年产2万吨酒精工艺设计.docx
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年产2万吨酒精工艺设计.docx
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年产2万吨酒精工艺设计
课程设计说明书
课程名称:
发酵工程课程设计
设计题目:
年产2万吨酒精工艺设计
学院:
年级专业:
组长:
组员:
指导老师:
开始时间:
完成时间:
任务分配
1、文献、资料检索全组
2、可行性研究策划
3、糖蜜原料的稀释处理阶段
种子车间的设计
4、糖蜜的稀释处理
转筒过滤车间设计
5、发酵车间的设计
6、酒精精馏车间的设计
7、废弃物的处理
8、种子罐的设计
9、发酵罐的设计
10、设计说明书的编制
11、各组员负责的相关物料衡算及热量衡算以及用水用电衡算
12、各组员负责的工艺车间设备平面图的绘制
设计任务书
一、设计题目:
年产2万吨燃料酒精工厂设计
二、设计依据:
生产基础数据:
产品规格:
99.18%燃料酒精;全年生产天数:
250天/年
生产方法:
以糖蜜为原料,采用单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏、生石灰脱水技术。
副产品:
次级酒精(成品酒精的2%);杂醇油(成品酒精的0.3%)
原料:
糖蜜(含可发酵性糖50﹪)
发酵率:
90﹪
蒸馏率:
98﹪
发酵周期:
48小时
发酵温度:
28~34℃
硫酸铵用量:
1kg/t糖蜜
硫酸用量:
5kg/t糖蜜
三、设计内容:
1、进行生产方法的论证,确定糖蜜稀释储存方案、发酵方案、酒精过滤提纯方案。
2、根据以上确定的原料配比和生产方案进行物料衡算和热量衡算以及供水供汽供电衡算,列出酒精生产衡算表。
3、进行设备计算:
1)确定种子罐和发酵罐的体积及径高比,然后计算其结构尺寸及发酵罐数量;2)确定后期蒸馏纯化设备的大小规格。
4、画出整个酒精发酵车间的带控制点的工艺流程图(2号图纸)
5、画出种子罐和发酵罐的结构图(2号图纸)
四、设计成果内容:
1、设计说明书一本,包括设计任务书
2、图纸8张
前言
本设计的题目是《年产2万吨燃料酒精工厂设计》。
随着社会的发展,社会对燃料能源(石油、天然气、煤矿等)的需求越来越大,而燃料能源储量越来越少,价格越来越低,人们迫切需要找到一种新的可再生能源代替现有的燃料能源。
其中,最受欢迎的是燃料酒精。
燃料酒精又称变性燃料乙醇,可分为替代燃料和燃料添加剂两种,是清洁汽油的主要代替物,已在一些国家和地区得到大量使用。
燃料酒精最明显的一些优势是:
一、来源广,可再生。
可以以谷物淀粉为原料生产燃料酒精,以植物秸秆等纤维素为原料生产燃料酒精,以甘蔗作为原料生产燃料酒精,以蜜生产燃料酒精等等。
二、无污染。
石油、天然气、煤矿等燃料能源的使用产生了很多环境问题。
例如:
酸雨等环境污染。
而燃料酒精产生的是二氧化碳和水,对环境无污染。
中国燃料酒精的发展现状:
由于燃料乙醇在中国的推广使用还处在初级阶段.产销各个环节政府行为色彩比较浓,离真正的市场化有很远的距离。
为了合理利用资源。
国家对燃料乙醇的立项投产非常谨慎。
目前,获得国家批准生产的企业有4家:
河南天冠燃料乙醇有限公司、吉林燃料乙醇股份有限责任公司、安徽丰原生物化工有限公司、黑龙江华润酒精有限公司,已形成燃料乙醇生产能力122万t。
目前中国生产的燃料乙醇总量为102万t。
大约使用粮食400万t,基本使用陈化粮。
目前中国石油供应紧张问题日趋严重:
2005年,中国原油消费量3.23亿t,居世界第二,国内生产原油1.81亿t,净进口原油1.19亿t,净进口轻柴油、航煤、燃料油等石油产品l746万t。
原油及石油产品净进口量1.46亿t。
石油对外依存度为45%。
到2020年,估计国内自产石油2.O亿t.缺口25亿t,对外依存度55%。
因此,燃料酒精在中国市场的前景比较大,潜力也比较深。
我相信在未来,中国政府还将继续适度发展燃料乙醇行业。
“十一五”期间,中国燃料乙醇的潜在市场规模将急剧扩大。
以中国四家燃料乙醇生产企业的产能来看,远远不能满足未来国内对燃料乙醇的需求,燃料乙醇装置产能扩张不可避免。
因此计划到“十一五”末,国内乙醇汽油消费量占全国汽油消费量的比例将上升到50%以上,这意味着届时中国燃料乙醇的产能和产量将会有一个质的飞跃。
不久的将来生物乙醇燃料的发展将成为我国的一个支柱产业!
