年产5万吨酒精工厂设计毕业设计论文.docx
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年产5万吨酒精工厂设计毕业设计论文
年产50，000吨酒精工厂设计
摘要
本设计为年产5万吨酒精工厂的设计，采用糖蜜原料发酵。
工艺上的设计为：
单浓度糖蜜究竟连续发酵（工艺简单容易操作）、差压式蒸馏工艺（保证产品质量及提高热能利用率）、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：
酒精糖蜜酒精发酵
WithanAnnualOutputof50,000TonsFuelEthylAlcoholFactoryDesign
ABSTRACT
×××××（空两格，小四号TimesNewRoman）
Keywords：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
第一章前言
1.1产品介绍：
乙醇俗称酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧，不导电的液体。
有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。
相对分子质量46.07，分子式为C2H5OH，结构式
HH
||
为H－C－C－O－H分析纯级的无水乙醇是无色透明，易挥发，具有特殊芳香
||
HH和强烈刺激味的易燃液体。
相对密度0.7893，沸点78.3℃，凝固点-117.3℃，闪点14℃，自燃点390～430℃，乙醇蒸汽与空气可形成爆炸性混合物，爆炸极限为3.3%～19%（V）。
1.2设计意义：
随着经济的发展，究竟这种重要的工业原料被广泛用于化工、塑料、橡胶、农药、化妆品及军工等工业部门。
且石油资源趋于缺乏、全球环境污染的日益加剧，各国纷纷开始开发新型能源。
燃料乙醇是目前为止最理想的石油替代能源，它的生产方法以发酵为主。
菌种的优劣对发酵效果的影响非常大，能够筛选出具有优良性状的菌株及对菌株进行改良，对于降低生产成本，乃至实现酒精的大规模工业化生产，解决能源危机都有着重大意义。
在我国石油年消费以13%的速度增长，2004年进口原油量超过1亿吨，是世界第二大的石油进口国。
我国燃料乙醇起步虽然较晚，但发展迅速，以成为继巴西美国之后世界第三大燃料乙醇生产国。
2001年4月，原国家计委发布了中国实施车用汽油添加燃料乙醇的相关办法，同时国家质量技术监督局颁布了“变性燃料乙醇”和“车用燃料乙醇汽油”2个国家标准。
作为试点，国家耗资50余亿元建立4个以消化“陈化粮”为主要目标的燃料乙醇生产企业。
2006年，我国燃料乙醇生产能力达到102万t，已实现年混配1020万t燃料乙醇汽油的能力。
2002年车用汽油消耗量占汽油产量的87.9%，如果按10%比例添加生产燃料酒精换算，需要燃料酒精381万吨，而全年酒精总产量仅为20.7万吨，如果在不久将来，能用燃料酒精替代500万吨等量的汽油，就可以为我国节省外汇15亿美元。
在目前中国人均石油开采储量仅为2.6吨的低水平条件下，开发新能源成为社会发展，推动经济增长的动力，燃料酒精作为国家战略部署的新型能源之一，在我国具有广阔的市场前景。
1.3设计原则
1、设计工作围绕工厂现代会建设，做到投资小，收效快，能在原基础上升级扩大，使设计工作符合可持续发展战略。
2、设计尽量结合实际，因地制宜，使用目前比较成熟的技术，确保设计可得到最大收益。
3、工厂设计需做到人性化为员工工作得合理的安排，使其达到最佳的工作效率。
4、设计中还需注意环保问题，减少对厂区及其周边环境的污染
5、对自己，本次设计是对自己大学四年所学知识的一个综合的运用和分析。
第二章生产流程的确定
2.1工艺指标和基础数据
1、生产规模:
50000t/a
2、生产方法:
单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏、吸附脱水技术
3、生产天数:
每年250天
4、酒精日产量:
200t
5、酒精年产量:
49998t
6、副产品年产量:
次级酒精占酒精总量的2%
7、杂醇油量:
为成品酒精量的0.3%
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、酒精质量标准根据国家标准生产（见表1-1）
表1-1无水酒精质量标准GB678—90
检验项目
计量单位或符号
产品等级
优级
分析
化学
乙醇
%（V/V）≥
99.8
99.7
99.5
密度（20℃）
g/ml
0.789-
0.791
0.789-
0.791
0.789-
0.791
与水混合试验
合格
蒸发残渣
%
0.0005
0.001
0.001
水份
%（v/v）
0.2
0.3
0.5
酸度
mmol/100g
0.02
0.04
0.1
碱度（以OH计）
mmol/100g
0.005
0.01
0.03
甲醇
%
0.02
0.05
0.2
异丙醇
%
0.003
0.01
0.05
羰基化合物（以CO计）
%
0.003
0.003
0.005
还原高锰酸钾物质（以O计）
%
0.00025
0.00025
0.0006
外观
清澈透明
易碳化物质
合格
2.2工艺流程
1、原料的预处理包括添加絮凝剂、静止澄清、加酸等过程；
2、糖蜜稀释采用连续稀释；
3、酵母菌发酵
4、分离纯化本
5、生产工艺流程图（见图2-1）
第三章工艺计算
3.1物料衡算
3.1.1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↑
342360184176
X1000
2、生产1000Kg无水酒精的理论蔗糖消耗量：
1000×（342÷184）﹦1858.7（㎏）
