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王奇3906
化工工厂设计实习报告
院系:
食品科学与工程学院
班级:
轻化工程081
姓名:
王奇
学号:
20083906
指导老师:
周雯雯
2011年11月30日
目录
一、前言…………………………………………3
二、厂址选择要求………………………………4
三、工厂总平面设计图…………………………5
四、工艺流程图…………………………………7
五、参观所有设备的功能………………………7
六、意见或建议…………………………………9
年产5万吨的乙醇化工工厂设计
1、前言
1.1酒精的用途及其在国民经济中的地位
石油作为主要能源在全世界起着重要的作用,甚至主宰着一个国家的经济命脉。
但石油是不可再生资源,随着人类不停地开采和消耗,已濒于枯竭。
并且大量汽油燃烧会造成极大的环境污染。
而酒精代替汽油具有许多优点,可减少环境污染,属于绿色能源。
生产酒精的原料有淀粉、纤维素、可发酵性糖类等。
原料取之不尽,用之不竭。
酒精有很广的用途,在酿酒行业、橡胶工业、油漆涂料工业、电子工业、照相胶片及纸浆生产行业、医药行业、化妆品行业等,都发挥着重要的作用。
在食品工业中,酒精是配制各类白酒、果酒、葡萄酒、露酒、药酒和生产食用醋酸及食用香精的主要原料;在化学工业中,酒精不可缺少的基础原料和溶剂,利用酒精可以制造合成橡胶、聚氯乙烯、聚苯乙烯、乙二醇、冰醋酸、苯胺、乙醚、脂类、环氧乙烷和乙基苯等大量化工产品,它是生产油漆和化妆品不可缺少的溶剂;在医药工业和医疗事业中,酒精用来配制、提取医药制剂和作为消毒剂;在国防工业等其他工业部门也需要大量的酒精。
全世界都把酒精作为一种绿色的可再生资源加以研究和利用。
目前,国外燃料酒精生产及消费量最大的国家是美国,其次是巴西、俄罗斯、加拿大等。
美国已有50多套燃料酒精生产装置,其中年产量最高的为70万吨。
巴西制定并实施了酒精代替石油的“国家十年计划”
处于领先地位。
我国年生产酒精350万吨,仅次于美国、俄罗斯和巴西,居世界第4位。
国内,燃料乙醇的研究开发已引起科技界的广泛关注,政府已将可再生能源的研究开发列为国家发展计划。
目前已在黑龙江、山东、河南、吉林、安徽建成大型燃料酒精厂。
特别是年产50万吨酒精的山东九九公司采用无蒸煮无糖化一步发酵法生产燃料酒精的新工业,开创了酒精工业的先河,为我国酒精发酵工业开创了新的一页。
酒精工业与农业也有十分密切的联系。
酒精工业从农业获得原料,农业需要酒精来制备农药。
酒精工业的下脚料——酒糟经过适当的处理后是良好的饲料或肥料。
而且,酒精工业是唯一能利用败坏粮食原料,并将它转化成优质产品的工业部门。
酒精生产是农业原料深度加工和综合利用的一条重要途径。
1.2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。
分析纯级的无水乙醇是无色透明,易挥发,具有特殊芳香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)。
1.3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。
2、厂址选择要求
2.1厂址选择原则
1、厂址选择必须遵守国家法律、法规,贯彻执行国家方针、政策,坚持基本建设程序,符合国家长远规划及行政布局、国土开发整治规划、城镇发展规划。
2、从全局出发,正确处理工业与农业、城市与乡村、远期与近期以及协作配套等各种关系,并因地制宜、节约用地、不占或少占耕地及林地。
3、注意资源合理开发和综合利用;节约能源,节约劳动力;注意环境保护和生态平衡;保护风景和名胜古迹。
4、还要做到有利于生产、方便生活、便于施工,并提供有多个可供选择的方案进行比较和评价。
2.2厂址选择方法
1、方案比较法:
投资费用和经营费用对比。
2、评分优选法:
列出厂址选择中的判断因素,并分别给与比重因子和评价值。
3、最小运输费用法。
2.3厂址选择要求
1、工程地址要求。