第一章总论
第一节设计依据
根据武汉纺织大学环境学院生物工程系2011年年度下达的设计任务书设计。
第二节设计指导思想和原则
一、设计工作围绕着工厂现代化建设,力图能使设计的工厂具有前瞻性,开创性,能在原来基础上随着时代发展而升级。
二、对于自己来说,论文设计能考察自己到目前学到的东西,并且将其综合运用,综合分析,将知识运用到实际的工作中去,为以后的学习和工作打下一定的基础。
三、设计按照设计任务书进行,尽量符合任务书的要求,各种计划进程在任务书的可控范围内。
四、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,环保化,为员工的工作和生活做出合理的安排,使工作效率达到最佳。
五、设计尽量贴近实际,并且努力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,不盲目追求新设备,新生产线。
第三节设计范围
一、生产部门
1、生产车间
设计内容包括发酵车间,粉碎车间,蒸馏车间等,并对其有关的物料,热量,用水进行计算。
2、辅助车间
辅助车间有仓库(原料仓、成品仓,废品仓),污水处理站等。
二、设计图纸
图纸包括工厂整体布置,生产车间布置图,重点设备图,生产流程图,重点车间运作图。
当然,也包括一些辅助性的图。
第四节工艺设计基本数据和指标
1、生产规模:
20000t/a
2、生产方法:
单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏、生石灰脱水技术
3、生产天数:
每年250天
4、燃料酒精日产量:
800t
5、燃料酒精年产量:
199998t
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
第五节生产工艺概述
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[8],能有效利用热能。
4我国酒精行业主要采用小型多泡罩塔、浮阀塔、斜孔塔、筛板塔、导向筛板塔等,本设计采用浮阀塔。
5脱水干燥技术:
96%的粗酒精变成99.5%的合格酒精其技术按照脱水方式主要有:
(1)干燥材料吸水法
(2)萃取精馏法
(3)加盐萃取法
(4)多塔蒸馏法
(5)分子筛脱水法
本设计采用生石灰吸水法。
6发酵法采用连续发酵方式。
第六节生产设备概述
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
5干燥设备采用卧式网层生石灰干燥器。
第七节生产工艺流程图
图1-1生产工艺流程图
第八节生产方法的简单介绍
单浓度糖蜜酒精连续发酵[7]
单浓度酒精连续发酵时比较简单的一种发酵工艺,所以本文采取这种工艺。
工艺过程主要为:
将蜜糖从蜜糖储存罐泵进糖蜜槽,由于糖蜜中含有大量的灰分和胶体,不利于产品的浓度和酒精的发酵,特别是胶体的存在致使发酵过程产生大量的泡沫,影响发酵生产,因此要进行预处理,本文中预处理采取添加絮凝剂澄清处理。
经过预处理的糖蜜经称量后进入酸化罐,在酸化罐中添加营养盐,并且按比例入硫酸酸化,酸化后的糖蜜经过连续稀释器进行稀释,加青霉素1u/mL杀菌,进入储罐,添加酒母后就进入了连续发酵罐组发酵,成熟的醪液进入醪塔,在醪塔中的酒精蒸汽经过冷却后进入精馏塔进行精馏,成为酒精含量为96%的粗酒精并且脱醛去除杂醇油,粗酒精经过脱水干燥成为含量为99.5%酒精产品。
第二章全程物料衡算
第一节全程总物料概算
一、糖蜜消耗量
1、糖蜜原料生产酒精的总化学反应式为:
C12H22O11+H2O→2C6H12O6→4C2H5OH+4CO2↑
蔗糖葡萄糖乙醇
342360184176
2、生产1t(1000kg)无水酒精的理论蔗糖消耗量:
1000×(342÷184)﹦1858.7(㎏)
3、生产1t(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1t(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﹪,则实际蔗糖消耗量为:
1843.5÷98﹪÷90﹪﹦2090(㎏)
5、生产1t(1000kg)燃料酒精糖蜜原料消耗量:
糖蜜原料含可发酵性糖50%,故1吨酒精糖蜜消耗为:
2090÷50﹪=4180(kg)
二、发酵醪量的计算[11]:
相应酒母培养和发酵过程放出二氧化碳量为:
采用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22﹪~25﹪的稀糖液,设稀释成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,则蒸馏发酵醪的量为:
(14212-968)×(100+6﹪)=14039(kg)
其中酒精捕集器稀酒精为发酵醪量的6﹪
蒸馏发酵成熟醪的酒精浓度为:
三、成品与废醪量的计算[8、11]
采用差压蒸馏两塔流程蒸馏。
糖蜜原料杂醇油产量约为成品酒精多0.25~0.35﹪,现以0.3﹪计,则杂醇油量为1000×0.3﹪=3(kg)
