年產(chǎn)10萬噸纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)目錄1.總論 31.1概述 31.1.1纖維質(zhì)的概述 31.1.2乙醇的概述 61.1.3酒精發(fā)酵工藝 81.1.4纖維質(zhì)酒精發(fā)酵現(xiàn)狀 81.1.5市場需求 81.2設(shè)計(jì)的目的和意義 91.2.1設(shè)計(jì)的目的 91.2.2設(shè)計(jì)的意義 91.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)和原則 101.3.1設(shè)計(jì)依據(jù) 101.3.2設(shè)計(jì)原則 101.4設(shè)計(jì)范圍 101.5乙醇生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 101.5.1生產(chǎn)能力 101.5.2產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 102.生產(chǎn)方案選擇 112.1生產(chǎn)方法 112.1.1酸水解 122.1.2酶水解 122.2生產(chǎn)方案確定 143.1.1纖維素發(fā)酵乙醇工藝概述 153.2生產(chǎn)工藝流程說明 153.2.1預(yù)處理工序 153.2.4蒸餾工序[11] 224.工藝計(jì)算 244.1物料衡算 244.1..1年產(chǎn)量為10萬噸燃料酒精的總物料衡算 244.1.2原料消耗量計(jì)算（基準(zhǔn)：1噸無水乙醇） 254.1.2發(fā)酵醪量的計(jì)算 254.1.3成品與廢醪量的計(jì)算 264.2酒精生產(chǎn)各工段物料和能量衡算 274.2.1預(yù)處理工段 274.2.3發(fā)酵工序 294.2.4蒸餾工序 294.3供水、電以及其他衡算 334.3.1.1水衡算 334.3.2.其他衡算 355.設(shè)備選型及計(jì)算 355.1預(yù)處理設(shè)備 355.1.1調(diào)漿桶 355.1.2蒸煮罐個(gè)數(shù)計(jì)算 365.1.3蒸煮罐的輪廓尺寸計(jì)算[18] 365.2水解罐的計(jì)算 375.2.1水解罐體積 375.2.2水解罐數(shù)量 375.3發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì) 385.3.1發(fā)酵罐容積和個(gè)數(shù)的確定 385.3.2冷卻面積和冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸 395.3.3發(fā)酵罐壁厚 415.3.4進(jìn)出口管徑[21] 425.3.4其他罐體設(shè)備 435.5其他設(shè)備 435.5.1蒸餾設(shè)備[11、18、22] 435.5.2換熱器的選型 446.車間設(shè)計(jì) 446.1發(fā)酵設(shè)備 446.2蒸餾設(shè)備及其他設(shè)備 447.廠址選擇及廠區(qū)總平面設(shè)計(jì) 457.1廠址選擇 457.1.1廠址選擇的原則和指導(dǎo)思想[16] 457.1.2廠址選擇及其依據(jù) 457.2廠區(qū)總平面設(shè)計(jì) 467.2.1工廠概況 467.2.2主要設(shè)計(jì)構(gòu)思 467.2.3占地面積的確定 477.2.4平面布置原則的指導(dǎo)思想 478.設(shè)計(jì)評析與總結(jié) 47致謝 48參考文獻(xiàn) 491.總論1.1概述1.1.1纖維質(zhì)的概述纖維質(zhì)在自然界中是最為豐富的生物質(zhì)資源，其能量來自于太陽，植物通過光合作用固定后貯存于植物細(xì)胞壁，其主要有機(jī)成分有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素三部分。細(xì)胞壁中的半纖維素與木質(zhì)素利用共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維素則鑲嵌在其中[1]。1.1.1.1纖維素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)纖維素是一種天然高分子化合物，是葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵連接而形成的葡聚糖，是植物細(xì)胞壁的主要成分。纖維素由含碳、和氧三種元素組成，化學(xué)式：(C6H10O)n，相對分子質(zhì)量可達(dá)幾十萬，甚至幾百萬[1]。纖維素性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，無還原性，在常溫下不發(fā)生水解，在高溫下水解也很慢。只有在催化劑（如纖維素酶）存在下，纖維素的水解反應(yīng)才能顯著地進(jìn)行。纖維素經(jīng)催化劑催化水解可生成葡萄糖，該反應(yīng)可表示為：(C6H10O)n+nH2O=nC6H12O6水解得到的葡萄糖在酵母的催化作用下可發(fā)酵生成酒精，經(jīng)過蒸餾工藝可得到酒精產(chǎn)品，由于其原料來源廣泛求價(jià)格低廉，因此，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。1.溶解性常溫下，纖維素既不溶于水，又不溶于一般的有機(jī)溶劑，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。它也不溶于稀堿溶液中。因此，在常溫下，它是比較穩(wěn)定的，這是因?yàn)槔w維素分子之間存在氫鍵。2．纖維素水解在一定條件下，纖維素與水發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)氧橋斷裂，同時(shí)水分子加入，纖維素由長鏈分子變成短鏈分子，直至氧橋全部斷裂，變成葡萄糖。3．纖維素氧化纖維素與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列與原來纖維素結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，這樣的反應(yīng)過程，成為纖維素氧化。（引自郭莉珠檔案保護(hù)技術(shù)）纖維素大分子的基環(huán)是D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，分子量約50000～2500000，相當(dāng)于300～15000個(gè)葡萄糖基脫水葡萄糖，其分子式為：（C6H10O5）n，其化學(xué)組成含碳44.44%、氫6.17%、氧49.39%。由于來源的不同，纖維素分子中葡萄糖殘基的數(shù)目，即聚合度（DP）在很寬的范圍。分子式可寫作（C6H10O5）n。是維管束植物、地衣植物以及一部分藻類細(xì)胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的莢膜，以及尾索類動(dòng)物的被囊中也發(fā)現(xiàn)有纖維素的存在，棉的種子毛是高純度（98%的纖維素。所謂α-纖維素（α－cellulose）這一名稱系指從原來細(xì)胞壁的完全纖維素標(biāo)準(zhǔn)樣品用17.5%NaOH不能提取的部分。β-纖維素（β-cellulose）、γ-纖維素（γ-cellulose）是相應(yīng)于半纖維素的纖維素。雖然，α-纖維素通常大部分是結(jié)晶性纖維素，β-纖維素，γ-纖維素在化學(xué)上除含有纖維素以外，還含有各種多糖類。細(xì)胞壁的纖維素形成微纖維。寬度為10—30毫微米，長度有的達(dá)數(shù)微米。應(yīng)用X線衍射和負(fù)染色法（negative染色法），根據(jù)電子顯微鏡觀察，鏈狀分子平行排列的結(jié)晶性部分組成寬為3—4毫微米的基本微纖維。推測這些基本微纖維集合起來就構(gòu)成了微纖維。纖維素能溶于Schwitzer試劑或濃硫酸。雖然不易用酸水解，但是稀酸或纖維素酶可使纖維素生成D-葡萄糖、纖維二糖和寡糖。在醋酸菌中有從UDP葡萄糖引子（primer）轉(zhuǎn)移糖苷合成纖維素的酶（cellulosesynthase（UDPformingEC2．4．1．12）。在高等植物中已得到具有同樣活性的顆粒性酶的標(biāo)準(zhǔn)樣品。