酒精厂是属于化学工业的范围内,其生产过程的特点是管道多,车间往车间之间的半成品运输是借助于各种管道进行的,成品也是由管道输送的。
由于这一生产特点,要求在总平面布置中将有关车间组合起来成为一个主厂房。
主厂房包括蒸煮、糖化、酸酵和蒸馏等车间,因这些车间层高不一,有的车间如蒸馏车间高达25m,因此厂房耍求选在一个比较稳定和均衡的地基上。
2、供水要求。
一个年产50000吨的酒精厂,每昼夜要用水37000吨,约相当于一个10万人口城市一昼夜居民的生活用水量,井且对水质,水温都有严格的耍求。
由于此一特点,耍求厂址靠近水源地带,同时要保证有足够的水量和合格的水质。
3、铁路专用线接轨问题。
酒精厂另一特点是用料多,生产一吨酒精用马铃薯3吨左右;生产过程中主要动力为蒸汽,因此用煤全也特别大,生产成品也只能由特制的油槽车进行运输,所以必须铺设铁路专用线,因此在选厂时应考虑到何处接轨最为方便,最为经济。
3、工厂总平面设计图
3.1总平面设计的原则及要求
3.1.1依据
审批的设计任务书、场地选择报告、场地总平面布置方案草图及生产工艺流程简图。
3.1.2基本原则
严格遵照上述文件的要求,进行平面布置设计,既要结合厂地的自然条件,因地制宜,又要注意技术经济性、节约用地、节省投资和留有发展余地。
3.1.3要求
1、必须符合生产流程的要求:
生产线应顺直、短捷、避免作业线的交叉和返回。
建构筑物厂房布置既要分区划片,还要综合厂地地形,合理选择标高,顺应等高线布置。
2、应将占地面积较大的生产主厂房布置在厂区中心带
3、充分考虑主风向的影响,合理布置建构筑物厂房及厂区位置,主风向可从气象部门编制的各地风玫瑰图查得。
4、应将人流物流通道分开,避免交叉,工厂大门应设两个以上。
5、应遵从城市规划的要求。
6、必须符合国家有关规范和规定:
如《工业企业设计卫生标准》、《建筑防火规范》、《厂矿道路设计规范》、《工厂企业采暖和空气调节设计规范》、《工业锅炉房设计规范》、《“三废”排放试行标准规定》、《工业与民用通用设备电力装备设计规范》等,及厂址所在地区的发展规划。
3.1.4全厂总平面设计
厂区总平面的布置采用联合式布置形式。
生产车间集中建在厂区西侧,属下风向,这样有利于物料的运输,节省管子材料。
锅炉房配电站在厂区中央,有利于向各个部门输配电及供热,但热电厂和锅炉间则建在厂区最北侧。
职工宿舍远离车间,在上风向。
厂区周围设有花草,美化环境。
3.2工厂总平面设计图
3.2.1厂区鸟瞰图
3.2.2总平面布置图
3.3车间管道布置
3.3.1车间布置
1、满足工艺流程的要求,尽可能使物料线路短捷、顺畅。
2、合理确定消防通道宽度,在满足卫生、消防等的要求下,尽量紧凑布置,减少占地。
3、合理组织人流和物资,减少交叉运输,保证安全。
3.3.2管道布置
1、对于乙醇这种易燃物品,管道布置应注意防火防暴,管路不应铺设在生活间和走廊处,应配置防火防爆安全装置。
2、管路尽量架空敷设,平行成列走直线;并列管线上的阀门应尽量错开排列;从主管上引出支管时,气体管从上方引出,液体管从下方引出。
3、管路布置应有利于生产安全
3.3.3管道布置图
图4管道布置图
4、工艺流程图
玉米粉储箱→电子皮带秤→螺旋输送器→调浆罐→喷射液化→层流罐→汽液分离器→液化罐→真空冷却器→糖化罐→螺旋板换热器→发酵罐→粗馏塔→排醛塔→精馏塔→甲醇塔→杂醇油塔
5、参观所有设备的功能
5.1调浆工段
具体工艺要求:
采用加水比:
1:
2.4,共设两个调浆罐,采用溢流式连续拌料,调浆水的温度为70℃,原料温度为25℃,调浆后浆液温度63.6℃,,同时加入1/3总量的液化酶并加入碱调PH为6-7,之后醪液进入2号调浆罐,调浆时间为30min。
5.2预煮醪的喷射液化
具体工艺要求;采用0.8MP的蒸汽进行喷射,喷射温度为105℃,维持时间15s,然后进入缓冲罐,稳定后进入液化罐。
液化罐共两个,采用溢流式连接,其中1号罐中加入2/3的液化酶,温度维持在95℃;2号罐温度为90℃总液化时间为60min。
5.3液化醪的糖化
具体工艺要求:
