酒精生产工艺

前言一、设计规定：1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。2、设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述等。二、设计目的：1、把课本的知识运用到社会实践当中去，才是我们学习专业理论知识的最终目的2、通过本次专业实习设计可以看出现有的生产工艺存在哪些局限性，学会自主查找资料进行更加科学有效的改善。三、设计意义：酒精工业是在酿酒业的基础上发展起来的,有很悠久的历史。近年来，我国酒精生产技术和生产水平又有了新的提高，新工艺新设备新菌种不断涌现，酒精产量有了较大增长，质量稳定提高；在节约代用，减少消耗，减少成本，提高劳动生产率，提高淀粉出酒率及开展综合运用与消除环境污染等各个方面，都取得了很大成绩。目前，我国大多数酒精采用生物发酵和化学合成法工艺流程，逐步实现了淀粉质原料和化学原料的连续化和自动化。四、设计原理：生物发酵重要是运用谷物类、薯类植物中的淀粉，其余的部分仍可综合运用，生产出专用饲料和农业复合肥等产品。在综合运用方面以二氧化碳的回收运用最为普遍，有的厂运用二氧化碳制造干冰、纯碱和小苏打。在自动控制仪表方面也有进展，有的厂已采用电脑实现了重要工序集中控制，目前，我国一些酒精厂正在朝着生产过程全面实行自动化方向发展。化学合成法重要是运用石油工业，石油化学工业、天然气开发和加工工业产生的乙烯气为原料，使得乙烯水合法的原料得到充足保证。五、设计规模：我国酒精生产以发酵法占绝对优势，并且80%左右的酒精都是用淀粉质原料生产。酒精的化学名称叫乙醇，为一种无色透明并且具有特殊芳香味和强烈刺激味的极易挥发的液体，是一种良好的有机溶剂。酒精及其副产品在化学工业、食品工业（如防腐剂）、国防工业（如无烟火药）、农牧业（如杀虫剂、饲料）和交通运送业（如燃料）、医疗卫生事业（如消毒剂）和科研（如脱水剂）等方面有广泛的用途。用食用酒精制造各种配制酒、勾兑白酒，强化葡萄酒以及用以酿制食醋、各种酒精性饮料和作为食品添加剂。目录前言 II目录 1第一章绪论 31.1酒精的基本概念及物理性质 31.2酒精的分类 31.3酒精的生产方法 31.4酒精的市场前景 3第二章生物发酵法酿造酒精 52.1生物发酵法的地位 52.2生产原料 52.3辅助物料 62.4淀粉性质 62.4.1淀粉颗粒的形状 62.4.2淀粉分子的结构 62.4.3淀粉的膨胀和溶解 72.5工艺流程 72.5.1原料解决 82.5.2原料水热解决 82.5.3物料的糖化 92.5.4酒精的发酵 102.5.5发酵液的蒸馏、冷凝、提纯 112.5.6存在问题及安全事故解决 11第三章化学合成法制酒精 133.1关于乙烯的介绍 133.2乙烯间接水合法 133.3乙烯直接水合法 143.3.1直接水合法工艺流程图设计 14乙烯直接水合法工艺流程图如下 143.4间接法和直接法两者比较 153.5影响反映的因素 153.6酒精的储存注意事项 153.7酒精的安全使用注意事项 16第四章酒精的用途 174.1饮料 174.2香精 174.3有机化工原料 174.4做有机溶剂 174.5做消毒剂 174.6做燃料 18第五章总结与展望 19第一章绪论1.1酒精的基本概念及物理性质酒精学名“乙醇”，其分子式C2H6O,结构式CH3-CH2-OH，是酒的重要成分。它的重要物理性质是常温呈液态，无色透明，易挥发，易燃烧，沸点为78.3℃，熔点为-114℃，溶于水，不易感染杂菌，刺激性较强，可溶于酸碱和少量油类，不溶解于盐类。1.2酒精的分类酒精作为一种原料性的产品，其产品质量必须达成一定的标准。通常，酒精按含杂质多少分为：无水酒精、试剂酒精、食用酒精，医药酒精，工业酒精。1.3酒精的生产方法生物发酵法：以淀粉植物为原料，进行粉碎、糖化、发酵、蒸馏、提纯，从而得到高纯度的酒精。化学合成法：以石油工业中石油裂解产生的乙烯作为原料加水合成为酒精。1.4酒精的市场前景酒精行业的下游需求重要有三个方面，分别是白酒行业、燃料乙醇行业和化工医药行业。