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V
年產5萬噸乙醇化工廠設計
摘 要
乙醇在人們日常生活以及科學研究等諸多領域都有很廣泛的應用。世界乙醇行業(yè)以及我國乙醇行業(yè)都呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，產量逐年遞增。發(fā)酵法生產乙醇的能力將成為一個國家經濟實力的標志。發(fā)酵法主要是利用微生物無氧發(fā)酵，將含糖物質如，甘蔗，甘薯，玉米等物質內的糖類轉化為乙醇。此法原料來源豐富，生產過程環(huán)保，值得大力推廣。本設計對玉米乙醇生產的發(fā)酵車間和精餾車間進行了計算和設備選型，力求理論和實踐相結合。
關鍵詞:玉米,乙醇,發(fā)酵法,發(fā)酵車間,蒸餾車間
The Chemical Plant Design of Yearly Produces
50,000 Tons Ethanol
ABSTRACT
Ethanol has very extensive application in a great deal of fields such as people's daily life and scientific research. The trades and ethanol trades of our country have fast development trends on earth in the world. The output is increased progressively year by year. The ability for producing ethanol of the fermented law will become the sign of a national economic strength. The fermented law is mainly to utilize microorganism to have no oxygen to ferment, it suck candy material like,sugarcane, sweet potato, carbohydrate in the material such as the maize are turned into ethanol. This law raw material sources are abundant , the environmental protection of the production process, is worth popularizing in a more cost-effective manner. Originally design the fermented workshop and distillation workshop produced to alcohol to calculate with the selecting type of the apparatus , strive to make the theory combine with practice.
KEYWORDS：Corn，Ethanol，F(xiàn)ermented law，F(xiàn)ermented workshop，Distillation workshop
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒 論 1
1.1 乙醇的主要性質 1
1.2 乙醇的主要用途 1
1.3 我國乙醇行業(yè)基本狀況發(fā)展趨勢 2
1.4 乙醇工業(yè)生產方法 2
1.4.1化學合成法 2
1.4.3發(fā)酵法 3
1.5 乙醇國家標準 4
1.6 項目建設的背景 4
1.7 項目實施的意義及必要性 6
1.8 生產原料的供應 7
1.8.1主要原料的供應 7
1.8.2 輔助材料的供應 8
2 生產工藝與設備介紹 9
2.1 糖化、蒸煮工段 9
2.2 發(fā)酵工段 10
2.2.1酒母培養(yǎng)的工藝流程 10
2.2.2 發(fā)酵 11
2.3 蒸餾工段 11
3 乙醇生產物料衡算 13
3.1?全廠物料衡酸的內容 13
3.2?工藝流程示意圖 13
3.3?工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù) 13
3.4 原料消耗的計算 14
3.5 蒸煮醪量的計算 15
3.6 糖化醪與發(fā)酵醪量的計算 16
3.7 發(fā)酵醪量的計算 17
3.8 50000噸/年淀粉原料乙醇廠總物料衡算 18
3.9 50000噸乙醇發(fā)酵車間水衡算 19
4 設備計算、選型與熱量衡算 21
4.1 發(fā)酵設備的計算與選型 21
4.1.1 發(fā)酵罐容積的確定： 21
4.1.2? 發(fā)酵罐能力的計算： 21
4.1.3 發(fā)酵罐個數(shù)的確定： 22
4.1.4??主要尺寸的計算 22
4.1.5??設備材料的選擇： 25
4.1.6??發(fā)酵罐壁厚的計算 25
4.1.7? 接管設計 26
4.1.8 支座選擇 26
4.2種子罐的計算與選型 27
4.2.1??種子罐容積和數(shù)量的確定： 27
