年产5万吨酒精工厂设计本科毕业设计论文.docx

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年产5万吨酒精工厂设计本科毕业设计论文

年产50，000吨酒精工厂设计

本设计为年产5万吨酒精工厂的设计，采用糖蜜原料发酵。

工艺上的设计为：

单浓度糖蜜究竟连续发酵（工艺简单容易操作）、差压式蒸馏工艺（保证产品质量及提高热能利用率）、生石灰吸水法，通过物料衡算、设备选型计算、水电汽耗的计算等合理优化设计生产工艺过程。

一产品介绍：

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，结构式

HH

　||

为H－C－C－O－H分析纯级的无水乙醇是无色透明，易挥发，具有特殊芳香

||

HH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）。

二设计意义：

随着经济的发展，究竟这种重要的工业原料被广泛用于化工、塑料、橡胶、农药、化妆品及军工等工业部门。

且石油资源趋于缺乏、全球环境污染的日益加剧，各国纷纷开始开发新型能源。

燃料乙醇是目前为止最理想的石油替代能源，它的生产方法以发酵为主。

菌种的优劣对发酵效果的影响非常大，能够筛选出具有优良性状的菌株及对菌株进行改良，对于降低生产成本，乃至实现酒精的大规模工业化生产，解决能源危机都有着重大意义。

在我国石油年消费以13%的速度增长，2004年进口原油量超过1亿吨，是世界第二大的石油进口国。

我国燃料乙醇起步虽然较晚，但发展迅速，以成为继巴西美国之后世界第三大燃料乙醇生产国。

2001年4月，原国家计委发布了中国实施车用汽油添加燃料乙醇的相关办法，同时国家质量技术监督局颁布了“变性燃料乙醇”和“车用燃料乙醇汽油”2个国家标准。

作为试点，国家耗资50余亿元建立4个以消化“陈化粮”为主要目标的燃料乙醇生产企业。

2006年，我国燃料乙醇生产能力达到102万t，已实现年混配1020万t燃料乙醇汽油的能力。

2002年车用汽油消耗量占汽油产量的87.9%，如果按10%比例添加生产燃料酒精换算，需要燃料酒精381万吨，而全年酒精总产量仅为20.7万吨，如果在不久将来，能用燃料酒精替代500万吨等量的汽油，就可以为我国节省外汇15亿美元。

在目前中国人均石油开采储量仅为2.6吨的低水平条件下，开发新能源成为社会发展，推动经济增长的动力，燃料酒精作为国家战略部署的新型能源之一，在我国具有广阔的市场前景。

三设计原则

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。

四工艺指标和基础数据

1、生产规模:

50000t/a

2、生产方法:

单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏、吸附脱水技术

3、生产天数:

每年250天

4、酒精日产量:

200t

5、酒精年产量:

49998t

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

16、酒精质量标准根据国家标准生产

五工艺流程

1、原料的预处理包括添加絮凝剂、静止澄清、加酸等过程；

2、糖蜜稀释采用连续稀释；

3、酵母菌发酵

4、分离纯化本

5、生产工艺流程图（见图2-1）

六物料衡算

1原料消耗量计算（基准：

1吨无水乙醇）

糖蜜原料生产酒精的总化学反应式为：

C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2↑

342360184176

X1000

生产1000Kg无水酒精的理论蔗糖消耗量：

1000×（342÷184）﹦1858.7（㎏）

生产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（㎏）

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（㎏）

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）

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）

2发酵醪量的计算：

酒母培养和发酵过程放出二氧化碳量为：

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，且酒精捕集器稀酒精为发酵醪量的6﹪，则蒸馏发酵醪的量为：

（14212-968）×（1.00+6﹪）=14039（kg）

蒸馏发酵成熟醪的酒精浓度为：

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﹪=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）]