分别占酒精的35%、30%和32%。尚有3%的消费重要是出口。2023年的白酒行业的消费比较稳定，略有增长。毕竟中国的酒文化源远流长，对于白酒的消费习惯难以改变，因此市场对于使用，因此需求长期稳定。酒精仍然存在刚性需求。燃料乙醇的产量稳定，燃料乙醇应当是目前酒精下游消费中利润最佳的行业，同时有着国家的支持。现在全国大中城市饭店、食堂用的餐饮灶、民用取暖锅炉、茶炉、工业炉窑等大多数都以燃烧石油资源为代价,并且燃料成本价很高。既污染环境又是资源上的巨大浪费。人们迫切希望有一种低价、安全、方便的新型燃料及燃烧器问世。它是减少石油资源浪费，改善不合理的资源配置，保护环境。保证国民经济可连续发展的战略方针。为此，燃料乙醇提供了以上所需的方便。因此，酒精行业在市场上的需求是可观的。第二章生物发酵法酿造酒精2.1生物发酵法的地位由于化学合成法酒精有具有较多杂质等缺陷，其应用受到限制，因此我国酒精生产以发酵法为主，特别是随着石油储量的锐减，发酵法酒精工业将日趋重要。我国酒精年产量为300万吨，仅次于巴西、美国，列为世界第3位。其中发酵法酒精占绝对优势，80%左右的酒精用淀粉质原料生产、约有10%的酒精用废糖蜜生产、以亚硫酸盐纸浆废液等纤维原料生产的酒精约占2%左右，合成酒精占酒精总产量的3.5%左右。2.2生产原料淀粉质原料是生产酒精的重要原料。用于发酵法生产酒精的原料重要有：薯类（甘薯、马铃薯、木薯、山药等）；粮谷类（高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍等）；糖质原料（甘蔗、甜菜、糖蜜等）；野生植物（橡子仁，土茯苓、蕨根、石蒜等）；农产品加工副产品（米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等）；纤维质原料（秸秆、甘蔗渣等）；亚硫酸造纸废液等。我国大多数工厂是采用红薯和玉米为原料生产酒精。玉米化学成分：水分蛋白质脂肪淀粉粗纤维灰分78-103.1-560-651.31.7红薯化学成分：水分蛋白质脂肪淀粉粗纤维灰分149-150.5-315-301.10.92.3辅助物料辅助物料涉及：酵母培养和糖化剂制备所需营养盐，调PH所用酸类、洗涤剂、消毒剂、脱水剂等。酒母，就是将酵母菌扩大培养，获得足够数量酵母菌的酵母培养液，以供酒精发酵之用。酒精生产用水，按水的用处不同，大体分为以下三种：（1）酿造用水：或称工艺用水，凡制曲时拌料，微生物培养，制曲原料的浸泡、糊化、稀释、设备及工具的清洗等因其与原料、半成品、成品的直接接触，故统称为工艺用水。通常规定具有弱酸性，PH为4.0-5.0。（2）冷却用水：蒸煮醪和糖化醪的冷却，发酵温度的控制，需大量的冷却用水。因其不与物料直接接触，故只需温度较低；硬度适中。为节约用水，冷却水应尽也许予以回收运用。（3）锅炉用水：通常规定无固型悬浮物，总硬度和碱度应尽也许低，PH在25°时高于7，含油量及溶解物等越少越好。2.4淀粉性质2.4.1淀粉颗粒的形状淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，颗粒内部呈复杂的结晶组织。不同的淀粉颗粒具有不同的形状和大小。同一淀粉的颗粒大小也不均匀。淀粉颗粒具有抵抗外力作用较强的外膜，其化学组成与内层淀粉相同，但由于水分较少，密度较大，故强度较大。2.4.2淀粉分子的结构淀粉分子是由许多葡萄糖基团聚合而成的。根据淀粉分子链结构的不同，淀粉可提成直链和支链淀粉两类。直链淀粉溶解于70-80℃的温水中。支链淀粉具有分支，它不溶解于温水中。2.4.3淀粉的膨胀和溶解淀粉在水中加热，即发生膨胀。这时淀粉颗粒仿佛是一个渗透系统，其中支链淀粉起着半透膜的作用，而渗透压的大小及膨胀限度则随温度的增高而增高。从40℃开始，膨胀的速度就明显加快。当温度升高到一定数值（60-80℃）时，淀粉颗粒的体积膨胀至本来体积的50-100倍时，淀粉分子之间的联系削弱，引起淀粉颗粒的部分解体，形成了均一的粘稠液体。