Спирт курсовая

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени
С.М. Кирова
Институт химической переработки биомассы дерева и техносферной
безопасности
Кафедра технологии лесохимических продуктов, химии древесины и
биотехнологии
Курсовой проект
По дисциплине: «Технология гидролизных и микробиологических
производств»
«Проект гидролизного отделения спиртового завода мощностью
2,2 млн дал этанола технического ректификованного высшего
сорта в год».
Выполнил студент з/о:
IV курс 1 группа:
И.А. Конев
Руководитель: Ст. пр.
А.В. Бахтиярова
Председатель комиссии: профессор
В.А. Елкин
Члены комиссии:
Г.Д. Денисенко
А.В. Бахтиярова
Санкт-Петербург
2018
Оглавление
Введение ................................................................................................................. 3
1. Теоретическая часть ......................................................................................... 4
1.1. Микрофлора гидролизно-спиртового производства ................................. 4
1.2. Технологическая характеристика сырья...................................................... 5
1.3. Технологический процесс перколяционного гидролиза............................ 8
1.4. Химический состав гидролизата ................................................................ 10
2. Описание технологической схемы гидролизного отделения ...................... 12
3. Пооперационный расчет сырья и материалов ............................................... 15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................... 24
Список использованной литературы................................................................... 25
Введение
Развитие
гидролизно-спиртового
производства
было
связано
с
большими потребностями народного хозяйства страны в техническом этаноле
для
получения
синтетического
каучука.
В
настоящее
время
этанол
вырабатывается на гидролизных предприятиях спиртодрожжевого профиля.
Этиловый спирт находит широкое применение в народном хозяйстве в
качестве растворителя, также применяется в производстве дивинила, в
пищевой и медицинской промышленности, в качестве горючего для ракетных
двигателей, антифриза и т.д., является важным промежуточным продуктом
органического синтеза (в производстве сложных эфиров, целлулоида,
искусственного шелка, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа,
хлораля, диэтилового эфира и других продуктов).
Таким образом, этиловый спирт относится к числу многотоннажных
продуктов основного органического синтеза, мировое производство этилового
спирта составляет свыше 2,5 млн. т/г (по объему производства занимает
первое место в мире среди всех органических продуктов).
Гидролиз растительного сырья – наиболее перспективный метод
химической
переработки
древесины,
так
как
в
сочетании
с
биотехнологическими процессами позволяет получать кормовые и пищевые
продукты, биологически активные и лекарственные препараты, монометры и
синтетические продукты для технических целей.
1. Теоретическая часть
1.1. Микрофлора гидролизно-спиртового производства
В спиртовом производстве применяются дрожжи, относящиеся к
аскомицетам, или сумчатым грибам (класс Ascomycetes, порядок Protascales –
первичносумчатые грибы). Характерной особенностью этих дрожжей является
способность образовывать сумку со спорами. Для гидролизного производства
имеют
значение
микроорганизмы,
входящие
в
следующие
роды:
Sachizosaccharomyces и Saccharomyces – применяются при спиртовой
ферментации древесных гидролизатов; Zygofabospora, Pichia, Hansenula –
входят в качестве примесей в состав производственных ассоциаций
микроорганизмов в дрожжевом производстве.
В гидролизно-спиртовом производстве применяются промышленные
штаммы дрожжей, относящиеся к видам Sachizosaccharomyces Pombe,
Saccharomyces vini, а точнее разновидность Sacch. vini var. cartilaginosus и
Sacch. paradoxus. В связи с нестерильностью среды при спиртовой
ферментации
в
производственных
условиях
развиваются
ассоциации
микроорганизмов, основу которых составляют спиртообразующие дрожжи
указанных видом. В состав ассоциаций входят представители Sacch. cerevisiae,
Sacch. casei и других видов.
Шизосахаромицеты имеют палочковидные дрожжевые клетки длинной
4 – 8 мкм и диаметром 3 – 5 мкм, размножаются путем деления клеток
пополам. Шизосахаромицеты обладают высокой бродильной активностью и
обеспечивают повышенный выход спирта из РВ субстрата по сравнению с
сахаромицетами. Способны развиваться при повышенной температуре (до
36℃). Хуже переносят остановки цехов на планово-предупредительный и
капитальный ремонты, а также нарушения параметры технологического
процесса спиртового брожения.
Сахаромицеты имеют овальные, круглые, реже удлиненные клетки со
средними размерами 10 – 15 мкм. Размножаются почкованием. Сахаромицеты
широко применяются в пищевой промышленности.
Наряду с основным штаммом спиртообразующих дрожжей в состав
производственной микрофлоры обычно входят дрожжи – спутники («дикие»
дрожжи), которые, как правило, имеют более низкую продуктивность по
сравнению с основной культурой. Если основная культура шизосахаромицеты,
то примесями обычно являются представители сахаромицетов и наоборот, а
также некоторых других спорообразующих и реже аспорогенных дрожжей.
В
качестве
посторонней
микрофлоры
в
гидролизно-спиртовом
производстве встречаются также бактерии возбудители молочно-кислого,
уксусно-кислого и масляно-кислого брожения, а также некоторые грибы.
Имеются
попытки
замены
дрожжей
в
процессе
ферментации
моносахаридов бактериальными культурами, например Zymomonas mobilis.
