年产2700吨无水酒精工厂的初步设计 推荐.docx
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年产2700吨无水酒精工厂的初步设计推荐
海南大学
毕业论文（设计）
题目：
年产2700吨无水酒精工厂的初步设计
学号：
20070144061
姓名：
荣明星
年级：
07级
学院：
材料与化工学院
系别：
生物工程
专业：
生物工程
指导教师：
罗先群
完成日期：
2011年05月10日
摘要
发酵法生产酒精，是当代世界生物技术产品中数量最大、对人类益处最大的产品。
除了满足人类对蒸馏酒和化工产品等需要，在21实际它还将是人类可再生能源的主要组成成分。
酒精生产方法主要有化学合成法和生物发酵法两种。
化学合成法是以石油工业中石油裂解产生的乙烯为原料加水合成酒精的。
发酵法酒精的原料可以是淀粉质原料、糖蜜原料、纤维素原料、野生植物和亚硫酸造纸废液。
目前我国酒精工业发展迅速，各项生产指标已达国际先进水平。
为了进一步提高酒精生产水平，各国工程技术人员不断研究新型酒精发酵方法，改进生产设备，酒精蒸馏工艺也在不断改进和完善。
发酵生产酒精也存在一些问题：
生产所排放的酒精糟液对环境的污染问题；酒精生产原料问题；酒精生产成本偏高问题。
关键词：
糖蜜；发酵；蒸馏；无水酒精
Abstract
Fermentationalcoholproduction,isincontemporaryworldbiotechnologyproductforthelargestnumberofthelargesthumanbenefitsandproducts.Inadditiontosatisfyinghumandistilledspiritsandchemicalproductandneeds,itwillalsobeinthe21stcenturyisthemainhumanrenewableenergycomponents.Alcoholproductionmethodsmainlyincludechemicalsynthesisandbiologicalfermentationtwokinds.Chemicalsynthesisbasedonpetroleumindustriesoilcrackingproducevinylalcoholasrawmaterialsaddingwatersynthesis.Fermentationalcoholmaterialscanbestarchmaterial,molassesrawmaterials,cellulosematerial,wildplantsandsulfitepaper-makingeffluent.Atpresentourcountryalcoholindustryisdevelopingrapidly,theproductionindexhasreachedtheinternationaladvancedlevel.Tofurtherenhancethealcoholproductionlevel,countriesengineeringtechnicianscontinuouslyresearchnewalcoholfermentationmethod,improvingproductionequipment,alcoholdistillationprocessareconstantlyimprovingandperfecting.Fermentationalcoholalsosomeproblems:
productionemissionsgeneratedalcoholbadfluidpollutiontotheenvironmentproblem;Alcoholproductionmaterialsproblem;Alcoholproductionhighercostproblem.
