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1、燃料乙醇生产工艺初步毕业设计第一章 前言1乙醇的主要性质与用途1.1 乙醇的物理性质乙醇(ethan)又称酒精，是由C、H、O 3种元素组成的有机化合物，乙醇分子由烃基(-C2H5)和官能团羟基(-OH)两部分构成，分子式为C2H50H，相对分子量为46.07，常温常压下,乙醇是无色透明的液体,具有特殊的芳香味和刺激味、吸湿性很强。可与水以任何比例混合并产生热量，混合时总体积缩小。纯乙醇的相对密度为0.79，沸点78.3，凝固点为-130。燃点为424，乙醇易挥发、易燃烧。乙醇能使细胞蛋白凝固，尤以体积分数为75的乙醇作用最为强烈，浓度过高。细胞表面的蛋白质迅速凝固形成一层薄膜，阻止乙醇向组织
2、部渗透，作用效果反而降低，浓度过低则不能使蛋白质凝固。因此，常用75(体积分数)的乙醇作消毒杀茵荆。4乙醇易被人体肠胃吸收，吸收后迅速分解放出热量。少量乙醇对大脑有兴奋作用。若数量较大则有麻醉作用，大量乙醇对肝脏和神经系统有毒害作用。工业酒精含乙醇约95含乙醇达99.5以上的酒精称为无水乙醇。含乙醇956、水4%的酒精是恒沸混合液，沸点为78.15，其中少量的水无法用蒸馏法除去。制取无水乙醇时。通常把工业酒精与新制生石灰混合，加热蒸馏才能得到。工业酒精和医用酒精中含有少量甲醇，有毒不能掺水饮用。1.2 乙醇的化学性质乙醇属于饱和一元醇。乙醇能够燃烧。能够和多种物质如强氧化物、酸类、酸酐、碱金属
3、、胺类发生化学反应。在乙醇分子中，由于氧原子的电负性比较大。使C-0键和O-H键具有较强的极性而容易断裂，这是乙醇易发生反应的两个部位。1.2.1乙醇燃烧反应机理乙醇燃烧反应机理和烃的燃烧反应机理有很多相似的地方，都是先裂解成为碳和氢气，然后燃烧，所以从燃烧机理上来讲乙醇也适合用作燃机燃料。在较高的温度下乙醇可以发生分子脱水生成烯烃，可以认为，乙醇燃烧的反应首先是分子脱水形成烯烃，烃再裂解形成碳和氢气，然后碳和氢气在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，乙醇燃烧反应的总反应式： CH3CH2OH+3O2-2CO2+3H2O+Q1.2.2乙醇的着火和燃烧特性乙醇的引燃温度为434 。在空气中燃烧表现活化
4、能为1767 kJtool。火焰呈蓝色，最高火焰温度可以达到1 000以上。乙醇闪点较低，闭口状态下只有125。最小点火能量也仅为063mI，所以非常易于引燃。另外乙醇的爆炸极限上下限围也较宽有爆炸的危险性。51.3变性燃料乙醇 按照我国国家标准“变性燃料乙醇”(GBl83502001)和“车用乙醇汽油”(GBl835l一2001)的规定，燃料乙醇是未加变性剂的、可作为燃料用的无水乙醇。变性燃料乙醇是以淀粉、糖质为原料，经发酵、蒸馏制得，脱水后，再添加变性剂改性的乙醇。车用乙醇汽油就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一种汽车燃料，是替代和节约汽油的最佳燃料。随着化石资源渐趋枯竭，越来越
5、多的国家已经将乙醇等替代能源为代表的能源供应多元化战略当成能源政策的一个主要方向。石油价格的上涨、燃料乙醇制造技术的不断进步、乙醇燃料汽车的广泛使用和燃料乙醇可再生原料来源的拓展，使燃料乙醇产业具有可靠的经济可行性和技术可行性。另外燃料乙醇在柴油机上的应用，可以进一步扩大燃料乙醇的应用围，这将为燃料乙醇的利用提供更广阔的空间。为规燃料乙醇发展。一些国家制定了相应的国家标准，表1为我国变性燃料乙醇国家标准(GBl83502001)。 表1.1我国变性燃料乙醇国家标准(GBl83502001)项目 指标外观清澈透明无肉眼可见悬浮物和沉淀物乙醇/(V/V)92.1甲醇/(V/V)胶质mg(100 m
