年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计
目录
1.总论 .............................................................................................................................................. 3
1.1概述.................................................................................................................................... 3
1.1.1纤维质的概述 ........................................................................................................ 3 1.1.2乙醇的概述 ............................................................................................................ 6 1.1.3酒精发酵工艺 ........................................................................................................ 8 1.1.4纤维质酒精发酵现状 ............................................................................................ 8 1.1.5市场需求 ................................................................................................................ 8 1.2设计的目的和意义 ............................................................................................................ 9
1.2.1设计的目的 ............................................................................................................ 9 1.2.2设计的意义 ............................................................................................................ 9 1.3项目设计依据和原则 ...................................................................................................... 10
1.3.1设计依据 .............................................................................................................. 10 1.3.2设计原则 .............................................................................................................. 10 1.4设计范围.......................................................................................................................... 10 1.5乙醇生产能力及产品质量标准 ...................................................................................... 10
1.5.1生产能力 .............................................................................................................. 10 1.5.2产品质量标准 ...................................................................................................... 10
2.生产方案选择............................................................................................................................. 11
2.1生产方法.......................................................................................................................... 11
2.1.1酸水解 .................................................................................................................. 12 2.1.2酶水解 .................................................................................................................. 12 2.2生产方案确定 .................................................................................................................. 14
3.1.1纤维素发酵乙醇工艺概述 .................................................................................. 15 3.2生产工艺流程说明 .......................................................................................................... 15
3.2.1 预处理工序 ......................................................................................................... 15
[11]
3.2.4 蒸馏工序 ......................................................................................................... 22
4.工艺计算 .................................................................................................................................... 24
4.1物料衡算.......................................................................................................................... 24
4.1..1 年产量为10万吨燃料酒精的总物料衡算 ..................................................... 24 4.1.2原料消耗量计算（基准：1吨无水乙醇） ....................................................... 25 4.1.2 发酵醪量的计算 ................................................................................................. 25 4.1.3成品与废醪量的计算 .......................................................................................... 26 4.2 酒精生产各工段物料和能量衡算 ................................................................................. 27
4.2.1 预处理工段 ......................................................................................................... 27 4.2.3发酵工序 .............................................................................................................. 29 4.2.4蒸馏工序 .............................................................................................................. 29 4.3 供水、电以及其他衡算 ................................................................................................. 33
4.3.1.1水衡算 .............................................................................................................. 33 4.3.2.其他衡算 ............................................................................................................. 35
5. 设备选型及计算 ....................................................................................................................... 35
5.1预处理设备 ...................................................................................................................... 35
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年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计
5.1.1调浆桶 .................................................................................................................. 35 5.1.2蒸煮罐个数计算 .................................................................................................. 36
[18]
5.1.3蒸煮罐的轮廓尺寸计算 .................................................................................. 36 5.2水解罐的计算 .................................................................................................................. 37
5.2.1水解罐体积 .......................................................................................................... 37 5.2.2水解罐数量 .......................................................................................................... 37 5.3发酵设备设计 .................................................................................................................. 38
