《酒类工艺学》课程设计说明书年产21万吨酒精厂发酵车间的设计.docx
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《酒类工艺学》课程设计说明书年产21万吨酒精厂发酵车间的设计
吉林工程技术师范学院
《酒类工艺学》
课程设计说明书
设计题目年产2.1万吨酒精厂发酵车间的设计
系（学院）食品工程学院
设计者
班级学号
指导教师
2009年12月07日
三、酒精应用食用酒精
第一章概述
一、酒精工业的发展
一、现状
酒精是广泛应用在食品、化工、医药、国防和科研等各个领域的重要有机工业原料。
中国工业化生产酒精始于1900年俄国人在哈尔滨建的酒精厂，但发展非常缓慢，新中国成立时，我国酒精产量不到1万吨，专业性酒精厂生产规模大都是千吨小厂，基础十分薄弱。
五十多年来，特别是改革开放以来，随着国民经济的发展，我国酒精生产取得了巨大的发展。
现有酒精生产企业450多家，产量在3万吨以上的共26家，其中30万吨以上的3家、10～20万吨7家、3～5万吨9家。
2005年酒精产量达368.13万千升（按年销售收入500万元以上的企业计）（不包括自产自用的酒精），比2004年增长33.6%，居世界第三位。
2004年出口酒精74.44万吨比2003年增2.28倍，每吨酒精创汇418.73美元。
进口3433吨，其中变性酒精1802.18吨，用汇686.03美元/吨。
酒精生产实现了连续化、使用专用酶制作和商品酒精酵母，固定化酒精酵母，淀粉利用率达到90%以上，淀粉出酒率好的企业可以达到55~56%，（96°V/V）原料出酒率可到40~40.88%。
随着食用酒精和工业酒精国家标准的4次制订、修订和实施，高纯度特级酒精企业的日益增多，标志着我国酒精生产技术和产品质量水平得到了很大的提高。
但是，国外酒精生产技术自石油危机和美国大力发展汽油醇以来，有了更快的进步，特别是在节能、综合利用和自动化等方面，与我国拉开了差距。
我国每吨酒精平均能耗酒精800公斤以上，世界水平为300~400公斤。
随着我国燃料乙醇的发展，引进、消化、吸收、创新，我国酒精生产技术正在得到飞跃发展和提高，深信21世纪初期一定可以赶上世界先进水平。
二、国内酒精蒸馏流程的进展
淀粉质原料 → 蒸煮 → 发酵 → 蒸馏 → 酒精
（糖质含糖蜜）（糖质原料无需蒸煮）
1、两塔
（1）50年代初，天津、地方国营哈尔滨（顾乡屯）等酒精厂采用的两塔间断蒸馏流程。
（2）50年代初间歇流程生产能力低、消耗大，相继改为连续蒸馏。
上海新亚酒精厂采用的两塔液相过塔流程。
（3）山东黄台酒精厂采用的两塔半液相过塔流程。
（4）1953年南阳酒精厂为降低煤耗采用了两塔气相过塔蒸馏流程生产95%（V）酒精。
（5）1956年部颁医药用酒精标准实施后，上海酒精厂、资中糖厂采用的两塔气相过塔塔板取酒流程。
（6）1981年“GB394-81酒精”国家标准实施。
山东坊子酒厂等蒸馏楼不够高的企业采用强制回流工艺流程。
（7）两塔蒸馏的工厂为提高质量和节能采用醪塔有排醛段的两塔蒸馏。
2、三塔
（1）50年代上海中国酒精厂和以糖蜜为原料四川多个糖厂采用的三塔液相过塔流程。
（2）1956年南阳酒精厂采用塔板取酒和增加脱甲醇塔生产医药用酒精。
（3）用糖蜜为原料生产酒精采用三塔半直接式流程。
