以甘蔗为原料年产10万吨生物乙醇工厂设计

北京理工大学珠海学院2020届应用化学专业毕业设计以甘蔗为原料年产10万吨生物乙醇工厂设计摘要生物乙醇是一种可持续发展的新型清洁能源，它能作为汽油的增氧机和调和剂，与汽油混合燃料时，能有效提高汽油的燃烧水平，对社会环境的伤害。本设计以甘蔗为原料，设计一个年产10万吨生物乙醇的工厂设计。通过设计、分析和计算，完成工艺流程、设备选型、工厂设计等内容。本设计采用的工艺流程为：单浓度糖蜜连续发酵法、双塔差压蒸馏法、吸附精馏法、分子筛脱水法等。工厂选址在原材料充足的广西省南宁市。本设计主要的车间分布有：动力车间、生产车间、辅助车间、仓库和公共设备。对于工厂生产过程中产生的污染做了环保处理的设计。关键词：生物乙醇；发酵法；糖蜜；环保AbstractBioethanolisanewtypeofcleanenergywithsustainabledevelopment.Itcanbeusedastheoxygenatorandblendingagentofgasoline.Whenitismixedwithgasoline,itcaneffectivelyimprovethecombustionlevelofgasolineandharmthesocialenvironment.Inthisdesign,sugarcaneisusedasrawmaterialtodesignaplantwithanannualoutputof100000tonsofbioethanol.Throughdesign,analysisandcalculation,completetheprocessflow,equipmentselection,plantdesignandothercontents.Thetechnologicalprocessadoptedinthisdesignis:singleconcentrationmolassescontinuousfermentation,doubletowerdifferentialpressuredistillation,adsorptiondistillation,molecularsievedehydration,etc.ThefactoryislocatedinNanningCity,GuangxiProvince,whichhassufficientrawmaterials.Themainworkshopdistributionofthisdesignincludes:powerworkshop,productionworkshop,auxiliaryworkshop,warehouseandpublicequipment.Environmentalprotectiontreatmentisdesignedforthepollutionproducedintheproductionprocessofthefactory.Keywords:Bioethanol;Fermentation;Molasses;EnvironmentalProtection目录TOC\o"1-3"\h\u299611绪论 绪论1生物乙醇的背景和现状国家的资源和能源是国家发展的基本。随着近几十年经济的飞速发展与生活水平的提高，人均的能源消耗逐年增大，人类所需的能源逐年增高。化石燃料能源枯竭的问题非常明显，与此同时也会造成环境污染、全球变暖等问题加剧提升。所以发展可持续性的新能源是世界各国必然选择[6]。生物乙醇的别名为酒精，也可以叫为汽油醇，其分子式为CH3CH2OH,指能有效控制汽油对环境空气污染的可持续发展新型能源。生物乙醇的体积分数要求在99.5%以上的无水酒精，它能作为汽油的增氧机和调和剂。将生物乙醇和汽油按一定比例进行使用时，一是能作为可持续发展的新型能源供给使用；二是能有效提高汽油的燃烧水平，对社会环境造成最少的伤害。作为传统的汽油，它的燃烧性能不是很高，从而排放出污染气体对环境造成很大污染。在过去，为了提高汽油中的含氧量，各国都会选用甲基叔丁基醚（MTBE）为传统的汽油添加剂。但随着科学的进步，有研究表明MTBE有着很强的毒性和一定的致癌性，并且这种添加剂很容易污染水源，如果人类不小心饮下这些污染的水源，将会对人体会造成很大的伤害。然而，为了有效的解决这个问题，科学家研究出把生物乙醇与汽油按一定比例燃烧，因为生物乙醇含氧量高，燃烧性能和抗爆性能好，从而提高了汽油的辛烷值和其防爆性能，更能提高汽油的燃烧水平，让汽车在排放过程中产生最少的污染气体，对环境保护有着非常重要的意义。这项研究的核心是生物乙醇与汽油混合燃烧时产生的CO2可以被绿色植物有效的吸收，能有效的阻止全球变暖[4]。所以能说生物乙醇是一种可持续发展的新型清洁能源。1.2国内外的发展状况在20世纪70年代时，最初开始推广生物燃料乙醇的是巴西和美国，再到后来其他各国都逐渐来效仿，意识到生物乙醇能作为一种车用燃料，并且这乙醇行业越发重视。到目前为止，据统计全世界大约已经有20多个国家都已经全力投入生物乙醇行业中去。这个行业最为代表性的国家是巴西和美国。首先巴西现在已经成为世界上最大的可再生能源国之一，他们最主要的原材料是甘蔗，以甘蔗汁为原料生产一代生物乙醇。