年产10万吨的木薯酒精发酵工厂设计 (自动保存的)

武汉轻工大学 1 武汉轻工大学武汉轻工大学 毕业设计毕业设计 毕业设计题目毕业设计题目 年产年产 1010 万吨万吨 95 95 酒精工厂糖化发酵车间工艺设计酒精工厂糖化发酵车间工艺设计 1目录 1 前言 2 1 1产品介绍 2 1 2酒精的用途 3 1 3设计意义 3 1 4设计原则 4 1 5酒精工业发展趋势 4 1 6酒精工业生产方法 5 1 7酒精国家标准 5 2工艺流程示意图 6 3100000t a 淀粉原料燃料酒精厂全厂 蒸煮糖化车间 总物料衡算 6 3 1整个生产过程中全部的 原料的消耗的计算每生产 7 3 2 在蒸煮糖化车间物料衡算 9 3 3发 酵 车 间 的 物 料 衡 算 11 3 4蒸馏车间物料衡算 13 武汉轻工大学 2 3 5100000t a 淀粉原料酒精厂总物料衡算 14 4设备的计算与选型 15 4 1种子罐的计算 15 4 2 发酵罐的计算 15 4 3冷却管计算 16 4 4发酵罐接管设计 17 5谢辞 18 6主要参考文献 19 Abstraction Alcohol a chemical substances has an increasingly application in a great deal of fields such as people s daily life and scientific research Ever mostly the alcohol is synthesis by chemical method but the fermentation has been the main method to produce it with the development of science The ability for producing alcohol of the fermentation will become the sign of a national economic strength The fermentation is mainly to utilize anaerobic microorganism to ferment which suck candy material carbohydrate in the material such as the maize are turned into ethanol turn into alcohol The design can have an annual output of 100000 tons of alcohol using molasses fermentation This method has abundant raw material sources and production process has no harm to the environment The process of technology continuous fermentation differential pressure distillation process lime absorption method the optimization of the design Keyword Keyword Alcohol Fermentation Design process 摘要摘要 酒精 作为一种化学制品 在人们日常生活中以及科学研究方面等诸多领 域都有很重要的应用 过去酒精主要通过化学合成的方法来得到 但随着科学 的发展 发酵成为生产酒精的主要方法 发酵法生产酒精的能力将成为一个国 家经济实力的标志 发酵法主要是利用微生物无氧发酵 将含糖物质内的糖类 转化为乙醇 生成酒精 此法原料来源丰富 生产过程环保 本设计为年产 10 万吨酒精工厂的设计 采用糖蜜原料发酵 工艺流程 连续发酵 差压式蒸馏 工艺 生石灰吸水法 设计的优化 关键词关键词 酒精 发酵法 设计流程 1 1 前言前言 1 11 1产品介绍产品介绍 乙醇人们中的另一种叫法为酒精 酒精是一种液体且该液体为不导电的液 武汉轻工大学 3 体 酒精是无色且透明 容易挥发并且容易燃烧 酒精有食用的酒的气味和刺 激的辛辣味道 尝起来有一点微微甘甜味道 这使我们在日常的生活中要注意 区分食用酒与工业用酒精的区别 以免将两者混淆危急安全 酒精的相对分子 质量为 46 07 且其密度比水轻 这就为我们提供了一种简单的方式来将两种肉 眼看起来极其相似的液体进行区分即当两者混合在一起时 