（4）1981年“GB394-81酒精”国家标准实施后，山东等厂采用三塔（两精塔）流程生产较低甲醇酒精。
3、四塔
（1）山东酒精厂采用醪塔、精馏塔、脱甲醇塔、杂醇油塔的四塔流程。
（2）哈尔滨酒精厂（马家沟）采用醪塔、排醛塔、精馏塔、脱甲醇塔的四塔流程。
还有上海华星工厂采用的醪塔、排醛塔、精馏塔、醛酒精馏塔的四塔流程，四川广元酒精厂采用的醪塔、排醛塔、精馏塔、杂醇油塔的四塔流程。
4、五塔
上海美利（美龙）化学厂采用醪塔、排醛塔、精馏塔、脱甲醇塔、杂醇油塔的五塔流程。
5、多效蒸馏（差压蒸馏）的引进和推广
改革开放后，我国酒精蒸馏流程有了新的进展。
国外都已采用的多效蒸馏也由引进到自行设计应用。
（1）1989年安徽特级酒精厂引进法国Speichim公司生产能力60KL/d的六塔二效蒸馏设备投产。
生产无水酒精时为八塔流程。
（2）1992年吉林天河酒精饲料公司引进奥地利奥高布殊（VOGELBVSOH）公司未包括脱甲醇塔的四塔蒸馏投产，用于玉米原料生产，后因酒精中甲醇含量高又增设脱甲醇塔.
（3）轻工部广州设计院与城月糖厂等协作消化吸收国外经验，生产能力为40T/d的四塔二效蒸馏于1992年投产。
醪塔在减压下操作，底温85℃左右，排醛塔、精馏塔在加压下操作，顶温102℃，脱甲醇塔在常温下操作，底温82℃左右。
据报道，此流程每吨酒精耗蒸汽3吨，耗冷却水减少10～30吨，耗电增加15～20kwh。
（4）1993年吴川糖酒机械公司与朝阳酒厂协作，国产三塔二效蒸馏流程投产。
（5）某糖蜜酒精厂采用的三塔式差压蒸馏流程
精馏塔与初馏塔组成的二效系统。
精馏塔为第一级加压塔，初馏塔为第二级减压塔，醪塔为常压塔。
发酵成熟醪先经初馏塔顶面的热交换器预热到65℃后进入初馏塔顶层，然后逐层向下溢流到塔底层进入列管热交换再沸器，在此用精馏塔顶来的酒精蒸汽（压加0.15MPa，温度100℃）加热到85℃时进行外循环蒸发，废液从塔底P抽出。
初馏塔酒汽经冷凝后进入暂贮缸，用泵送入醛塔中部，冷凝器的不凝性气体则用真空泵抽出，以保持初馏塔在0.05Mpa条件下进行真空蒸馏。
醛塔用精馏塔底压力0.18Mpa，温度130℃废水，通过闪蒸所得的二次蒸汽加热，不足部分补充生蒸汽，其操作工艺同一般常压蒸馏。
从塔顶冷凝器分离醛酒。
塔底层的脱醛酒则用泵送去精馏塔。
精馏塔用直接蒸汽加热，维持塔压0.18MPa进行加压蒸馏，脱醛酒在塔中浓缩。
塔顶酒度为95~96%，温度为100℃酒精蒸汽通过导汽管向下进入初馏塔底侧的热交换器——再沸器，用初馏塔的醪液进行冷凝，凝液（酒精）流入暂贮缸，再用泵向精馏塔顶进行强制回流。
成品酒精从塔的上部取出，杂醇油则入进料层附近提取。
6、小结
酒粗蒸馏耗用热能占酒精生产总热能耗的60%左右，投入的大量热能都为馏出的酒精气或排出的废槽废水所带出。
热效率很低，采用多效蒸馏，使热能多次利用，理论上二效蒸馏省能效率50%，三效为66.7%，四效为75%，再增多效，省能效率提高小，投资增加过大，因此选用多效蒸馏，要因厂制宜，适合国情，讲究经济实效。
同时适宜的蒸馏流程的采用还需和最适工艺条件，最佳微机调控和人员素质等相结合。
从我国酒精蒸馏流程的发展过程可见，1956、1981、1989三次国标的制订、修订推动了酒精生产技术的发展，采用即能保证产品质量又能节能流程，使蒸馏流程更趋合理。