5.3.1发酵罐容积和个数的确定 .................................................................................. 38 5.3.2冷却面积和冷却装置主要结构尺寸 .................................................................. 39 5.3.3发酵罐壁厚 .......................................................................................................... 41
[21]
5.3.4进出口管径 ...................................................................................................... 42 5.3.4其他罐体设备 ...................................................................................................... 43 5.5其他设备 .......................................................................................................................... 43
[11、18、22]
5.5.1蒸馏设备 ................................................................................................. 43 5.5.2换热器的选型 ...................................................................................................... 44
6.车间设计 .................................................................................................................................... 44
6.1发酵设备 ........................................................................................................................... 44 6.2蒸馏设备及其他设备 ....................................................................................................... 44 7.厂址选择及厂区总平面设计..................................................................................................... 45
7.1厂址选择.......................................................................................................................... 45
[16]
7.1.1厂址选择的原则和指导思想 ......................................................................... 45 7.1.2厂址选择及其依据 .............................................................................................. 45 7.2厂区总平面设计 .............................................................................................................. 46
7.2.1工厂概况 ................................................................................................................ 46 7.2.2主要设计构思 ...................................................................................................... 46 7.2.3占地面积的确定 .................................................................................................. 47 7.2.4平面布置原则的指导思想 .................................................................................. 47
8.设计评析与总结 ......................................................................................................................... 47 致谢................................................................................................................................................. 48 参考文献 ......................................................................................................................................... 49
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年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计
1.总论
1.1概述
1.1.1纤维质的概述
纤维质在自然界中是最为丰富的生物质资源，其能量来自于太阳，植物通过光合作用固定后贮存于植物细胞壁，其主要有机成分有纤维素、半纤维素、木质素三部分。细胞壁中的半纤维素与木质素利用共价键联结成网络结构，纤维素则镶嵌在其中。
[1]
1.1.1.1纤维素的结构与性质
纤维素是一种天然高分子化合物，是葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，是植物细胞壁的主要成分。
纤维素由含碳、和氧三种元素组成， 化学式：(C6H10O) n，
相对分子质量可达几十万，甚至几百万[1]。 纤维素性质稳定， 不溶于水，无还原性，
在常温下不发生水解，在高温下水解也很慢。只有在催化剂（如纤维素酶）存在下，纤维素的水解反应才能显著地进行。纤维素经催化剂催化水解可生成葡萄糖，该反应可表示为：
(C6H10O) n + n H2O = n C6H12O6
水解得到的葡萄糖在酵母的催化作用下可发酵生成酒精，经过蒸馏工艺可得到酒精产品，由于其原料来源广泛求价格低廉，因此，有很好的经济效益。
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1.溶解性
常温下，纤维素既不溶于水，又不溶于一般的有机溶剂，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。它也不溶于稀碱溶液中。因此，在常温下，它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键。 2．纤维素水解
在一定条件下，纤维素与水发生反应。反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。 3．纤维素氧化
纤维素与氧化剂发生化学反应，生成一系列与原来纤维素结构不同的物质，这样的反应过程，成为纤维素氧化。（引自郭莉珠档案保护技术）纤维素大分子的基环是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子量约50000～2500000，相当于300～15000个葡萄糖基脱水葡萄糖，其分子式为：（C6H10O5）n， 其化学组成含碳44.44%、氢6.17%、氧49.39%。由于来源的不同，纤维素分子中葡萄糖残基的数目，即聚合度（DP）在很宽的范围。分子式可写作（C6H10O5）n。是维管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的荚膜，以及尾索类动物的被囊中也发现有纤维素的存在，棉的种子毛是高纯度（98%的纤维素。所谓α-纤维素（α－cellulose）这一名称系指从原来细胞壁的完全纤维素标准样品用17.5%NaOH不能提取的部分。β-纤维素（β-cellulose）、γ-纤维素（γ-cellulose）是相应于半纤维素的纤维素。虽然，α-纤维素通常大部分是结晶性纤维素，β-纤维素，γ-纤维素在化学上除含有纤维素以外，还含有各种多糖类。细胞壁的纤维素形成微纤维。宽度为10—30毫微米，长度有的达数微米。应用X线衍射和负染色法（negative染色法），根据电子显微镜观察，链状分子平行排列的结晶性部分组成宽为3—4毫微米的基本微纤维。推测这些基本微纤维集合起来就构成了微纤维。纤维素能溶于Schwitzer试剂或浓硫酸。虽然不易用酸水解，但是稀酸或纤维素酶可使纤维素生成D-葡萄糖、纤维二糖和寡糖。在醋酸菌中有从UDP葡萄糖引子（primer）转移糖苷合成纤维素的酶（cellulose synthase（UDPformingEC2．4．1．12）。在高等植物中已得到具有同样活性的颗粒性酶的标准样品。此酶通常是利用GDP葡萄糖（cellulose synthase（GDP forming） EC2．4．1．29），在由UDP葡萄糖转移的情况下，发生β－1，3键的混合。微纤维的形成场所和控制纤维素排列的机制还不太明瞭。另一方面就纤维素的分解而言，估计在初生细胞壁伸展生长时，微纤维的一部分由于纤维素酶的作用而被分解，成为可溶性。
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年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计
纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和铜乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。纤维素加热到约150℃时不发生显著变化 ，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等，与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。 4．柔顺性
纤维素柔顺性很差，是刚性的，因为（1）它分子有极性，分子链之间相互作用力很强；（2）纤维素中的六元吡喃环结构致使内旋转困难；（3）其分子内和分子间都能形成氢键特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使其刚性大大增加。编辑本段制法 纤维素的实验室制法是先用水、有机溶剂处理植物原料，再用氯、亚氯酸盐、二氧化氯、过乙酸去除其中所含的木素，得到纤维素和半纤维素，然后采用各种方法除去半纤维素 ，制得纯纤维素。工业制法是用亚硫酸盐溶液或碱溶液蒸煮植物原料，除去木素，然后经过漂白进一步除去残留木素，所得漂白浆可用于造纸。
1.1.1.2半纤维素的结构与性质
半纤维素是一种复杂的多糖分子，以通过 β-1,4-糖苷键的连接方式，还可以由不同的单糖基以不同的连接方式连接成结构互不相同的多种结构的各种聚糖，既可能形成是均一聚糖也可能形成非均一聚糖。半纤维素相对于纤维素更易于水解，有些半纤维素的成分甚至在冷水中的溶解度很大。半纤维素可溶于碱溶液中，也能被稀酸在 100 ℃以下水解，同时还能被相应的各种半纤维素酶分解。半纤维素中木聚糖的水解过程可表示为： (C5H8O4) n + n H2O = n C5H10O5 ，半纤维素水解得到的木糖也可在催化剂的催化作用下发酵生成酒精，但是，催化条件与葡萄糖有很大的不同，且其催化工艺目前发展还不是很成熟，因此，不能同时进行发酵。但可以被利用发酵沼气，也可形成一定的经济效益。
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