在分界层上方的液 体即酒精 酒精的分子式较简单 其分子式是 C2H5OH 另一种简单区分酒精与水的方法是根据其另一物理性质 分析纯级的无水乙 醇是无色透明 而久置的酒精稍显微黄色 且酒精易挥发 具有特殊芳香和强 烈刺激味的易燃液体 这使我不用通过复杂的仪器或复杂的化学反应来鉴别是 否为酒精 以下为酒精这种液体的物理性质的具体数据 酒精的相对与水的相 对密度为 0 7893 其在标准大气压下即一个大气压下其沸点为 78 3 酒精在 一般条件下为液体 其凝固点为 117 3 酒精自燃点为 390 430 这就置使 酒精为一种易燃物质而且酒精蒸汽与空气混合可形成爆炸性混合物 爆炸极限 为 3 3 19 V 我们在存储酒精及取用酒精时都应严格按照规章制度来将 危险系数降至最低 1 21 2酒精的用途酒精的用途 酒精用途很多 下面就其中一两点作一个简单的介绍 首先我将介绍以下 其在生物方面的用途 在我们做一些实验 我们时时刻刻都能看到其身影的出 现 而根据酒精浓度的不同 酒精在实验中所起的作用 所办演的角色也有着 巨大的区别 例如无水乙醇可以利用某些物质溶于有机溶剂而不溶于水来提取 叶绿体中的色素 70 75 的酒精可以通过杀死蛋白消灭细菌用于消毒 40 50 的酒精可通过促进局部血液循环而预防褥疮 25 50 的酒精通过 易挥发来吸收热量而可用于物理退热 接下来简单的讲一下其在饮品方面的角 色 白酒在中国人民的日常生活中扮演着重要作用 当前在市面上有着很多的 酒类品牌 而所谓万变不离其中 无论何种酒类 其根本起作用的还是酒精 其次酒精的另一重要角色就是化工原料了 其作为一种较为简单的化学物质 其为生活中的复杂化学物构成了其中重要的一环 最后也是最重要的作用就是 作为一种能源了 其的能源作用深深的改变了世界 使世界的发展迈上了一个 新的台阶 1 31 3设计意义设计意义 在当今这样一个世界什么最重要 首当其冲即是资源 而资源中不可或缺的 就是能源了 当今的社会是个高度化的机器社会 在日常生活中你随处都可以 看到机器的身影 你可以想像一下没有机器的存在 我们的生活将变成一个什 么样子 这完全是无法想象的灾难世界 而我们的世界即将因没有能源的存在 而成为一个完全没有机器的世界 当前世界上的主要的能源是石油 石油作为 一种能源有着其可取的方面 1 石油的热能值高 这就为我们提供大量的能 量 2 石油的副产品多 这些副产品能够满足人们对部分物质的需求 同时 武汉轻工大学 4 石油对我们的社会也有着巨大的危害性 1 它是一种消耗品 用完也就完了 虽然你可以说它可以在生 但是石油的再生需要几个世纪的时间 这种再生完 全是一种奢求嘛 这也就导致了酒精不能够作为一种可持续的能源来使用 2 石油在使用后将产生大量的二氧化碳温室气体和硫化氢等其他有害气体 这些气体对空气的污染相当严重 3 大量开采石油将会造成大量的地下空穴 对地质条件将产生严重的影响 以上即为石油作为一种长期能源的不可取性 而对与我国 这种能源的劣势更是充分体现了出来 这是由我国的国情决定的 我国的石油年消费正在以 13 的速度增长着 2004 年我国的进口原油量已经超 过了 1 亿吨 是世界上第二大的石油进口国 这对于我国来说 在我国寻找石 油的替代能源已经刻不容缓了 而这时一种新能源 酒精以其其独特的优势 进入到了人们的视线之中 乙醇有着完全不同于石油的独特优点 1 乙醇能 够充分燃烧 其产物为水不会污染环境 2 乙醇是一种再生能源 这也就 预示着它作为一种能源的可持续性 3 酒精燃烧时会放出大量热量 酒精的 生产是刻不容缓了 而设计一种有效的酒精生产方式也就显得相当之必要了 1 41 4设计原则设计原则 1 本设计的工作的主要目的都是使工厂的生产能够实现现代化 以使做到 资金花费尽可能小 收效尽可能迅速 此外要在在原有基础上对其规模进行扩 大 使该工厂设计工作尽可能的符合可持续发展的战略要求 2 该工厂的设计要尽量的与实际相结合 我们首先要做到因地制宜 通过 使用当前我们能够掌握的比较熟练的技术 以此来能够确保该工厂的设计可以 得到尽可能大的利益 3 在该工厂设计中我们需要做到对于我们的工作人员做出合适的安排 使 工作人员能够在最适合自己的岗位为工厂工作以发挥其最大的实力来为工厂的 发展尽自己最大的一份力量 4 另外在该工厂的设计中还要注意到环保这一重要问题 我们要尽可能的 减少有毒有害物质的排放以减少对人与自然的危害 尽可能促进人与自然的和 谐相处 5 再者这一次的工厂设计也是对自己 对自己大学四年所学知识的一次 重要的检验 