随着技术的不断发展，他们已经从一代发展二代生物乙醇的制作，利用甘蔗渣开发出二代生物乙醇。巴西靠着这强硬的生产技术确保其国家能作为世界上最大的生物乙醇生产国和出口国[3]。其次是美国，美国是靠推广玉米为原材料生产生物乙醇，到现在已有差不多30年的时间，也是世界上第一生物乙醇生产国之一，据调查美国生物乙醇产量占全世界生物乙醇总产量的62.2%。在20世纪80年代初时，美国政府制定了一个长远的计划，叫“乙醇发展计划”。到目前为止，经过这段时间发展和创新，逐渐把乙醇行业产业化，而美国也稳占世界上第一生物乙醇生产国的地位。回顾我国的经济发展趋势，相对来说我国石油能源不足，政府对环境污染的问题十分敏感，大力发展能够替代石油能源的技术和产业开发。在21世纪刚开始的时候才开始投入生物乙醇行业，相对于其他国家算是很迟推广这行业，最主要在河南、吉林、安徽、黑龙江安排试点，四个试点加起来的生产能力可以达到102吨生物乙醇。随着时间过去，我们国家在这个行业也取得了质的飞越。到目前为止，我国已经成为全世界第三大生物燃料乙醇生产国。我相信在未来我国的乙醇行业会给我们带来更好的发展空间。1.3设计原则1）工厂设计要符合现代化建设，要尽量做到投资少和效益高，做到利益最大化。2）让设计符合实际生产，因地制宜，用现代社会最先进、最成熟的生产工艺。3）合理的工作制度让设计达到最大的工作效益，确保本设计分工的可行性。4）在本设计当中要注意生产过程中产生污染的问题，要尽量对环境造成无污染。5）在本次设计中，我会运用大学四年所学的知识对本设计进行合理的运用和分析。2．工艺流程图的选择2.1工艺流程的参数1）生产规模：100000t/a2）工作天数：每年250d3）乙醇日产量：400t/d4）乙醇年产量：100002t/a5）生产方法：连续发酵法、双塔差压蒸馏法、分子筛脱水法6）次级乙醇产品量：占2%乙醇总量左右7）产生的杂醇油含量：占0.3%成品乙醇量左右8）产品达标的质量：生物乙醇，其中乙醇含量为99.5%体积分数(v/v) 9）甘蔗原料：1000kg可榨汁700kg，蔗汁中可用性的发酵糖约为50%10）酒精的发酵率：90﹪ 11）酒精的蒸馏率：98﹪ 12）发酵所需的周期：48小时 13）发酵所需的温度：27~35℃ 14）硫酸铵所需量：5kg/t15）硫酸所需量:1kg/t16）根据乙醇国家生产标准GB/T679-2002见下表（1.1）：表1.1化学试剂乙醇GB/T679-2002表名称分析纯化学纯乙醇（CH3CH2OH）的体积分数/%≥95≥95色度/黑曾单位≤10—与水混合试验合格合格蒸发残渣的质量分数/%≤0.001≤0.002酸度（以H+计）/（mmol/100g）≤0.05≤0.1碱度（以OH+计）/（mmol/100g）≤0.01≤0.02甲醇（CH3OH）的质量分数/%≤0.05≤0.2丙酮及异丙醇（以CH3COCH3计）的质量分数/%≤0.005≤0.001杂醇油合格合格还原高锰酸钾物质（以O计）的质量分数/%≤0.0004≤0.0004易炭化物质合格合格2.2工艺流程1）本设计采用单浓度蜜糖酒精连续发酵法[1]随着乙醇行业的兴起，我国酒精工厂最常用的单浓度蜜糖酒精连续发酵法，一般情况下是通过连续稀释器来进行稀释的。通常来讲稀释器主要有两种类型：一种是立式稀释器，另外一种是没有搅拌器的稀释器。本设计选用前者，立式稀释器：它主要是竖起来的圆筒形的管子，通过液体在截面积的不断的变化，从而可以促使糖蜜和水充分混合，进而达到稀释的作用。2）糖蜜的预处理糖蜜的预处理，首先加入一定量的硫酸进行酸化处理，主要的目的为防止其他一些杂菌的滋生，也可以让其糖蜜中胶体物质和大量的灰分沉淀。加酸的还可以调节糖蜜的pH，一般的pH范围在4.0-4.5左右，也适合酵母的生长，利于后期的发酵。之后在酸化罐可以加入一定量的营养盐，之后就可以进行灭菌处理，可以加入适量的青霉素进行杀菌。灭完菌后需要进行澄清处理，然后就可以进行发酵准备以及后面一系列的步骤。3）通过查阅资料和文献可知，本设计采用酵母菌。4）分子筛生产无水乙醇该方法是采用可以吸附普通酒精中的水分的沸石为分子筛，分子筛装入塔中，当95%~96%（体积分数）酒精通过塔时，水分被吸附（吸附的3/4是水，1/4为酒精），当分子筛塔被液流饱和后，转入另一新塔，同时和塔再生，回收排出液流的酒精[16]。流程如下：通过分子筛法进行脱水有下列优点：①装置有着热量回收的作用，能更有效的利用热能；②这个为全自动装置，减少了劳动力的需求，利于操作；③资金少，使用快捷；④需要的能耗少，生产费用低廉；⑤相对于取其他的能有效的防止污染环境。所以选用这种方法。5）具体工艺流程见下图：（2.1）图2.1生产酒精的工艺流程图3.