發(fā)酵法年產(chǎn)5萬噸乙醇的工藝設計【畢業(yè)設計論文】(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 )： 臨界壓力 (MPa)： 辛醇 /水分配系數(shù)的對數(shù)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(shù)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(shù)）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(shù)）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(shù)量較大則有麻醉作用，大量 乙醇 對肝臟和神經(jīng)系統(tǒng)有害作用。 質量標準 乙醇 作為一種原料性的產(chǎn)品，其產(chǎn)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(shù)） ≥ 硫酸試驗 /號 ≤ 5 10 60 氧化時間 /min ≥ 40 30 20 醛 /mg/L ≤ 1 3 30 第 2 頁 共 50 頁 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(chǎn)的意義及發(fā)展史 乙醇 生產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(nóng)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(jù)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(chǎn) 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(chǎn) 2020萬噸生物液態(tài)燃料，其中燃料乙醇 1500萬噸。如果完全用玉米來生產(chǎn)，按照 1： ， 2020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(chǎn)將難以滿足燃料乙醇生產(chǎn)的工業(yè)化需求，完全使用玉米生產(chǎn)燃料乙醇 在我國并不現(xiàn)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， 2020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(chǎn)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(chǎn)的發(fā)展 1） 生產(chǎn)技術的現(xiàn)代化 新中國成立前，我國 乙醇 工業(yè)的規(guī)模很小，生產(chǎn)工藝均為間歇式，以麥芽作淀粉糖化劑，原料不經(jīng)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(xiàn)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(chǎn)中推廣應用。 50 年來，我國的 乙醇 生產(chǎn)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(chǎn)技術水平得到了普遍性的提高 2） 建立了完善的 乙醇 產(chǎn)品質量標準，具有生產(chǎn)多種規(guī)格 乙醇 產(chǎn)品的實力 20 世紀 50 年代初期，我國 乙醇 產(chǎn)品無統(tǒng)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(chǎn)。 1954 年，哈爾濱、濟南、天 津等 乙醇 廠應軍工的需要按原蘇聯(lián)的 乙醇 標準（ roct592151）試制成功 精餾酒精 ，并按此生產(chǎn)。1956 年，原食品工業(yè)部參照原蘇聯(lián) 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(tǒng)一的產(chǎn)品質量標準。 現(xiàn)今，我國已經(jīng)具備較完整的 乙醇 產(chǎn)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(chǎn)品標準，有力促進了我國 乙醇 生產(chǎn)和質量水平的不斷提高。現(xiàn)在 大多數(shù)企業(yè)都能生產(chǎn)普級食用 乙醇 ，相當一部分企業(yè)具有生產(chǎn)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(chǎn)。 3） 糟液治理與綜合利用取得長足發(fā)展 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(chǎn)的發(fā)展，對糟液的治理第 3 頁 共 50 頁 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(xiàn)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(xiàn)了經(jīng)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，因為這種濃度的乙醇溶液殺菌能力最強；此外也是碘酒消毒劑的成分之一。 2）飲料： 乙醇是酒主要成分（含量和酒的種類有關系）如白酒為 56 度的酒。 3）基本有機化工原料： 乙醇可用來制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗滌劑等產(chǎn)品的原料 。 4）汽車燃料： 乙醇可以調入汽油 ，作為車用燃料，美國銷售乙醇汽油已有 20 年歷史。 此外乙醇還做：稀釋劑、有機溶劑、涂料溶劑等幾大方面，其中用量最大的是消毒劑。 