2万吨／年燃料丁醇发酵工段工艺设计- 倒数第二版

II2万吨/年燃料丁醇发酵工段工艺设计李金睿（辽宁石油化工大学，化学化工与环境学部，生物工程1001班）摘要由于能源危机和化石燃料燃烧带来的环境污染，寻找出环境友好的可再生能源是十分必要的。正丁醇不仅是一种重要的化工有机溶剂，还是一种极具潜力的新型生物燃料。因此，有效利用玉米秸秆为原料替代玉米等粮食原料发酵生产正丁醇既可以降低原料成本，又顺应国家新能源政策，对实现可再生资源的能源化具有重要的意义。通过翻阅诸多文献，本设计首先确定了燃料丁醇发酵工段的设计方案。整个设计分为清洗工段，粉碎工段，液糖化工段，发酵工段等四个工段。其中发酵工段中主要进行物料衡算，热量衡算以及设备的选型和设计。对于设备的选型，本次设计选择了发酵罐和种子罐，在给定了相关工艺参数（纤维素37.3%，半纤维素20.6%，丁醇得率26%）的基础上。通过物料衡算，计算出生产2万吨正丁醇所需玉米秸秆量为2.17×108kg，以及原辅材料消耗量。通过热量衡算确定发酵时冷却的热量为6.004×106kJ/h。从发酵液的体积和每天生产丁醇的数量来确定发酵罐实际个数，由此得出需要体积为300m3发酵罐84个。由此得到附属设备的相关工艺参数，从而对这些设备进行了选型。最后绘制了相关的工艺流程图。关键词：玉米秸秆；正丁醇；发酵；设计Processdesignoffermentationsectionasrawmaterialtoproducen-butanolwithanannualoutputof40,000tonsLiJinrui(Class1001,FacultyofChemicalEngineeringandtheEnvironment,SchoolofEnvironmentalandBiologicalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun,113001,Liaoning)AbstractBecauseofenvironmentpollutionduetotheuseoffossilfuelsaswellastheirshortfall,itisverynecessarytofindalternativeenergysourcethatareenvironmentallyfriendlyandrenewable.N-butanolisnotonlyanimportantchemicalorganicsolvent,butalsoapotentialbiofuel.Therefore,theeffectiveuseofcornstrawasrawmaterialstoreplacefoodstuffstoproducingn-butanolcannotonlyreducematerialscost,butalsomeetnewenergypolicyofChina.Anditisimportanttoreusetherenewableresources.Afterreadingalotofdata,firstly,thedesignschemeoffeerfentationsectionhasbeenestablished.Forcontemporarybiologicalbutanoldistillationprocess,No.2ofbutanolcolumnhasespeciallybeenchosentooptimizedesigntorefinecrudebutanol.Thefloatvalvetowerhasbeenselectedasthetowerequipment.Basedontherelatedprocessparameters(includingthematerialliquidhandlingcapacity,feedtemperature75℃,withrequirementsforcontentofn-butanolinsupertowerproductnotlessthan99.5%,contentoftheresidualliquidn-butanolinthebottomtowerlessthan0.5%),thematerialbalancehasbeendoneandthephaseequilibriumequationandoperatinglineequationhavebeenestablished.Thenusingmethodofstep-by-stepcalculationtocalculatethetheoreticalplatenumber,theresultsaretheactualnumberofplate,thetotalnumberofthemanhole5,towerdiameter,towerheightrespectively.Accordingtotherelevantprocessparameters,modelofthecondenser,thereboiler,centrifugalpumpandotherancillaryequipmenthasbeenselected.Finally,therelevantprocessflowdiagramsanddiagramsofdistillationequipmenthavebeendrawn.Keywords:Cornstraw;N-butanol;Distillation;Design目录15469摘要 I26234Abstract II8331文献综述 4231901.1正丁醇概述 441701.1.1正丁醇的性质及用途 4117811.1.2正丁醇的工业生产方法 46451.1.3正丁醇供状况 6320961.2以玉米秸秆为原料发展正丁醇的原因及意义 7244301.3丁醇的国内外研究进展 9200561.4正丁醇的发展前景 11234371.5正丁醇的发酵 1267902工艺设计 1331992.1工艺流程的选择 13168542.2课题设计的参数 13307832.2.1课题设计的参数 1365812.3设计的指导思想 14129712.3.1课题设计的指导思想 14274812.3.2课题设计遵循原则 14210072.4玉米秸秆的干燥和清选 14228782.4.1工段的原料 1420612.4.2干燥基本原理 1423942.4.3生产流程 1530312.4.4清选工段目的 1596972.4.5清选工段原理 1554272.4.6主要异常现象及事故处理 15269062.5粉碎工段 16146532.5.1粉碎工段方法 1643512.5.2预处理工序 17282012.6液糖化工段 18129392.6.1工段目的 18302652.6.2基本原理 19192972.6.3酶水解工序 19131232.7发酵工段 20117042.7.1基本原理 20121532.7.2产酸和产溶剂阶段 211382.8原料和辅料的供应条件 22197882.8.1原料 2377682.8.2工艺技术指标及基础数据 23244892.8.3辅助原料的规格 24117123工艺计算及设备选型 25267683.1发酵工段的物料衡算 26181083.2发酵工段的热量衡算 29121823.3设备设计与选型 29133874结论 495394参考文献 5124570谢辞 531文献综述1.1正丁醇概述1.1.1正丁醇的性质及用途正丁醇(n-butanol，1-butanol)是一种无色透明液体，有酒味，分子式C4H10O，分子量74.14，沸点117.7℃，熔点-90.2℃，相对密度0.8098g/cm3，与水的溶解度较低，混溶于乙醇、乙醚等多种有机溶剂，易燃、有毒[1]。