工艺计算3.1物料总览3.1.1计算原材料的消耗量(基准：1000kg无水乙醇)1）糖蜜生产酒精的总反应方程式：CH12H22O11+H2O2C6H12O6+4C2H5OH+4CO2342360184176X10002）理论蔗糖消耗量（1000kg无水乙醇）：342÷184×1000=1858.7（kg）3）生产1000kg生物乙醇的理论消耗蔗糖含量（生物乙醇中的乙醇99.5%（v），相当于99.18%（m））：1858.7÷99.18%=1843.5（kg）4）已知发酵率为90%，蒸馏率为98%，生产1000kg生物乙醇的实际消耗糖蜜含量：1843.5÷98%÷90%=2090（kg）5）生产1000kg生物乙醇的实际消耗甘蔗糖蜜含量：2090÷50%=4180（kg）6）生产1000kg生物乙醇的实际消耗甘蔗含量：2090÷50%÷70%=5971.4（kg）7）生产1000kg无水酒精，(已扣除了蒸馏部分)：1858.7÷90%÷50%=4130.4（kg）3.1.2发酵醪量的计算1）相应酒母培养和发酵过程释放CO2的量为：1000×176÷184×99.18%÷98%=968（kg）2）由设计可知采用单浓度连续稀释法，把含85°Bx甘蔗糖蜜连续稀释成22%~25%的稀糖液，一般情况下会设稀糖液浓度稀释为25%。在经过立式稀释器稀释后的糖密含量为：4180×（85%÷25%）=14212（kg）在此过程中，酵母在发酵繁殖过程中会释放出968KgCO2，设其中发酵醪的6%为酒精捕集器稀酒精，则蒸馏发酵醪的量：（14212-968）×（1+6%）=13244×1.06=14039（kg）3）蒸馏发酵成熟醪的乙醇浓度为：1000×99.18%÷98%÷14039=7.14%3.1.3成品醪量与废醪量的恒算查阅资料可知，生产生物乙醇过程中所产生的杂醇油占成品乙醇的0.25%~0.35,%，这里取0.3%计算，得出杂醇油为：1000×0.3%=30（kg）在醪塔设置参数时，已知乙醇浓度为B1=7.14%、蒸汽的乙醇浓度为50%（体积分数相当于42.43%质量分数）。现在设醪液进入醪塔时温度T1为60℃，醪液排出塔底时的温度T4为90℃，所以生产1000kg乙醇有：1）醪塔上升蒸汽量为：V1=14039×7.14%÷42.43%=2363（kg）2）蒸馏时残留液量为：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=14039×3.98×60=3.35×106（KJ）5）蒸馏残液内固形物浓度为：B2=F1B1/Wx=14039×7.14%÷11676=8.59%6）蒸馏残留液的比热：C2=4.18×（1-0.378B2）=4.18×（1-0.378×8.59%）=4.04[KJ/(kg*k)]7）塔底残留液带出热量为：Q4=WxC2T4=11676×4.04×90=4.25×106（KJ）查附录1可知，50%的乙醇蒸汽焓为i=1919KJ/Kg,所以上升蒸汽带出的热量为：Q3=V1i=2363×1919=4.53×106（KJ）现设塔底下的压力为0.05MPa，故而得知蒸汽加热焓为2788.4KJ/kg。而蒸馏过程中也会流失热量，其热损失可取传递总热量的1%，根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为：D1=Q3+Q4+Qn-Q1/（I-Cwt4）=4.53×106+4.25×106-3.35×106÷（2788.4-4.18×90×99%）=2247.6（kg）若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量：Wx+D1=11676+2247.6=13923.6（kg）3.1.4年产量为100000吨生物乙醇的总物料衡算假设工作的天数为250天。产品酒精量（/日）：100000÷250=400（t）产酒精量（/小时）：400×1000÷24=16667Kg=16.667（t）实际年产量（次级酒精忽略不计）：16.667×24×250=100002（t）主要原料糖蜜的用量：糖蜜耗量（/日）：4180×400=1672000Kg=1672（t）糖蜜耗量（/年）：1672×250=4.18×105（t）次级酒精（/小时）：16667×2%÷98%=340.14（kg）次级酒精（/年）：340.14×24×250=2040840Kg=2040.84（t）主要甘蔗原料的用量：耗量（/日）：5971.4×400=2388560Kg=2388.56（t）耗量（/年）：2388.56×250=597140（t）表3.1年产10万吨生物乙醇物料衡算表物料衡算生产1000Kg99.5%酒精物料量（kg）每小时（kg）每天（t）每年（t）燃料酒精100016667400100002糖蜜原料4180696671672418000甘蔗原料5971.4995232388.6597140次级酒精20340.18.22040.8发酵45684.91421225蒸馏发酵醪140392339885615.71403925杂醇油3501.2300二氧化碳96816133.7387.296800醪塔废醪量13923.6232524.15580.613951503.1.5稀释糖蜜的衡算1）每生产一吨无水乙醇稀释糖蜜（浓度25%）所需用水量：W1=14212-4180=10032（kg）则生产10万吨酒精需要稀释用水量（/h）：10032×16667÷1000=167203（kg/h）生产10万吨酒精需要的稀释用水量（/年）：10032×100000=1.0032×109（t/h）2）所需营养盐量21%的含氮量的硫酸铵可以作为氮源使用，每1000kg的糖蜜需添加1kg，则每生产1000kg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