Keywords:
molasses;Fermentation;Distillation;Anhydrousalcohol
前言1
1总论1
1．1设计的目的和意义1
1．2设计依据2
1．3指导思想2
1．4设计范围3
1．5生产规模及产品执行质量标准3
2生产工艺流程选择和论证4
2．1酒精生产工艺流程设计4
2.1.1工艺流程简图（见下图）4
2.1.2流程说明…………………………………………………………………..4
2．2糖蜜发酵的依据和机理5
2.2.1糖蜜酒精发酵特点5
2.2.2糖蜜发酵对酵母菌种的要求………………………………………………6
2.2.3糖蜜酒精发酵中酵母的有效酶系6
2.2.4糖蜜酒精发酵在密闭发酵罐中进行的理论依据6
2.2.5糖蜜酒精发酵机理8
2.2.6提高糖蜜酒精发酵效率的方法9
2．3糖蜜酒精的发酵方法9
2.3.1间歇发酵法9
2.3.2连续发酵法12
2.3.3从CO₂回收酒精的依据15
2．4双糖流加发酵工艺流程16
2.4.1工艺流程图16
2.4.2工艺流程说明17
2．5双糖流加发酵工艺流程选择及论证18
2.5.1糖蜜原料及其贮存19
2.5.2稀糖液的制备及处理21
2.5.3糖蜜酒精酵母及其培养25
2．6蒸馏生产流程设计26
2.6.1蒸馏工艺流程26
2.6.2流程说明27
2.7蒸馏工艺流程论证28
2.8无水酒精的制备29
2.8.1吸水剂脱水法29
2.8.2共沸脱水法30
2.8.3真空脱水法30
2.8.4盐脱水法30
2.8.5蒸馏和膜脱水生产无水酒精30
2.8.6有机物吸附脱水法30
2.8.7离子交换脱水法30
3生产工艺技术指标31
3.1原料、辅料主要技术规格31
3.2工艺技术指标设计32
3.3工艺技术指标设计说明32
4物料衡算与热量衡算32
4.1物料衡算32
4.1.1计算基础数据32
4.1.2工艺衡算33
4.2热量衡算40
4.2.1发酵车间热量衡算40
4.2.2蒸馏车间热量衡算41
5设备选型42
5.1发酵车间主要设备设计选型42
5.1.1发酵罐设计依据与主要技术要求42
5.1.2发酵罐的计算及选型42
5.2发酵车间辅助设备设计选型43
5.2.1糖蜜贮罐的技术要求43
5.2.2糖蜜前处理设备的计算及选型43
5.3其他辅助设备简介44
5.4蒸馏车间主要设备设计选型44
5.4.1蒸馏车间设计依据与主要技术要求44
5.4.2蒸馏设备的计算及选型45
6生产副产物的综合利用47
6.1二氧化碳的综合利用47
6.2液体二氧化碳与干冰的生产47
6.3纯碱的制造49
6.4轻质碳酸钙的制造49
7“三废”治理措施与方法50
7.1糖蜜酒糟提取甘油50
7.2糖蜜酒糟生产白地霉50
7.3糖蜜原料酒精糟液处理液回用技术51
8厂址选择及总平面设计52
8.1厂址选择的原则和指导思想52
8.2厂址概貌52
8.3厂区概貌53
8.4环境保护措施及综合利用53
8.5热能利用及冷却水的回收53
8.6总平面布置54
9效益经济核算54
9.1全厂定员54
9.2效益经济分析56
9.2.1基本数据56
9.2.2资金来源58
9.2.3固定资产折旧费和年维修费58
9.2.4总投资估算59
10总结61
鸣谢……...……………………………………………………………………………....…62
参考文献……...……………………………………………………………………………62
前言
酒精工业在国民经济中占有重要的地位，随着国民经济的发展，世界石油储量的锐减、环境保护工作的加强和车用汽油醇需求量的增加，酒精的用途更为广泛，酒精的需求量将与日俱增。
