《年产万吨燃料乙醇的发酵车间设计》9900字（论文）

年产万吨燃料乙醇的发酵车间设计目录TOC\o"1-2"\h\u5293第1章绪论 339521.1概述 385431.2燃料乙醇发展现状及发展趋势 4109691.3生物质发酵产燃料乙醇 4160741.4乙醇制备的主要工艺 510388第2章设计概论 521852.1设计依据 536362.2可行性依据 5308522.3车间总体设计 6173602.4工艺流程选择 73750第3章工艺计算 914433.1全厂物料衡算 9166773.2发酵车间物料衡算 16308181.2%×1.389=0.017kg 16296443.3全厂热量衡算 17171143.4蒸汽衡算 1731353.5水平衡 193290第4章设备计算与选型 21285954.1发酵设备计算与选型 21213424.2种子罐计算与选型 2554214.3设备相关参数一览表 2853784.4发酵设备三视图 2825259第5章车间布置设计 2812416第6章经济、社会环境效应浅析 293869参考文献 31燃料乙醇是一种清洁可再生能源，在整个生产和使用中可以实现二氧化碳的自身平衡，不断增加温室气体的排放，不仅可直接用作燃料，而且还可作为新的替代能源被广泛应用与电力、医疗、化工等领域[1]。随着石油等非可再生能源的消耗，燃料乙醇作为理想的替代能源，它的生产有着重大意义，发酵法在大规模工业化生产燃料乙醇中也就显得十分重要。本设计对年产万吨燃料乙醇的发酵车间进行工艺设计，共分为七章，首先对酒精的概述，然后进行燃料乙醇发酵生产的物料衡算、能量衡算，以及对蒸汽以及循环水的消耗预算，再对发酵设备的选型与计算。以木薯为发酵原料，采用双酶糖化将木薯中的糖转化为可发酵糖，再通过间歇发酵使可发酵性糖转化为含酒精混合物，在进入蒸馏塔精制得到产品。发酵罐体积选用100m3，而种子罐选用10m3的通用式发酵罐。最后是对整个发酵车间的布局设计，并绘制燃料乙醇发酵生产工艺流程图以及主要设备的三视图等。关键词：燃料乙醇；工艺流程；设备；设计第1章绪论1.1概述以生物质为载体的能量被称为生物质能，也可以说是蕴藏在生物质中的能量，也是绿色植物以叶绿素为载体将太阳能转化为化学能的能量贮藏在其内部的能量形式[2]。随着石油消耗量的迅速增加，世界石油资源逐渐枯竭，因此，世界各国都在研究石油的替代品，这就有燃料乙醇的出现。燃料乙醇是高辛烷值燃料，清洁燃烧不产生废气，是可再生资源[3]。乙醇生产方法可分为发酵法和化学合成法两类。发酵法时利用微生物的发酵作用将糖分或淀粉转化为乙醇的方法。1.2燃料乙醇发展现状及发展趋势美国在2006年首次成为全球最大的燃料乙醇生产国，年产量达一千四百六十万吨，而在此之前，巴西一直是是全球最大生产国，目前美国主要以玉米为原料生产乙醇[4]。作为前全球最大乙醇生产国现今为仅次美国的世界第二大燃料乙醇生产国的巴西，早在20世纪70年代就已经开始开发研究燃料乙醇．主要生产原料为甘蔗。而在欧洲众多国家中，法国和德国是产燃料乙醇最多的国家，他们工业发酵多以谷物、薯类等作为原料[5]。目前我国也在大力发展燃料乙醇行业，其生产原料以玉米为主。为了使燃料乙醇产业得到进一步发展，以薯类、甘蔗等作为原料的发酵生产逐渐替代以玉米等粮食淀粉为原料发酵产燃料乙醇的想法正得以迅速研发实施。不仅如此，在国家提出的《十五计划纲要》中，为满足能源的可持续发展，大力推广燃料乙醇使用[6]。从2002年06月30起，我国在河南、黑龙江、吉林、安徽部分地区的“汽油醇”试点开展并一举获得成功；2005年2月，国家出台的《能源法案》中，用立法来支持和鼓励燃料乙醇发展[7]。目前，我国的酒精工业迅速发展，各项指标已达到国际先进水平，各个酒精工厂企业仍在寻求进一步发展。国家也在大力引进先进的技术和设备，增加对科研工作的支持和鼓励，开展工艺技术研究改进。1.3生物质发酵产燃料乙醇燃料乙醇生产的生物质原料主要包括糖质原料甘蔗等、淀粉质原料、纤维素累原料三类。糖质原料有甘蔗等，可直接经微生物发酵转化为乙醇，若使用淀粉和纤维素原料如薯类、秸秆等则需要水解转化为可发酵糖，才能发酵生产酒精。