3、生产1000Kg燃料酒精（燃料酒精中的乙醇99.5%（V）以上，相当于99.18%（m））的理论蔗糖消耗量：
1858.7×99.18％﹦1843.5（㎏）
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（㎏）
5、生产1000Kg燃料酒精糖蜜原料消耗量（糖蜜原料含可发酵性糖50%）：
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）
3.1.2发酵醪量的计算：
酒母培养和发酵过程放出二氧化碳量为：
单浓度酒精连续发酵工艺，把含固形物88﹪的糖蜜稀释成浓度为25﹪的稀糖液经连续稀释器可得稀糖液量为：
4180×85﹪/25﹪=14212（kg）
即发酵醪量为：
14212kg
酒母繁殖和发酵过程中放出968Kg的二氧化碳，且酒精捕集器稀酒精为发酵醪量的6﹪，则蒸馏发酵醪的量为：
（14212-968）×（1.00+6﹪）=14039（kg）
蒸馏发酵成熟醪的酒精浓度为：
3.1.3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﹪（w），生产1000Kg酒精则
醪塔上升蒸汽量为：
V1=14039×7.14﹪÷42.43﹪=2363（kg）
残留液量为：
WX=14039-2363=11676（kg）
成熟醪量比热容为：
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=F1C1t1=14039×3.98×55=3.08×106（KJ）
蒸馏残液内固形物浓度为：
蒸馏残留液的比热：
塔底残留液带出热量为：
查附录得42.43﹪酒精蒸汽焓为2045KJ/Kg。
故上升蒸汽带出的量为：
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：
若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量为：
11676+2542=14218（kg）
3.1.4年产量为5万吨燃料酒精的总物料衡算
工厂年开工为250天。
日产产品酒精量：
50000／250﹦200（t）
每小时酒精量：
200×1000÷24=8333（Kg）=8.333（t）
实际年产量（次级酒精忽略不计）：
8.333×24×250=49998（t/a）
主要原料糖蜜用量：
日耗量：
4180×200==836000（kg）=836（t）
年耗量：
836×250=2.09×105（t）
每小时产次级酒精：
8333×（2÷98）=170.06（kg）
实际年产次级酒精：
170.06×24×250=1020360（Kg）=1020.36（t/a）
表3-1200000t/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
8333
200
49998
糖蜜原料
4180
34833
3344
209000
次级酒精
20
167
4
1000
发酵醪
14212
118432
2842.4
710600
蒸馏发酵醪
14039
116991
2807.8
701943
杂醇油
3
25
0.6
150
二氧化碳
968
8067
193.6
484000
醪塔废醪量
14218
118482.2
2843.6
710893
3.1.5稀释工段的物料衡算物料衡算
糖蜜稀释用水量（以每生产1000kg酒精计算）
稀释成25﹪稀糖液用水量为：
W1=14212-4180=10032（kg）
则生产5万吨酒精每小时需要稀释用水量：
10032×8333÷1000=83597（kg/h）
生产5万吨酒精一年需要的稀释用水量：
10032×50000=5.02×108（t/a）
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，则每生产1000kg酒精：
硫酸铵年耗量为：
4180×1=4180（kg/a）=41.8（t/a）
日耗量：
4180÷250=16.72（kg/d）
每小时耗量：
16.72÷24=0.7（kg/h）
则生产20万吨酒精一年需要硫酸铵用量：
4.18×50000=2.09×105（t/a）
3、硫酸用量]
稀释酒母稀糖液用酸5Kg/t糖蜜：
年用量：
4180×5=20900（kg/a）=20.9（t/a）
日用量：
20900÷250=83.6（kg）
每小时用量：
83.6÷24=3.5（kg/h）
则生产20万吨酒精硫酸用量：
20.9×50000=1.05×108
表3-2稀释工段各物料用量（5万吨产量计算）
物料
用量（t/a）
糖蜜稀释用水量
5.02×108
营养盐添加量
2.09×105
硫酸用量
1.05×108
3.2热量衡算
3.2.1发酵工段
现生产50000t/a，要每小时投入糖蜜量34833kg/h，则无水酒精量为：
43833×1000÷4130.4=8433.4（kg/h）
以葡萄糖为碳源，酒母发酵每生成1kg酒精放出的热量约为1170KJ左右，则发酵和培养酒母每小时放出的热量为：
Q=1170×33733.6=9.87×106（KJ/h）
发酵酒母冷却水初
=20℃，终温
=27℃，平均耗水量为：
酒母酒精捕集用水为：
（待蒸馏发酵醪液量为F=116991kg/h）
5﹪F÷1.06=5﹪×116991÷1.06=5518.4（kg/h）
发酵洗罐用水为：
（每15天洗一次）
1﹪F÷1.06=1﹪×233983.3÷1.06=4414.7（kg/15天）
则在发酵工段总用水量W发酵工段=5518.4+4414.7+337321=347254.1（kg/h）
3.2.2蒸馏工段
按采用差压蒸馏两塔流程计算，进醪塔浓度为7.14﹪，出醪塔酒精蒸汽浓度为50﹪.
