产3万吨酒精工厂工艺设计.docx
《产3万吨酒精工厂工艺设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《产3万吨酒精工厂工艺设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
产3万吨酒精工厂工艺设计
产3万吨酒精工厂工艺设计
毕业设计（论文）
题目：
年产3万吨酒精厂工艺模拟设计
教学院：
化学与材料工程
专业名称：
化学工程与工艺（生物化工）
学号：
200940810224
学生姓名：
周遊
指导教师：
胡燕辉
2013年4月15日
摘要
本设计是年产3万吨酒精工厂模拟设计，发酵原料为糖蜜。
本设计对酒精的工厂进行了模拟计算和设备选型，力求理论和实践相结合。
工艺上的设计为：
单浓度糖蜜进行连续发酵（其工艺较为简单，并且易于操作）、主要蒸馏工段采用差压式二塔蒸馏机组（能有效利用热能）、生石灰吸水法，通过物料衡算、设备选型计算、水电汽耗的计算等合理优化设计生产工艺过程。
关键词：
酒精工厂；发酵法；糖蜜；蒸馏
Abstract
Thisdesignistheannualoutputof30,000tonsofalcoholfactoryanalogdesign,therawmaterialforfermentationisthemolasses.Thealcoholfactoryissimulatedandequipmentisselected,andstrivestothecombinationoftheoryandpractice.Designoftheprocess:
continuousfermentationformolassesofsingleconcentration（theprocessisrelativelysimpleandeasytooperate）,themaindistillationsectionusedifferentialpressuredistillationtowerunits（effectivelyutilizingthermalenergy）,thequicklimesuctionmethod,throughmaterialbalanceselectionofequipment,lossofwaterandsteamwecandesigntheprocess.
Keywords:
Alcoholfactory；Fermentation；Molasses；Distillation
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1产品介绍1
1.2研究目的和意义1
1.3设计原则2
2设计说明3
2.1工艺指标和基础数据3
2.2生产工艺概述3
3原料的处理5
3.1糖蜜原料5
3.2糖蜜的贮存5
3.3稀糖液的制备及处理5
3.3.1糖蜜稀释的目的及方法5
3.3.2糖蜜酸化的目的及方法6
3.3.3添加营养盐6
3.3.4糖液的灭菌6
3.3.5稀糖液的澄清7
4工艺计算8
4.1物料衡算8
4.1.1原料消耗量计算（基准：
1吨无水乙醇）8
4.1.2酵醪液量的计算8
4.1.3成品与废醪量的计算9
4.1.4年产量为3万吨燃料酒精的总物料衡算10
4.1.5稀释工段的物料衡算11
4.2热量衡算12
4.2.1发酵工段的物料和热量衡算12
4.2.2蒸馏工段的物料和热量衡算12
4.3供用水衡算17
4.3.1精馏塔分凝器冷却用水17
4.3.2成品酒精冷却和杂醇油分离器稀释用水17
4.3.3总用水量18
4.4其他衡算18
4.4.2供电衡算19
5设备计算与选型20
