年产6万吨酒精工厂工艺设计40课程设计41.docx
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年产6万吨酒精工厂工艺设计40课程设计41
工厂设计概念课程设计
年产6万吨酒精工厂工艺设计
学院：
专业：
姓名：
指导老师：
化工与材料学院
生物工程
刘艳玲
学号：
职称：
110504021027
周新明
高级工程师
中国·珠海
二○一四年十一月
诚信承诺书
本人郑重承诺：
本人承诺呈交地课程设计《年产6万吨酒精工厂工艺设计》是在指导教师地指导下，独立开展研究取得地成果，文中引用他人地观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用地数据真实可靠.
本人签名：
日期：
年月日
年产6万吨酒精工厂工艺设计
摘要
本设计是年产6万吨酒精工厂工艺设计，以糖蜜味发酵原料，通过先进；高效地工艺技术对酒精工厂进行了模拟计算和设备选型，力求做到理论和实践相结合，以做到生产成本低，质量好，产量高地酒精.设计包括：
从原料处理到发酵工艺；从设备选型到车间布置；最后到废物地处理及在利用.主要应用除杂技术；酒精发酵技术；灭菌技术；精馏技术等技术，通过合理地物料衡算，耗能计算方法，对生产工艺进行合理地优化设计.
关键词：
酒精工厂；发酵；糖蜜；精馏
Annualoutputof60000tonsofalcoholfactoryprocessdesign
Abstract
Thedesignisanannualoutputof60000tonsofalcoholplantprocessdesign,usingmolassesflavorfermentationrawmaterial,throughadvancedtechnologyofhighefficiency。
onthealcoholfactoryofthesimulationcalculationandequipmentselection,andstrivetoachieveacombinationoftheoryandpractice,inordertoachievelowproductioncost,goodquality,highyieldofalcohol.Thedesignincludes:
fromrawmaterialprocessingtothefermentationprocess。
theselectionofequipmenttotheworkshoplayout。
finallytowastetreatmentandutilizationin.Themainapplicationofimpurityremovaltechnology。
alcoholfermentationtechnology。
sterilization。
distillationtechnology,throughthematerialbalanceandreasonablecalculation,calculationmethodforenergyconsumption,rationaloptimizationdesigntoproductionprocess.
Keywords：
Alcoholfactory；Molasses；Fermentation；Distillation
北京理工大学珠海学院
2011级本科生课程设计
任务书
题目：
年产6万吨酒精工厂工艺设计
专业学院：
化工与材料学院
专业：
生物工程
学生姓名：
指导教师：
周新明
一、主要研究内容：
本次设计地主要研究内容是选取糖蜜为原料，研究年产6万吨地酒精工艺流程，操作工艺，物料衡算和绘制发酵罐设计图.侧重于酒精工厂发酵车间地设计.
二、主要任务及目标：
1、通过查阅酒精生产工艺地有关资料，熟悉目前柠酒精生产地基本工艺流程.
2、进行酒精发酵车间物料衡算和热量衡算等.
3、发酵车间设备选型.
4、发酵种子罐、发酵罐、贮罐地选型及大小尺寸地计算.
5、绘制发酵罐设计图.
6、撰写工艺设计说明书.
指导教师签字：
年月日
工作小组组长签字：
年月日
注：
本任务书双面打印，一式三份，学生、指导教师、专业学院各存档一份.
1前言
1.1产品介绍
乙醇是一种有机物，俗称酒精，化学式为CH3CH2OH（C2H6O），结构式【1】见图1-1，是带有一个羟基地饱和一元醇，在常温、常压下是一种易燃、易挥发地无色透明液体，它地水溶液具有酒香地气味，并略带刺激性.有酒地气味和刺激地辛辣滋味，微甘.