此酶通常是利用GDP葡萄糖（cellulosesynthase（GDPforming）EC2．4．1．29），在由UDP葡萄糖轉(zhuǎn)移的情況下，發(fā)生β－1，3鍵的混合。微纖維的形成場所和控制纖維素排列的機(jī)制還不太明瞭。另一方面就纖維素的分解而言，估計(jì)在初生細(xì)胞壁伸展生長時(shí)，微纖維的一部分由于纖維素酶的作用而被分解，成為可溶性。纖維素不溶于水和乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑，能溶于銅氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和銅乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。水可使纖維素發(fā)生有限溶脹，某些酸、堿和鹽的水溶液可滲入纖維結(jié)晶區(qū)，產(chǎn)生無限溶脹，使纖維素溶解。纖維素加熱到約150℃時(shí)不發(fā)生顯著變化，超過這溫度會(huì)由于脫水而逐漸焦化。纖維素與較濃的無機(jī)酸起水解作用生成葡萄糖等，與較濃的苛性堿溶液作用生成堿纖維素，與強(qiáng)氧化劑作用生成氧化纖維素。4．柔順性纖維素柔順性很差，是剛性的，因?yàn)椋?）它分子有極性，分子鏈之間相互作用力很強(qiáng)；（2）纖維素中的六元吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)致使內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難；（3）其分子內(nèi)和分子間都能形成氫鍵特別是分子內(nèi)氫鍵致使糖苷鍵不能旋轉(zhuǎn)從而使其剛性大大增加。編輯本段制法纖維素的實(shí)驗(yàn)室制法是先用水、有機(jī)溶劑處理植物原料，再用氯、亞氯酸鹽、二氧化氯、過乙酸去除其中所含的木素，得到纖維素和半纖維素，然后采用各種方法除去半纖維素，制得純纖維素。工業(yè)制法是用亞硫酸鹽溶液或堿溶液蒸煮植物原料，除去木素，然后經(jīng)過漂白進(jìn)一步除去殘留木素，所得漂白漿可用于造紙。1.1.1.2半纖維素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)半纖維素是一種復(fù)雜的多糖分子，以通過β-1,4-糖苷鍵的連接方式，還可以由不同的單糖基以不同的連接方式連接成結(jié)構(gòu)互不相同的多種結(jié)構(gòu)的各種聚糖，既可能形成是均一聚糖也可能形成非均一聚糖。半纖維素相對于纖維素更易于水解，有些半纖維素的成分甚至在冷水中的溶解度很大。半纖維素可溶于堿溶液中，也能被稀酸在100℃以下水解，同時(shí)還能被相應(yīng)的各種半纖維素酶分解[2]。半纖維素中木聚糖的水解過程可表示為：(C5H8O4)n+nH2O=nC5H10O5，半纖維素水解得到的木糖也可在催化劑的催化作用下發(fā)酵生成酒精，但是，催化條件與葡萄糖有很大的不同，且其催化工藝目前發(fā)展還不是很成熟，因此，不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)酵。但可以被利用發(fā)酵沼氣，也可形成一定的經(jīng)濟(jì)效益。1.1.1.3木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)木質(zhì)素是一類復(fù)雜的無定形高聚物，由苯丙烷單元通過醚鍵和C-C鍵連接形成的，其主要單體為香豆醇（coumarylalcohol）、松柏醇（coniferylalcohol）和芥子醇（sinapylalcohol）[3]。木質(zhì)素和半纖維素作為細(xì)胞間質(zhì)在細(xì)胞壁的微細(xì)纖維之間能起到很好的填充作用，同時(shí)加固木化組織的細(xì)胞壁，也存在于細(xì)胞間質(zhì)，把相鄰的細(xì)胞黏結(jié)在一起，有阻止微生物攻擊和增加莖桿抗壓強(qiáng)度的作用。木質(zhì)素并非聚糖，不能被水解為單糖，其分子式為(C6H10O2)n。另外木質(zhì)素在纖維素周圍形成保護(hù)層，影響纖維素水解。1.1.2乙醇的概述乙醇俗稱酒精，是一種可再生,并且清潔、無污染的能源。乙醇作為重要化工原料，以可再生的農(nóng)產(chǎn)品為生產(chǎn)原料，不但可制造乙烯，代替石油生產(chǎn)石油化工產(chǎn)品，支撐“后石油時(shí)代”的石化工業(yè)，而且可以代替石油產(chǎn)品用作燃料，并同時(shí)呈現(xiàn)出比石油產(chǎn)品更安全、清潔、高效、可持續(xù)的四大特征。乙醇的用途可以分為燃料酒精、工業(yè)酒精和食用酒精三大類，目前世界上酒精的主要用途是用于燃料。乙醇是燃料酒精中最主要的能源物質(zhì)之一，它以玉米、薯類、小麥、糖蜜或植物等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成，將乙醇進(jìn)一步脫水再經(jīng)過不同形式的變性處理后成為變性燃料乙醇。燃料乙醇也就是用糧食或植物生產(chǎn)的可加入汽油中的品質(zhì)改善劑。它不是一般的酒精，而是它的深加工產(chǎn)品。在這種燃料中，乙醇既是一種能源，又是一種良好的汽油增氧劑和高辛烷值調(diào)和組分，用以代替四乙基鉛和MTBE。目前，世界上使乙醇汽油時(shí)間最長，成效最大的國家，屬巴西和美國。1.1.2.1乙醇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)理化常數(shù)密度：0.78945g/cm^3;(液)20°C熔點(diǎn)：-114.3°C(158.8K)沸點(diǎn)：78.4°C(351.6K)在水中溶解時(shí)：p乙醇乙醇Ka=15.9黏度：1.200mPa·s(cP)，20.0°C分子偶極矩：5.64fC·fm(1.69D)(氣)折光率：1.3614相對密度(水=1)：0.79相對蒸氣密度(空氣=1)：1.59飽和蒸氣壓(kPa)：5.33(19℃)燃燒熱(kJ/mol)：1365.5臨界溫度(℃)：243.1臨界壓力(MPa)：6.38辛醇/水分配系數(shù)的對數(shù)值：0.32閃點(diǎn)(℃)：12引燃溫度(℃)：363爆炸上限%(V/V)：19.0爆炸下限%(V/V)：3.3溶解性：與水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多數(shù)有機(jī)溶劑。電離性：非電解質(zhì)無色、透明，具有特殊香味的液體（易揮發(fā)），密度比水小，能跟水以任意比互溶（一般不能做萃取劑）。是一種重要的溶劑，能溶解多種有機(jī)物和無機(jī)物。提純方法75%的乙醇可以用蒸餾的方法蒸餾到95.5%，此后形成恒沸物，不能提高純度。95%的乙醇可以用生石灰煮沸回流提純到99.5%。99.5%的乙醇可以用鎂條煮沸回流制得99.9%的乙醇。1.1.3酒精發(fā)酵工藝酒精發(fā)酵工藝可根據(jù)其原料的不同分為：淀粉質(zhì)酒精發(fā)酵、糖類酒精發(fā)酵、纖維質(zhì)酒精發(fā)酵、其他原料發(fā)酵四種。從整個(gè)流程來講，酒精發(fā)酵流程大致可分為四部分：原料預(yù)處理、原料水解制單糖、單糖發(fā)酵酒精、發(fā)酵產(chǎn)物蒸餾。生產(chǎn)燃料乙醇的原料來源較廣，但目前已產(chǎn)業(yè)化的用于生產(chǎn)燃料乙醇的原料基本上屬于糧食作物、淀粉基作物及糖料作物。但是這些原料基本上都存在“與民爭糧，與糧爭地”的問題，長期發(fā)展，將危及糧食安全。纖維質(zhì)原料中富含纖維素和半纖維素，可降解成可發(fā)酵的葡萄糖和木糖等，而且在地球上儲(chǔ)量極其豐富，有望成為生產(chǎn)燃料乙醇的新一代原料。而與化石燃料和糧食乙醇相比較，也只有纖維質(zhì)燃料乙醇才能夠達(dá)到大量減少溫室氣體排放的目的。因此，近年來全球發(fā)達(dá)國家都將利用農(nóng)作物秸稈纖維質(zhì)轉(zhuǎn)化成燃料乙醇的研究作為研發(fā)重點(diǎn)，開發(fā)第二代燃料乙醇——纖維質(zhì)乙醇。1.1.4纖維質(zhì)酒精發(fā)酵現(xiàn)狀迄今為止，我國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界在纖維素乙醇發(fā)酵技術(shù)開發(fā)和工業(yè)化進(jìn)程上已經(jīng)做出了很多努力，在具體的技術(shù)細(xì)節(jié)和工藝選擇上呈現(xiàn)多樣性特點(diǎn)?？