糖质原料和淀粉质原料这两类的利用较广，且发展历史久远，技术较为成熟，现阶段主要以玉米和小麦为发酵原料。纤维素原料来源丰富，但由于纤维素类物质结构复杂，水解较困难，用于发酵生产所需成本大，现阶段用于工业大规模生产还不适合，还有待发展。木薯是多年生植物，适应能力强，能适应土地贫瘠、干旱、酸性等各种地形地势种植，在我国有广阔种植面积，而且依赖强气候资源利用等独特的特性，为燃料乙醇的生产提供可靠的基础支撑[8]。木薯含淀粉量高，是作为一种发酵产燃料乙醇的优良淀粉质原料，且经济性好。以木薯为原料生产乙醇,采用蒸煮后糖化再发酵的工艺方法。其流程为:木薯干→粉碎→蒸煮糊化、糖化→酵母发酵→塔蒸馏→粗产品酒精→成品燃料乙醇。为了降低能耗,研究者们相继提出了低温蒸煮、生料发酵等工艺方法发酵生产[9]。当前,对于木薯燃料乙醇的发酵生产工艺主要研究发展方向是新工艺的生产提高原料和能量的利用率，优良菌株的筛选以提高酒精的产率。工业生产中一般使用酵母菌为出发菌株，菌株的差异直接关系着酒精的质量和产量,因此筛选合适的生产菌株尤为重要。1.4乙醇制备的主要工艺目前乙醇发酵采用的技术手段主要有同步糖化发酵法、生料发酵法等。同步糖化发酵法不同于一般的传统乙醇生产工艺，是采用糖化发酵在同一容器中进行的方法，糖化和发酵在一个反应器中同时进行而不是先进行糖化。同步糖化发酵法的发酵过程较平缓，其优点在于省去了糖化工序，减少水解产物对糖化酶的反馈抑制，降低了高浓度糖对酵母的抑制作用，从而缩短发酵的周期、提高乙醇的产量[10]。但同步糖化发酵液存在着问题，如糖化和发酵的温度不相同，因而耐热菌株的筛选育种尤为重要。生料发酵一般是指原料直接进行糖化发酵，不经过蒸煮过程，生料发酵比传统发酵方法少了高温蒸煮工艺，具有降低能耗、提高乙醇产率、简化操作工序的优点[11]。生料发酵法对菌株的要求也很高，若不能将生淀粉水解，那么发酵也就不能进行。除上述两种方法，多结合采用固定化细胞发酵法，这可使发酵液中的细胞浓度保持稳定，产生乙醇的速度就会加快，产量也会增大。 第2章设计概论2.1设计依据依据武汉轻工大学生物工程专业所学知识，并结合工厂实习、毕业实习等实习经验进行毕业设计。2.2可行性依据（1）厂址选择：燃料乙醇厂址考虑良好的环境优势，交通便利，空气清洁、无污染，燃料乙醇发酵冷却水耗量较多，因此水源应充足。湖北省位居长江中游，水源丰富，供水充足，地理位置优越，交通适逢便利，满足建厂条件。（2）木薯本身具有适应性强的优势，在秦岭淮河以南地区都可种植，作为产燃料乙醇的原料十分有优势。（3）石油等非可再生能源的缺乏，国家大力发展清洁能源，燃料乙醇作为石油的优良替代品，具有巨大的市场价值和经济效益。2.3车间总体设计2.3.1车间平面布置图设计具体内容（1）厂房的总体布置和轮廓设计，包括楼层高度、面积等，划分确定生产和办公辅助设施区域及位置大小，以及确定门、窗等位置；（2）设计确定车间设备的大致外形轮廓、水平及垂直定位尺寸，确定设备距墙面和地面的尺寸，以及设备与设备间的距离，根据设备选型设计确定设备高度直径等大小，并在图纸上一一标注出来；（3）划分车间内的工艺辅助区域如接种室、控制室等和生活区域如办公室等，在图纸上面确定设计并标注大小面积；（4）车间布置设计的图纸包括俯视平面布置图、正立面图以及侧立面图，若有车间为多层车间，则应将各个图层的平面布置图绘出，而正立面图和侧立面图也应体现出来。2.3.3车间布置图设计原则（1）满足生产工艺的要求。根据选定的工艺流程顺序流向依次进行设备布置，保证工艺的流畅性；（2）满足生产操作。车间布置应考虑工作人员在车间内进行生产操作的问题，设备间的间距应保证工作人员有足够空间操作，距离墙面的距离也应足够，以便进行操作管理。不仅仅是间距，管道布置空间也应考虑进去。车间布置不宜设计过宽敞，应尽量排列整齐、紧凑；（3）设备应能正常出入车间，因此门的设计大小应比发酵罐的直径大；（4）车间内较高设备尽量集中放置，可节约厂房体积，简化工厂体型；（5）管道布置应集中布置，尽量减少设备间不必要管道设计，合理安排管道使减少热损失，节约管道能耗和布置成本；（6）考虑到卫生和安全问题，车间布置应考虑采光问题，燃料乙醇发酵生产应保持车间内清洁，因此，可采用防尘、除尘设备的安装。