=0.7（kg/h）则生产10万吨酒精一年需要硫酸铵的用量：4.18×100000=4.18×106(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/d）每小时用量：83.6÷24=3.5（kg/h）则整个工艺所需（10万吨乙醇）硫酸用量：20.9×100000=2.09×107(t/a)表3.2稀释阶段物料所需量物料用量（t/a）糖蜜稀释用水量1.0032×109营养剂添加量4.18×106硫酸用量2.09×1073.2热量衡算3.2.1发酵阶段生产1000Kg无水乙醇（按1000kg，算已扣除热损失糖蜜含量）：1858.7÷0.9÷0.5=4130.4（kg）现每年生产10万吨酒精，要每小时投入糖蜜量为69667kg/h，则无水酒精量为：69667×1000÷4130.4=16866.9（kg/h）查资料得酒母发酵过程中，每生成1kg酒精所需的热量为1170KJ左右，现把葡萄糖作为碳源，所以培养酒母发酵每小时放出的热量为：Q=1170×16866.9=1.97×107（kJ/h）取工段发酵酒母冷却水初的t’w1=20℃，终温t”w2=28℃，平均耗水量为：W酒母发酵=Q/[Ce(t’w1-t”w2)]=1.97×107÷[4.18×(28-20)]=58911.5（kg/h）酒母酒精捕集用水为：（待蒸馏发酵醪液量为F=233988Kg/h）5%F/1.06=0.05×233988÷1.06=11037.17（kg/h）发酵洗罐用水量为：（每15天洗一次）1%F/1.06=0.01×233988÷1.06=2207.43（kg/h）则在发酵工段总用水量：W发酵工段=58911.5+11037.17+2207.43=72156.1（kg/h）3.2.2蒸馏阶段按采用差压蒸馏两塔[10][11]流程计算，进醪塔浓度为7.14%，出醪塔的酒精蒸汽浓度为50%。1）下图3.1为醪塔：图3.1醪塔的物料和热量平衡图已知醪塔里乙醇浓度为B1=7.14%，把醪液提前预热到60℃，当温度达到92.4℃时，取上升蒸汽的乙醇浓度为50%（体积分数相当于42.43%质量分数）。设置塔顶的温度为80℃，塔底温度为90℃。查附录1得知塔顶上升蒸汽焓量i1=1919KJ/Kg。当上升蒸汽焓量的绝对压力取0.005MPa时，得出其热焓量I1=2788.4kJ/kg。总物料衡算：F1+D1=V1+Wx+D1即F1=V1+Wx2-1酒精衡算式：F1xF1=V1y1+（Wx+D1）xw12-2F1CF1tF1+D1I1=V1i1+（WxCw+D1Ce）tW1+Qn12-3表3.3公式中含义及数值表符号含义数值xF1醪塔酒精含量（质量分数）7.14%y1塔顶上升蒸汽酒精浓度（质量分数）42.43%xw1塔底排出废槽内地酒精浓度（质量分数），塔底一般会损失一小部分，在0.04%以下0.04%CF1醪塔里酒精的比热3.98[KJ/（kg*k）]Ce出塔酒精的比热4.18[kJ/（kg*k）]tF1塔顶的温度60(℃)tW1塔底的温度90(℃)CW水的比热4.04[KJ/（kg*k）]联立2-1、2-2、2-3求得：V1=39139（kg/h），Wx=194849（kg/h），D1=55307（kg/h）一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为：G1=Wx+D1=194849+55307=250156（kg/h）表3.4年产10万吨酒精醪塔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F1233988F1CF1t5.59×107蒸馏残液Wx194849WxCWtW17.08×107加热蒸汽D155307D1I11.54×108上升蒸汽V139139V1i17.51×107加热蒸汽D155307D1tW1Ce2.08×107热损失Qn11.54×106累计2892952.10×108累计2892951.65×108蒸馏塔粗酒精液相进入蒸馏塔，塔顶温度为105℃，塔底温度为130℃，进气温度为130℃，出塔的浓度为96%（v），即93.84%（w）。出塔的酒精量为：P=16667×99.18%÷93.84%=17615.4（kg/h）每小时醛酒量因醛酒占出塔酒精的2%，则每小时的醛酒量为：A=17615.4×2%=352.3（kg/h）实际酒精浓度为96%（v），即93.84%（w）的量为：P’=P-A=17615.4-352.3=17263.1（kg/h）下图为精馏塔（3.2）：图3.2精馏塔内的物料与热量衡算转换图在蒸馏过程中，塔顶的酒精蒸汽进入精馏塔时，首先经过的粗蒸馏塔，除了回流外，还有少量的酒精还会被送到洗涤塔中，重新提静后再蒸馏。按以往数据表示，一般取精馏出来酒精的2%左右。