傮w上，我國纖維素發(fā)酵乙醇工藝技術(shù)研發(fā)方面，其研究工作已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室研究階段，正在步入中試和產(chǎn)業(yè)化培訓(xùn)階段。目前，國內(nèi)已開展的纖維素發(fā)酵乙醇項(xiàng)目大多數(shù)處于中試或示范階段，與國外的發(fā)展階段基本一致。同時(shí)與國外相比，我國在纖維素發(fā)酵乙醇技術(shù)研發(fā)的工藝選擇上相對集中，已取得中試和示范規(guī)模的項(xiàng)目選用生物轉(zhuǎn)化技術(shù)路線，即預(yù)處理-酶催化水解-發(fā)酵工藝。對其他工藝，如氣化微生物發(fā)酵、集成生物過程（CBP）、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等關(guān)注度不高。1.1.5市場需求在我國，河南天冠酒精化工集團(tuán)有限公司作為“十五”期間國家發(fā)改委確定的全國4家燃料乙醇定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)之一，目前已掌握著秸稈生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵技術(shù)。中試結(jié)果顯示，6噸左右秸稈可產(chǎn)出1噸乙醇，技術(shù)理論轉(zhuǎn)化率超過18%。據(jù)測算，全國每年僅農(nóng)作物秸稈有7億噸，其中2億噸被作為農(nóng)村燃料消耗。若將其余5億噸用來生產(chǎn)乙醇，可產(chǎn)7000萬噸乙醇。再加上木材、制糖、造紙工業(yè)下腳料和城市廢纖維垃圾，總計(jì)可得乙醇8500萬噸，比全國汽油消耗總量還要多。纖維乙醇技術(shù)一舉三得，首先，纖維原料可再生，用它生產(chǎn)燃料乙醇可緩解能源危機(jī);其次，企業(yè)可接受的價(jià)格，每噸秸稈可直接為農(nóng)民增加200元收入，按平均每戶4人5畝地計(jì)算，一年可凈增收1500元；同時(shí)，木質(zhì)素?zé)嶂岛偷攘康拿合喈?dāng)，粗木質(zhì)素可以加工成“煤球”，純度稍高的可做成活性炭，每噸市場價(jià)在五千元左右，而經(jīng)精制的高純度木質(zhì)素則可作為添加劑用于改善聚氨酯產(chǎn)品的綜合性能，每噸售價(jià)也在6000-10000元，生產(chǎn)酒精后產(chǎn)生的廢糟液發(fā)酵處理，生產(chǎn)沼氣，供居民生活使用。生產(chǎn)沼氣后，剩余的糟液殘?jiān)帜芗庸こ蓜?dòng)物飼料或制成“綠色”沼渣肥，用于農(nóng)業(yè)建設(shè)。1.2設(shè)計(jì)的目的和意義1.2.1設(shè)計(jì)的目的生產(chǎn)纖維質(zhì)酒精以滿足日益增長的市場需求同時(shí)獲得很好的經(jīng)濟(jì)收益。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)熟悉纖維質(zhì)原料酒精生產(chǎn)過程和一些工程技術(shù)問題的解決方式，培養(yǎng)獨(dú)立查找、分析和使用技術(shù)資料的能力，能獨(dú)立編寫設(shè)計(jì)文件1.2.2設(shè)計(jì)的意義（1）滿足各行各業(yè)產(chǎn)品需求。（2）可以長遠(yuǎn)解決公司的生存問題，并且為當(dāng)?shù)靥峁└嗟木蜆I(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。（3）做到了真正意義上的綠色產(chǎn)業(yè)。（4）有利于國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，保持國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。1.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)和原則1.3.1設(shè)計(jì)依據(jù)海南大學(xué)2012年化工工藝課程設(shè)計(jì)課題《年產(chǎn)10萬噸纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)》任務(wù)書，見附件。1.3.2設(shè)計(jì)原則（1）按技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則對技術(shù)方案進(jìn)行論證，以確定最佳方案；（2）盡可能采用節(jié)能工藝和高效設(shè)備，充分發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，降低能耗、物耗和生產(chǎn)成本，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；（3）主體工程與環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)安全和工業(yè)衛(wèi)生同時(shí)考慮，以減少“三廢”排放，加強(qiáng)廢渣治理，確保安全生產(chǎn)，消除并盡可能減小工廠生產(chǎn)對化境的不良影響和對工廠職工以及周邊地區(qū)居民健康的危害。1.4設(shè)計(jì)范圍本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：（1）生產(chǎn)方案選擇（2）工藝流程設(shè)計(jì)與論證（3）工藝原理與操作條件說明（4）工藝計(jì)算——物料衡算與熱量衡算（5）生產(chǎn)主要設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型（6）生產(chǎn)車間設(shè)備配置與布置設(shè)計(jì)（7）編寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)說明書（8）工程設(shè)計(jì)繪圖①帶控制點(diǎn)的工藝流程圖②車間布置平面、立面圖、工廠總體平面布置圖（可略）設(shè)計(jì)重點(diǎn)：工藝流程設(shè)計(jì)與論證、工藝原理說明和工藝計(jì)算1.5乙醇生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.5.1生產(chǎn)能力年產(chǎn)100000噸纖維質(zhì)原料酒精，年工作日為300天，全天候連續(xù)生產(chǎn)。1.5.2產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)本產(chǎn)品為纖維質(zhì)原料酒精，質(zhì)量規(guī)格為一等品，執(zhí)行國家《GB/T394.1-94》標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見下表1-1。纖維質(zhì)原料酒精質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB/T394.1-94》項(xiàng)目指標(biāo)優(yōu)等品一等品外觀氣味無色透明液體無異味無色透明液體無異味乙醇（20℃）%（V/V）≥96.095.5硫酸試驗(yàn)號≤1080氧化試驗(yàn)，分≥3015醛（以乙醛計(jì)）g/100mL≤0.00050.003雜醇油（以異丁醇異戊醇計(jì)）g/100mL≤0.0010.008甲醇g/100mL≤0.080.12酸（以乙酸計(jì)）g/100mL≤0.0030.004酯（以乙酸乙酯計(jì)）g/100mL≤0.0030.004不發(fā)揮物g/100mL≤0.0020.0025表1—2發(fā)酵醪的成熟標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目連續(xù)發(fā)酵鏡檢酵母形態(tài)正常無雜菌外觀精度/°Bx0.5以下還原糖/%0.3以下帶渣總糖/%1以下濾液總糖/%0.7以下乙醇含量（體積分?jǐn)?shù)）/%8～10總酸總酸不超過0.5揮發(fā)酸0.1～0.152.