年产4000t酒精厂设计说明.docx
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年产4000t酒精厂设计说明
本科生课程设计（论文）
题目：
年产40000吨酒精工厂设计
——蒸煮糖化车间
学院专业
学号
学生
指导教师
二〇一六年五月
摘要
酒精在人们日常生活以及科学研究等诸多领域都有很广泛的应用。
世界酒精行业以及我国酒精行业都呈现快速发展趋势，产量逐年递增。
发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。
发酵法主要是利用微生物无氧发酵，将含糖物质如，甘蔗，甘薯，玉米等物质的糖类转化为乙醇，生成酒精。
此法原料来源丰富，生产过程环保，值得大力推广。
本设计对酒精生产的蒸煮糖化车间进行了计算和设备选型，力求理论和实践相结合。
Abstract
Alcoholhasveryextensiveapplicationinagreatdealoffieldssuchaspeople'sdailylifeandscientificresearch.Thetradesandalcoholtradesofourcountryhavefastdevelopmenttrendsonearthintheworld.Theoutputisincreasedprogressivelyyearbyyear.Theabilityforproducingalcoholofthefermentedlawwillbecomethesignofanationaleconomicstrength.Thefermentedlawismainlytoutilizemicroorganismtohavenooxygentoferment,itsuckcandymateriallike,sugarcane,sweetpotato,carbohydrateinthematerialsuchasthemaizeareturnedintoethanol,turnintoalcohol.Thislawrawmaterialsourcesareabundant,theenvironmentalprotectionoftheproductionprocess,isworthpopularizinginamorecost-effectivemanner.Originallydesignthepulpingworkshopproducedtoalcoholtocalculatewiththeselectingtypeoftheapparatus,strivetomakethetheorycombinewithpractice.
关键词：
酒精淀粉蒸煮糖化衡算工艺流程
第1章绪论·································································3
1.1酒精的性质······························································3
1.2酒精的用途······························································3
1.3酒精工业的发展··························································3
1.4生产方法及目的··························································3
1.5食用酒精国家标准························································4
第2章工艺论证·····························································5
2.1原料的选择······························································5
2.2原料的预处理····························································5
2.3原料的输送······························································5