5.1发酵设备设计20
5.1.1发酵罐容积和个数的确定20
5.1.2糖蜜储罐个数的计算21
5.1.3冷却面积和冷却装置主要结构尺寸21
5.2其它设备的计算和选型25
5.2.1蒸馏设备25
5.2.2换热器的选型25
5.2.3稀释器26
6车间布置设计27
6.1车间布置设计27
6.1.1建筑基本原则27
6.1.2建筑基本要求27
6.1.3全厂总平面设计27
6.2车间内常用设备的布置27
6.2.1发酵设备28
6.2.2蒸馏设备及其他设备28
7废物处理及再利用29
7.1废物总类29
7.1.1污水废物29
7.1.2气体废物29
7.1.3固体废物29
7.2废物利用29
7.2.1废气处理30
7.2.2废水和废渣处理31
结论29
附录33
致谢35
参考文献36
1绪论
1.1产品介绍
乙醇俗称酒精，化学名称是乙醇（C2H5OH）是一种无色、透明、易挥发，具有特殊香味的液体，密度比水小，能跟水以任意比互溶（一般不能作为萃取剂）。
是一种重要的溶剂，能溶解多种有机物和无机物。
凝固点（℃）：
-117.3，沸点（℃）：
78.3,相对密度（水=1）：
0.7893,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（℃）:
14，引燃温度（℃）：
363，爆炸极限%（v/v）：
3.3-19.0，相对分子质量：
46.07，结构式[1]见图1-1：
HH
||
H－C－C－O－H
||
HH
图1-1C2H5OH结构式
1.2研究目的和意义
工业酒精是一种经济实用的清洁燃料。
如今能源的危机，以及农业的蓬勃发展，都使得工业酒精产业的重新崛起与迅速发展成为必然。
而酒精的生物发酵过程所需的条件温和，转化率高，而且环保无污染，可以说是工业酒精的最理想的生产方法。
发酵法生产酒精的能力将成为衡量国家经济实力的一种标准。
生物发酵是利用淀粉质原料活糖原料，在微生物的作用下生成酒精[2]。
酒精作为一种新能源，具有两个明显的优势：
可再生能源，无污染燃烧。
中国是一个石油净进口国，海关数据显示，2012年中国共计进口原油2.71019327亿吨，同比增加6.79%，而原油价格为4803元每吨。
两个数相乘，得出的是一个十分可怕的数据。
在大多数方面酒精拥有石油的性能，能产生足够的酒精，则可以大大减少石油的进口。
但是目前国内酒精生产量不足以与消耗量相平衡，每年仍需进口几百万吨酒精。
目前燃料酒精已作为国家战略部署的新型能源之一。
本设计即酒精工厂的模拟设计为了设计出最理想的酒精生产流程以及工厂，在国内具有广阔的前景。
1.3设计原则
（1）本设计工作围绕着工厂现代化建设，力图能使所设计的工厂具有前瞻性，且投资小，收效快。
（2）对自己而言，本次设计是对自己在湖北理工四年所学知识的一个综合运用和分析，将书本知识运用到实际的操作中去，为日后的工作打下夯实的基础。
（3）设计的工厂充分考虑现今的一些技术，设备，以及设计先进理念，尽量做到人性化，绿色化，为员工的工作和生活做出妥善的安排，使其达到最佳工作效率。
（4）设计尽量因地制宜，并且使其经济效益最大化，在各种设备选型中，合理考虑性价比和地区特性[3]。
2设计说明
2.1工艺指标和基础数据
（1）生产规模:
30000t/a；
（2）生产方法:
单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏机组、生石灰吸水法；
（3）生产天数:
每年250天；
（4）酒精日产量:
120t；
（5）酒精年产量:
30000t[4]；
（6）副产品年产量:
次级酒精占酒精总量的2%（一般占成品酒的1.2%—3%，这里取2%）[4]；