也是对我们未来踏入社会之前的一次工作实习 这让我们能够 更好的去适应未来的工作环境 1 51 5酒精工业发展趋势酒精工业发展趋势 随着时代的发展 随着经济的发展 酒精在当今的工业中正在以飞快的速 度高速发展着 并随着当今科技的进步 当今的工业酒精的生产已经逐渐的一 步一步的从传统的生产的工艺方法中逐步的走了出来 开始逐步的走向了高科 武汉轻工大学 5 技发展的道路 在当今的酒精生产工艺中 生产设备及菌种扮演着重要的角色 现在在酒精工厂中进行设计的部门乃一厂之根本 每一个工程技术人员每天都 在日思夜想的如何研究并开发出新的生产工艺 如何来发明新的生产发酵设备 在现有的菌种中如何来选育出生产高效并且生产稳定的菌种 在酒精的生产中 淀粉是其主要的原材料 然而由于现存的耕地面积在世界性的范围内都在逐渐 的减少 而且以淀粉这种原料作为生产的酒精的比例也在随着时代的进步而在 不断的减少着 反而在工业中人们以糖蜜这种原材料作为为生产酒精的原料的 比例却有着很大程度的提高 这完全是一个明显的人们无法忽视的信号 而且 具相关的报导称 工厂所用的各种的原料在整个世界的酒精的生产中的各种比 例是 45 而通过裂解石油的废气 乙烯占了 20 淀粉质这一种酒精生产 的原料占了 16 化学产物 纸浆液亚硫酸盐占了 7 还有大约占了 12 的野生植物等等 以上的这几个数据都很明显的表明 在未来将以含有可发酵 性的工业废气和废物将作为生产工业酒精的原料主要原材料 而现在为了使工业酒精 乙醇的生产工艺得到进一步提高 来自各个国 家的工程人员与技术人员都在为研究新型 更高端的的酒精的发酵与糖化等方 法付出自己的一份努力 比如在现代的工业生产上应用的为了固定化细胞所使 用的酒精发酵法以及为了得到耐高温的活性干酵母法等等这一些新的发酵工艺 而再设备等这一方面也出现不少相关的高效的生产反应器 例如使用单罐的连 续的搅拌反应器 通过使酒母得到回收利用的连续的搅拌反应器以及塔式的反 应器 还有通过固定化细胞的反应器等等一些 这些菌种及设备上的科技与技 术的进步都使得再新发现的原料的生产利用等方面都得到了很大的改良与进步 以上所介绍到的种种的改良与进步 无论是酒精的生产工艺还是酒精的生产设 备方面 它们在某些方面还存在一些不足而需要改良的地方 这些就不再作详 述了 但以上的这些介绍也基本上的反映了当前的酒精工业的形势同时也表明 了在未来酒精工业该如何发展 1 61 6酒精工业生产方法酒精工业生产方法 当前世界上在工业中主要的生产酒精的方法 我们总结起来无非有着两种 主要的形式 1 生产酒精主要利用酒精酒母的发酵 2 主要通过化学合 成的方法对石油这一种原料进行制作从而生产酒精 而考虑到我国的大致条件 我国农副产品资源丰富 所以 采用微生物的发酵这一种方法成为了我国 生产工业酒精的主要方式 而采用微生物发酵的这一种生产酒精方式在应用不 同的材料作为发酵的原料时 我们所采用的酒精的生产工艺有着微微的不同 由于原材料的不同而应用的生产工艺主要可以分为 1 以淀粉质为原料的酒 精生产工艺 2 使用糖蜜这种原料生产酒精的工艺 3 通过将工厂所产 生的废液以及纤维素来作为原料生产酒精的工艺等 在工业中常被人们所使用 含有淀粉质的原料有薯类以及谷物类 还有的就是某些野生植物 这些野生植 物都含有高含量的淀粉 武汉轻工大学 6 1 71 7酒精国家标准酒精国家标准 检验一个国家的酒精生产能力及酒精生产水平的标志即它所生产的酒精的 质量标准 而且酒精质量标准也是表现着在酒精的生产的两个方面的核心 蒸馏以及管理水平 酒精的质量有着一个国家的标准 它不仅是整个酒精企业 的重要的生命线 同时它也是在酒精企业的整个的生产活动中的最主要的以及 最根本的规章制度 酒精质量它促使着酒精企业来不断的提高酒精质量 并最 终使其成为了公司发展的永远的主题 当前 发酵法是工业上生产酒精的主要的方式 而如上文提到的酒精是一 个国家的经济实力的其中一个重要的标志 所以发酵的技术水平的能力将最终 成为衡量一个国家的经济实力的重要依据 如大家所知道的能源在世界的整个 发展中都扮演着极其重要的角色 甚至可以说世界能否发展就在于其能源问题 在世界的整个发展历程中扮演着能源这一重要的角色也随着时代的变迁也不断 变换着 每一次起能源作用的物质的更替都代表着世界的一大进步 尤其在 1975 年 巴西成功的从甘蔗 糖蜜等原料中生产出了酒精 这一进步给了各国 一个重击 这使它们意识到能使自己国家的能源储备增加 10 以上 通过使用发酵法来生产乙醇其效率极高 这种方法远比比石油更具有有优 势 1 生产乙醇的原料年年都能够种植 