4.2.2 冷卻面積計算（采用夾套冷卻） 27
4.2.3 壁厚計算: 28
4.2.4 種子罐結構的工藝設計： 29
4.2.5 種子罐進風管（進料管） 30
4.2.6 冷卻水管： 31
4.3 粗餾塔的計算與選型 32
4.3.1粗餾塔的物料和能量衡算 32
4.3.2 粗鎦塔的結構計算 33
4.4 精餾塔的計算與選型 36
4.4.1 精餾塔基本數(shù)據(jù)的確定 37
4.4.2 計算加熱蒸汽量G和廢液量W： 38
4.4.3 閥塔板間距的選擇與塔徑的估算： 39
4.4.4 層數(shù)的確定： 39
4.4.5 塔高的計算 40
4.4.6 塔板的計算 41
4.4.7 接管計算： 44
4.4.8 精餾塔其他尺寸確定 45
4.5 工藝設備一覽表 46
5 環(huán)境的保護和安全措施 49
5.1全廠平面圖設計原則 49
5.1.1 原料廠及堆場 49
5.1.2 生產區(qū) 49
5.1.3 廠前區(qū) 50
5.1.4 動力區(qū) 50
5.1.5 輔助生產車間 50
5.1.6 倉庫區(qū) 50
5.1.7 工廠綠化 50
5.2 車間布置原則 51
5.2.1 裝置（車間）的組成 51
5.2.2 車間布置方式 52
5.3工廠防護 52
5.4給排水 52
5.5供電 53
5.6供熱 54
5.7空壓站、冷凍站 54
5.8維修車間 54
5.9科研、化驗樓 55
5.10節(jié)能 55
5.11 發(fā)生火災的主要原因及其預防 55
5.11.1 發(fā)生火災的原因 56
5.11.2 預防原則 56
5.12主要污染物 56
5.13污染物控制方案 57
6 設計結果 58
致 謝 59
參考文獻 60
59
年產5萬噸乙醇化工廠設計
1 緒 論
1.1 乙醇的主要性質
（a）乙醇是在常溫、常壓下是一種無色、透明、有香味、易揮發(fā)的液體，熔點-117.3℃，沸點78.5℃，凝固點為-114.1℃．密度0.7893g/cm3,能與水及大多數(shù)有機溶劑以任意比混溶。乙醇易燃,它的爆炸極限為3.5%～18%,閃點11℃,使用時須注意安全。工業(yè)酒精含乙醇約95％。含乙醇達99.5％以上的酒精稱無水乙醇。含乙醇95.6％,水4.4％的酒精是恒沸混合液,沸點為78.15℃，其中少量的水無法用蒸餾法除去。
（b）危險特性：易燃，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物。遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。與氧化劑接觸發(fā)生化學反應或引起燃燒。在火場中，受熱的容器有爆炸危險。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇明火會引著回燃。滅火方法：盡可能將容器從火場移至空曠處。噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束。滅火劑：抗溶性泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。
（c）儲藏：存于陰涼、通風倉間內。遠離火種、熱源。儲存溫度不宜超過30℃。防止陽光直射。保持容器密封。應與氧化劑分開存放。
1.2 乙醇的主要用途
乙醇的用途按需求量多少可分為三方面：用量最大的燃料乙醇，科研用的乙醇化學試劑，化工醫(yī)藥用乙醇。
(a) 乙醇是一種新能源，其優(yōu)勢在于發(fā)酵乙醇屬于可再生能源，乙醇不僅是一種優(yōu)良燃料，它作為一種優(yōu)良燃油品質改善劑被廣泛使用，其優(yōu)良特性主要有：乙醇是燃油的增氧劑，是汽油燃燒完全，大大節(jié)能和環(huán)保的；乙醇具有很好的抗爆性能；乙醇是優(yōu)于太陽能的一種生物轉化能源，是可再生資源。
(b) 乙醇在醫(yī)藥方面的用途很廣：可作為大專院校及科研院所等的實驗室以餐飲業(yè)在燃料；可作為細胞生物學實驗和研究使用的優(yōu)良的固定劑和脫水劑，可作為優(yōu)良的防凍降溫介質?？勺鳛槿剂弦胰?，乙酸，乙醚。
(c) 酒精工業(yè)的副產品 大型乙醇企業(yè)除主要生產乙醇外，還有如下副產物：優(yōu)質顆粒飼料DDGS（全價干酒精糟）優(yōu)質食用級CO2. CO2是發(fā)酵酒精相伴生產的數(shù)量最大的副產品。高純度食用級CO2除用做碳酸飲料外還有氣體保護焊接，藥物萃取，溫室生產等方面有較廣的用途；玉米油；玉米胚芽油是優(yōu)質保健食品；玉米，小麥等為原料的大型究竟生產企業(yè)。還可以生產玉米淀粉，葡萄糖漿，果糖漿，玉米蛋白等，雜醇油是某些食用香料的主要原料。
1.3 我國乙醇行業(yè)基本狀況發(fā)展趨勢
我國的乙醇工業(yè)始于1900年黑龍江哈爾濱市，建國前全國的總產量已居世界第三位。我國乙醇總產量還不到一萬噸，新中國成立后歷經50年的發(fā)展初步形成了企業(yè)生產，工廠設計，科學研究，人才培訓，綜合利用，檢驗檢測，產品銷售等一個完整的酒精工業(yè)體系，中國的乙醇產量已增長到300萬噸，躍居世界第三。其中年產5萬噸以上企業(yè)10家。3萬噸的企業(yè)20家，萬噸以上的70家。