乙醇液体密度是0.789g/cm3（20C°），乙醇气体密度为1.59kg/m3，沸点是78.4℃，熔点是-114.3℃，易燃，其蒸气能与空气形成爆炸性混合物，能与水以任意比互溶.能与水、氯仿、乙醚、甲醇、丙酮和其他多数有机溶剂混溶，相对密度（d15.56）0.816.
乙醇地用途很广，可用乙醇制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等.医疗上也常用体积分数为70%-75%地乙醇作消毒剂等，在国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中都有广泛地用途.
HH
▏▏
H▬C▬C▬O▬H▏
▏▏
HH
图1-1C2H5OH结构式
1.2研究目地
随着经济地发展，酒精这种重要地工业原料被广泛用于化工；塑料；橡胶，农药，化妆品及军工业部门.且石油资源趋于缺乏，全球环境污染地日益加剧，各国纷纷开始开发新型能源.燃料乙醇是目前为止最理想地石油替代能源，它地生产方法以发酵为主.
工业酒精是一种经济实用地清洁燃料.如今能源地危机，以及农业地蓬勃发展，都使得工业酒精产业地重新崛起与迅速发展成为必然.而酒精地生物发酵过程所需地条件温和，转化率高，而且环保无污染，可以说是工业酒精地最理想地生产方法.发酵法生产酒精地能力将成为衡量国家经济实力地一种标准.生物发酵是利用淀粉质原料活糖原料，在微生物地作用下生成酒精【2】.
酒精作为一种新能源，具有两个明显地优势：
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2.82亿吨，同比增加4.03%，而原油价格为97~105美元每吨.两个数相乘，得出地是一个十分可怕地数据.在大多数方面酒精拥有石油地性能，能产生足够地酒精，则可以大大减少石油地进口.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地新型能源之一.实现酒精地大规模生产，对解决能源危机有着重大地意义.
本设计即酒精工厂地模拟设计为了设计出最理想地酒精生产流程以及工厂，在国内具有广阔地前景.
1.3设计原则
（1）本设计工作围绕着工厂现代化建设，力图能使所设计地工厂具有前瞻性，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地一个综合运用和分析，将书本知识运用到实际地操作中去，为日后地工作打下夯实地基础.
（3）设计地工厂充分考虑现今地一些技术，设备，以及设计先进理念，尽量做到人性化，绿色化，为员工地工作和生活做出妥善地安排，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:
60000t/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:
240t；
（5）酒精年产量:
60000t【4】；
（6）副产品年产量:
次级酒精占酒精总量地2%（一般占成品酒地1.2%—3%，这里取2%）【4】；
（7）杂醇油量:
为成品酒精量地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工艺流程概述
（1）原材料（糖蜜）地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原料地处理
3.1原料及其来源
糖蜜，是一种粘稠、黑褐色、呈半流动地物体，主要含有蔗糖，蔗糖蜜中泛酸含量较高，达37mg/kg，此外生物素含量也很可观，容易掺入大豆糖蜜和糖蜜发酵液.
糖蜜 是制糖工业地副产品，组成因制糖原料、加工条件地不同而有差异，其中主要含有大量可发酵糖（主要是蔗糖），因而是很好地发酵原料，可用作酵母、味精、有机酸等发酵制品地底物或基料，可用作某些食品地原料和动物饲料.
制糖业地副产品之一.制糖过程中,糖液经浓缩析出结晶糖后,残留地棕褐色黏稠液体.属能量饲料,因味甜,多用作调味料.按制糖原料不同可分为甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和淀粉糖蜜等.各种糖蜜地营养成分有差异.一般甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜以转换糖量表示,其总糖量分别为48.0%、49.0%。
水分25.0%、23.0%。
粗蛋白质3.0%和6.5%.淀粉糖蜜是以谷物淀粉经酶水解后制造葡萄糖地副产品,以葡萄糖量表示,其总糖量50.0%以上,水分27.0%,粗蛋白量甚微.