2002年“GB10343-2002”酒精国家标准实施，当年3-9月，广西轻工产品监督检测站抽检了广西56家酒精生产企业的产品，38家糖蜜为原料的产品全部合格，18家以木薯为原料的全部不合格。
甲醇含量超标的有13家，其中10家是因新标准甲醇的质量标准提高而不合格。
降低酒精中的甲醇含量必然为工厂所关切，也必将是广西木薯酒精厂，对蒸馏流程进行技改提高技术水平的推动力。
三、蒸馏生产过程中采用的节汽措施
1、降低回流比。
（回流酒精量和产酒精量之比）
石油危机前，实用回流比为最小回流比的1.4—1.6，石油危机后为了节能多用1.2，甚至1.1。
（1）增加精馏塔塔板数，提高精馏效率，降低实用回流比。
（2）采用新型高效塔板或填料。
我国酒精工业醪塔多数采用S型塔板，精馏塔等多数用浮阀，其次为导向筛板、斜孔等。
2、提高预热醪温。
工厂常用酒精气预热醪温到60℃左右，再利用酒精糟预热醪温到70℃最高可以到82℃。
3、气相过塔：
比液相过塔节省蒸汽，使蒸汽消耗降到1300Kg/t酒精。
4、低化蒸馏工艺操作，使蒸馏稳定运行
（1）进料出料均选择适当的板级，采用适当稍多的提馏段塔板，进行微机调控。
（2）正常分油，使精馏段中部塔板中杂醇油和酯的含量稳定在一个较低的范围。
四、目前，酒精企业正在不断总结推广先进生产技术：
1、压力喷射蒸煮技术。
改变套管式、塔式蒸煮方式，减少了醪液焦化、堵塞现象，缩短了蒸煮时间，保证了蒸煮质量，节能提高蒸煮效率。
2、浓醪发酵技术。
使用超级高酒酵母，发酵液酒精度从过去9-11%提高到13%（V/V），天津冠在实业公司可以达到15%，世界先进水平为16—17%（V/V）。
3、多塔差压蒸馏。
充分利用二次蒸汽的热能，提高产品质量。
（1）巴西采用两套醪塔段精馏段流程。
每套各有醪塔段、精馏段，生产质量差的含水酒精，专用供发动机。
据报导可省能34—38%，耗蒸汽1.2T/T酒精。
（2）其糖蜜酒精厂的以酒精糟水蒸发的二次蒸汽为热源的结合二个精馏塔的多塔蒸馏流程。
以一效蒸发罐二次蒸汽为热源先生产92°GL粗酒精，需要时再精制。
精制时只第一精馏塔加压操作使用锅炉来蒸汽，其余塔负压操作。
每百升纯酒精消耗如下，蒸汽180kg（二个精馏塔比一个精馏塔省蒸汽约70kg），电3—4度，水8m3。
五、无蒸煮糖化工艺，目前已有少数厂采用。
虽目前应用中的技术问题正进一步研究，但已为今后无蒸煮糖化工艺生产酒精提供了借鉴。
六、酒精槽液治理装备水平不断提高。
在引进部分先进设备之后，消化吸收并有所创新，设备国产化程度提高，如分离设备、蒸发浓缩设备、干燥设备开发了不少新产品。
二酒精行业发展趋势预测
我国酒精生产基本上是发酵法，合成酒精只占3.5%，这一趋势在“十五”乃至更长的时间仍将维持。
根据《全国酒精行业“十五”计划和2015年规划（草案）》，“十五”期间，酒精的生产规模为300万吨（商品量为200万吨），2015年的生产规模将达到400万吨（商品为300万吨）。
调整和优化产品结构，逐步提高特优级和优级品酒精的比例。
在本世纪，将试点发展综合利用程度高的大型综合性企业，对使用玉米原料的企业，以湿法取代半湿法取脐去皮，在生产淀粉和各种糖品的同时生产酒精，以提高资源的高度有效利用和企转摘于中国酒业新闻网业的综合经济效益。
调整行业生产布局和区域结构调整，改变目前生产布局不合理部分，使酒精生产与原料高产区密切结合，以利于提高酒精产品的市场竞争能力；停止在大中城市内建酒精厂。