（7）杂醇油量:
为成品酒精量的0.3%（一般占成品酒精多0.25～0.35﹪）[5]；
（8）产品质量：
燃料酒精[乙醇含量为99.5%（v/v）]
（9）糖蜜原料：
含可发酵性糖50﹪
（10）发酵率：
90﹪
（11）蒸馏率：
98﹪
（12）发酵周期：
48小时
（13）发酵温度：
28～34℃
（14）硫酸铵用量：
1kg/t糖蜜
（15）硫酸用量：
5kg/t糖蜜
（16）酒精质量标准根据GB678—2002
2.2生产工艺概述
（1）原材料（糖蜜）的预处理包括有加酸法，加热加酸法，添加絮凝剂澄清处理法[6]；
（2）连续稀释法稀释糖蜜
（3）制酵母
（4）酵母菌发酵、提纯
（5）发酵流程：
糖蜜→发酵用糖液→发酵→蒸馏→成品酒精
（6）具体生产工艺流程[7]见图1-2
图1-2生产工艺流程图
3原料的处理
3.1糖蜜原料
甘蔗糖蜜是制糖生产的副产品，其中含50%左右的可发酵糖，是本设计最佳的原料。
主要产于广西、云南、台湾等亚热带地区。
甘蔗糖蜜的产量约为甘蔗的2.5%～3%。
3.2糖蜜的贮存
为了确保酒精生产线连续正常地进行，酒精工厂的仓库必需备有一定量的糖蜜。
为了保持糖蜜的纯净不被污染，糖蜜的贮存要求如下：
（1）为防止尘沙，污水，杂菌的污染，保持糖蜜的纯净，要求采用密闭容器。
（2）为保证正常连续生产，常备有供一个月左右生产酒精用糖蜜量。
（3）糖蜜贮存罐的位置应处于方便运输和生产的地点。
（4）稀糖蜜和受到污染的糖蜜不宜过久贮存，以免造成糖分的过多损失。
3.3稀糖液的制备及处理
考虑到糖蜜中的灰分、胶体物质等杂质多，有害微生物的污染，营养盐的缺乏以及适宜酸度的调整。
因此，在糖蜜稀释的同时，必须进行酸化、灭菌、澄清和添加营养盐。
间歇稀释操作法则是逐项进行。
目前中国糖蜜酒精工厂多采用连续稀释热酸法澄清处理糖蜜，把酸化、灭菌、添加营养盐和澄清同时一道进行。
糖蜜原料制作稀糖液及处理的流程为：
糖蜜→稀释→酸化→添加营养盐→灭菌→澄清稀糖液
3.3.1糖蜜稀释的目的及方法
稀释糖蜜的目的是为了降低糖液中糖和无机盐的浓度，使其达到最适于酵母的生长，繁殖和发酵的浓度。
稀释糖蜜的浓度随生产工艺流程和操作而不同，通常糖蜜稀释的工艺条件为：
单浓度流程稀糖液浓度22%~25%，双浓度流程酒母稀糖液12%~14%。
本工艺采用的是单浓度流程，也就是酒母培养和发酵采用同一浓度稀糖液的酒精生产流程。
糖液浓度一般控制在22-25Bx。
稀释方法分为间歇稀释法和连续稀释法两种。
本工艺采用的是间歇稀释法，也是先将糖蜜由泵送入高位槽，经过磅秤称重后流入稀释罐，同时加入一定量的水，开动搅拌器充分拌匀，即得所需浓度的稀糖液，经过滤后可供酒母培养和发酵用[5]。
3.3.2糖蜜酸化的目的及方法
糖蜜加酸酸化的目的是防止杂菌的繁殖，加速糖蜜中灰分与胶体物质沉淀，同时调整稀糖液的酸度，使适于酵母的生长。
加酸量与方法一般随糖蜜的种类而异，甘蔗糖蜜稀释时可直接加入稀糖液量0.2—0.3%的浓硫酸，混合均匀即可。
3.3.3添加营养盐
为了保证酵母的正常生长繁殖和发酵，根据糖蜜原料的化学组分，必须在糖液中添加酵母所必需的营养。
工厂实践和甘蔗糖蜜的组分表明，甘蔗糖蜜中缺乏的主要营养成分是氮素。
补充氮通常是以硫酸铵作氮源，用量为每吨糖蜜使用21%的硫酸铵1-1.2kg，即糖蜜用量的0.1%-0.12%。
3.3.4糖液的灭菌
糖蜜中常污染有大量杂菌，主要是野生酵母，白念球菌及乳酸菌等产酸菌，为保证稀糖液的正常发酵，除加酸提高糖液酸度抑制杂菌生长繁殖外，还必须对糖蜜进行灭菌。
糖蜜常用的灭菌方法有：
化学灭菌法和物理灭菌法。
（1）化学灭菌法
化学灭菌法是采用化学药品来杀灭杂菌的方法。
