《年產(chǎn)萬噸燃料乙醇的發(fā)酵車間設(shè)計(jì)》9900字（論文）

年產(chǎn)萬噸燃料乙醇的發(fā)酵車間設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u5293第1章緒論 339521.1概述 385431.2燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 4109691.3生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇 4160741.4乙醇制備的主要工藝 510388第2章設(shè)計(jì)概論 521852.1設(shè)計(jì)依據(jù) 536362.2可行性依據(jù) 5308522.3車間總體設(shè)計(jì) 6173602.4工藝流程選擇 73750第3章工藝計(jì)算 914433.1全廠物料衡算 9166773.2發(fā)酵車間物料衡算 16308181.2%×1.389=0.017kg 16296443.3全廠熱量衡算 17171143.4蒸汽衡算 1731353.5水平衡 193290第4章設(shè)備計(jì)算與選型 21285954.1發(fā)酵設(shè)備計(jì)算與選型 21213424.2種子罐計(jì)算與選型 2554214.3設(shè)備相關(guān)參數(shù)一覽表 2853784.4發(fā)酵設(shè)備三視圖 2825259第5章車間布置設(shè)計(jì) 2812416第6章經(jīng)濟(jì)、社會(huì)環(huán)境效應(yīng)淺析 293869參考文獻(xiàn) 31燃料乙醇是一種清潔可再生能源，在整個(gè)生產(chǎn)和使用中可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的自身平衡，不斷增加溫室氣體的排放，不僅可直接用作燃料，而且還可作為新的替代能源被廣泛應(yīng)用與電力、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域[1]。隨著石油等非可再生能源的消耗，燃料乙醇作為理想的替代能源，它的生產(chǎn)有著重大意義，發(fā)酵法在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)燃料乙醇中也就顯得十分重要。本設(shè)計(jì)對(duì)年產(chǎn)萬噸燃料乙醇的發(fā)酵車間進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，共分為七章，首先對(duì)酒精的概述，然后進(jìn)行燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的物料衡算、能量衡算，以及對(duì)蒸汽以及循環(huán)水的消耗預(yù)算，再對(duì)發(fā)酵設(shè)備的選型與計(jì)算。以木薯為發(fā)酵原料，采用雙酶糖化將木薯中的糖轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，再通過間歇發(fā)酵使可發(fā)酵性糖轉(zhuǎn)化為含酒精混合物，在進(jìn)入蒸餾塔精制得到產(chǎn)品。發(fā)酵罐體積選用100m3，而種子罐選用10m3的通用式發(fā)酵罐。最后是對(duì)整個(gè)發(fā)酵車間的布局設(shè)計(jì)，并繪制燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)工藝流程圖以及主要設(shè)備的三視圖等。關(guān)鍵詞：燃料乙醇；工藝流程；設(shè)備；設(shè)計(jì)第1章緒論1.1概述以生物質(zhì)為載體的能量被稱為生物質(zhì)能，也可以說是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，也是綠色植物以葉綠素為載體將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的能量貯藏在其內(nèi)部的能量形式[2]。隨著石油消耗量的迅速增加，世界石油資源逐漸枯竭，因此，世界各國(guó)都在研究石油的替代品，這就有燃料乙醇的出現(xiàn)。燃料乙醇是高辛烷值燃料，清潔燃燒不產(chǎn)生廢氣，是可再生資源[3]。乙醇生產(chǎn)方法可分為發(fā)酵法和化學(xué)合成法兩類。發(fā)酵法時(shí)利用微生物的發(fā)酵作用將糖分或淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇的方法。1.2燃料乙醇發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)美國(guó)在2006年首次成為全球最大的燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量達(dá)一千四百六十萬噸，而在此之前，巴西一直是是全球最大生產(chǎn)國(guó)，目前美國(guó)主要以玉米為原料生產(chǎn)乙醇[4]。作為前全球最大乙醇生產(chǎn)國(guó)現(xiàn)今為僅次美國(guó)的世界第二大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)的巴西，早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始開發(fā)研究燃料乙醇．主要生產(chǎn)原料為甘蔗。而在歐洲眾多國(guó)家中，法國(guó)和德國(guó)是產(chǎn)燃料乙醇最多的國(guó)家，他們工業(yè)發(fā)酵多以谷物、薯類等作為原料[5]。