【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)12萬(wàn)噸燃料乙醇廠初步工藝設(shè)計(jì)，重點(diǎn)設(shè)備—糖化罐。發(fā)達(dá)，再者與有“木薯之鄉(xiāng)”之稱的廣西省附近。工藝上的設(shè)計(jì)為：雙酶法液化糖。電汽耗的計(jì)算等合理優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝過程。中國(guó)燃料乙醇工業(yè)的發(fā)展歷史························································1. 燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的問題·····················································2. 國(guó)內(nèi)外酒精生產(chǎn)技術(shù)水平比較分析···························

　　

【正文】 加水比 1:； xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 放乏氣次數(shù) 7； 拌料罐內(nèi) pH 值 （ 拌料罐中加入 NaOH 或氨水、酒糟水、余 餾水及 冷凝液，中和有機(jī)酸，控制料液的 pH 值為 ，利于液化酶作用，減少液化酶失活。 ） 木薯 漿 ↓ 二次蒸汽 →初液化罐 ←1/3液化酶 ↓ 噴射器 ↓ 閃蒸罐 ↓ 末液化罐 ←2/3液化酶 ↓ H2SO4→液化醪 ←螺旋板式換熱器 ↓ 糖化酶 → 糖化罐 ↓ 螺旋板式冷卻器冷卻 ↓ 發(fā)酵工序 圖 32 雙酶法液化糖化工藝流程 蒸煮溫度 90～ 100℃ （噴射器）； 液化溫度 90～ 100℃ （閃蒸罐）； 初液化時(shí)間 30 min； 末液化時(shí)間 50～ 60 min； 液化醪溫度 73～ 77℃ ； 糖化醪 pH 值 ～ ； 糖化溫度 60～ 65℃ ； 糖化時(shí)間 h； 糖化醪濃度 24～ 25Bx（ 清夜回配 ） ； 糖化酶加量 120U/（ g 木薯 粉 ） ； xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 糖化率 45%～ 55%。 （ 4） 工藝流程說明 該工藝中液化酶分二步加入，第一步是先加 1/3 的液化酶至拌料罐，目的是先降低醪液粘度，以利于液化醪的德噴射蒸煮（主要是殺死醪液中的雜菌）；第二步加入 2/3 的液化酶至末液化關(guān)。 ①木薯干 清洗除菌后進(jìn)入錘式粉碎機(jī)，要求粉碎后的 木薯 粉通過 40 目的過篩率不小于 65%。 ② 進(jìn)入混合罐的水有： 50℃ 熱工藝水， 80℃ 的酒糟水離心液， 50℃ 的蒸發(fā)工段的二次蒸汽冷凝液和 100℃ 的精餾塔底部的余餾水。 ③ 料水比例控制在 1:（ ~），醪液溫度控制在 60℃ 左右。 ④ 拌料罐中加入 NaOH 溶液（或氨水），酒糟水、余餾水及冷凝液，中和有機(jī)酸，以控制料液的 pH 值為 ⑤ 加入 Ca2+對(duì)液化酶具有保護(hù)作用，它可以提高液化酶的耐熱能力。 ⑥ 玉米漿將通過溢流（重力作用）進(jìn)入初液化罐。 ⑦ 蒸煮后的醪液進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸罐是通過真空泵的抽吸產(chǎn)生負(fù)壓的，它使醪液的溫度由 125℃ 降至 93℃ 。 ⑧ 液化酶分段加入，好處是在蒸煮前加入一部分可降低醪液黏度，便于輸送，蒸煮。 ⑨ 為了便于糖化酶的作用，必須在糖化以前將醪液 pH 值由 降至 ，這一步是在酸化罐中加入 H2SO4進(jìn)行，同時(shí)向酸化罐加入 25℃ 的酒糟水。 （ 5） 設(shè)備：拌料罐、液化罐、噴射器、閃蒸罐、糖化罐、真空冷卻汽液分離器、真空泵等。 發(fā)酵工序 （ 1） 目的：酵母菌把可發(fā)酵性糖，經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)酒化酶的作用生成酒精與 CO2，再通過細(xì)胞膜將這些產(chǎn)物排出體外 ［ 18］ 。 （ 2） 工藝流程：采用連續(xù)發(fā)酵工藝 ，工藝流程見圖 33。 xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 糖化醪 醪塔 ↓ 1＃ 發(fā)酵罐 →2＃ 發(fā)酵罐 →3＃ 發(fā)酵罐 →4＃ 發(fā)酵罐 →5＃ 發(fā)酵罐 ↑ 酒母醪 圖 33 連續(xù)發(fā)酵工藝流程 （ 3） 工藝指標(biāo) 接種溫度 27～ 30℃ ； 發(fā)酵溫度 30～ 33℃ ； 后發(fā)酵溫度 30177。1℃ ； 酵母出芽率 15%以上； 酸度 ～ ； 成熟的酒母醪酵母細(xì)胞數(shù) 1108個(gè) /mL 左右； 發(fā)酵成熟醪外觀糖 以下（清液回配時(shí)， 以下）； 發(fā)酵成熟醪酒精濃度 %（體積）以上； 發(fā)酵成熟醪殘總糖 %以下（清液回配時(shí)， %以下；揮發(fā)酸： %以下）； 成熟 酒 母出芽率 15%～ 30%； 耗糖率 40%～ 50%； 成熟的酒母醪中的酒精含量 3%～ 4%； 總發(fā)酵時(shí)間 51～ 56 h。 （ 4） 工藝說明 間歇發(fā)酵的全過程在一個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行。發(fā)酵初始階段糖份最高，隨著 發(fā)酵過程的進(jìn)行，糖份不斷下降，發(fā)酵液中酒精濃度不斷提高，使酵母菌在發(fā)酵過程中對(duì)環(huán)境的變化要不斷適應(yīng)。常常是酵母菌剛適應(yīng)環(huán)境，發(fā)酵即結(jié)束了，這會(huì)導(dǎo)致酵母菌群的實(shí)際損失很大。 連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)如下： ① 設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定并提高其利用率。采用連續(xù)發(fā)酵法生產(chǎn)酒精，使設(shè)備始終處于發(fā)酵運(yùn)行狀態(tài)。（通常需要 20 天對(duì)罐進(jìn)行一次清洗 、滅菌）極大地減少了發(fā)酵輔助時(shí)間。同時(shí)，連續(xù)發(fā)酵時(shí)醪液進(jìn)入發(fā)酵罐即進(jìn)入主發(fā)酵期，可提高設(shè)備利用率 20%以上。 xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 ② 提高淀粉的酒精產(chǎn)率。連續(xù)發(fā)酵無(wú)菌條件要求高，能夠有效控制雜菌。發(fā)酵醪始終處于流動(dòng)狀態(tài)，使酵 母菌與醪液充分接觸，而且可及時(shí)排除發(fā)酵過程中產(chǎn)生的 CO2，從而增強(qiáng)酵母菌的發(fā)酵作用，淀粉的酒精產(chǎn)率可達(dá) %。 ③ 不需要連續(xù)酒擴(kuò)培工序。連續(xù)發(fā)酵工藝可間隔 20 天甚至 180 天才接種一次酵母菌，而間歇發(fā)酵要每天都擴(kuò)培酵母菌。 ④ 有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在大型酒精發(fā)酵系統(tǒng)中，溫度控制、定時(shí)定量加入糖化醪循環(huán)、補(bǔ)加酵母菌菌液、添加營(yíng)養(yǎng)液等均容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 酒精蒸餾 （ 1） 蒸餾的目的：根據(jù)拉烏爾定律將成熟發(fā)酵醪中的酒精、揮發(fā)性雜質(zhì)等蒸汽壓高（沸點(diǎn)低）的組分和部分水蒸氣與大部分水和肥揮發(fā)性組分分開。蒸餾 結(jié)果得到粗酒精和酒糟。蒸餾是我國(guó)酒精工廠從發(fā)酵醪中回收酒精的唯一方法。這里說的蒸餾包括酒精精餾在內(nèi)。 （ 2） 精餾的目的：排除粗酒精中的各種揮發(fā)性雜質(zhì)和絕大部分水，精餾的結(jié)果得到的是各級(jí)成品酒精和廢水。 工藝流程：采用 三 塔蒸餾工藝 ，酒精蒸餾工藝流程見圖 34。 