年产8万吨酒精工厂设计_开题报告-功夫了得

毕业设计()开题报告 题目： 年产8万吨酒精工厂设计 课 题 类 别： 设计 论文　□ 学 生 姓 名： 功夫了得 学 号： 3590000000000 班 级： 生物XX-02班 专业（全称）： 生物工程 指 导 教 师： XX 2012年4 月 一、本课题设计（研究）的目的： 以先进的生产经验和成熟的科技成果为依据，选择安全可靠、先进适用的工艺条件、工艺流程和生产设备；以前沿的经济指标为指导，合理布局，使生产损耗和能量损耗尽量降低；以《环境保护法》为依据，规范化处理排放的三废。对物料、水、电、汽进行衡算，对主要生产设备进行选型与计算，同时进行重点设备的设计和全厂平面布置设计，并绘制图纸。通过本设计，使我熟悉酒精生产过程和解决一些工程技术问题，培养了我独立查找、分析和使用技术资料，独立编写设计文件，使用CAD绘制设备装配图的能力。 二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）： 1.酒精生产研究现状及发展趋势 1．1 产品介绍 酒精的化学名称是乙醇，分子式是C2H5OH，是一种无色透明、易挥发，易燃烧不导电、具有特殊芳香和辛辣味的液体。相对分子质量46.07，相对密度为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）。 乙醇的发酵生产经历了三代：第一代是以小麦、玉米、甜菜、甘蔗和木薯等粮食作物为原料，发酵生产出乙醇；第二代以非粮食作物秸秆、枯草、甘蔗渣、糖蜜、稻壳、木屑等废弃物为原料发酵生产乙醇；第三代以藻类为原料发酵生产乙醇。 据《全球可再生燃料联盟》统计预测：2010年全球乙醇产量为858亿升，2011年将达到887亿升。而中国2010年乙醇产量为82.6亿升，2011年预计达90亿升。两相比较，我国的乙醇生产量有待提高。发达国家生产乙醇的原料渐渐地由第二代向第三代发展，而我国则是由第一代向第二代发展。 第三代乙醇的原料——藻类，有着其独特的优点：藻类的成熟期短，仅需1—10天就可以收获；生产率高，同等面积下，产出的乙醇比甘蔗高100多倍；可以在不适宜种植粮食的土地上生长，解决了乙醇生产与粮食争地与人类争粮的矛盾。所以，近期内，乙醇生产将以非粮食作物为主要原料，粮食作物及藻类为次要原料，未来的乙醇生产将以藻类为主要原料，非粮食作物为次要原料，而粮食作物将不再作为乙醇生产的原料。 1．2 设计意义 随着经济的发展，酒精的重要性日益明显。酒精在化工、塑料、橡胶、农药、化妆品、医药、燃料能源等部门，有着不可替代的作用。这就决定了中国乃至全世界对酒精都有一个极大的需求。 下面仅从燃料能源方面，简要地介绍一下。酒精作为一种新能源，有着两个独特的优势：属于可再生能源、燃烧时无污染。我国是石油净进口国，海关数据显示，2010年全国累计进口原油2.39亿吨，而每吨原油价格九千多元。两个数相乘，得到的是一个多么恐怖的数据啊。酒精在很多方面上都可以替代石油，只要生产出足够的酒精，就可以大大降低石油进口量。但事与愿违，中国的酒精产量不高，供不应求，每年都要进口几百万吨酒精。 在这样一个酒精供不应求，并且需求量逐年上升的时代，建一个生产酒精的工厂，不仅顺应时代的潮流，具有广阔的市场前景，而且能够满足国家内需，减少资金的外流。 2、 酒精生产工艺流程 本设计选用糖蜜为原料进行酒精生产，糖蜜中含有多种可发酵性糖，非常适于用来发酵生产酒精。由于糖蜜原料中糖的浓度较高，焦糖，氨基酸等胶体物质较多，灰分含量高等原因，糖蜜需要进行稀释及调酸等预处理才能进行发酵。 糖蜜用于酒精生产的全过程为：稀糖液的制备及处理，酵母的制备，发酵和提纯。流程图如下： 原糖蜜 加水 调酸 加营养盐 加防腐剂（或加热灭菌） 发酵用糖液 加酵母菌种 发酵 蒸馏 成品酒精 2.1 糖蜜原料及其贮存 （1）糖蜜原料 甘蔗糖蜜是制糖生产的副产品，含有丰富的可发酵糖，是生产酒精的好原料。主要产于广东、广西、云南、福建、台湾等主要甘蔗产区。甘蔗糖蜜的产量为原料甘蔗的2.5%～3%。糖蜜中含有30%～36%的蔗糖与20%的转化糖，50%左右的可发酵糖，5%～12%的胶体物质以及10%～12%的灰分，酸度10左右，含氮量仅0.5％，含磷量为0.2％左右。 （2）糖蜜的贮存 为了保证酒精生产正常并且连续地进行，酒精车间及工厂仓库都必需贮存一定量的糖蜜。为了防止糖蜜被污染保持糖蜜的纯净，对糖蜜的贮存有如下要求： 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​ 为保证生产正常进行，常备有20-30d生产用糖蜜的贮存量。 3​ 贮存罐的位置应兼顾运输和生产两方面，以有利于使用方便。 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。 