木薯酒精发酵工艺

海南大学《生物工艺学课程设计》说明书题目：年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计学院：材料与化工学院专业：生物工程班级：2008级生物工程2班学号：20080404B067姓名：徐仁强指导教师：刘平怀老师时间:2011年6月目录摘要………………………………………………………………………………（3）1绪论…………………………………………………………………………（4）1.1设计的目的和意义………………………………………………………（4）1.2设计指导思想和原则…………………………………………………………（5）1.3设计依据…………………………………………………………………（5）1.3.1设计课题…………………………………………………………（5）1.3.2设计条件…………………………………………………………（5）2生产工艺流程选择和论证……………………………………………………（6）2.1酒精生产工艺流程………………………………………………………（6）2.2发酵成熟醪粗馏与精馏工艺流程………………………………………（6）2.2.1发酵成熟醪粗馏与精馏工艺流程的选择…………………………（6）2.2.2发酵成熟醪粗馏与精馏工艺流程的论证…………………………（6）2.2.3发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺优化最新研究进展…………………（7）2.3乙醇脱水工艺流程…………………………………………………………（7）2.3.1乙醇脱水工艺流程的选择………………………………………………（8）2.3.2乙醇脱水工艺流程的论证………………………………………………（8）2.3.3乙醇脱水工艺最新研究进展……………………………………………（8）3生产工艺操作参数设计………………………………………………………（9）3.1设计任务……………………………………………………………………（9）3.2设计工艺方案的计算………………………………………………………（10）3.2.1粗馏塔的物料衡算与热量衡算…………………………………………（11）3.2.2精馏塔的物料衡算与热量衡算………………………………………（12）4无水燃料酒精生产设备设计与选型………………………………………（15）4.1主要生产设备——粗馏与精馏塔的设计与选择………………………（15）4.1.1塔型，塔板选定的原则及选择……………………………………（16）4.1.2粗馏塔设备部分参数的确定………………………………………（17）4.1.3精馏塔设备部分参数的确定……………………………………（19）4.2乙醇蒸馏辅助设备………………………………………………………（19）4.2.1蒸馏辅助设备………………………………………………………（20）4.2.2辅助设备的参数计算…………………………………………………（35）5蒸馏废醪后处理工艺…………………………………………………………（36）6设计结果评论………………………………………………………………（37）7总结感想……………………………………………………………………（38）8附图…………………………………………………………………………（38）9参考文献……………………………………………………………………（39）4摘要70年代开始，能源危机成为了各个国家急需解决的问题。由于石油的不可再生性和一些政治因素的影响，许多国家纷纷开始研究石油替代能源，利用廉价的糖源生产燃料酒精是解决世界能源危机的最有效途径。生物物燃料乙醇作为可再生资源的重要组成部分在能源替代，改善环境，促进农业产业化，实现经济可持续发展具有重要意义。本课程设计题为年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计。本设计是以木薯发酵成熟醪为原料，经粗馏、精馏，脱水等处理，从而得到成品的燃料乙醇。