乙醇为易燃品，车间内应充分考虑防火灭火措施、安全疏散通道等。2.4工艺流程选择2.4.1原料选择木薯是淀粉质原料，其生产燃料酒精的基本原理是：糖化：C6H10O16218180发酵：C6H12O18046×244×22.4.2流程图整个燃料酒精发酵生产采用的基本工艺流程如下图所示：图1燃料乙醇发酵生产流程图木薯干经粉碎成粉后以1∶3的粉浆比与水混合，并加入α-淀粉酶进行液化，经醪液泵泵入蒸煮罐（直接蒸汽加热）进行高温连续蒸煮1小时左右，在后熟器和汽液分离减压蒸发、冷却降温，后进入糖化阶段。加入糖化酶，糖化温度控制在63℃，时间在30min左右，成熟糖化醪经冷却至30℃左右，随后进入发酵罐进行发酵70h完成发酵。发酵醪再进入粗馏塔，采用直接蒸汽加热，经粗馏后的乙醇蒸汽进入精馏塔得到燃料乙醇，分子筛脱水的粗产品接近无水乙醇的纯度，再经一定配比即可得到95%燃料乙醇。2.4.3全厂工艺指标及基础数据选择（1）生产规模：年产万吨95%燃料乙醇；（2）生产方法：双酶糖化、间歇发酵和蒸馏；（3）生产天数：300d/a；（4）燃料乙醇日产量：33.4吨；（5）燃料乙醇年产量：10020吨；（6）产品质量：普通三级酒精（乙醇含量95%，体积分数）；（7）杂醇油量：为成品酒精的0.5%；（8）主原料：使用木薯干（含淀粉70%，水分12%）作为发酵原料；（9）酶用量：使用α-淀粉酶作为初步水解酶，用量为8μg/g原料，再使用糖化酶，其用量为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）硫酸铵用量：7kg/t酒精；（11）硫酸用量：5kg/t酒精，硫酸使用目的在于调节pH2.4.4发酵工艺指标及基础数据发酵菌株选用酵母菌，酵母菌充分利用葡萄糖及其他可发酵糖，最大限度得将可发酵糖转化为酒精。采用间歇发酵方式进行发酵生产。（1）工艺指标见表1所示表1酒精发酵工艺指标名称单位数值生产规模t/a10000年生产天数d/a300产品日产量t/a33.4产品质量%95倒罐率%1发酵周期h70发酵初糖kg/m3150淀粉转化率%98糖酸转化率%50酒精提取率%98（2）种子培养基（g/L）：水解糖25，木薯粉16～20%，硫酸铵40%，尿素0.5%，硫酸0.1～0.2%；（3）发酵培养基（g/L）：水解糖150，木薯粉16～20%，尿素0.3%，α-淀粉酶0.1%；2.4.5蒸馏工序燃料乙醇蒸馏采用半直接式三塔蒸馏，95%乙醇气相分子筛脱水，考虑脱水损失，取1%，分子筛脱水后冷凝，从过热温度120℃（约为0.3MPa）降至30℃。精馏塔、醪塔和醛塔的加热方式为直接蒸汽加热，而分子筛是乙醇蒸汽通过再沸器加热在适当压力下进入分子筛脱水。其蒸馏工序流程为：成熟醪→预热器→粗馏塔→排醛塔→精馏塔→分子筛→燃料乙醇↑↑↑蒸汽蒸汽蒸汽第3章工艺计算3.1全厂物料衡算3.1.1物料衡算主要内容选用木薯干作为燃料乙醇发酵生产的原料，总物料衡算主要包括三个部分：（1）原料木薯干消耗的计算，辅助原料有硫酸、硫酸铵、糖化酶等，在相关参数计算中涉及；（2）中间产品产生量计算，主要是糖化醪、发酵蒸煮醪、发酵醪量等的计算；（3）成品燃料乙醇量、副产品以及废气废水（主要是CO2）等的计算；3.1.2原料消耗计算（1）生产1t燃料乙醇的淀粉消耗量（理论值）由式（2-1）和式（2-2）可求得理论上生产1t燃料乙醇（体积分数为95%的乙醇换算为质量分数算是92.41%）所耗的淀粉量为：1000×92.41%×（2）生产1t燃料乙醇淀粉消耗量（实际值）：各个阶段淀粉的损失率以表2所示计算。