正丁醇是一种极其重要的溶剂，同时也是国防工业和有机化学工业的原料。正丁醇可用作高级喷漆的溶剂和稀释剂；是制药工业、染料、金属清洁剂、油漆除去剂、多种树脂、胶类、油类、蜡类、油墨、脱水剂、复写纸混合剂等的溶剂；也是制造邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、乙酸丁酯、丙烯酸丁酯(BA)、乙二醇醚、丙酸丁酯、丁酸丁酯、二甲基苯胺、丁酸、丁醛等化学工业产品的原料[2]。近年来，随着石油资源的枯竭，原油价格的持续走高，丁醇作为一种极具潜力的新型生物燃料而得到广泛的关注。图1.1正丁醇分子结构Fig.1.1Themolecularstructureofbutanol1.1.2正丁醇的工业生产方法正丁醇的工业生产方法主要有两种，化学合成法和生物发酵法，合成法包括羰基合成法、乙醛缩合法和齐格勒法[3]。羰基合成法是先将丙烯、一氧化碳和氢进行羰基合成反应制得正丁醛，对正丁醛加氢获得正丁醇。乙醛缩合法是将两个分子的乙醛进行缩合并脱水获得巴豆醛，对巴豆醛加氢制得正丁醇。在齐格勒法中，丁醇是生产高级脂肪醇的副产物。微生物发酵法是利用丙酮丁醇梭菌先将淀粉或者糖分解，而后历经复杂的生物化学过程产生丙酮、丁醇和乙醇，同时产生乙酸、丁酸、CO2和H2等副产物。（一）丁醇发酵生产的起源发酵法生产丁醇和丙酮工业始于1913年。第一次世界大战爆发后，丙酮用于制造炸药和航空机翼涂料等用量激增。英国首先改造酒精厂为丙酮丁醇工厂，继而又在世界各地建立分厂，以玉米为原料大规模生产丁醇、丙酮。战后由于与丙酮同时制得约有2倍量的正丁醇未发现可利用价值，丙酮、丁醇工业曾衰退停顿，当发现正丁醇是制造醋酸丁酯作为硝酸纤维素之最佳溶剂后，此工业又获得新生。20世纪五六十年代，由于来自石油化工的竞争，丙酮、丁醇发酵工业走向衰退。但是70年代的石油危机，促使人们重新认识到丙酮、丁醇发酵工业的重要性[4]。我国从建国初期开始利用玉米粉进行丙酮丁醇发酵的工业化生产，同时也形成了稳定的发酵工艺[5]。但是由于石化工业的发展，化学合成丁醇更具有竞争力，丁醇发酵逐渐衰退[6]。一个重要原因是采用发酵法的生产成本过高。其中有以下几个因素：第一，底物费用高（如淀粉）；第二，产物浓度低，在常规发酵工艺中，存在严重的产物抑制作用；第三，产物回收费用高。随着石化资源的耗竭和温室效应等环境问题的日益突出，丁醇发酵这种以可再生资源为原料生产化工原料和能源物质将越来越受到广泛的重视。2006年6月杜邦公司宣布将与英国石油公司﹑英国糖业公司合作开发燃料丁醇项目，协议计划于2007年将新一代生物燃料丁醇推向市场，掀起了丁醇研究的新一轮高潮[7]。（二）发酵方法上的优势发酵法生产的生物丁醇可作为生物燃料替代汽油等石化能源，其优势体现在生产方法和产品性能两方面。（1）化工合成法以石油为原料，投资大，技术设备要求高；而微生物发酵法一般以淀粉质、纸浆废液、糖蜜和野生植物等为原料，其工艺设备与酒精生产相似，原料价廉，来源广泛，设备投资较小；（2）发酵法生产条件温和，一般常温操作，不需贵重金属催化剂；（3）选择性好、安全性高、副产物少，易于分离纯化；（4）降低了对有限石油资源的消耗和依赖。1.1.3正丁醇供需状况正丁醇既是一种重要的有机化工原料，同时也是继生物柴油、生物乙醇之后出现的一种极具发展潜力的生物燃料。与其他生物燃料相比，生物丁醇有许多显著的优势：丁醇可以和汽油以任意比混合，有较好的配伍性。在不改造汽车发动机的条件下，汽车几乎可以直接使用丁醇，而乙醇与汽油的掺混比为15%，甲醇为10%；丁醇的热值和辛烷值与汽油更接近，能量密度较高，是乙醇的1.3倍；丁醇的亲水性较弱，与汽油混合后蒸汽压较低、腐蚀性较小，可实现管道便捷输送；丁醇燃烧时不会有或等传统化石液体燃料所产生的环境污染废气[8]。2010年全球丁醇的生产能力为388.7万吨，产量为360.1万吨，主要集中在美国、欧洲、日本和中国。亚洲地区丁醇产能占全球产能的40%，美国和欧洲地区产能分别占27%、22%。美国的丁醇产能为110.3万吨，是最大的丁醇生产国。丁醇的主要生产商包括陶氏化学、伊士曼、塞拉尼斯、巴斯夫、三菱化学公司、日本协和油化学公司等，其中巴斯夫公司2010年的丁醇产能达到76万吨，是世界最大的丁醇生产商。2010年全球丁醇的需求量为358.3万吨，消费比较密集，主要集中在美国、西欧和日本，总消费量占世界总消费量的76.5%，分别为34.2%、31.0%和11.3%。但是这3个国家和地区的丁醇市场已基本成熟，需求增长较缓，而亚洲等其他地区由于丁醇缺口较大，需求增长很快，尤其是中国。我国是丁醇产业发展最快的国家，2010年我国正丁醇的生产能力约为69.5万吨。生产厂家中主要采用化学法合成的有中石油吉化公司12万吨，中石化扬子巴斯夫公司10万吨，东营利华益集团和天津碱厂都为8.5万吨；主要采用生物发酵法生产的有江苏金茂源化工有限公司6万吨，吉林松原吉安生化有限公司6万吨，江苏联海生物科技有限公司3.5万吨，吉林凯赛生物技术有限公司3万吨。近十年来我国丁醇产量由2001年17.43万吨增长到2010年的53.2万吨，年平均增长率为13.2%。而我国的丁醇表观消费量由39.64万吨增加为115.1万吨，进口量以12.5%的年平均增长率从2001年的22.28万吨增加到2010年的62.4万吨。表1.1显示，在这十年中我国丁醇的自给率基本上不足50%，这说明我国的丁醇的产量仍然不能满足国内实际需求，缺口较大，丁醇产业的发展前景广阔[9-11]。表1.1近十年来国内丁醇的供需情况Tab.1.1Recentdecadesupplyanddemandofbutanolinchina年份产量进口量出口量表观消费量自给率（万吨/年）（万吨/年）（万吨/年）（万吨/年）（%）200117.4322.280.0739.6444.0200217.424.30.0641.6441.8200320.229.60.149.740.6200421.029.40.250.241.8200535.024.00.258.859.5200640.523.60.164.063.3200745.029.00.173.960.9200843.724.50.265.366.9200950.048.70.198.650.7201053.262.40.5115.148.61.2以玉米秸秆为原料发展正丁醇的原因及意义（一）原因出于对能源危机和环保的考虑，生物燃料已成为许多国家研究发展的目标，而生物丁醇以其特有的优势体现了能源的多元化和巨大的发展潜力。