2.4原料的蒸煮工艺··························································6
2.5双酶法糖化工艺··························································7
2.6酒精发酵工艺····························································7
2.7发酵罐间的连接··························································7
2.8酒精精馏工艺流程——三塔蒸馏············································7
2.9副产品处理及综合利用——杂醇油的回收····································7
2.10酒精工厂的污水处理·····················································8
第3章工艺计算·····························································8
3.1基础数据·································································8
3.2全厂物料衡算·····························································8
3.3蒸煮工段的物料和热量衡算················································12
3.4糖化冷却工段的物料和热量衡算············································14
3.5酒母发酵工段的物料和热量衡算············································15
3.6蒸馏工段的物料和热量衡算················································17
3.7蒸馏车间水用量的衡算····················································20
第4章设备设计及选型·······················································21
4.1糖化罐··································································21
4.2调浆桶··································································22
4.3加热器··································································23
4.4蒸煮柱··································································23
4.5后熟器··································································24
4.6气液分离器······························································24
4.7喷淋冷却器······························································25
致·······································································27
参考文献···································································28
附图1.蒸煮糖化车间工艺流程图；2.糖化罐总装图
第1章绪论
1.1酒精的性质
酒精学名乙醇，化学式为CH3CH2OH（C2H6O或C2H5OH）,结构简单的醇类，无色透明具有特殊香味的液体，密度比水小，能跟水以任意比互溶。
酒精具有很强的挥发性和刺激性气味，极易燃烧生成CO2和H2O，同时放出大量的热量。