设安装酒精捕集器,因此淀粉损失率为8.5%，则生产1吨燃料乙醇需耗用淀粉量为：1627.22/(100%−8.5%)=1778.38kg则淀粉出酒率为1000/1778.8=56.23%（3）生产1t燃料乙醇所用原料木薯干的消耗量：根据基础数据表求得1吨乙醇耗用木薯干的量为：1778.38/0.7=2540.54kg若用液体曲糖化工艺，设生产1t酒精需要的糖化剂所含的淀粉量为m1，则木薯干需用量减为：（1778.38−m（4）α-淀粉酶消耗量：α-淀粉酶选用酶活力为2000μg/g，其用量按8μg/g原料计算。则耗用酶量为：糖化酶耗量：若所用糖化酶的活力为5糖化酶耗量：若所用糖化酶的活力为50000μg/g，使用量为150μg/g原料，则糖化酶消耗量为（5）2540.54×此外，酒母糖化酶用量按300μg/g原料计，且酒母用量为10%，则用酶量为：2540.54×10%×70%×300式中式中70%为酒母的糖化，其于为稀释水和糖化剂。两项合计则糖化酶总用量为8.687kg（6）硫酸铵耗用量硫酸铵用于酒母培养基的补充氮源，其用量为酒母量的0.1%，设酒母醪量为mo，则硫酸铵耗用量为。0.1%3.1.3蒸煮醪量计算本设计使用淀粉原料连续蒸煮的淀粉加水比为1∶3粉浆量为：2540.54×(1+3)=10162.16kg在蒸煮过程中，蒸煮醪液会发生变化，所以蒸煮醪计算须与热量衡算同时进行。该计算按下述方法计算。在蒸煮过程中，蒸煮醪液会发生变化，所以蒸煮醪计算须与热量衡算同时进行。该计算按下述方法计算。。木薯干（干物质含量wo=87%）比热容为：c粉浆干物质浓度为：w则蒸煮醪比热容为：=0.2175×1.63+(1−0.2175)×4.181=3.66kJ/(kg・K)式中cw为水的比热容[kJ/(kg・K)]，取4.18kJ/(kg・K)为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程中维持不变。（1）经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：10162.16+（2）经过液化维持管料液温度降为115℃，量为：11524.207−经气液分离器后的蒸煮醪量为经气液分离器后的蒸煮醪量为（3）11143.55−假设发酵结束后成熟醪量含酒精体积分数为10%，相当于成熟醪的质量分数假设发酵结束后成熟醪量含酒精体积分数为10%，相当于成熟醪的质量分数8.01%，蒸煮效率为98%，则生产1000kg95%燃料乙醇成品的计算如下：（1）成熟发酵醪量为：式中5%为假定发酵罐酒精补集器回收酒精洗水用水占成熟醪量的比例式中5%为假定发酵罐酒精补集器回收酒精洗水用水占成熟醪量的比例1%为假定洗罐用水占成熟醪量的比例（2）不计入酒精捕集器和洗罐的耗水量，成熟发酵醪量为：12828.35/106%=12102.22kg（3）入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：1000/98%/12828.35=7.95%（质量分数）（4）则发酵过程放出CO2量为：950/98%×44/46=927.24kg（5）酒母醪量（按10%接种量计）为：12102.22+927.24（6）酒母醪中70%是糖化醪，其余部分是糖化剂和稀释水，则糖化醪量为：12102.22+927.24废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分及其他挥发组分后的残留液。醪塔使用直接蒸汽加热，应加上塔的冷凝水。醪塔的物料和热量平衡如图2所示3.1.5发酵醪量计算废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分及其他挥发组分后的残留液。醪塔使用直接蒸汽加热，应加上塔的冷凝水。醪塔的物料和热量平衡如图2所示设进塔的醪液（F设进塔的醪液（F1）的温度t1=70℃，排除废醪的温度t4=105℃：成熟醪固形物含量为B1=7.5%，塔顶上升酒器的乙醇浓度50%（体积分数）即47.18%（质量分数）。则：（1）醪塔顶部上升的蒸汽量为：m（2）计算残留液量为：m（3）计算成熟醪的比热容为：c=3.96kJ/(kg・K)（4）则成熟醪带入塔的热量为：Q=12828.35×3.96×70=3.833×106kJ（5）则成熟醪残留液中固形物的含量为：w=12828.35×7.5%/10666.73=9.02%该计算是为间接加热方式，因此没有冷凝水的工艺。