主要生產(chǎn)工藝 乙醇工業(yè)生產(chǎn)方法分為發(fā)酵法和合成法兩大類。 合成法 化學合成法是利用煉焦炭、裂解石油的廢氣為原料，經(jīng)過化學合成反應而制成乙醇。目前工業(yè)上采用的合成法主要是乙烯直接水合法，即將乙烯在浸漬有磷酸的固體催化劑上進行水合反應。所得稀乙醇溶液需經(jīng)過精餾提純以除去部分水和副產(chǎn)物。此外還有乙烯間接水合法、乙醛加氫法、 COH2 合成乙醇等。 1）乙烯直接水合發(fā) 乙烯 直接水合法就是乙烯和水在高溫、加壓、催化劑條件下直接加成得到乙醇的方法： C2H4 + H2O C2H5OH 2）乙烯間接水合法 間接水合法生產(chǎn)乙醇的出現(xiàn)早于直接水合法。在 1825 年，就已經(jīng)出現(xiàn)了乙烯在硫酸介質存在下，液相水合為乙醇的實驗研究。經(jīng)過一個世紀后乙烯用硫酸吸收再經(jīng)水解制備乙醇的方法獲得了工業(yè)化。 乙醇間接水合法又稱硫酸法，采用硫酸作催化劑，經(jīng)過兩步反應，由水與乙烯合成乙醇。 第一步：乙烯與硫酸作用生成硫酸氫乙酯或硫酸二乙酯； CH2=CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO2OH 或 2CH2=CH2 + H2SO4 → (CH3CHO)2SO2 第二步：硫酸氫乙酯或硫酸二乙酯水解，生成乙醇，釋放出硫酸： CH3CH2OSO2OH + H2O → CH3CH2OH + H2SO4 或 (CH3CHO)2SO2 + 2H2O → 2CH3CH2OH + H2SO4 硫酸氫乙酯、硫酸二乙酯水解過程中伴隨有副產(chǎn)物乙醚的生成。 3）乙醛加氫法 此法是將乙 醛在 160～ 200℃，銅催化劑的存在下加氫制得乙醇，其他化學反應式如下： CH3CHO + H2 H3CH2OH 乙烯氧化發(fā)生產(chǎn)乙醛又分為氧氣法和空氣法。氧氣法是在 120～ 130℃， 300kPa左右的壓力下進行反應；空氣法是在 100～ 105℃，壓力 1～ 。利用氯化鈀做催化劑，在鹽酸溶液中使乙烯被空氣或氧氣直接氧化成乙醛 . 4） COH2合成乙醇 一氧化碳和氫氣混合氣來源十分廣泛，我國煤炭儲量豐富，大力開發(fā)煤氣化制備 COH2混合氣具有廣泛的發(fā)展前景。 催 化劑 230~300℃， 7~8MPa 催化劑 第 4 頁 共 50 頁 2CO + H2→ C2H5OH + H2O 3CO + H2→ C2H5OH + CO2 由反應式可知。 CO 與 H2的摩爾比應符合化學計量關系，［ CO］ :［ H2］ =1:2 或 1:1。因此實際生產(chǎn)中為使混合氣的摩爾比恰好為 1:2，可采用向欲轉化的烴類中通 CO2 以調整轉化后的產(chǎn)物中的分子比例。即： 3CH4 + 2H2O + CO2 → 4CO + 8H2 從熱力學角度看，合成乙醇在較低的溫度下進行比較適宜，但低溫下反應速度太慢，為提高反應速度，應適當提高反應溫度。然而隨著溫度的提高，副反應增多并加劇，而且無論從熱力 學和動力學角度來看，溫度提高對副反應的生成較乙醇的生成更便利，因此為使反應向主反應方向進行，必須尋找一種選擇性高、催化性好的催化劑，這是由 COH2 合成乙醇的關鍵。 發(fā)酵法 發(fā)酵法采用各種含糖（雙糖）、淀粉（多糖）、纖維素（多縮己糖）的農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)物及野生植物為原料，經(jīng)過水解（即糖化）、發(fā)酵使雙糖、多糖轉化為單糖并進一步轉化為乙醇。淀粉質在微生物作用下，水解為葡萄糖，再進一步發(fā)酵生成乙醇。發(fā)酵法制酒精生產(chǎn)過程包括原料預處理、蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾、廢醪處理等。 1）淀粉質原料的發(fā)酵工 藝 乙醇的發(fā)酵工藝分為間歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵三種。 ①間歇發(fā)酵 間歇發(fā)酵也稱單罐發(fā)酵，發(fā)酵的全過程在一個發(fā)酵罐內完成。根據(jù)糖化醪的添加方式分為以下幾種。 一次加滿法。該法是將糖化醪冷卻到 2730℃后，送入已經(jīng)清洗、滅菌的發(fā)酵罐中，一次加滿，同時加入 10%的酒母醪，經(jīng) 6072h發(fā)酵即得到成熟發(fā)酵醪。該法具有操作簡單，易于管理的優(yōu)點。但存在初始酵母密度低，發(fā)酵除患期延長，初始生長和發(fā)酵速度低的缺點。 分次添加法。此法操作時，糖化醪分幾批加入發(fā)酵罐。一般先打入發(fā)酵罐容積約 1/3糖化醪，直至加入 8%10%的酒母醪，每隔 36h 左右，加入第二和第三 1/3 的糖化醪，直至加滿容積的 90%以上為止。該法的優(yōu)點是：發(fā)酵旺盛，延緩期短，有利于抑制雜菌繁殖。采用這種方法最好使酵母增殖發(fā)酵、糖耗同步，然后及時補充糖化醪。間隔時間不要太短，否則會影響酵母的增殖間隔時間也不易過長否則可能造成原料發(fā)酵不徹底，成熟醪殘?zhí)沁^高。 連續(xù)添加法。即使酒母醪打入發(fā)酵罐中，同時連續(xù)添加糖化醪。糖化醪流加速度應根據(jù)工廠生產(chǎn)量來定，一般應控制在 68h 內加滿幾個發(fā)酵罐。流加過慢，會延長滿灌時間，還可能造成發(fā)酵物質的損失。流加過快，則會造 成發(fā)酵醪中酵母密度小，對雜菌無抑制，可能造成染菌。 分割主發(fā)酵醪法。該法是將處于旺盛主發(fā)酵階段的發(fā)酵醪分割出 1/31/2到第二罐，然后兩罐同時補加新鮮糖化醪至滿罐，繼續(xù)發(fā)酵。放第二罐又處于主發(fā)酵階段時，再次進行分割。該法的前提是發(fā)酵醪基本不染菌。它具有節(jié)省酵母用量，接種量大，發(fā)酵時間短的優(yōu)點，但易染雜菌，一般不主張采用 [3]。 ② 半連續(xù)發(fā)酵 半連續(xù)發(fā)酵時主發(fā)酵階段采用連續(xù)發(fā)酵，后發(fā)酵階段采用間歇發(fā)酵的方法。更具糖化醪流加方式的不同，半連續(xù)發(fā)酵又分為以下兩種方法。 第