年年都能够收 其远投资巨大来开 采石油 2 现在的的农业状况以及酒精的生产能力 发动机的功能的高速增 强 在不久的将来 我相信一个可持续的能源资源展现在人们的面前 2 工艺流程示意图工艺流程示意图 该酒精的生产工艺应用了双酶法即 淀粉酶和糖化酶来糖化 间歇发酵的 发酵方式和三塔蒸馏的流程 如图 武汉轻工大学 7 3 100000t a 淀粉原料燃料酒精厂全厂 蒸淀粉原料燃料酒精厂全厂 蒸 煮糖化车间 总物料衡算煮糖化车间 总物料衡算 物料衡算是利用质量守恒定律来计算在生产过程的各个阶段的物料质量 在生产过程中 在工艺流程确定后 我们即开始通过任务的要求来计算所需的 原料的质量 以及其他所需的化工制品 并在计算的过程中将化学反应所产生 的副产品计算出来以留作它用 物料衡算的过程也为我们后续设备的选型提供 了依据 为我们在挑选设备指明了方向 使我们少走弯路 提高了我们的办事 效率 物料衡算分为以下几个部分的计算 1 酒精生产设计中原料消耗的计 算 在本设计中 我们所使用的主要的原料为薯干 其它的所需的原料为一些 化学制品 例如有 淀粉酶及糖化酶等酶类 还有 H2SO4和 NH4SO4等化学物 质 2 整个的生产的过程中所生成的一些中间产品 其中主要为一些繆类 例如蒸煮缪 酒母繆以及发酵繆等 3 最后的即为在生产中产生的副产品及 最终所要得到的的成品 下面就三个部分作详细计算 我们欲进行物料衡算 首先得知道本设计的相关要求及给的一些相关参数 以下即为该设计的工艺技术要求及基础数据 武汉轻工大学 8 1 本设计的生产的酒精数量为每年生产 10000 吨普通三级酒精 2 被设计的生产酒精的主要方法为通过 淀粉酶和糖化酶来进行糖化 的双酶法以及使用间歇发酵和三塔蒸馏的方法 3 本酒精的生产设计的工作时间为每年是 300 天 这能够提供足够的时 间进行工作与休整仪器 4 在该生产设计中 工厂的每一工作日的酒精的产量为 334 吨 则工厂 一年的酒精产量为 100200 吨 其中多余的 200 吨为次品酒精 5 本设计的生产的酒精的质量标准为普通的三级酒精即生产的该酒精中 的乙醇的体积分数为 95 6 该酒精的生产通过淀粉的糖化发酵来生成 所以本设计选用了价格相 对的低廉 淀粉含量相对的高的木薯 在木薯中 其淀粉含量为 68 水分含 量为 13 7 在本设计中所选用的糖化淀粉的 淀粉酶和糖化酶的活力分别为 8u g 100u g 而其中酒母糖化繆的糖化酶的活力为 200u g 而 H2SO4和 NH4SO4等化学物质的用量标准为 5 5kg t 酒精 和 8kg t 酒精 3 13 1整个生产过程中全部的整个生产过程中全部的 原料的消耗的计算每生产原料的消耗的计算每生产 本设计是通过在酶的作用下将木薯中的淀粉淀粉原料分解为葡萄糖 然后 在发酵的菌种的作用下将葡萄糖发酵最终生成酒精 从而得到所需产物 以下 即为由木薯生产酒精所经历的两个反应 糖化阶段 C6H10O5 n nH2O nC6H12O6 162 18 180 发酵阶段 C6H12O6 2C2H5OH 2CO2 180 92 88 首先由上述的数据得知三级酒精的乙醇的体积分数为 0 95 则可得知其质量 分数为 97 98 即 1000kg 三级酒精所对应的乙醇质量为 979 8kg 在由以上化学 式中乙醇与淀粉间的对应关系得到每生成 1000kg 三级酒精所对应的淀粉的理论 量为 979 8 162 92 1725 3 kg 以上得到的为每生产 1000kg 三级酒精所理论所耗费的淀粉量 然而在整个 的生产过程中有着各种各样的复杂的物理与化学反应 而且在整个的生产流程 中 有着相当大的一部分需要着人类的判断 这些就必然致使实际的过程不可 能完全与我们在纸上设计的一样 这就是使得产品的实际产率低于理论值 我 查表得知在生产的各个阶段的淀粉的损失值 如下表 生产过程各阶段淀粉损失生产过程各阶段淀粉损失 生 产 过 程 损 失 原 因淀 粉 损 失率 备 注 原料处 理 粉尘损失0 40 蒸煮糖 化 淀粉残留及糖分破 坏 0 40 加酒精捕集器 武汉轻工大学 9 发酵发酵残糖1 30 发酵巴斯德效应4 00 发酵酒气自然蒸发与被 CO2带走 0 30 蒸馏废糟带走等1 60 脱水脱水损失1 0 总计损失9 0 由上表得知 我们整个的发酵系统假定设有酒精扑集器 则我们可以得知 淀粉的损失率在整个生产过程中为 9 0 由此我们每得到的 1000kg 普通三级 酒精所实际的耗费淀粉的质量为 1725 3 100 9 1895 9 kg 