这种无限膨化的现象为淀粉的糊化。与此相应的温度叫做糊化温度。糊化现象发生后，假如温度继续上升，并达成130℃左右时，由于支链淀粉也已几乎所有溶解，网状组织彻底破坏，淀粉溶解变成粘度较低的流动性醪液，这种现象称为淀粉的溶解。2.5工艺流程酒精生产工艺示意图如下：2.5.1原料解决淀粉质原料在正式进入设备之前，必须进行预解决，以保证生产的正常进行提高生产的效益。预解决涉及除杂和粉碎两个工序。原料除杂：淀粉质原料在收获和干燥的过程中往往会掺杂进泥土，沙石，纤维质杂物，甚至金属块等杂物。这些杂质假如不在投入生产前予以除去，则将严重影响生产的正常运转。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或损伤，泥沙等杂质的存在也会影响正常的发酵过程。常用的除杂方法有筛选、风送除杂和电磁除铁三种。原料的粉碎：淀粉是以淀粉颗粒的形式存在于原料的细胞之中，为了使淀粉能最终转化成酒精，一方面要发明条件，使淀粉有也许从细胞中游离出来。为此,原料要粉碎，把块状或粒状的原料磨碎成粉末状态。以破坏植物细胞组织，便于淀粉的游离。原料经粉碎后，受热面积可增长，利于淀粉原料的吸水膨化，糊化乃至溶解，为随后的淀粉酶系统作用，并为淀粉转化成可发酵性糖发明条件，从而提高热解决效率。干式粉碎：干法粉碎多采用粗碎和细碎两级粉碎工艺。（1）粗碎：原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物料以薯干为例应能通过6-10mm的筛孔，然后在送去进行细粉碎。（2）细碎：通过粗碎的原料进入细碎机，细碎后的原料颗粒一般应通过1.2-1.5mm的筛孔。也有采用1.8-2.0mm筛孔的（适合玉米粉）。湿式粉碎：粉碎时将搅拌用水与原料一起加到粉碎机种进行粉碎。2.5.2原料水热解决（1）目的：含在原料细胞中的淀粉颗粒，由于植物细胞壁的保护作用，不易受到淀粉酶系统的作用。此外，不溶解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非产的缓慢，水解限度也不高。所以，淀粉原料在进行糖化之前一定要通过水-热解决（原料的蒸煮），使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用。（2）用淀粉质原料生产酒精的工厂，多数采用连续蒸煮工艺，只有少部分小型酒精厂和白酒厂，还采用间歇蒸煮工艺（3）连续蒸煮工艺应满足的规定①原料的粉碎；②粉浆的预煮醪的蒸煮；③蒸煮醪的汽液分离；④淀粉质原料的连续蒸煮，是一项重大技术革新。根据蒸煮设备的类型，可分为罐式连续蒸煮、柱式连续蒸煮和管道式连续蒸煮3种方法。2.5.3物料的糖化（1）糖化剂的定义：用淀粉质原料生产酒精时，在进行酒精发酵前，一定要事先将淀粉所有或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖，这一淀粉转化为糖的过程称为“糖化”，而促使淀粉转化成糖的生物催化剂称为“糖化剂”。（2）糖化的目的：淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮醪，或者无蒸煮工艺的醪液，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶系统的作用下水解成酵母能发酵的糖类。淀粉转变为糖的这一过程，称为糖化。糖化后的醪液称为糖化醪。重要目的还是将淀粉酶解成发酵性糖。（3）糖化过程的控制①糖化温度：在蒸煮醪时，不宜采用糖化酶的最适作用温度，由于酶稳定的最适温度比其他作用的最适温度低。所以在最适作用温度下进行糖化，虽然糖化速度提高了，但是酶的失活率也比较高，不利于在发酵过程中进行的淀粉后糖化作用。②糖化时间：糖化30min就够了，醪中所含的糖已经够酵母最初繁殖和发酵的需要。并且糖化时间再延长，不仅糖含量增长较慢，并且糖化酶失活量增长，这会导致发酵过程中边发酵边糖化作用的削弱，综合效果反而恶化。