生產(chǎn)方案選擇2.1生產(chǎn)方法將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料酒精，可以降低傳統(tǒng)以糧食為原料的酒精發(fā)酵工業(yè)的成本，充分利用這種數(shù)量巨大的可再生資源。纖維素酶將預(yù)處理的纖維質(zhì)原料降解為酵母可直接利用的D-葡萄糖，轉(zhuǎn)化為酒精。對纖維質(zhì)原料制酒精的研究主要有原材料的預(yù)處理、如何降低纖維素酶的成本、發(fā)酵過程的優(yōu)化、菌種的合理運(yùn)用和改造、酒精廢糟的綜合利用。纖維素發(fā)酵酒精工藝分為酸水解工藝和酶水解工藝兩種流程.2.1.1酸水解酸水解可以分為稀酸水解和濃酸水解，可以在較溫和的條件下進(jìn)行。稀酸水解可以將半纖維素轉(zhuǎn)化為單元糖，原料中的重金屬被稀酸溶解，然后以氫氧化物的形式沉淀，最后和石膏一起被過濾掉。稀酸水解糖的轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到50%，其水解過程中產(chǎn)生一種絡(luò)合物，是大多數(shù)微生物的抑制劑。濃酸水解約有90%的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化的糖被回收，但是濃酸水解中的酸難以回收。酸水解纖維素類物質(zhì)早在19世紀(jì)末就有研究，但是迄今進(jìn)展不大。傳統(tǒng)處理途徑是用石灰中和水解液，以調(diào)節(jié)PH值達(dá)到發(fā)酵生產(chǎn)要求。1987年，I.adisch等提出用離子排斥法（LE）分離水解液中酸和糖的方法，據(jù)Nanguneri等在1990年的估算，該法比傳統(tǒng)的石灰中和法經(jīng)濟(jì)。1998年Wooley等又提出了9段模擬移動(dòng)床LE分離酸液和糖液的方法，據(jù)稱不但能有效地分離硫酸和糖液，還能把水解副產(chǎn)物醋酸去除，已知后者是影響發(fā)酵的主要有害物質(zhì)。酸水解過程中還要求容器是防腐蝕、耐酸、耐壓的，容器體積也較大。另外，酸解常會(huì)伴隨生成有毒產(chǎn)物乳糖醛、酚類等物質(zhì)，需要改善工藝，減少這些物質(zhì)的產(chǎn)生。2.1.2酶水解現(xiàn)在所使用的纖維素酶都是由真菌產(chǎn)生的。纖維素酶的研究首先著眼于厭氣性分解菌，由于這些細(xì)菌一般不分泌胞外酶，產(chǎn)能低，多數(shù)對結(jié)晶纖維素沒活性。接著又有人提出使用好氣性分解菌，如李氏木霉，后來又分離到酶活性相似的正青霉和能分解棉花的疣孢青霉。由于酶具有底物高度專一性，所以產(chǎn)率很高，而且副產(chǎn)物很少，所以對于進(jìn)一步的乙醇發(fā)酵減輕了提純的工作量。但是，酶的成本較高，纖維素的酶解又需要大量的酶，在實(shí)際應(yīng)用過程中對之加以有效地回收利用是必要的措施，研究較多的是采用超濾膜回收技術(shù)。另外，通過對微生物菌株的選擇、誘變，以挑選能夠增加酶的產(chǎn)率和提高酶的活性的突變株，達(dá)到降低酶用量的目的。工業(yè)化酒精發(fā)酵需要必需的營養(yǎng)成分量巨大，因此，降低營養(yǎng)物質(zhì)的成本，尋求廉價(jià)資源是研究的方向。2.1.2.1纖維素直接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇厭氧性的熱纖梭菌（Clostridiumthemocellum）能直接將纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇。因?yàn)槠浼?xì)胞壁表面分布有不連續(xù)的包含有纖維素酶系的纖維素體（Cellulosome），這些纖維素體與纖維素相黏附，然后纖維素酶系逐步將纖維素分解為可溶性糖類，吸收入細(xì)胞進(jìn)一步利用，轉(zhuǎn)化為乙醇。然而，其纖維素水解成糖的比率一般僅有10%~20%。這表明直接將纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇在理論上是可行的，但在實(shí)際工業(yè)化過程中如何提高乙醇的轉(zhuǎn)化效率仍有許多問題有待解決?，F(xiàn)已研究出利用混合菌直接發(fā)酵等技術(shù)來提高乙醇轉(zhuǎn)化率，可見其前景是相當(dāng)廣闊的。2.1.2.2木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇最有工業(yè)應(yīng)用前景的木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物共有3種酵母菌種即管囊酵母（Pachysolentannophilus）、樹干畢赤酵母（Pichiastipits）和休哈塔假絲酵母（Candidashechatae）。這些菌屬對木糖代謝的途徑見下圖：2.1.2.3纖維素間接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇主要過程是：利用產(chǎn)纖維素酶的微生物或纖維素酶先將纖維素糖化，變成發(fā)酵性糖，再利用酵母將其發(fā)酵成乙醇。但由于木質(zhì)纖維素的組成成分復(fù)雜、穩(wěn)定，使得其生物降解難于迅速進(jìn)行，因此在糖化前需借助化學(xué)的、物理等方法進(jìn)行預(yù)處理（見表1）。在生產(chǎn)中主要用的糖化菌是曲霉和根霉。曲霉有黑曲霉(A.niger)、白曲霉和米曲霉(A.oryzae)等；根霉則以東京根霉（又稱河內(nèi)根霉）、黑根霉(R.nigricans)等應(yīng)用最廣。酵母菌在厭氧條件下利用糖化后的葡萄糖時(shí)，先形成丙酮酸，丙酮酸脫羧形成乙醛，乙醛再在乙醇脫氫酶作用下形成酒精。其反應(yīng)過程如下：乙醇發(fā)酵能力最強(qiáng)的酵母菌是子囊菌岡酵母菌屬的啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)。細(xì)菌中能進(jìn)行乙醇發(fā)酵的菌種不多，僅有發(fā)酵單胞菌（Zymomonas）、胃八疊球菌（Sarcinaventriculi）和解淀粉歐文氏菌(Erwiniaamylovora)等少數(shù)種。它們在形成乙醇時(shí)的途徑于酵母菌不同。運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌（Z.mobilis）可以通過ED途徑發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生酒精。2.2生產(chǎn)方案確定1.燃料酒精是一種潛力巨大的生物能源，纖維質(zhì)原料具有來源廣泛、成本低廉、可再生等優(yōu)點(diǎn)2.酶的催化高效性3.用酶催化使得成本較低4.由于酶具有底物高度專一性，所以產(chǎn)率很高，而且副產(chǎn)物很少，所以對于進(jìn)一步的乙醇發(fā)酵減輕了提純的工作量。3.1生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)及說明5.酶的的水解屬于綠色工業(yè),在21世紀(jì)將會(huì)是主流產(chǎn)業(yè),具有廣闊的前景3.1.1纖維素發(fā)酵乙醇工藝概述目前用于生產(chǎn)木質(zhì)纖維素燃料乙醇的工藝主要有四種：分步糖化和發(fā)酵（SHF）、同時(shí)糖化和發(fā)酵（SSF）、同時(shí)糖化和共發(fā)酵（SSCF）以及聯(lián)合生物加工（CBP）。本文選用SHF工藝，下面將對各個(gè)工段的工藝流程工藝條件及工藝流程的確認(rèn)，以保證本設(shè)計(jì)的可行性和嚴(yán)謹(jǐn)性。3.2生產(chǎn)工藝流程說明3.2.1預(yù)處理工序（1）目的①切斷纖維素、半纖維素、木質(zhì)素之間的氫鍵，破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)[9]，去除半纖維素和木質(zhì)素，以提高纖維素的轉(zhuǎn)化率。②增加了原料的流動(dòng)性，有利于連續(xù)性生產(chǎn)。（2）工藝流程纖維素預(yù)處理通常的方法有三種：物理法、化學(xué)法、復(fù)合法。本工序采用玉米秸稈為原料，利用物理法[10]進(jìn)行預(yù)處理，其流程圖如下圖3-2所示，經(jīng)過該工序后半纖維素、木質(zhì)素隨濾液分離，最終得到脫木質(zhì)素的纖維素進(jìn)入酶水解共序。