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，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，爆炸上限%（V/V）：
19.0，爆炸下限%（V/V）：
3.3。
其化学性质十分活泼，可与水、醇类、甘油等有机溶剂混合，也可与多种金属盐类、碳氢化合物、脂肪酸等起化学反应。
1.2酒精的用途
在国计民生中，酒精工业占有重要的位置。
酒精广泛应用与国民经济的许多部门：
（1）在食品工业中，酒精是配制各类白酒、果酒、药酒和生产食用醋酸及食用香精的主要原料。
（2）在医药工业和医疗行业中，酒精是用来配制和提取医药制剂和消毒剂。
（3）在化工工业上用作基础原料和溶剂。
它是生产油漆、化妆品和燃料不可或缺的溶剂。
（4）国防工业等其他部门也需要大量的酒精。
（5）酒精不仅可作饮料，还是一种绿色燃料，更是一种战略物质，世界上2/3以上的酒精被用作燃料。
随着石油、天然气等不可再生能源的逐年消耗，到21世纪中期石油资源的供应将会萎缩。
以酒精为代表的新型液态能源，因其原料的可再生性，燃烧时无污染排放等优越的性能，将成为燃料代替的首选，应用前景广阔。
本次课程设计的是食用酒精生产厂，产品主要针对在食品酒类饮料方面的应用。
1.3酒精工业的发展
酒精的生产有以生物质为原料的发酵法和以石化产品为原料的化学合成法。
20世纪50年代前，工业酒精主要依靠生物发酵法生产，所用原料可以是淀粉质、糖蜜、纤维原料等。
普通酒精生产在我国古代就已经开始。
50年代后，随着世界石油化工的迅速发展，乙烯加压加水合成酒精在工业发达国家发展很快。
但化学合成方法受到原料的限制，1976年第一次世界围的“石油危机”，使化工合成酒精严重受挫。
酒精燃料作为一种工业化大规模生产的能源，完全不同与小规模、实用型的乙醇生产。
酒精燃料生产出现在20世纪初叶，因石油的大规模、低成本开发以及经济性较差而被淘汰。
而现在，为了减少对石油的依赖，人们都在寻找可再生能源。
由于酒精进入燃料市场有重大的发展潜势，引起了世界性的重视。
因此发酵法生产酒精的发展动力大大加强。
1.4生产方法及目的
酒精可以以淀粉、糖类、纤维质为原料，经过糖化、发酵、蒸馏而制成无色透明液体。
本次设计以薯干为生产原料，经过粉碎、除杂、蒸煮等工序，得到薯干淀粉。
薯干淀粉经双酶法连续蒸煮糖化，再用于发酵。
通过工艺流程的选择及论证，物料和能量的衡算，设备的选型计算，最后综合考虑按经济合理的要求进行车间设计，最终达到年产4万吨酒精的生产目的。
通过本次课程设计，希望可以将课堂上的理论知识与工厂实践联系到一起，一方面增加对课本知识的理解，同时也培养了实际操作的能力。
薯干
除杂粉碎
粉料
加水调浆
粉浆
加α-淀粉酶蒸汽液化
粉浆液化液
加入糖化酶糖化
糖化醪酒母
加入酒精酵母进行酒精发酵
CO2酒精发酵醪
蒸馏
废醪酒精其它产品或杂质
图1-1淀粉质原料酒精生产工艺流程
1.5食用酒精国家标准
表1-1食用酒精感官要求
项目
特级
优级
普通级
外观
无色透明
气味
具有乙醇固有香气，香气纯正
无异臭
口味
纯净，微甜
较纯净
表1-2食用酒精理化要求
项目
特级
优级
普通级
色度/号≤
10
乙醇/（％vol）≥
96.0
95.5
95.0
硫酸试验色度/号≤
10
60
氧化时间/min≥
40
30
20
醛（以乙醛计）≤
1
2
30
甲醇/（mg/L）≤
2
50
150
正丙醇/（mg/L）≤
2
15
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）/10
18
25
不挥发物/（mg/L）≤
10
15
25
重金属（以Pb计）/（mg/L）≤
1
氰化物a（以HCN计）/（mg/L）≤
5
a系指以木薯为原料的产品要求。
以其他原料制成的食用酒精则无此项要求
第2章工艺论证
2.1原料的选择
本次设计采用的原料为甘薯干，甘薯属旋花科植物，又称地瓜、白薯、红薯等。
我国是甘薯栽培生产最多的国家，分布极为广泛，全国除青藏高原外，其余各省、自治区、直辖市几乎均有种植，其中以黄淮平原、及东南沿海各省山丘地带较为集中。
甘薯的适应性和抗逆性都很强，能抗旱、耐瘠、耐碱，对土壤条件的要求不苛刻，且在受到风雹、病虫害后恢复再生能力较强，是一种易于保收的高产作物。
印度、东南亚各国、热带美洲和非洲一些国家也普遍栽培。
甘薯食用部分为块茎，鲜甘薯块茎含水约60%-80%，含淀粉10%-30%，含糖约5%，还含有少量油脂、纤维素、灰分等。
由于新鲜甘薯难以保藏，所以工厂一般情况下都是采用甘薯干。