（6）蒸馏残留液的比热容：c（7）塔底残留液带出热量为：Q=10666.73×4.037×105查体积分数为50%酒精蒸汽焓为H=1965kJ/kg查体积分数为50%酒精蒸汽焓为H=1965kJ/kg，故有：（8）上升蒸汽带出的热量为：Q3=mv×H塔底采用表压为0.05MP塔底采用表压为0.05MPa蒸汽加热，焓为I=2689.8kJ/kg；蒸馏过程热损失Qn可取为传递总热量的1%。根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为：=4.25×106kJm若采用直接蒸汽加热的方式，则塔底排除的废醪量为：m3.1.6年产万吨燃料乙醇发酵车间总物料衡算（1）酒精成品计算日产乙醇量为：10000/300=33.33t，元整为34t/d则实际年燃料乙醇总产量为34×300=10200t/a（2）生产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则一一算出成品及工艺所需其他辅助原料日耗和年耗量，衡算结果见表3。表3总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硫酸铵1.181.710.04112.3硫酸5.007.090.1751.0蒸煮粉浆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蒸馏发酵醪12828.3518173.5436.164130849.2CO2废醪927.2412882.231313.7518249.8431.53437.99694591313993.2发酵车间物料衡算计算1000kg燃料乙醇耗用的原材料（1）发酵液量V1=1000/(150×50%×98%×98%)=13.89m3（2）配置发酵液所需水解糖的量，以纯糖消耗计算：G（3）二级种子液的量V（4）二级种子培养液所需水解糖的量G式中：25为二级种子液含糖量式中：25为二级种子液含糖量（5）计算生产1t燃料乙醇所需水解糖的总量：G=（6）计算耗用淀粉原料量G淀粉=2118.23/(98%×78%)=2771.1kg式中：78%为淀粉原料含纯淀粉量（7）计算尿素耗用量二级种子液耗用量：0.5%V2=0.00695kg发酵培养基耗用量：0.3%V1=0.042kg故总尿素耗用量为0.04895kg（8）计算二级种子液耗用硫酸铵的量0.5%×1.389=0.007kg（9）计算种子液消耗α-淀粉酶的量0.1%×13.89=0.014kg（10）种子液耗硫酸量1.2%×1.389=0.017kg对燃料乙醇发酵车间物料衡算进行汇总，如表4所示表4发酵车间物料衡算表发酵液/m313.891389046.3二级种子液/m31.38913894.63发酵水解糖/kg2083.520835006945二级种子液培养用糖/kg34.7334730115.77水解糖总量/kg2118.2321182307060.77淀粉/kg2771.127711009237尿素/kg0.0048954.8950.0164硫酸铵/kg0.00770.024α-淀粉酶/kg0.014140.047硫酸/kg0.017170.0573.3全厂热量衡算燃料乙醇发酵生产的热量消耗分两个工段，发酵工段和蒸硫酸铵馏工段。其中蒸馏段在物料衡算中已经得出消耗的蒸汽量为2215.5kg，则需算出发酵段的蒸汽消耗量。以葡糖糖为碳源，酒母发酵生成以葡糖糖为碳源，酒母发酵生成1kg酒精放出的热量约为1170kJ,则发酵和培养酒母每小时放出的热量为Q3.4蒸汽衡算3.4.1醪塔蒸汽消耗的计算假定粗酒精液相进入精馏塔，塔顶温度设为105℃，塔底温度设为130℃，通蒸汽的温度130℃，乙醇出塔顶的浓度为95%（体积分数），换算成质量分数为92.86%。