圖3-2預(yù)處理工序流程圖（3）工藝參數(shù)預(yù)處理工序的工藝參數(shù)如下表3-1所示表3-1預(yù)處理工藝參數(shù)名稱工藝參數(shù)玉米秸稈進(jìn)料組成[25]纖維素0.374%半纖維素0.211%木質(zhì)素0.1769%灰分0.1024%能被水解的纖維素含量90%飽和蒸汽蒸汽溫度250℃飽和蒸汽壓力5.5MPa原料加熱溫度190℃加熱時(shí)間5～30min蒸煮醪的密度0.95kg/m3調(diào)漿罐加水比1：3玉米秸稈的比熱1.62×103J/kg.k（4）主要設(shè)備本次工序的主要設(shè)備有粉碎機(jī)、調(diào)漿罐、蒸煮罐、旋風(fēng)分離器、洗塵塔、真空吸濾機(jī)、木質(zhì)素萃取器、真空過濾機(jī)、離心機(jī)、壓濾機(jī)等。3.2.2酶水解工序（1）目的通過酶水解工序，使預(yù)處理得到的濾渣中的纖維素被纖維素酶水解，打斷纖維素分子產(chǎn)生內(nèi)部的β-1,4-糖苷鍵，得到可被酵母利用發(fā)酵的還原性葡萄糖。（2）工藝流程酶水解工序的工藝流程圖如圖3-3所示圖3-3酶水解工序工藝流程圖纖維素酶水解工藝：酵母不能直接利用纖維素,所以發(fā)酵前還要經(jīng)過酶水解過程,原料漿利用重力溢流進(jìn)入水解罐，液位控制在50%左右，向水解罐里加入纖維素酶并使之充分混合來催化纖維素的糖化過程，其比活力為40000U/g。纖維素酶的添加比例為12U/gcellulose（纖維素）,在50℃的溫度下，維持水解時(shí)間在24h左右,并保持流動(dòng)狀態(tài),使纖維素酶與原料充分接觸,以便于酶的作用,生成可發(fā)酵性的糖，糖化過程中聚糖的轉(zhuǎn)化率為0.95，得到的水解液利用真空過濾器，得到的濾液進(jìn)入發(fā)酵工段，而濾渣則用來生產(chǎn)纖維素酶或送往鍋爐間。纖維素酶的生產(chǎn)：除去木質(zhì)素的纖維素作碳源(往往采用酶水解剩余下來的纖維素)，玉米漿作氮源，再加營養(yǎng)鹽，配制成合適的培養(yǎng)基，在30℃，pH4.8條件下通風(fēng)培養(yǎng)，二氧化碳和氮?dú)馀湃氪髿狻６壈l(fā)酵后所得的發(fā)酵液離心除去菌體(濾渣)，濾渣加水均漿制成干物質(zhì)8%的漿再次回收其中的酶。壓濾得到的濾餅回入發(fā)酵罐作種子，濾液(纖維酶)送往酶水解車間。（3）工藝參數(shù)酶水解過程工藝參數(shù)的控制如下表3-2所示表3-2酶水解工藝參數(shù)名稱參數(shù)原料漿的干物質(zhì)含量8%水解溫度50℃水解pH4.0糖化時(shí)間24h干物質(zhì)初始含量8%酶添加量12U/gcellulose水解為葡萄糖的纖維素含量95%酶水解液的糖含量8%（4）生產(chǎn)設(shè)備本工序采用的設(shè)備包括：水解罐、纖維素酶發(fā)酵罐、真空過濾器等。3.2.3發(fā)酵工序（1）目的①培育強(qiáng)壯、旺盛的酵母菌種。②醪液中的糖類物質(zhì)，在無氧條件下受酵母菌中酒化酶的作用發(fā)酵產(chǎn)生酒精的全過程。（2）原料①主要原料釀酒酵母、糖化工段的糖化醪等。發(fā)酵過程采用酵母：高效活性耐高溫型干酵母。它具有耐酒精度高、耐酸、耐高溫、發(fā)酵速度快、使用簡單方便等優(yōu)點(diǎn)。②主要輔助原料硫酸(14％～18％)：調(diào)原料的pH值，主要是以控制醪液中的pH值在4.0～5.0之間來確定硫酸的添加量。營養(yǎng)鹽：常用的營養(yǎng)鹽有磷酸二銨，尿素等，其添加量根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中營養(yǎng)鹽種類和原料的需氮量決定。需要注意的是，營養(yǎng)鹽需用營養(yǎng)鹽罐溶解后，再加入。抗生素：主要抑制革蘭氏陽性菌的生長。抑菌靈：由于它對成品酒有污染，除了染菌外，一般情況不用。青霉素和抑菌靈一周換一次，換著使用。（3）工藝流程本工藝采用的是連續(xù)發(fā)酵方式，發(fā)酵流程如圖3-4所示：圖3-4發(fā)酵工序工藝流程圖酵母通過細(xì)胞內(nèi)酒化酶的作用，把可發(fā)酵性糖（葡萄糖）發(fā)酵成酒精。本工段分為兩部分：酵母菌培養(yǎng)和酒精發(fā)酵纖維素酶法水解液的含糖分一般在8%左右，通過四效順流式蒸發(fā)器蒸發(fā)后，濃縮至含糖分20%左右。最后一效蒸發(fā)器是在14kPa的真空狀態(tài)下進(jìn)行。水解液的發(fā)酵，可用三組連續(xù)發(fā)酵罐。一般保持二組罐進(jìn)行酒精發(fā)酵，另一組空出進(jìn)行滅菌。發(fā)酵時(shí)間為24h,酵母經(jīng)離心分離后回用。發(fā)酵溫度為30～33℃,發(fā)酵醪pH值在4.0～4.5，發(fā)酵成熟醪含酒分為10%左右，發(fā)酵溫度控制采用循環(huán)泵加罐外冷卻器的方法。發(fā)酵過程中糖酒轉(zhuǎn)化率達(dá)95%,CO2可回收利用。酵母菌培養(yǎng)：先用80℃，8%～10%NaOH溶液噴洗1h（滅菌）；再用熱水沖至中性，再用溫水進(jìn)一步?jīng)_洗，然后加入10t38℃～40℃底水，加入干酵母45kg。輕微攪拌，靜止保溫10min，然后降溫至32℃，加入營養(yǎng)鹽（尿素200kg/天），再加入23t糖化醪，通入微量空氣40m3/h，進(jìn)行活化使其出芽，出芽狀態(tài)酵母的發(fā)酵能力高出30倍，活化過程中緩慢加入糖化醪，達(dá)到工藝指標(biāo)后往發(fā)酵罐送種子液。（4）工藝參數(shù)發(fā)酵過程工藝參數(shù)如下表3-3所示表3-3發(fā)酵過程工藝參數(shù)名稱參數(shù)糖化液用于種子培養(yǎng)的比例0.1接種率0.1酸度4.0～4.5CornSteepLiquor(CSL)添加量0.50%DiammoniumPhosphate(DAP)添加量0.67g/L發(fā)酵液接種溫度27～30℃發(fā)酵溫度30～33℃后發(fā)酵溫度30±1℃酵母出芽率15%發(fā)酵成熟醪殘總糖2.0%以下成熟酵母出芽率15%～30%耗糖率40%～50%成熟的酒母醪中的酒精含量10%左右總發(fā)酵時(shí)間48h（5）發(fā)酵醪的成熟指標(biāo)乙醇發(fā)酵醪成熟指標(biāo)的控制是生產(chǎn)中一項(xiàng)至關(guān)重要工作。如果能夠控制恰到好處，不但可以提高設(shè)備利用率，增加乙醇產(chǎn)量。還能大大降低原料消耗，提高淀粉出酒率。發(fā)酵醪的成熟雖然與發(fā)酵時(shí)間、醪液濃度、發(fā)酵溫度、酵母接種量和發(fā)酵方式等因素有關(guān)，但最終主要有表3-4所列的幾項(xiàng)指標(biāo)來控制。表3-4發(fā)酵醪的成熟標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目連續(xù)發(fā)酵鏡檢酵母形態(tài)正常無雜菌外觀精度/°Bx0.5以下還原糖/%0.3以下帶渣總糖/%1以下濾液總糖/%0.7以下乙醇含量（體積分?jǐn)?shù)）/%8～10總酸總酸不超過0.5揮發(fā)酸0.1～0.15（6）清洗、滅菌CIP清洗方法(cleaninplace)：先通入 8%～10％的NaOH溶液，達(dá)到罐體的20%，將通到預(yù)發(fā)酵罐閥門關(guān)掉，打開種子罐循環(huán)泵，讓種子罐自身循環(huán)，將罐清洗干凈，20min后打開放料閥門回收NaOH溶液，用熱工藝水來清洗，清洗至放料pH為6.5～7.2，此時(shí)罐及管線洗凈。對其它罐也是如此清洗。滅菌：先向種子罐加罐體20%的水，再加2LNaClO，關(guān)掉通預(yù)發(fā)酵罐閥門，開種子罐循環(huán)泵，讓種子罐自身循環(huán)20～30min后停泵，開換熱器管線通冷凝水換熱后，管內(nèi)溫度為38～40℃，以1℃/min降溫。先洗二氧化碳洗滌塔，首先向塔內(nèi)注入適量水，打開去成熟醪洗滌水管線上的閥門，啟動(dòng)泵，打到自動(dòng)位置，打開泵的出口閥。螺旋板換熱器的洗滌：打開物料出口閥及進(jìn)口閥，然后打開冷卻水的進(jìn)出口閥，在清洗時(shí)，把關(guān)口關(guān)閉，清洗完，關(guān)閉閥門，密封試漏。（7）空氣壓縮及二氧化碳回收二氧化碳部分：發(fā)酵罐中醪液開始發(fā)酵后，產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w依靠發(fā)酵罐中的壓力通過管道經(jīng)氣液分離裝置(氣封裝置)，去除被氣體夾帶的泡沫和微粒等，進(jìn)入水洗滌塔，回收被二氧化碳帶出的酒精蒸汽以及部分粗雜質(zhì)。