目前我國(guó)也在大力發(fā)展燃料乙醇行業(yè)，其生產(chǎn)原料以玉米為主。為了使燃料乙醇產(chǎn)業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展，以薯類、甘蔗等作為原料的發(fā)酵生產(chǎn)逐漸替代以玉米等糧食淀粉為原料發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的想法正得以迅速研發(fā)實(shí)施。不僅如此，在國(guó)家提出的《十五計(jì)劃綱要》中，為滿足能源的可持續(xù)發(fā)展，大力推廣燃料乙醇使用[6]。從2002年06月30起，我國(guó)在河南、黑龍江、吉林、安徽部分地區(qū)的“汽油醇”試點(diǎn)開展并一舉獲得成功；2005年2月，國(guó)家出臺(tái)的《能源法案》中，用立法來支持和鼓勵(lì)燃料乙醇發(fā)展[7]。目前，我國(guó)的酒精工業(yè)迅速發(fā)展，各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，各個(gè)酒精工廠企業(yè)仍在尋求進(jìn)一步發(fā)展。國(guó)家也在大力引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，增加對(duì)科研工作的支持和鼓勵(lì)，開展工藝技術(shù)研究改進(jìn)。1.3生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇燃料乙醇生產(chǎn)的生物質(zhì)原料主要包括糖質(zhì)原料甘蔗等、淀粉質(zhì)原料、纖維素累原料三類。糖質(zhì)原料有甘蔗等，可直接經(jīng)微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇，若使用淀粉和纖維素原料如薯類、秸稈等則需要水解轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，才能發(fā)酵生產(chǎn)酒精。糖質(zhì)原料和淀粉質(zhì)原料這兩類的利用較廣，且發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，技術(shù)較為成熟，現(xiàn)階段主要以玉米和小麥為發(fā)酵原料。纖維素原料來源豐富，但由于纖維素類物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水解較困難，用于發(fā)酵生產(chǎn)所需成本大，現(xiàn)階段用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)還不適合，還有待發(fā)展。木薯是多年生植物，適應(yīng)能力強(qiáng)，能適應(yīng)土地貧瘠、干旱、酸性等各種地形地勢(shì)種植，在我國(guó)有廣闊種植面積，而且依賴強(qiáng)氣候資源利用等獨(dú)特的特性，為燃料乙醇的生產(chǎn)提供可靠的基礎(chǔ)支撐[8]。木薯含淀粉量高，是作為一種發(fā)酵產(chǎn)燃料乙醇的優(yōu)良淀粉質(zhì)原料，且經(jīng)濟(jì)性好。以木薯為原料生產(chǎn)乙醇,采用蒸煮后糖化再發(fā)酵的工藝方法。其流程為:木薯干→粉碎→蒸煮糊化、糖化→酵母發(fā)酵→塔蒸餾→粗產(chǎn)品酒精→成品燃料乙醇。為了降低能耗,研究者們相繼提出了低溫蒸煮、生料發(fā)酵等工藝方法發(fā)酵生產(chǎn)[9]。當(dāng)前,對(duì)于木薯燃料乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)工藝主要研究發(fā)展方向是新工藝的生產(chǎn)提高原料和能量的利用率，優(yōu)良菌株的篩選以提高酒精的產(chǎn)率。工業(yè)生產(chǎn)中一般使用酵母菌為出發(fā)菌株，菌株的差異直接關(guān)系著酒精的質(zhì)量和產(chǎn)量,因此篩選合適的生產(chǎn)菌株尤為重要。1.4乙醇制備的主要工藝目前乙醇發(fā)酵采用的技術(shù)手段主要有同步糖化發(fā)酵法、生料發(fā)酵法等。同步糖化發(fā)酵法不同于一般的傳統(tǒng)乙醇生產(chǎn)工藝，是采用糖化發(fā)酵在同一容器中進(jìn)行的方法，糖化和發(fā)酵在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行而不是先進(jìn)行糖化。同步糖化發(fā)酵法的發(fā)酵過程較平緩，其優(yōu)點(diǎn)在于省去了糖化工序，減少水解產(chǎn)物對(duì)糖化酶的反饋抑制，降低了高濃度糖對(duì)酵母的抑制作用，從而縮短發(fā)酵的周期、提高乙醇的產(chǎn)量[10]。但同步糖化發(fā)酵液存在著問題，如糖化和發(fā)酵的溫度不相同，因而耐熱菌株的篩選育種尤為重要。生料發(fā)酵一般是指原料直接進(jìn)行糖化發(fā)酵，不經(jīng)過蒸煮過程，生料發(fā)酵比傳統(tǒng)發(fā)酵方法少了高溫蒸煮工藝，具有降低能耗、提高乙醇產(chǎn)率、簡(jiǎn)化操作工序的優(yōu)點(diǎn)[11]。生料發(fā)酵法對(duì)菌株的要求也很高，若不能將生淀粉水解，那么發(fā)酵也就不能進(jìn)行。除上述兩種方法，多結(jié)合采用固定化細(xì)胞發(fā)酵法，這可使發(fā)酵液中的細(xì)胞濃度保持穩(wěn)定，產(chǎn)生乙醇的速度就會(huì)加快，產(chǎn)量也會(huì)增大。 