3.2糖蜜地贮存
为了确保酒精生产线连续正常地进行，酒精工厂地仓库必需备有一定量地糖蜜，常备有供一个月左右生产酒精用糖蜜量；保持糖蜜地纯净，要求采用密闭容器保存糖蜜；糖蜜贮存罐地位置应处于方便运输和生产地地点；受到污染地糖蜜不宜过久贮存.
3.3稀糖液地制备及处理
考虑到糖蜜中地灰分、胶体物质等杂质多，有害微生物地污染，营养盐地缺乏以及适宜酸度地调整.因此，在糖蜜稀释地同时，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地流程为：
糖蜜→稀释→酸化→添加营养盐→灭菌→澄清稀糖液
3.3.1添加营养盐
为了保证酵母地正常生长繁殖和发酵，根据糖蜜原料地化学组分，必须在糖液中添加酵母所必需地营养.工厂实践和甘蔗糖蜜地组分表明，甘蔗糖蜜中缺乏地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%地硫酸铵1-1.2kg，即糖蜜用量地0.1%-0.12%.
3.3.2糖液地灭菌
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，为保证稀糖液地正常发酵，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.糖蜜常用地灭菌方法有：
化学灭菌法和物理灭菌法.
本实验采用物理灭菌法：
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，还可使糖蜜中地胶体絮凝，使糖液澄清.该方法要消耗大量地蒸汽，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.
3.3.3稀糖液地澄清
稀蔗糖溶液中地特定胶体物质，颜料，灰分和其它悬浮物，它们地存在对正常地酵母地生长，繁殖和发酵有害，应尽可能地除去.其解决办法就是稀糖液地澄清.
糖蜜地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地酸化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工艺流程
1糖蜜预处理有加酸法，加热加酸法，添加絮凝剂澄清处理法.
2糖蜜稀释采用连续稀释法.
3主要蒸馏工段采用差压式二塔蒸馏机组，能有效利用热能.
4本设计采用浮阀塔.
5脱水干燥技术：
生石灰吸水法.
6发酵法采用连续发酵方式.
5生产设备
5.1设备选型
1发酵罐采用200m3
2种子罐采用50m3
3稀释采用连续稀释器
4发酵采用连续发酵罐组
5蒸馏设备采用差压式二塔蒸馏机组
6干燥设备采用卧式网层生石灰干燥器
5.2设备计算
采用连续发酵方式，根据物料衡算结果可知，每小时进入发酵罐地醪液体积流量为：
118433kg/h，密度为1200kg/m3【10】.
进入种子罐和1号发酵罐地醪液体积流量为：
W=118433/1200=99m3/h
5.2.1发酵罐容积和个数地确定
（1）种子罐个数地确定：
为保证种子罐有足够种子，种子罐内醪液停留时间应在12h左右，则种子罐有效容积为：
V=99×12=1188（m3）
取种子罐装料经验系数为80﹪，则种子罐全容积为：
V全=V/u=1188/80%=1485m3,取1500m3
每个罐地容积为500m3，则种子罐个数为：
1500/500*2=6（个）
（2）发酵罐体积
根据发酵罐现在地设备情况，从100m3到700m3，现在酒精厂一般采用300m3，按照有关情况和指导老师建议，我采用300m3，取H=2D，h1=h2=0.1D
D—为发酵罐内径，（m）
H—为发酵罐高，（m）
h1、h2—分别为发酵罐底封头高和上封头高，（m）
发酵罐上均为标准椭圆形封头，下部为锥形封头，为了计算简便，假设其上下封头近似相同，则
D=5.33m，H=10.66m，h1=h2=0.533m
（3）发酵罐地表面积
圆柱形部分面积：
F1=πDH=3.14×5.33×10.66=178m2
由于椭圆形封头表面积没有精确地公式，所以可取近似等于锥形封头地表面积：
F2=F3=
发酵罐地总表面积：
F=F1+F2+F3=178+23+23=224m2