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：

蒸馏残留液的比热：

塔底残留液带出热量为：

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）

4年产量为5万吨燃料酒精的总物料衡算

工厂年开工为250天。

日产产品酒精量：

50000／250﹦200（t）

每小时酒精量：

200×1000÷24=8333（Kg）=8.333（t）

实际年产量（次级酒精忽略不计）：

8.333×24×250=49998（t/a）

主要原料糖蜜用量：

日耗量：

4180×200==836000（kg）=836（t）

年耗量：

836×250=2.09×105（t）

每小时产次级酒精：

8333×（2÷98）=170.06（kg）

实际年产次级酒精：

170.06×24×250=1020360（Kg）=1020.36（t/a）

表200000t/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

（Kg）

每天

（t）

每年

（t）

燃料酒精

1000

8333

200

49998

糖蜜原料

4180

34833

3344

209000

次级酒精

20

167

4

1000

发酵醪

14212

118432

2842.4

710600

蒸馏发酵醪

14039

116991

2807.8

701943

杂醇油

3

25

0.6

150

二氧化碳

968

8067

193.6

484000

醪塔废醪量

14218

118482.2

2843.6

710893

5稀释工段的物料衡算物料衡算

糖蜜稀释用水量（以每生产1000kg酒精计算）

稀释成25﹪稀糖液用水量为：

W1=14212-4180=10032（kg）

则生产5万吨酒精每小时需要稀释用水量：

10032×8333÷1000=83597（kg/h）

生产5万吨酒精一年需要的稀释用水量：

10032×50000=5.02×108（t/a）

营养盐添加量

选用氮量21﹪的硫酸铵作为氮源，每吨糖蜜添加1Kg，则每生产1000kg酒精：

硫酸铵年耗量为：

4180×1=4180（kg/a）=41.8（t/a）

日耗量：

4180÷250=16.72（kg/d）

每小时耗量：

16.72÷24=0.7（kg/h）

则生产20万吨酒精一年需要硫酸铵用量：

4.18×50000=2.09×105（t/a）

3、硫酸用量]

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=3.5（kg/h）

则生产20万吨酒精硫酸用量：

20.9×50000=1.05×108

表3-2稀释工段各物料用量（5万吨产量计算）

物料

用量（t/a）

糖蜜稀释用水量

5.02×108

营养盐添加量

2.09×105

硫酸用量

1.05×108

七热量衡算

1发酵工段

现生产50000t/a，要每小时投入糖蜜量34833kg/h，则无水酒精量为：

43833×1000÷4130.4=8433.4（kg/h）

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=1170×33733.6=9.87×106（KJ/h）