目前，酒精生产方法主要有化学合成法和生物发酵法两种。
化学合成法是以石油工业中石油裂解产生的乙烯为原料加水合成酒精的。
发酵法酒精的原料可以是淀粉质原料、糖蜜原料、纤维素原料、野生植物和亚硫酸造纸废液。
目前我国酒精工业发展迅速，各项生产指标已达国际先进水平。
为了进一步提高酒精生产水平，各国工程技术人员不断研究新型酒精发酵方法，改进生产设备，酒精蒸馏工艺也在不断改进和完善。
与国外相比，我国目前酒精生产还存在着生产过程成本高、耗能大、产业结果不合理、糟液环境污染严重等不足，同时还面临着如何以非粮作物为原料生产酒精、如何以秸秆为原料发酵制备酒精等新课题。
1总论
1．1设计的目的和意义
（1）通过毕业设计的训练，使学生进一步巩固加深所学的基础理论、基本技能和专业知识，使之系统化、综合化。
（2）在毕业设计中着重培养学生独立工作、鼓励思考并运用已学知识解决实际工程技术问题的能力，结合课题的需要更应注意培养学生独立获取知识的能力。
（3）通过毕业设计加强对学生计算、绘图、编辑设计文件、使用规范手册等最基本的工作实际能力的培养。
（4）通过毕业设计的训练，使学生树立起具有符合国情和生产实际的正确的设计思想和观点；树立起严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索并具有创新意识与他人合作的工作作风、
酒精工业是国民经济重要的基础原料产业。
它广泛应用于化学工业、食品工业、日用化工、医药卫生等领域，是酒基、浸提剂、洗涤剂、溶剂、表面活性剂。
目前不少国家都在考虑将酒精作为新能源以应付“石油危机”和“能源危机”，用酒精部分或全部代替汽油作为汽车燃料，不仅可节约大量的石油，而且可以减少二氧化碳的排放量，缓和温室效应，所以酒精生产有广大的供求市场。
1．2设计依据
（1）海南大学理工学院（生物工程专业）---
《年产2700吨无水酒精工厂的初步设计》任务书
（2）设计基础资料：
产品名称：
无水酒精（优级纯）
工厂厂址：
海口近郊
生产原料：
废糖蜜（海南各地糖厂的副产物）
生产天数“全年生产260天（全天候）
当地气候条件（来自海南气象台资料）：
温度极端高温39℃最低温度6℃平均温度23.8℃
湿度最高湿度92%平均湿度85%
水温河水（>1米）最高30℃最低10℃
自来（饮用）水最高30℃最低10℃
深井水平均18℃
风频率年平均风速：
3.3m/s
降水量年平均：
1691ml/a
风向东北风和东风
1．3指导思想
以设计任务书为基础，以最新科研成果和实际经验为依据，通过文献检索、收集资料，调查研究，综合分析；贯彻节省基建投资，充分重视技术先进，降低工程造价等思想，从节约能源和降低原料消耗，创较高经济效益等角度出发，以“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”为原则，同时注重“三废”治理和综合利用副产物，充分重视环保防污。
尽量采用本地原料、定型设备，各种设计方案综合比较，取长补短，制定一个高产节能的设计方案，高效生产高质量的优质酒精。
1．4设计范围
（1）原料的选择及进行生产的方法
（2）生产工艺流程与工艺条件的确定与论证
（3）工艺计算
（4）车间生产设备的选型计算
（5）书写设计说明书
（6）绘制工艺流程图
带控制点生产工艺流程图；主要设备装配图；车间平面布置图；全厂总貌平面布置图等。
（7）设计重点：
蒸馏工艺流程设计；蒸馏塔、精馏塔设计选型
（8）技术经济效益指标分析
1．5生产规模及产品执行质量标准
（1）生产规模
生产规模：
年产工业无水酒精2700吨，日生产10.5吨
年工作日：
全年生产260天（全天候）；其余时间为副产品加工、设备维修检修、员工技能培训等。
主产品：
无水酒精质量标准《GB/T678-2002》优级纯。