第2章設(shè)計(jì)概論2.1設(shè)計(jì)依據(jù)依據(jù)武漢輕工大學(xué)生物工程專業(yè)所學(xué)知識(shí)，并結(jié)合工廠實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。2.2可行性依據(jù)（1）廠址選擇：燃料乙醇廠址考慮良好的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，交通便利，空氣清潔、無污染，燃料乙醇發(fā)酵冷卻水耗量較多，因此水源應(yīng)充足。湖北省位居長(zhǎng)江中游，水源豐富，供水充足，地理位置優(yōu)越，交通適逢便利，滿足建廠條件。（2）木薯本身具有適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在秦嶺淮河以南地區(qū)都可種植，作為產(chǎn)燃料乙醇的原料十分有優(yōu)勢(shì)。（3）石油等非可再生能源的缺乏，國(guó)家大力發(fā)展清潔能源，燃料乙醇作為石油的優(yōu)良替代品，具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。2.3車間總體設(shè)計(jì)2.3.1車間平面布置圖設(shè)計(jì)具體內(nèi)容（1）廠房的總體布置和輪廓設(shè)計(jì)，包括樓層高度、面積等，劃分確定生產(chǎn)和辦公輔助設(shè)施區(qū)域及位置大小，以及確定門、窗等位置；（2）設(shè)計(jì)確定車間設(shè)備的大致外形輪廓、水平及垂直定位尺寸，確定設(shè)備距墻面和地面的尺寸，以及設(shè)備與設(shè)備間的距離，根據(jù)設(shè)備選型設(shè)計(jì)確定設(shè)備高度直徑等大小，并在圖紙上一一標(biāo)注出來；（3）劃分車間內(nèi)的工藝輔助區(qū)域如接種室、控制室等和生活區(qū)域如辦公室等，在圖紙上面確定設(shè)計(jì)并標(biāo)注大小面積；（4）車間布置設(shè)計(jì)的圖紙包括俯視平面布置圖、正立面圖以及側(cè)立面圖，若有車間為多層車間，則應(yīng)將各個(gè)圖層的平面布置圖繪出，而正立面圖和側(cè)立面圖也應(yīng)體現(xiàn)出來。2.3.3車間布置圖設(shè)計(jì)原則（1）滿足生產(chǎn)工藝的要求。根據(jù)選定的工藝流程順序流向依次進(jìn)行設(shè)備布置，保證工藝的流暢性；（2）滿足生產(chǎn)操作。車間布置應(yīng)考慮工作人員在車間內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)操作的問題，設(shè)備間的間距應(yīng)保證工作人員有足夠空間操作，距離墻面的距離也應(yīng)足夠，以便進(jìn)行操作管理。不僅僅是間距，管道布置空間也應(yīng)考慮進(jìn)去。車間布置不宜設(shè)計(jì)過寬敞，應(yīng)盡量排列整齊、緊湊；（3）設(shè)備應(yīng)能正常出入車間，因此門的設(shè)計(jì)大小應(yīng)比發(fā)酵罐的直徑大；（4）車間內(nèi)較高設(shè)備盡量集中放置，可節(jié)約廠房體積，簡(jiǎn)化工廠體型；（5）管道布置應(yīng)集中布置，盡量減少設(shè)備間不必要管道設(shè)計(jì)，合理安排管道使減少熱損失，節(jié)約管道能耗和布置成本；（6）考慮到衛(wèi)生和安全問題，車間布置應(yīng)考慮采光問題，燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)保持車間內(nèi)清潔，因此，可采用防塵、除塵設(shè)備的安裝。乙醇為易燃品，車間內(nèi)應(yīng)充分考慮防火滅火措施、安全疏散通道等。2.4工藝流程選擇2.4.1原料選擇木薯是淀粉質(zhì)原料，其生產(chǎn)燃料酒精的基本原理是：糖化：C6H10O16218180發(fā)酵：C6H12O18046×244×22.4.2流程圖整個(gè)燃料酒精發(fā)酵生產(chǎn)采用的基本工藝流程如下圖所示：圖1燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)流程圖木薯干經(jīng)粉碎成粉后以1∶3的粉漿比與水混合，并加入α-淀粉酶進(jìn)行液化，經(jīng)醪液泵泵入蒸煮罐（直接蒸汽加熱）進(jìn)行高溫連續(xù)蒸煮1小時(shí)左右，在后熟器和汽液分離減壓蒸發(fā)、冷卻降溫，后進(jìn)入糖化階段。加入糖化酶，糖化溫度控制在63℃，時(shí)間在30min左右，成熟糖化醪經(jīng)冷卻至30℃左右，隨后進(jìn)入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵70h完成發(fā)酵。發(fā)酵醪再進(jìn)入粗餾塔，采用直接蒸汽加熱，經(jīng)粗餾后的乙醇蒸汽進(jìn)入精餾塔得到燃料乙醇，分子篩脫水的粗產(chǎn)品接近無水乙醇的純度，再經(jīng)一定配比即可得到95%燃料乙醇。