淘汰高温蒸煮、稀醪（酒份8%以下）的发酵工艺；推广中、低温蒸煮，浓醪发酵（酒份在10%以上）和差压蒸馏等工艺，降低能耗。
“十五”期间有15%（2015年有35%—40%）的酒精生产达到国际先进水平，达到每吨优级酒精耗蒸汽小于4.2吨（蒸馏用汽小于3吨），耗电小于180KWH，耗水小于50m3；每吨DDGS耗蒸汽小于2.5吨，耗电小于180KWH。
三食用酒精
食用酒精是用液态发酵法生产的优质白酒；白酒有什么用途食用酒精就有什么用途。
食用酒精不是一般的酒精。
酒精学名乙醇（C2H5OH），可由微生物发酵和化学合成生产。
其中化学合成法酒精往往夹杂异物高级醇类，对人体神经中枢有麻痹作用，不能食用，一般被称为工业酒精。
而食用酒精必须以薯类、谷物，或废糖蜜为原料，必须通过发酵法酿造。
第二章工艺流程
一、生产工艺
（一）生产产量及方案
产量：
年产酒精21000吨
产品品种：
含乙醇95%（V）相当于92.1%（W）食用酒精
（二）生产方法的选择
工艺方法：
利用玉米为原料，双酶糖化，添加酒精酵母连续发酵、三塔蒸馏的工艺是目前最成熟、最典型的生产工艺。
酒精生产工艺流程简图：
α-淀粉酶糖化酶
↓↓
玉米→粉碎→调浆→连续蒸煮→蒸煮醪冷却→糖化→糖化醪冷却→连续发酵→
↑↓
酒母醪排醛废水CO2回收
↓↑↑
成熟发酵醪→粗馏→醛塔→精馏→成品酒精
↓↓
废糟杂醇油
↓
DDGS（全价干酒精）
（三）主要工艺参数
年生产天数：
300天
玉米含水：
15%
玉米粉产率：
87%
玉米含淀粉：
63%
玉米淀粉实际出酒率：
53%
发酵周期：
55-60h
原料粉碎率：
1.5-2.5mm
原料加水比：
1：
3
α-淀粉酶用量：
5-6u/原料
蒸煮温度：
90-110℃
蒸煮时间：
100min
糖化酶用量：
100-150u/g原料
糖化温度：
58-60℃
糖化时间：
45min
糖化醪固形物浓度：
16-18%
糖化醪PH值：
4.0-4.5
接种量：
10%-20%
稀释速率：
0.05-0.1
发酵温度：
31-33℃
发酵罐装料系数：
85-90%
发酵醪酒精浓度：
8-10%（V）
第三章物料衡算及设备选型
一、物料衡算
表1主要物料衡算表（95%（V）酒精）
序号
名称
规格
单位产品消耗指标
年用量
单位
数量
单位
时
天
年
1
玉米
含水≤15%
t/t
3.1
t
2
玉米粉
含水≤15%
t/t
2.7
t
3
α-淀粉酶
20000u/g
kg/t
1
t
4
糖化酶
50000u/g
kg/t
9
t
5
NaOH
kg/t
22
t
6
H2SO4
98%
kg/t
16
t
7
硫酸铵
kg/t
1.15
t
8
蒸煮粉浆
t/t
10.8
t
9
成熟蒸煮醪
t/t
11.1
t
10
糖化醪
t/t
12.8
t
17.8
427
128000
11
成熟发酵醪
t/t
12.6
t
12
杂醇油
kg/t
5
t
13
醛酒
kg/t
20
t
14
二氧化碳
kg/t
902
t
15
废醪
t/t
12.7
t
16
胚芽
kg/t
300
t
17
水
t/t
90
t
18
电
kWh/t
160
kWh
19
汽
t/t
4.2
t
二、设备选择
（一）主要工艺设备选型计算
1、发酵罐体积计算