2000年我國政府燃料乙醇規(guī)劃的實施標志著中國乙醇產業(yè)還要上一個臺階，2003年吉林（一期年產量30萬噸）大型燃料乙醇企業(yè)的投產，說明中國乙醇生產能力已接近世界先進水平，但有專家指出：目前，中國玉米燃料乙醇生產企業(yè)需進一步提高的工藝環(huán)節(jié)。包括干法脫胚制油，中溫雙酶法糖化，濃醪連續(xù)發(fā)酵，多塔差溫蒸餾，廢熱多效真空蒸發(fā)；CIP清洗系統(tǒng)等。隨著乙醇工業(yè)的不斷發(fā)展，乙醇工業(yè)已逐步從傳統(tǒng)工藝的模式中解放出來。廣大工程技術人員都在努力研究和開發(fā)新工業(yè)，新設備，選育新的高產穩(wěn)定的菌種。由于世界范圍內耕地面積都在不斷減少。以淀粉質原料生產乙醇的比例也在減，以糖蜜為原料生產乙醇的比例卻有明顯提高。具有關報道，全世界酒精生產所用原料的各種比例為45%，石油裂解廢氣乙烯占0%淀粉質原料占16%。亞硫酸鹽紙漿液占7%，野生植物約占12%。這些數(shù)據(jù)表明，將來的酒精生產原料可能以含有可發(fā)酵性工業(yè)廢氣物為主。
為了進一步提高乙醇生產工藝，各國的工程技術人員都在研究新型的乙醇發(fā)酵方法，如現(xiàn)在工業(yè)生產上應用的固定化細胞乙醇發(fā)酵法，耐高溫活性干酵母法等新的發(fā)酵工藝。在設備方面也有不少生產反應器出現(xiàn)，如單罐連續(xù)攪拌反應器，酒母回用連續(xù)攪拌反應器，塔式反應器，細胞固定化反應器等，再新原料利用方面都有很大改進，以上所提到的乙醇生產工藝和設備，再某些方面還存在不足之處。但基本上反映了乙醇工業(yè)今后的發(fā)展方向。
1.4 乙醇工業(yè)生產方法
目前乙醇工業(yè)的生產方法，歸結起來主要有兩種類型：一種是利用乙醇酒母發(fā)酵生產乙醇。另一種是利用石油原料采用化學合成方法生產乙醇。
1.4.1化學合成法
化學合成法是指利用石油和或天然氣的裂解氣、工礦企業(yè)的廢氣以及電石等原
料，經過化學反應生成酒精的方法，有乙烯水合法和乙醛加氫法等方法。工業(yè)生產上最重要的方法是乙烯水合，它又分為間接水合法（又稱硫酸水合法）水合法兩種方法。
(1)乙烯水合法:
(a) 直接水合法
乙烯和水在固相催化劑的存在下，經氣相反應直接合成酒精。工業(yè)上廣泛采用磷酸作為催化劑，其載體是合成的粗糙而多孔的硅酸鋁顆粒。其化學反應式如下：
CH2=CH2＋H2O
7.0—8.0Mp,280—300℃
磷酸的硅藻土系催化劑
CH3CH2OH
(b) 硫酸水合法 硫酸水合法是指將乙烯為96％—98％的硫酸進行酯化反應生成硫酸酯，然后再將硫酸酯加水分解成乙醇和稀硫酸。其化學式如下：
第一步 CH2=CH2＋H2SO4
2.1M p—2.5Mp，65—75℃
CH3CH2—O—SO2
或者 2CH2＋H2SO4
2.1M p—2.5Mp，65—75℃
(CH3CH2—O)2SO2
第二部 CH3CH2—O—SO2
0.2Mp,95—100℃
CH3CH2OH+ H2SO4
或者 (CH3CH2—O)2SO2
0.2Mp,95—100℃
2CH3CH2OH+ H2SO4
(2)乙醛加氫法
（a）乙烯氧化法?；瘜W反應式如下：
CH2=CH2+1/2O2
氯化鈀，氯化銅
CH3CHO
CH3CHO+H2
160—200℃
銅催化劑
CH3CH2OH
（b）電石法。電石的主要成分是碳化鈣，碳化鈣與水作用生成乙炔，在硫酸汞催化劑作用下，乙炔與水生成乙醛，乙醛在銅催化劑作用下生成乙醇。反應式如下：
CaC2＋2H2O
C2H2＋Ca(OH)2＋138kJ
C2H2+ H2O
H2SO4
硫酸汞
CH3CHO
CH3CHO+H2
160—200℃
銅催化劑
CH3CH2OH
1.4.3發(fā)酵法
發(fā)酵法是將葡萄糖在有能引起發(fā)酵的物質存在的情況下，經過蒸煮、糖化等各種不同的階段而轉化成乙醇，工業(yè)上事先將淀粉在淀粉糖化酶的作用下預先進行糖化：
m(C6H12O5)＋1/2mH2O
糖化酶
1/2m（C12H22O11)
在發(fā)酵過程中，雙糖經水解的到葡萄糖：
C12H22O11+ H2O
麥芽糖酶
2C6H12O6
然后葡萄糖酒化：
C6H12O
酒化酶
2CH3CH2OH+2CO2
我國農副產品資源豐富，所以，主要采用微生物發(fā)酵法。微生物發(fā)酵法在采用不同發(fā)酵原料時生產酒精的工藝有所不同，主要分為淀粉質原料酒精生產工藝，糖蜜原料酒精生產工藝，工廠廢液及纖維素原料酒精生產工藝等。常用淀粉質原料有薯類，谷物類，和某些含淀粉較多野生植物。
1.5 乙醇國家標準
乙醇質量標準是檢驗乙醇蒸餾和管理水平的核心，一個國家的乙醇質量標準是這個國家乙醇產業(yè)能力和水平的標志，乙醇質量國家標準是整個乙醇企業(yè)生產活動的最主要的法規(guī)，乙醇質量是酒精企業(yè)的生命線，不斷提高乙醇質量是企業(yè)永恒主題。
表1—1 工業(yè)乙醇國家標準GB394—93感官和理化指標規(guī)定值簡表
項目
單位
優(yōu)等
一等
合格
粗酒精
外觀
無色透明
淡黃色
氣味
無異臭
—
乙醇（20℃）
%（體積）≥
90.6
95.5
95.0
氧化時間
min ≥
30
15
5
—
色度
號 ≥
10
—
硫酸試驗
—
10
80
—
甲醇
mg/L ≤
800
1200
? 2000
—
醛
5
30
—
雜醇油
10
80
400
—
酸
10
20
—
酯
