第10章-现代酒精工厂工艺设计

酒精工艺学南阳师范学院生命科学与技术学院E.mail:[e-mail][e-mail]：532522571电话：[phone]发酵工业生产流程预处理培养基配制无菌空气制备灭菌活化产品的分离和纯化菌种筛选驯化反应器设计、优化副产品或废物处理、综合利用扩大培养进一步扩大培养发酵原料发酵课程主要计划内容Chapter1.绪论（2classes）Chapter2.发酵罐和相关设备（2classes）Chapter3.酒精生产的原辅材料（2classes）Chapter4.淀粉质原料的糖化工艺（4classes）Chapter5.酒精酵母扩培工艺（4classes）Chapter6.糖化醪发酵（6classes）Chapter7.蒸馏和精馏的理论及工艺（2classes）Chapter8.燃料乙醇的生产与应用（2classes）Chapter9.副产品的综合利用（4classes）Chapter10.现代酒精工厂工艺设计（4classes）第十一章现代酒精工厂工艺设计1生产规模选择原则2工艺流程选择3工艺计算4酒精工厂设备选型5清洁生产工艺淀粉质为原料生产酒精的工艺流程谷仓粉碎冷却预热粗辅塔醪塔精馏塔水萃取塔含杂馏分处理塔DDGS工业酒精优质成品酒精CO2蒸馏系统脱甲醇塔发酵糖化液化蒸煮燃料乙醇的生产工艺流程谷仓粉碎冷却精馏离心干燥器DDGS燃料乙醇分子筛蒸馏系统后处理CO2蒸煮糖化发酵分子筛精馏液化概述酒精工厂工艺设计主要包括设计前的基础资料收集，计划任务书的编制，厂址的选择。工艺设计的主要内容包括厂址选择，生产规模选择，工艺流程选择，物料、热量衡算，各设备参数计算，设备选型，三废治理等。良好的设计方案一般具有投资少，经济效益高等特点。要做到这一点必须进行经济效益分析以及投资估算。每项设计要有几个方案进行比较，最后选择最佳方案。设计过程最重要的是掌握充分、准确的基础资料以及设计中所需的各种数据。1生产规模选择原则1.1原料半径通过考察当地原料生产情况、供水情况、供电情况、供暖情况以及交通运输情况决定生产规模。原料供应要以能满足生产的需要，相应的电力，水力和供暖交通以及其它配套设施应能满足生产需要。生产规模大小会受到这些因素的限制。厂址的选择基本决定了相应的原料半径，从技术观点出发主要遵循以下原则：1)工厂应位于或接近原料产地的中心按目前的生产水平，生产一吨酒精需要原料约3吨，那么年产万吨规模的酒精厂每天将要一百吨原料。为了保证原料的供应，节约运费，工厂建在接近原料的产地是十分有利的，特别是中小酒精厂。1生产规模选择原则2)厂址水源的水质和水量必须有保证一个万吨酒精厂每天的用水一般在三千吨以上，水力相当大，如果不够重视，很可能由于水源的供应而限制生产的规模。同时要考虑厂区废水的排放，不要污染水源。3)交通运输方便酒精厂运输十分繁重，除原料外，还有燃料、成品等的运输。必须根据运输方便的原则，选择建厂的适当位置。采取水路运输的厂，应尽量接近河流，要考虑码头的条件。采取陆路运输的厂，必须尽可能的靠近公路和车站。4)应尽可能节约用地，特别是不占或少占良田1生产规模选择原则5)必须有电力供应保证生产酒精的一类发酵厂共同的特点是连续生产，这就要求供电不能停止，否则会造成很大损失。投资条件许可工厂建立热电站是比较合理的方案。6)厂址的地质条件必须符合要求酒精厂有许多大设备，如发酵罐、蒸馏塔等。为了节约基础工程投资，地耐力一般要在20t/m2以上。必须避免将厂建在旧河道、古墓、或有滑坡、流砂等不良工程地质地区。1生产规模选择原则7)有较好的废糟处理条件酒精厂每天要排放大量的废糟，具体每生产一吨酒精要排放12~15吨废糟。如果建厂不考虑它的出路，将会出现严重问题。有的地方农民把它们用作饲料，很好的解决了问题。但有的地方农民不需要或远离农村而本身又没有处理的条件，问题就不好解决。1.2销售费用销售费用也是决定生产规模的一个主要因素，销售费用庞大会直接导致效益下降。