Pe=P’×2%=17263.1×2%=345.3（kg/h）在蒸馏塔塔板上有一个杂醇油分离器，也会存在一部分液相浓度为55%（体积分数）液相冷凝液，这叫做杂醇油酒精，一般为塔顶蒸馏出酒精的2%左右，其中包括杂醇油：m0=0.3%（P’+A）=0.003×（17263.1+352.3）=52.8（kg/h），故：H=（P’+Pe）×2%=（17263.1+345.3）×2%=352.2（kg/h）在这个杂醇油分离器上应该加入超纯水稀释，大约为其液的4倍，稀释后的水能重复利用，流回精馏塔，则这稀释后的酒精的量为：H’=（1+4）H-m0=5H-m0=5×352.2-52.8=1708.2（kg/h）则物料平衡：F2+D2+H’=P’+Pe+H+D3+W’x则W’x=F2+H’-P’-Pe-H=39139+1708.2-17263.1-345.3-352.2=22886.6（kg/h）热量平衡：F2CF2tF2+D2I2+H’CHtH+R（Pe+P’）tPCP=（R+1）（Pe+P’）i2+P’tPCP+HiH+（D2+W’x）tW2CW+Qn表3.5公式中含义及数值表符号含义数值R精馏塔回流比，一般为3~43I2精馏塔加热蒸汽热含量，0.6MPa绝对压力2652(KJ/h)tH为回流稀酒精进塔温度90(℃)CH为杂醇油分离器稀酒精比热4.43[KJ/（kg*k）]tP出塔酒精的饱和温度78.3(℃)CP出塔酒精的比热2.80kJ/（kg*k）i2塔顶上升蒸汽热含量1163.2[KJ/kg]iH为杂醇油酒精蒸汽热含量1496K(J/kg)tW2精馏塔塔底温度130(℃)CW水的比热4.04[KJ/（kg*k）]Qn2精馏塔热损失Qn2=2%D2I2CF2进塔酒精的比热4.16(KJ/kg)tF2进料温度90(℃)由上表得：X’H=XH（H-m0）/H’=75.2%×（352.2-52.8）÷1708.2=13.18%查资料得出CH=4.43KJ/（kg*k），此比热的蒸汽浓度与55%（体积分数）的酒精浓度相对应。由前面计算可知W’x=22886.6（kg/h），根据公式计算可得：D2=34403（kg/h）塔底排出的废水：G=D2+W’x=34403+22886.6=57289.6（kg/h）计算蒸馏工段的蒸馏效率：ηP=XPP/XF1F1=93.13%×17615.4÷（7.14%×233988）=98.20%表3.6年产10万吨酒精的精馏塔物料和热量衡算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F239139F1CF2tF21.47×10796%酒精P’17263.1P’tPCP3.78×106加热蒸汽D234403D2I29.12×107次级酒精Pe345.3————稀酒精H’1708.2H’CHtH6.81×105杂醇油酒精蒸汽H352.2HiH5.27×105回流液————R（Pe+P’）tPCP1.16×107蒸馏废水D2+Wx57289.6（D2+Wx）tW2CW3.01×107热损失Qn21.82×106累计75250.21.18×108累计75250.23.62×1073.3用水衡算3.3.1蒸馏阶段用水1）精馏过程所需冷却用水：根据热量衡算有：(R2+1)（Pe+P’）i2=W精馏CW（t’H3-tH3）则：W精馏分凝=(R2+1)（Pe+P’）i2/[CW（t’H3-tH3）]表3.7公式中含义及数值表符号含义数值R精馏塔回流比，一般为3~43Pe回流入醛塔的次级等酒的数量345.3（Kg/h）P’实际酒精浓度数量17263.1（kg/h）i2塔顶上升蒸汽热含量1162.3(KJ/kg)tH3冷却水进口温度20(℃)t’H3冷却水出口温度90(℃)CW水的比热4.04KJ/（kg*k）由上面公式所得，精馏塔所需冷却用水量为:W精馏分凝=289480（kg/h）2）成品乙醇所需的冷却用水：出产的成品乙醇需要用深井水（温度约20℃），根据热量公式，则：W成品=P’CP（tP-t’P）/[CW（t’H2-tH2）]符号含义数值CP出塔酒精的比热2.80[KJ/（kg*k）]tP成品酒精冷却前的温度78.3(℃)t’P成品酒精冷却后的温度30(℃)tH2冷却水进口温度20(℃)t’H2冷却水出口温度40(℃)CW水的比热4.04[KJ/（kg*k）]P’实际酒精浓度数量17263.1（kg/h）表3.8公式中含义及数值表代入公式可求得成品乙醇所需的冷却用水量为：W成品=28894（kg/h）3）杂醇油分离器所需要的用水量：在这个杂醇油分离器上应该加入超纯水稀释，大约为其液的4倍，则稀释用水量为：W杂醇油分离=4*H=4×352.2=1408.8（kg/h）4）蒸馏阶段总的用水量为：W蒸馏工段=W精馏分凝+W成品+W杂醇油分离=289480+28894+1408.8=319782.8（kg/h）3.4供用汽衡算1）由前面计算所得数据可知蒸馏工段蒸汽消耗：D=D1+D2=55307+34403=89710（kg/h）2）年消耗蒸汽量为：89710×24×250=538260（t）3）工厂主要的蒸汽消耗在蒸馏阶段，在这过程中需要考虑热蒸汽的损失，而这些热损失会占总蒸馏蒸汽的4%左右，所以工厂的锅炉设备需要提供蒸汽量为：89710×（100%+4%）=89710×1.04=93298.4（kg/h）=93.3（t/h）4）提供蒸汽我们可以利用甘蔗渣来提供热量，当工厂的锅炉燃烧效率为85%时，则每吨甘蔗渣可以提供40t的蒸汽时，则需要甘蔗渣的量为：93298.4÷40÷85%=2744（kg/h）3.5供电计算根据多家的龙头酒精工厂的用电数据显示，可以得出生产1吨乙醇大约需要50度电左右，则生产10万吨生物乙醇需要：50×100000=5×106（度/年）=20000（度/日）每一个工厂所用的电量都略有偏差，并且这是一个估读的数据，即可以考虑乘以一个富裕系数120%。