副产品：
杂醇油
（2）产品执行质量标准（见表1-1）
表1-1产品酒精质量标准《GB/T678-2002》
检测项目
单位
标准规定值
乙醇（CH3CH2OH）
%
≥99.8
密度（20℃）
g/ml
0.789~0.791
与水混合试验
合格
蒸发残渣的质量分数
%
≤0.0005
水分的质量分数
%
≤0.2
酸度（以H+计）
mmol/100g
≤0.02
碱度（以OH-计）
mmol/100g
≤0.005
甲醇的质量分数（CH3OH）
%
≤0.02
异丙醇[（CH3）2CHOH]的质量分数
%
≤0.003
铁（Fe）的质量分数
%
≤0.00001
锌（Zn）的质量分数
%
≤0.00001
还原高锰酸钾物质（以O计）
%
≤0.00025
易碳化物质
合格
（3）生产车间组织与管理
本车间实行车间、工段、班组三级组织与管理
（4）工作制度
酒精厂日工作时间为24小时，每日三班，每班8小时连续生产。
2生产工艺流程选择和论证
2．1酒精生产工艺流程设计
2.1.1工艺流程简图（见图2.1）
糖蜜酒精生产主要经过稀糖液制备、酒母制备、稀糖液发酵和酒精蒸馏四个工序。
原种
扩
硫酸培
营养盐酒母CO₂
原糖蜜稀糖液稀糖液发酵酒精蒸馏无水酒精
水
图2.1
2.1.2流程说明
原糖蜜经泵送至高位槽，再经计量秤称重后输入酸化罐。
在酸化罐加入定量的水、硫酸、营养盐等辅料进行处理，处理后用双浓度法稀释，稀糖液浓度14~18ºBX是用来培养酵母；浓糖液浓度32~40ºBx是用来发酵。
两种溶液流进主发酵罐进行发酵，发酵得到成熟醪（酒精浓度10%以上）
成熟醪经预热器预热至72℃左右从醪塔顶加入，经过醪塔粗馏后酒汽从塔顶出来，从排醛塔13层左右进入，排醛塔底进入精馏塔的脱醛酒，脱醛液进入精馏塔，塔顶排出来的酒精汽（96%），再经预热器加热到200~250℃后进入分子筛塔进行脱水，出分子筛得到产品无水酒精。
2．2糖蜜发酵的依据和机理
2.2.1糖蜜酒精发酵特点
（1）糖蜜酒精生产特点
①糖蜜原料中的糖分以可发酵糖为主，发酵速度快，糖蜜中糖分以蔗糖为主，甘蔗糖蜜除蔗糖外还有大量转化糖，只需稀释，无需糖化即可被酵母利用，发酵速度快。
不论是甘蔗糖蜜还是甜菜糖蜜中糖类大多数为可发酵性糖，经过稀释同时添加部分营养盐，就可用酵母将它们发酵生成酒精，发酵周期短，一般只有36h。
②糖蜜含糖高、灰分多、黏度高糖蜜含糖高、胶体多、灰分大、黏度高。
糖蜜需加水稀释降低糖度和黏度，加酸调整pH，并要选用耐高渗透压的酵母进行酒精发酵。
为了维持正常的酵母生长和发酵速率，在酒母培养和酒精发酵时要适当通风。
③生产工艺与设备简单、易实现连续化酒精发酵与淀粉质原料生产酒精比较，可以省去蒸煮、制曲、糖化等工序，只需加水稀释，加酸酸化处理即可用于酒母培养和发酵，工艺流程与操作简单，易实现连续发酵。
④发酵生成酯、醛、头级杂质和杂醇油多糖蜜酒精发酵生成的酯、醛、头级杂质和杂醇油较多。
糖蜜酒精蒸馏一般需增加一个脱醛塔以排除乙醛，要加强杂醇油分离操作（提油）。
成品酒精中易超标的指标主要是醛、氧化实验、硫酸试验和杂醇油等。
（2）糖蜜酒精生产优点
糖蜜酒精发酵工艺相对低简单，成本低。
糖蜜主要成分为可发酵糖，无需蒸煮、糖化过程，原料只要稀释、酸化、接种、发酵和蒸馏过程。
其主要优点是：
①来源丰富
②生产工艺、设备较淀粉质原料生产酒精相对简单糖蜜酒精无须粉碎、蒸煮、制曲和糖化过程和相应设备，能耗低，并且原料价格低，生产成本低。
③生产易实现连续化糖蜜酒精厂基本上采用了双流加连续发酵工艺。
（3）糖蜜酒精生产缺点
①浓度高、灰分大、胶体多
②发酵生成酯、醛等头级杂质多、杂醇油多，蒸馏废液难处理
2.2.2糖蜜发酵对酵母菌种的要求
（1）能在高渗透压的糖液中具有较强的增殖能力，生产速度快。