30
40
—
不揮發(fā)油
20
25
—
1.6 項目建設的背景
世界經濟一體化、我國成功加入WTO、國民經濟結構戰(zhàn)略性調整、全球范圍內石油價格的不斷攀升，為地處我國華中交通、能源、流通、文化中心，生物質燃料原料豐富、區(qū)位優(yōu)勢明顯乙醇建設工程的建設和實施帶來了極好的發(fā)展機遇。
能源問題一直是當今社會發(fā)展所面臨的一大突出問題。在自然界，人們可利用的能源總體上可分為兩大類，即一次能源（如石油、煤炭、天然氣等）和再生能源（如太陽能、生物質能、風能、水能等）。在這些能源中，人類目前消耗量最大的要屬一次能源。但一次能源的儲量是有限的，是不可再生的，并且已呈逐漸枯竭之勢。石油作為最主要的能源及化學品原料，在20世紀為人類社會的發(fā)展進步做出了巨大的貢獻，但隨著石油可開采量的減少，能源問題已經嚴重制約著世界經濟的發(fā)展。1973年至1974年的第一次石油危機觸發(fā)了第二次世界大戰(zhàn)之后最嚴重的全球經濟危機。這場危機導致美國的工業(yè)生產總值下降了14%，所有工業(yè)化國家的生產率增長都明顯放慢；1979年至1980年的第二次石油危機成為70年代末西方國家全面經濟衰退的一個主要原因。根據(jù)聯(lián)合國能源組織的評估，地球上的石油儲量再有五十年左右將基本耗盡，為了解決這一問題，保持全球經濟的可持續(xù)發(fā)展，從20世紀70年代中期開始，利用生物技術和可再生資源（生物資源）進行燃料乙醇的工業(yè)化生產，并以此作為石油的替代物已成為各國科學工作者研究的熱門課題。
統(tǒng)計資料表明，我國石油地質資源約為940億噸，其中可開采資源僅為135億噸，目前探明的只有24%，人均石油資源占有量僅為世界平均水平的1/16?！鞍宋濉币詠恚覈彤a量年增長率為1.7%，而消費量年增長率卻高達4.99%，供求矛盾日益突出，1993年起我國已成為石油凈進口國。據(jù)中石油的預測，今后幾年，我國的汽油消費將繼續(xù)以不低于3.5%的速率遞增。據(jù)統(tǒng)計，2005年我國生產成品油（汽、煤、柴）17456萬噸。其中汽油5405萬噸，煤油989萬噸，柴油11062萬噸。“十五”期間我國成品油生產量增加了44.4%，年均增長率為7.6%；汽油生產量增加30.7%，年均增長率為5.5%； 2005年我國成品油消費量約16816萬噸，同比增加757萬噸，當年消費汽油4815萬噸。“十五”期間我國成品油消費量增加53.9%，年均增長率為9.0%；汽油消費量增加40.3%，年均增長率為7.0%。
隨著國民經濟快速發(fā)展，未來國內成品油需求將平穩(wěn)增長，預計2010年和2020年，我國對成品油的需求量，將分別達到2.2億噸和3.0億噸。“十一五”和“十二五”期間，其年均增長率將分別為5.5%和6.4%隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，能源供給不足的問題已經越來越明顯地凸現(xiàn)出來；開發(fā)燃料乙醇等石油替代燃料、研究和開發(fā)新型能源已成當務之急。
環(huán)境污染是制約人類文明發(fā)展的另一大主要因素，隨著社會經濟的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，汽車已經走進了尋常百姓家。隨著汽車保有量的不斷增加，汽車尾氣對大氣環(huán)境造成的污染在逐年增加。相關部門對我國388個城市空氣質量的監(jiān)測結果顯示，三分之二城市的空氣質量超過國家空氣質量二級標準，其中超過三級標準的有157個城市，占統(tǒng)計城市總數(shù)的40.5%；47個全國環(huán)境保護重點城市中，有三分之二的空氣質量不達標，其中18個城市空氣質量超過三級標準。隨著城市能源結構的調整、使用優(yōu)質煤炭和工業(yè)污染源綜合治理工作的的深入開展，機動車尾氣污染大氣環(huán)境問題已變得尤為突出。這主要表現(xiàn)在人口和交通高度集中的大城市。據(jù)有關部門的統(tǒng)計，到2005年底，我國民用汽車保有量已達3300萬輛，摩托車約4500萬輛，并且還以年10%的速度遞增，大量的汽車尾氣污染物排放給城市大氣環(huán)境質量帶來了很大影響。國際上對汽車尾氣造成的大氣環(huán)境污染非常重視，各國在研究開發(fā)替代汽油的清潔能源方面作了很多工作，比如風能、電能（水電、火電）的開發(fā)，提取海水中的氫等，但這些均具有很大的局限性。目前常用的方法是在車用汽油中添加氧化辛烷輔助劑（主要是MTBE——甲基叔丁基醚），以提高汽油的辛烷值，有效促進燃燒，減少一氧化碳排放和汽油中苯的排放，降低汽油的揮發(fā)性，減輕地表臭氧污染。而這種添加劑的使用，在美國等發(fā)達國家早已引起爭議?？茖W家們認為，MTBE在減少空氣污染的同時，也對地下水及飲用水源造成了嚴重污染，而且其污染地下水所造成的危害程度要遠大于其清潔空氣的作用。因此，為了防止飲用水遭受進一步污染，2001年3月美國宣布全國禁止使用MTBE作為汽油添加劑。據(jù)悉，歐盟、巴西和墨西哥也都在考慮停止摻混在汽油中的MTBE的生產。用生物技術路線取代化學技術路線進行生物燃料的生產，已成為世界上各大化學公司發(fā)展戰(zhàn)略的熱點。在我國，以生物化學制品、環(huán)保型燃料替代石油，也已被國家發(fā)展和改革委員會確定為我國汽車燃料工業(yè)發(fā)展的方向。