液化后的醪液经离心泵输送到真空冷却器内,使醪液冷却到65℃左右去糖化.共设两个糖化罐,采用溢流式连接,在1号罐中加入糖化酶,加量为150U/g原料,同时加入硫酸调PH值为4.2-4.4,糖化时间为30min,当糖化率达47%-48%时,即用碘试呈红色或粉红色即可送去发酵,其中去发酵的糖化醪占97%,3%的糖化醪去酒母活化罐。
5.4酒母发酵工段
本设计采用活性干酵母复水活化,利用稀糖化醪进行增殖。
5.5发酵工艺
1、具体工艺要求
本设计发酵工段为顺流式连续发酵,取前2个罐作为流加首罐。
同时流加入糖化醪和酒母,采用溢流的方式进入第3个罐,依次往后相同。
塔顶产生的CO2气体进入CO2洗涤塔洗去CO2带走得酒精。
发酵罐中可加入青霉素,它对酵母生长没有任何作用,但可抑制杂菌生长,防止产酸过高。
发酵车间设置酒精捕集器,以回收带走的酒精。
并同时设有螺旋板换热器,控制醪温。
发酵时间为50-55小时,温度为30℃,PH值控制在4.2-4.5,当酒精分达12%(V)时送去蒸馏。
2、连续发酵的优点
连续发酵与间歇发酵相比具有以下一系列优点:
(1)提高了设备利用率
(2)提高了淀粉利用率
(3)省去了酒母工段
(4)便于实现自动控制
5.6蒸馏工段
本设计采用五塔差压式蒸馏。
所谓差压蒸馏是多次重复利用蒸汽的热量,所以也称为多效蒸馏。
各个塔在不同的压力下操作,前一塔的压力高于后一塔的压力,前一效塔顶蒸汽的冷凝温度略高于后一效塔底液体的沸腾温度。
第一效蒸馏用直接蒸汽加热,其塔顶蒸汽作为第二效塔釜再沸器的加热介质,它本身在再沸器中冷凝.依次逐效进行。
直到最后一效塔顶蒸汽用外来冷却水冷凝。
多效蒸馏充分利用固定冷热源之间过剩的温差。
尽管总能量逐塔降低,充分利用了各级品位的能量,从而节省了有效能损失,提高了系统的热力学效率。
本次设计五塔全部采用浮阀塔。
由于浮阀可根据气体的流量自动调节开度,在低气量时阀片处于低位,开度较小,气体仍以足够的气速通过环隙,避免多漏液。
在气量高时,阀片自动浮起,开度增大,使气速不致过高,从而降低了高气速时的压降。
浮阀板气相分布均匀,阻力降小于泡罩板。
在较宽的范围内仍能保持相对较高的分离效率。
因此浮阀兼有泡罩和筛孔板的某些优点。
具体工艺操作如下:
1、粗馏塔在0.06Mpa绝压的条件下进行操作,发酵成熟醪经塔顶预热器预热后进入粗馏塔,发酵成熟醪在粗馏塔中经初步蒸馏。
粗馏塔塔顶酒精蒸汽经冷凝器冷凝进入排醛塔。
粗馏塔利用精馏塔塔顶蒸汽经再沸器进行加热。
2、排醛塔在0.2MPa绝压的条件下进行操作。
来自粗馏塔的淡酒精液体进入排醛塔中部,排除大部分头级杂质。
精馏塔顶部少量成品酒精、残留的头级杂质以及杂醇油塔回来的低质酒重新回入排醛塔再次回收头级杂质。
酒精沿塔板下流愈来愈彻底的头级杂质,最终以高纯度酒精的形式从甲醛塔取出。
脱醛液从排醛塔塔底部排出。
为了不使酒精成品变稀,排醛塔用加热器间接加热。
3、精馏塔在0.2MPa绝压的条件下进行操作。
从排醛塔来的脱醛液进入精馏塔中、下部进行蒸馏,高纯度酒精从精馏塔顶部以下数块塔板取出进入甲醇塔,从精馏塔相应部位取出的杂醇油进入杂醇油塔。
为了不使酒精成品变稀,精馏塔用加热器间接加热。
4、甲醇塔在0.06MPa绝压的条件下进行操作。
从精馏塔来的高纯度酒精在甲醇塔中进一步分离提纯排除头级杂质。
尾级杂质以工业酒精的形式从塔顶排出。
从甲醇塔相应位置排出合格成品酒精。
甲醇塔利用排醛塔塔顶蒸汽经再沸器进行加热。
5、杂醇油塔在常压下进行操作。
该塔进行杂醇油的浓缩,浓缩后的杂醇油从相应的部位取出,进入杂醇油分离器并进一步处理得到杂醇油产品。
6、意见或建议
6.1目前酒精生产存在的主要问题
随着国民经济的进一步发展,整个社会对酒精的需要量会有所增加,但是,酒精最大的需要量是作为汽油的代用品,即作燃料。
1、发酵酒精的成本过高。
国际市场上酒精的价格要比石油贵一倍,如果成本不降到与石油相近,则难与石油相竞争。
2、成产过程中能耗过大。
尤其蒸煮和酒精回收过程中能耗特别高。
以玉米原料为例,生产1L酒精能耗约14235~18840KJ,而每1L酒精的燃烧值约为23446KJ,能量平衡值较低。
如果不大幅度降低能耗,则将在很大程度上失去作为能源的价值。
3、生产酒精的原料受到土地和水资源的限制。