作为生物燃料，丁醇与其同系物及其他燃料物化和燃烧特性相比，丁醇所具有的优越特性如下：①能量含量高，与乙醇相比可多走30%的路程；②丁醇的挥发性是乙醇的1/6倍，汽油的1/13.5，与汽油混合对水的宽容度大，对潮湿和低水蒸气压力有更好的适应能力；③丁醇可在现有燃料供应和分销系统中使用，而乙醇则需要通过铁路﹑船舶或货车运输；④与其他生物燃料相比，腐蚀性较小，比乙醇、汽油安全；⑤与现有的生物燃料相比，生物丁醇与汽油的混合比更高，无需对车辆进行改造，就可以使用几乎100%浓度的丁醇，而且混合燃料的经济性更高；⑥与乙醇相比，能提高车辆的燃油效率和行驶里程；⑦发酵法生产的生物燃料丁醇会减少温室气体的排放。与乙醇一样，燃烧时不产生或，这些对环境有利；⑧丁醇作燃料会降低国内对燃油进口的依赖性，体现燃料的多元性，有利于缓解国家之间因石油引发的关系紧张问题[12]。此外，正丁醇的生物制法，投入相对较低，获得产品成本也较低，是一种经济效益很好的工艺。同时，发酵法采用粮食或非粮作物发酵，原料具有可再生性，催化剂采用生物菌种，无毒害，得到的正丁醇纯度为99.5%，副产物为醋酸﹑丁酸等，天然度达到97%，可以作为医药﹑香料添加剂。据国家发改委组织编制的《可再生能源中长期发展规划》，确定了未来15年可再生能源发展的目标：到2020年可再生能源在能源结构中的比例争取达到16%。车辆作为能源的主要消耗品，实现车辆可再生能源，对调整我国的能源结构意义重大，就目前的燃料乙醇生产远不能达到可再生能源的目标，必须实现生物能源的多样化。燃料丁醇成为实现车用可再生能源和解决车辆排放问题的有力方向[13]。（二）意义近年来，随着世界人口急剧膨胀，能源需求日益紧张，石油资源的短缺使国际原油价格持续上升，2008年甚至突破了100美元/桶，能源问题成为全球亟待解决的世界性问题之一。丁醇作为一种极具潜力的新型生物燃料而被重视。传统的丙酮、丁醇发酵主要是以玉米、甘薯等粮食类淀粉质原料为底物，不仅使原料成本几乎占发酵总成本的60%~70%，而且粮食类原料的使用，危及国家的粮食安全，造成粮食资源短缺，粮价上涨。采用一些质优而价廉易得的非粮原料（如玉米秸秆、糖蜜、木质纤维素水解液、酒糟、木薯等）来替代粮食原料进行丙酮、丁醇的发酵，不仅可以降低原料成本，维护国内粮食安全和粮食价格，还顺应了国家的新能源政策，对实现可再生资源的能源化具有重要的意义。其主要体现在以下几方面：（1）推动农产品转化，带动农民增收，实现农业可持续发展，推广正丁醇的生产，可以有效解决富余农产品转化问题，稳定和提高农产品价格和农民收入，形成一个长期、稳定、有效、繁荣的农产品消费市场，实现农业增产—消费—增收—刺激再生产的可持续发展。（2）符合农业发展低碳经济的要求，近年来，正丁醇的生物制法取得了重大突破，正丁醇以其热值高﹑着火温度接近汽油等良好的物理化学性能引起了科研人员的关注。（3）符合农业发展循环经济的要求，物质的循环流动和利用在燃料丁醇的整个生产过程中也处处得到体现。本文以玉米秸秆为原料，正丁醇为研究对象，对正丁醇的提纯工段进行最大的优化设计，取每种预处理方法的最佳工艺条件做大样预处理，使丁醇的产量达到最大，从而为玉米秸秆的资源化利用提供了一个新的方向。1.3丁醇的国内外研究进展随着石油资源的短缺，石油价格的不断上扬，经济和社会的发展需要进行资源、能源、环境革命。在经济发展和社会发展的双重驱动下，世界许多国家开始重新关注微生物发酵法生产丁醇的研究，其中以美国取得的专利和成果最多。（1）中国国内的科研院所以及一些发酵企业也都开始着手丁醇的研究开发，开始这方面研究的科研院所有中国科学院上海植物生理生态研究所、上海工业微生物研究所、清华大学核能与新能源技术研究院等，其中中国科学院上海植物生理生态研究所“七五”期间承担过高丁醇比丙酮丁醇菌的选育，并成功选育出了7B2B1丙酮丁醇菌种。相关的企业有河南天冠集团的子公司上海天之冠可再生能源有限公司、华北制药公司、河北冀州溶剂厂等，其中上海天之冠可再生能源有限公司和中国科学院上海植物生理生态研究所关于发酵法生产丙酮丁醇的项目已经申请了国家“973”﹑国家“863”计划以及中国科学院计划，项目的重点是构造高产、高底物选择性的丙酮丁醇菌种和开发新的发酵工艺，包括纤维质原料发酵生产丙酮丁醇、溶剂抽提耦联发酵技术以及研究先进的发酵过程装备等[14]。（2）美国2006年6月，美国杜邦(Dupont)公司和英国BP公司联合宣布建立合作伙伴关系，共同开发、生产并向市场推出新一代生物燃料——生物丁醇，以满足全球日益增长的燃料需求，该生物丁醇厂已于2009年投入运营[15,16]。美国EnerGeneticsInternationalInc.(EGI)用DNA遗传改良菌株，通过代谢工程调控和专利技术开发的连续固定化反应器，采用膜技术回收产物，发酵仅需6h，菌种能耐受4%～5%的丁醇，发酵液中丁醇占总溶剂的90%（传统发酵法丁醇一般占60%），丁醇产量达4.5～5.0g/()，产率为40%～50%，比传统丁醇工艺产量提高400%～500%，生产成本不到01264美元/L，车间成本500万～1000万美元，而传统的丁醇发酵法生产成本为2.5美元，传统发酵车间至少需要投资1亿美元。美国ButylFuel公司采用BFL公司专利生产的BioButanolTM，1L玉米可产丁醇0127L，且无乙醇或丙酮产生，而目前报道的研究中1L玉米最多能产丁醇0.14～0.20L，且仍沿用ABE发酵过程。据初步成本估算，用石油生产丁醇的成本为1.350美元/L，而用玉米产生物丁醇的价格为0.317美元/L（不包括所产氢气），可以和玉米产乙醇的0.338美元/L的价格相竞争。当用饲料等废弃物代替玉米时，丁醇成本可降至01225美元/L[17]。（3）英国2006年，英国政府计划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇，将其与传统汽油混合后，用作车辆驱动燃料，并计划加速丁醇和其他生物燃料的生产，使生物燃料销售份额到2010年占所有燃料的5%，到2015年占10%。目前，第一个丁醇燃料工厂正由英国联合食品有限公司(ABNA)建造，设计生产能力为7000万L/a，到2010年，丁醇燃料可在1250个英国石油公司(BritishPetroleum，简称BP)、加油站销售[18]。2007年2月，英国Oxfordshire-basedBiotechnology公司接受英国贸易部和工业引导技术部投资25万英镑，其他股东和商业人士投资31万英镑，计划开发新一代低成本生物燃料——丁醇。（4）韩国为应对高油价，韩国产业资源部2007年表示，计划大力研发生化（Bio-butanol，直接替代汽油的生物燃料）、生物合成石油等下一代新能源技术和天然气固化储存和运输技术。第一阶段从2007年至2010年3年内，计划投入200亿韩元开发上述技术，其中政府投资113亿韩元，由韩国化学研究院、GS精油、SK建设、三星综合技术院(SAIT)和汉城大学(HansungUniversity)等29个企业和研究机构共同参与。