1、醪塔
图2-1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℃，取上升蒸汽浓度为50﹪（v），即42.43﹪（w）。
塔顶温度75℃，塔底温度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
2-1
酒精衡算式：
2-2
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：
2-3
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℃，F1=116991（kg/h）
联解2-1、2-2、2-3求得
V1=19575（kg/h），Wx=97416（kg/h），D1=21296（kg/h）
一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为：
G1=WX+D1=97416+21296=118712（kg/h）
表3-3年产5万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
116991
F1CF1tF1
2.55×107
蒸馏残液
WX
97416
WXCWtW1
3.35×107
加热蒸汽
D1
21296
D1I1
5.53×107
上升蒸汽
V1
19575
V1i1
4×107
加热蒸汽
D1
21296
D1tW1Ce
7.57×106
热损失
Qn1
5.53×105
累计
138287
8.08×107
累计
138278
8.16×107
2、精馏塔
塔顶温度105℃，塔底130℃，进汽温度130℃，出塔浓度为96﹪（v），即93.84﹪（w）。
出塔酒精量为：
P=8333×99.18/93.84=8808（kg/h）
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：
A=2﹪×8808=176（kg/h）
（3）P′=P–A=8808－176=8632（kg/h）
图2-2精馏塔的物料和热量衡算图
在精馏塔中，塔顶酒精蒸汽经粗馏塔底再沸器冷凝后，除回流外，还将少量酒精送到洗涤塔再次提净。
据经验值，此少量酒精约为精馏塔馏出塔酒精的2%左右，则其量为：
Pe=P，×2%=8632×2%=173（kg/h）
酒精被加热蒸汽汽化逐板增浓,在塔板液相浓度55﹪（v）出汽相抽取部分冷凝去杂醇油分离器,这部分冷凝液称杂醇油酒精,数量为塔顶馏出塔酒精的2﹪左右,其中包括杂醇油m0=0.3﹪（P′+A）=0.3%×8808=26（kg/h）,故H=（P′+Pe）×2﹪=（8632+173）×2﹪=8805×2﹪=176（kg/h）
在杂醇油分离器内约加入4倍水稀释,分油后的稀酒精用塔底的蒸馏废水经预热到tH=80℃,仍回入精馏塔,这部分稀酒精量为:
H′=（1+4）H–m0=5H–m0=5×176-26=854（kg/h）
（6）物料平衡:
F2+D2+H′=P′+Pe+H+D3+W’x
则:
W’x=F2+H′-P′-Pe-H
=19575+854－8632－173－176
=11448（kg/h）
（7）热量平衡:
=
式中R—精馏塔回流比一般为3～4，取3
I2—精馏塔加热蒸汽热含量，0.6Mpa绝对压力，I2=2652（kJ/h）
tH—为回流稀酒精进塔温度tH=80℃
CH—为杂醇油分离器稀酒精比热，稀酒精浓度为：
，
查得起比热为CH=4.43KJ/（kg·k），75.2﹪—为杂醇油酒精的重量百分浓度，与液相浓度55﹪（v）相平衡。
tP—出塔酒精的饱和温度（78.3℃）
CP—出塔酒精的比热，应为2.80[kJ/（kg.K）]
i2—塔顶上升蒸汽热含量,i2=1163.2（kJ/kg）
iH—杂醇油酒精蒸汽热含量,应为iH=1496（kJ/kg）
tw2—精馏塔塔底温度，取130℃
Cw取4.04KJ/（kg·k）
Qn2—精馏塔热损失,Qn3=2%D2I2