（2）发酵能力强，发酵迅速而且完全、残糖少，酒精生产率高。
（3）耐酸能力强，在酸度较高的糖液中仍能增殖快。
细菌耐酸性差，提高酵母的耐酸性，使之能在酸性环境下生产、繁殖，对提高酒精发酵的抗污染能力具有重要意义。
（4）耐高温能力强。
（5）抵抗代谢产物反馈抑制作用能力强，能在高浓度酒精时继续对糖进一步发酵。
可提高生产率和设备利用率。
（6）营养要求低，抵抗重金属的毒害作用强。
（7）发酵时产生的泡沫少。
选育产泡沫少的菌种，可以进一步提高发酵设备装料系数和设备利用率。
（8）性能稳定，不易变异。
2.2.3糖蜜酒精发酵中酵母的有效酶系
糖蜜酒精发酵过程中，酵母细胞中参与酒精发酵的酶有十多种。
主要有两大类：
一类为水解酶，另一类是糖-酒精转化酶。
酵母活细胞中水解酶首先将糖蜜醪中的蔗糖水解生成一分子葡萄糖和一分子果糖，然后再由酵母活细胞中的酒化酶进行发酵，酒化酶是参与酒精发酵的各种酶和辅酶的总称。
这类酶主要包括己糖激酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶和异构酶、变位酶等。
这类酶都是胞内酶。
在这些酶的顺序作用下，糖分被逐步转化为酒精。
2.2.4糖蜜酒精发酵在密闭发酵罐中进行的理论依据
所谓发酵，是指微生物细胞，在无氧条件下，进行无氧呼吸，将吸收的营养物质通过细胞内酶的作用，进行一系列的生物化学反应，把复杂的有机物分解为比较简单的生化中间产物，同时放出一定能量的过程，就叫做发酵。
或者简单地说，就是在无氧条件下，微生物将复杂的有机物转变为简单的产物的过程，就叫做发酵。
所谓酒精发酵，就是指发酵酵中的糖类物质，在无氧条件下，受酵母细胞中酒化酶的作用，产生酒精的全过程。
酒精的发酵过程中，酵母菌的发酵是属于厌气性发酵，进行着无氧呼吸，发生着复杂的生化反应。
从整个发酵工艺来讲，既有发酵醪中的淀粉、糊精继续被糖化酶作用，水解生成糖类物质的反应，同时又有发酵醪中的蛋白质在蛋白酶的作用下，水解生成小分子的蛋白胨、肽和各种氨基酸的反应，这些水解产物一部分被酵母细胞吸收合成菌体，另一部分则发酵生成了酒精和二氧化碳，还要产生副产物杂醇油、甘油等。
糖蜜酒精发酵过程是不需氧的生物化学氧化过程，其生物氧化自成体系，反应过程中生成还原态的NADH₂，用于乙醛的还原，而其自身被氧化恢复成氧化态的NAD。
辅酶上的氧化还原过程，即酒精发酵氢的传递过程。
所以酵母进行糖蜜酒精发酵时宜在密闭的发酵罐中进行。
酵母进行糖蜜酒精发酵时，在有氧的情况下，由于进行了呼吸作用，而酒精产量大大降低，糖的消耗速度在单位时间内也减慢。
有氧情况下，为什么糖蜜酒精发酵的发酵率反而减低？
从酒精发酵反应式可总结如下：
C6H12O6+2ADP+2H3PO4→2C2H5OH+2ATP+2CO₂↑
在酒精发酵过程中，在无氧情况下，一分子葡萄糖经酵母酒化酶系的催化作用最终生成二分子的乙醇，二分子ATP，二分子二氧化碳，同时在酒精发酵中进行底物水平磷酸化，每发酵一分子葡萄糖产生4分子ATP，同时需要用去2分子ADP和2分子磷酸：
2ADP+2Pi→2ATP
在有氧的情况下，进行电子传递磷酸化，每消耗一分子葡萄糖，则产生38个ATP，因此也需要38个分子的ADP和Pi：
38ADP+38Pi→38ATP
在酵母细胞内，ADP和Pi量是有限的，由于发酵的高速度进行，ADP和Pi已经被充分利用了，当有氧的情况下进行了电子传递磷酸化，生成大量的ATP，因而消耗了大量的ADP和Pi，而用来进行发酵的底物磷酸化就会感到不足，从而降低了发酵速度，因此在有氧的情况下，糖蜜酒精发酵的效应反而降低。
由此可见，糖蜜酒精发酵宜在密闭的发酵罐内进行。
2.2.5糖蜜酒精发酵机理