一阶段研发结束时，将开发出生产能力3万L/a生化丁醇、35桶生物合成柴油和20t固化天然气的成套设备。1.4正丁醇的发展前景目前，新型生物燃料占全球运输燃料市场的份额不足2%。根据当前的预测，生物燃料在未来运输燃料结构中将占有重要比重，在主要市场中可望达到20%～30%，由于正丁醇生产与乙醇生产采用相似的工艺，现有的乙醇生产设施经过改造便可转而生产正丁醇，因此正丁醇的市场潜力巨大，其前景十分广阔。国家能源供应多元化是国家能源策略的一个重要方面，在世界未来的能源结构中，可再生生物能源将是能源利用的主体之一。丁醇作为一种新型生物燃料，随着丙酮丁醇发酵工业上游和下游工程技术的完善，必将以其特有的优势在生物燃料市场中发挥重要作用。针对世界各国大力开发新型生物燃料的现状，我国只有认清形势，鼓励发展性能良好、环保安全的诸如生物丁醇、生物柴油等类的生物燃料，方能有效应对能源危机，减少环境污染，提高国家能源安全，实现能源多元化发展，满足国内外市场对生物燃料的需求。鉴于国外正丁醇技术知识产权和专利的限制，我国需要因地制宜，广泛利用价廉、丰富的木质纤维素资源，改良丁醇发酵菌种，采取有效的回收技术，革新生物反应器，在掌握丁醇发酵代谢机理的基础上，运用代谢调控理论和发酵工程技术，切实提高丁醇产量和产率，降低生物燃料丁醇的成本，力争早日实现其规模化生产。1.5正丁醇的发酵本设计以玉米秸秆为原料进行正丁醇的生产发酵，玉米秸秆是由纤维素、半纤维素、木质素、浸提物及灰分等组成，经过预处理及水解后，纤维素和半纤维素可分解成糖，最后经发酵可转化为丁醇、丙酮、乙醇和水的原料混合物，其反应式如下：[19]由上面的方程式可以计算出丁醇、丙酮和乙醇的得率分别为丁醇：60C4H9OH/95C6H12O6=26%；丙酮：30CH3COCH3/95C6H12O6=10.5%；乙醇：10C2H5OH/95C6H12O6=2.7%。所以，总溶剂得率（ABEyield）为：26%+10.5%+2.7%=39.2%。

2工艺设计2.1工艺流程的选择玉米秸秆玉米秸秆电磁除铁粉碎机调浆罐蒸煮湿料浆真空吸滤滤液滤渣酶水解纤维素酶发酵工序菌种提纯精馏结晶离心干燥成品图2.1玉米秸秆生产丁醇工艺流程图Figure2.1Thediagramofbutanolproductionprocesswithcornstalks2.2课题设计的参数2.2.1课题设计的参数(1)生产规模：2万吨/年正丁醇(2)生产的天数：320天⁄年(3)生产原料：玉米秸秆(4)原材料工艺参数表2.1正丁醇质量标准（GB/T6027-1998）Table2.1Thestandardofbutanolquality项目优级品一级品合格品试验方法外观透明液体、无可见杂质色度（铂-钴）≤51015GB3143密度（20℃）g/cm30.809-0.8110.809-0.8110.808-0.81GB4472正丁醇含量%≥99.509998GB/T6027酸度(以乙酸计)%≤0.0030.0050.01GB/T6027硫酸显色试验（铂-钴）≤2040GB/T6027水分%≤0.100.100.2GB6283蒸发残渣%≤0.0030.0050.01GB6324.22.3设计的指导思想2.3.1课题设计的指导思想(1)根据设计任务书的要求而完成的(2)根据实习工厂的成熟经验(3)根据毕业设计的设计规范(4)根据市场需求来可以转换生产模式。2.3.2课题设计遵循原则(1)节能环保(2)保证产品的质量(3)工艺合理可行(4)在一段时间内技术处于领先地位2.4玉米秸秆的干燥和清选2.4.1工段的原料本设计是利用玉米秸秆为原料发酵生产正丁醇，原料为玉米秸秆。2.4.2干燥基本原理由于玉米秸秆的营养价值不高，利用圆筒筛、除尘器等设备筛分原料、去除杂质。再利用通过列管换热器加热的干空气，在顺逆流粮食干燥器中逆流干燥，以获得符合生产要求的玉米秸秆。2.4.3生产流程从厂外采购的原料玉米秸秆，因不符合储存标准，因此不易储存，玉米秸秆进厂后，需要先进行质检（分别从水分，杂质，霉变三个指标进行质检）；水分多易霉变，而霉变会造成发酵产量减少甚至失败；杂质不处理会损害到设备，影响工序的正常生产。因此本工段的任务就是对原料玉米秸秆进行除杂，干燥，达到储存要求，便于储存。2.4.4清选工段目的为了满足工厂生产和贮存的需要，玉米秸秆原料的筛选和储存很重要，必须对原料玉米秸秆进行烘干和干躁，保证连续稳定供应原料。2.4.5清选工段原理利用高温快速连续流动的顺逆流烘干机，对玉米秸秆进行干燥处理。然后通过RFL－10链式窑炉燃烧烟煤产生的高温烟气，经过沉降室的净化，进入列管式换热器的管内，以三个回程的热交换，把列管加热，废烟气由引风机引出，再经过烟囱排向高空。通过加热的列管把热量传给管外的空气，洁净的热空气再被风机以不同的温度、不同部位送入高温快速连续流动的顺逆流烘干机进行烘干，从而达到高水分粮干燥降水的目的。2.4.6主要异常现象及事故处理玉米秸秆作为农业生产的一种下脚料，季节性非常强，在玉米收获季节要及时收集储藏，否则需用时就较难找到。注意原料不能雨淋、发霉。原料玉米秸秆发生霉变时：高温灭菌，加抗生素。磁力去铁器需经常清理，防止物料输送堵塞。由于石头和铁不一定能完全除净，便很容易把筛网层打坏，需要工人进行及时检修更换，避免造成不必要的损失。2.5粉碎工段2.5.1粉碎工段方法物理方法预处理法包括机械粉碎法和液态热水法，高能辐射等方法。机械粉碎法主要是利用削片和粉碎等机械手段将物料处理成细小颗粒，削片的颗粒大小为10~30mm，粉碎的颗粒大小为0.2~2mm，从而提高物料的比表面积，减少纤维素的结晶区，使催化剂、酶、蒸汽轻易而快速地传输到纤维内部，使得酶在水解过程中将碳水化合物转化为低聚糖。由于机械粉碎法没有对酶可及性造成阻碍的木素及半纤维素从纤维中分离，所以水解速度及糖化率不高。相对于其他预处理技术相比，机械粉碎法能耗大，成本高。化学方法主要是指以酸、碱、有机溶剂作为物料的预处理剂，破坏纤维素的结晶结构，打破木素与纤维素的连接，同时，使半纤维素溶解。稀硫酸法预处理木质纤维原料，使半纤维素水解，同时破坏纤维素的结晶结构，使原料结构疏松，从而提高了纤维素的可发酵性[25]。干粮干粮皮带运输器斗提机储仓湿粮地坑皮带运输器斗提机圆筒清筛机斗提机皮带运输器暂储仓斗提机皮带运输器干粮粉碎工段地坑顺逆流塔式干燥塔风机列管式换热器沉降室欧式窖炉空气图2.2粉碎工段生产工艺流程图Figure2.2Theflowchartofsmashcraft2.5.2预处理工序(1)目的①切断纤维素、半纤维素、木质素之间的氢键，破坏纤维素的晶体结构，去除半纤维素和木质素，以提高纤维素的转化率。②增加了原料的流动性，有利于连续性生产。(2)工艺流程纤维素预处理通常的方法有三种物理法、化学法、复合法。本工序采用玉米秸秆为原料，利用物理法进行预处理。经过该工序后半纤维素、木质素随滤液分离，最终得到脱木质素的纤维素进入酶水解工序。