设醪液进醪温度为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
1、醪塔上升蒸汽量为:
V1=14039×7.14﹪/42.43﹪=2363(kg)
2、残留液量为:
WX=14039-2363=11676(kg)
3、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)]
4、成熟醪带入塔的热量为:
Q1=F1C1t1=14039×3.98×55=3.08×106(KJ)
5、蒸馏残液内固形物浓度为:
6、蒸馏残留液的比热:
7、塔底残留液带出热量为:
8、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)
四、糖蜜原料年产量为2万吨燃料酒精的总物料衡算[10
设工厂年开工为250天。
日产产品酒精量:
20000/250﹦80(t)
每小时酒精量:
80×1000/24=3333(kg)=3.333(t)
实际年产量(次级酒精忽略不计):
3.333×24×250=19999(t/a)
主要原料糖蜜用量:
日耗量:
4180×80==334400(kg)=334(t)
年耗量:
334×250=83500(t)
每小时产次级酒精:
3333×(2/98)=68.27(kg)
实际年产次级酒精:
68.27×24×250=410(t/a)
表2-120000t/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
每小时数量
(kg)
每天数量
(t)
每年数量
(t)
燃料酒精
1000
3333
80
19999
糖蜜原料
4180
13933
334.4
83600
次级酒精
20
67
1.6
400
发酵醪
14212
47373
1137
284237
蒸馏发酵醪
14039
46796
1123.2
280777
杂醇油
3
10
0.24
60
二氧化碳
968
3227
77.4
19359
醪塔废醪量
14218
47393
1138
284357
第二节酒精生产各工段的物料衡算和热量衡算
一、稀释工段的物料衡算
1、糖蜜稀释用水量(以每生产1000kg(1t)酒精计算)
稀释成25﹪稀糖液用水量为:
W1=14212-4180=10032(kg)
则生产2万吨酒精每小时需要稀释用水量:
10032×3333/1000=33440(kg/h)
生产2万吨酒精一年需要的稀释用水量:
10032×20000=2.01×108(t/a)
2、营养盐添加量[7]
选用氮量21﹪的硫酸铵作为氮源,每吨糖蜜添加1~1.2kg,取1kg,则每生产1000kg(1t)酒精:
硫酸铵年耗量为:
4180×1=4180(kg/a)=4.18(t/a)
日耗量:
4180/250=16.72(kg/d)
每小时耗量:
16.72/24=0.697(kg/h
则生产2万吨酒精一年需要硫酸铵用量:
4.18×20000=8.36×104(t/a)
3、硫酸用量[7]
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=3.48(kg/h)
则生产2万吨酒精硫酸用量:
20.9×20000=4.18×105
表2-2稀释工段各物料用量(2万吨产量计算)
物料
用量(t/a)
糖蜜稀释用水量
2.01×108
营养盐添加量
8.36×104
硫酸用量
4.18×105
二、发酵工段的物料和热量衡算
1、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)
现为了生产20000t/a,要每小时投入糖蜜量13933kg/h,则无水酒精量为:
13933×1000/4130.4=3373(kg/h)
2、酒母热量[11]:
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=1170×3373.36=3.95×106(KJ/h)
取工段发酵酒母冷却水初
=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=46796kg/h)
5﹪F/1.06=5﹪×46796/1.06=2207.37(kg/h)
发酵洗罐用水为:
(每15天洗一次)
1﹪F/1.06=1﹪×23398.33/1.06=441.47(kg/15天)
则在发酵工段总用水量W发酵工段=2207.37+441.47+134996.6=137645.44(kg/h)
三、蒸馏工段的物料与热量衡算[11、12、13]
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
Q3=V1i
F1Qn1
Q1=F1C1t1
D1Q4=Q14+D1Ct4
Q2=D1I1Wx+D1
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=46796(kg/h)