甘薯干是把新鲜甘薯切成片状，在日光下晒干而成的，一般出品率为3:
1，含淀粉68%，水分12%。
2.2原料的预处理
2.2.1原料的除杂
薯类淀粉质原料中常含有砂石、泥土、尘埃、金属片等杂质，掺杂在生产过程中很可能造成泵、阀门、管道等设备的堵塞，石块、金属片还特别容易使粉碎机的筛板磨损，使机械设备的运转部件遭到损坏。
此外，杂质的存在也会对生产中的反应过程产生不良影响。
因此，原料在进入生产工艺过程之前必须进行清理，将杂质预先除去，确保安全正常生产。
最常用的的除杂方法有筛选，风选和磁力除铁。
用磁力分离器除去薯干中的金属，对于其它杂质选择采用气流输送原料的方法而同时达到风选的目的。
2.2.2原料的粉碎
原料的粉碎方法分为干法粉碎和湿法粉碎，一般来说，湿式粉碎不够经济，干式粉碎应用得更为广泛。
所以国的大多酒精工厂包括本次课程设计是采用干式粉碎方法。
干式粉碎采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，因为这种粉碎组合的动力消耗较低。
首先，原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。
粗碎后的物料以应能通过一定尺寸的筛孔，然后再进行细粉碎。
粗碎采用的设备为轴向滚筒式粗碎机。
经过粗碎的原料进入细碎机，细碎后的原料颗粒一般应通过1.2-1.5mm的筛孔。
细碎采用的设备为锤式粉碎机。
2.3原料的输送
因为原料为甘薯干粉，所以输送方式采用气流输送（也称风送），采用这种输送方式具有以下特点：
（1）设备简单，技术成熟；
（2）在负压作用下，物料很容易被吸入，同时原料中的石块等杂质能够在接料器底部被自动风选出来，从而保证了设备的完好使用，延长使用寿命；
（3）采用气流输送，粉碎程度较好的物料被气流从粉碎机中吸出，从而提高锤碎机的能力；
（4）机械输送动力消耗低；
2.4原料的蒸煮工艺
薯干原料中所含的淀粉存在于原料的细胞之中，受到细胞壁的保护，不呈溶解状态，蒸煮可使植物组织和细胞彻底破裂，淀粉呈溶解状态进行液化，支链淀粉几乎全部溶解，网状组织被彻底破坏，粘稠胶体的淀粉淀粉溶液粘度迅速下降，同时对物料进行灭菌，原料通过蒸煮以后，颗粒状态的淀粉变成了溶解状态的糊精
蒸煮工艺分为间歇蒸煮和连续蒸煮，间歇蒸煮所需设备简单、操作方便、投资少，适用于小规模工厂生产，但是在以下方面存在局限性：
（1）蒸汽消耗量大且不均匀，造成锅炉操作困难和煤耗的增加；
（2）辅助操作时间长，设备利用率低；（3）难以实现操作过程的自动化；（4）蒸煮质量较差，出酒率低。
所以比较两种生产工艺，决定采用连续蒸煮工艺，具有淀粉利用率高、热能利用率高、设备利用率高、劳动生产率高和蒸煮质量好的优点，且能够实现自动化操作。
2.4.1各种连续蒸煮方法的比较
连续蒸煮工艺有罐式（锅式）连续蒸煮、柱式连续蒸煮和管式连续蒸煮。
（1）罐式（锅式）连续蒸煮
优点是可以利用原有设备，不需要很高压力的蒸汽，且操作简单，整个生产过程几乎不会出现堵塞现象，淀粉利用率比间歇蒸煮可提高1%-2%；同时也具有以下缺点：
设备占地面积大，蒸煮时间较长。
蒸煮时醪液不能保证顺序流动，滞留或滑漏现象严重，因而蒸煮醪液质量不够均匀。
（2）柱式连续蒸煮法
优点是：
采用中等温度进行蒸煮，与罐式连续蒸煮相比较，蒸煮时间可以缩短；因蒸煮柱直径较蒸煮罐更小，能保证醪液先进先出，避免了滞留和滑漏现象，避免过热或蒸煮不透，减少糖分损失，淀粉利用率较高。
它的缺点是：
操作技术要求较高，否则容易发生堵塞现象。
（3）管式连续蒸煮法
主要优点是：
高温快速，糊化均匀，糖分损失少，设备紧凑，易于实现机械化和自动化操作。
但有一定的局限性，由于蒸煮温度高，加热蒸汽消耗量大，并形成较大数量的二次蒸汽，因而只有在充分利用二次蒸汽的条件下，才能提高其经济效益。
又由于蒸煮时间短，蒸煮质量不够稳定，生产操作难度大，不易控制，有时还会出现阻塞现象。
三种方法比较看来，柱式连续蒸煮法具有广泛的适应性和良好的生产参数指标，因此此次设计采用柱式连续蒸煮法。
2.4.2低温蒸煮与高温蒸煮比较选择
随着科技的发展，生产厂家意识到节能的重要性，酒精生产工业中原料的蒸煮处理过程也由高温高压向低温低压直到无蒸煮工艺转变。
然而由于无蒸煮工艺对酶制剂的要求很高，也会带来其他方面的经济投入，所以如今很多酒精生产厂家仍然应用高温高压蒸煮工艺。
本次设计也采用高温高压蒸煮工艺。
2.5双酶法糖化工艺
目前，为简化生产工艺，便于工业化生产，世界围普遍采用添加液化酶和糖化酶即所谓双酶法的生产工艺。