(3)预处理工序的工艺参数表2.2预处理工艺参数Table2.2TheProcessparametersofpretreatment名称工艺参数玉米秸秆进料组成纤维素37.4%半纤维素21.1%木质素17.69%灰分10.24%被水解的纤维素含量95%饱和蒸汽温度250℃饱和蒸汽压力5.5MPa原料加热温度190℃加热时间5—30min蒸煮的密度0.95kg/m3调浆罐加水比1：3玉米秸秆的比热1.62ⅹ103J/kg.k(4)主要设备本次工序的主要设备有粉碎机、调浆罐、蒸煮罐、旋风分离器、洗尘塔、真空吸滤机、木质素萃取器、真空过滤机、离心机、压滤机等。(5)预处理方法的选择表2.3不同预处理方法的对照表Table2.3Thetableofdifferentpretreatmentcontrolmethods预处理试剂纤维素半纤维素木质素其他对照30.3527.9519.8021.9010%氨水38.0531.0019.3011.653%NaOH69.258.6512.559.552.6液糖化工段目前，为简化生产工艺，便于工业化生产，世界范围内普遍采用添加液化酶和糖化酶，即所谓双酶法的生产工艺。本次设计采用低温双酶法液化、糖化，这样的做法可以降低醪液黏度。蒸煮：在高温高压条件下对粉碎后的淀粉质原料玉米秸秆进行蒸煮，使植物组织和细胞彻底破裂，其中的淀粉由颗粒状变成溶解状态的糊溶；糖化：在淀粉糊中加入一定量的糖化剂，将淀粉转变成可发酵性糖(葡萄糖)。2.6.1工段目的液化的目的是为了将分子量逐渐变小，黏度降低使之流动性增强，给糖化酶作用提供了有利的条件。并且利用液化方法对秸秆原料进行处理，省去了传统的水解过程，降低了生产成本。2.6.2基本原理丙酮丁醇梭菌是无法直接利用木质纤维素为底物进行丁醇发酵，它需将木质纤维素水解产生葡萄糖、木糖等单糖再用于丁醇发酵。木质纤维素的组成成分复杂、稳定。秸秆的微小构成单位周围被半纤维素和木质素层的鞘所包围，阻碍了纤维素酶对纤维素的作用。借助化学、物理方法的预处理将纤维素、半纤维素和木质素分开，并使纤维素内部的氢键打开，结晶态的纤维素转化为无定形纤维素,降低聚合度；半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。以不同的预处理法处理直径为1mm的玉米秸秆后，测定其纤维素、半纤维素与木质素。经预处理后秸秆中的纤维素均有所增加，木质素含量均有所下降。尤其是经过NaOH处理后纤维素的含量比对照提高了38.90%，木质素含量下降7.25%。同时强碱对半纤维素有溶解作用，使得半纤维素的含量减少19.30%，造成一定的损失。氨水处理后纤维素含量与对照相比提高了7.70%，木质素的含量则没有多大变化。强碱能破坏和溶解木质素、半纤维素与纤维素的紧密结构，提高纤维素的含量，有利于下一步纤维素的酶解[26]。2.6.3酶水解工序(1)目的通过酶水解工序，使预处理得到的滤渣中的纤维素被纤维素酶水解，打断纤维素分子产生内部的β-1,4-糖苷键，得到可被酵母利用发酵的还原性葡萄糖。(2)工艺参数表2.4酶水解过程工艺参数的控制Table2.4Theprocessparametersofenzymatichydrolysisprocesscontrol名称 参数原料浆的干物质含量8%水解温度50℃水解pH4.0糖化时间24h干物质初始含量8%酶添加量12U/gcellulose水解为葡萄糖的纤维素含量95%酶水解液的糖含量8%(3)工艺流程纤维素酶水解工艺：酵母不能直接利用纤维素，所以发酵前还要经过酶水解过程，原料浆利用重力溢流进入水解罐，液位控制在50%左右，向水解罐里加入纤维素酶并使之充分混合来催化纤维素的糖化过程。其比活力为40000U/g。纤维素酶的添加比例为12U/g纤维素，在50℃的温度下，维持水解时间在24h左右，并保持流动状态，使纤维素酶与原料充分接触，以便于酶的作用，生成可发酵性的糖，糖化过程中聚糖的转化率为0.95，得到的水解液利用真空过滤器，得到的滤液进入发酵工段，而滤渣则用来生产纤维素酶或送往锅炉间。纤维素酶的生产，除去木质素的纤维素用作碳源(往往采用酶水解剩余下来的纤维素)，玉米浆用作氮源，再加营养盐，配制成合适的培养基，在30℃，pH为4.8的条件下通风培养，二氧化碳和氮气排入大气。压滤得到的滤饼回入发酵罐作种子，滤液(纤维酶)送往酶水解车间。(4)生产设备本工序采用的设备包括，水解罐、纤维素酶发酵罐、真空过滤器等。2.7发酵工段2.7.1基本原理丙酮丁醇菌可以利用很多种原料进行发酵，除了葡萄糖、果糖、乳糖等单糖或二糖，还能利用淀粉、糖蜜等多糖物质发酵生产丁醇。早期的丙酮丁醇发酵通常以玉米和糖蜜为原料，原料成本占生产总成本的60～70%。上个世纪60年代，由于石油工业迅速发展和化学合成成本优势，发酵法生产丁醇逐渐失去了竞争力。近年来，随着石油价格的不断升高和环境问题的日益严峻，人们又将关注热点转向发酵法生产丁醇，可再生资源的利用也重新受到重视。采用廉价的可再生物质作为发酵原料，以降低生产成本，是提高丁醇发酵法竞争力的关键。以植物秸秆、农业残余物、农副产品下脚料等纤维质原料为底物发酵生产丁醇成为研究热点之一。植物秸秆是地球上储量最丰富的可再生资源，主要成分有纤维素、半纤维素和木质素。其中，纤维素和半纤维素属于可发酵糖，可以被丙酮丁醇梭菌利用。但丙酮丁醇梭菌是无法直接利用木质素为底物进行发酵，需将木质素预先水解产生葡萄糖等单糖后再用作发酵底物[27]。丙酮丁醇发酵，从生理学角度来看，有产酸期和产溶剂期两个明显不同的生理阶段。发酵起始阶段，pH为6.0-7.0，随着合成代谢和分解代谢进行，丁酸和乙酸大量产生。当丁酸和乙酸的形成积累到使pH小于5.0(甚至降到4.0左右)，产生气体CO2和H2。于是发酵液酸度急剧上升，称为产酸期。当丙酮丁醇梭菌生长处于稳定期时，发酵液的还原倾向增强，乙酸、丁酸等被还原成丙酮、丁醇等新的产物，从而使pH升高，进入产溶剂期。2.7.2产酸和产溶剂阶段(1)产酸阶段丙酮酸在丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶催化下脱梭，经乙基结合到酶的硫胺素焦磷酸(TPP)上，生成丁酰-CoA，脱下的氢使铁氧还蛋白还原(FdHZ)，还原型的铁氧还蛋白在氢酶作用下，放出氢而本身被氧化。乙酸和丁酸都由丁酰-CoA转化而来。在乙酸的形成过程中，丁酰-CoA在磷酸酰基转移酶(PTA)和乙酸激酶(AK)的催化下生成乙酸。而丁酸的形成则相对较为复杂，丁酰-CoA在硫激酶、3-羟基丁酰-CoA脱氢酶、巴豆酶和丁酰-CoA脱氢酶4种酶的催化下生成丁酰-CoA，然后经磷酸丁酰转移酶(PTB)催化丁酰-CoA生成丁酰磷酸盐，最后丁酰磷酸盐经丁酸激酶去磷酸化，生成丁酸。五碳糖也可以被丙酮丁醇梭菌利用，通过磷酸戊糖途径(HMP)，转化为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，进入EMP途径。(2)产溶剂阶段丁醇，丙酮等溶剂的产生是碳代谢由产酸途径向产溶剂途径的转变，对于这种发酵类型的转换机理，至今还未能研究透彻。早期的研究认为，这种转变和pH值的降低以及酸的积累是密不可分的。在产酸期产生大量的有机酸，不利于细胞生长，所以在产溶剂期，有机酸的利用被认为是一种减毒作用。