2.2稀糖液的制备及处理 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 稀糖掖 （1）​ 糖蜜稀释的目的及方法 目的是为了降低糖液中糖的浓度和无机盐的浓度，使其适合于酵母的生长，繁殖和发酵。 糖蜜酒精生产工艺可以分为单浓度流程和双浓度流程两钟。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22-25oBx。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，也就是将糖蜜泵入高位计量槽，计量后进入稀释罐，同时加入灭菌剂及稀释水等，开动搅拌，充分搅匀即得需要的浓度的稀释液。 （2）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）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见下表 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 物理灭菌法是将糖液加热至80－90℃，保持40min的灭菌方法。该方法除了灭菌外，还可使糖蜜中的胶体絮凝，使糖液得到澄清。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。 （4）酸化 糖蜜酸化的主要目的在于防止杂菌在发酵时的繁殖，同时得到适合于酵母发酵的pH糖液，此外，酸化还有利于去除糖液中的部分灰分和胶体物质。 ① 酸化用酸的种类 糖蜜酸化最常用的是硫酸，也有使用盐酸的，使用盐酸有使设备无结垢等优点，但其用量较大。 ② 酸的加用 酸的加用可以在稀糖液中加用，也可以在原糖液中加用。在使用糖蜜生产酒精时要注意加酸时产生的棕黄色NO2 予以吸收，并保持操作场所空气的流动。 （5）稀糖液的澄清 稀糖液中含有很多胶体物质，色素，灰分和其他悬浮物质，他们的存在对酵母的正常生长，繁殖和发酵有害，应尽量予以去除。稀糖液的澄清处理就是为了解决这个问题。 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，是将糖蜜稀释后加H2SO4,调pH值至3.7酸化12h，采用离心分离机或压滤机将沉淀分离，此法国内应用较多。 2.3酒精发酵 所谓酒精发酵，就是指发酵底物中的糖类物质，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。可用如下化学方程式表示： C12H22O11(蔗糖) 水 解 (C5H10O5)n C6H12O6 C2H5OH+CO2 +Q 在酒精发酵生产中，要做好发酵管理工作。主要是控制不同发酵时期发酵醪中的糖度、发酵温度、发酵醪的pH值、发酵醪中含酒分、发酵时间、成熟发酵醪的化学分析等项目，用以保证发酵地顺利进行，尽可能地提高原料的出酒率。 2．4 酒精蒸馏提纯 在发酵成熟醪中，不单是含有酒精，还含有其它几十种成分，若加上水，这些物质的含量远远超过酒精的含量，成熟醒中酒精含量仅为7—11％(体积)左右，而包括水、醇类、醛类、酸类、脂类的杂质几乎占90％，要得到纯净的酒精，就必须采用一定的方法，把酒精从成熟醪中分离出来。生产中是采用加热蒸馏的办法，把各种不同沸点、比重、挥发性的物质从不同的设备中分离出来，从而得到较高纯度的酒精。 本工艺采用半直接式三塔蒸馏。蒸馏流程如下： 蒸汽 发酵 1号 2号 3号 4号 预热器 预热器 粗馏塔 精馏塔 分凝器 分凝器 分凝器 分凝器 酒精糟液 精馏废液 成品燃料酒精 3. 物料衡算 3.1 原料消耗计算 （基准：1吨酒精） 1、糖蜜原料生产酒精的总化学反应式为： C12H22O11+H2O→2C6H12O6→4C2H5OH+4CO2↑ 342 360 184 176 X 1000 2、生产1000㎏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（燃料酒精中得乙醇体积含量99.5%以上，相当于质量含量99.18%以上）的理论蔗糖消耗量： 1858.7×99.18%=1843.5（kg） 3、生产1000㎏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、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（扣除蒸馏损失）消耗糖蜜量为： 1858.7÷90%÷50%=4130.4（kg） 3.2发酵醪液量的计算 酵母培养和发酵过程放出二氧化碳量为： （1000×99.18%）÷98%×(176/184)=968 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25%的稀释液经连续稀释器可得稀释液量为： 