Эта культура чувствительна к повышенному содержанию фурфурола,
сиреневого альдегида и других примесей гидролизата, получаемого при
взрывном методе гидролиза древесины. Clostridium saccharolyticum на
угольном носителе обеспечивает превращние в этанол ксилозы (степень
конверсии 62%) и целлобиозы (на 97%).
1.2. Технологическая характеристика сырья.
На скорость процессов гидролиза, на состав промежуточных и конечных
продуктов влияют не только химический состав сырья, но и его физическая
структура, плотность, гранулометрический состав и другие технологические
свойства.
Древесина по своей структуре является неоднородным веществом, что
связано с различием строения анатомических элементов растительной ткани.
В древесине хвойных пород более 90% древесного вещества приходится на
долю трахеид, отмерших клеточных оболочек, имеющие форму волокон
длинной 2 – 5 мм и диаметр 0,03 – 0,04 мм. На долю сердцевинных лучей
приходится 5 – 8% древесного вещества; 0,5 – 1% занимают смоляные ходы.
Более сложную структуру имеет древесина лиственных пород, включающая
проводящие элементы – сосуды и трахеиды, механические элементы –
волокна либриформа и запасающие элементы – паренхимные клетки. Таким
образом, растительное сырье представляет собой совокупность клеточных
оболочек, связанных между собой межклеточным веществом.
Химический состав древесины различных пород, % от абс. сухого
вещества.
Наименование компонентов
Ель
Сосна
Береза
легкогидролизуемые
17,3
17,8
26,5
трудногидролизуемые
48,0
47,7
39,4
Всего
65,3
65,5
65,9
D-галактоза
1,2
2,0
1,3
D-глюкоза
2,0
2,8
1,9
D-манноза
9,6
9,6
1,2
D-ксилоза
4,1
3,9
20,7
L-арабиноза
0,8
1,5
0,9
D-глюкоза
51,2
49,0
39,3
D-ксилоза
0,9
1,4
3,5
D-манноза
1,3
2,5
1,0
кислот) 5,1
6,0
22,1
Целлюлоза
46,1
44,1
35,4
Лигнин
28,1
24,7
19,7
Уроновые кислоты
4,1
4,0
5,7
Ацетильные группы
1,3
2,2
5,8
Зола
0,3
0,2
0,1
Смолы (экстрагируемые эфиром)
0,9
1,8
0,9
Полисахариды:
Моносахариды
после
исчерпывающего
гидролиза:
а)
легкогидролизуемых
полисахаридов:
б) трудногидролизуемых полисахаридов:
Пентозаны
(без
уроновых
Показатели качества древесного сырья для гидролизных производств
дрожжевого и спрто-дрожжевого профиля
Показатель
Сырье
Опилки по
Щепа по
ГОСТ 18320-78
ГОСТ 15815-83
коры
8,0
11,0
гнили
5,0
2,5
минеральных примесей
0,5
0,5
зелени (хвои, листья)
-
-
спиртовой профиль, не более
20,0
30,0
дрожжевой профиль
До 100,0
До 100,0
5,0
5,0
5 мм, не более
-
5,0
1 мм, не более
10,0
-
Обугленные частицы, металлические и
Не
Не
другие включения
допускаются
допускаются
Массовая доля% не более:
Массовая доля древесины лиственных
пород в смеси, %:
Массовая доля остатка, %:
на сите с отверстиями диаметром30 мм, не
более на поддоне частиц, прошедшие через
сито с отверстием диаметром:
1.3. Технологический процесс перколяционного гидролиза
Процесс
гидролиза
растительного
сырья
складывается
из
ряда
последовательных операций: загрузки сырья, его прогрева, перколяционный
стадии с подачей кислоты, промывки лигнина водой, отжима гидролизата,
выгрузки лигнина.
Важный параметр процесса – скорость перколяции, которую определяют
по количеству поданной варочной кислоты или отобранного гидролизата в
единицу времени (м3/ч).
Рассмотрим основные стадии перколяционного гидролиза растительного
сырья.
Загрузка сырья. Для повышения производительности гидролизаппарата
необходимо обеспечить при загрузке сырья его максимальную плотность.
Плотность загрузки определяется величиной насыпной массы.
Прогрев сырья. Сырье до температуры реакции прогревают путем
подачи
острого
пара
температурой
200-210℃
в
нижную
часть
гидролизаппарата в течении 30-50 мин. При прогреве подача кислоты в
аппарат
и
отбор
гидролизата
не
производится.
Для
сокращения
продолжительности прогрева сырья применяют многоточечную подачу пара
для прогрева, повышение температуры воды на загрузку. Эти методы
позволяют сократить продолжительность прогрева сырья в аппарате объемом
37-50 м3 до 20-30 мин и в аппаратах 80-160 м3 до 40-80 мин.
Перколяционная стадия процесса. Оптимальный
технологический
режим гидролиза должен обеспечить получение максимального выхода
моносахаридов
из
гидролизуемого
сырья
с
учетом
экономической
эффективности производства.
Повышение температуры реакционной смеси в процессе перколяции
осуществляется за счет дополнительного прогрева сырья горячим раствором
кислоты. В процессе гидролиза температура в гидролизаппарате неодинакова
по
его
высоте.
Наиболее
значительная
разница
наблюдается
на
перколяционной стадии процесса. Недостатки перколяционного гидролиза:
большая продолжительность подъема давления и прогрева сырья, что
увеличивает общее время гидролиза, вызывает потери моносахаридов в
результате их разложения и загружения гидролизата,
сдувки в период
подъема давления и прогрева сырья загрязняют атмосферу; медленный подъем
давления в период перколяции и соответственно, пониженная температура
гидролиза, что удлиняет период перколяции в 2 раза.