联解2-1、2-2、2-3求得
V1=7830(kg/h),Wx=38966.2(kg/h),D1=8483(kg/h)
一般醪塔采用直接蒸汽加热,塔底醪排出量为:
G1=WX+D1=38966.2+8483=47449.2(kg/h)
表2-3年产2万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)
符号
数量
符号
数量
符号
数量
符号
数量
成熟醪
F1
46796
F1CF1tF1
1.02×107
蒸馏残液
WX
38966
WXCWtW1
1.34×107
加热蒸汽
D1
8483
D1I1
2.24×107
上升蒸汽
V1
7830
V1i1
1.60×107
加热蒸汽
D1
8483
D1tW1Ce
3.14×106
热损失
Qn1
2.24×105
累计
55279
3.26×107
累计
55279
3.26×107
2、精馏塔
(1)粗酒精液相进入精馏塔,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=3333×99.18/93.84=3523(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:
A=2﹪×3523=70.5(kg/h)
(3)P′=P–A=3523-70.5=3452.5(kg/h)
图2-2精馏塔的物料和热量衡算图
(4)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%=3452.5×2%=69(kg/h)
(5)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%×3523=10.6(kg/h)
故H=(P′+Pe)×2﹪=(3452.5+69)×2﹪=3521.5×2﹪=70.4(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=5×70.4-10.6=341.4(kg/h)
(6)物料平衡:
F2+D2+H′=P′+Pe+H+D3+W’x
则:
W’x=F2+H′-P′-Pe-H
=7830+341.4-3452.5-69-70.4
=4580(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4580kg/h
计算可得:
D2=6700(kg/h)
塔底排出的废水:
G=D2+W,x=6700+4580=11280(kg/h)
计算蒸馏工段的蒸馏效率:
表2-4年产2万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)
符号
数量
符号
数量
符号
数量
符号
数量
脱醛液
F2
7830
F2CF2tF2
2.93×106
96﹪酒精
P′
3452.5
P′CPtP
7.57×105
加热蒸汽
D2
6896
D2I2
1.83×107
次级酒精
Pe
69
—
—
稀酒精
341.4
CHtH
1.21×105
杂醇油酒精蒸汽
H
70.4
HiH
1.05×105
回流液
—
—
R(Pe+P`)Cptp
2.32×106
蒸馏废水
Wx+D2
11476
(Wx+D2)tW2Cw
6.03×106
上升蒸汽
—
—
(R+1)
(Pe+P`)i2
1.64×107
热损失
—
—
Qn2
3.7×105
累计
15067
2.40×107
累计
15067
2.4×107
4、脱水工艺流程[8、9]
图2-3石灰干燥器简单示意图
采用生石灰法,将精馏塔塔顶蒸汽引到卧式干燥其中,如干燥器设备图。
干燥器中上部由密孔筛网盛放生石灰,最下面一层又金属板承接。
干燥器壁设置挡板,增加接触面积。
由于生石灰便宜,而且在后续的污水处理中,可将使用过的生石灰按照程序设定投入污水池。
干燥器采用并联三个,再串联一个的比例布置。
第三章供用水衡算
第一节蒸馏车间用水[10]
一、醪塔冷却用水
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。
二、精馏塔分凝器冷却用水[10]
从精馏塔出来的酒汽,做为初馏塔再沸器的热源,热量衡算有:
(R2+1)(P′+Pe)i2=W精馏CW(
-tH3)则W精馏分凝
R为精馏塔回流比,取R为3
Pe为回流入醛塔的次等酒的数量,由前面数据可得Pe=69.05kg/h
P′=3452.5(kg/h)
i2为塔顶上升蒸汽热焓量,i2=116.3KJ/kg
tH3、
冷却水进出口温度,取tH3=20℃,
=85℃
Cw取4.04kj/kg
代入上式,则精馏塔冷凝器冷却用水为:
W精馏分凝=6.24×104kg/h
三、成品酒精冷却用水
成品酒精冷却使用20℃的深井水,根据热量衡算,耗水量为:
式中:
P‘为3452(kg/h)
CP为成品酒精比热容为2.90KJ/(kg·K)
、
为成品酒精冷
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