常用的糖蜜杀菌药品及其用量[1,8]见表3-1
表3-1常用的糖蜜杀菌药品及其用量
名称
用量
备注
漂白粉
每吨糖蜜用200－500g
有效氧30%
甲醛
每吨糖蜜用600ml
浓度40%
氟化钠
为稀糖液的0.01%
毒性很大
五滤苯酚钠
为糖蜜量的0.002%－0.004%
残留多，于环境有害
灭菌灵
为糖蜜量的0.002%
于环境无害无毒
（2）物理灭菌法
物理灭菌法具体操作是将糖液加热至80－90℃，并保持40min。
该方法除了灭菌外，还可使糖蜜中的胶体絮凝，使糖液澄清。
该方法要消耗大量的蒸汽，工厂一般不采用，只有糖蜜被严重污染时才采用此法予以灭菌。
3.3.5稀糖液的澄清
稀蔗糖溶液中的特定胶体物质，颜料，灰分和其它悬浮物，它们的存在对正常的酵母的生长，繁殖和发酵有害，应尽可能地除去。
其解决办法就是稀糖液的澄清
糖蜜的澄清方法分为机械澄清法和加酸澄清法。
机械澄清法即压滤法和离心法，调节至pH值为3.7的酸化12小时，分离沉淀物，用离心机或压滤机，国内多数澄清是应用此方法。
4工艺计算
4.1物料衡算
4.1.1原料消耗量计算（基准：
1吨无水乙醇）
（1）糖蜜原料生产酒精的总化学反应式为：
C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2↑
蔗糖葡萄糖酒精
342360184176
X1000
（2）1000kg无水乙醇的理论蔗糖消耗量：
1000×（342÷184）﹦1858.7（kg）
（3）生产1000kg燃料酒精（燃料酒精中的乙醇99.5%（V）换算成质量分数为：
相当于理论蔗糖消耗量为：
1858.7×99.18％﹦1843.5（kg）
（4）生产1000kg燃料酒精实际蔗糖消耗量（生产过程中蒸馏率为98﹪，发酵率为90﹪）：
1843.5÷98﹪÷90﹪﹦2090（kg）
（5）糖蜜原料含可发酵性糖50%，故生产1000kg燃料酒精糖蜜原料消耗量：
2090÷50﹪=4180（kg）
（6）生产1000kg无水酒精量（扣除蒸馏损失生产1000kg无水酒精耗糖蜜量为）：
1858.7÷90﹪÷50﹪=4130.4（kg）
4.1.2酵醪液量的计算
酵母培养和发酵过程放出二氧化碳量为[9]：
（1000×99.18%）÷98%×（176÷184）=968
采用单浓度酒精连续发酵工艺，把含固形物85﹪的糖蜜稀释成浓度为22﹪～25%的稀糖液。
设稀释成25%的稀糖液：
4180×（85%÷25%）=14212（kg）
即发酵醪液量为：
14212kg
酵母繁殖和发酵过程中放出968kg的二氧化碳，则蒸馏发酵醪的量为（其中酒精捕集器稀酒精为发酵醪量的6%）：
F1：
（14212-968）×（1.00+6%）=14039（kg）
蒸馏成熟发酵醪的酒精浓度为：
B1：
（1000×99.18%）÷（98%×14039）=7.14%
4.1.3成品与废醪量的计算
糖蜜原料杂醇油产量约为成品酒精的0.25%～0.35%，以0.3%计，则杂醇油量[9]为：
1000×0.3%=3（kg）
醪液进醪温度为t1=55℃，塔底排醪温度为t4=85℃，成熟醪酒精浓度为B1=7.14%，塔顶上升蒸汽的酒精浓度50%（v）即42.43%（m），生产1000kg酒精，则：
醪塔上升蒸汽量为[11]：
V1=14039×7.14%÷42.43%=2363（kg）
残留液量为：
WX=14039-2363=11676（kg）
根据发酵醪比热公式C=4.18×（1.0919-0.0095B）
成熟醪液比热容为：
C1=4.18×（1.019-0.95B1）
=4.18×（1.019-0.95×7.14%）
=3.98[kJ/（kg·K）]
成熟醪带入塔的热量为：