基于工厂设计中节能和减少投资成本等因素，以两塔气相过塔蒸馏的为主要精馏设备，采用合理的工艺流程，选择实用的设备，既达到了工业上对燃料酒精的要求，又降低了很多不必要的设备投资和操作的复杂性。关键词：燃料酒精木薯两塔气相过塔蒸馏粗馏精馏51.绪论1.1设计的目的及意义在学习掌握所学的生物工艺学、生物工程设备、化工原理等课程的基本理论和基础知识的基础上，通过本次课程设计，培养我们综合运用这些知识分析和解决实际问题的能力以及协作攻关的能力，训练我们使用文献资料和进行技术设计、运算的能力，提高文字和语言表达能力，为其它专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。随着国际燃油价格的不断攀升，能源的短缺及燃料酒精的推广使用，燃料酒精行业获得了大好的发展时机。从资源、技术和经济性分析，我国发展生物质能源产业时机基本成熟，需要加快发展步伐。且生物质能源能有效降低污染，与普通汽油相比，使用车用乙醇汽油后，一氧化碳的排放可降低7%，碳氢化合物可降低48%。因此，开发和使用生物质能源符合保护环境，实现循环经济和可持续发展的要求。目前，发展生物质能源替代石油，已确定为我国的一项重要战略决策。为避免燃料乙醇与人“争粮”问题的进一步发展，我国科技工作者努力寻求各种非粮材料以替代玉米、小麦等。所以第二代生产燃料乙醇的基础原料是非粮材料，包括薯类物质、稻草和其他植物纤维材料等。发展燃料乙醇的重点在于推进“非粮”原料的应用，以推进第二代生物燃料乙醇的产业化发展。我国木薯资源总量巨大，而现在其利用率极低，相当数量的都烂在地窖里。木薯是多年生植物，盛产于我国南方，主要是碳水化合物，其他成分，如蛋白质、脂肪、果胶质等含量都比较少，因此被誉为“淀粉之王”。鲜木薯淀粉含量高达25%～30%，木薯干的淀粉含量高达70%～78%，是世界公认的一种具有很大发展潜力的酒精生产再生资源。一般可分为甜味木薯和苦味木薯，前者无毒但产量低，不适合作为大规模生产的原料；后者产量高，但因含有剧毒物质氢氰酸0.07%～0.24%而得名有毒木薯，不过作为酒精生产原料，蒸煮时大部分氢氰酸蒸发出去，并不影响发酵及成品质量。同时，利用木薯作为生产燃料酒精的原材料还有极大地成本优势，相关数据显示1吨木薯酒精原料成本为2600元/吨左右，1吨蔗糖酒精原料成本为3500元/吨左右，而1吨玉米酒精需成本达到了4000多元/吨。而且以木薯生产酒精，每亩土地可得到的酒精量是玉米、稻米的两倍。为更进一步推进“非粮”原料生产燃料乙醇产业化发展；同时也为更好的促进对我国木薯价值的开发利用，增加农民收入，推进农业的进步，将木薯作为我国生产燃料酒精的主要非粮原材料，不失为一项明智的选择。1.2设计指导思想和原则一、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。二、工厂充分考虑现今的一些技术，设备，以及设计先进理念，以“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”为原则，各种设计方案综合比较，取长补短，制定一个高产节能的设计方案，高效生产合格燃料乙醇。三、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。1.3设计依据1.3.1设计课题年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──发酵成熟醪的粗馏与精馏工艺初步设计（《海南大学生物工程课程内容任务书》）1.3.2设计条件生产能力：年产2万吨99.5%酒精含量燃料乙醇6原料：木薯（海南产）发酵而来的成熟发酵醪液生产方法:二塔式蒸馏、分子筛脱水技术生产时间：全年生产300天（24小时），连续操作工厂厂址：海口郊区厂址地域与自然条件：当地气候条件（来自海南气象台资料）：温度高温39℃最低温度6C平均温度23.8C湿度最高湿度92%平均湿度85%水温河水（1米）最高30C最低10C自来（饮用）水最高30C最低10C深井水平均18C风频率年平均风速：3.3m/s降水量年平均：1691ml/a风向东北风和东风产品：根据GB18350—2001要求，生产含酒精含量95%的成品。