我國的乙醇生產企業(yè)，主要分布在山東、吉林、黑龍江、河南、安徽、等省區(qū)。湖北燃料乙醇生產到目前為止仍為空白。本項目的實施，將為今后發(fā)展玉米乙醇產業(yè)奠定基礎，成為我國華北地區(qū)新型再生環(huán)保能源的生產基地。本項目產品進入市場后其優(yōu)勢為：
a)采用目前國內比較先進的生產工藝生產乙醇，節(jié)能效果明顯。
b)與國內已有的以甜蜜、小麥為原料生產的乙醇相比，該項目產品成本低，具有市場競爭力。
c)在華北大區(qū)，玉米的種植普遍，原料充足，利用丘嶺山地坡地，因地制宜，種植玉米可帶動當?shù)剞r民增加收入，脫貧致富。
本項目除主產品乙醇外，還回收液體CO2、生物能源--沼氣和有機肥料、飼料等副產品，這些副產品都是利用乙醇生產過程中產生的廢氣、廢液、廢渣，通過適當?shù)墓に囘^程獲得，充分利用了資源，形成了環(huán)保型產業(yè)鏈，而且最終排污指標均達到相關排放標準。所以本項目是一個社會效益、環(huán)境效益顯著、經濟效益較好，市場前景廣闊的新型環(huán)保能源產業(yè)，符合國家產業(yè)政策和發(fā)展循環(huán)經濟的要求。
按照發(fā)展循環(huán)經濟的思路，玉米乙醇加工生態(tài)鏈和產業(yè)鏈還可以進一步拓寬，不僅能夠實現(xiàn)資源循環(huán)、高效利用，提高經濟效益，而且能夠有效保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
1.7 項目實施的意義及必要性
我國推行乙醇汽油清潔燃料，可以綜合解決解決國家石油短缺、糧食過剩及環(huán)境惡化三大熱點問題，并且對我國的農業(yè)、能源、環(huán)保、交通、財政諸方面起到極其的推動作用。項目建設具有戰(zhàn)略性的意義，主要表現(xiàn)在以下四個方面：
a) 改善大氣環(huán)境。使用有作為燃料，可以明顯降低汽車廢氣的排放，有效改善大氣質量，立足21世紀燃料乙醇發(fā)展的方向，瞄準乙醇產品消費市場，謀求真正與國際同行業(yè)先進水平接軌，充分利用常德市及其周邊地區(qū)豐富的玉米原料資源，利用高科技生產具有市場競爭力的乙醇產品。
乙醇為可再生能源，使用車用乙醇汽油部分代替汽油，有利于大氣環(huán)境的改善、可有效解決農產品的轉化增值問題、促進農業(yè)生產的良性循環(huán)。“十五”期間我國已批準在黑龍江、吉林、河南及安徽等省分別建設年產數(shù)十萬噸的燃料乙醇項目，作為國家新興能源試點示范重點工程，目前均取得了相當滿意的結果。
改革開放以來，隨著社會經濟的不斷發(fā)展和汽車、化工等工業(yè)的迅速增長，我國對各種能源的需求也越來越大，但全國能源儲量十分有限，且利用程度較低，難以滿足日益增長的能源需求。乙醇汽油的推廣使用，不僅能夠提高汽油的辛烷值，減輕汽車尾氣對大氣的污染，而且能夠有效緩解能源緊張、農產品出路等諸多社會矛盾，對國民經濟和國防戰(zhàn)備的意義非常重大。本項目的建設不僅具有提供替代能源的積極作用，而且還是一個綠色環(huán)保項目，它的附屬產品CO2可用于飲料、保鮮、消防、機械、鋼鐵、水泥等行業(yè)；沼氣可作為鍋爐的燃料，綜合效益十分顯著。
b)發(fā)展以玉米為原料的農產品加工業(yè)，實現(xiàn)產業(yè)化經營，是促進農業(yè)和農村經濟結構戰(zhàn)略性調整的重要途徑，具有十分重要的意義?？梢源龠M優(yōu)化農產品區(qū)域布局和優(yōu)勢農產品生產基地的建設，延長農業(yè)產業(yè)鏈，提高農產品的綜合利用、轉化增值水平，有利于提高農業(yè)綜合效益和增加農民收入；通過發(fā)展農產品加工業(yè)，以農業(yè)產業(yè)化經營為基本途徑，吸納農村富余勞動力就業(yè)，提高技術裝備能力和水平，有利于推進農業(yè)現(xiàn)代化。本項目通過建設高產優(yōu)質高效玉米原料基地，實施“公司＋科技＋農戶”的訂單農業(yè)模式，符合我國國民經濟總體發(fā)展要求和國家對農業(yè)發(fā)展、農產品加工轉化和增加農民收入、保護農民利益的戰(zhàn)略意義。
c)為生物質能源利用開辟了一條新的途徑。人類要生存，就離不開能源，從鉆木取火到煤炭、石油時代，每一次能源革命都把人類社會向前推進了一大步。直到現(xiàn)在，人類仍陶醉于征服大自然的喜悅中，但人類對大自然的超然索取，早已改變了原有的溫馨和潔凈。以我國為例，在一次性能源消費結構中，煤炭占75％，煤耗量約為15億噸。煤是全程污染的能源，除了人們看得見的煙塵污染外，還有二氧化硫和氮氧化物。肆意消耗以煤和石油為主的石化能源所引發(fā)的環(huán)境污染、溫室效應、熱帶雨林消失、物種多樣性減少等一系列生態(tài)危機，正在日益嚴重地威脅著人類的自身生存和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，不論是解決能源問題，還是解決環(huán)境污染問題，都有必要積極開發(fā)可再生綠色能源。