20000×120%=24000（度/日）=6×106（度/年）主要设备的计算4.1醪液体积流量的计算查看物料衡算表可知，每小时进入发酵罐的醪液体积流量为236871.4kg/h，密度为1200kg/m3。可以得出醪液进入种子罐和另一发酵罐的体积流量为：w=W/р=236871.4÷1200=197（m3/h）4.2发酵罐、种子罐和糖蜜储罐的计算4.2.1发酵罐的计算1）体积的计算据了解，如今大多数的酒精工厂发酵罐的规格在100m3到1000m3之间，占大多数的规格在300m3左右，所以本设计采用300m3。在这里设H=4R，h1=h2=0.2R。其中R为发酵罐的半径（m）；H为发酵罐的高（m）；h1、h2分别是上封头和下封头的高（m）。V全=π/4（2R）2H+2×π/4（2R）2（h1+1/3R）=300（m3）R=2.67m，H=10.66m，h1=h2=0.533m2）表面积的计算圆柱有三个面，两个圆形和一个侧面。侧面积F1=2πRH=2×3.14×2.67×10.66≈178（m2）假设两个封头的面积接近总表面积为F1+F2+F3=178+3+3=184（m）3）数量的确定由设计可知，采用300m3的发酵罐，发酵时间设置为2天（48h），设需要发酵罐n个，发酵有效容积的计算公式为：V有效=wt/n式中：w为体积流量、t为发酵时间、n为发酵罐数。一般情况下还存在一个填充系数μ，取80%。则可以求出整个容积为：V全×μ=V有效则有:300×0.8=197×36/n得出n=29.6个，取30个。4.2.2种子罐的计算根据工厂经验，种子罐内的醪液停留时间大约在12小时左右，这样为了让种子罐能够有充分的种子进行下一步反应。这里也需要一个装料经验系数μ，取80%。有公式：V=wT=197×12=2364（m3）V种子罐=V/μ=2364÷0.8=2955（m3），在这里取3000m3假设每个种子罐的规格为500m3，则需要罐数为：3000÷500=6个4.2.3糖蜜储罐的计算根据工厂经验，糖蜜储罐的规格多数采用1000m3，按先储存15天的糖蜜来计算，则：V=2388.6×15=35829（t）可以查阅资料得出含85°Bx甘蔗糖蜜的密度为1450kg/m3，得出：V=35829×1000÷1450=24710（m3）设其装料系数为80%，则贮罐的全容积为：V糖蜜=24710÷08=30888（m3）所以储罐的数量为：30888÷1000=30.9个，这里需取31个。4.3冷却装置的计算4.3.1发酵过程中热量的计算主要公式有Q=Q1-(Q2+Q3)Q1=GSwQ2=5%Q1Q3=Fac（t1-t2）符号含义数值G每罐发酵醪量233988kgS糖度降低百分值1%w每公斤糖发酵放热418.6JQ1主发酵期每小时糖度降低1度所放出的热量9.80×105KJ/hQ2代谢气体带走的蒸发热量，一般在5%~6%之间，本设计估算采用5%4.90×104KJ/hQ3不论发酵罐处于室内还是室外，均要向周围空间散发热量Q36.30×104KJ/ht1壁的温度35℃t2夏季平均温度27℃表4.1公式中含义及数值表所以得出：Q1=（233988÷12）×12×418.6×1%=9.80×105（KJ/h）Q2=5%Q1=5%×9.80×105=4.90×104（KJ/h）=8.35[kcal/（m2*h*℃）]=35[KJ/(m2*h*℃）]可得：Q3=224×35×（35-27）=6.30×104（KJ/h）需要冷却带走的单个发酵罐冷却热负荷为：Q=Q1-(Q2+Q3)=9.80×105-4.90×104-6.30×104=8.60×104（KJ/h）总发酵热为：Q发酵=8.60×104×12=1.03×106（KJ/h）4.3.2冷却水耗量的计算W冷却=Q/[Cp(t2-t1)]=1.03×106÷[4.18×(28-20)]=3.08×104（kg/h）对数平均温度差的计算公式：主发酵控制发酵温度tF为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为：t2=28℃，t1=20℃4.3.3计算传热总系数K在很多的酒精工厂中，一般选取蛇管为水煤气输送钢管，所以选用蛇管，通过设计比较，选取规格大小为Φ114×4，因此可以得出管的横截面积：0.785×（0.114-0.004×2）=0.08321（m2）设管内同心装蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：ω=3.08×104÷（3600×0.08321×1000）=0.10（m3/s）在这里设蛇管圈的半径为1.5m，直径则为3m；查得20℃时的水温中的常数A为6.45，则蛇管的热传分系数为：K2=4.18×A（рω）0.8/d0.2×（1+1.77d/R）=4.18×6.45×[（0.1×1000）0.8/0.1060.2]×(1+1.77×0.106÷1.5）=1892[KJ/(m2*h*℃）]式中：d为蛇管除去厚度的长度，等于114-2×4=106mm=0.106m；R为蛇管圈半径，R为1.5m。