这种工艺可以减少淀粉损失1.2%，大幅度节约粮食，提高淀粉出酒率，与传统工艺相比，淀粉转化率可提高8%-10%，对稳定生产、节能降耗、提高淀粉出酒率都是十分有利的。
同时，它使设备所承受的压力降低，延长使用寿命，减少废水排放，净化环境，取得良好的效益。
2.6酒精发酵工艺
根据发家醪注入发酵罐的方式不同，可以将酒精发酵的方式分为间歇式、半连续式和连续式三种。
本次课程设计采用间歇发酵，它是发酵工业中广泛采用的方法之一，与连续操作相比，间歇操作具有以下优点：
设备费用低，微生物所处的环境是不断变化的；可进行少量多品种的发酵生产；发生杂菌污染能够很容易中止操作；当运转条件变化或转产新产品时，易改变处理对策；对原料组成要求较粗放等。
2.7发酵罐间的连接
发酵罐间的连接方式主要有水平连接和势能梯度连接两种。
水平连接也是一种传统连接，这种顺序连接发酵罐方式在实际运行中发酵效果良好
2.8酒精精馏工艺流程——三塔蒸馏
常用的蒸馏工艺流程有单塔流程、双塔流程、三塔流程及多塔流程。
三塔流程解决了双塔流程成品酒精的质量不够高，无法生产出优质的高纯度精馏酒精或食用级酒精的缺点。
因此，此次工厂设计采用三塔蒸馏的工艺流程。
常规的三塔流程包括粗镏塔、排醛塔和精馏塔三个塔。
排醛塔的作用是排出醛酯类等中级和头级杂质由于排醛塔排除头级杂质需要在酒精浓度较低的时候进行，醛酯类头级杂质的精馏系数较大，比精馏塔顶部分离头级杂质的效果要好，另外，由于进入精馏塔的脱醛酒已经含有很少的头级杂质，所以成品酒精液层的酒精蒸气中头级杂质已经相应降低，成品酒精的质量也就得到了相应的提高。
2.9副产品处理及综合利用——杂醇油的回收
杂醇油是以淀粉为原料生产酒精的副产物之一，是发酵原料中蛋白质分解及菌体蛋白二次水解的产物，是含有多种醇类混合液的统称。
杂醇油的生成量与发酵原料和工艺相关，一般生成量约占成品酒精产量的0.6%。
用杂醇油为原料可以深加工开发出数十种附加值高的精细化工产品，这些产品在塑料、涂料、饲料、化工、食品、医药等行业中都有着广泛的应用和良好的发展前景。
对杂醇油的综合利用涉及到的处理工艺有：
杂醇油的脱水及除杂精制、异戊醇的提取及深加工和低碳醇类的提取及深加工。
2.10酒精工厂的污水处理
酒精工厂不可避免的有很多来源的污水，如热交换器排出的废水、工艺设备洗涤污水、精馏废水和酒糟蒸发冷凝水以及生活污水，这些污水一般超过环保排放指标，需要进行处理。
目前采用的污水净化措施有机械法、化学法、物理化学法和生物法等几类。
本次课程设计预采用机械法和生物处理法来进行净化。
第3章工艺计算
3.1基础数据
生产规模：
40000t/a
产品规格：
国标食用酒精
生产方法：
以薯干为原料，双酶糖化，连续蒸煮，间歇发酵，三塔蒸馏
副产品：
次级酒精（成品酒精的3％），杂醇油（成品酒精的0.6％）
原料：
薯干（含淀粉68％，水分12％）
酶用量：
高温α-淀粉酶（20000U／mL）：
10U／g原料
糖化酶（100000U／mL）：
150U／g原料（糖化醪）；300U／g原料（酒母醪）
硫酸铵用量：
7kg／t酒精
硫酸用量：
5kg／t酒精
蒸煮醪粉料加水比：
1：
2.5
发酵成熟醪酒精含量：
11％（V）
酒母醪接种量：
糖化醪的10％（V）
酒母醪的组成：
65％为液化蒸煮醪，35％为糖化剂与水
发酵罐酒精捕集器用水：
发酵成熟醪的5％
发酵罐洗罐用水：
发酵成熟醪的2％
生产过程淀粉总损失率：
9％
蒸馏效率：
98％
全年生产天数：
320d
3.2全厂物料衡算
3.2.1原料消耗计算
3.2.1.1薯干原料消耗量
以生产96%（V）成品酒精1000kg为计算基准.
淀粉质原料生产酒精的化学反应式如下：
（C6H10O5）n＋nH2O糖化nC6H12O6
淀粉162水18葡萄糖180
C6H12O6发酵2C2H5OH＋2CO2
葡萄糖180酒精2×46二氧化碳2×44
因此生产1000kg无水酒精淀粉消耗量:
1000÷162÷（2×46）=1760.9kg
96%（V）的酒精相当于93.832%（wt），因此生产1000kg96%成品酒精理论淀粉消耗量：
1760.9×93.832%=1652.3kg
生产过程中淀粉利用率为91%，因此实际淀粉消耗量：
1652.3÷91%=1815.7kg
薯干淀粉含量为68%，因此薯干消耗量：
1815.7÷68%=2670.1kg
3.2.1.2α
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