此外，糖化时间过长会减少糖化设备的运用率。③糖化剂的用量：过多的糖化剂的使用会增长成本。④糖化设备的清洗和灭菌：凡是因故停止送糖化醪达15min以上者，一定要用水或蒸汽将管道中的糖化醪放空冲洗干净。喷淋冷却器等设备的结构要能排污和没有死角。2.5.4酒精的发酵（1）发酵机理：发酵原是一种自发性的天然过程，微生物在合适的基质上生长，分泌出各种酶将食物中的蛋白质和碳水化合物分解，并将之吸取及转化，最终形成风味物质。而微生物的品种、基质的种类及预解决方法，以及发酵过程中环境条件的调控等，都是影响产品风味的重要因素。代谢产生的酒精可与水以任意比例混合，然后穿过细胞进入发酵液。发酵过程中产生的二氧化碳逐渐溶于发酵醪中，达成饱和时，便吸附于细胞表面，超过吸附能力时，则二氧化碳变为气泡上升，又由于二氧化碳之间的互相碰撞，形成更大的气泡上升。二氧化碳的上升带动了醪液中酵母细胞的上下浮动，从而使酵母细胞更充足地与醪液中的糖分接触，进而使发酵作用进行得更充足和更彻底。酒精酵母不具有阿尔法淀粉酶和贝塔淀粉酶，所以不能直接运用淀粉进行发酵。因此，在运用淀粉原料生产酒精时，必须先进行糖化。酵母菌体内与酒精发酵关系密切的酶重要有两类：一类水解酶，它能将大分子物质分解为小分子物质，如蔗糖酶、麦芽糖酶及甘糖酶；另一类是酒化酶，是参与酒精发酵的各种酶及辅酶的总称（酵母细胞参与活动将糖转化为酒精），如氧化还原酶、烯醇化酶等胞内酶。（2）酵母的规定①应具有较高的发酵能力，即能快速并完全地将糖分转化为酒精。②繁殖速度快，即具有高的比生长速度。③具有高的耐酒精能力，即对自身代谢产物的稳定性高，因而可以进行浓醪发酵。④抵抗杂菌能力强，即对杂菌代谢产物的稳定性高，耐有机酸能力强。⑤对培养基的适应性强，耐高温，耐盐，耐干物质浓度的性能强。（3）酵母的生长条件①温度和PH酵母生存和繁殖的温度范围很宽，但是，其正常的生活和繁殖温度是27-30°C。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动削弱或停止。酵母发育的最高温度是38°C，最低温度为-5°C，在50°C时酵母死亡；PH应控制在4.2－4.7为宜，PH值太低，不仅会克制杂菌的繁殖，同时也会克制酵母的繁殖和代谢，还会使糖化酶钝化，影响发酵结果。②酵母对营养物质的规定由于酵母的化学组成与培养基，培养条件和酵母自身所处的生理状态有关，所以，可以根据酵母的化学组成来讨论其对营养物质的需求。③营养来源酵母的营养区分为内部营养和外部营养两类。在外部营养时，营养物质是从培养基进入细胞，而内部营养时，酵母运用自己的贮存物质：肝糖，海藻糖，脂类，含氮化合物。④其他因素糖化醪的浓度,无机酸和有机酸的影响，钙，铁，镁，离子的作用。2.5.5发酵液的蒸馏、冷凝、提纯蒸馏原理：蒸馏是运用液体混合物中各组分挥发性能的不同，将各组分分离的方法。它就是当前全世界酒精工业从发酵醪中回收酒精所采用的唯一方法。所以，把之前发酵好的物料泵送入塔里进行蒸馏，运用酒精的易发挥发，沸点低等物理性质，把酒精从发酵液里分离出来。冷凝：酒精蒸汽从蒸馏塔里出来通过冷凝塔冷凝成酒精液体，输送到提馏塔里进行提纯，最后到成品罐。2.5.6存在问题及安全事故解决1、二氧化碳中带有酒精，未及时解决问题发酵当中会产生大量的二氧化碳和酒精，二氧化碳会随着量的增长会跑出去，这个时候会夹带少部分酒精在里面，来不及解决就浪费了。解决方法，应将跑出去的二氧化碳经酒精回收后到气体收集运用。2、发酵醪PH与温度控制的问题适当减少发酵醪中PH的合理控制，是阻止发酵杂菌污染的重要措施。连续发酵规定无菌条件非常严格，PH应控制在4.2－4.7为宜。但PH值太低，不仅会克制杂菌的繁殖，同时也会克制酵母的繁殖和代谢，还会使糖化酶钝化，影响发酵结果。发酵法中，酵母繁殖温度为27℃－30℃，发酵温度为33℃－35℃，假如温度高于40℃，酒精发酵很难进行。产酸细菌繁殖最适温度为37℃－50℃，因此高温发酵易被细菌污染。3、发酵醪浓度问题发酵规定在一定浓度的糖化醪中进行，醪液浓度的高低直接影响到生产业绩。