2.4.3全廠工藝指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇（1）生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)萬噸95%燃料乙醇；（2）生產(chǎn)方法：雙酶糖化、間歇發(fā)酵和蒸餾；（3）生產(chǎn)天數(shù)：300d/a；（4）燃料乙醇日產(chǎn)量：33.4噸；（5）燃料乙醇年產(chǎn)量：10020噸；（6）產(chǎn)品質(zhì)量：普通三級(jí)酒精（乙醇含量95%，體積分?jǐn)?shù)）；（7）雜醇油量：為成品酒精的0.5%；（8）主原料：使用木薯干（含淀粉70%，水分12%）作為發(fā)酵原料；（9）酶用量：使用α-淀粉酶作為初步水解酶，用量為8μg/g原料，再使用糖化酶，其用量為150μg/g原料，而酒母糖化醪中使用糖化酶的量取用300μg/g原料；（10）硫酸銨用量：7kg/t酒精；（11）硫酸用量：5kg/t酒精，硫酸使用目的在于調(diào)節(jié)pH2.4.4發(fā)酵工藝指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)酵菌株選用酵母菌，酵母菌充分利用葡萄糖及其他可發(fā)酵糖，最大限度得將可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)化為酒精。采用間歇發(fā)酵方式進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)。（1）工藝指標(biāo)見表1所示表1酒精發(fā)酵工藝指標(biāo)名稱單位數(shù)值生產(chǎn)規(guī)模t/a10000年生產(chǎn)天數(shù)d/a300產(chǎn)品日產(chǎn)量t/a33.4產(chǎn)品質(zhì)量%95倒罐率%1發(fā)酵周期h70發(fā)酵初糖kg/m3150淀粉轉(zhuǎn)化率%98糖酸轉(zhuǎn)化率%50酒精提取率%98（2）種子培養(yǎng)基（g/L）：水解糖25，木薯粉16～20%，硫酸銨40%，尿素0.5%，硫酸0.1～0.2%；（3）發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L）：水解糖150，木薯粉16～20%，尿素0.3%，α-淀粉酶0.1%；2.4.5蒸餾工序燃料乙醇蒸餾采用半直接式三塔蒸餾，95%乙醇?xì)庀喾肿雍Y脫水，考慮脫水損失，取1%，分子篩脫水后冷凝，從過熱溫度120℃（約為0.3MPa）降至30℃。精餾塔、醪塔和醛塔的加熱方式為直接蒸汽加熱，而分子篩是乙醇蒸汽通過再沸器加熱在適當(dāng)壓力下進(jìn)入分子篩脫水。其蒸餾工序流程為：成熟醪→預(yù)熱器→粗餾塔→排醛塔→精餾塔→分子篩→燃料乙醇↑↑↑蒸汽蒸汽蒸汽第3章工藝計(jì)算3.1全廠物料衡算3.1.1物料衡算主要內(nèi)容選用木薯干作為燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的原料，總物料衡算主要包括三個(gè)部分：（1）原料木薯干消耗的計(jì)算，輔助原料有硫酸、硫酸銨、糖化酶等，在相關(guān)參數(shù)計(jì)算中涉及；（2）中間產(chǎn)品產(chǎn)生量計(jì)算，主要是糖化醪、發(fā)酵蒸煮醪、發(fā)酵醪量等的計(jì)算；（3）成品燃料乙醇量、副產(chǎn)品以及廢氣廢水（主要是CO2）等的計(jì)算；3.1.2原料消耗計(jì)算（1）生產(chǎn)1t燃料乙醇的淀粉消耗量（理論值）由式（2-1）和式（2-2）可求得理論上生產(chǎn)1t燃料乙醇（體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)算是92.41%）所耗的淀粉量為：1000×92.41%×（2）生產(chǎn)1t燃料乙醇淀粉消耗量（實(shí)際值）：各個(gè)階段淀粉的損失率以表2所示計(jì)算。設(shè)安裝酒精捕集器,因此淀粉損失率為8.5%，則生產(chǎn)1噸燃料乙醇需耗用淀粉量為：1627.22/(100%?8.5%)=1778.38kg則淀粉出酒率為1000/1778.8=56.23%（3）生產(chǎn)1t燃料乙醇所用原料木薯干的消耗量：根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表求得1噸乙醇耗用木薯干的量為：1778.38/0.7=2540.54kg若用液體曲糖化工藝，設(shè)生產(chǎn)1t酒精需要的糖化劑所含的淀粉量為m1，則木薯干需用量減為：（1778.38?m（4）α-淀粉酶消耗量：α-淀粉酶選用酶活力為2000μg/g，其用量按8μg/g原料計(jì)算。則耗用酶量為：糖化酶耗量：若所用糖化酶的活力為5糖化酶耗量：若所用糖化酶的活力為50000μg/g，使用量為150μg/g原料，則糖化酶消耗量為（5）2540.54×此外，酒母糖化酶用量按300μg/g原料計(jì)，且酒母用量為10%，則用酶量為：2540.54×10%×70%×300式中式中70%為酒母的糖化，其于為稀釋水和糖化劑。兩項(xiàng)合計(jì)則糖化酶總用量為8.687kg（6）硫酸銨耗用量硫酸銨用于酒母培養(yǎng)基的補(bǔ)充氮源，其用量為酒母量的0.1%，設(shè)酒母醪量為mo，則硫酸銨耗用量為。0.1%3.1.3蒸煮醪量計(jì)算本設(shè)計(jì)使用淀粉原料連續(xù)蒸煮的淀粉加水比為1∶3粉漿量為：2540.54×(1+3)=10162.16kg在蒸煮過程中，蒸煮醪液會(huì)發(fā)生變化，所以蒸煮醪計(jì)算須與熱量衡算同時(shí)進(jìn)行。該計(jì)算按下述方法計(jì)算。在蒸煮過程中，蒸煮醪液會(huì)發(fā)生變化，所以蒸煮醪計(jì)算須與熱量衡算同時(shí)進(jìn)行。該計(jì)算按下述方法計(jì)算。。木薯干（干物質(zhì)含量wo=87%）比熱容為：c粉漿干物質(zhì)濃度為：w則蒸煮醪比熱容為：=0.2175×1.63+(1?0.2175)×4.181=3.66kJ/(kg?K)式中cw為水的比熱容[kJ/(kg?K)]，取4.18kJ/(kg?K)為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定蒸煮醪的比熱容在整個(gè)蒸煮過程中維持不變。