在产溶剂过程中，乙酰乙酰-CoA：乙酸/丁酸：CoA转移酶是溶剂形成途径中的关键酶之一，它具有广泛的羧酸特异性，能催化乙酸或者丁酸的CoA转移反应。在乙酸的转化过程中，乙酸首先转变为乙酰-CoA，接着2分子的乙酰-CoA在乙酰乙酰-CoA的催化下，合成乙酰乙酰-CoA，最后乙酰乙酰-CoA在乙酰乙酰脱羧酶的作用下水解为乙酰乙酸。丁醇的合成则是丁酸在乙酰乙酰-CoA转化成丁酰-CoA，接着在丁酰-CoA作用下转化成丁醛，最后在丁醇脱氢酶的催化下生成丁醇[25]。由于丁醇发酵经历二个阶段：产酸和产醇阶段。在产酸阶段，细胞处于指数生长期，产生大量的乙酸和丁酸，导致pH下降。当pH<5，丁酸浓度大于2g/L，激发梭菌从产酸过程转入产醇过程。通过投加丁酸和葡萄糖为碳源，在适当的条件下，可发酵丁酸产生丁醇。这样不仅减少了其它副产物的产生如乙醇、丙酮等，又提高了底物的利用率，也为丁醇回收的后续处理提供方便。2.8原料和辅料的供应条件选择发酵工厂厂址的时候应该考虑原料、燃料以及包装材料的配套供应。考虑到有利于配套、生产、综合利用和降低成本。一般将工厂建立在原料产地或者周边地区、水源方便、燃料供应比较方便的地方。2.8.1原料玉米秸秆的化学组成及含量：纤维素37.3%，半纤维素20.6%，木质素17.5%，灰分6.1%，酯酸盐2.0%，可溶出物13.0%，其他3.5%。表2.5不同纤维质原料组成表Table2.5Thetableofdifferentfibrousrawmaterialcomposition纤维素(%)半纤维素(%)木质素(%)麦秆362829玉米秸秆372117云杉432629松树442629桦树403921柳树372321白杨512916报纸6116212.8.2工艺技术指标及基础数据菌种：丙酮丁醇梭菌，丁醇在丙酮丁醇梭菌的发酵产物中含量最多，对细胞的毒性也最大。作为溶剂的产生者，丙酮丁醇梭菌具备某些机制以抵御丁醇对细胞产生的毒性。丙酮丁醇梭菌是一种革兰染色阳性、细胞呈梭状、能产生丙酮和丁醇等。溶剂的厌氧芽孢杆菌。细胞大小(0.6～0.9)μm×(2.4～4.7)μm，常含细菌淀粉粒，以周生鞭毛运动；芽孢卵圆形，次端生；表面菌落圆形、突起，直径3～5mm，边缘不规则，色灰白，半透明，表面有光泽；严格厌氧；G+Cmol％值为28～29；能分解蛋白质和糖类；可利用生物素和对氨基苯甲酸作为生长因子。表2.6以玉米秸秆为原料发酵正丁醇工艺技术指标Table2.6Thetableofbutanolfermentationtechnologyindicatorswithcornstrawasrawmaterial指标名称单位指标数生产规模t/a20000生产方法发酵年生产天数d/a320产品日产量t/a62.5发酵周期h72发酵初糖g/L40玉米秸秆中纤维素含量%37.4纤维素转化率%95葡萄糖利用率%90丁醇得率%262.8.3辅助原料的规格(1)纤维素酶发酵培养基①斜面培养基：马铃薯200g，葡萄糖20g，琼脂15~20g，加水至l000ml，pH值自然，于115℃下灭菌20min。②液体种子培养基：马铃薯200g，葡萄糖20g，加水至1000ml，pH值自然，于115℃压力下灭菌20min。③固态发酵培养基：氨水预处理后的玉米秸秆，柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，每100ml缓冲溶液中添加2gNH4SO4，0.1gKH2PO4，0.05gMgSO4·7H2O。(2)丁醇发酵培养基①液体种子培养基：大豆蛋白胨5g/L，蛋白胨5g/L，酵母粉5g/L，葡萄糖10g/L，半肤氨酸盐：0.5g/L，FeSO4·7H2O0.2g/L，刃天青(0.01%)：lml/L，MgSO4·7H200.2g/L，pH：6.5一7.0。②发酵培养基：葡萄糖40g/L，FeSO4·7H2O0.0lg/L，MgSO4·7H200.2g/L，刃天青(0.01%)：lml/L，半肤氨酸盐：0.5g/L，琼脂15g/L，pH：6.5一7.0。(3)接种量为2%3工艺计算及设备选型3.1发酵工段的物料衡算(1)以玉米秸秆为原料生产正丁醇的总化学反应式：糖化：(C6H10O5)n+nH2O→nC6H12O6n×162n×180发酵：95C6H12O6→60C4H9OH+30CH3COCH3+10C2H5OH+220CO2↑+120H2↑+30H2O95×18060×74由上面的方程式可以计算出丁醇、丙酮和乙醇的得率分别为丁醇：60C4H9OH/95C6H12O6=26%；丙酮：30CH3COCH3/95C6H12O6=10.5%乙醇：10C2H5OH/95C6H12O6=2.7%所以，总溶剂得率为26%+10.5%+2.7%=39.2%(2)生产2万吨丁醇的葡萄糖消耗量：20000000×（95×180）÷(60×74)÷90%=8.56×107kg(3)生产2万吨丁醇的纤维素消耗量：8.56×107×162÷180÷95%=8.1×107kg(4)生产2万吨正丁醇所需玉米秸秆量：玉米秸秆中纤维素含量为37.4%8.1×107÷37.4%=2.17×108kg(5)工厂年开工天数：320天(6)日产产品正丁醇量：20000/320=62.5t(7)物料衡算：首先计算生产1000kg纯度为100%的丁醇需耗用的原辅材料及其他辅助物料量。①发酵液量V1V1=1000÷(40×90%×26%)=106.8m340——葡萄糖浓度(kg/m3)90%——葡萄糖利用率26%——丁醇得率②发酵液配制需葡萄糖量G1G1=V1×40=4272kg③种子培养液V2V2=2%V1=2.136m3④种子培养液所需水解糖量G2G2=10V2=21.36kg式中10——种子液葡萄糖量(kg/m3)⑤生产1000kg丁醇需葡萄糖糖总量G为G=G1+G2=4272+21.36=4293.36kg⑥耗用纤维素量G纤维素=4293.36×162÷180÷95%=4067.4kg95%——纤维素转化率⑦生产1000kg丁醇的理论玉米秸秆消耗量为G玉米秸秆=4067.4÷37.4%=10875.4kg⑧琼脂耗用量发酵培养基消耗琼脂量G3=15V1=1602kg⑨大豆蛋白胨耗用量种子液消耗大豆蛋白胨量G4=5×V2=10.68kg⑩蛋白胨耗用量种子液消耗蛋白胨量G5=5×V2=10.68kg⑪酵母粉耗用量种子液消耗酵母粉量G6=5×V2=10.68kg⑫MgSO4·7H2O耗用量发酵培养基消耗MgSO4·7H2O量G7=0.2×V1=21.36kg种子液消耗MgSO4·7H2O量G8=0.2×V2=0.4272kg合计MgSO4·7H2O耗用量21.7872kg⑬FeSO4·7H2O耗用量发酵培养基耗FeSO4·7H2O量G9=0.01×V1=1.068kg种子液消耗FeSO4·7H2O量G10=0.2×V2=0.4272kg合计FeSO4·7H2O耗用量1.4952kg⑭半肤氨酸盐耗用量发酵培养基消耗半肤氨酸盐量G11=0.5×V1=53.4kg种子液消耗半肤氨酸盐量G12=0.5×V2=1.068kg合计半肤氨酸盐耗用量54.468kg表3.120000t/a正丁醇