d)有利于解決“三農”問題。當前農業(yè)和農村發(fā)展中還存在著許多矛盾和問題，突出的是農民增收困難。全國農民人均純收入連續(xù)多年增長緩慢，糧食主產區(qū)農民收入增長幅度低于全國平均水平，許多以種糧為主業(yè)的農民收入持續(xù)徘徊甚至下降，城鄉(xiāng)居民收入差距仍在不斷擴大。農民收入長期上不去，不僅影響農民生活水平的提高，而且影響糧食生產和農產品的供給；不僅制約農村經濟發(fā)展，而且制約整個國民經濟的增長；不僅關系農村社會進步，而且關系全面建設小康社會目標的實現(xiàn)。
1.8 生產原料的供應
1.8.1主要原料的供應
本設計主要原料為玉米，我國玉米生產有很大的發(fā)展，播種面積僅次于水稻和小麥，居世界第三，產量僅次于稻谷而位居第二。目前各地都出現(xiàn)有較大面積的畝產500kg以上的產量，并總結出一整套玉米高產穩(wěn)定的技術經驗，包括玉米雜種的推廣、合理密植、實行間套作和育苗移栽以增加復種指數(shù)、合理施肥及病蟲害防止等。從各方面來看，我國玉米增產的潛力很大。
我國玉米產區(qū)遼闊，分布范圍廣，全國30個省所有旱地，不論高山、平原、丘陵地區(qū)都有種植，但主要其中在華北、東北地區(qū)。因此，在本地建乙醇發(fā)酵工廠，玉米原料供應充足，可在就近地區(qū)解決。
玉米胚芽中含有30%—40%的脂肪，玉米油中的不飽和脂肪酸含量達72%，是良好的食用油脂；玉米還含有較豐富的蛋白質。因此，玉米不僅是乙醇生產的良好原料，還應該在生產乙醇的同時，進行提取玉米油、制蛋白質飼料等終合利用的工作。玉米的化學成分如下表：
表1—2 玉米的組成(單位：%)
水分 蛋白質 脂肪 碳水化合物 粗纖維 灰分
6—15 8.5 5—7 65—73 1.3 1.7
1.8.2 輔助材料的供應
本項目生產所需輔助材料為α-淀粉酶、糖化酶、活性干酵母、硫酸以及硫酸銨等，其規(guī)格即用量見下表：
表1—3主要輔助材料規(guī)格及年用量
序號 名稱 規(guī)格 單位 年耗量
1 α-淀粉酶 20000u/ml 噸 548.6
2 糖化酶 100000u/ml 噸 1172.8
3 活性干酵母 噸 5
4 硫酸 GB534—1989 噸 250.5
5 硫酸銨 GB209—1993 噸 57.6
以上輔助材料均為常用商品，市場供貨充足，貨源可靠。
2 生產工藝與設備介紹
本設計采用發(fā)酵法生產乙醇，發(fā)酵法是將葡萄糖在有能引起發(fā)酵的物質存在的情況下，經過蒸煮、糖化等各種不同的階段而轉化成乙醇，最后經過蒸餾得到成品乙醇，其反應過程如下：
m(C6H12O5)＋1/2mH2O
糖化酶
1/2m（C12H22O11)
在發(fā)酵過程中，雙糖經水解的到葡萄糖：
C12H22O11+ H2O
麥芽糖酶
2C6H12O6
然后葡萄糖酒化：
C6H12O
酒母
2CH3CH2OH+2CO2
2.1 糖化、蒸煮工段
圖2—1 蒸煮糖化工藝流程圖
原料經皮帶輸送機運至地下貯箱，再經斗士提升機將原料運輸至料斗，通過錘式粉碎機進行粉碎，粉料經絞龍輸送，同時加水1：3攪拌均勻，而后進入粉漿罐，再進入預煮罐，邊攪拌邊預熱，熱源為二次蒸汽，溫度為55℃，用往復泵送到蒸煮柱中，用蒸汽加熱到140—150℃，充滿后從頂部流出，以此進入后熟器中，后熟時間 約90min,從后熟器出來物料進入真空冷卻罐中，冷卻后的蒸煮醪（63℃）同糖化酶一齊送入糖化鍋中糖化50min后，再經二級噴淋冷卻，將糖化醪冷卻到30℃，送入發(fā)酵工段進行發(fā)酵。
2.2 發(fā)酵工段
2.2.1酒母培養(yǎng)的工藝流程
酒母培養(yǎng)工藝流程，各工廠不統(tǒng)一，但總的要求是培養(yǎng)出健壯，純粹無雜菌，發(fā)酵力強的酵母種子。因此，酒母培養(yǎng)一定要控制好培養(yǎng)條件，使每級擴大培養(yǎng)的工藝條件逐步適應發(fā)酵的要求，盡可能采用同一類的糖蜜來制備稀糖液，以使酵母能適應大生產的條件。酒母培養(yǎng)可分為兩個階段，即酵母純粹擴大培養(yǎng)階段和酒母培養(yǎng)階段，酒母培養(yǎng)的工藝流程，各廠不一，通常有下列幾種：
（1）酵母純粹擴大培養(yǎng)工藝：
（a）原菌種斜面培養(yǎng) 將活化酵母在無菌條件下接入新鮮斜面試管，于28——30℃
培養(yǎng)3—5天，待斜面上長出白色菌苔，即培養(yǎng)成熟。
(b) 液體試管培養(yǎng) 在無菌條件下，用接種針自斜面試管挑取一環(huán)酵母菌體，接入
裝有10mL米曲汁的液體試管，搖勻后，置28—30℃培養(yǎng)20小時，帶冒出大量CO2即
培養(yǎng)成熟。
(c) 三角瓶培養(yǎng) 培養(yǎng)基用1/3麥芽汁或米曲計與2/3玉米稀釋且添加營養(yǎng)鹽的稀
糖液，稀糖液濃度為14—15Bx，酸度5—6°，糖分6.5—7.0％，塞好棉塞后用9.80665×10000帕斯卡蒸汽滅菌15分鐘，冷卻至25—30℃，無菌操作接種，搖勻后置25—30℃培養(yǎng)12—14小時便可移入卡氏罐。
三角瓶培養(yǎng)階段采用兩種混合培養(yǎng)基，一方面為了保證在純培養(yǎng)階段使酵母有較好的條件生長繁殖，得到健壯飽滿的種子，另一方面使菌種能夠逐步適應于大生產的條件。
(d) 卡氏罐培養(yǎng)：培養(yǎng)基全部用玉米稀釋添加營養(yǎng)鹽的稀糖液，稀糖液濃度為14—15Bx，酸度5—6°，糖分6.5—7.0％，用9.80665×10000帕斯卡蒸汽滅菌15分鐘，冷卻至25—30℃，無菌操作接種，搖勻后置25—30℃培養(yǎng)12—14小時?？ㄊ瞎藿湍阜N子醪成熟指標是：耗糖50％左右，酸度基本上不升高，酵母細胞數(shù)為1.5—2.0億／毫升左右，出芽率20％，即培養(yǎng)成熟。