下面来检验以淀粉这种原料来生产酒精是否达到了我国生产酒精的先进的 出酒率水平 计算得知淀粉这种原料的出酒率为 1000 1895 9 52 7 从而以 淀粉来生产酒精是可取的 其达到了先进水平 上文给出的数据告诉我们木薯这种农作物中淀粉的含量为 68 从而工厂 中生产 1000kg 普通三级酒精所消耗的木薯干这一种农作物质量为 1895 9 68 2787 6 kg 在实际的生产过程中 如果要得到的精确值 我们还必须考虑到生产过程 中所加入的糖化剂的量 糖化剂的成分中也含有着淀粉 计算时需将其除去 例如假设我们应用液体曲糖化这一种工艺技术 这时我们设在生产 1000kg 的酒 精所加入的糖化剂中所含有的淀粉质量为 G1 则实际所需要另加的淀粉原料量 为 1895 9 G1 68 生产中所消耗的酶主要是在物料的蒸煮糖化过程中所使用的 a 淀粉酶和糖 化酶以及酒母糖化酶 这里所使用的 淀粉酶的酶活力为 20000u g 其加量 的标准为 8u g 原料 而糖化酶的酶活力为 100000u g 其加量标准为 100u g 另一种酒母糖化酶的加量标准为 200u g 且酒母的用量为原料的 10 即为 278 76kg 则可得知为使淀粉液化 糊化所耗用的 a 淀粉酶及糖化酶以及酒母 糖化酶的量分别为 a 淀粉酶 2787 6 1000 8 20000 1000 1 12 kg 糖化酶 2787 6 1000 100 100000 1000 2 788 kg 酒母糖化酶 278 76 70 200 100000 0 390 kg 式中酒母糖 化液占 70 两项合计 糖化酶用量为 3 178kg 3 23 2在蒸煮糖化车间物料衡算在蒸煮糖化车间物料衡算 查表知在生产过程中淀粉原料与加的水的比例为 1 2 由此我们得知进入 蒸煮罐的混合物的量为 武汉轻工大学 10 2787 6 1 2 8362 8 kg 我们查资料知在酒精的生产过程中的淀粉浆的蒸煮工艺为 首先在调浆罐 中将粉浆的温度维持为 50 随后利用喷射液化器升温至 105 喷射液化器 不仅能够迅速的升温并能够提供粉浆一个适合的初速度已进入下一个仪器进行 下一步操作 但由于喷射液化器只是一个粉浆暂时停留的地方 因此我们须将 已升温的粉浆转入维持罐 最后在进入液化罐前使用真空闪急蒸发冷却直至 95 在液化罐静置 60min 后 再一次使用真空冷却器进行冷却至 63 这时 粉浆就已经完全蒸煮完成了 在以上的这些流程中由于使用的是直接蒸汽加热 这使得进行加热的蒸汽与粉浆混合在了一起 并且在后续的设备中进行了减压 蒸发 冷却降温这些操作 这使得 粉浆的量再一次发生了变化 因此 为了精 确计算蒸煮醪 我们必须与热量衡算同时进行 这是非常复杂的 我们完全没 有这个精力 在这里只进行近似的计算 下图为其蒸煮工艺的流程图 查资料知木薯干的干物质的含量为 w0 87 则可知木薯的比热容为 c0 4 18 1 0 7w0 1 63 kJ kg K 由于木薯粉浆中木薯粉与水的加入量的比例为 1 2 则可知粉浆中木薯中 的干物质在粉浆中的含量为 w1 87 3 100 29 0 从而我们可以得知蒸煮醪的比热容即木薯中的干物质与其中的水的比热容 之和是 c1 w1c0 1 0 w1 cw 29 0 1 63 1 0 29 0 4 18 3 44 kJ kg K 其中的 cw是纯水的比热容 单位为 kJ kg K 为了简化以下的计算 我 们在这里假定了在整个的蒸煮的过程中蒸煮醪的比热容都维持不变 首先我们 计算经过第一步后的蒸煮醪量 即经过喷射加热器后的蒸煮醪量 在这里我们 根据热量衡算来求得为了使蒸煮醪的温度升为 105 所需的蒸汽量 然后用初 武汉轻工大学 11 始的蒸煮醪加上蒸汽量即为进入液化维持罐的量 进入喷射液化器的蒸煮醪升温所需热量为 8362 8 3 44 105 50 1582241 76 KJ 则所需蒸汽量为 1582241 76 2748 9 105 4 18 685 kg 其中的 2748 9 为 喷射液化器的加热蒸汽在压强为 0 5Mpa 下的的焓 单位为 kJ K 则进入液化维持罐的蒸煮醪量为 8362 8 685 9047 8 kg 经液化维持管的降温后蒸煮醪放出来的热量为 9047 8 3 44 105 102 93373 296 KJ 则得到放出的蒸汽量为 93373 296 2253 41 4 kg 其中 2253 为饱和蒸汽在温度为 102 度下的汽 化潜热 单位为 kJ K 则进入闪蒸汽液分离器的蒸煮醪量为 9047 8 41 4 9006 4 kg 