熱酒氣 ↓ ↑ 成熟醪 → 預(yù)熱器 → 粗餾塔 → 濃縮塔 ↓ 水洗塔 → 水洗塔酒氣 ↓ ↓ 工業(yè)酒精塔 ← 精餾塔 → 甲醇塔 ↓ 工業(yè)酒精 圖 34酒精蒸餾工藝流程圖 （ 4）酒精蒸餾工藝指標(biāo) 酒精蒸餾工藝參數(shù)見表 31 xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 表 31 酒精蒸餾工藝參數(shù) 項(xiàng)目 塔釜溫度 （ ℃ ） 塔頂溫度 （ ℃ ） 真空度 （ kPa） 酒精蒸汽濃度 （ % 體積） 粗餾塔 78 55 30 水洗塔 92～ 93 89～ 90 — 30～ 35 精餾塔 125～ 130 95 96 甲醇塔 78 71 — 96 工業(yè)酒精塔 — — — 95 表 32 不同蒸餾塔的名稱與主要功能 塔名 主要功能 其他名 粗餾塔 從發(fā)酵成熟醪液蒸餾出粗酒精 醪塔 水洗塔 將濃度高的粗酒精稀釋，以利清除雜質(zhì) — 精餾塔 經(jīng)水萃取后的低濃度酒精再次除雜、濃縮 水萃取塔、稀釋塔、萃取塔 甲醇塔 把從精餾塔出來的含較少雜質(zhì)的酒精再一次進(jìn) 行除甲醇等處理 — 工業(yè)酒精塔 把 源于粗餾塔、水洗塔、精餾塔、甲醇塔的含雜餾分進(jìn)行處理 — 蒸餾塔的輔助設(shè)備包括： （ 1）醪液預(yù)熱器 其功能是：利用精餾塔或粗餾塔塔頂上升的酒精蒸汽中的熱量，把即將蒸餾的發(fā)酵成熟醪液預(yù)熱至較高溫度，這樣一則能做到充分利用余熱；二則酒精蒸汽在將醪液預(yù)熱過程中，也起著分冷凝器的作用。 （ 2） CO2分離器 發(fā)酵成熟醪中含有一定數(shù)量溶解的 CO空氣等不凝氣體，當(dāng)醪液在醪塔中受熱沸騰時(shí)，這些氣體會(huì)被分離出來，這就增大了醪塔中上升的酒精蒸汽的體積， CO2等氣體可嚴(yán)重影響冷凝器的傳熱效果，同時(shí)還可能在塔中及進(jìn)料管上部 形成氣阻，影響蒸餾的正常運(yùn)行，進(jìn)而對(duì)酒精質(zhì)量或多或少產(chǎn)生負(fù)面影響。有鑒于此，在蒸餾系統(tǒng)中增設(shè) CO2分離器，在醪液預(yù)熱后進(jìn)入醪塔前，先進(jìn)入 CO2分離器處理，把不凝氣體先分離先分離排除大部分。由于氣體中還夾帶少量酒精，為回收這部分酒精需增設(shè)一小型冷凝器，所得冷凝液送入醪液暫存容器。生產(chǎn)實(shí)踐證明設(shè)計(jì)合理的氣xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 液分離器是很重要的。 （ 3）雜醇油分離器 其功能是將精餾塔或雜醇油塔、雜質(zhì)處理塔雜醇油聚集段所導(dǎo)出的雜醇油酒精混合液或氣體，首先經(jīng)冷凝 — 冷卻器冷卻，降至一定溫度，并加入水進(jìn)行稀釋而使油析出，在低濃度酒精液層之上 ，雜醇油則由上部分出，低濃度酒精則從下部導(dǎo)出而入醪液暫儲(chǔ)器或經(jīng)預(yù)熱后返入精餾塔脫水段。 （ 4）再沸器 再沸器是一種耐蒸汽高壓的換熱器，來自蒸汽鍋爐的一次蒸汽通過再沸器給蒸餾塔間接加熱。這種間接加熱方式比蒸汽直接加熱有很多優(yōu)點(diǎn)，如可節(jié)約鍋爐蒸汽用水量，減少酒精糟液含水量，提高蒸餾系統(tǒng)酒精質(zhì)量。 （ 5）冷凝器 冷凝器是一種用于為蒸餾塔塔頂酒精蒸氣降溫的熱交換器。蒸餾塔塔頂酒精蒸氣用低溫的熱交換器。蒸餾塔塔頂酒精蒸氣用低溫水降溫，產(chǎn)生的冷凝液大部分回流到塔的最上一層的塔板，以保證蒸餾塔正常運(yùn)行所需的要的回流比。 （ 6）換熱器 目前的蒸餾系統(tǒng)中除塔外，其他各塔加熱的換熱器都可以采用大型高效的薄板換熱器，因?yàn)楸“鍝Q熱器的結(jié)構(gòu)和功能決定了它更適合酒精蒸餾系統(tǒng)，并可有效的降低生產(chǎn)成本。再沸器屬于具有加熱功能的換熱器，冷凝器則指具有降溫功能的換熱器，普通換熱器是指具有冷卻、升溫功能的換熱器 ［ 19］ 。 xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 第 4 章 酒精生產(chǎn)過程中的物料和熱量衡算 物料及熱量衡算 成熟醪量的計(jì)算 已知：生產(chǎn)規(guī)模為 12 萬(wàn)噸燃料乙醇 /年；出 2%的工業(yè)酒精；成熟醪酒分按 12%（ V/V）即 %（ w/w）；蒸餾率 98%；成品酒精濃度 95%（ V/V）即 %（ w/w）；年生產(chǎn)日 320 天，每天 24 小時(shí)。 每小時(shí)產(chǎn)出酒精量 =12x107?（ 1+2%） /320? 24 =15937 kg/h 成熟醪量 =15937%/（ 98%%） =163335kg/h 發(fā)酵工段物料衡算 采用 8 個(gè)發(fā)酵罐連續(xù)發(fā)酵 ， 成熟醪酒分定為 12%（ V/V）， 發(fā)酵罐編號(hào) R411～R418， 酒母罐 2 個(gè) ， R402A/B。 