6、L)4水分/(V/V)无机氯(以Cl计)ragL-1酸度(以乙酸计)mgL-1铜mg.LpH值0.55.00.832550.086.5-9.0由表1可见乙醇中改性剂的体积分数为196一476。由于水分的增加易造成乙醇汽油相分离。导致汽车运转故障。同时。乙醇有较强的吸湿性，必须对水分严加控制。以避免出现油水相分离的问题所以水的体积分数对于车用乙醇汽油是一个非常重要的指标。国标要求加变性后，水份应小于08，为防止车用乙醇汽油在发动机燃烧过程中腐蚀金属部件及堵塞管路系统。标准中还规定了甲醇、实际胶质、无机氯、酸度、铜的限量指标。6-72 燃料乙醇主要特点及用途2.1辛烷值及抗爆性乙醇的辛烷值(RON
7、)达到111，辛烷值(MON)为91。添加乙醇可以较有效地提高汽油的抗爆性有关研究结果显示，国典型催化裂化汽油中添加体积分数为1的乙醇后，其辛烷值(RON)提高34个单位。辛烷值(MON)增加1 4个单位。乙醇对烷烃类汽油族组成(烷基化油、轻石脑油)的辛烷值调合效果好于烯烃类汽油族组成(催化裂化汽油)和芳烃类汽油族组成。可见乙醇辛烷值高，抗爆性能好。2.2乙醇的体积分数对调合蒸汽压的影响乙醇在40时的饱和蒸气压为18 kPa。但研究表明乙醇调入汽油后会产生明显的蒸气压调和效应调和后的车用乙醇汽油蒸气压显著增加直到乙醇在混合燃料中的比例达到22时饱和蒸气压才降低到和调和组分汽油的值相等。乙醇的体
8、积分数最高可达347与MTBE相比，乙醇在汽油中的添加量较少(美国含氧汽油中通常需添加乙醇的体积分数为77。新配方汽油通常添加乙醇的体积分教为57)。添加乙醇体积分数为77的汽油，氧的质量分数达到27：乙醇添加体积分数为10的汽油，氧的质量分数可以达到35。但乙醇调入汽油后会产生蒸气压调合效应，乙醇汽油的调合蒸气压随乙醇的体积分数的增加而提高。2.3乙醇调合汽油对汽车尾气排放的影响通过添加乙醇或其它舍氧化合物改变汽油组成，美国新配方汽油可以有效降低汽车尾气排放使用乙醇体积分数为6的加州新配方汽，与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低10。C0排放减少21氮氧化合物排放减少7o，有毒气体排放降低90
9、。使用乙醇体积分数为85、汽油体积分数为15的混合燃料(E15)，而不改变其他条件，与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低5，氮氧化合物排放减少40%，CO增加约7。我国研究结果表明，燃用E15和E25(乙醇体积分数为25、汽油体积分数为75的混合燃料)时碳氢化合物含量比燃用汽油分别下降162和30%CO排放分别减少30%和47。82.4乙醇的主要用途乙醇既是一种基本的化工原料 广泛应用于化工、食品、饮料工业，军工、日用化工和医药卫生等领域，同时又是一种绿色新能源并且乙醇作为一种优良的燃料(其燃烧值达到26 900kJ/mol)，可以提高燃油品质。利用燃料乙醇的优点：可以替代或部分替代汽油作发动机
10、燃料。减少汽油用量，缓解化石燃料的紧，从而减轻对石油进口的依赖，提高国家能源安全性；乙醇作为汽油的高辛烷值组分，调和辛烷值一般在120以上，可提高点燃式燃机的抗爆震性，使发动机运行更平稳：因乙醇是有氧燃料，掺混到汽油中，可替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE(甲基叔了基醚)。使燃烧更充分，使颗粒物、一氧化碳、挥发性有机化舍物(VOC)等大气污染物排放量平均降低13以上起到节能和环保作用；可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成延长主要部件的使用寿命。更重要的是，乙醇是太阳能的一种表现形式在整个自然界这个大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和非常清洁的闭路循环