Промывку твердого
остатка
водой
проводят
после завершения
перколяционной стадии процесса. При промывке прекращают подачу в
смеситель концентрированной серной кислоты, цель операции – сокращение
потерь моносахаридов с лигнином путем их отмывки водой.
При
отжиме
гидролизата и
промывных
вод
подача
воды
не
производиться, гидролизат отбирается через фильтрующие устройства до
достижения остаточного давления в аппарате 0,6-0,7 МПа. С целью
повышения концентрации сахара в гидролизате на предприятиях спиртового
профиля применяли режимы гидролиза с использованием «хвостового»
гидролизата, получаемого при отжиме, для загрузки сырья в другие
гидролизаппараты.
Выгрузка лигнина проводится за счет повышенного давления в
гидролизаппарате и вскипания жидкости при открытии быстродействующего
клапана в нижнем корпусе аппарата. Лигнин при этом направляется в циклон
(сцежу), давление в котором атмосферное.
Высокие
стабилизация
показатели
всех
перколяционного
основных
технологических
гидролиза
обеспечивают
параметров
и
строгое
соблюдение графика гидролиза, что достигается применением автоматизации
управления процессом.
1.4. Химический состав гидролизата
Эффективность биохимических процессов в значительной степени
зависит
от
состава
субстрата.
Химический
состав
влияет
на
доброкачественность полупродуктов.
Для
количественной
доброкачественности
характеристики
гидролизата
можно
биологической
использовать
отношение
производительностей ферментатора выращивании определенного штамма или
популяции микроорганизмов в одинаковых условиях на исследуемой и
контрольной среде.
В состав гидролизата входят органические вещества, которые по своему
происхождению можно разделить на несколько групп: продукты гидролиза
полисахаридов (моносахариды,
урановые
кислоты, уксусная
кислота);
продукты неполного гидролиза полисахаридов (олигосахариды); продукты
деструкционных превращений моносахаридов (фурановые производные и др.);
низкомолекулярные фракции лигнина, фенольные вещества; экстрактивные
вещества древесины.
Основные компоненты гидролизата относятся к следующим группа
химических
соединений:
углеводы
(моносахариды
и
олигосахариды);
органические кислоты (алифатические монокарбоновые низшие и высшие,
дикарбоновые и др.); аминокислоты; кислородсодержащие алифатические
производные углеводородов С1 – С6 (спирты, кетоны, эфиры, альдегиды);
гетероциклические соединения фуранового типа; ароматические соединения
(фенолы, п-цимол, лигнаны, танниды) и другое.
Качественный
состав
и
количественное
содержание
различных
компонентов гидролизата главным образом зависят от химического состава
исходного растительного сырья и технологических параметров процесса.
Усредненные данные о химическом составе основных компонентов
древесных технических гидролизатов.
Редуцирующие вещества (РВ)%…….3,0-3,8
Метанол, мг/л………………………….20-400
Моносахариды, %.............................2,8-3,3
Этанол, мг/л……………………………..5-25
D-галактоза…………………………….1,3-2,0
Формальдегид, мг/л…………………50-150
D-глюкоза…………………………...0,05-0,1
Ацетальдегид, мг/л……………………0,5-5,0
D-манноза……………………………..0,4-0,7
Пропионовый альдегид, мг/л…………0,7-1,2
D-ксилоза………………………………0,3-0,8
Ацетон, мг/л……………………………0,4-2,0
L-арабиноза…………………………….0,1-0,2 Метилформиат, мг/л…………………0,6-6,0
L-рамноза……………………………….≤0,02
Олигосахариды
до
и
декстрины,
Этилацетат, мг/л……………………..0,4-0,5
% Терпены, мг/л:………………………..0,1-5,0
инверсии…………………………..0,1-0,4 дипентен…………………………..0,15-0,20
после инверсии……………………..0,02-0,03
α-пинен………………………………..0,2-0,3
Уроновые кислоты, %.........................0,1-0,3
п-Цимол, мг/л…………………………0,8-0,1
Фурфурол, %.....................................0,02-0,12
Фенолы, мг/л………………………….50-500
5-гидроксиметилфурфурол, %..........0,03-0,18 В том числе летучие фенолы, мг/л…….2-20
Кислота, %
Вещества, %:
левулиновая……………………………0,1-0,3
бромируемые………………………….0,2-0,6
муравьиная……………………………0,03-0,1 лигногуминовые………………….0,15-0,25
уксусная………………………………..0,2-0,5
взвешенные…………………………0,05-0,1
пропионовая………………………..0,01-0,03
коллоидные………………………….0,04-0,08
Сумма летучих кислот (в пересчете на Сумма органических веществ, %............4-5
CH3COOH), %...................................0,3-0,6
ХПК, мгО2/л……....................35000-40000
Аминокислоты, %...........................0,02-0,04
БПК5, мгО2/л…………………..20000-25000
Смоляные,
высшие
жирные
и
другие рН гидролизата………………………..1,0-1,4
нелетучие кислоты, %........................0,1-0,2
Неорганические соли, %...................0,1-0,3
Н2SO4 %……………………………….0,4-0,7
Наиболее важными компонентами гидролизата являются моносахариды,
общее содержание которых не постоянно и изменяется от 1,7 до 3,5 %, в
зависимости от режима гидролиза и вида перерабатываемого сырья.