对于土地较少的国家来说更是如此。
拿我国的情况来说,根据80年代中期有关部门统计,我国到2000年汽车燃料将需要4800~6000万吨,以掺入10%计,则2000年将需要燃料酒精480~600万吨。
按每亩产薯干800kg计,将需要新增耕地总数的1%左右,这几乎是一个无法承受的压力。
酒精与民争粮、争地的情况不解决,要大发展是几乎不可能的。
4、酒糟处理问题。
酒糟处理问题是当前酒精生产面临的又一严重问题,每生产1吨酒精需要生产12~15吨左右的酒糟。
一般酒糟的BOD值在25000~35000mg/L之间。
这样高浓度的有机度液,如果不经过处理就排入自然界,那将成为严重的污染。
一个年产8万吨酒精的工厂所产生的污染负荷和一个140万人口的城市产生的生活污水负荷相当。
酒精废糟由于量大,加上处理技术没有过关,目前已经成为了轻工业各行业中第二大污染源。
为此,酒精处理问题已成为酒精工业能否存在和发展的头等大事。
5、酒精发酵的强度问题。
发酵强度愈大,同时发酵罐容积生产地酒精就多。
常规的糖蜜间歇酒精发酵,其强度只有2g/(L·h)。
一旦酒精有可能成为燃料,则其产量增加几倍、几十倍,建新厂投资就很大,运转过程中的经费也大。
如果能将发酵强度提高几倍几十倍,发酵投资将大为减少,最终对成本的降低有利。
因此,酒精发酵强度的提高问题,是当今世界上科学家研究的一个热门课题。
6.2相应的对策
当今我国酒精行业面临的最大课题是原料、成本和污染等三个问题,针对述存在的问题,我国和世界各国的学者、工程技术人员都在研究对策,研究和发展解决上述问题的新菌种、新工艺、新设备和新技术
1、解决发酵酒精原料的根出路,在于利用纤维原料(包括纤维素和半纤维素在内的)来代替粮食原料。
这一工艺在美国已基本解决,但是成本还较高,生物技术的进一步发展将最终解决这个问题,我们在这方面也应跟上,以免到时被动。
将粮食原料酒精生产与酒精糟处理结合起来,使得酒精生产与饲料生产合,实现饲料粮先酿酒精,酒糟作饲料的战略目标是部分解决酒精生产原料的有效途径。
据计算,全国的饲料粮如果都先酿酒精,则可得到600万吨酒精和近600万吨干蛋白质饲料。
而后者的总饲料报酬要比全部饲料粮直接作饲料高。
2、在节能方面,主要的努力应放在无蒸煮工艺和酒精节能回收技术的研究上,将节能消耗降低50%或更多是完全可能的。
另外,原料粉碎耗电也很大,如何降低粉碎电耗也是应引起重视的问题。
3、高发酵强度酒精发酵新工艺也将会有突破性的进展,现在实验室结果,发酵强度已超过100g/(L·h),也就是说比间歇发酵提高了50倍以上。
为此,在工业生产争取达到50g/(L·h)是完全有可能的。
4、在菌种选育方面,常规的诱变育种技术加上遗传工程技术,将有可能获得能直接发酵生淀粉、纤维素、半纤维素的菌株;纤维素酶高产菌株,耐高温酵母和其他优良的酒精发酵微生物、抗杂酒精发酵菌也将有得到的可能。
任何上述一个菌株的获得都将从根本上改变目前酒精生产地面貌。
6.3国内外酒精生产技术发展趋势
目前国内外酒精加工生产技术发展呈现四大趋势。
1、采用先进的发酵工艺系有瑞典阿拉法公司发明,即将发酵醪液经过滤去除纤维渣,再经分离机分离酵母和醪液,酵母回到发酵罐,醪液进入蒸馏工序,可减少酵母培养,缩短发酵周期,提高产量,减少废液排放。
目前澳大利亚、印度等国已采用这种先进的发酵工艺;我国酒精加工企业多采用固定化酵母提高发酵效率。
2、推广节能技术我国推广的糖化节能技术主要是低温蒸煮和糖化,操作温度从140℃下降到80℃,热能消耗下降40%;蒸馏节能技术主要是气相过塔、压差蒸馏等,可节约蒸汽30%以上。
3、应用分子筛脱水和膜蒸发技术传统的精馏方法只能获得大约96%的酒精,以往的解决方法是恒沸技术,现在美国则采用分子筛脱水和膜蒸发技术。
其优点是无夹带物,无化学物、可用简单的计算机操作、操作费用低廉。
4、应用领域不断扩展酒精作为一种可再生能源,作为一种清洁的无硫燃料,除用作汽车燃料外,目前已开始与柴油混合进入消费市场,燃料乙醇电池现也开始研制。
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