糖化醪流量37.3t/h,醪液比重为1.07，则糖化醪体积流量为：
F=37.3/1.07=34.9m2/h
采用多罐连续发酵工艺，双罐流加法，即预发酵罐和罐组首罐流加糖化醪，预发酵罐流加量为总量的17%，控制稀释速率D0=0.09;罐组首罐糖化醪流加量为总量的83%，稀释速率D1=0.04，预发酵罐和发酵罐的填充系数为φ=0.9，则
预发酵罐糖化醪流量F0=17%*34.9=5.9m3/h
预发酵罐V0有效=F0/D0=5.9/0.09=65.6m3
预发酵罐V0全=V0有效/φ=65.6/0.9=72.9m3
首发酵罐糖化醪流量F1=83%*3409=28.9m3/h
首发酵罐V1有效=F1/D1=28.9/0.05=578m3
首发酵罐V1全=V1有效/φ=578/0.9=642.2m3
预发酵罐和发酵罐直径d与高H的关系H=1.5d，锥形封头高与直径的关系h1=0.1d,V全=（π/4）d2（H+h1/3）,V全=1.2d,所以经计算得d0=7.4m;d1=15.2m
取预发酵罐d0=7.4m,则H0=11.1,h01=0.74m,经算V0全=498.4m3>487.7m3
取首发酵罐d1=15.3m,则H1=22.9m,h11=1.53m,经算V1全=4297.8m3>4290.2m3
所以预发酵罐、首发酵罐体积可满足生产需要
2、发酵罐组个数确定
设发酵周期为60h，发酵液的体积流量为232.6m3/h,发酵罐组设1个成熟醪贮罐，发酵罐组个数为：
N=34.9*60/（_4290.2*0.9）+1=4.6个
取整数n=5个，故本设计选取预发酵罐1个，发酵罐5个。
（3）发酵罐换热器换热面积计算
F=Q总/K△tm
Q总=Q生-Q蒸发-Q罐壁
由于罐体较大，所以采用罐外螺旋板换热器循环换热，传热系数K=860*4.186～2580*4.186kj/m3·h·℃。
首发酵罐料液流量248.9t/h,醪液浓度由18%→4.4%，放热量最大。
可取麦芽糖的放热613.6kj/h
Q生=3703*1000*（18%-4.4%）*613.6=3112670kJ/h
Q蒸发+Q罐壁=8%Q生=249013kJ/h
Q总=3112670-249013=2863657
平均温度差△tm=（△t1-△t2）/㏑（△t1/△t2）
31℃←31℃发酵液
20℃→25℃冷却水
△t1=11△t2=6代入△tm=（11-6）/㏑（11/6）=8.2℃
首发酵罐换热器面积：
F=Q总/K△tm=2863657/（1200*4.186*8.2）=69.5m2
首发酵罐换热器冷却水流量：
W=Q总/cp（△t2-△t1）=2863657/4.18（25-20）=137017㎏/h=137.0t/h
第四章结论
发酵工段设备一览表
表2主要生产设备一览表
序号
设备名称
型号与规格
单位
数量
备注
1
空气分过滤器
个
1
2
醪液泵
个
1
3
预发酵罐泵
φ7400*11100
个
1
4
螺旋板换热器
个
1
5
发酵罐
φ15300*22900
个
5
6
醪液泵
个
5
7
螺旋板换热器
F=137.0.m2
个
4
8
CO₂洗涤罐
个
1
9
淡酒罐
个
1
10
淡酒泵
个
1
发酵罐示意图
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