水洗后的氣體進(jìn)入儲(chǔ)罐，排去部分水份，進(jìn)入空氣壓縮機(jī)。隨后進(jìn)入冷凝器降溫。下一步進(jìn)入油水分離器，最后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，即可用于生產(chǎn)。空氣部分：來自大氣的空氣進(jìn)入預(yù)過濾器除去大的塵粒泥沙以及大的細(xì)菌，進(jìn)入空氣壓縮機(jī)壓縮并使溫度升高，故經(jīng)過冷凝器降溫，隨后經(jīng)油水分離器除去由空壓機(jī)內(nèi)部帶入的潤滑油，水由底部閥門排出，經(jīng)旋風(fēng)分離器除去小的油滴，最后經(jīng)第二個(gè)過濾器進(jìn)一步過濾，同時(shí)觀察溫度與壓力是否滿足生產(chǎn)的需要。CO2中低濃度酒精的回收：待前后工序正常，本工序進(jìn)出料平衡后，啟動(dòng)回收系統(tǒng)，回收CO2逸出時(shí)帶走的酒精，開啟一次入水閥，向低濃度酒精罐中加水，加水至一半時(shí)開啟低濃度酒精泵進(jìn)出口閥門，向洗滌塔供水，進(jìn)行循環(huán)。開始時(shí)流量要稍大一些，待形成穩(wěn)定的循環(huán)系統(tǒng)后，控制循環(huán)流量在要求范圍內(nèi)。用水循環(huán)洗滌CO2，待酒精濃度達(dá)到6～8%時(shí)，開啟淡酒閥輸送至成熟醪罐。同時(shí)必須封閉發(fā)酵罐口，避免乙醇揮發(fā)損失?？刂浦笜?biāo)如下：低濃度酒精罐液位80～90%；低濃度酒精濃度6～8%(體積)；低濃度酒精量2m3/h。（8）主要設(shè)備本工序主要設(shè)備包括：種子罐、發(fā)酵罐、換熱器、T-130型空氣干燥塔、GL-30型空氣過濾器、無潤滑油空壓機(jī)、二氧化碳儲(chǔ)罐、二氧化碳洗滌塔、空氣過濾器、空氣儲(chǔ)罐等。3.2.4蒸餾工序[11]（1）目的1）分離雜質(zhì)、副產(chǎn)物、水。2)乙醇的濃縮(96%以上)。（2）工藝流程蒸餾工序的流程如圖3-5所示醛、酯醛、酯↑成熟醪→預(yù)熱器→粗餾塔→冷凝器→精餾塔→工業(yè)酒精↑↓蒸汽雜醇油圖3-5酒精蒸餾工藝流程圖本工序采用雙塔蒸餾系統(tǒng)。該工藝系統(tǒng)又粗餾塔(粗塔，醪塔)和精餾塔兩個(gè)塔組成組成：粗餾塔的作用是將酒精和揮發(fā)性雜質(zhì)及一部分水從成熟發(fā)酵醪中分離出來，并排除由固形物、不揮發(fā)性雜質(zhì)及大部分水組成的酒糟；精餾塔的作用是使酒精增濃和除雜。最后得到符合規(guī)格的成品酒精，并排除廢水。根據(jù)精餾塔進(jìn)料方式的不同，又有精餾塔氣相進(jìn)塔和液相進(jìn)塔兩種型式，本工序選用液相進(jìn)塔型式。發(fā)酵成熟醪經(jīng)預(yù)熱器與精餾塔的塔頂酒精蒸汽進(jìn)行熱交換加熱至40℃以上，并進(jìn)入粗餾塔頂部（18～22塊塔板），粗塔塔底用直接蒸汽加熱。酒精含量為50%V左右的酒精-水蒸汽從粗餾塔頂部引出酒精一水蒸汽經(jīng)前三只冷凝器，大部分冷凝成液體，這種酒精一水冷凝液進(jìn)入精餾塔，一小部分含頭級雜質(zhì)較多的酒精一水蒸汽在第四只冷凝器中冷凝，冷凝液作為醛酒餾分排出，不凝結(jié)氣體從排醛管排出，酒糟由粗塔底部排出。精塔也用直接蒸汽加熱，并被進(jìn)料口區(qū)分為上下兩段，上段稱為精餾段，有40-60塊塔板，下部稱為脫水段(提餾段)，有13-18塊塔板。酒精蒸汽在精塔內(nèi)上升，逐漸增濃，最后從塔頂排出并順次經(jīng)過醪液預(yù)熱器和三只冷凝器，預(yù)熱器和前兩只冷凝器中的冷凝液全部回入精塔頂部作為回流。最后冷凝器中的冷凝液作為醛酒餾分(頭級雜質(zhì))取出，不凝結(jié)氣體和一部分醛類從排醛管排入大氣。不含酒精的蒸餾廢水從精塔底部排出。成品酒精從精塔頂部第4-5塊塔板上液相取出，因?yàn)檫@里的酒精含量已達(dá)到規(guī)定指標(biāo)，頭級雜質(zhì)也是最少的。成品酒精經(jīng)冷卻器冷卻后，通過檢酒器進(jìn)入成品桶，計(jì)量后送入酒精倉庫貯存。（3）工藝參數(shù)蒸餾工段的工藝參數(shù)如下表3-5所示表3-5酒精蒸餾工藝參數(shù)[13]名稱項(xiàng)目參數(shù)精餾塔塔底溫度104～108℃塔頂溫度95℃左右精餾塔塔底壓力19.6～24.5kPa進(jìn)醪溫度55℃塔底溫度102～104℃塔中溫度86～93℃塔頂溫度78～79℃塔底壓力13.7～15.7kPa精餾塔冷凝器第一冷凝器65～80℃第二冷凝器60～78℃第三冷凝器40～70℃（4）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。②CO2分離器發(fā)酵成熟醪中含有一定數(shù)量溶解的CO2、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4.工藝計(jì)算4.1物料衡算4.1..1年產(chǎn)量為10萬噸燃料酒精的總物料衡算工廠年開工為300天。日產(chǎn)產(chǎn)品酒精量：100000／300﹦333.33（t）每小時(shí)酒精量：333.33×1000÷24=13888.75（kg）=13.89(t)實(shí)際年產(chǎn)量（次級酒精忽略不計(jì)）：13.89×24×300=100000.8（t/a）主要原料秸稈用量：日耗量：333.33×5443.1==1814349（kg）=1814(t)年耗量：181032×300=5.43×107（t）每小時(shí)產(chǎn)次級酒精：13888.75×（2÷98）=283.44（kg）實(shí)際年產(chǎn)次級酒精：283.44×24×300=2033568(kg)=2033.57（t/a）4.1.2原料消耗量計(jì)算（基準(zhǔn)：1噸無水乙醇）（1）玉米秸稈原料生產(chǎn)酒精的總化學(xué)反應(yīng)式為：（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6→2nC2H5OH＋2nCO2↑162n180n92n88nX 1000（2）生產(chǎn)1000kg無水酒精的理論纖維素消耗量：1000×（162÷92）﹦1760.9（kg）（3）生產(chǎn)1000kg燃料酒精(燃料酒精中的乙醇含量99.5%（V）以上，相當(dāng)于99.18%（m）)的理論纖維素消耗量：1760.9×99.18％﹦1746.5（kg）（4）生產(chǎn)1000kg燃料酒精實(shí)際纖維素消耗量（生產(chǎn)過程中，蒸餾率為98%，發(fā)酵率為95%）：1746.5÷98%÷95%﹦1875.9（kg）（5）生產(chǎn)1000kg燃料酒精玉米秸稈原料消耗量（玉米秸稈原料含纖維素37.4%，預(yù)處理消耗量3%、纖維素水解率為95%，發(fā)酵醪占水解液得90%）：1875.9÷37.4%÷95%÷(1-3%)÷90%=5443.1（kg）（6）生產(chǎn)1000kg無水酒精量（忽略蒸餾損失生產(chǎn)）耗玉米秸稈量為：5443.1÷99.18%=5488.1（kg）4.1.2發(fā)酵醪量的計(jì)算酒母培養(yǎng)和發(fā)酵過程放出總二氧化碳量為：（kg）為計(jì)算方便，假設(shè)進(jìn)入水解工藝的原料漿中僅含纖維素，（原料漿的干物質(zhì)含量為8%），則原料漿的質(zhì)量為5443.1×37.4%×97%÷8%=24676.3（kg）本設(shè)計(jì)單濃度酒精連續(xù)發(fā)酵工藝，經(jīng)四效順流式蒸發(fā)器蒸發(fā)后，糖分有8%濃縮至20%[14]，則發(fā)酵醪量為：24676.3×8%÷20%=9870.5（kg）即發(fā)酵醪量為：9870.5kg酒母繁殖和發(fā)酵過程共放出968kg的二氧化碳，且酒精捕集器得到稀酒精為發(fā)酵醪量的6%，則蒸餾發(fā)酵醪的量為：（9870.5-968）×（1.00+6%）=9436.7（kg）用于蒸餾的成熟發(fā)酵醪的酒精濃度為：4.1.3成品與廢醪量的計(jì)算纖維素原料生產(chǎn)過程中，得到雜醇油量約為成品酒精的0.25～0.35%，取為0.3%，則雜醇油量為1000×0.3%=3（kg）醪液進(jìn)醪溫度為t1=55℃，塔底排醪溫度為t4=105℃，成熟醪酒精濃度為B1=10.7%，塔頂上升蒸汽的酒精濃度50%（v），即42.43%（w），生產(chǎn)1000kg酒精則醪塔上升蒸汽量為：V1=9436.7×10.7%÷42.43%=2379.7（kg）殘留液量為：WX=9436.7-2379.7=7057（kg）成熟醪量比熱容為：C1=4.18×（1.019-0.95B1）=4.18×（1.019-0.95×10.7%）=3.83[kJ/（kg·K）]成熟醪帶入塔的熱量為：Q1=F1C1t1=9436.7×3.83×55=1.99×106（kJ）蒸餾殘液內(nèi)固形物濃度為：蒸餾殘留液的比熱：(kJ/kg.k)塔釜?dú)埩粢簬С鰺崃繛椋?kJ)查附錄得42.43%酒精蒸汽焓為2045kJ/kg。