2. Описание технологической схемы гидролизного отделения
Основной задачей гидролизного отделения является получение раствора
моносахаридов в разбавленной серной кислоты (гидролизата) в результате
проведения перколяционного гидролиза растительного сырья.
Предварительно подготовленное сырье подают ленточным конвейером и
загружают через воронку в верхнюю горловину гидролизаппарата 2. Для
повышения плотности загрузки сырья и его пропитки одновременно с сырьем
подается нагретый до 80-90℃ (0,5-0,8%-ный) раствор серной кислоты.
Концентрированную кислоту подают в угловой смеситель на верхнем конусе
гидролизаппарата, где она разбавляется горячей водой до требуемой
концентрации.
Нагрев воды, направляемой на гидролиз, осуществляют в струйном
водонагревателе 3. Вода в этом аппарате нагревается за счет конденсации пара
в струе жидкости. Для нагрева воды целесообразно использовать перегретый
пар с высокими параметрами (температура 400℃, избыточное давление 1,7
МПа). Отбираемый гидролизат с температурой 170 – 180℃ направляется в
общий коллектор и охлаждается путем самоиспарения в последовательно
соединенных испарителях 4, в которых поддерживаются параметры: I-ступень
– 0,5 МПа, 151℃, II-ступень – 0,28 МПа, 130℃, III-ступень – 0,12 МПа, 104℃.
При испарении гидролизата в пары переходит около 50% фурфурола от
исходного содержания, а также другие летучие примеси, что повышает
доброкачественность
гидролизата.
Для
лучшего
теплоиспользования
оборотная вода с температурой 50-60℃ из сборника 10 вместимость 50-100 м3
последовательно поступает в пластинчатые 8 и трубчатые 6 теплообменники
(решоферы) и нагревается до 135-142℃, затем вода нагревается до
температуры гидролиза острым паром в струйном подогревателе 3.
Применяемые
теплообменники
отличаются
большим
разнообразием.
Пластинчатые
теплообменники
имеют
повышенный
коэффициент
теплопередачи и их поверхность сравнительно легко можно очистить от
загрязнений, этот вид теплообменник наиболее часто используемый. Однако
использование их на первой ступени испарения при давлении 0,5 МПа
затруднено из-за разрывов резиновых прокладок между пластинами.
В сборнике 12 собирается фурфуролсодержащий конденсат, выход
которого 10-12% от количества гидролизата, концентрация фурфурола 0,300,35%. Выделение фурфурола и его очистка проводиться путем ректификации
в фурфурольном отделении. Конденсат пропускаемый через дополнительный
испаритель 7, работающий при атмосферном давлении. Образующиеся пары
конденсируются в конденсаторе 11 и направляются в сборник 12. Решоферноиспарительный узел обеспечивает: охлаждение гидролизата со 170-180℃ до
98-102℃; рациональное теплоиспользование гидролизата путем нагрева воды,
направляемой на гидролиз, до 130-140℃; снижение жидкостного потока
гидролизата на 10-12%; частичное удаление из гидролизата фурфурола и
других легколетучих примесей; возможность получения фурфурола из
конденсатов как побочной товарной продукции.
Выгрузка твердого остатка после гидролиза – технического лигнина,
производится в цикло 1. Лигнин по выдувной трубе направляется в циклон по
касательной к ее поперечному сечению; образующиеся пары сбрасываются в
атмосферу, лигнин собирается в нижней части циклона и с помощью
выгребного
механизма
подается
в
автотранспорт
для
последующего
использования. Для сокращения выбросов паров рекомендуется снижать
температуру
лигнина
перед
циклоном
до
85-100℃
путем
введения
охлаждающей жидкости (воды или последрожжевой бражки) в выдувную
трубу.
Перколяционный метод позволяет обеспечить выход РВ 450-460 кг из 1
т абс. сухого сырья, или 45-46% от массы. Этот выход соответствует 65-75%
РВ от полисахаридов сырья. В условиях перколяционного гидролиза
растительного сырья основное количество гемицеллюлозных полисахаридов
гидролизуется при прогреве сырья до 145-165℃. В связи с тем, что гидролизат
из зоны реакции на этой стадии не выводиться, наблюдается существенная
деструкция образовавшихся моносахаридов. Для большего выхода сахаров
при гидролизе разработаны двухстадийные методы, практическое значение
имею следующие варианты: раздельный отбор пентозного и гексозного
гидролизата для спиртодрожжевого производства и совместный отбор для
дрожжевого производства; двухстадийный гидролиз с использованием
гексозного гидролизата при перколяционном гидролизе гемицеллюлоз;
пензно-гексозный
дрожжевом
гидролиз
пентозансодержащего
производстве;
сырья
фурфурольно-гексозный
в
ксилитногидролиз
пентозансодержащего сырья в фурфурольно-дрожжевом производстве.