查资料得生产经验数据取2700[KJ/(m2*h*℃）]，则：式中：1/16750-为管壁水污垢层热阻[(m2*h*℃）/KJ]；钢管的导热系数[KJ/(m2*h*℃）]；0.004-管子壁厚（m）。4.3.4冷却面积和主要尺寸A=Q/（K1△tm）=8.60×104÷（1021×5.0）=17（m2）蛇管总长度为：L=A/(πDcp)=17÷（3.14×0.059）=92（m）式中：Dcp-蛇管的平均直径（m）确定一圈蛇管长度：L1=（2πR）2+h2=（2×3.14×1.5）2+0.22=10（m）式中：R-蛇管圈的半径，为1.5m；h-蛇管每相邻圈的中心距，取0.2m。蛇圈的总圈数为：NP=L/L1=92÷10=10（圈）蛇管总高度：H=（NP-1）hP=（10-1）×0.2=1.8（m4.3.5发酵罐壁厚1）发酵罐壁厚S 符号含义数值P设计压力，取最高工作压力的1.05倍。0.5MPaD发酵罐内径533cmA3钢的许用应力127MPaΦ焊缝系数，其范围在0.15~1之间0.7Q3壁厚附加量，C=C1+C2+C32.8mmC1钢板负偏差，视钢板厚度查表确定，范围0.13~1.30.8mmC2为腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm2mmC3加工减薄量，对冷加工C3=00mm表4.2公式中含义及数值表S=533×0.5÷（2×127×0.7-0.5）+2.8÷10=1.78（cm）由于30mm＞17.8mm，可以选用30mm厚A3钢板制作。4.3.6封头壁厚计算式中：P=0.5MPa，D=533cm，=127MPa，Φ=0.7C=0.8+2+0.1=0.38（mm）S=533×0.5÷（2×127×0.7-0.5）+0.38=1.88（cm）可以选用30mm厚A3钢板制作。4.3.7进出口管径的计算1）稀糖进口管径的计算：已知数据稀糖流量Q为197m3/h，流速V为0.10m3/s，则进料管截面积为：F物=Q/V=197÷3600÷0.1=0.547（m2）因为950mm＞830mm，可以选择φ950×10的无缝钢管。2）稀糖出口管径的计算：按照工厂经验，一般情况下进口管要比出口管少些，所以本设计取φ1000×10的无缝钢管。4.4设备的计算和选型4.4.1醪塔和蒸馏塔的计算本设计采用的是差压蒸馏两塔机组，是符合食用酒精GB10343普通级标准和工业酒精GB/T394.1标准。根据QB/T4170-2011，我们需要订制5台JFF3000醪塔，为方型浮阀塔盘，塔板数为20。与此对应需要5台JFF2600的精馏塔，塔板数60。4.4.2换热器的选择换热器是能够进行热量交换的的设备，在很多的领域上都能看到它的身影。本设计采用管壳式换热器[17]，属于间壁式换热器的一种，热流体和冷流体主要是通过换热管外壁来进行热量的交换。因为管壳换热器操作比较简单，而且成本低，所以选这种换热器。这种换热器管的标准尺寸一般是φ25×2，所用材料一般为不锈钢。本车间需要5个，需要一个富余量，总共6个。4.4.3稀释器的选择本设计采用的立式稀释器进行稀释糖蜜，由物料衡算可知，生产1000kg的无水乙醇需要4180kg的含85°Bx甘蔗糖蜜，则一天需要1672000kg，已知密度为1450kg/m3。需把糖蜜稀释到25%，则14212×100000/250=5684800kg，密度为1200kg/m3，V1=5684800÷1200=4737m3假设稀释液的近似体积等于：πR2l=V式中：R-为稀释器的内半径（m），一般取经验流速μ为0.35m3/s。l=0.35×24×3600=30240（m）取0.50m为稀释器的内径；现糖蜜的输送管的流速为0.10m/s；V2=1672000/1450=1153.1（m3）取0.50m为稀释器的内径。表4.3年产10万吨生物乙醇设计主要设备一览表序号设备名称台数规格与型号来源1种子罐6500m3订购2发酵罐30300m3订购3醪塔5JFF3000订制4精馏塔5JFF2600订制5换热器6管壳式订制6酒精捕集器2泡罩板式订制7稀释器20.50m订制8糖蜜贮罐311000m3订购9锅炉2订购5.车间和工厂布置5.1工厂的选址建厂需要符合经济效益，需要有一定的外部运输条件，在现有的规划上，要考虑生产流程、安全、环保、施工、气候条件等一系列要求。让建厂项目各个指标进行综合的确定，遵循“高质量建设、高效能管理”的要求。还要落实好国家下达的有关方针、政策法令和法规。需注意节约用地，少占或不占良田。本设计将选址在广西省南宁六景工业园区，这个工业园区在南宁市横县六景镇，算是广西的比较中心的位置。这位置交通比较发达，是个经济比较发达的地区，很利于厂家的长远发展。由于交通便利，也能节省很多运输成本。而广西也是一个盛产甘蔗的地方，原材料丰富，而且价格也相对的便宜，能剩下不少生产成本。附近也有很多大型的工厂和企业，利于交流和来往，更能促进工厂的发展。5.2工厂的概貌工厂大致分布为矩形型，蒸馏车间主要在工厂的中心地带，主要的工艺过程主要在中心到东北方向。而污水处理站建在工厂的最西北方，与此相反方（东南）建了员工宿舍还有饭堂，这样可以有效的保证员工的人身安全。办公大楼在正门偏左的一个位置，仓库在工厂的西南方向。