故上升蒸汽帶出的量為：(kJ)塔底真空度為-0.05MPa（表壓），蒸汽加熱焓為2644kJ/kg，又蒸餾過程熱損失Qn可取傳遞總熱量的1%，根據(jù)熱量衡算，可得消耗的蒸汽量為：（kg）若采用直接蒸汽加熱，則塔底排出廢醪量為：7057+2661=9718（kg）表4-1年產(chǎn)10萬噸纖維質(zhì)物料酒精發(fā)酵衡算表物料衡算生產(chǎn)1000kg99.5%酒精物料量每小時(shí)（kg）每天（t）每年（t）燃料酒精100013889333.33100000.8秸稈原料5443.1755971814598620次級酒精2016741200發(fā)酵醪9870.51370913290987000蒸餾發(fā)酵醪9436.81310683146943800雜醇油3250.6180二氧化碳9688067193.658080醪塔廢醪量971813497332399717004.2酒精生產(chǎn)各工段物料和能量衡算4.2.1預(yù)處理工段蒸煮前首先將粉碎原料在配料調(diào)漿罐內(nèi)與溫水混介，加水比一般為1:3左右，則粉漿量為:m=75597×（1＋3）＝302388kg/h現(xiàn)按一般蒸煮工藝條件進(jìn)行估算，若醪液平均比熱取3.55kJ/(kg·k)，混合后粉漿溫度為65℃，利用3.96MPa，250℃的高壓飽和水蒸汽對原料進(jìn)行加熱，使原料溫度從20℃升高到190℃，設(shè)高壓蒸汽量為mHP，整個(gè)過程忽略熱損失。高壓蒸汽250℃水蒸氣→190℃液態(tài)水原料65℃原料→190℃水解液高壓蒸汽提供的熱量Q1=r·mHP+c·mHP·Δt1其中r為3.96MPa下水的汽化潛熱，査其值為1713.4kJ/kΔt1=250－190=60℃水解液需要的熱量為Q2=c'·m·Δt2其中c'為玉米秸稈的比熱容，查表取值為1.62×103J/kg.k原料秸稈質(zhì)量為m=75597（kg/h）Δt2=190－20=170℃忽略熱損失，則有Q1=Q2，即r·mHP+c·mHP·Δt1=c·m·Δt2帶入數(shù)據(jù)可得高壓蒸汽的用量為mHP=68315（kg/h）則進(jìn)入蒸煮過程中蒸煮醪量為m蒸煮=302388+68315=370703kg/h4.2.2水解工段這里，我們使用纖維素酶來催化纖維素水解過程，比活力為40000U/g[15]，纖維素酶添加比例取12U/g纖維素[16]。用于水解化體系的纖維素的質(zhì)量為137091÷95%×20%=28860（kg/h）則酶的添加量為(g/h)每天纖維素酶的消耗量為43.3×24=1039.2（kg）每年纖維素酶的消耗量為1039.2×300=311760kg=311.76（t）4.2.3發(fā)酵工序現(xiàn)生產(chǎn)100000t/a，要每小時(shí)生產(chǎn)無水酒精量為：13889×99.18%=13775（kg/h）以葡萄糖為碳源，酒母發(fā)酵過程中每生成1kg酒精放出的熱量約為819kJ左右，則酒精發(fā)酵和酒母培養(yǎng)過程中每小時(shí)放出的熱量為：Q=819×13775=1.12×107（kJ/h）發(fā)酵酒母冷卻水初溫=20℃，終溫=27℃，平均耗水量為：（kg/h）酒母酒精捕集用水為：（待蒸餾發(fā)酵醪液量為F=116991kg/h）5%F÷1.06=5%×131068÷1.06=6182.5（kg/h）發(fā)酵洗罐用水為：（每15天洗一次）1%F÷1.06=1%×131068÷1.06=1236.5（kg/15天）則發(fā)酵工段總用水量W發(fā)酵工段=5518.4+4414.7+337321=344740（kg/h）4.2.4蒸餾工序本次設(shè)計(jì)采用差壓兩塔蒸餾流程計(jì)算。工藝進(jìn)醪塔濃度為10.7%，出醪塔酒精蒸汽濃度為50%.（1）醪塔圖2-1醪塔的物料和熱量平衡圖將成熟發(fā)酵醪液預(yù)熱至55℃，從頂部進(jìn)入醪塔蒸餾，成熟發(fā)酵醪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%，沸點(diǎn)90.95℃，上升蒸汽濃度為50%（v），即42.43%（w）。塔頂溫度95℃，塔底溫度106℃。則塔頂上升蒸汽熱焓量i1=1919kJ/kg。加熱蒸汽取0.05MPa絕對壓力，則其熱焓量I1=2644kJ/kg?？偽锪虾馑悖杭淳凭馑闶剑菏街校簒F1—成熟發(fā)酵醪的酒精含量[%（W）]，xF1=10.7%。y1—塔頂上升蒸汽的酒精濃度[%（W）]，y1=42.43%。XW1—塔底排出廢糟的酒精濃度[%（W）]，塔底允許逃酒濃度在0.04%以下，取xW1=0.04%。熱量衡算式：設(shè)CF1=3.98kJ/（kg·h），CW=4.04kJ/（kg·k），Ce=4.18kJ/（kg·k），并取熱損失Qn1=1%D1I1，tF1=55℃，tW1=106℃，F(xiàn)1=116991（kg/h）聯(lián)解2-1、2-2、2-3求得V1=32919（kg/h），Wx=98149（kg/h），D1=38937（kg/h）一般醪塔采用直接蒸汽加熱，塔底醪排出量為：G1=WX+D1=98149+38937=137086（kg/h）表4-2年產(chǎn)10萬噸酒精蒸餾工段醪塔物料熱量匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目物料（kg/h）熱量（kJ/h）項(xiàng)目物料（kg/h）熱量（kJ/h）成熟醪F1131068F1CF1tF11.71×108蒸餾殘液WX98149WXCWtW11.5×108加熱蒸汽D138937D1I11.03×108上升蒸汽V132919V1i16.32×107加熱蒸汽D138937D1tW1Ce6.14×107熱損失Qn11.03×106累計(jì)1700052.74×108累計(jì)1700052.74×108（2）精餾塔塔頂溫度105℃，塔底130℃，進(jìn)汽溫度130℃，出塔酒精濃度為96%（v），即93.84%（w）。出塔酒精量為：P=13889×99.18/93.84=14679(kg/h)每小時(shí)醛酒量因?yàn)槿┚普汲鏊凭?%，則每小時(shí)的醛酒量為：A=2%×14679=294(kg/h)P′=P–A=14679－294=14385(kg/h)圖2-2精餾塔的物料和熱量衡算圖在精餾塔中，塔頂?shù)木凭羝?jīng)粗餾塔底再沸器的冷凝后，除回流外，還將少量酒精送至洗滌塔內(nèi)再次提凈。據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，此少量酒精約是精餾塔餾出塔酒精量的2%左右，則其量為：Pe=P，×2%=14385×2%=288（kg/h）酒精的濃度隨著加熱蒸汽汽化逐板增濃,在塔板液相濃度55%(v)處采用汽相抽取部分冷凝去雜醇油分離器分離,這部分冷凝液稱雜醇油酒精,數(shù)量約為塔頂餾出塔酒精的2%左右,其中包括雜醇油m0=0.3%(P′+A)=0.3%×13343=400(kg/h),故H=(P′+Pe)×2%=（14385+288）×2%=293(kg/h)在雜醇油分離器內(nèi)大約加入4倍水稀釋,分油后得到的稀酒精經(jīng)塔底的蒸餾廢水經(jīng)預(yù)熱到tH=80℃,仍回入精餾塔,這部分稀酒精量為:H′=(1+4)H–m0=5H–m0=5×293-400=1065(kg/h)物料平衡:F2+D2+H′=P′+Pe+H+D3+W′x則:W′x=F2+H′-P′-Pe-H=32919+1065－14385－288－293=19018(kg/h)熱量平衡:a=s=式中R—精餾塔的回流比一般為3～4，取3I2—精餾塔加熱蒸汽的熱含量，0.6Mpa絕對壓力，I2=2652(kJ/h)tH—為回流稀酒精的進(jìn)塔溫度tH=80℃CH—為雜醇油分離器中稀酒精比熱，稀酒精濃度為：，查得起比熱為CH=4.43kJ/（kg·k），75.2%—為雜醇油酒精的重量百分濃度，與液相濃度55%（v）相平衡。