Промышленный
опыт
раздельного
отбора
гидролизата
при
двухстадийном гидролизе свидетельствует о повышении доброкачественности
гидролизата (по содержанию фурфурола на 40% и бромируемых на 30%). В
гексозном гидролизате снизилось количество РВ до 0,5-0,6% вместо 0,7-0,9%
при обычном режиме. Для гидролизно-спиртового производства большое
значение имеет дальнейшее повышение концентрации РВ в гидролизате. Для
решения такой задачи в двухстадийном режиме гидролиза гемицеллюлоз в
качестве гидролизующего агента использовать гексозный гидролизат при
общем отборе гидролизата с варки. Направление гексозного гидролизата в
инвертор 5 увеличивает продолжительность пребывания моносахаридов,
содержащихся в зоне реакции, и их дополнительных распад. Концентрация РВ
в этом гидролизе увеличивается до 4,5-5,3% и спирта в бражке до 1,5-1,8%,
что значительно уменьшает расходы тепла на последующую ректификацию
этанола. По этой схеме снижается на 20% расход серной кислоты, так как на
загрузку сырья и первую перколяюцию используется кислота, содержащаяся в
гексозном
гидролизате.
Сокращение
жидкостного
потока
гидролизата
позволяет повысить производительность оборудования, снизить количество
сточных вод.
3. Пооперационный расчет сырья и материалов
Исходные данные для проектирования
1. Годовая производительная мощность предприятия по этанолу (в пересчете на
абс. алкоголь) G, млн. дал…………………………………………….…………2,2
2. Число рабочих дней в году N……………………………………….…………..345
3. Соотношение технологической щепы и опилок
в составе сырья по массе Рщ : Ро, отн.ед……………………………………0,4:0,6
4. Соотношение хвойной и лиственной древесины
в составе сырья по массе Рх : Рл, отн.ед…………………………………… 0,9:0,1
5. Влажность древесины (относительная), %
хвойной wх……………………………………………………………..……….50
лиственной wд……………………………………………………….…………45
6. Номинальная вместимость гидролизаппарата V’, м3………………….……….50
7. Рабочая вместимость гидролизаппарата V’, м3………………………….……...40
8. Плотность загрузки сырья (в пересчете на а.с.д.) q, т/м3……………………0,145
9. Гидромодуль подачи варочной кислоты на загрузку mз, отн.ед………………2,0
10.Расход H2SO4 на нейтрализацию зольных элементов, % от а.с.д.:
хвойной Rк(х)…………………………………………………………………...0,3
лиственной Rк(л)………………………………………………….…………….0,5
11. Выход абс. сухого лигнина в % от массы а.с.д.:
хвойной Zлг(х)………………………………………………………………….38
лиственной Zлг(л)………………………………………………………………32
12.Влажность технического лигнина wлг, % ………………………………………65
13.Выход общих РВ в % от а.с.д. DРВ(д)…………………………………………….45
14.Массовая доля ферментируемых (сбраживаемых) РВ
от общих РВ, DРВ(ф), отн.ед……………………………………………………...0,75
15.Выход этанола из 100 кг сбраживаемых РВ Gэ(РВ), л…………………………...57
Режим перколяционного гидролиза для этанольного производства
Операции
ПродолжиКонцентрация
тельность t, подаваемой
мин
варочной
кислоты, %
Температура Т,℃
Давление
р, МПа
Гидромодуль
выдачи,
m
Загрузка
сырья
Прогрев
Перколяция
Промывка
Отжим
Выгрузка
лигнина
40
0,8-1,0
-
-
-
30
80
10
30
0,7-0,85
-
175
187
190
195
0,9
1,2
1,25
1,3
8,5
2,0
1,5
10
-
160
0,6-0,7
-
Итого
200
12,0
Баланс процесса гидролиза («варки»)
1. Количество (масса) загружаемого в гидролизаппарат сырья (в пересчете на
а.с.д.), P′:
P′ = V ‧ q = 40 ‧ 0,145 = 5,8 т.
2. Средняя влажность сырья, wд:
wд = Pxwx + Pлwл = 0,9‧50+0,1‧45 = 49,5%
3. Количество влаги в загружаемом сырье, W′д:
W′д = P′ wд : (100-wд) = 5,8‧49,5 : (100-49,5) = 5,7 т.
4. Количество варочной кислоты на загрузку, Rвк(з):
Rвк(з) = P′ ‧ mз = 5,8‧2,5 = 14,5 т.
5. Средняя температура содержимого гидролизаппарата после загрузки, Т:
(P ′ + W ′ д )Тд + R вк(з) Твк(з) (5,8 + 5,7)‧10 + 14,5‧80
Т=
=
= 49℃,
P ′ + W′д + R вк(з)
5,8 + 5,7 + 14,5
где Тд – среднезимняя температура сырья на расходном складе,
Твк(з) – температура варочной кислоты, подаваемой на загрузку,
;
.
6. Количество тепла (Qд) для нагрева сырья (в пересчете на абсолютно сухое) от
Т (температура после загрузки) до Тпр=170
(в конце прогрева):
Qд=P′‧сд‧(Тпр–Т)=5,8‧103‧1,55‧(170-49)=1080‧103кДж,
где сд – теплоемкость абсолютно сухого сырья, кДж/кг‧град.
7. Количество тепла (Qд) для нагрева влаги сырья и загруженной варочной
кислоты от Т до Тпр:
Qв = (W′д + Rвк(з)) ‧ (iв(пр) – iв) = (5,7+14,5)103 ‧ (720-189)=10403‧103 кДж,
где iв(пр), iв удельная энтальпия (теплосодержание) жидкости при температуре
Тпр и Т соответственно, кДж/кг.