酵母进入糖化醪后，糖分被酵母细胞吸收渗入细胞内，经过酵母细胞内糖-酒转化酶系统的作用，最终生成酒精、CO₂和能量，其中一部分能量被酵母细胞用作新陈代谢的能源，余下的部分能量和酒精及CO₂一起，通过细胞膜排出细胞外。
酵母菌就是以这种方式进行糖的酒精发酵的。
酵母酒精发酵的4个阶段：
①葡萄糖磷酸化和异构化，然后裂解为能转化的两种磷酸丙糖（甘油醛-3-P和磷酸二羟丙酮）。
②磷酸丙糖中的甘油醛-3-P的醛基经NAD+氧化成羧基，伴随着Pi的摄取，此反应形成甘油酸-1，3-2P，其能量足以转移Pi到ADP上形成ATP。
③Pi从甘油酸的3位转移到2位，然后脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸，它提供足够能量以转移Pi到ADP上。
④丙酮酸脱羧形成乙醛，乙醛为氢受体，其羰基氧化甘油醛-3-P脱氢所生成的NADH（H+），从而再生NAD+，乙醛生成乙醇。
酵母酒精发酵全过程的12步反应：
（1）发酵醪中的葡萄糖，被酵母吸收后，在ATP与己糖激酶的催化下，将葡萄糖变为6—磷酸葡萄糖。
Mg2+作激活剂。
（2）转化为6—磷酸葡萄糖后，再经酵母细胞中磷酸己糖异构酶催化下，生成6-磷酸果糖。
（3）6—磷酸果糖在磷酸果糖激酶的催化下，降解成为1，6—二磷酸果糖。
（4）1，6—二磷酸果糖在醛缩酶的作用下，生成磷酸二羟丙酮和3—磷酸甘油醛。
（5）此时的磷酸二羟丙酮，在磷酸丙糖异构酶催化下，又生成3—磷酸甘油醛。
（6）3—磷酸甘油醛在3—磷酸甘油醛脱氢酶的催化下，生成1，3—二磷酸甘油酸。
（7）1，3—二磷酸甘油酸在磷酸甘油激酶的催化下，生成3—磷酸甘油酸。
（8）3—磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶催化下、生成2—磷酸甘油酸。
（9）2—磷酸甘油酸在烯醇化酶催化下，生成2—磷酸烯醇式丙酮酸。
（10）2—磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下、生成烯醇式丙醇酸，由于烯醇式丙酮酸很不稳定，立即就会生成丙酮酸。
（11）丙酮酸在丙酮酸脱氢酶催化下生成乙醛。
（12）乙醛在乙醇脱氢酶的作用下就生成了酒精。
2.2.6提高糖蜜酒精发酵效率的方法
一方面要注意调整酵母的外界环境条件，使外因适于酵母内在规律要求，另一方面驯养和选育耐高渗透压和耐高温的优良酵母菌种，以适于糖蜜酒精发酵。
调整酵母外界环境的渗透压是提高糖蜜酒精发酵效率的关键，酵母细胞内酶系催化效率的提高，依赖于酵母细胞质膜的半渗透作用。
所以，糖蜜酒精发酵要求发酵醪要有适当的渗透压，才有利于酵母半透性细胞质膜对醪液中C、N源、生长素等营养物质的吸收利用，才能加速细胞内酶系的催化反应速度，从而使发酵率进一步提高。
为了保证酒母细胞质膜半渗透作用的正常进行，对于糖蜜原料，特别是低纯度糖蜜原料，应想办法先除去搪蜜中的焦糖、黑色素、果胶等胶体物质；只有适当降低糖密浓度和粘度才能调整至适宜的渗透压，才能保证酵母细胞质膜半渗透作用的正常进行和提高工作效率。
其它工艺条件也能直接影响发酵效率，如果调整适宜的发酵温度，发酵效率也明显提高。
2．3糖蜜酒精的发酵方法
糖蜜酒精发酵方法很多，基本上可分为间歇法与连续法两大类。
2.3.1间歇发酵法
根据艺和设备不同，间歇发酵法又可分为开放式、密闭式、分割式、分段添加和连续流加等发酵方法。
①开放式间歇发酵法
此法的特点是醪液在敞开的发酵槽内进行发酵，操作是间歇进行，发酵槽一般用水泥制成，也可用钢板制成，发酵槽内装有冷却管和蒸汽管，使用时先用石灰乳、热水充分洗涤及消毒。
培养酒母稀糖蜜浓度为12—15％，pH4.0—5.0，接入10％的种子，25—30℃培养至浓度为6—8％时即
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