年初8万吨酒精工厂规划设计开题报告.doc

毕业设计(论文)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： 0
班 级： 生物工程XX-02班
专业（全称）： 生物工程
指 导 教 师： XX

4 月

一、本课题设计（研究）目：
以先进生产经验和成熟科技成果为根据，选取安全可靠、先进合用工艺条件、工艺流程和生产设备；此前沿经济指标为指引，合理布局，使生产损耗和能量损耗尽量减少；以《环保法》为根据，规范化解决排放三废。对物料、水、电、汽进行衡算，对重要生产设备进行选型与计算，同步进行重点设备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某些工程技术问题，培养了我独立查找、分析和使用技术资料，独立编写设计文献，使用CAD绘制设备装配图能力。
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 产品简介
酒精化学名称是乙醇，分子式是C2H5OH，是一种无色透明、易挥发，易燃烧不导电、具备特殊芳香和辛辣味液体。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》记录预测：全球乙醇产量为858亿升，将达到887亿升。而中华人民共和国乙醇产量为82.6亿升，预测达90亿升。两相比较，国内乙醇生产量有待提高。发达国家生产乙醇原料徐徐地由第二代向第三代发展，而国内则是由第一代向第二代发展。
第三代乙醇原料——藻类有着其独特长处：藻类成熟期短，仅需1—10天就可以收获；生产率高，同等面积下，产出乙醇比甘蔗高100多倍；可以在不适当种植粮食土地上生长，解决了乙醇生产与粮食争地与人类争粮矛盾。因此，近期内，乙醇生产将以非粮食作物为重要原料，粮食作物及藻类为次要原料，将来乙醇生产将以藻类为重要原料，非粮食作物为次要原料，而粮食作物将不再作为乙醇生产原料。
1．2 设计意义
随着经济发展，酒精重要性日益明显。酒精在化工、塑料、橡胶、农药、化妆品、医药、燃料能源等部门，有着不可代替作用。这就决定了中华人民共和国乃至全世界对酒精均有一种极大需求。
下面仅从燃料能源方面，简要地简介一下。酒精作为一种新能源，有着两个独特优势：属于可再生能源、燃烧时无污染。国内是石油净进口国，海关数据显示，全国合计进口原油2.39亿吨，而每吨原油价格九千多元。两个数相乘，得到是一种多么恐怖数据啊。酒精在诸多方面上都可以代替石油，只要生产出足够酒精，就可以大大减少石油进口量。但事与愿违，中华人民共和国酒精产量不高，供不应求，每年都要进口几百万吨酒精。
在这样一种酒精供不应求，并且需求量逐年上升时代，建一种生产酒精工厂，不但顺应时代潮流，具备辽阔市场前景，并且可以满足国家内需，减少资金外流。
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，糖蜜中具有各种可发酵性糖，非常适于用来发酵生产酒精。由于糖蜜原料中糖浓度较高，焦糖，氨基酸等胶体物质较多，灰分含量高等因素，糖蜜需要进行稀释及调酸等预解决才干进行发酵。
糖蜜用于酒精生产全过程为：稀糖液制备及解决，酵母制备，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副产品，具有丰富可发酵糖，是生产酒精好原料。重要产于广东、广西、云南、福建、台湾等重要甘蔗产区。甘蔗糖蜜产量为原料甘蔗2.5%～3%。糖蜜中具有30%～36%蔗糖与20%转化糖，50%左右可发酵糖，5%～12%胶体物质以及10%～12%灰分，酸度10左右，含氮量仅0.5％，含磷量为0.2％左右。
（2）糖蜜贮存
为了保证酒精生产正常并且持续地进行，酒精车间及工厂仓库都必须贮存一定量糖蜜。为了防止糖蜜被污染保持糖蜜纯净，对糖蜜贮存有如下规定：
① 为防止尘沙，污水，杂菌污染，保持糖蜜纯净，规定采用密闭容器 。
② 为保证生产正常进行，常备有20-30d生产用糖蜜贮存量。
③ 贮存罐位置应兼顾运送和生产两方面，以有助于使用以便。
④ 稀糖蜜和受到污染糖蜜不适当过久贮存，以免导致糖分过多损失。
2.2稀糖液制备及解决
糖蜜原料制作稀糖液及解决流程为：
糖蜜 稀释 酸化 添加营养盐 灭菌 澄清 稀糖掖

（1） 糖蜜稀释目及办法
目是为了减少糖液中糖浓度和无机盐浓度，使其适合于酵母生长，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酒精生产流程。糖液浓度普通控制在22-25oBx。稀释办法分为间歇稀释法和持续稀释法两种。本工艺采用是间歇稀释法，也就是将糖蜜泵入高位计量槽，计量后进入稀释罐，同步加入灭菌剂及稀释水等，开动搅拌，充分搅匀即得需要浓度稀释液。
（2）添加营养盐
为了保证酵母正常生长繁殖和发酵，依照糖蜜原料化学组分，必要在糖液中添加酵母所必须营养。工厂实践和甘蔗糖蜜组分表白，甘蔗糖蜜中缺少重要营养成分是氮素。补充氮普通是以硫酸铵作氮源，用量为每吨糖蜜使用21%硫酸铵1-1.2kg，即糖蜜用量0.1%-0.12%。
（3）糖液灭菌
糖蜜中常污染有大量杂菌，重要是野生酵母，白念球菌及乳酸菌等产酸菌，为保证稀糖液正常发酵，除加酸提高糖液酸度抑制杂菌生长繁殖外，还必要对糖蜜进行灭菌。糖蜜惯用灭菌办法有：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物来杀灭杂菌办法。惯用糖蜜杀菌药物及其用量见下表