8. Расход греющего пара на прогрев содержимого гидролизаппарата, I′пр:
I′пр = (Qд+ Qв):(iп-iкт)‧(1-z)=
= (1080‧103 + 10403‧103):(2803-720)‧(1-0,1)=6,10 ‧103 кг (6,1 т),
где z – потери тепла при прогреве, отн.ед.; iп и iкт – удельная энтальпия
греющего пара с Тп=220
и конденсата при Тпр=170
соответственно,
кДж/кг.
9. Количество воды в гидролизаппарате после загрузки и прогрева, Wпр:
W′пр = W′д + Rвк(з) + I′пр = 5,7+14,5+6,1= 26,3 т.
10. Количество активной серной кислоты после загрузки и прогрева (при ее
концентрации Ск = 0,5%), Rк(пр):
Rк(пр) = Wпр Ск :100 = 26,3‧0,5:100 = 0,13 т.
11. Количество серной кислоты, нейтрализованное зольными элементами сырья
при загрузке и прогреве, Rк(н):
Rк(н) = P′‧ (РхRк(х)+Рл Rк(л)):100 = 5,8‧ (0,9‧0,3+0,1‧0,5):100 = 0,02 т.
12. Общий расход серной кислоты на загрузку, Rк(з):
Rк(з)= Rк(пр) + Rк(н) = 0,13+0,02 = 0,15 т.
13. Концентрация H2SO4 в варочной кислоте, подаваемой на загрузку, Ск(з):
Ск(з)= (Rк(з) : Wпр)‧100 = (0,14:22,8)‧100= 0,6%
14. Количества гидролизата, отбираемого при перколяции, Dг(пк):
Dг(пк)= P′ ‧ mпк = 5,8 ‧ 8,5= 49,3 т,
где mпк – гидромодуль выдачи гидролизата при перколяции (см. табл.1)
15. Количества гидролизата, отбираемого при промывке, Dг(пм):
Dг(пм)= P′ ‧ mпм = 5,8 ‧ 2,0 = 11,6 т,
где mпм – гидромодуль выдачи гидролизата при промывке.
16. Количества гидролизата, отбираемого при отжиме, Dг(от):
Dг(от)= P′ ‧ mот = 5,8 ‧ 1,5 = 8,7 т,
где mот – гидромодуль выдачи гидролизата при отжиме.
17. Общее количество отбираемого гидролизата, D′г:
D′г = Dг(пк) + Dг(пм) + Dг(от) = 49,3 + 11,6 + 8,7 = 69,6 т.
18. Выход технического лигнина (а.с.), Z′лг:
Z′лг = P′ ‧ (РхZлг(х) + РлZлг(л)) : 100 = 5,8 ‧ (0,9‧38+0,1‧32) : 100 = 2,17 т.
19. Влага в техническом лигнине, W′лг:
W′лг = Z′лг ‧ wлг : 100 = 2,2 ‧ 65 : 100 = 1,41 т.
20. Количество влажного лигнина, выгружаемого в циклон, Z′лг(в):
Z′лг(в) = Z′лг + W′лг = 2,17+ 1,41 = 3,58 т.
21. Из баланса находим суммарный расход варочной кислоты на перколяцию и
воды на промывку (включая конденсат греющего пара), W = Rвк(пк)+Wпм+Iпк:
P′ + W′д + Rвк(з) + I′пр + Rвк(пк) + W′пм + Iпк = D′г + Z′лг(в);
W = D′г + Z′лг(в) - P′ - W′д - Rвк(з) - I′пр =
=69,6 + 3,58 – 5,8 – 5,7 – 14,5 – 6,1 = 41,08 т.
22. Расход пара на нагрев воды, подаваемой на перколяцию и промывку (с 140 до
190 ), I′пп:
I′пп = (W′ - I′пп ) ‧ (iв(пм) – iв(1)) : (iп – iв(пм))(1-zп);
I′пп ‧ (iп – iв(пм)) (1-zп) = W′ iв(пм) - I′пп ‧ iв(пм) – W ‧ iв(1) + I′пп ‧ iв(1);
𝐼′пп =
𝑊𝑖в(пм) − 𝑊𝑖в(1)
(𝑖п − 𝑖в(пм) )(1 − 𝑧п ) + 𝑖в(пм) − 𝑖в(1)
=
41,08 ∙ 808 − 41,08 ∙ 589
(2803 − 808) ∙ 0,9 + 808 − 589
= 4,5 т.,
где iв(пм) – удельная энтальпия воды, подаваемой в гидролизаппарат при
температуре 190 , кДж/кг; iв(1) – удельная энтальпия воды после решофера I
ступени (средняя температура 140 ), кДж/кг; zп – тепловые потери, отн.ед.
23. Общий расход пара на варку, I′пп:
I′ = I′пр + I′пп = 6,1+4,5 = 10,6 т.
24. Расход технической воды на перколяцию и промывку, W′пп:
W′пп = Rвк(пк) + Wпм = W - I′пп = 41,08 – 4,5 = 36,58 т.
25. Расход H2SO4 на перколяцию, R′к(пк):
R′к(пк)=W′пп Ск mпк : [(𝑚пк + 𝑚пм )100] =36,58 ‧ 0,5 ‧ 8,5 : [(8,5 + 2)100]= 0,15 т.
26. Общий расход H2SO4 на «варку» (в пересчете на моногидрат), R′к:
R′к = R′к(з) + R′к(пк) = 0,15 + 0,15 = 0,30 т.
27. Расход технической серной кислоты с массовой долей моногидрата 93%, R′тк:
R′тк = R′к : 0,93 = 0,30 : 0,93 = 0,32 т.