(2)酒母擴大培養(yǎng)工藝
酒母培養(yǎng)的擴大級數(shù)，可根據(jù)各廠生產實際需要來決定。將酒母罐洗刷干凈，并對罐體、管道進行殺菌后，將酒母糖化醪打入酒母罐中，并接入已經培養(yǎng)好的卡式罐酒母，通無菌空氣或用機械攪拌，使酒母于醪液混合均勻，并能溶解部分氧氣，供酵母繁殖使用，然后控制醪溫在28—30℃進行培養(yǎng)，待醪液糖分降低40—50％，液面冒出大量CO2時培養(yǎng)即成熟。即可送往發(fā)酵車間，供發(fā)酵使用。
2.2.2 發(fā)酵
發(fā)酵采用間歇式發(fā)酵，為了配合連續(xù)蒸煮、糖化車間的操作，該設計采用連續(xù)添加法。生產開始時，先將一定量的酒母打入發(fā)酵罐，然后根據(jù)生產，確定流加速度。一般從接種酵母后，應于6—8小時內將罐裝滿。
連續(xù)流加法大發(fā)酵總時間自加滿罐時算起，需70小時左右發(fā)酵即結束。
2.3 蒸餾工段
圖2—2 精餾工藝流程圖
發(fā)酵成熟醪中的雜質分為揮發(fā)性雜質和不揮發(fā)性雜質。不揮發(fā)性雜質容易和酒精分離，在粗餾塔的底部排出，稱之為酒糟；揮發(fā)性雜質按化學性質又可分為四大類：醇類、醛類、脂類和酸類。另外還有一些微量的含硫物質和不飽和化合物等，隨酒精一起從粗餾塔的頂部排出，進入精餾塔進行下一步分離。
蒸餾系統(tǒng)采用氣相進塔的兩塔流程。發(fā)酵成熟醪用泵自發(fā)酵罐進入預熱器，與精餾塔頂來的乙醇蒸氣進行熱交換，成熟醪被加熱至40℃左右，再經酒糟預熱器加熱至70℃左右，從粗餾塔頂部進入粗餾塔。粗餾塔頂部用蒸汽直接加熱，使塔底溫度為105—108℃，塔釜壓力為19.6—24.5Kpa,塔頂溫度為92—95℃，塔頂約50％（體積分數(shù)）的乙醇蒸汽直接進入精餾塔，被蒸盡的成熟醪自塔底自動排出。
粗乙醇從蒸餾塔的中部進料，塔釜溫度為102—104℃，塔釜壓力為13.7—15.7Kpa;進入分凝器前塔頂乙醇蒸汽溫度為78—79℃，第二分凝器進入第三分凝器的溫度為35—40℃。
雜醇油的提?。罕驹O計采用液相提取，即在進料層之上2—4層塔板，溫度為85—92℃的區(qū)域中提取。
成品乙醇的提?。簽榱颂岣叱善芬掖嫉馁|量，本設計采用從塔頂向下第3—6層塔板上提取。
為了提取雜質中的甲醇，提高成品乙醇的質量，由于95％（體積分數(shù)）乙醇中，甲醇的揮發(fā)系數(shù)很大，在本設計采用適當提高提高第二分凝器的溫度的方法來降低成品乙醇中甲醇的含量。
3 乙醇生產物料衡算
3.1?全廠物料衡酸的內容
（a）原料消耗的計算 主要原料為甘薯干，其他原料有淀粉酶，糖化酶，硫酸氨，硫酸等。
（b）中間產品 蒸煮醪，糖化醪，酒母醪，發(fā)酵醪等。
（c）成品，副產品以及廢氣，廢水，廢渣即酒精，雜醇油，二氧化碳和廢糟等。
3.2?工藝流程示意圖
生產工藝采用雙酶糖化，間歇發(fā)酵，如圖：
玉米
空氣 酵母子
粉碎車間 α-淀粉酶
空壓機 斜面培養(yǎng)
糊化車間 糖化酶
過濾器 三角瓶培養(yǎng)
CO2
酒母罐 發(fā)酵車間
蒸餾車間
廢糟 乙醇 雜醇油
圖3—1 發(fā)酵生產乙醇工藝流程示意圖
3.3?工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù)
（a）生產規(guī)模 50000噸/年乙醇。
（b）生產方法 雙酶糖化，間歇發(fā)酵。
（c）生產天數(shù) 每年300天。
（d）乙醇日產量 167噸。
（e）乙醇年產量 50100噸。
（f）產品質量 乙醇含量95% （體積分數(shù)）。
（g）玉米原料含淀粉65%,水分13%。
（h）α-淀粉酶用量為8u/g原料，糖化酶用量為150u/g原料，酒母糖化醪用糖化
酶量300u/g原料。
（i）硫酸氨用量 7kg/t（酒精）。
（j）硫酸用量（調PH用）5kg/t（酒精）。
3.4 原料消耗的計算
（a）??淀粉原料生產酒精的總化學反應式：
糖化： （C6H10O5）n + nH2O——nC6H12O6
162 18 180
發(fā)酵： C6H12O6——2C2H5OH + 2CO2
180 92 88
(b) 生產1000kg無水酒精的理論淀粉消耗量 有上式可求的理論上生產1000kg無水酒精所耗的淀粉量為：
1000×163÷92=1760.9（kg）
（c）生產1000kg酒精的理論淀粉消耗量 酒精的乙醇含量在95%（體積分數(shù)）以上，相當于92.41%（質量分數(shù)），故生產1000kg酒精理論上須淀粉量為：
1760.9×92.41%=1627.2（kg）.
(d) 生產1000kg酒精實際淀粉消耗量 實際上，整個生產過程經歷原料處理、發(fā)酵及蒸餾等工序，要經過復雜的物理化學和生物化學反應，產品得率必然低于理論率。據(jù)實際經驗，各階段淀粉損失率如表所示：
表3—1生產過程各階段淀粉損失
生 產 過 程 損 失 原 因 淀 粉 損 失（%） 備 注
原料處理
粉塵損失
0.40
蒸煮
淀粉損失及糖分損失
0.50
發(fā)酵
發(fā)酵殘?zhí)?