（1）經(jīng)噴射液化器加熱后蒸煮醪量為：10162.16+（2）經(jīng)過液化維持管料液溫度降為115℃，量為：11524.207?經(jīng)氣液分離器后的蒸煮醪量為經(jīng)氣液分離器后的蒸煮醪量為（3）11143.55?假設(shè)發(fā)酵結(jié)束后成熟醪量含酒精體積分?jǐn)?shù)為10%，相當(dāng)于成熟醪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)假設(shè)發(fā)酵結(jié)束后成熟醪量含酒精體積分?jǐn)?shù)為10%，相當(dāng)于成熟醪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.01%，蒸煮效率為98%，則生產(chǎn)1000kg95%燃料乙醇成品的計(jì)算如下：（1）成熟發(fā)酵醪量為：式中5%為假定發(fā)酵罐酒精補(bǔ)集器回收酒精洗水用水占成熟醪量的比例式中5%為假定發(fā)酵罐酒精補(bǔ)集器回收酒精洗水用水占成熟醪量的比例1%為假定洗罐用水占成熟醪量的比例（2）不計(jì)入酒精捕集器和洗罐的耗水量，成熟發(fā)酵醪量為：12828.35/106%=12102.22kg（3）入蒸餾塔的成熟醪乙醇濃度為：1000/98%/12828.35=7.95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（4）則發(fā)酵過程放出CO2量為：950/98%×44/46=927.24kg（5）酒母醪量（按10%接種量計(jì)）為：12102.22+927.24（6）酒母醪中70%是糖化醪，其余部分是糖化劑和稀釋水，則糖化醪量為：12102.22+927.24廢醪量是進(jìn)入蒸餾塔的成熟發(fā)酵醪減去部分水和酒精成分及其他揮發(fā)組分后的殘留液。醪塔使用直接蒸汽加熱，應(yīng)加上塔的冷凝水。醪塔的物料和熱量平衡如圖2所示3.1.5發(fā)酵醪量計(jì)算廢醪量是進(jìn)入蒸餾塔的成熟發(fā)酵醪減去部分水和酒精成分及其他揮發(fā)組分后的殘留液。醪塔使用直接蒸汽加熱，應(yīng)加上塔的冷凝水。醪塔的物料和熱量平衡如圖2所示設(shè)進(jìn)塔的醪液（F設(shè)進(jìn)塔的醪液（F1）的溫度t1=70℃，排除廢醪的溫度t4=105℃：成熟醪固形物含量為B1=7.5%，塔頂上升酒器的乙醇濃度50%（體積分?jǐn)?shù)）即47.18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。則：（1）醪塔頂部上升的蒸汽量為：m（2）計(jì)算殘留液量為：m（3）計(jì)算成熟醪的比熱容為：c=3.96kJ/(kg?K)（4）則成熟醪帶入塔的熱量為：Q=12828.35×3.96×70=3.833×106kJ（5）則成熟醪殘留液中固形物的含量為：w=12828.35×7.5%/10666.73=9.02%該計(jì)算是為間接加熱方式，因此沒有冷凝水的工藝。（6）蒸餾殘留液的比熱容：c（7）塔底殘留液帶出熱量為：Q=10666.73×4.037×105查體積分?jǐn)?shù)為50%酒精蒸汽焓為H=1965kJ/kg查體積分?jǐn)?shù)為50%酒精蒸汽焓為H=1965kJ/kg，故有：（8）上升蒸汽帶出的熱量為：Q3=mv×H塔底采用表壓為0.05MP塔底采用表壓為0.05MPa蒸汽加熱，焓為I=2689.8kJ/kg；蒸餾過程熱損失Qn可取為傳遞總熱量的1%。根據(jù)熱量衡算，可得消耗的蒸汽量為：=4.25×106kJm若采用直接蒸汽加熱的方式，則塔底排除的廢醪量為：m3.1.6年產(chǎn)萬噸燃料乙醇發(fā)酵車間總物料衡算（1）酒精成品計(jì)算日產(chǎn)乙醇量為：10000/300=33.33t，元整為34t/d則實(shí)際年燃料乙醇總產(chǎn)量為34×300=10200t/a（2）生產(chǎn)原料木薯干的用量日耗量：2540.54×34=86378.36kg/d年耗量：86378.36×300=25913508kg=25913.5t/a則一一算出成品及工藝所需其他輔助原料日耗和年耗量，衡算結(jié)果見表3。表3總物料衡算表燃料乙醇100014173410200木薯干原料2540.543599.1786.3825913.5α-淀粉酶10.1614.420.346103.8糖化酶7.6210.840.2678.0硫酸銨1.181.710.04112.3硫酸5.007.090.1751.0蒸煮粉漿10162.1614396.42345.514103654.1成熟蒸煮醪10241.5414508.88348.213104464糖化醪12674.1117955430.92129276酒母醪1184.51679.1740.312090蒸餾發(fā)酵醪12828.3518173.5436.164130849.2CO2廢醪927.2412882.231313.7518249.8431.53437.99694591313993.2發(fā)酵車間物料衡算計(jì)算1000kg燃料乙醇耗用的原材料（1）發(fā)酵液量V1=1000/(150×50%×98%×98%)=13.89m3（2）配置發(fā)酵液所需水解糖的量，以純糖消耗計(jì)算：G（3）二級(jí)種子液的量V（4）二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖的量G式中：25為二級(jí)種子液含糖量式中：25為二級(jí)種子液含糖量（5）計(jì)算生產(chǎn)1t燃料乙醇所需水解糖的總量：G=（6）計(jì)算耗用淀粉原料量G淀粉=2118.23/(98%