11、过程，永恒再生，永不枯竭。2.5 燃料乙醇的生产工艺2.5.1 我国燃料乙醇生产工艺的选择 中粮肇东的三期乙醇装置均采取“半干法粉碎工艺”，彻底抛弃了“湿法”或“改良湿法”的浸泡过程，流程进一步简化，减少了一次水用量。同时“半干法“又克服了“干法”提油困难的缺点，玉米油收率已接近“改良湿法”，在技术及经济上更加合理。“半干法”工艺与“湿法”工艺相比具有流程短、设备投资少，能耗低和无浸泡等优点，其优势明显，值得推广。其生产特点为：半干法粉碎、双酶法液化糖化、半连续浓醪发酵、五塔差压精馏、分子筛变压吸附脱水、利用废热蒸气处理废醪液和离心清液回配等。吨无水燃料乙醇(995)玉米单耗33吨，水耗约87
12、吨(主装置)，蒸气消耗48吨(主装置)，饲料乙醇比为77，能量输出输入比为109；三期装置产量15万吨，年，引进的美国DeltaT公司的技术，由康泰斯(Chemtex)公司设计，采用玉米半干法生产乙醇。吨无水燃料乙醇(995)玉米单耗318吨，新鲜水耗仅为166吨(主装置)，蒸气消耗3。3吨(主装置)，饲料乙醇比为87。此装置技术达到国领先，国际先进水平，实现了清洁生产。9 随着燃料乙醇生产实践经验的积累，现在美国大型燃料生产企业尤其是20002006年新建厂具有如下特点：(1)多数采用大颗粒玉米粉(3mm，有利于饲料回收)；(2)高温蒸煮(120，高温淀粉酶)，采用同步糖化发酵工艺，从200
13、5年开始采用无蒸煮工艺(低温淀粉酶)，大大降低了能耗；(3)酵母回用发酵技术；(4)固定化酵母，流化床反应器发酵技术；(5)广泛实现了自动化控制，应用连续发酵过程，并采用CIP系统(原位循环清洗发酵罐的原位清洗系统)。湿法加工技术的新趋势主要涉及加酶湿法加工和膜分离技术的应用。加酶湿法加工的优点是浸渍时间短、投资小、耗能低、用水量大大减少，而且酶可反复使用；其主要缺点是酶价太高。膜分离技术的应用为浸渍水的分离和利用打开了新的途经。浸渍水的膜分离一般包括两个过程：浸渍水经膜分离的截留物含有长链蛋白质，干燥后并入玉米蛋白粉；浸渍水在进入蒸发器前，先用反渗透膜除去57的水，这样可大大降低蒸发所需能耗
14、。以上先进技术及设备的采用降低了燃料乙醇生产的成本，大幅度提高了乙醇产率。2.5.2 国燃料乙醇生产技术与美国的差距 分析国大型燃料乙醇装置与美国燃料乙醇装置生产技术特点可以发现存在以下差距u引：(1)美国的装置高温液化时间短(104，6IIlin左右)、均进行真空闪蒸降温，国装置有的喷射液化温度不高(95100)，也没有类似美国的预液化、后液化过程；美国装置进一步的发展趋势是采用高质量复合液化酶，直接取消喷射液化步骤，在85下液化，同样达到很好的液化效果，这样无论从设备投资还是能耗方面都是显著降低了成本。(2)美国大部分企业取消了糖化序，直接进入边糖化边发酵工序，其益处是工艺简捷，避免了60
15、糖化罐中耐高温产酸杂菌的积存与危害。同步糖化发酵工艺可有效地解决营养过度造成的酵母菌过快生长、同时大量消耗糖分产生的乙醇又影响了酵母菌代谢的反馈抑制问题。在发酵罐中，糖被限量供应并立即发酵，避免了糖对酶水解的抑制作用，从而实现了发酵过程的高酒分；而国装置则都继续保持了糖化这道独立的工序。(3)美国装置多采用连续浓醪发酵工艺，酵母可以回用23次，显著降低了生产成本，而国多采用半连续浓醪发酵，且没有采用酵母回用技术。此外虽然国也引进或仿制研发了相应的生产工序，但是由于没有掌握核心技术或技术设计存在差距，在实际的生产过程中暴露出诸如生产性能指标偏低、能耗偏高和副产品质量偏低等缺点，导致生产成本的升高。103燃料乙醇的发展31国外燃料乙醇的发展状况将乙醇替代或部分替代汽油作发动机燃料，对减少汽油用量。缓解化石燃料的紧降低颗粒物和挥发性有机化合物等的排放有重要意义。世界上900,4以上的乙醇是通过发酵生物质来生产的故它属可再生能源。在化石燃料尤其是液体燃料日益紧、环境压力越来越大的今天，燃料乙醇的开发应用具有重要的现实意义。并被作为当前减少石油消耗、降低城市环境污染最直接、最有效的方法而