发酵工段的物料衡算Table3.1Thetableof20000tonsbutanolfermentationmaterialbalanceperyear物料名称生产1t丁醇物料量20000t/a丁醇物料量每日物料量发酵液(m3)106.82.1×1066662.5种子液(m3)2.14.2×104131.3发酵水解用糖(kg)42728.5×1072.6×105种子培养用糖(kg)21.44.3×1051343.8水解糖总量(kg)4293.48.6×1072.7×105玉米秸秆(kg)10875.42.2×1086.8×105琼脂(kg)16023.2×107100000大豆蛋白胨(kg)10.72.1×105656.3蛋白胨(kg)10.72.1×105656.3酵母粉(kg)10.72.1×105656.3MgSO4·7H2O(kg)21.84.4×1051375FeSO4·7H2O(kg)1.53×10493.8半肤氨酸盐(kg)54.51.1×1063437.53.2发酵工段的热量衡算Q+Q1-Q2=Q冷其中：Q1—发酵热Q2—搅拌热Q3—辐射损失热，取5%Q11kg葡萄糖发酵产热为418.6kJQ1=40×20025÷72×418.6=4.657×106kJ/hQ2=378.6×3600=1.58×106kJ/hQ3=5%Q=2.33×105kJ/hQ冷=Q1+Q2-Q3=4.657×106+1.58×106-2.33×105=6.004×106kJ/h3.3设备设计与选型发酵罐(1)发酵罐的选型1000kg的丁醇发酵液体积V1为106.8m3则20000吨丁醇发酵液体积为V=20000×106.8=2136000m3发酵周期为72h，开工天数为320天。一个发酵周期所需的发酵液体积为2136000÷（320×24÷72）=20025m3①生产能力的计算：现每天生产的丁醇62.5t，发酵周期为72h。(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)。每天产的丁醇62.5t，每吨丁醇需发酵液体积为106.8m3。则每天需要发酵液体积为V糖。②发酵罐个数的确定：公称体积为300m3的发酵罐，总体积为348m3设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0。发酵罐个数为取公称体积为300m3发酵罐84个。③实际产量验算：(2)主要尺寸的计算：取高径比H：D=2：1则有：H=2D；解方程得：取D=5.7mH=2D=11.4m；封头高：封头容积：m3圆柱部分容积：m3验算全容积：V全：V全=V’全符合设计要求，可行。则取发酵罐的体积为300m3(3)冷却面积的计算对丁醇发酵，Q冷=6.004×106kJ/h，经验值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)37℃37℃20℃27℃1710对公称容量300m3的发酵罐，每天装28罐，每罐实际装液量为：6675/28=238.4m3换热面积：(4)搅拌器计算该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系搅拌器叶径取d=1.9（m）叶宽：弧长：底距：盘踞：叶弦长：叶距：弯叶板厚度：δ=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V为基准放大求得：(5)搅拌轴功率的计算淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体①计算Rem：式中D——搅拌器直径，D=1.9mN——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2将数代入上式：

视为湍流，则搅拌功率准数：Np=4.7②计算不通气时的搅拌轴功率P0：Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N——搅拌转速，N=74r/min=1.23r/sD——搅拌器直径，D=1.9mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：两挡搅拌：③计算通风时的轴功率Pg式中P0——不通风时搅拌轴功率（kW），N——轴转速，N=74r/minD——搅拌器直径（cm），D3=1.93×106=6.86×106Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；Q=238.4×0.11×106=2.6×107（ml/min）代入上式：④求电机功率P电：采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：(6)设备结构的工艺计算①空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径φ133×4mm。②挡板：本罐因为有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。③密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。④冷却管布置：采用竖式蛇管。(a)最高负荷下的耗水量WQ总——每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积cp——冷却水的比热容，4.18kJ/（kg·K）t2——冷却水终温，t2=27℃t1——冷却水初温，t1=20℃将各值代入上式冷却水体积流量为5.7×10-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S总为：式中W——冷却水体积流量，W=5.7×10-2m3/sV——冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径：(b)冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则：取n=8，求管径。由上式得：查金属材料表选取φ108×4mm无缝管，，，，认为可满足要求，。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，两端弯管总长度为：(c)冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积现取无缝钢管φ108×4mm，每米长冷却面积为则:冷却管占有体积：(d)每组管长L0和管组高度：另需连接管8m：可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5m3，则：总占有体积为则筒体部分液深为：竖式蛇管总高：又两端弯管总长，两端弯管总高为600mm，则直管部分高度：则一圈管长：(e)每组管子圈数n0：现取管间距为：，竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。