表 41 每個(gè)發(fā)酵罐酒分分配如下 罐編號(hào) %（ V/V） %（ w/w） R402A/B % % R411 % % R412 % % R413 % % R414 % % R415 11% % R416 % % R417 % % R418 12% % xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 R418：設(shè)產(chǎn)生 CO2量（帶酒氣）為 x；產(chǎn)生純酒精量為 y； CO2洗滌塔帶回淡酒量 =163335%%/%=2468kg/h CO2帶出的酒氣占發(fā)酵罐內(nèi)純酒精量的 % 則 yyx %4644 ?? 即 x= 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： 163335%+%y=y+2468? %+（ +） ? % 解得 ： y= kg/h CO2量 （ 帶酒氣 ）： ? = kg/h R417 進(jìn)料量 ： 163335+= kg/h 產(chǎn)熱 ： 1170/= kcal/h R417： 設(shè)產(chǎn)生 CO2量 （ 帶酒氣 ） 為 x； 產(chǎn)生純酒精量為 y； 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： %+%y=y+（ +） % 解得 ： y= kg/h CO2量 （ 帶酒氣 ）： ? = kg/h R416 進(jìn)料量 ： +=產(chǎn)熱 ： 1170/= kcal/h 循環(huán)醪量 ： （ （ 3533）） =循環(huán)水量 ： （ 1（ 3330）） = kg/h R416： 設(shè)產(chǎn)生 CO2量 （ 帶酒氣 ） 為 x； 產(chǎn)生純酒精量為 y； 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： %+%y=y+（ +） % 解得 ： y= kg/h CO2量 （ 帶酒氣 ）： = kg/h R415 進(jìn)料量 ： += kg/h 產(chǎn)熱 ： 1170/= kcal/h 循環(huán)醪量 ： （ 3533） = kg/h 循環(huán)水量 ： （ 3330） =R415： 設(shè)產(chǎn)生 CO2量 （ 帶酒氣 ） 為 x； 產(chǎn)生純酒精量為 y； 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： %+%y=y+（ +） % 解得 ： y= kg/h CO2量 （ 帶酒氣 ）： = kg/h xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 R414 進(jìn)料量 ： += kg/h 產(chǎn)熱 ： 1170/= kcal/h 循環(huán)醪量 ： （ 3533） = kg/h 循環(huán)水量 ： （ 3330） = kg/h R414： 設(shè)產(chǎn)生 CO2量 （ 帶酒氣 ） 為 x； 產(chǎn)生純酒精量為 y； 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： %+%y=y+（ +） % 解得 ： y= kg/h CO2量 （ 帶酒氣 ）： = kg/h R413 進(jìn)料量 ： += kg/h 產(chǎn) 熱 ： 1170/= kcal/h 循環(huán)醪量 ： （ 3533） = kg/h 循環(huán)水量 ： （ 3330） = kg/h R413： 設(shè)產(chǎn)生 CO2量 （ 帶酒氣 ） 為 x； 產(chǎn)生純酒精量為 y； 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： %+%y=y+（ +） % 解得 ： y=CO2量 （ 帶酒氣 ）： ? = kg/h R412 進(jìn)料量 ： += kg/h 產(chǎn)熱 ： 1170/= kcal/h 循環(huán)醪量 ： （ 3533） = kg/h 循環(huán)水量 ： （ 3330） = kg/h R412： 設(shè)產(chǎn)生 CO2量 （ 帶酒氣 ） 為 x； 產(chǎn)生純酒精量為 y； 由進(jìn)出發(fā)酵罐的酒精量平衡列方程得 ： %+%y=y+（ +） % 解得 ： y= kg/h CO2量 （ 帶酒氣 ）： = kg/h R411 進(jìn)料量 ： += kg/h 產(chǎn)熱 ： 1170/= kcal/h 循環(huán)醪量 ： （ 3533） = kg/h 循環(huán)水量 ： （ 3330） = kg/h 根據(jù)總物料平衡 ， 設(shè) R402 溢流量為 x 糖化醪量 ＝ +%44/（ %） = kg/h xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 進(jìn) R411 糖化醪量 ： 75％＝ kg/h 進(jìn) R402 糖化醪量 ： 25％＝ kg/h 酒母罐產(chǎn)生純酒精 ： X ＋ X 4644 ＋ X ％＋ X= 解得 X= kg/h 則酒母罐產(chǎn)生純酒精 ： ， CO2 ： = kg/h 對(duì)于 R411， 設(shè)產(chǎn)生純酒精量為 y ％ +y=%y+（ +） % 解得 y= kg/h R411 溢流量 ： +=與上述計(jì)算恰好吻合 ， 證明計(jì)算正確。 產(chǎn)熱 ： ? =循環(huán)醪量 ： ? ? . 35?? ?= kg/h 循環(huán)水量 ： ? ??= kg/h R402： 產(chǎn)酒精 ： kg/h， 產(chǎn) CO2： 溢流到 R411 量 ： kg/h 產(chǎn)熱 ： ? = kal/h 循環(huán)醪量 ：)3031( ?? ?= kg/h 循環(huán)水量 = ? ???= kg/h xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 表 42 12021噸 /年淀粉原料酒精廠物料衡算表 物料數(shù)量 生產(chǎn) 1000kg95%酒精物料量（ kg） 數(shù)量 /小時(shí)（ kg） 數(shù)量 /天（ t） 數(shù)量 /年（ t） 普通酒精 980 13917 334 100000 次級(jí)酒精 20 2106 甘薯干 32962 237329 α淀粉酶 928 糖化酶 硫酸銨 120 硫酸 75 蒸煮粉漿 成熟蒸煮醪 150312 糖化醪 12327 184905 酒母醪 蒸煮發(fā)酵醪 12477 187155 雜醇油 5 75 二氧化碳 902 13530 廢渣 12677 190155 液糖化工段物料衡算 （ 1） 糖化醪量 =xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 Q== 0 6 5 4 0 ??? kcal/h （ 2） G= Q==? 38? ? 106 kcal/h （ 3） G= Q= ???? 6 kcal/h 查資料得糖化酶加量為 300U/g 淀粉質(zhì)原料，其中糖化酶活力為 60000U，糖化酶加量為 %60000300 ???kg/h （ 5） G=（ 9） （ 19） == Q= ????hkg 6 kcal/h （ 6） G= Q= ???? 6 kcal/h （ 7） 設(shè)閃蒸量為 X 根據(jù)能量平衡有 ： （ +X） ? 95? =X? +? 70? 解得 X= hkg / Q= 106 7 4 7 ??? 6 kcal/h （ 8） G=+= Q= 106 0 8 3 ???? 6 kcal/h （ 9） 使用 BF7658α淀粉酶 ，（ 固體 ） 酶活力 10004000U/g 取 2021U/g。 參考用量一般按每克淀粉 4～ 10 個(gè)單位計(jì)算 ， 鈣離子濃度 150ppm， 則 液化酶加量為 ： G= 20218 ? ? 75%= Q=? 95? ? 106 kcal/h （ 10） G=（ 6） （ 18） == kg/h Q=? 95? （ 11） 閃蒸量設(shè)為 X ， 溫度為 950C 5 2 3 1 6 6 ) 5 2 3 1 3( ???????? XX 解得 X= kg/h Q= ??? 6 kcal/h （ 12） G=（ 12） +（ 5） =+= kg/h Q= ???? 6 kcal/h （ 13） 鍋爐來的生蒸氣 ， 用來加熱粉漿其溫度為 1580C xxx 電力大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 )( X? 5 5 9 8 ??????? X 解得 X= kg/h Q= ??? 6 kcal/h （ 14） G== kg/h Q= 106 8 4 3