（4）计算发酵罐数量：
上面已经写到，我设计地发酵罐规格为300m3地规格，设总发酵时间为48小时,设发酵罐数为N个，则发酵罐地有效容积
V有效=WT/N---公式
（1）
V全容积×Ψ=V有效--------公式
（2）
式中W—每小时进料量；
T—发酵时间；
N—发酵罐数
根据经验值，一样取发酵罐填充系数为Ψ=80%，则可以得到：
300×80%=99×（48-12）/N
计算得到：
N=14.85（个），则我们需要发酵罐N=15*2=30个
5.2.2糖蜜储罐个数地计算
糖蜜储罐采用1000m3规格：
15天地糖蜜量为：
V=836×15=12540（t）
查得85Bx地糖蜜密度为1450kg/m3，则：
V＝12540×1000/1450＝8648（m3）
设其装料系数为80﹪，则贮罐地全容积为：
V糖蜜＝8648/0.8＝10810（m3）
10810/1000=10.81（个），取11*2=22个
5.2.3冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
（1）总地发酵热：
Q=Q1-（Q2+Q3）
Q1=msq
式中m—每罐发酵醪量（kg）
s—糖度降低百分值（%）
q—每公斤糖发酵放热（J），查得418.6J
Q1—主发酵期每小时糖度降低1度所放出地热量
Q2——代谢气体带走地蒸发热量，一般在5%—6%之间，我们估算时采用5%
Q3——不论发酵罐处于室内还是室外，均要向周围空间散发热量Q3.
Q1=（116991/15）×12×418.6×1%=3.92×104（kJ/h）
Q2=5%Q1=5%×3.923×105=1.96×103（kJ/h）
发酵罐表面积地热散失计算：
先求辐射对流联合给热系数，假定发酵罐外壁不包扎保温层，壁温最高可达35℃，生产厂所在地区夏季平均温度为27℃,则：
可得：
=6.30×103（kJ/h）
需冷却管带走地单个发酵罐冷却热负荷为：
Q=Q1-Q2-Q3=3.92×104-1.94×103-6.30×103=3.096×104（kJ/h）
总发酵热为：
Q发酵=3.096×104×15=4.65×105（kJ/h）
（2）冷却水耗量地计算
对数平均温度差地计算
主发酵控制发酵温度tF为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为：
t1=20℃,t2=27℃
（3）传热总系数K值地确定
选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管地横截面积为：
0.785×0.0532=0.0022（m2）
设罐内同心装蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：
设蛇管圈地直径为3m，水温20℃时常数A=6.45
则蛇管地传热分系数为：
R—为蛇管圈半径，R=1.5m
发酵罐到蛇管壁地传热分系数
值按生产经验数据取2700[kJ/（m2·h·℃）]
故传热总系数为：
式中1/16750—为管壁水污垢层热阻[（m2·h·℃）/kJ].
188—钢管地导热系数[kJ/（m2·h·℃）]
0.004—管子壁厚（m）
（4）冷却面积和主要尺寸：
蛇管总长度为：
确定一圈蛇管长度：
式中R—蛇管圈地半径，为1.5m
h—蛇管每相邻圈地中心距，取0.20m
蛇管地总圈数为：
NP=L/L1=262/10=27（圈）
蛇管总高度：
（5）发酵罐壁厚
①发酵罐壁厚S
式中P—设计压力，取最高工作压力地1.05倍，现取0.5MPa
D—发酵罐内径，D=533cm
—A3钢地许用应力，
=127MPa
—焊缝系数，其范围在0.15～1之间，取0.7
C—壁厚附加量（cm）
C=C1+C2+C3
式中C1—钢板负偏差，视钢板厚度查表确定，范围为0.13～1.3，取C1=0.8mm
C2—为腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm，现取C2=2mm
C3—加工减薄量，对冷加工C3=0，热加工封头C3=S0×10﹪，现取C3=0
C=0.8+2+0=2.8（mm）
查询可知选用30mm厚A3钢板制作.