蒸煮醪在闪蒸汽液分离器中放出的热量为 9006 4 3 44 102 95 216874 112 KJ 同样的蒸发的水为 216874 112 2271 95 5 kg 式中 2271 为 95 下饱和蒸汽的汽化潜热 单 位为 kJ kg 进入真空冷却器的蒸煮醪液量为 9006 4 95 5 8910 9 kg 在真空冷却中放出的热量为 8910 9 3 44 95 63 980911 872 KJ 此设备内蒸发的水分为 980911 872 2351 417 23 kg 式中 2351 为真空下温度为 63 摄氏度时的饱 和蒸汽的汽化潜热 单位为 kJ kg 最终得到的蒸煮醪液量为 8910 9 417 23 8493 67 kg 3 33 3发发 酵酵 车车 间间 的的 物物 料料 衡衡 算算 在发酵车间的物料衡算计算主要有糖化醪及发酵醪等醪量的计算 还有各 级种子罐中发酵液及一些化学物的计算 而糖化醪量的计算主要是通过得到的 酒精质量来反推所得到的 这种方法能够更加迅速的得到所需求取的量 例如 在本设计中 我们假设在发酵结束后的得到的成熟醪中 酒精的体积分数占 10 即酒精在成熟醪中的质量分数为 8 01 现在我们得到成熟醪的蒸馏效率为 武汉轻工大学 12 98 4 而且由于发酵罐有着酒精捕集器 而且在酒精捕集器的作用下 酒精洗 水和洗罐的用水的量分别为成熟醪量的 5 和 1 质量分数 由此我们可以通 过使用以上给出的的这些数据来求知发酵车间的一些数值 由上述数据知三级酒精的质量分数为 97 98 则最终得到的 1000kg 三级 酒精中的乙醇量为 979 8kg 则未经过酒精捕集器和洗罐前的乙醇含量为 979 8 1 0 05 0 01 1038 588 kg 又由成熟醪的蒸馏效率为 98 4 及酒精在成熟醪中的质量分数为 8 01 则未进行蒸馏的成熟发酵醪量为 1038 588 98 4 8 01 13177 0 kg 若没有设置酒精捕集器和洗罐的用水 即没有由由于酒精捕集器及洗罐所 造成的乙醇损失 则经蒸馏后剩下的乙醇全部成了成品 则此种情况 1000kg 三 级酒精所对应的成熟发酵醪量为 13177 0 106 12431 1 kg 求取经过蒸馏塔后的成熟醪中的乙醇浓度 此时由于蒸馏塔的蒸馏效率为 98 4 则成熟醪的量将变为原有的 98 4 且此时乙醇的浓度将为成品中乙醇 量的 1 06 倍 蒸馏后成熟醪中的乙醇浓度为 1000 97 98 1 06 98 4 13177 0 8 质量分数 且在其发酵的过程中 将会生产 CO2 此时每 1000kg 三级酒精所对应的 CO2生成量为 979 8 98 4 44 46 952 4 kg 由以上的假设知接种量为 10 从而酒母醪量为 12431 1 952 4 100 10 100 10 1216 7 kg 又因为在酒母醪中 其中 70 是糖化醪 则可求得糖化醪量为 12431 1 952 4 100 10 100 1216 7 70 12994 0 kg 以下就 1000kg 三级酒精在发酵车间进行发酵所需的各种原料进行物料衡算 在发酵车间主要为种子罐中各物料的衡算及发酵液的计算 以下为酒精发 酵的工艺技术指标 指 标 名 称单 位指 标 数 生产规模t a100000 生产方法 间歇发酵 年生产天数d a300 产品日产量t d334 产品质量 纯度 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 由上述条件知发酵培养基初糖浓度为 150kg m3 糖酸的转化率为 50 以 及除去倒罐率 1 后的发酵成功率为 99 则生产 1000kg97 98 的酒精的发酵 液量为 武汉轻工大学 13 1000 97 98 150 50 98 99 13 5 m3 查表得知水解糖在发酵液中及二级种子培养基中的加入比例分别为 150 g L 和 25 g L 且以 10 的比例将发酵液传代到二级培养基中 则共需水解糖 的量为 13 5 150 1 35 25 2058 75 kg 接下来计算尿素 H2SO4 淀粉酶 NH4SO4在发酵液及二级种子培养基中 的量 在发酵培养基中 木薯干粉为 16 20 尿素为 0 5 而在二级种子培 养基中 甘薯干粉 16 20 NH4SO4为 0 5 尿素为 0 3 淀粉酶为 0 1 H2SO4为 1 2 从而求得尿素耗用量为 0 5 13 5 0 3 1 35 7 155 kg NH4 2SO4的耗用量为 0 5 1 35 0 675 kg 淀粉酶的耗用量为 0 