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0.01％
毒性很大
五滤苯酚钠
为糖蜜量0.002％－0.004％
残留多，于环境有害
灭菌灵
为糖蜜量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灭菌办法。该办法除了灭菌外，还可使糖蜜中胶体絮凝，使糖液得到澄清。该办法要消耗大量蒸汽，工厂普通不采用，只有糖蜜被严重污染时才采用此法予以灭菌。
（4）酸化
糖蜜酸化重要目在于防止杂菌在发酵时繁殖，同步得到适合于酵母发酵pH糖液，此外，酸化尚有助于去除糖液中某些灰分和胶体物质。
① 酸化用酸种类
糖蜜酸化最惯用是硫酸，也有使用盐酸，使用盐酸有使设备无结垢等长处，但其用量较大。
② 酸加用
酸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棕黄色NO2 予以吸取，并保持操作场合空气流动。
（5）稀糖液澄清
稀糖液中具有诸多胶体物质，色素，灰分和其她悬浮物质，她们存在对酵母正常生长，繁殖和发酵有害，应尽量予以去除。稀糖液澄清解决就是为理解决这个问题。
糖蜜澄清办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，就是指发酵底物中糖类物质，在无氧条件下，受酵母细胞中酒化酶作用，产生酒精全过程。可用如下化学方程式表达：
蔗糖酶
C12H22O11(蔗糖)
水
水解
酒化酶
解
糖化酶
(C5H10O5)n C6H12O6 C2H5OH+CO2 +Q

在酒精发酵生产中，要做好发酵管理工作。重要是控制不同发酵时期发酵醪中糖度、发酵温度、发酵醪pH值、发酵醪中含酒分、发酵时间、成熟发酵醪化学分析等项目，用以保证发酵地顺利进行，尽量地提高原料出酒率。
2．4 酒精蒸馏提纯
在发酵成熟醪中，不单是具有酒精，还具有其他几十种成分，若加上水，这些物质含量远远超过酒精含量，成熟醒中酒精含量仅为7—11％(体积)左右，而涉及水、醇类、醛类、酸类、脂类杂质几乎占90％，要得到纯净酒精，就必要采用一定办法，把酒精从成熟醪中分离出来。生产中是采用加热蒸馏办法，把各种不同沸点、比重、挥发性物质从不同设备中分离出来，从而得到较高纯度酒精。
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、糖蜜原料生产酒精总化学反映式为：
C12H22O11+H2O→2C6H12O6→4C2H5OH+4CO2↑
342 360 184 176
X 1000
2、生产1000㎏无水酒精理论蔗糖消耗量：
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，相称于质量含量99.18%以上）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
单浓度酒精持续发酵工艺，把含固形物85%糖蜜稀释成浓度为25%稀释液经持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二氧化碳，则蒸馏发酵醪量为：
（14212-968）×（1.00+6%）=14039（kg）
蒸馏成熟发酵醪酒精浓度为：
(1000×99.18%)/(98%×14039)=7.14%
3.3成品与废醪量计算

糖蜜原料杂醇油产量约为成品酒精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%
蒸馏残存液比热容：
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1%，依照热量衡算，可得消耗蒸汽量为：
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）
重要原料糖蜜用量：
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 稀释某些物料衡算
（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%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，稀释某些各物料用量
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）重点与难点，拟采用途径（研究手段）：
本设计重点是糖蜜罐、稀释罐、酒母罐、发酵罐、蒸馏塔等设备定量定型。
拟采用途径（研究手段）：以年产8万吨酒精这个数据为基本，通过物料衡算、热量衡算，得到各环节所需物料及热量大概数据，再进行设备计算，进而拟定各设备型号及数量。

四、设计（研究）进度筹划：
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 实验研究
6、第14、15周 撰写论文
7、第16周 答辩
五、参照文献：
[1]吴思方：《发酵工厂工艺设计概论》[M]，中华人民共和国轻工业出版，第1-31页；
[2]吴思方：《生物工程工厂设计概念》[M]，中华人民共和国轻工业出版，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；
[4]傅其军：《燃料乙醇发展前景》[J]，《广西轻工业》，第12期，第6-10页；
[5]贾树彪等：《新编酒精工艺学》[M]，化学工业出版，第1-333页；
[6]姚玉英：《化工原理（下册）》[M]，天津科学技术出版，第199-286页
[7]郭年祥：《化工过程及设备》[M]，冶金工业出版社，第1-410页
[8]贾树彪等：《新编酒精工艺学》[M]，化学工业出版，第1-333页
[9]江鸿，郭仁惠，张盼月等：《酒精废水回收运用与净化研究》[J],《工业水解决》，1998年第05期，第44页
[10]孙彦：《生物分离工程》[M],化学工业出版社，第1-453页
[11] 张君，刘德华：《世界燃料酒精工业发呈现状与展望》[J]，《酿酒科技》，第5期，第118-121页
[12]邱树毅：《生物工艺学》[M]，化学工业出版社，第1-219页；
[13]戚以政：《生物反映工程》[M]，化学工业出版社，第1-31页；
[14] Torija M J;Rozès N;Poblet M Effects of fermentation temperature on stain population of saccharomyces cerevisiae [外文期刊] (01)；
[15]Muenduen Phisalaphong;Nuttapan Srirattana;Wiwut Tanthapanichakoon Mathematical modeling to investigate temperature effect on kinetic parameters of ethanol fermentation[外文期刊] (01)；
[16] Morata A;Gómez-Cordovés M C;F Calderón Effects of temperature and SO2 on the formation of pyranoanthocyanins during red wine fermentation with two species of Saccharomyces (02)；
[17]Bai F W，Anderson W A,M00-Young M，Ethanol fermentation technologies from sugar and starch feedstocks [J].Biotechnology Advances,,26:89-105.
指引教师意见

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