tP—出塔酒精的飽和溫度(78.3℃)CP—出塔酒精的比熱，應(yīng)為2.80[kJ/（kg.K）]i2—塔頂上升蒸汽熱含量,i2=1163.2(kJ/kg)iH—雜醇油酒精蒸汽熱含量,應(yīng)為iH=1496(kJ/kg)tw2—精餾塔塔底溫度，取103℃Cw取4.04kJ/（kg·k）Qn2—精餾塔熱損失,Qn3=2%D2I2CF2—進(jìn)塔酒精的比熱，取CF3=4.16(kJ/kg)tF2—進(jìn)料溫度，取90℃W’x上面算得11448kg/h計(jì)算可得：D2=15516(kg/h)塔底排出的廢水：G=D2+W，x=15516+19018=34534（kg/h）計(jì)算蒸餾工段的蒸餾效率：表4-3年產(chǎn)10萬噸酒精蒸餾工段精餾塔物料熱量衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目物料（kg/h）熱量（kJ/h）項(xiàng)目物料（kg/h）熱量（kj/h）脫醛液F232919F2CF2tF24.97×10796%酒精P′14385P′CPtP1.42×107加熱蒸汽D215516D2I27.44×107次級酒精Pe288——稀酒精854CHtH1.67×106雜醇油酒精蒸汽H293HiH4.38×105回流液——R(Pe+P`)Cptp1.55×1067蒸餾廢水Wx+D234534(Wx+D2)tW2Cw5.25×107上升蒸汽——(R+1)(Pe+P`)i26.83×107熱損失——Qn27.44×105累計(jì)495001.41×108累計(jì)495001.41×1084.3供水、電以及其他衡算4.3.1.1水衡算利用酒母發(fā)酵的冷卻廢水進(jìn)行冷卻，這樣可以節(jié)省冷凝水用量。4.3.1.1精餾塔分凝器冷卻用水精餾塔分凝器熱量衡算有：（R2+1）（P′+Pe）i2=W精餾CW（-tH3）W精餾分凝精餾塔回流比R為3塔頂上升蒸汽熱焓i2=1163.2kJ/kg冷卻水進(jìn)出口溫度tH3、，取tH3=20℃，=85℃，Cw取4.04kJ/kg則精餾塔冷凝器冷卻用水為：W精餾分凝=2.60×105（kg/h）4.3.1.2成品酒精冷卻和雜醇油分離器稀釋用水成品酒精冷卻使用20℃的水，根據(jù)熱量衡算，耗水量為：CP為成品酒精比熱容為2.90kJ/（kg·K）、為成品酒精冷卻前后的溫度，分別為78.3℃、30℃、為冷卻水進(jìn)出口溫度，分別為20℃、40℃Cw=4.04kJ/（kg·K）則成品酒精冷卻水用量為：W成品=2.50×104（kg/h）在雜醇油分離器內(nèi)加入4倍的水稀釋，則稀釋用水量為：W雜醇油分離=4H=4×176=1172（kg/h）4.3.1.3總用水量蒸餾車間總用水量為：W蒸餾工段=W精餾分凝+W成品+W雜醇油分離=2.60×105+2.50×104+1172=2.86×105（kg/h）各工段總用水量為：W總=W發(fā)酵工段+W蒸餾工段=344740+2.86×105=6.31×105（kg/h）4.3.2.其他衡算4.3.2.1供氣衡算由前面計(jì)算所得數(shù)據(jù)可知蒸餾工段蒸汽消耗：D＝D1+D2+mHP＝38937+28.65+68315＝107281（kg/h）年耗蒸汽量為：107281×24×300=772423(t)酒精廠平均蒸汽用量：酒精廠每小時(shí)平均蒸汽消耗量主要供給蒸餾工段，因此其消耗量由蒸餾量和損失組成，蒸汽總損失取蒸餾工段蒸汽消耗量的4%，則鍋爐需要蒸發(fā)量為：772423×(100%+4%)=883318t/h假設(shè)鍋爐效率為80%，則平均每噸煤能供生產(chǎn)使用50t新鮮蒸汽，則連續(xù)蒸餾煤消耗量為：883318÷50000÷80%=22（t/h）本設(shè)計(jì)選用的鍋爐為工業(yè)中壓（1.47—5.88Mp）中型（20—75t）的煤粉鍋爐型號為YG80/3.82—M7蒸發(fā)量為80t/h，額定溫度為450℃4.3.3.1供電衡算根據(jù)我國酒精連續(xù)發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)[17]，設(shè)生產(chǎn)每噸酒精耗電40度，可估算酒精廠的用電：40×100000=4×106（度/年）=13333（度/日）考慮到此值為估算值，所以乘以一個(gè)富裕系數(shù)為120%：13333×120%=15999.6（度/日）=4.80×106（度/年）5.設(shè)備選型及計(jì)算5.1預(yù)處理設(shè)備5.1.1調(diào)漿桶拌料桶總?cè)莘e決定于操作周期長短，調(diào)漿桶的總?cè)莘e可按下式求得:V總=式中G—酒精廠每小時(shí)投人原料量(kg/h),取75597kg/hn—加水比t—調(diào)漿桶操作周期(min)，一般取30min左右ρ—調(diào)漿后醪密度，玉米秸稈加水比為1：3時(shí)約為950kg/m3φ—調(diào)漿罐填充系數(shù)，一般0.8V總===199（m3）取H=1.5D，h=0.1D其中D為發(fā)酵罐內(nèi)徑，H—為發(fā)酵罐高，h—為攪拌罐底封頭高，則（m3）解得：D=3.45m取D=3.5m，則H=5.80m，h=0.35m則（m3）調(diào)漿桶的個(gè)數(shù)為n=V總/V調(diào)=199/51.5=3.86（個(gè)）調(diào)漿桶由于是分批投料，為了滿足連續(xù)蒸煮的要求，一般應(yīng)設(shè)兩組，一組調(diào)漿桶取4個(gè)。5.1.2蒸煮罐個(gè)數(shù)計(jì)算間歇蒸煮是在一只蒸煮鍋內(nèi)完成投料、升溫、蒸煮三個(gè)步驟。設(shè)每一周期共需時(shí)間T=1h，蒸煮醪的量m=370703kg/h，玉米秸稈加水比為1：3時(shí)，蒸煮醪密度約為950kg/m3則蒸煮醪的體積流量為V=m/ρ=390（m3/h）對于錐形蒸煮鍋，一般容積不大于10m3，過大不易操作，在這里取錐形蒸煮鍋的容積為v=10m3，蒸煮鍋的填充系數(shù)為φ=75%，則蒸煮罐的個(gè)數(shù)為N=VT/vφ=390×1÷(10×0.75)=52（個(gè)）因此需要52個(gè)蒸煮罐5.1.3蒸煮罐的輪廓尺寸計(jì)算[18]取H=1.5D，h1=h2=0.1D其中D為發(fā)酵罐內(nèi)徑，H—為發(fā)酵罐高，h1、h2—分別為發(fā)酵罐底封頭高和上封頭高度，發(fā)酵罐上部分為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，下部分為錐形封頭，為了方便計(jì)算，假設(shè)其上下封頭體積相同，則(m3)代入數(shù)值計(jì)算得：D=2.01m取D=2.00m，H=3.00m，h1=0.2mm，h2=0.2mm則蒸煮鍋全容積為V=D2Hπ/4+D2π（h2+h3）/12+V3=9.8（m3）5.2水解罐的計(jì)算5.2.1水解罐體積按照有關(guān)情況和指導(dǎo)老師建議，我采用500m3，取H=2D，h1=h2=0.1D其中D為發(fā)酵罐內(nèi)徑，H—為發(fā)酵罐高，h1、h2—分別為發(fā)酵罐底封頭高和上封頭高度，發(fā)酵罐上部分為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，下部分為錐形封頭，為了方便計(jì)算，假設(shè)其上下封頭體積相同，則（m3）D=6.75mH=13.5mh1=0.68mh2=0.68m則（m3）則水解罐的有效容積為V效=499×0.5=248.5m3≈250（m3）5.2.2水解罐數(shù)量忽略水解過程中的物料損失，則進(jìn)入水解罐的重量為m=137091÷95%=144306（kg/h）原料漿的干物質(zhì)含量為8%，近似水解前后體積的變化，取葡萄糖含量8%的溶液密度為ρ=1170kg/m3，使纖維素得到充分水解，取水解罐的填充系數(shù)為φ=50%，則水解醪的體積流量為144306/1170=123.34m3/h，水解時(shí)間為T=24h，水解罐的總?cè)莘e為V總=123.34×24÷0.5%=5920.32m3，為設(shè)備布局合理取v=500m3的水解罐N=mT/ρψv=144306×24÷1170÷0.5÷500=11.8(個(gè))因此水解罐的數(shù)量取12個(gè)。5.3發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì)采用連