×78%)=2771.1kg式中：78%為淀粉原料含純淀粉量（7）計(jì)算尿素耗用量二級(jí)種子液耗用量：0.5%V2=0.00695kg發(fā)酵培養(yǎng)基耗用量：0.3%V1=0.042kg故總尿素耗用量為0.04895kg（8）計(jì)算二級(jí)種子液耗用硫酸銨的量0.5%×1.389=0.007kg（9）計(jì)算種子液消耗α-淀粉酶的量0.1%×13.89=0.014kg（10）種子液耗硫酸量1.2%×1.389=0.017kg對(duì)燃料乙醇發(fā)酵車間物料衡算進(jìn)行匯總，如表4所示表4發(fā)酵車間物料衡算表發(fā)酵液/m313.891389046.3二級(jí)種子液/m31.38913894.63發(fā)酵水解糖/kg2083.520835006945二級(jí)種子液培養(yǎng)用糖/kg34.7334730115.77水解糖總量/kg2118.2321182307060.77淀粉/kg2771.127711009237尿素/kg0.0048954.8950.0164硫酸銨/kg0.00770.024α-淀粉酶/kg0.014140.047硫酸/kg0.017170.0573.3全廠熱量衡算燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的熱量消耗分兩個(gè)工段，發(fā)酵工段和蒸硫酸銨餾工段。其中蒸餾段在物料衡算中已經(jīng)得出消耗的蒸汽量為2215.5kg，則需算出發(fā)酵段的蒸汽消耗量。以葡糖糖為碳源，酒母發(fā)酵生成以葡糖糖為碳源，酒母發(fā)酵生成1kg酒精放出的熱量約為1170kJ,則發(fā)酵和培養(yǎng)酒母每小時(shí)放出的熱量為Q3.4蒸汽衡算3.4.1醪塔蒸汽消耗的計(jì)算假定粗酒精液相進(jìn)入精餾塔，塔頂溫度設(shè)為105℃，塔底溫度設(shè)為130℃，通蒸汽的溫度130℃，乙醇出塔頂?shù)臐舛葹?5%（體積分?jǐn)?shù)），換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.86%。(不分離醛酒和雜油醇)出塔酒精量P=1417*99.18/92.86=1513.44kg/h精餾塔中，塔頂酒精蒸汽經(jīng)粗餾塔底再沸器冷凝后，除回流外，還將少量酒精送回再次洗滌。據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，此等酒精量為塔頂酒精的2%。Pe=P*2%=30.27kg/h根據(jù)物料平衡：F+D2=P+Pe+D2+Wx’則Wx’=2161.62-1513.44-30.27=617.91kg/h熱量平衡：FcFtF+DI+RPetpcp=(R+1)(P+Pg)i+(D+Wx’)twcw+Qn式中R為精餾塔回流比，一般為2-3，現(xiàn)取R=3P為P=1513.44kg/hPe為Pe=30.27kg/hi為塔頂上升酒氣的焓，為1166kJ/kgI為精餾塔加熱蒸汽熱焓，0.05表壓，I=2751.37kJ/kgF為發(fā)酵蒸餾醪流量，為18174kg/hcF為發(fā)酵蒸餾醪的比熱容，取3.96kJ/(kgK)cp為出塔酒精比熱，取2.81kJ/(kgK)cw為取4.05kJ/(kgK)tF2，tF1為發(fā)酵蒸餾醪加熱前后的溫度，分別取50℃和34℃t’H，tH為冷卻水在冷凝器重的進(jìn)出口溫度，分別取70℃和25℃Qn為精餾塔熱損失，取2%DItw為塔底溫度tp為出塔酒精飽和溫度，tp=78℃tF為進(jìn)料溫度，取tF=90℃求得蒸餾段蒸汽量D2=3160.4kg/h因此蒸餾段共耗用蒸汽D=D1+D2=5375.9kg/h則年耗蒸汽量為：5375.9*24*300=3876480kg=3876.5t3.4.2發(fā)酵罐滅菌蒸汽量消耗(1)采用直接蒸汽滅菌，蒸汽采用表壓為0.4MPa的飽和蒸汽，選用全容積100m3發(fā)酵罐。蒸汽進(jìn)罐加熱罐內(nèi)冷空氣升溫的蒸汽消耗量：D1’=（V全-8）×r空×c空(t1-t2)t4.18)/((I-t1)t4.18式中：8為發(fā)酵罐內(nèi)管架、冷凝器所占空間；r空為10℃時(shí)干空氣的密度，r空=1.21kg/m3c空為10℃時(shí)干空氣的密度，c空=0.241kJ/(kgK)tw為加熱溫度，127℃I為0.4MPa(表壓)下蒸汽焓，2737.23kJ/kg因此求得D1’=1.2kg填充發(fā)酵罐內(nèi)空間容積所需蒸汽量：D2’=（V全-8）×8式中：r為0.4MPa下加熱蒸汽密度，2.163kg/m3則D2’=199kg因此共需要飽和蒸汽D’=200.2kg(2)發(fā)酵罐洗滌耗用蒸汽量發(fā)酵罐表面積計(jì)算：A1=3.14*DH+2*3.14*R(√(.14*DH+2*)其中算出D=4.36m,H=6.54m，h1=h2=0.1D=0.436m求出：A1=120m2冷卻管外表面積：A2=3.14*L*2R’=686.18m2式中：L為冷卻管總長(zhǎng)度，L=108.72mR’為冷卻管外半徑，R’=1.005m設(shè)附著在物件表面的水膜平均厚度為0.001m設(shè)冷卻管架、軸等內(nèi)部部件的表面積為30m2則洗滌消耗蒸汽量為：D洗=(686.18+120+30)*0.001*1000*（127-10）*4.18/(2737.23-127)/4.18=37.5kg(3)發(fā)酵罐體及冷卻管等從10℃加熱到127℃的蒸汽量消耗設(shè)100m3發(fā)酵罐重量為1920kg則D罐=1920*0.11*(127-10)*4.18/4.18/(2737.23-127)=9.5kg因此總共需要蒸汽量，D總=9.5+37.5+200.2=247.2kg3.5水平衡3.5.1精餾塔分凝器用水根據(jù)熱量衡算：(R+1)(P+P式中：計(jì)算得精餾塔分凝器冷卻水用量為：W1=3+1（1506.65+30.133）×1166?18174×3.96×（50?34）3.5.2分子篩冷卻用水及總用水分子篩脫水后從過熱溫度119℃降至30℃的冷卻水用量W2W2=1417×853+2.69×因此，蒸餾車間總用水量為：W蒸餾=W1+W2=44210.6kg/h3.5.3酒母糖化醪稀釋用水采用間歇發(fā)酵過程，從糖化鍋內(nèi)分出糖化醪到酒母培養(yǎng)罐需要加入水進(jìn)行稀釋采用間歇發(fā)酵過程，從糖化鍋內(nèi)分出糖化醪到酒母培養(yǎng)罐需要加入水進(jìn)行稀釋[11]。