校核布置后冷却管的实际传热面积：而前有S=220.98m2，，可满足要求。(7)设备材料的选择选用A3钢制作，以降低设备费用。(8)发酵罐壁厚的计算①计算法确定发酵罐的壁厚S（cm）式中P——设计压力，应取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPaD——发酵罐内经，D=570cm〔σ〕——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPaφ——焊接缝隙，φ=0.7C——壁厚附加量（cm）式中C1——钢板负偏差，现取C1=0.8mmC2——为腐蚀余量，现取C2=2mmC3——加工减薄量，现取C3=0选用16mm厚A3钢板制作。②封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下：（cm）式中P=0.4MPaD=570cm〔σ〕=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）φ=0.7(9)接管设计①接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm。②接管直径的确定：按照排料管计算：该罐实装醪量238.4m3，设6h之内排空，则物料体积流量发酵醪流速取v=1m/s；则排料管截面积为F物管径：取无缝管φ133×4mm，125mm〉118mm，认为合适。按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20~25m/s。现通风比0.1~0.18vvm，为常温下20℃，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30℃状态。风量Q1取大值，。利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为则气管直径d气为：因通风管也是排料管，故取两者的大值。取φ133×4mm无缝管，可满足工艺要求。排料时间复核：物料流量Q=0.0108m3/s，流速v=1m/s；管道截面积：在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为排料时间：(10)支座选择选用裙式支座种子罐(1)种子罐容积和数量的确定①种子罐容积的确定：接种量为2%计算，则种子罐容积V种为式中V总——发酵罐总容积（m3）②种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上28罐，需二级种子罐30个。种子罐培养8h，辅助操作时间8~10h，生产周期16~18h。因此，二级种子罐30个已足够，其中一个备用。③主要尺寸的确定：种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H：D=2：1，则种子罐总容积量V'总为：简化方程如下：整理后解方程得D=1.56m则H=2D=2×1.56=3.12m封头高H'封罐体总高H'罐：单个封头容量：V'封=0.602（m3）封头表面积：S封=3.374m2圆筒容量：不计上封头容积：校核种子罐总容积V'总：比需要的种子罐容积6.96m3大，可满足设计要求。④冷却面积的计算采用夹套冷却(a)发酵产生的总热量：(b)夹套传热系数：现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）(c)平均温差：发酵温度37℃；水初温20~23℃，取20℃；水终温27℃，则平均温差：(d)需冷却面积F：(e)核算夹套冷却面积：按静止液深来确定夹套高度：静止液体浸没筒体高度：液深：夹套可能实现的冷却面积：为封头表面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和：夹套高度应不高于动态时的液面高度。因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。综上，传热需要的面积F=10.04(m2)该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=13.86m2，S夹〉F，可满足工艺要求。⑤设备材料的选择采用A3钢制作⑥壁厚计算(a)夹套内罐壁厚：式中D——设备的公称直径，156cmm——外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3P——设计压力，与水压有关，P=0.4MPaE——金属材料的弹性模量，对A3钢E=2×105MPaC——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18L——筒体长度，L=110cm将数值代入公式：取10mm(b)封头的厚度δ封：碳钢椭圆封头最大需用内部压力i对于上封头，取δ封=6mmii对于下封头，取δ封=8mm(c)冷却外套壁厚：碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，确定δ套=5mm(d)外套封头壁厚：椭圆形封头（JBH54—73），确定δ套封=6mm⑦设备结构的工艺设计(a)挡板：根据全挡板条件，式中B——挡板宽度B＝（0.1-0.12）D=0.1×1560=156mmD——罐径，D＝1560mmZ——挡板数：取Z＝6块(b)搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器直径：Di＝0.3~0.35D现取：叶片宽度：弧长：盘径：叶弦长：搅拌器间距：底距：搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大，50L罐N1＝470r/min，搅拌器直径Di=112mm(c)搅拌轴功率的计算淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。i计算Rem式中D——搅拌器直径，D=0.546mN——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7ii计算不通气时的搅拌轴功率P0：式中Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N——搅拌转速，N=163r/min=2.72r/sD——搅拌器直径，D=0.546mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：两挡搅拌iii计算通风时的轴功率Pg式中P0——不通风时搅拌轴功率（kW），N——轴转速，N=163r/minD——搅拌器直径（cm），D3=0.5463×106=1.63×105Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则Q=4.69×0.11×106=5.16×105（ml/m