1 13 5 1 35 kg H2SO4的耗用量为 1 2 1 35 1 62 kg 100000 吨 年酒精厂发酵车间的物料衡算表 物料名称每生产 1 吨酒精 95 的物料量 100000 吨 年 酒精生产的物料 量 每日物料量 发酵液 m3 13 513500004500 二级种液 m3 1 35135000450 发酵水解糖 kg 2025202500000675000 二级种液培养用 糖 kg 33 75337500011250 水解糖总量 kg 2058 75205875000686250 尿素 kg 7 597590002530 硫酸氨 kg 0 67567500225 淀粉酶 kg 1 35135000450 硫酸 kg 1 62162000540 3 43 4蒸馏车间物料衡算蒸馏车间物料衡算 发酵醪量的计算主要是根据乙醇的恒定来计算 首先我们计算得入蒸馏塔 的的乙醇量为 13177 8 1054 16 kg 又由塔顶出来的酒气的乙醇的质量分数为 47 18 则从醪塔出来的蒸汽量 为 武汉轻工大学 14 1054 16 47 18 2234 34 kg 从而醪塔的剩下的液体量为 13177 2234 34 10942 66 kg 查表知成熟醪中固形物的含量为 B1 7 5 则其比热容为 4 18 1 019 0 95B1 3 96 kJ kg k 且蒸馏残留液中的固形物在其中的质量分数为 13177 0 7 5 11023 7 9 0 则其比热容为 4 18 1 0 378 9 4 038 kJ kg k 我们在附录中查得体积分数为 50 的酒精的蒸汽焓为 1965kJ kg 且塔底采 用的是 0 05MPa 表压 的蒸汽进行加热 其蒸汽的焓为 2689 8kJ kg 又在这里 我们将蒸馏过程中的热损失取为传递总热量的 1 则根据热量衡算我们可以得 知加热所消耗的蒸汽量为 2153 3 1965 11023 7 4 038 105 13177 0 3 96 70 2689 8 4 18 105 2357 1 kg 如果在这里我们采用直接蒸汽加热 则加热的蒸汽量将全部转变为醪 因 此从塔底排出的废醪量将增加这个蒸汽量 即 11023 7 2357 1 13380 8 kg V1 Q3 V1t F1 Q1 1FC1t D1 Q4 D1t4 Q1 1FC1t Wx D1 3 53 5100000t a100000t a 淀粉原料酒精厂总物料衡算淀粉原料酒精厂总物料衡算 前面我们所进行的都是以生产 1000kg 三级酒精为前提的 下面我们来进行 年产 100000 吨酒精的计算 实际上我们每天生产的酒精量为 334 吨 则一年生 产的酒精量为 100200 吨 而关于原料木薯的消耗量的计算如下 日耗量为 2787 6 334 931058 4 kg d 年耗量为 931058 4 300 279317520 kg a 醪 塔 武汉轻工大学 15 100000t a 淀粉原料酒精厂物料衡算表 数量 物料 生产 1000kg95 酒精物料量 kg 每小时 数量 kg 每 天数量 t 每 年数量 t 95 酒 精 10001391733410020 0 木薯干 原料 2787 638795931 127931 7 52 淀粉 酶 1 1215 590 37112 22 4 糖化酶3 17844 231 06318 44 硫酸氨1 2216 980 41122 24 硫酸5 576 541 837551 1 蒸煮粉 浆 8362 81163852793 283795 3 成熟蒸 煮醪 8493 671182062836 985106 6 糖化醪12994180833434013019 99 酒母醪1216 716933406 3812191 3 蒸煮发 酵醪 13177183384440113203 35 二氧化 碳 952 413255327 695430 废醪13380 81862214469 213407 56 4 设备的计算与选型设备的计算与选型 首 先 我 们 要 确 定 所选取的发酵罐的大小 我们只有确定了发酵罐的 大小才能够进行下面的计算 由于现在的科技的发展日新月异 现在的发酵罐 较之以前有着很大的不同 并且生产发酵罐的厂家越来越多 我们需要在以下 的 5 10 20 50 75 100 120 150 250 500m3这些发酵罐容积选择一个 与我们所生产的酒精产量相适合的容积 发酵罐的容积并不是越大就越好的 虽说这样能够能够减少发酵罐的数目 但是发酵罐的数目减少并不代表我们花 