28. Выход (съем) общих РВ с «варки», D′РВ:
D′РВ = P′ D′РВ(д) : 100 = 5,8 ‧ 45 : 100 = 2,61 т (2610 кг).
29. Выход общих РВ из 1 м3 рабочей вместимости гидролизаппарата, DРВ(1):
DРВ(1) = D′РВ : V = 2610 : 40 = 65,25 кг/м3
30. Удельный расход сырья (а.с.) на 1 т общих РВ, Р1:
Р1 = P′ : D′РВ = 5,8 : 2,61 = 2,22 т.
5,8
5,7
14,5
I′пр
W′пп
6,1
36,58
I′пп
4,5
Расход, т
P′
W′д
R′вк(з)
Обозначения
1. Сырье (а.с.д.)
2. Влага сырья
3. Варочная кислота на
загрузку
4. Пар на прогрев
5. Вода на перколяцию и
промывку
6. Пар на перколяцию и
промывку
Итого
Приход, т
Показатели
Обозначения
Материальный баланс процесса периодического гидролиза («варки»)
при
D′г(пк)
49,3
при
D′г(пм)
11,6
при
D′г(от)
8,7
Z′лг
W′лг
2,17
1,41
Показатели
1. Гидролизат
перколяции
2. Гидролизат
промывке
3. Гидролизат
отжиме
4. Лигнин (а.с.)
5. Влага лигнина
73,2
Итого
Часовой баланс процесса гидролиза
1. Часовая производительная мощность предприятия по этанолу, Gэ:
Gэ = G : (24 N) = 2200000 : (24‧345) = 265,7 дал/ч.,
где N – число рабочих дней в году; 24 – часы (сутки).
2. Выход этанола из 1 т а.с.д., Gэ(1):
73,2
Gэ(1) =DРВ(д)(1-zРВ)‧DРВ(ф) ‧ Gэ(РВ) ‧ (1- zэ)=45‧(1-0,03)‧0,75‧57‧(1-0,03):100=18,1 дал.,
где zРВ и zэ – потери РВ и этанола, масс. доли.
3. Часовой расход сырья (а.с.д.), P:
P = Gэ : Gэ(1) = 265,7 : 18,1 = 14,7 т/ч.
4. Годовой расход сырья заводом (в пересчете на а.с.д.), Рг
Рг = 24 Р N = 24 ‧ 14,7‧345 = 121716 т/год.
5. Число «варок» в час, n:
n = P : P′ = 14,7 : 5,8 = 2,53
6. Часовой расход любого из составляющих баланса (Р, W, R, I, D и др.), т/ч:
Р = nP′;
W = nW′;
R = nR′;
I = nI′; D = nD′,
Где символ со штрихом – расход любого из составляющих баланса на «варку».
Результаты расчета сведены в таблицу часового баланса процесса гидролиза
(таблица 3).
7. Интервал времени между последовательными «варками» (фазовый сдвиг), ∆t:
∆t = 60 : n = 60 : 2,5 = 24 мин.
8. Часовой расход технической H2SO4 в гидролизном отделении, Rтк :
Rтк = R′тк n = 0,32 ‧ 2,5 = 0,8 т/ч.
9. Производительность одного гидролизаппарата по сырью Р1:
Р1 = Р′ : tоб = 5,8 : 3,2 = 1,81 т/ч.
10. Часовая производительность одного гидролизаппарата по общим РВ DРВ(1):
DРВ(1) = D′РВ : tоб = 2,61 : 3,2 = 0,82 т/ч.
11. Удельная производительность 1 м3 рабочей вместимости гидролизаппарата по
общим РВ DРВ(уд):
DРВ(уд) = D′РВ : (V‧ tоб) = 2,61 ‧ 1000 : (40 ‧ 3,2) = 20,4 кг/м3ч.
12. Часовая производительность гидролизного отделения по общим РВ DРВ:
DРВ = D′РВ ‧ n = 2,61 ‧ 2,5 = 6,53 т/ч.
Испарение гидролизата и инверсии
В связи с тем, что испарение гидролизата и все последующие технологические
процессы
являются
непрерывными,
рассчитываются
часовые
балансы
процессов по каждому отделению.
Для охлаждения гидролизата принимаем трехступенчатую схему испарения:
I ступень: температура 155℃ (давление 0,56 МПа);
II ступень: 130℃ (0,28 МПа);
III ступень: 105℃ (0,12 МПа).
7. Сырье (а.с.д.)
8. Влага сырья
9. Варочная кислота на
загрузку
10. Пар на прогрев
11. Вода на перколяцию и
промывку
12. Пар на перколяцию и
промывку
Итого
14,68
14,42
Rвк(з)
Iпр
36,68
15,43
Wпп
92,55
Iпп
11,39
185,15
Расход, т
Приход, т
P
Wд
Показатели
Обозначения
Обозначения
Часовой баланс процесса гидролиза
при
Dг(пк)
124,73
при
Dг(пм)
29,35
при
Dг(от)
22,01
Zлг
Wлг
5,49
3,57
Показатели
6. Гидролизат
перколяции
7. Гидролизат
промывке
8. Гидролизат
отжиме
9. Лигнин (а.с.)
10. Влага лигнина
Итого
185,15
Средняя температура гидролизата в общем коллекторе при жестких параметрах
гидролиза в этанольном производстве 180℃ (1,0 МПа).