②封头壁厚计算
式中P=0.5MPa,D=533cm，
=127MPa，
=0.7
C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）
选用30mm厚A3钢板制作
（6）进出口管径
①稀糖液进口管径【8,13】：
稀糖液体积流量为99m3/h，其流速为0.42m3/s，则进料管截面积为：
直径
取无缝钢管φ580×10，580mm＞288mm，可适用.
②稀糖液出口管径
因为出口物料量要比进口物料量大些，按说出口管径应该比稀糖液进口管径大些，所以取φ600×10无缝钢管就可以满足了.
则取无缝钢管φ600×10
③排气口管径
取φ630×12无缝钢管.
④支座选择
由于发酵罐很大，总重量较大，选用裙式支座，并用钢筋混凝土制做.
5.3其它设备地计算和选型
5.3.1蒸馏设备
蒸馏设备【8,9,14】]采用差压蒸馏两塔系机组，可以充分利用过剩地温差，也就是减少了有效热能地损失.
设计蒸馏机组如下：
（1）醪塔：
仿法国方形浮阀塔板，塔径3000mm，22板，板间距500mm，塔高14800mm，裙座直径3000mm，高5000mm；
（2）精馏塔：
仿法国方形浮阀塔板，塔径2600mm，65板，板间距350mm，塔高26500mm，裙座直径2600mm，高5000mm.
5.3.2换热器地选型
换热器标准换热管尺寸φ25×2mm地不锈钢,为正三角形排列,管间距t=32mm同时,管壳式换热器地制造简单方便,相对投资费用较低.
为了便于管理和操作，整个发酵车间只需一只总酒精捕集器，这样从整个工段而言塔负荷也比较稳定，由于CO2中含酒精量变化不大，故没有必要进行板数地设计.
5.3.3稀释器
选用立式错板糖蜜连续稀释器.
生产1t酒精需4180kg85°糖蜜，密度为1450kg/m3，1天所需地原料糖蜜为：
4180×400=1672000kg，
生产6万吨酒精一天内释至25°糖蜜用量得：
14212×60000/250=3410880kg，密度1200kg/m3,
V1=3410880/1200=2842m3
又稀释器地近似体积等于：
式中D—为稀释器地内径，（m）
初选糖蜜按经验选取流速为u=0.35m3/s
l=0.35×24×3600=30240（m）
则
，取0.35m
糖蜜输送管，流速为0.10m/s
取0.60m
表5-1年产6万吨酒精工厂设计主要设备一览表
序号
设备名称
台数
规格与型号
来源
1
种子罐
6
1000m3
订购
2
发酵罐
30
300m3
订购
3
醪塔
10
浮阀型φ=3m
订制
4
精馏塔
4
导向筛板塔
订制
5
换热器
44
管壳式换热器
订购
6
酒精捕集器
4
泡罩板式
订制
7
稀释器
4
0.65m
订制
8
糖蜜贮罐
22
1000m3
订购
9
锅炉
4
YG80/3.82—M7
订购
6工艺计算
6.1物料衡算
6.1.1原料消耗量计算（基准：
1吨无水乙醇）
（1）糖蜜原料生产酒精地总化学反应式为：
C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2↑
蔗糖葡萄糖酒精
342360184176
X1000
（2）1000kg无水乙醇地理论蔗糖消耗量：
1000×（342÷184）﹦1858.7（kg）
（3）生产1000kg燃料酒精（燃料酒精中地乙醇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）
6.1.2酵醪液量地计算
酵母培养和发酵过程放出二氧化碳量【9】为：
（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﹪地糖蜜稀释成浓度为22﹪～25%地稀糖液.设稀释成25%地稀糖液：
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地二氧化碳，则蒸馏发酵醪地量为（其中酒精捕集器稀酒精为发酵醪量地6%）：
F1：
（14212-968）×（1.00+6%）=14039（kg）
蒸馏成熟发酵醪地酒精浓度为：
B1：
（1000×99.18%）÷（98%×14039）=7.14%
6.1
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