2生产工艺流程选择和论证2.1燃料酒精生产流程（附图1）2.2发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺流程2.2.1发酵成熟醪液粗馏与精馏的工艺流程选择两塔气相过塔蒸馏是成熟发酵醪经预热器与精馏塔的酒精蒸汽进行热交换（充分利用了热能，节省了预热发酵醪的加热蒸汽和冷却精馏塔的酒精蒸汽的冷却水），进入粗馏塔顶部进行蒸馏，从塔底排除的酒糟可以用来喂养畜牲，粗酒精直接以气相进入精馏塔，不经过冷却，节省了冷却水。精馏过程中，酒精蒸汽回流一部分依靠冷凝器与冷却水进行交换，一部分利用预热器与成熟发酵醪进行热交换。发酵成熟醪经预热器（热交换器）与精馏塔的酒精蒸气进行交换，加热至55度左右后直接进入粗馏塔的顶部。醪塔底用直接蒸气加热，酒精含量为30%（体积分数）左右的酒精—水蒸气从醪塔顶部引进精馏塔的中部，酒精糟由醪底排出。精馏塔也采用直接蒸气加热的方式，其产生的废热水可以循环以加热发酵醪液。酒精蒸气从塔顶顺次经过成熟醪的预热器和冷凝器，预热器和冷凝器的冷凝液全部回入精馏塔作为回流。如此不断地进行着部分冷凝，部分蒸发的过程，从而使酒精浓度得到提高。注入精馏塔顶的回流液是由精塔顶蒸发排出的气体，经过各冷凝器逐级冷却回流到精塔顶的。一些比酒精更易挥发的杂质，如甲醇，乙醛等，则从冷凝器直接排出。2.2.2发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺流程的论证液相过塔流程是成熟醪经预热器之后进入粗馏塔，在塔内被加热，酒精蒸发，在冷凝器冷凝成液体后，或直接流入精馏塔或回流到粗馏塔再由粗馏塔顶层塔板液相取料至精馏塔。液相过塔（间接式）方案与直接式相比，多了一套醪塔冷凝系统，一次性投资相应增加，蒸汽及冷却水耗量比直接式要大，从能源角度讲，不经济。单塔系酒精蒸馏组，即用一个塔从7发酵成熟醪中分离获得酒精成品，它适用于对成品质量与浓度要求不高的工厂。他的缺点有难以分离更多的杂质，酒精质量差，塔设备厂房偏高，不经济，酒糟含水量大，处理困难，如将原液作为饲料，运输不便。而三塔及多塔系是为了获得高纯度酒精或食用级酒精，而我们制备的燃料酒精乙醇浓度为92.1%,不需要花高投资和大量能耗来生产。两塔差压蒸馏虽然说是可以充分利用固定冷热源之间的过剩温差，从而降低了有效能量的损失，使得总能量逐渐降低，充分利用了各级品位的能量，提高了蒸馏系统的热力学效率。但是从实际情况考虑，年产2万吨燃料乙醇的小规模生产，采用该套设备，一次性投资太大，管道太复杂，维修清洁等都不经济。粗馏塔和精馏塔的加热方式是用一次蒸汽直接加热。即把从锅炉来的一次蒸汽通入馏塔塔釜，通入管道要设计好多股抛器以使蒸汽分布均匀。蒸汽直接加热效率高，但蒸汽质量要纯净，以免影响酒精质量。2.2.3发酵成熟醪液粗馏与精馏工艺优化最新研究进展燃料乙醇的精馏脱水工段能耗占整个燃料乙醇生产过程的50％～80％．随着燃料乙醇计划的实施，如何高效节能地制备燃料乙醇成为一个迫切需要解决的问题．国内外专家学者做了大量的调查、分析，找出了系统用能中存在的问题，指出了节能的方向和途径．将工业乙醇生产的一级精馏系统和燃料乙醇生产的加盐萃取精馏系统合并作为一个整体考虑其用能问题．采用有效能分析法找出系统能耗高的问题所在，为进一步制定节能措施提供依据[7]．许天开等将该塔的进料段以上的“精馏段”(或称浓缩段)移植于去掉顶盖的醪塔顶之上,通过耦合段(过渡段)而成为复合塔;而将醪塔当作精塔的耗竭段(或称脱水段)。如此结构可有机地互补,相辅相成,达到高效节能[8]。在蒸馏塔的塔型选择上，规整填料塔有以下优点1)压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5～1/6；2)热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%～110%，筛板塔的调节范围在70%～100%；4)液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6