5.3车间内常用设备的布置5.3.1发酵设备的布置工厂需要的发酵罐数量比较多，并且发酵的周期需要两天。为了合理且顺合工艺流程的正常进行，发酵罐之间需要间隔4m左右，靠近墙壁的发酵罐也需要有1m以上的距离，这样才可以合理地规划出人行通道和操作空间。发酵罐的底部需建一个水泥支架来支撑发酵罐，每个罐的底部都要有一个出料阀，并且要有足够的空间进行操作。5.4.2蒸馏设备及其他设备的布置蒸馏车间一般为露天型，醪塔和精馏塔都是比较高大的，通过冷凝器的作用，进行重力回流，减少消耗能源，把一些比较小型的塔设备和一些再沸器、分凝器、预热器、泵等小设备放在同一车间，方便操作，减少占地面积，省下建筑成本。高塔的进口最好都是同一方向的，塔与塔之间也要合理地规划出人行通道和操作空间。表5.1车间的组成车间内容生产车间发酵车间、蒸馏车间动力车间锅炉房、水泵房、变电房辅助车间机修、污水处理站仓库原料、成品公共设备食堂、宿舍、医务室、车库、办公室、门卫6成本的核算1）甘蔗成本一年大约需要597140t，据甘蔗批发网上可知甘蔗1kg的价格大概是1元，则一年甘蔗的成本为597140×1000×1=597140000元≈5.97×108元≈5.97亿2）设备成本：根据设备的计算可知：种子罐：6个，据阿里巴巴可知，订购一个需要48000元，则：6×48000=288000元发酵罐：30个，据阿里巴巴可知，订购一个需要30000元，则：30×30000=900000元醪塔：5个，据阿里巴巴可知，订制一个需要30000元，则：5×30000=150000元精馏塔：3个，据阿里巴巴可知，订制一个需要50000元，则：3×50000=150000元换热器：6个，据阿里巴巴可知，订制一个需要6500元，则：6×6500=39000元酒精捕集器：2个，据阿里巴巴可知，订制一个需要10000元，则：2×10000=20000元稀释器：2个，据阿里巴巴可知，订制一个需要11500元，则：2×11500=23000元糖蜜贮罐：31个，据阿里巴巴可知，订购一个需要100000元，则：31×100000=3100000元锅炉：2个，据阿里巴巴可知，订购一个需要110000元，则：2×110000=220000元混轮榨汁机：10个，据阿里巴巴可知，订购一个需要80000元，则：10×80000=800000元3）生活成本：一、蒸馏阶段用水1小时用水量为：3.20×105kg，查得工业用水一吨水为4.10元。则：3.20×105÷1000×24×250×4.10=787200元二、用电量：4.8×106度/年，据用电官网查得工业用电一度电约0.725元。则：4.8×106×0.725=3480000元4）总的成本597000000+288000+900000+150000+150000+39000+20000+23000+3100000+22000+800000+787200+3480000=606759200元7三废处理7.1生产废气在酒精发酵过程中，会产生大量的废气，主要是CO2气体。CO2在现阶段用途非常广泛，主要可以用来焊接工业、酒水和汽水行业、高效冷冻剂等多个领域，在科学研究和工农业生产上是必不可少的。在理论的计算中，生产一吨的乙醇大约可以产生0.95吨的CO2气体，这个数是非常庞大的。如果可以有效地回收利用这些CO2气体，对工厂生产能提供可用的CO2，大大节省成本。也能有效的控制二氧化碳的排放，符合国家排放的标准，确保环境空气受到最低的污染。本设计采用的是吸附精馏法，该方法能有效地提高二氧化碳的回收率；能有效的降低产品中的水分，大大提高了产品质量；通过添加吸附剂，很好的除去了产品的杂质，能有效的把产品提纯等一些优点。主要工艺流程见下图7.1：吸附精馏法工艺流程图7.17.2生产废水主要污水来源有各个设备通过洗涤而产生的废水，但污染性并不强；还有蒸馏设备需要大量的自来水，但可以循环利用，污染性也低；还有一些事来自工厂的生活污水。二、污水的处理国内外对糖蜜酒精废液的治理在生物法方面主要是采用好氧和厌氧相结合的方式进行处理的，采用厌氧处理主要是COD、BOD去除率高，运行费用低，有较好的经济效益，可以回收沼气，但排放污水难以达标，若进行农灌处理不失为一种不错的选择，而好氧处理则是使所处理污水的排放达到国家标准，国内的厌氧法是现在治理糖蜜废液一个不错的工艺。原因在于其比较高的COD、BOD去除率运行成本较低，还可以获得一定的能源一沼气，取得一定的经济效益。7.3固体废物主要为榨蔗汁过程产生的废蔗渣，还有生产过程中各种沉淀物和杂质等。这里主要处理的是蔗渣。一顿的甘蔗可以产生270~280kg的蔗渣，这些可以是生产二代生物乙醇的原料，也可以通过热处理进行发热发电。下图6-1是蔗渣转化为二代生物乙醇的简单工艺[12]。图7.2甘蔗渣转化二代生物乙醇工艺流程图8结论本设计在了解国内外部燃料乙醇发酵业生产、发展概况之后，通过进行查阅相关的资料文献后，进行了工艺的设计，物料能量的衡算，设备的选型以及车间和工厂的布局，最终的结论是以甘蔗为原料年产10吨生物乙醇的工厂设计理论上可行。在我国乙醇行业中，发酵工艺已经比较成熟。作为世界生物燃料乙醇第三大国，乙醇原材料非常的充足。本设计采用甘蔗为原材料，通过甘蔗来制糖蜜，糖蜜通过连续发酵方式生产乙醇。通过本次设计，在这过程中使我收获很多的