糖化醪浓度稀，虽然有助于酵母的生长代谢，能提高出酒率，但是浓醪发酵却能提高设备运用率，节省水、电，减少生产成本，增长产量。因此，生产上建议尽量采用浓醪发酵。4、杂菌的危害发酵过程中会产生一些杂菌，杂菌产生的有机酸对酵母的生命活动有影响，酸度的增长会对淀粉酶有克制性。所以，要提高车间的清洁卫生和及时进行消毒灭菌工作。5、蒸汽泄漏事故在锅炉加热时，蒸汽是在逐渐增多的。假如泄漏的话应及时关闭进风口和进气口；输出口开大，让其尽量排出。由于蒸汽高温，所以要注意准备放热服等工具。6、酒精的储存安全酒精由于沸点燃点都较低，易燃易爆。所以储存的时候一定要阴暗地区，避免阳光暴晒发生爆炸，安全设施要制备齐全。第三章化学合成法制酒精3.1关于乙烯的介绍在化学法制酒精的工艺中乙烯（C2H4)是最重要的原料。乙烯分子结构：C原子以sp2杂化轨道成键、分子为平面形的非极性分子。乙烯的重要来源：在高温下，把石油的分馏产品中长链烃断裂为气态小分子烃。石油裂解的化学过程是比较复杂的，生成的裂解气是一种复杂的混合气体，它除了重要具有乙烯、丙烯、丁二烯等不饱和烃外，还具有甲烷、乙烷、氢气、硫化氢等。裂解气里烯烃含量比较高。因此，常把乙烯的产量作为衡量石油化工发展水平的标志。乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,乙烯工业是石油化工产业的核心,乙烯产品占石化产品的70%以上,在国民经济中占有重要的地位.世界上已将乙烯产品作为衡量一个国家石油化工生产水平的重要标志之一.3.2乙烯间接水合法间接水合法也称硫酸酯法，反映分两步进行。一方面，将乙烯在一定温度、压力条件下通入硫酸中，在20—30大气压、70—80℃生成硫酸酯硫酸氢乙酯和硫酸二乙酯：C2H4+（浓）H2SO4→C2H5OSO2OH2C2H4+（浓）H2SO4→(C2H5O)2SO2另一方面硫酸酯硫酸氢乙酯和硫酸二乙酯在水解塔中加热至100℃水解的乙醇：C2H5OSO2OH→C2H5OH+H2SO4(C2H5O)2SO2→2C2H5OH+H2SO4同时有副产物乙醚生成。虽然间接水合法可用低纯度的乙烯作原料、反映条件较温和，乙烯转化率高，但生产过程中所产生的大量稀硫酸对设备腐蚀严重，生产流程长，因此为直接水合法取代。3.3乙烯直接水合法直接水合法在一定条件下，乙烯通过固体酸催化剂直接与水反映生成乙醇：CH2=CH2+H2O→CH2CH2OH上述反映是放热、分子数减少的可逆反映。理论上低温、高压有助于平衡向生成乙醇的方向移动，但事实上低温、高压受到反映速率和水蒸汽饱和气压的限制。3.3.1直接水合法工艺流程图设计乙烯直接水合法工艺流程图如下分为合成、精制和脱水3部分。反映器的操作条件:反映温度325℃,反映压力6.9MPa,催化剂是以硅藻土为载体的H3PO4。转化率4%～5%,选择性95%～97%。因反映液中具有磷酸,所以在工艺流程中设立一个洗涤塔(又称中和塔)用碱水溶液或含碱稀乙醇溶液中和。这一工序一定要放在换热器后,因高温易使磷酸盐在换热器表面结垢,甚至会堵塞管道。含乙醇10%～15%的粗乙醇水溶液,分别由洗涤塔和分离塔底进入乙醇精制部分。未反映的乙烯经水洗、分离后，由循环压缩机升压返回系统。压力的选择：在一定范围内，提高压力是可以的。但是压力过高不仅受到设备规定的限制，并且会影响催化剂，反映物的活性，从而导致反映不完全。水和乙烯的加入量的选择：查找资料得出，水与乙烯的分子比在1：1附近转化率达成最高值，超过1：1，则转化率下降，调查同类工厂得到最佳的分子比为0.7.3.4间接法和直接法两者比较间接法的突出优点是原料乙烯浓度合用范围广，乙烯分压低，电量消耗少，适合在电力紧张而硫酸来源充足的地区。缺陷在于需要以硫酸为媒介，在水解、稀硫酸提浓过程中会对设备设施导致严重腐蚀。而直接法不需要硫酸，工艺流程较简朴，其基建费用、产品成本也要低于间接法。但其缺陷规定高纯度的（96%以上）乙烯，由于乙烯单程转化率低，（4%—5%）气体需经多次循环，其耗电量较大。但随着工业的飞速发展，制取高纯度的乙烯都已不是