【正文】 湖 北 大 學 化學化工學院 化工 設計 發(fā)酵法年產 5 萬噸乙醇的工藝設計 學生姓名 王慶玲 學 號 2021221106100126 專 業(yè) 化學工程與工藝 年 級 2021 級 指導老師 楊世芳 日 期 202117 1 目 錄 1 概述 ?????????????????? ???????? 4 乙醇的性質及質量標準 ?????????????????? 4 物理性質 ? ????????????????????? 4 化學性質 ?????????????????????? 4 生化性 ??????????????????????? 4 質量標準 ?????????????????????? 4 乙醇生產的意義及發(fā)展史 ????????????????? 5 乙醇生產的意義 ?????????????????? 5 乙醇生產的發(fā)展 ?????????????????? 5 乙醇的應用領域 ???????????????????? 6 主要生產工藝 ???????????????????? 6 合成法 ?????????????????????? 6 發(fā)酵法 ?????????????????????? 7 2 乙醇發(fā)酵工藝 ?????????????? ?????? 11 木薯的處理 ??????????????????????? 11 原料除雜 ?????????????????????? 11 原料粉碎 ?????????????????????? 11 原料輸送 ????????? ????????????? 12 液化和糖化 ?????????????????????? 12 液化 ???????????????????????? 12 糖化 ???????????????????????? 13 2 乙醇發(fā)酵 ???????????????????????? 13 乙醇發(fā)酵常用的微生物 ???????????????? 13 酵母生長條件 ???????????????????? 14 酵母的培養(yǎng)工藝 ?????????????????? ? 14 發(fā)酵乙醇的機理 ??????????????????? 16 乙醇發(fā)酵工藝 ???????????????????? 16 乙醇發(fā)酵的成熟指標 ???????????????? 16 3 物料衡算 ???????????????? ??????? 17 原料消耗的計算 ???????????????????? 17 每噸 95%乙醇木薯干的消耗量 ????????????? 17 每噸 95%乙醇α 淀粉酶的消耗量 ???????????? 17 每噸 95%乙醇糖化酶的消耗量 ????????????? 18 醪液量的計算 ?????????????????????? 18 發(fā)酵過程的計算 ???????????????????? 19 發(fā)酵罐的計算 ???????????????????? 19 發(fā)酵熱的計算 ???????????????????? 20 成熟醪發(fā)酵液中乙醇含量 ?????????????? 22 換熱器選型 ?????????????????????? 22 塔（ T1）塔頂冷凝器（ E1） ???????????? 22 塔（ T2）塔頂冷凝器（ E2） ???????????? 23 儲罐選型 ???????????????????????? 23 儲罐 (V1)?????????????????????? 23 其它儲罐選型 ???????????????????? 23 泵的選型 ???????????????????????? 24 3 泵 (P1)?????????????????????? 24 其它泵的選型 ??????????? ????????? 24 小結 ?????????????????????????? 25 符號說明 ?????????????????????????? 26 致謝 ???????????????????????????? 27 參考文獻 ?????????????????????????? 28 附錄 工藝流程圖 ?????????????????????? 