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： （14212-968）×（1.00+6%）=14039（kg） 蒸馏成熟发酵醪的酒精浓度为： (1000×99.18%)/(98%×14039)=7.14% 3.3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% = (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=F1C1t1=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% 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) 3.4 年产量为8万吨燃料酒精的总物料衡算 工厂年开工300天。 日产产品酒精量：80000/300=266.7(t) 每小时产酒精量：266.7÷24=11.1125（t） 主要原料糖蜜用量： 日耗量：4180×266.7=1114806（kg）=1114.8（t） 年耗量：1114.8×300=334440（t）=3.34×105（t） 每小时产次级酒精：11.1125×（2÷98）=0.2268(t) 实际年产次级酒精：0.2268×24×300 =1632.96（t） 糖蜜原料酒精厂物料衡算表 物料衡算 生产1000kg 99.5%酒精物料量 （kg） 每小时 （t） 每天 （t） 每年 （t） 燃料酒精 1000 11.1125 266.7 80000 糖蜜原料 4180 46.45 1114.8 334440 次级酒精 20 0.2268 5.4432 1633 发酵醪 14212 157.931 3790.3 1137103 蒸馏发酵醪 14039 156.008 3744.2 1123257.6 杂醇油 3 0.0333 0.8 240 二氧化碳 968 10.757 258.2 77460 醪塔废醪量 14218 157.998 3792.0 1137600 3.5 稀释部分物料衡算 （1）、糖蜜稀释用水量（以生产1000kg酒精为基准） 稀释成25%稀释糖液用水量为： W1=14212-4180=10032（kg） 则生产8万吨酒精需要稀释用水量：10032×80000=8.0256×108（kg）=8.0256×105(t) 每小时需要稀释用水量：11.1125×10032=111480.6（kg）=1.115×105（kg） （2）、营养盐添加量 选用含氮量21%的硫酸铵作为氮源，每吨糖蜜添加1kg，则每生产1吨酒精硫酸铵消耗量为：4180×1÷1000=4.18（kg） 年产8万吨酒精，硫酸铵总消耗量为：80000×4.18=334400（kg）=334.4（t） 每日消耗量：334.4÷300=1.115（t） （3）、硫酸用量 每吨糖蜜用硫酸5kg，则每生产1吨酒精消耗硫酸的量为：4.18×5=20.9（kg） 年产8万吨酒精，硫酸总消耗量为：20.9×80000=1672200（kg）=1672.2（t） 每日用量：1672.2÷300=5.57（t） 年产8万吨酒精工厂，稀释部分各物料用量 物料 消耗量（t） 糖蜜稀释用水量 8.0256×105 营养盐添加量 334.4 硫酸用量 1672.2 三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）： 本设计的重点是糖蜜罐、稀释罐、酒母罐、发酵罐、蒸馏塔等设备的定量定型。 拟采用的途径（研究手段）：以年产8万吨酒精这个数据为基础，通过物料衡算、热量衡算，得到各步骤所需物料及热量的大概数据，再进行设备计算，进而确定各设备的型号及数量。 四、设计（研究）进度： 1、第5-7周 文献查阅和资料总结 2、第8周 撰写开题报告 3、第9、10周 设计流程 4、第11周 英文资料翻译 5、第12、13周 试验研究 6、第14、15周 撰写论文 7、第16周 答辩 五、参考文献： [1]吴思方：《发酵工厂工艺设计概论》[M]，中国轻工业出版2002，第1-31页； [2]吴思方：《生物工程工厂设计概念》[M]，中国轻工业出版2009，第1-309页； [3]姚汝华：《酒精发酵工艺学》[M]，华南理工大学出版社1999，第1-253页； 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Ethanol fermentation technologies from sugar and starch feedstocks [J].Biotechnology Advances,2008,26:89-105. 指导教师意见 签名： 月 日 教研室（学术小组）意见 教研室主任（学术小组长）（签章）： 月 日