酒母糖化醪稀釋用水（補(bǔ)充60℃溫水與用作酒母的糖化醪應(yīng)滿足發(fā)酵接種量10%的需要）因此，補(bǔ)充水量為：W稀釋=0.9×3599.17×0.1-0.07×3599.17=72kg/h式中90%為木薯粉加入發(fā)酵罐的量；10%為接種量；3.5.4酒母糖化醪殺菌用水W殺菌=m糖化醪×3.66×(t2-t1)/cw/(t’2-t’1)=17955×3.66×(80-27)/4.18/(35-20)=55548.82kg/h式中t1，t2為冷卻前后溫度，分別取27和80℃；t’2，t’1為冷卻水進(jìn)出口溫度，分別取35和20℃；3.5.5發(fā)酵過程冷卻用水W發(fā)酵=Q/[cw×(t’f-tf)]=752000/4.18/(30-20)=17990.43kg/h式中Q為發(fā)酵生物反應(yīng)熱，kJ/(kg?K)；t’f，tf為冷卻水進(jìn)出口溫度；3.5.6洗罐用水量洗罐用水取成熟醪量的1% W洗罐=1%F/(1+1%+0.3%)=0.01×14508.88/1.013=143.23kg/h3.5.7總用水量W總=W1+W2+W稀釋+W殺菌+W發(fā)酵+W洗罐=158177.75kg/h第4章設(shè)備計(jì)算與選型4.1發(fā)酵設(shè)備計(jì)算與選型4.1.1發(fā)酵罐容積的確定現(xiàn)選用100m3厭氧發(fā)酵罐。4.1.2生產(chǎn)能力確定對(duì)于燃料酒精廠而言，每天生產(chǎn)95%燃料乙醇34t，以70小時(shí)為發(fā)酵周期（包括其他輔助操作時(shí)間）。每天產(chǎn)95%燃料乙醇34t，則1t乙醇需要糖液為：12674.11/1080=11.74Vc=11.74×34×0.95=379.2m3取發(fā)酵罐的裝料系數(shù)φ=0.7，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)莘eV0為：V4.1.3發(fā)酵罐個(gè)數(shù)確定計(jì)算發(fā)酵罐容積時(shí)有幾個(gè)名稱需確定：裝液高度系數(shù)，指圓筒部分高度系數(shù)，封底則余冷卻罐、輔助設(shè)備體積相抵消計(jì)算發(fā)酵罐容積時(shí)有幾個(gè)名稱需確定：裝液高度系數(shù)，指圓筒部分高度系數(shù)，封底則余冷卻罐、輔助設(shè)備體積相抵消[12]。公稱容積，是指罐的圓柱部分和底部封頭容積之和,并圓整為整數(shù)，上封頭因無法裝液，一般不計(jì)入容積,罐的全容積，是指罐的圓柱部分和兩封頭容積之和[13]。現(xiàn)取用單罐全容積為100m3厭氧發(fā)酵罐，則需藥發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)為N0個(gè)N0=541.7/100=6個(gè)共需要發(fā)酵罐數(shù)：N1=V0τ/V總/24=541.7×70/100/24=15.8個(gè)故需要16個(gè)發(fā)酵罐。若每天有6個(gè)發(fā)酵罐出料，年生產(chǎn)天數(shù)為300天，驗(yàn)算實(shí)際產(chǎn)量：100×0.7×6×300/11.74=10732.5t設(shè)備富裕量為：（10732.5-10000）/10000=7.3%故能滿足產(chǎn)量需求。4.1.4主要尺寸計(jì)算按100m3的發(fā)酵罐計(jì)算V封頭折邊忽略不計(jì)，則取H=1.5D，h1=h2=0.1D則V=0.785D2×(1.5D+2×0.1D/3)則算出D=4.36mH=6.54m圓柱部分容積：V1=0.785×4.362×6.54=97.59m3上下封頭容積：V2=V3=3.14/24×4.362=2.49m3總?cè)莘e：V全=V1+V2=100.08m3取裝料系數(shù)為0.7，實(shí)際裝液量為100.08×0.7=70.056m34.1.5冷卻面積和冷卻裝置結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算（1）冷卻面積計(jì)算：A=式中Q為發(fā)酵反應(yīng)熱，kg/h式中Q為發(fā)酵反應(yīng)熱，kg/hK為總傳熱系數(shù)，kg/(mh)Tm為冷卻水平均溫度差Qa為生物反應(yīng)熱，單位kJ；Qb為蒸發(fā)損失熱，單位kJ；QcQa為生物反應(yīng)熱，單位kJ；Qb為蒸發(fā)損失熱，單位kJ；Qc為罐壁向外界環(huán)境散熱，單位kJ。式中式中m為每罐糖液質(zhì)量，單位是kg；s為糖度降低百分?jǐn)?shù)，取1%；q為每千克麥芽糖放出的熱量，取418.6kJ其中式中m為每罐糖液質(zhì)量，單位是kg；s為糖度降低百分?jǐn)?shù)，取1%；q為每千克麥芽糖放出的熱量，取418.6kJ因此，Qa=379200/6×418.6×1%=264555.2kJ/hQb=5%Qa=13227.76kJ/hQc=10%Qa=26455.52kJ/h所以，Q=Qa-(Qb-Qc)=277782.96kJ/h（2）冷卻水耗用量W=QC式中：T2（3）對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算ΔT其中30℃為主發(fā)酵控制發(fā)酵溫度。