(不分离醛酒和杂油醇)出塔酒精量P=1417*99.18/92.86=1513.44kg/h精馏塔中，塔顶酒精蒸汽经粗馏塔底再沸器冷凝后，除回流外，还将少量酒精送回再次洗涤。据经验值，此等酒精量为塔顶酒精的2%。Pe=P*2%=30.27kg/h根据物料平衡：F+D2=P+Pe+D2+Wx’则Wx’=2161.62-1513.44-30.27=617.91kg/h热量平衡：FcFtF+DI+RPetpcp=(R+1)(P+Pg)i+(D+Wx’)twcw+Qn式中R为精馏塔回流比，一般为2-3，现取R=3P为P=1513.44kg/hPe为Pe=30.27kg/hi为塔顶上升酒气的焓，为1166kJ/kgI为精馏塔加热蒸汽热焓，0.05表压，I=2751.37kJ/kgF为发酵蒸馏醪流量，为18174kg/hcF为发酵蒸馏醪的比热容，取3.96kJ/(kgK)cp为出塔酒精比热，取2.81kJ/(kgK)cw为取4.05kJ/(kgK)tF2，tF1为发酵蒸馏醪加热前后的温度，分别取50℃和34℃t’H，tH为冷却水在冷凝器重的进出口温度，分别取70℃和25℃Qn为精馏塔热损失，取2%DItw为塔底温度tp为出塔酒精饱和温度，tp=78℃tF为进料温度，取tF=90℃求得蒸馏段蒸汽量D2=3160.4kg/h因此蒸馏段共耗用蒸汽D=D1+D2=5375.9kg/h则年耗蒸汽量为：5375.9*24*300=3876480kg=3876.5t3.4.2发酵罐灭菌蒸汽量消耗(1)采用直接蒸汽灭菌，蒸汽采用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，选用全容积100m3发酵罐。蒸汽进罐加热罐内冷空气升温的蒸汽消耗量：D1’=（V全-8）×r空×c空(t1-t2)t4.18)/((I-t1)t4.18式中：8为发酵罐内管架、冷凝器所占空间；r空为10℃时干空气的密度，r空=1.21kg/m3c空为10℃时干空气的密度，c空=0.241kJ/(kgK)tw为加热温度，127℃I为0.4MPa(表压)下蒸汽焓，2737.23kJ/kg因此求得D1’=1.2kg填充发酵罐内空间容积所需蒸汽量：D2’=（V全-8）×8式中：r为0.4MPa下加热蒸汽密度，2.163kg/m3则D2’=199kg因此共需要饱和蒸汽D’=200.2kg(2)发酵罐洗涤耗用蒸汽量发酵罐表面积计算：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冷却管外表面积：A2=3.14*L*2R’=686.18m2式中：L为冷却管总长度，L=108.72mR’为冷却管外半径，R’=1.005m设附着在物件表面的水膜平均厚度为0.001m设冷却管架、轴等内部部件的表面积为30m2则洗涤消耗蒸汽量为：D洗=(686.18+120+30)*0.001*1000*（127-10）*4.18/(2737.23-127)/4.18=37.5kg(3)发酵罐体及冷却管等从10℃加热到127℃的蒸汽量消耗设100m3发酵罐重量为1920kg则D罐=1920*0.11*(127-10)*4.18/4.18/(2737.23-127)=9.5kg因此总共需要蒸汽量，D总=9.5+37.5+200.2=247.2kg3.5水平衡3.5.1精馏塔分凝器用水根据热量衡算：(R+1)(P+P式中：计算得精馏塔分凝器冷却水用量为：W1=3+1（1506.65+30.133）×1166−18174×3.96×（50−34）3.5.2分子筛冷却用水及总用水分子筛脱水后从过热温度119℃降至30℃的冷却水用量W2W2=1417×853+2.69×因此，蒸馏车间总用水量为：W蒸馏=W1+W2=44210.6kg/h3.5.3酒母糖化醪稀释用水采用间歇发酵过程，从糖化锅内分出糖化醪到酒母培养罐需要加入水进行稀释采用间歇发酵过程，从糖化锅内分出糖化醪到酒母培养罐需要加入水进行稀释[11]。