Q1=MC1t1=14039×3.98×55=3.08×106（kJ）
蒸馏残液内固形物浓度为：
B2=F1B1/WX=（14039×7.14%）/11676=8.59%
根据残留液比热公式C=4.18×（1-0.00378B2）
蒸馏残余液的比热容：
C2=4.18×（1-0.378B2）
=4.18×（1-0.378×8.59%）
=4.04[kJ/（kg·K）]
塔底残留液带出热量为：
Q4=WX·C2·t4=11676×4.04×85=4.01×106（kJ）
查附录得42.43%酒精蒸汽焓为2045KJ/kg。
故上升蒸汽带出的热量为：
Q3=V1i=2363×2045=4.83×106（kJ）
塔底真空度为-0.05MPa（表压），蒸汽加热焓为2644KJ/kg，又蒸馏过程热损失Qn可取传递总热量的1%，根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为：
D1=（Q3+Q4+Qn-Q1）/（I-CWt4）=（4.83×106+4.01×106-3.08×106）/[（2644-4.18×85）×99%]=2542（kg）
若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废液量为：
WX+D1=11676+2542=14218（kg）
4.1.4年产量为3万吨燃料酒精的总物料衡算
日产产品酒精量：
30000/250=120（t）
每小时产酒精量：
120÷24=5（t）
主要原料糖蜜所需量：
日耗量：
4180×120=501600（kg）=501.6（t）
年耗量：
501.6×300=1.5048×105（t）
每小时产次级酒精：
5×（2÷98）=0.10204（t）
实际年产次级酒精：
0.10204×24×250=612.24（t）
糖蜜原料酒精厂物料衡算见表4-1
表4-130000t/a糖蜜原料酒精厂物料衡算表
物料衡算
生产1000kg99.5%酒精物料量
每小时
（kg）
每天
（t）
每年
（t）
燃料酒精
1000
5000
120
30000
糖蜜原料
4180
20900
501.6
150480
次级酒精
20
100
2.4
600
发酵醪
14212
71060
1705.44
426360
蒸馏发酵醪
14039
70195
1684.68
421170
杂醇油
3
15
0.36
90
二氧化碳
968
4840
116.16
29040
醪塔废醪量
14218
71090
1706.16
426540
4.1.5稀释工段的物料衡算
（1）计算每生产1000kg酒精稀释糖蜜用水量
稀释成25﹪稀糖液用水量为[7]：
W1=14212-4180=10032（kg）
则生产3万吨燃料酒精每小时稀释糖蜜需要用水量：
10032×5000÷1000=50160（kg/h）
生产3万吨酒精一年稀释糖蜜需要的用水量：
10032×30000=3.0096×108（t/a）
（2）营养盐添加量
选用氮量21﹪的硫酸铵作为氮源，每吨糖蜜添加1kg[7]，
则每生产1t酒精硫酸耗量为：
4180×1÷1000=4.18（kg）
每小时耗量：
4.18×5000÷1000=20.9（kg/h）
日耗量：
20.9×24=501.6（kg/h）
则生产3万吨酒精一年需要硫酸铵用量：
4.18×30000=150480（kg/a）
（3）硫酸用量
每吨糖蜜用硫酸5kg[7]：
则每生产1吨酒精消耗硫酸的量为：
4.18×5=20.9（kg）
年产3万吨酒精，硫酸总消耗量为：
20.9×30000=618000（kg）=61.8（t）
每日用量：