生产规模大，需要投资的销售费用就要相应增大，人力、财力的投入也要增加，有时这些增加并不合算，因此应该确定合适的生产规模，消减销售费用，增加利润。1生产规模选择原则1.3规模效益决定生产规模还要考虑规模效益，一般规模越大，成本就会相对降低，有时多个生产厂家在一个工业区内，可以集中供暖，供电，共享生活娱乐场所和医疗服务，有助于降低成本。生产规模除了受上述因素影响外，还受地域气候以及国内外市场的影响。1生产规模选择原则酒精生产的工艺流程有很多种具有相同作用的设备，但有许多不同的形式。在设计过程中选择工艺流程和设备应根据原料、产量以及产品规格来决定。但在这过程中必须选择先进的加工方法和新的更加完善的设备。必须可靠，同时要兼顾节省投资，从而获得好的经济效益。总的来说就是技术上的先进性，经济上的合理性，生产上的可靠性。2工艺流程选择2.1工艺流程选择原则在设计时工艺流程选择应遵循三个原则：1、所选择的流程首先在经济上合理，有良好的经济效果。2、必须保证产品能达到所规定的质量。3、在保证质量的情况下，力求使生产过程简化，生产过程短，管理方便。2工艺流程选择2.1工艺流程选择原则为了使所选择的流程能达到一定技术水平，又能运转可靠，需要结合具体条件对所选择的典型流程进行修订，它们是：1、根据工厂生产工人的技术水平，采取适当措施保证使生产过程能顺利进行，特别是像蒸煮糖化、蒸馏那样的连续生产过程；2、根据投资情况和仪器仪表供应情况，以及工厂的使用和维修水平，适当配备流程自动控制；3、工艺流程中对淀粉质原料的品种差异能考虑较大的灵活性。2工艺流程选择2.2淀粉质生产酒精各种工艺流程2.2.1蒸煮段工艺流程1、柱式连续蒸煮2、低温蒸煮液化工艺3、无蒸煮生淀粉发酵工艺4、无蒸煮超细磨工艺5、无蒸煮膨化工艺2工艺流程选择柱式连续蒸煮工艺流程1345267891011二次蒸汽蒸煮醪ⅠⅡⅢⅣ1-斗式提升机；2-贮料斗；3-锤式粉碎机；4-贮料斗；5-混和桶；6-离心泵；7-加热器；8-缓冲器；9-蒸煮柱；10-后熟器；11-气液分离器低温蒸煮液化工艺粉碎原料搅拌搅拌预煮α-淀粉酶冷却调pH值糖化剂糖化发酵蒸馏成品糖化无蒸煮生淀粉发酵工艺原料粉碎加水搅拌糖化糖化剂成品蒸馏发酵酒母防腐剂2.2.2糖化工段工艺流程1、间歇糖化全部糖化过程（前冷却，糖化，后冷却）都在一个设备——糖化锅中进行。糖化剂的用量随糖化剂的糖化力而异，一般固体曲用量是原料量的2～7%，液体曲是糖化醪量的10～20%，糖化酶为每克原料150单位左右。糖化锅清洗杀菌加总量5%的糖化剂和糖化锅总容量5%的水边搅拌边吹入蒸煮醪醪温达75～85℃时开蛇管冷却吹醪完毕冷却全62～63℃加剩下的糖化剂搅拌5min静温保持58～60℃糖化15～30min冷却到28～30℃送往发酵车间2.2.2糖化工段工艺流程2、混合冷却连续糖化该工艺是将后冷却工序由喷淋冷却器来完成，蒸煮醪和糖化剂连续定量地流入糖化锅，糖化锅内保持58～60℃的糖化温度，蒸煮醪带入的多余热量由冷却水带走，糖化醪连续流入喷淋冷却器，冷却到28～30℃后再流入发酵车间。蛇管的冷却面积为每立方米糖化锅容积需要2平方米冷却面积。蒸馏醪连续进入糖化锅保持58~60℃泵喷淋冷却至28~30℃发酵车间糖化剂多余热量由冷却水转移带走2.2.2糖化工段工艺流程3、真空冷却连续糖化这种糖化工艺的特点是，蒸煮醪在进入糖化锅前先进入真空蒸发器，醪液瞬间冷却到63℃左右，再经大气腿后进入糖化锅与糖化剂混合。蒸煮醪前冷却是在真空条件下瞬时间完成，使得糊化的淀粉分子来不及聚合排列形成晶体结构，对糖化有利，真空冷却可省去大量冷却用水，最终的能耗也低于混合冷却工艺。蒸煮醪发酵车间真空蒸发器后冷却到28~30℃闪急冷却到63℃二次蒸汽混合冷却器真空泵大气腿糖化锅糖化剂糖化10~15min2.2.2糖化工段工艺流程4、二级真空冷却连续糖化蒸煮醪的前冷却和后冷却都采取真空冷却的糖化工艺叫二级真空冷却连续糖化。