酒母糖化醪稀释用水（补充60℃温水与用作酒母的糖化醪应满足发酵接种量10%的需要）因此，补充水量为：W稀释=0.9×3599.17×0.1-0.07×3599.17=72kg/h式中90%为木薯粉加入发酵罐的量；10%为接种量；3.5.4酒母糖化醪杀菌用水W杀菌=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为冷却前后温度，分别取27和80℃；t’2，t’1为冷却水进出口温度，分别取35和20℃；3.5.5发酵过程冷却用水W发酵=Q/[cw×(t’f-tf)]=752000/4.18/(30-20)=17990.43kg/h式中Q为发酵生物反应热，kJ/(kg・K)；t’f，tf为冷却水进出口温度；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总用水量W总=W1+W2+W稀释+W杀菌+W发酵+W洗罐=158177.75kg/h第4章设备计算与选型4.1发酵设备计算与选型4.1.1发酵罐容积的确定现选用100m3厌氧发酵罐。4.1.2生产能力确定对于燃料酒精厂而言，每天生产95%燃料乙醇34t，以70小时为发酵周期（包括其他辅助操作时间）。每天产95%燃料乙醇34t，则1t乙醇需要糖液为：12674.11/1080=11.74Vc=11.74×34×0.95=379.2m3取发酵罐的装料系数φ=0.7，则每天需要发酵罐总容积V0为：V4.1.3发酵罐个数确定计算发酵罐容积时有几个名称需确定：装液高度系数，指圆筒部分高度系数，封底则余冷却罐、辅助设备体积相抵消计算发酵罐容积时有几个名称需确定：装液高度系数，指圆筒部分高度系数，封底则余冷却罐、辅助设备体积相抵消[12]。公称容积，是指罐的圆柱部分和底部封头容积之和,并圆整为整数，上封头因无法装液，一般不计入容积,罐的全容积，是指罐的圆柱部分和两封头容积之和[13]。现取用单罐全容积为100m3厌氧发酵罐，则需药发酵罐的个数为N0个N0=541.7/100=6个共需要发酵罐数：N1=V0τ/V总/24=541.7×70/100/24=15.8个故需要16个发酵罐。若每天有6个发酵罐出料，年生产天数为300天，验算实际产量：100×0.7×6×300/11.74=10732.5t设备富裕量为：（10732.5-10000）/10000=7.3%故能满足产量需求。4.1.4主要尺寸计算按100m3的发酵罐计算V封头折边忽略不计，则取H=1.5D，h1=h2=0.1D则V=0.785D2×(1.5D+2×0.1D/3)则算出D=4.36mH=6.54m圆柱部分容积：V1=0.785×4.362×6.54=97.59m3上下封头容积：V2=V3=3.14/24×4.362=2.49m3总容积：V全=V1+V2=100.08m3取装料系数为0.7，实际装液量为100.08×0.7=70.056m34.1.5冷却面积和冷却装置结构尺寸计算（1）冷却面积计算：A=式中Q为发酵反应热，kg/h式中Q为发酵反应热，kg/hK为总传热系数，kg/(mh)Tm为冷却水平均温度差Qa为生物反应热，单位kJ；Qb为蒸发损失热，单位kJ；QcQa为生物反应热，单位kJ；Qb为蒸发损失热，单位kJ；Qc为罐壁向外界环境散热，单位kJ。式中式中m为每罐糖液质量，单位是kg；s为糖度降低百分数，取1%；q为每千克麦芽糖放出的热量，取418.6kJ其中式中m为每罐糖液质量，单位是kg；s为糖度降低百分数，取1%；q为每千克麦芽糖放出的热量，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）冷却水耗用量W=QC式中：T2（3）对数平均温差计算ΔT其中30℃为主发酵控制发酵温度。（4）总传质系数K确定先取流速为1.5m/s,20℃下密度为998.2kg/m3，再算管径，选取管类型为水煤气输送管，则管的直径为：D=q则选用YB234-63型号规格为Φ60×3.5。