CF2—进塔酒精的比热，取CF3=4.16（kJ/kg）
tF2—进料温度，取90℃
W’x上面算得11448kg/h
计算可得：
D2=17241（kg/h）
塔底排出的废水：
G=D2+W，x=17241+11448=28689（kg/h）
计算蒸馏工段的蒸馏效率：
表2-4年产20万吨酒精工厂蒸馏工段精馏塔物料热量衡算汇总表
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）
脱醛液
F2
19575
F2CF2tF2
7.33×106
96﹪酒精
P′
8632
P′CPtP
1.89×106
加热蒸汽
D2
17241
D2I2
4.58×107
次级酒精
Pe
173
—
—
稀酒精
854
CHtH
3.01×105
杂醇油酒精蒸汽
H
176
HiH
2.63×105
回流液
—
—
R（Pe+P`）Cptp
5.80×106
蒸馏废水
Wx+D2
28689
（Wx+D2）tW2Cw
1.51×107
上升蒸汽
—
—
（R+1）
（Pe+P`）i2
4.10×107
热损失
—
—
Qn2
9.25×105
累计
37670
5.92×107
累计
37670
5.92×107
3.3供水衡算
利用酒母发酵的冷却废水进行冷却，这样可以节省冷凝水用量。
3.3.1精馏塔分凝器冷却用水
精馏塔分凝器热量衡算有：
（R2+1）（P′+Pe）i2=W精馏CW（
-tH3）
W精馏分凝
精馏塔回流比R为3
塔顶上升蒸汽热焓i2=1163.2KJ/kg
冷却水进出口温度tH3、
，取tH3=20℃，
=85℃
Cw取4.04kj/kg
则精馏塔冷凝器冷却用水为：
W精馏分凝=1.56×105kg/h
3.3.2成品酒精冷却和杂醇油分离器稀释用水
成品酒精冷却使用20℃的河水，根据热量衡算，耗水量为：
CP为成品酒精比热容为2.90KJ/（kg·K）
、
为成品酒精冷却前后的温度，分别为78.3℃、30℃
、
为冷却水进出口温度，分别为20℃、40℃
Cw=4.04KJ/（kg·K）
则成品酒精冷却水用量为：
W成品=6.05×104kg/h
在杂醇油分离器内加入4倍的水稀释，则稀释用水量为：
W杂醇油分离=4H=4×176=704kg/h
3.3.3总用水量
蒸馏车间总用水量为：
W蒸馏工段=W精馏分凝+W成品+W杂醇油分离=1.56×105+6.05×104+704=2.18×105（kg/h）
表3-1各工段用水量及总用水量
工段
稀释工段
发酵工段
蒸馏工段
用水量（kg/h）
83597
347254.1
2.18×105
总计（kg/h）
6.49×105
3.4其他衡算
3.4.1供气衡算
由前面计算所得数据可知蒸馏工段蒸汽消耗：
D＝D1+D2
＝21296+17241＝38537（kg/h）
年耗蒸汽量为：
38537×24×250=231222000（kg）=231222（t）
酒精厂平均蒸汽用量：
酒精厂每小时平均蒸汽消耗量主要供给蒸馏工段，因此其消耗量由蒸馏量和损失组成，蒸汽总损失取蒸馏工段蒸汽消耗量的4%，则锅炉需要蒸发量为：
38537×（100﹪+4%）=40079kg/h=40.079t/h
使用热值为4000大卡的煤，假设锅炉效率为80%，则每吨煤能供生产使用50t新鲜蒸汽，则连续蒸馏煤消耗量为：
40079÷50000÷80﹪=1002（kg/h）
本设计选用的锅炉为工业中压（1.47—5.88Mp）中型（20—75t）的煤粉锅炉型号为YG80/3.82—M7蒸发量为80t/h，额定温度为450℃
3.4.2供电衡算
根据我国糖蜜酒精连续发酵工艺技术指标[9]，设生产每吨酒精耗电40度，可估算酒精厂的用电：
40×50000=2×105（度/年）=8000（度/日）
考虑到此值为估算值，所以乘以一个富裕系数为120﹪：
8000×120﹪=9600（度/日）=2.4×106（度/年）
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