1.50
發(fā)酵
巴斯德效應
4.00
發(fā)酵
酒汽自然蒸發(fā)與被CO2帶走
1.30
有酒精撲集器為0.30%
蒸餾
廢糟帶走等
1.85
總計損失
9.55
假定發(fā)酵系統(tǒng)設有酒精撲集器，則淀粉損失率為8.55%。故生產1000kg95%乙醇須淀粉量為：
1627.2 =1779.3（kg）
100%-8.55%
這個原料消耗水平相當于淀粉出酒率為1000÷1779.3=56.2%，這達到了我國現(xiàn)階段玉米原料生產酒精的先進出酒率水平。
（e） 生產1000kg酒精玉米原料消耗量 據(jù)基礎數(shù)據(jù)給出，玉米原料含淀粉65%，故1噸酒精耗玉米量為：
1779.3÷65%=2737.4（kg）
若應用液體曲糖化工藝。并設每生產1000kg酒精需要的糖化劑所含淀粉量為G1，則淀粉原料需用量為：
（1779.3-G1）÷65%
（f）α-淀粉酶消耗量 應用酶活力為2000u/g的 α–淀粉酶使淀粉液化，促進糊化，可減少蒸汽消耗量。 α-淀粉酶用量按8u/g原料計算。
用酶量為：
2737.4×1000×8 =10.95（kg）
2000
(g)糖化酶耗用量 若所用糖化酶的活力為20000u/g，使用量為150u/g原料，則糖化酶消耗量為：
2737.4×100×0150 =20.53（kg）
20000
此外，酒母糖化酶用量按300u/g（原料）計，且酒母用量為10%，則用酶量為：
2737.4×10%×70%×300 =2.88（kg）
20000
式中70%為酒母的糖化液占70%，其于為稀釋水和糖化劑。
（h） 硫酸氨耗用量 硫酸氨用于酒母培養(yǎng)基的補充氮源，其用量為酒母量的0.1%，設酒母醪量為G0，則硫酸氨耗量為：
0.1%G0
3.5 蒸煮醪量的計算
根據(jù)生產實踐，淀粉原料連續(xù)蒸煮的粉料加水比為1：3粉漿量為：
2737.4×（1+3）=10949.6
蒸煮過程使用直接蒸汽加熱，在后熟器和汽液分離器減壓蒸發(fā)、冷卻降溫。在蒸煮過程中，蒸煮醪量將發(fā)生變化，故蒸煮醪的精確計算必須與熱量衡算同時進行，因而十分復雜。為簡化計算，可按下述方法近似計算。
假定用罐式連續(xù)蒸煮工藝，混合后粉漿溫度55℃，應用噴射液化器使粉漿迅速升溫至88℃，然后進入連續(xù)液化器液化，再經115℃高溫滅酶后，再真空冷卻器中閃幾蒸發(fā)冷卻至63℃后入糖化罐。過程示意圖如下：
圖3—2 蒸煮糖化流程示意圖
C0 = 4.18（1-0.7B0）= 1.63[kJ/(kg.K)]
粉漿干物質濃度為：
B1 = 87/（4×100）= 21.8%
蒸煮醪比熱容為：
C1 = B1×C0+（1.0-B1×CW）
= 221.8%×1.63+（1.0-21.8%×4.18）
= 3.62[kJ/(kg.K)]
式中 Cw——水的比熱容[kJ/(kg.K)]
為簡化計算，假定蒸煮醪的比熱容在整個蒸煮過程維持不便。
（a）經噴射液化加熱后蒸煮醪量為：
10949.6 + 10949.6×3.62×（88-55） = 11582.2（kg）
2748.9-88×4.18
式中 2748.9——噴射液化器加熱蒸汽（0.5Mpa）的焓（kJ/K）
（b）經二液化維持罐出來的蒸煮醪量為：
11582.2 – 11582.2×3.62×（88-84） = 11508.9(kg)
2288.3
式中 2288.3——第二液化維持罐的溫度為84度下飽和蒸汽的汽化潛熱(kJ/K)
(c)經噴射混合加熱器后的蒸煮醪量為；
10414.0 + 10414.0×3.62（115-84） =12078.3(kg)
2748.9-115×4.18
式中 115——滅酶溫度（攝氏度）
2748.9——0.5Mpa飽和蒸汽的焓（kJ/K）
（d）經汽液分離器后的蒸煮醪量：
12078.3－=11869.9(kg)
式中 2245——104.3攝氏度下飽和蒸汽的汽化潛熱(kg)
（e）經真空冷卻后最終蒸煮醪量為：
11869.9 - =11186.6(kg)
式中 2351——真空冷卻溫度為63攝氏度下的飽和蒸汽的汽化潛熱(kJ/K)
3.6 糖化醪與發(fā)酵醪量的計算
設發(fā)酵結束后成熟醪量含酒精10%（體積分數(shù)），相當于8.01%（質量分數(shù)）。并設蒸煮效率為98%，而且發(fā)酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分別為成熟醪量的5%和1%則生產1000kg95%（體積分數(shù)），假定蒸餾總損耗為0.25，其中粗餾和精餾各一半，在粗餾和精餾損耗中，設備的蒸汽滲漏和酒糟帶走的酒精各占一半。另外，提取雜醇油帶走的酒精有占成品酒精的酒精成品有關的計算如下：
（a）需蒸餾 的成熟發(fā)酵醪量為：
F1==12477(kg)
（b）不計酒精捕集器和洗罐用水，則成熟發(fā)酵醪量為：
12477÷106% = 11771(kg)
（c）?相應發(fā)酵過程放出CO2總量為：
=902(kg)
(d) 接種量按10%計，則酒母醪量為：
11771+902 ×10% = 1152.1(kg)
（100+10）÷100
(e）糖化醪量 酒母醪的70%是糖化醪，其余為糖化劑和稀釋水，則糖化醪量為
×1152.1×70%=12327(kg)
3.7 發(fā)酵醪量的計算
廢醪量的計算 廢醪量是進入蒸餾塔的成熟發(fā)酵醪減去部分水和酒精成方及其揮發(fā)成分后的殘留液。此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加熱，所以還需加上入塔的加熱蒸汽冷凝水。醪塔的物料和熱量蘅算如圖所示：
醪
塔
V1
Q3=V1t
F1
Q1=1FC1t
D1 Q4= Q4’+ D1t4
Q1=1FC1t
Wx+ D1
圖3—3的物料和熱量衡算
設進塔的醪液（F1）的溫度t1=70度，排除廢醪的溫度t4=105度：成熟醪固形物濃度為B1=7.5%，塔頂上升酒器的乙醇濃度50%（體積分數(shù)）即47.18%（質量分數(shù)）。則：
（a） 醪塔上升蒸汽量為:
V1=12477× 7.56 =1999（kg）
47.18%
(b) 殘留液量為:
Wx = 12477-1999 = 10478 (kg)
(c)成熟醪比熱容為：
c1 = 4.18×(1.019-0.95B1)
=4018×(1.019-0.95×7.5%)
=3.96[kJ/(kg.K)]
(d)成熟醪帶入的熱量為：
Q1 = F1×c1×t1
= 12477×3.96×70
=3460000(kg)
(e)??蒸餾殘液固形物濃度為：
B2 = =8.93%
此計算是間接加熱，