61.8÷250=0.2427（t）
4.2热量衡算
4.2.1发酵工段的物料和热量衡算
现生产30000t/a，要每小时投入糖蜜量20900kg/h，
则无水酒精量为：
20900×1000÷4130.4=5060.0（kg/h）
以葡萄糖为碳源，酵母发酵每生成1kg酒精放出的热量约为1170kJ[9]。
则年产3万吨酒精工厂，培养酵母和发酵每小时放出的热量为：
Q=1170×5060.0=5.9×106（kJ/h）
发酵酵母冷却水初温TW1=20℃，终温TW2=27℃，平均耗水量为：
W酵母发酵=Q/[Ce（TW1-TW2）]=5.9×106/[4.18×（27-20）]=201640.5（kg/h）
酵母酒精捕集器用水：
（蒸馏发酵醪的量为F=70195kg/h）
5%F÷1.06=5%×70195÷1.06=3311.1（kg/h）
则发酵部分总用水量：
W发酵部分=201640.5+3311.1=204951.6（kg/h）
4.2.2蒸馏工段的物料和热量衡算
按采用差压蒸馏两塔流程计算[3,10]，进醪塔酒精浓度为7.14%，出醪塔酒精蒸汽浓度为50%。
（1）醪塔见图4-1
V1
Q3=V1i
F1Qn1
Q1=F1C1t1
D1Q4=Q14+D1Ct4
Wx+D1
Q2=D1I1
图4-1醪塔的物料和热量平衡图
醪液预热至55℃，进入醪塔蒸馏，酒精质量分数为7.14%，沸点92.4℃，上升蒸汽浓度为50%（v），也就是42.43%（w）。
已知塔顶75℃，塔底85℃。
则塔顶上升蒸汽热焓量i1=2045kJ/kg。
加热蒸汽取0.05MPa绝对压力，则其热焓量I1=2644kJ/kg。
总物料衡算：
即
4-1
酒精衡算式：
4-2
式中：
xF1—成熟发酵醪内酒精含量[%（W）]，xF1=7.14﹪。
y1—塔顶上升蒸汽中酒精浓度[%（W）]，y1=42.43﹪。
xW1—塔底排出废糟内的酒精浓度[%（W）]，塔底允许逃酒在0.04﹪以下，取xW1=0.04﹪。
热量衡算式：
4-3
设CF1=3.98kJ/（kg·h），CW=4.04kJ/（kg·k），Ce=4.18kJ/（kg·k），并取热损失Qn1=1﹪D1I1，tF1=55℃，tW1=85℃，蒸馏发酵醪F1=70195（kg/h）
由4-1、4-2、4-3可得：
V1=11769（kg/h），Wx=58426（kg/h），D1=12715（kg/h）
一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为：
G1=WX+D1=58426+12715=71141（kg/h）
表4-2年产3万吨酒精厂蒸馏工段醪塔物料热量汇总表
进入系统
离开系统
项目
物料（kg/h）
热量（kJ/h）
项目
物料（kg/h）
热量（kj/h）
成熟醪
F1=
70195
F1CF1tF1=
15365685
蒸馏残液
WX=
58426
WXCWtW1=
20063488
加热蒸汽
D1=
12715
D1I1=
33618460
上升蒸汽
V1=
11769
V1i1=
24067605
加热蒸汽
D1=
12715
D1tW1Ce=
4517640
热损失
Qn1=
336185
累计
82910
48984145
累计
82910
48984918
（2）精馏塔
①塔顶温度105℃，塔底130℃，进汽温度130℃，出塔浓度为96﹪（v），即93.84﹪（w）[8]。
出塔酒精量为：
P=5000×99.18%÷93.84%=5284.5（kg/h）
②每小时醛酒量：
因为醛酒占出塔酒精的2﹪，则每小时的醛酒量为[8]：
A=2﹪×5284.5=105.7（kg/h）
③P′
升级会员 