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=116991kg/h）

5﹪F÷1.06=5﹪×116991÷1.06=5518.4（kg/h）

发酵洗罐用水为：

（每15天洗一次）

1﹪F÷1.06=1﹪×233983.3÷1.06=4414.7（kg/15天）

则在发酵工段总用水量W发酵工段=5518.4+4414.7+337321=347254.1（kg/h）

2蒸馏工段

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

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=116991（kg/h）

联解2-1、2-2、2-3求得

V1=19575（kg/h），Wx=97416（kg/h），D1=21296（kg/h）

一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为：

G1=WX+D1=97416+21296=118712（kg/h）

表3-3年产5万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）

成熟醪

F1

116991

F1CF1tF1

2.55×107

蒸馏残液

WX

97416

WXCWtW1

3.35×107

加热蒸汽

D1

21296

D1I1

5.53×107

上升蒸汽

V1

19575

V1i1

4×107

加热蒸汽

D1

21296

D1tW1Ce

7.57×106

热损失

Qn1

5.53×105

累计

138287

8.08×107

累计

138278

8.16×107

年产20万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）

脱醛液

F2

19575

F2CF2tF2

7.33×106

96﹪酒精

P′

8632

P′CPtP

1.89×106

加热蒸汽

D2

17241

D2I2

4.58×107

次级酒精

Pe

173

—

—

稀酒精

854

CHtH

3.01×105

杂醇油酒精蒸汽

H

176

HiH

2.63×105

回流液

—

—

R（Pe+P`）Cptp

5.80×106

蒸馏废水

Wx+D2

28689

（Wx+D2）tW2Cw

1.51×107

上升蒸汽

—

—

（R+1）

（Pe+P`）i2

4.10×107

热损失

—

—

Qn2

9.25×105

累计

37670

5.92×107

累计

37670

5.92×107

八供水衡算

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。

1精馏塔分凝器冷却用水

精馏塔分凝器热量衡算有：

（R2+1）（P′+Pe）i2=W精馏CW（

-tH3）

W精馏分凝

精馏塔回流比R为3

塔顶上升蒸汽热焓i2=1163.2KJ/kg

冷却水进出口温度tH3、

，取tH3=20℃，

=85℃

Cw取4.04kj/kg

则精馏塔冷凝器冷却用水为：

W精馏分凝=1.56×105kg/h

2成品酒精冷却和杂醇油分离器稀释用水

成品酒精冷却使用20℃的河水，根据热量衡算，耗水量为：

CP为成品酒精比热容为2.90KJ/（kg·K）

、

为成品酒精冷却前后的温度，分别为78.3℃、30℃

、

为冷却水进出口温度，分别为20℃、40℃

Cw=4.04KJ/（kg·K）

则成品酒精冷却水用量为：

W成品=6.05×104kg/h

在杂醇油分离器内加入4倍的水稀释，则稀释用水量为：

W杂醇油分离=4H=4×176=704kg/h

3总用水量

蒸馏车间总用水量为：

W蒸馏工段=W精馏分凝+W成品+W杂醇油分离=1.56×105+6.05×104+704=2.18×105（kg/h）

表3-1各工段用水量及总用水量

工段

稀释工段

发酵工段

蒸馏工段

用水量（kg/h）

83597

347254.1

2.18×105

总计（kg/h）

6.49×105

九供气衡算

由前面计算所得数据可知蒸馏工段蒸汽消耗：

D＝D1+D2

＝21296+17241＝38537（kg/h）

年耗蒸汽量为：

38537×24×250=231222000（kg）=231222（t）

酒精厂平均蒸汽用量：

酒精厂每小时平均蒸汽消耗量主要供给蒸馏工段，因此其消耗量由蒸馏量和损失组成，蒸汽总损失取蒸馏工段蒸汽消耗量的4%，则锅炉需要蒸发量为：

38537×（100﹪+4%）=40079kg/h=40.079t/h

使用热值为4000大卡的煤，假设锅炉效率为80%，则每吨煤能供生产使用50t新鲜蒸汽，则连续蒸馏煤消耗量为：

40079÷50000÷80﹪=1002（kg/h）

本设计选用的锅炉为工业中压（1.47—5.88Mp）中型（20—75t）的煤粉锅炉型号为YG80/3.82—M7蒸发量为80t/h，额定温度为450℃

十供电衡算

根据我国糖蜜酒精连续发酵工艺技术指标[9]，设生产每吨酒精耗电40度，可估算酒精厂的用电：

40×50000=2×105（度/年）=8000（度/日）

考虑到此值为估算值，所以乘以一个富裕系数为120﹪：

8000×120﹪=9600（度/日）=2.4×106（度/年）

十一发酵设备设计

采用连续发酵方式，根据物料衡算结果可知，每小时进入发酵罐的醪液体积流量为：

118433kg/h，密度为1200kg/m3[14]。

进入种子罐和1号发酵罐的醪液体积流0量为W：

118433/1200=99m3/h

1发酵罐容积和个数的确定

（1）种子罐个数的确定：

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

每个罐的容积为500m3，则种子罐个数为：

1500/500=3（个）

（2）发酵罐体积。

根据发酵罐现在的设备情况，从100m3到500m3，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

发酵罐的表面积

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的公式，所以可取近似等于锥形封头的表面积：

F2=F3=

发酵罐的总表面积：

F=F1+F2+F3=178+23+23=224m2

（3）计算发酵罐数量：

上面已经写到，我设计的发酵罐规格为300m3的规格，设总发酵时间为48小时,设发酵罐数为N个，则发酵罐的有效容积[3]

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个

2糖蜜储罐个数的计算

糖蜜储罐采用1000m3规格：

15天的糖蜜量为：

V=836×15=12540（t）

查得85Bx的糖蜜密度为1450kg/m3

则V＝12540×1000/1450＝8648（m3）

设其装料系数为80﹪，则贮罐的全容积为：

V糖蜜＝8648/0.8＝10810（m3）

10810/1000=10.81（个），取11个

3冷却面积和冷却装置主要结构尺寸

（一）、总的发酵热：

Q=Q1-（Q2+Q3）

Q1=GSq

式中G—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度所放出的热量

Q2——代谢气体带走的蒸发热量，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，具体计算看后面。

Q1=（116991/15）×12×418.6×1﹪=3.92×105（KJ/h）

Q2=5﹪Q1=5﹪×3.923×105=1.96×104（KJ/h）

发酵罐表面积的热散失计算：

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：

=6.30×104（kJ/h）

需冷却管带走的单个发酵罐冷却热负荷为：

Q=Q1-Q2-Q3=3.92×105-1.94×104-6.30×104=3.096×105（kJ/h）

总发酵热为：

Q发酵=3.096×105×15=4.65×106（kJ/h）

（二）、冷却水耗量的计算

（三）、传热总系数K值的确定

选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为Ф114×4，则管的横截面积为：

0.785×（0.114-0.004×2）=0.08321（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：

设蛇管圈的直径为0.66m，并由水温差得A=6.45

R—为蛇管圈半径，R=0.33m

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—钢管的导热系数[kJ/（m2·h·℃）]

0.004—管子壁厚（m）

（四）、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—蛇管圈的半径，为0.33m

h—蛇管每相邻圈的中心距，取0.20m

蛇管的总圈数为：

NP=L/L1=1332/20.7=65（圈）

蛇管总高度：

（五）、发酵罐壁厚

1、发酵罐壁厚S

式中P—设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取0.5MPa

D—发酵罐内径，D=533cm

—A3钢的许用应力，

=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

（六）、进出口管径[10、12]

1、稀糖液进口管径：

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：

=

，管径

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蒸馏设备

蒸馏设备采用差压蒸馏两塔系机组，可以充分利用过剩的温差，也就是减少了有效热能的损失。

参照“上海酒精总厂差压蒸馏两塔系机组方案”，设计蒸馏机组如下：

（1）醪塔：

仿法国方形浮阀塔板，塔径3000mm，