从汽液分离器蒸煮醪吹出到糖化醪从糖化锅中流出这一段操作，与一级真空冷却连续糖化完全相同。糖化醪从糖化锅流出经过一个过滤器后进入二级真空冷却器，器中保持3.7kPa的压力（真空度96.3%），这个压力与水在28℃的饱和蒸汽压相对应。冷却了的糖化醪经大气腿流出送往发酵车间。二级真空的真空度较高，对真空泵和设备的密封性能要求都很高。2.2.2糖化工段工艺流程5、双流糖化该工艺的实质是将蒸煮醪分成两部分，一部分加2/3的糖化剂进行糖化，另一部分加1/3糖化剂在另一只糖化锅中进行糖化。前者糖化醪流入连续发酵罐组的首罐中，后者的糖化醪流入罐组的第二只罐。第一部分糖化醪由于糖化剂用量大，产生的糖多，进入首罐后有利于酵母增殖，发酵也旺盛，这对整个发酵罐组的发酵有利。在第二个罐中由于首罐发酵液的流入，其醪液中的酶量与正常的糖化醪一样。采用这一工艺可使发酵反应速度常数从0.084h-1提高到0.118h-1，即提高40%。从而使发酵时间缩短，残糖量降低。双流糖化工艺蒸煮醪1/21/2糖化锅糖化锅加2/3糖化剂进行糖化加1/3糖化剂进行糖化连续发酵罐组首罐连续发酵罐组第二只罐成熟发酵醪2.2.2糖化工段工艺流程目前的酒精厂，由于淀粉酶的大量使用，已经不再专门设置糖化工段，而是原料经预煮（蒸煮），在管线中加入糖化酶或者淀粉酶后，直接进入发酵罐，糖化工序有跟发酵工序合并或者省略的趋势。现在已经有无蒸煮无糖化发酵生产酒精的工艺，建议新厂应考虑选用新的工艺。2.2.3发酵段工艺流程1、间歇发酵工艺流程2.2.3发酵段工艺流程2、半连续发酵工艺流程123471188910CO2循环式半连续发酵流程1，7-主发酵罐；2~6-发酵罐组；8-酒母罐；9-大酒母罐；10-酒精捕集器；11-泵2.2.3发酵段工艺流程3、连续发酵工艺流程（1）顺流式连续发酵流程1221312醪液CO₂13456710111-种酒母罐；2，3，4-酒母增殖罐；5，6-主发酵罐；7~11-后发酵罐；12-泵；13-酒精捕集器1-种酒母罐；2，3，4-酒母增殖罐；5，6-主发酵罐；7~11-后发酵罐；12-泵；13-酒精捕集器2.2.3发酵段工艺流程3、连续发酵工艺流程（2）全封闭式连续发酵流程1，2，3-后熟器；4-气液分离器；5-糖化锅；6-热水箱；7-喷淋冷却器；8-酒母罐；9，10，11，12-发酵罐；13-泡沫捕集器；14-CO2洗涤器；15-泵1010111111111111121212141513121212111111111111101099992.2.4蒸馏工段工艺流程1、两塔流程（1）气相进塔两塔流程1-粗镏塔；2-精馏塔；3-预热器；4、5、6-冷凝器；7-冷却器；8-检酒器1210-60块精馏塔脱水段13-18块热水发酵罐3456蒸汽废料不凝结气体工业酒成品酒精冷水回流杂醇油如分离器废水0.01%782.2.4蒸馏工段工艺流程1、两塔流程（2）液相进塔两塔流程Ⅰ-粗馏塔；Ⅱ-精馏塔；1，2，3，4-冷凝器ⅠⅡ4123移压箱成熟醪成品贮缸杂醇油贮缸2.2.4蒸馏工段工艺流程2、三塔流程三塔流程是由蒸馏塔（粗馏塔、醪塔）、排醛塔（醛塔）、精馏塔（精塔）三个塔组成。根据醛塔和精馏塔的进料状态，可将三塔流程分为直接式，半直接式和间接式三类。2.2.4蒸馏工段工艺流程2、三塔流程（1）直接式三塔流程1-粗镏塔；2-精馏塔；3-甲醇塔工业酒精工业酒精成品医药酒精3杂醇酒212.2.4蒸馏工段工艺流程2、三塔流程（2）半直接式三塔流程1-预热器；2-粗镏塔；3-醛塔；4-精馏塔2341成熟醪醪脂酒成品来自醪池杂醇油工业酒精2.2.4蒸馏工段工艺流程（2）半直接式三塔系酒精蒸馏工艺流程1-槽液预热器；2-醪塔；3-醛塔；4-分油系统；5-精馏塔；6-发酵系统；7醪液预热器；8-CO2分离器蒸汽蒸汽4工业酒精6成品酒精182735化学处理2.2.4蒸馏工段工艺流程（2）半直接式脱甲醇三塔系酒精蒸馏机组工艺流程1-醪塔；2-精馏塔；3-脱甲醇