结果,95%酒精产量P=19542/0.99/0.95=20778kg/h。醛酒量A=207782%=416kg/h。据设计经验，醛塔回流比R1=195，且查表得95%酒精蒸汽的焓h=1166kJkg，则冷却水量为：2，醛酒冷却用水 把醛酒从t2=78.3冷却水到t2=25，冷却水使用tH2=20的深井水，终温为tH2=40，逆流则每小时耗水量为： 3，精馏塔分凝器用水从精馏塔顶出来的酒气先经醪液预热器与冷成熟醪进行热交换，酒汽冷凝成饱和液体。据热量衡算有：（R2+1）（P+Pg）i3=F1CF（tF2tF1）+W3Cw（tH3tH3）式中；R2精馏塔回流比，R2一般为为34，现取R2=3.0Pg回流入醛塔的次等酒量，可取95%酒精P的2%，故Pg=416Kg/hi3 塔顶上升酒气的焓，为1166KJKgF1蒸馏发酵醪流量，为190754KghCF蒸馏发酵醪比热容，取3.4811KJ（KgK）tF1、tF2蒸馏发酵醪加热前后温度，为32和50tH3、tH3冷却水进出口温度，取30和70则可得精馏塔分凝器冷却用量为：4，精馏塔成品酒精冷却水用量精馏塔95%冷却水用量成品酒精冷却水用量W4。95%酒精冷却使用20的深井水，根据热量衡算，耗水量为：W4=Pcp(tp-tp)cw(tH4-tH4)式中：CP酒精比热容，为2.89Kg/（KgK）tP、tP成品酒精冷却前后温度，分别为78.3和30tH4、tH4冷却水初温和终温，分别为20和40. 把上述各量代回上式得：5，杂醇油分离稀释用水量采用气相提油工艺，既在精馏塔料板26块塔扳抽出酒汽，经冷凝冷却，再用20冷却，再用20冷却稀释至含酒精10%（体积分数）经分离盐析精致而成。根据上述工艺流程，假定分离器和盐析后提取的杂醇油占从精馏塔抽出总油的90%，其余10%随谈酒回流入搭。根据物料衡算，可求出精馏塔抽取的杂醇油气量1为：式中，20%为杂醇油气中杂醇油的含量。相应的进入分离器的稀酒精杂醇油溶液量G2为：根据热量衡算，得冷却用量为：把50%酒精杂醇油溶液稀释至含酒精10%的冷却水用量为：故杂醇油分离稀释总用量为：6，蒸馏车间总用量为若生产燃料酒精，总用水量为：7，1