29 4 1 概述 乙醇的性質及質量標準 乙醇 又名酒精 ，是由碳、氫、氧 3 種元素組成的有機化合物， 分子式為 C2H5OH， 結構簡式為CH3CH2OH， 相對分子質量為 46。 乙醇 既是食品、化工、醫(yī)藥、染料、國防等工業(yè)十分重要的基礎原料，又是可再生的清潔能源。 乙醇 作為重要的溶劑和化工原料而廣泛應用于化學工業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)，它又是飲料酒工業(yè)的基礎性原料，也是一種方便而較干凈的液體（或固體）燃料。 物理性質 乙醇 是無色透明的液體，比水輕，具有特殊的芳香氣和刺激味，吸濕性很強，可與水以任何比例混合并產生熱量。 乙醇 易揮發(fā)易燃燒，燃燒時產生大量的熱量，燃燒產物是水和 二氧化碳。乙醇蒸汽與空氣能形成爆炸性混合氣體，爆炸極限為 %18%（體積分數） 乙醇的物理指標： 熔點 (℃ )： 沸點 (℃ )： 相對密度 (水 =1)： 相對蒸氣密度 (空氣 =1)： 飽和蒸氣壓 (kPa)： (19℃ ) 燃燒熱 (kJ/mol)： 蒸發(fā)熱 (kJ/L)： 臨界溫度 (℃ )： 臨界壓力 (MPa)： 辛醇 /水分配系數的對數值： 閃點 (℃ )： 12 引燃溫度 (℃ )： 363 溶解性： 與水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多數有機溶劑。 化學性質 1） 氧化作用下 乙醇 的變化 2C2H5OH + O2→2CH3CHO + 2H2O C2H5OH + O2→CH3COOH + H2O CHOH + O 2CO2+3H2O 2） 堿金屬，堿土金屬與 乙醇 的作用 2Na + 2C2H5OH→2C5H5ONa + H2↑ Mg + 2C2H5OH→C(C2H5O)2 Mg + H2↑ 3） 酸與 乙醇 的反應 CH3COOH + C2H5OH→CH3COOC2H5 + H2O 4） 乙醇 的脫水反應 CH3CH2OH CH2=CH2 ↑+ H2O 2CH3CH2OH C2H5OC2H5 + H2O 生化性 乙醇 能使細胞蛋白質凝固，尤以 75%（體積分數）的 乙醇 作用最為強烈，濃度過高，細胞表面的蛋白質迅速凝固形成一層薄膜，阻止 乙醇 向內部滲透，作用效果反而降低，濃度過低則不能使蛋白質凝固 [1]。因此常選用 75%（體積分數）的 乙醇 作消毒劑 乙醇 易被人體腸胃吸收，吸收后迅速解放出熱量。少量 乙醇 對大腦有興奮作用，數量較大則有麻醉作用，大量 乙醇 對肝臟和神經系統有害作用。 質量標準 乙醇 作為一種原料性的產品，其產品質量必須達到一定的標準。通常， 乙醇 按含雜質多少分為：無水 乙醇 、試劑 乙醇 、食用 乙醇 ，醫(yī)藥 乙醇 ，工業(yè) 乙醇 。 其食用 乙醇 國家標準 如 表 所示。 表 乙醇 的質量指標表 項 目 特 級 優(yōu) 級 普 通 級 色度 /號 ≤ 10 10 10 乙醇 /％（體積分數） ≥ 硫酸試驗 /號 ≤ 5 10 60 氧化時間 /min ≥ 40 30 20 5 醛 /mg/L ≤ 1 3 30 甲醇 /mg/L ≤ 2 50 150 正丙醇 /mg/L ≤ 2 35 100 異丁醇＋異戊醇 /mg/L ≤ 1 2 30 酸（以乙酸計） /mg/L ≤ 7 10 20 酯（以乙酸乙酯計） /mg/L ≤ 10 18 25 不揮發(fā)物 /mg/L ≤ 10 20 25 重金屬（以 Pb 計） /mg/L ≤ 1 1 1 氰化物（以 HCN 計） /mg/L ≤ 5 5 5 乙醇 生產的意義及發(fā)展史 乙醇 生產的意義 乙醇是可再生能源 ,若采用小麥、玉米、稻谷殼、 薯類、甘蔗、糖蜜等生物質發(fā)酵生產乙醇 ,其燃燒所排放的二氧化碳和作為原料的生物源生長所消耗的二氧化碳 , 在數量上基本持平 ,這對減少大氣污染及抑制溫室效應意義重大。 發(fā)展 乙醇 不僅可以促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并且可以作為清潔能源代替汽油或汽油添加劑，減少工業(yè)大氣污染，保護環(huán)境，同時也可緩解原油進口的壓力。 