Температура перепад между ступенями испарения 25℃.
1. Поступает гидролизата на испарение, Dг:
Dг = Dг(пк) + Dг(пм) + Dг(от) = 124,7 + 29,3 + 22,01 = 176,01 т/ч.
2. Испаряется жидкости в испарителях по ступеням, I:
I ступень I1 = Dг (iг - i1) (1 – zn) : r1 = 176,01 ‧ (764-644) ‧ (1-0,03) : 2105 = 9,73 т/ч.
II ступень
I2
= (Dг – I1) (i1 – i2) (1 – zn) : r2 = (176,01-9,73)‧ (644-547)‧
‧(1-0,03) : 2179 = 7,18 т/ч
III ступень I3 = (Dг – I1 – I2) (i2 – i3) (1 – zn) : r3 = (176,01-9,73-7,18)‧(547-440)‧
(1-0,03):2248 = 7,35 т/ч,
где zn – коэффициент, учитывающий потери тепла, отн.ед.; iг – удельная
энтальпия (теплосодержание) гидролизата в общем коллекторе, кДж/кг; i1, i2, i3
– удельная энтальпия гидролизата в испарителях I, II и III ступеней
соответственно, кДж/кг; r1, r2, r3 – удельная теплота парообразования в
испарителях I, II и III ступеней соответственно , кДж/кг.
3. Всего испаряется жидкости в испарителях, Zфск(и):
Zфск(и) = I1 + I2 + I3 = 9,73 + 7,18 + 7,35 = 24,26 т/ч.
4. Нагрев воды в решоферах по ступеням, ∆Т:
∆Т = I (r – iфск) (1 - zn) : (Wпп ‧ св),
где
iфск
- удельная энтальпия конденсата вторичных паров, кДж/кг; св –
теплоемкость охлаждающей воды, подаваемой в решоферы, кДж/кг ‧ град.
I ступень ∆Т1 = 9,73 ‧ (2105-644) ‧ 0,94 : (92,55‧4,33) = 33,34℃
II ступень ∆Т2 = 7,18 ‧ (2179-547) ‧ 0,94 : (92,55‧4,26) = 27,94℃
III ступень ∆Т3 = 7,35 ‧ (2248-440) ‧ 0,94 : [(92,55+36,68)‧4,22 ] = 22,91℃
где 36,38 (Rвк(з)) – расход варочной кислоты на загрузку гидролизаппарата.
5. Температура воды в сборнике оборотных вод, Тв:
Тв = Твк(з) – ∆Т3 = 80,0 – 22,91 = 57,09℃,
6. Температура воды после решоферов:
III ступень Тв(3) = Тв + ∆Т3 = 57,09+22,91 = 80,0℃
II ступень Тв(2) = Тв(3) + ∆Т2 = 80,0+27,94 = 107,94℃
I ступень Тв(1) = Тв(2) + ∆Т1 = 107,94 + 33,34 = 141,28℃
7. Поступает гидролизата на инверсию, Dг(ин):
Dг(ин) = Dг(и) – Zфск(и) = 176,01 – 24,26 = 151,75 т/ч.
8. Дополнительно испаряется жидкости при инверсии, Zфск(ин):
Zфск(ин) = Dг(ин) ‧ (i3 – iин) ‧ (1 – zи) : rин = 151,75‧(440-415)‧0,97:2263=1,63 т/ч,
где
rин – удельная теплота парообразования при инверсии, кДж/кг; iин –
удельная энтальпия гидролизата при температуре инверсии (99℃), кДж/кг.
9. Образуется фурфуролсодержащего конденсата при испарении и инверсии, Zфск:
Zфск = Zфск(и) + Zфск(ин) = 24,26+1,63=25,89 т/ч.
10. На нейтрализацию поступает гидролизата, Dг(н):
Dг(н) = Dг - Zфск = 176,01 - 25,89 = 150,12 т/ч.
1. Гидролизат
испарений
Итого
на
176,01
176,01
1. Вторичные пары по
ступеням испарения
I
I1
II
I2
III
I3
2. Вторичные пары при
инверсии
Zфск(ин)
3. Гидролизат
на
нейтрализацию
Dг(н)
Итого
Расход, т/ч
Dг
Показатели
Обозначения
Приход, т/ч
Показатели
Обозначения
Материальный баланс испарения и инверсии гидролизата
9,73
7,18
7,35
1,63
150,12
176,01
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения курсового проекта были изучены технологический
состав сырья для гидролиза, микрофлора гидролизно-спиртового
производства, химический состав гидролизата. Представлена типовая
технологическая схема гидролизного отделения получения спирта. Рассчитан
материальный баланс гидролизного отделения спиртового завода мощностью
2,2 млн дал этанола в год.
Список использованной литературы
1.
Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. – М.:
Лесная промышленность 1989. – 496 с.
2.
Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. – М.:
Агропромиздат, 1990. – 334 с.: ил.
3.
Аркадьева З.А., Безбородов А.М., Блохина И.Н. и др.; Под ред.
Егорова Н.С. Промышленная микробиология: Учеб. Пособие для вузов
по спец. «Микробиология» и «Биология». – М.: Высш. шк., 1989. – 688
с.: ил.
4.
Макаров В.Л., Холькин Ю.И., Дмитриев Г.М. Материальные
расчеты технологических процессов гидролизно - этанольного
производства: Учебное пособие. СПб.: СПбЛТА, 2002. - 36 с.