（4）總傳質(zhì)系數(shù)K確定先取流速為1.5m/s,20℃下密度為998.2kg/m3，再算管徑，選取管類型為水煤氣輸送管，則管的直徑為：D=q則選用YB234-63型號(hào)規(guī)格為Φ60×3.5。則管的橫截面積為：0.785×(0.06-0.0035×2)=0.0416m2設(shè)罐內(nèi)裝蛇管，則水管內(nèi)流速為ω=122312設(shè)蛇管圈直徑2m，并由水溫差得A=6.45，R為蛇管圈半徑，R=1.5mα1值按生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取2700kJ/(m2?h?℃)α2=4.181×6.45×(0.818×998.2)0.8/0.0530.7×(1+1.77×0.053/1.5)=48505.03kJ/(m2?h?℃)因此，總傳質(zhì)系數(shù)為：K=11α1+1α2+0.0035188+式中：0.0035為鋼管壁厚，m；188為鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m2?h?℃)；1/16750為管壁污垢層熱阻，kJ/(m2?h?℃)：（5）冷卻面積A=Q/K/ΔTm=18.1m2蛇管總長(zhǎng)度：L=A/(3.14Dcp)=18.1/3.14/0.0565=102.03m式中Dcp為蛇管的平均直徑，Dcp=(60+60-7)/2=56.5mm=0.0565m；一圈蛇管長(zhǎng)度：L1=(2πR)2+?2式中h為蛇管每相鄰圈的中心距，取0.2m；蛇管總?cè)?shù)：Np=L/L1=11圈蛇管總高度：H=(Np-1)h=2m4.1.6發(fā)酵設(shè)備材料選擇選用成本降低，經(jīng)濟(jì)性較好的A3鋼4.1.7發(fā)酵罐其他尺寸（1）發(fā)酵罐壁厚S=PDC=因此C=2.7mmS=1.35cm（2）封頭壁厚計(jì)算S'=PD式中C=0.07+0.2+0.1=0.37cm因此S’=1.45cm（3）進(jìn)出口管徑①稀糖液進(jìn)口管徑根據(jù)上面物料衡算計(jì)算可知，每小時(shí)進(jìn)入醪塔的流量為17955kg，醪液密度為1200kg/m3，則V=14.96m3/h。稀釋糖液體積流量為14.96m3/h，設(shè)流速為0.2m3/s，則進(jìn)料截面積為：F物=Q/u=14.96/3600/0.2=0.021m2則管徑為：d=F物故選用Φ194×6mm無縫鋼管②稀釋糖出口管徑出口物料量比進(jìn)口物料量大，因此直接選用Φ219×6mm無縫鋼管③排氣口管徑選用Φ219×6mm無縫鋼管（4）支座選擇選用裙式支架，并用鋼筋混凝土制作。4.2種子罐計(jì)算與選型4.2.1種子罐的容積和數(shù)量確定取接種量為10%，則V4.2.2種子罐個(gè)數(shù)確定4.2.3主要尺寸確定設(shè)徑高比H/D=2V求得D=1.77m，則H=3.54m校核種子罐容積：V全=V筒+2V封=8.71+1.45=10.16m3核算出的實(shí)際種子罐容積比發(fā)酵所需的種子罐容積大，故滿足設(shè)計(jì)需求。4.2.4設(shè)備結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)種子罐采用六彎葉渦輪攪拌器，工人尺寸標(biāo)準(zhǔn)[14]如下：n式中：n2為放縮的攪拌器的轉(zhuǎn)速，r/minn1為模型攪拌器的轉(zhuǎn)速，n=110r/mind1為模型攪拌器的直徑，d=1.05md2為放縮的攪拌器的直徑，d=0.59m代入公式得n2=161.54r/min=2.69r/s4.2.5攪拌軸功率（1）P0=Npn3d5ρ式中：Np為湍流，為常數(shù)48n為攪拌器轉(zhuǎn)速，n=2.69r/sd為攪拌直徑，d=0.59mρ為醪液密度，1070kg/m3。代入得P0=Npn3d5ρ=9.88kw兩檔攪拌：P=2P0=19.76kw（2）通風(fēng)時(shí)軸功率PgPg=2.25×10-3×(P2nd3/Q0.08)0.39式中Q為工況下的通氣量Pg=Pg=2.25×10-3×(19.762×2.69×5.93/90000000.08)0.39=0.164kw對(duì)于10m3發(fā)酵罐，選取型號(hào)Y180M-2，功率為22kw的電機(jī)。4.2.6設(shè)備材料選用選用碳鋼材料。4.2.7壁厚計(jì)算（1）壁厚：S=PD式中D為種子罐內(nèi)徑，D=1.77m；Φ為焊縫系數(shù)，其范圍在0.15-1之間，取0.8；因此S=0.62cm取S=7mm（2）封頭厚度：S'=PD取S'=7mm4.2.8進(jìn)風(fēng)管V=0.785×0.11=0.086m3/min通風(fēng)管直徑:d1=Q×(1/P)×273+t273+t0查表，選用Φ88×4mm無縫鋼管（2）輸料管直徑8m3用半小時(shí)送完，則算得物料體積流量為：V物料流量速取0.5m/s管道截面積：F=則管徑為：d2=F/0.785=0.075m=75mm查表，選用Φ88×4mm無縫鋼管。4.3設(shè)備相關(guān)參數(shù)一覽表表5主要設(shè)備相關(guān)參數(shù)一覽表名稱發(fā)酵罐種子罐全容積/m310050數(shù)量/個(gè)62直徑/m4.361.77圓柱體高度/m6.543.54上、下風(fēng)頭高度/m0.4360.177冷卻面積/m218.1—冷卻水用量/kg?h-113291