根據我國《生物燃料乙醇及車用乙醇汽油 “ 十一五 ” 發(fā)展專項規(guī)劃》， “ 十一五 ” 期間，我國將生產 600萬噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇 500 萬噸，生物柴油 100 萬噸；到 2020 年，生產 2021 萬噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇 1500 萬噸。如果完全用玉米來生產，按照 1： 比例計算， 2021 年對玉米的需求將達到 1650 萬噸， 2020 年將達到 4950 萬噸，加上其他工業(yè)消費對玉米需求的增長，未來我國玉米生產將難以滿足燃料乙醇生產的工業(yè)化需求，完全使用玉米生產燃料乙醇在我國并不現實。隨著陳化糧食逐步消耗殆盡和玉米價格節(jié)節(jié)攀升，考慮到玉米生物乙醇的發(fā)展可能威脅到國家的糧食安全，為此， 2021 年起國家停止新批玉米燃料乙醇企業(yè)，并大力鼓勵發(fā)展非糧食作物為原料開發(fā)燃料乙醇。 所以 以 非糧作物 為原料生產乙醇有著廣闊的市場前景，對解決日益緊迫的液體燃料 短缺問題具有極其重要的意義 。 乙醇 生產的發(fā)展 1） 生產技術的現代化 新中國成立前，我國 乙醇 工業(yè)的規(guī)模很小，生產工藝均為間歇式，以麥芽作淀粉糖化劑，原料不經粉碎，淀粉利用率只有 60%左右。 20 世紀 50 年代中期開始進行技術革新，首先在糖化劑方商采用微生物糖化劑代替麥芽， 1964 年推行機械通風制曲，隨后普遍應用液體曲， 1978 年開發(fā)出高活力糖化酶新菌種（ UV11）進入 20 世紀 90 年代后逐步使用具有國際水平的耐高溫 X淀粉酶和高轉化率糖化酶。 在淀粉質原料的蒸煮、糖化工藝方面采用一級真空冷卻連續(xù)糖化。在 發(fā)酵方面，出現了應用耐高溫酵母、釀酒用活性干酵母（或鮮酵母）及固定化酵母的新工藝。在蒸餾方面 乙醇 蒸餾的塔器配置從兩塔、三塔 /四塔、五塔發(fā)展到八塔蒸餾，近年來差壓蒸餾等新技術正在生產中推廣應用。 50 年來，我國的 乙醇 生產技術得到很大發(fā)展，淀粉利用率達 90%以上，水平高的企業(yè)淀粉出酒率達 55～ 56%；發(fā)酵液 乙醇 濃度由 5%提高到 10%左右； 每 噸 乙醇 耗煤從過去普遍在 2 噸以上降到 1噸以下（最低達 500 公斤）。進入 90 年代后，隨著食用 乙醇 國家標準的制訂和實施，我國 乙醇 工業(yè)的生產技術水平得到了普遍性的提高 2） 建立了完 善的 乙醇 產品質量標準，具有生產多種規(guī)格 乙醇 產品的實力 20 世紀 50 年代初期，我國 乙醇 產品無統一的質量標準。有的廠 夠度 即算合格，有的廠參考外國標準自行規(guī)定一些檢查項目，也有的廠按中華藥典中醫(yī)藥 乙醇 的要求生產。 1954 年，哈爾濱、濟南、天津等 乙醇 廠應軍工的需要按原蘇聯的 乙醇 標準（ roct592151）試制成功 精餾酒精 ，并按此生產。 1956 年，原食品工業(yè)部參照原蘇聯 乙醇 標準及中華藥典制訂了 精餾酒精 （食酒 030156）和醫(yī)藥酒精 （食酒 030256）的部頒標準。至此，我國 乙醇 工業(yè)有了全國統一的產 品質量標準。 現今，我國已經具備較完整的 乙醇 產品 質量標準體系，并正在對 食用 乙醇 國家標準（ GB1304389）組織進行修訂，以使其進一步和國際先進水平接軌。 不斷提高并有著先進性的產品標準，有力促進了我國 乙醇 生產和質量水平的不斷提高?，F在大多數企業(yè)都能生產普級食用 乙醇 ，相當一部分企業(yè)具有生產優(yōu)級食用 乙醇 的實力，有多家企業(yè)進行著高純度特級 乙醇 的生產。 3） 糟液治理與綜合利用取得長足發(fā)展 6 過去，糟液除略行簡單過濾直接用作飼料外，基本上不予處理。隨著生產的發(fā)展，對糟液的治理逐步引起重視， 20 世紀 60 年代用薯類 乙 醇 糟液大規(guī)模進行沼氣發(fā)酵取得成功，逐步推廣并不斷完善，現在最大的沼氣發(fā)酵罐容已達 5000 立方 米。針對沼氣發(fā)酵后消化液的進一步處理，好氧法取得一定成效；近來南陽 乙醇 總廠開發(fā)出一套實用而有效的治理措施，采用物理化學法去除懸浮揚（制得部分干酒糟和肥料），利用生物法去除可溶性有機物（獲得沼氣），從而使薯類 乙醇 糟液的治理實現了經濟上有利的達標排放 [2]。 乙醇的應用領域 乙醇 的用途很廣，主要有： 1）消毒劑： 醫(yī)院用的一般用濃度為 70%～ 75%的乙醇溶液，因為這種濃