则管的横截面积为：0.785×(0.06-0.0035×2)=0.0416m2设罐内装蛇管，则水管内流速为ω=122312设蛇管圈直径2m，并由水温差得A=6.45，R为蛇管圈半径，R=1.5mα1值按生产经验数据取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，总传质系数为：K=11α1+1α2+0.0035188+式中：0.0035为钢管壁厚，m；188为钢管的导热系数，kJ/(m2・h・℃)；1/16750为管壁污垢层热阻，kJ/(m2・h・℃)：（5）冷却面积A=Q/K/ΔTm=18.1m2蛇管总长度：L=A/(3.14Dcp)=18.1/3.14/0.0565=102.03m式中Dcp为蛇管的平均直径，Dcp=(60+60-7)/2=56.5mm=0.0565m；一圈蛇管长度：L1=(2πR)2+ℎ2式中h为蛇管每相邻圈的中心距，取0.2m；蛇管总圈数：Np=L/L1=11圈蛇管总高度：H=(Np-1)h=2m4.1.6发酵设备材料选择选用成本降低，经济性较好的A3钢4.1.7发酵罐其他尺寸（1）发酵罐壁厚S=PDC=因此C=2.7mmS=1.35cm（2）封头壁厚计算S'=PD式中C=0.07+0.2+0.1=0.37cm因此S’=1.45cm（3）进出口管径①稀糖液进口管径根据上面物料衡算计算可知，每小时进入醪塔的流量为17955kg，醪液密度为1200kg/m3，则V=14.96m3/h。稀释糖液体积流量为14.96m3/h，设流速为0.2m3/s，则进料截面积为：F物=Q/u=14.96/3600/0.2=0.021m2则管径为：d=F物故选用Φ194×6mm无缝钢管②稀释糖出口管径出口物料量比进口物料量大，因此直接选用Φ219×6mm无缝钢管③排气口管径选用Φ219×6mm无缝钢管（4）支座选择选用裙式支架，并用钢筋混凝土制作。4.2种子罐计算与选型4.2.1种子罐的容积和数量确定取接种量为10%，则V4.2.2种子罐个数确定4.2.3主要尺寸确定设径高比H/D=2V求得D=1.77m，则H=3.54m校核种子罐容积：V全=V筒+2V封=8.71+1.45=10.16m3核算出的实际种子罐容积比发酵所需的种子罐容积大，故满足设计需求。4.2.4设备结构工艺设计种子罐采用六弯叶涡轮搅拌器，工人尺寸标准[14]如下：n式中：n2为放缩的搅拌器的转速，r/minn1为模型搅拌器的转速，n=110r/mind1为模型搅拌器的直径，d=1.05md2为放缩的搅拌器的直径，d=0.59m代入公式得n2=161.54r/min=2.69r/s4.2.5搅拌轴功率（1）P0=Npn3d5ρ式中：Np为湍流，为常数48n为搅拌器转速，n=2.69r/sd为搅拌直径，d=0.59mρ为醪液密度，1070kg/m3。代入得P0=Npn3d5ρ=9.88kw两档搅拌：P=2P0=19.76kw（2）通风时轴功率PgPg=2.25×10-3×(P2nd3/Q0.08)0.39式中Q为工况下的通气量Pg=Pg=2.25×10-3×(19.762×2.69×5.93/90000000.08)0.39=0.164kw对于10m3发酵罐，选取型号Y180M-2，功率为22kw的电机。4.2.6设备材料选用选用碳钢材料。4.2.7壁厚计算（1）壁厚：S=PD式中D为种子罐内径，D=1.77m；Φ为焊缝系数，其范围在0.15-1之间，取0.8；因此S=0.62cm取S=7mm（2）封头厚度：S'=PD取S'=7mm4.2.8进风管V=0.785×0.11=0.086m3/min通风管直径:d1=Q×(1/P)×273+t273+t0查表，选用Φ88×4mm无缝钢管（2）输料管直径8m3用半小时送完，则算得物料体积流量为：V物料流量速取0.5m/s管道截面积：F=则管径为：d2=F/0.785=0.075m=75mm查表，选用Φ88×4mm无缝钢管。4.3设备相关参数一览表表5主要设备相关参数一览表名称发酵罐种子罐全容积/m310050数量/个62直径/m4.361.77圆柱体高度/m6.543.54上、下风头高度/m0.4360.177冷却面积/m218.1—冷却水用量/kg・h-113291