费在设备上的资金得到了节约 发酵罐的容积增大也就代表着其对设备的材质 武汉轻工大学 16 有了更高的要求 同时也要求着更高的 管理水平 再者 发酵罐越大 对放置 发酵罐的工厂也就需要更大的空间 因此我们在选取发酵罐时需要综合考虑 最终我们选定为 500 m3的发酵罐 4 14 1种子罐的计算种子罐的计算 这时我们开始进行所需发酵罐数目的计算 因为我们所知道的是发酵罐的 容积和糖液的质量 因此首先我们需要将糖液的质量转换为体积 我们由上述 的数据知每小时进入发酵罐的醪液质量为 180833kg 且查表得糖化液的密度为 1200kg m3 则每小时进入种子罐及一号发酵罐的体积为 180833 1200 151 m3 设醪液在种子罐的停留时间为 12 个小时 则种子罐的有效容积至少为 151 12 1812 m3 在这里我们取种子罐的填充系数为 0 8 则种子罐的全容积至少为 1812 0 8 2265 m3 取每个种子罐的容积为 500 m3 则所需种子罐的数目为 5 个 4 24 2发酵罐的计算发酵罐的计算 由上知我们选取的 500 m3的发酵罐 并设所选的发酵罐的高度是发酵罐内 径的 2 倍 发酵罐底封头高和上封头高相等为内径的 0 1 倍 且为了使接下来 的计算方便 我们将上下封头看作一样 则有以下的计算公式 3 14D2 H 2h上 D 3 4 500 m3 得到发酵罐的高度为 12 62m 发酵罐的内径为 6 31m 发酵罐的封头高为 0 631m 则发酵罐的表面积为柱形部分 上下封头部分这三者的表面积之和 即 发酵罐的表面积 圆柱形部分面积 椭圆形封头表面积 2 发酵罐的表面积 3 14 6 31 12 62 32 2 314 m2 由于我们选取的发酵罐的容积为 500m3的 且其填充系数我们选为 0 9 则 一个发酵罐的实际容积为 450m3 又因为糖液的流量为 151m3 且由于我们设 定的发酵周期是 70 个小时 即糖液在发酵罐中待的时间为 58 个小时 则发 酵罐每个周期总共需装液的体积为 151 58 8758 m3 则所需发酵罐的数目为 8758 450 20 个 然后我们根据以上我们所算的来选择合适的材料 材料的选择的前提条件 首要的是要其能够满足其工艺要求 例如压强 温度等 否则将导致一些无法 挽回的损失 在这之后我们才能够考虑材料的经济性 在本设计的发酵罐中 我们采用的为 A3 钢板 首先我们来计算所需要的发酵罐的壁厚 在确定发酵罐的壁厚时 我们要 从发酵罐所存在的压力状态 发酵罐内径 焊缝系数 壁厚附加值 A3钢板允 许应力来确定发酵罐壁厚 在本设计中压力 发酵罐内径 焊缝系数 壁厚附 武汉轻工大学 17 加值 A3钢板允许应力分别为 0 5MPa 631cm 0 8 0 18 127MPa 则所需的发 酵罐的壁厚为 0 5 631 2 127 0 8 0 5 0 28 1 84 cm 求封头的厚度与上面的计算同理 计算得 1 94cm 4 34 3冷却管计算冷却管计算 关于冷却面积的计算 我们首先需要进行发酵罐内热量的去向的计算 在 发酵罐内热量的变化主要有 1 原料的糖度降低时放出的热量 2 气体 离开时带走的热量 3 发酵罐向罐体外散发的热量 下面我们对这三个方面 做计算 主发酵期每小时糖度降低 1 度所放出的热量 Q1 418 6 1 500 0 9 1200 226044 kJ h 由代谢气体带走的蒸发热量 一般在 5 6 之间 我们一般采用 5 则 Q2 0 05Q1 226044 0 05 11302 2 kJ h 而向周围空间散发的热量的大小要视情况而定 其值与外界环境的温度及 罐壁有着很大的关系 这里我们设发酵罐外壁没有使用保温层 而且发酵罐的 壁温最高可以达到 35 并且发酵罐所在的环境的平均的温度为 27 则由这 些条件我们得知罐内液体向外散热时的传热系数 1 7 35 27 0 25 4 88 273 35 1004 273 27 1004 35 27 35 KJ m2 h 从而 Q3 314 35 35 27 87920 KJ h 则单个发酵罐的冷却需要放出的热量为 Q Q1 Q2 Q3 226044 11302 2 87920 126822 kJ h 从而整个发酵车间通过冷却装置而放出的热量为 Q总 126822 20 2536440 kJ h 我们所采用的冷却水的初始温度及最终的温度为 20 及 27 则所需的冷 却水的质量为 2536440 27 20 4 186 86562 kg h 在整个发酵阶段中 我们控制发酵液的温度维持恒定 为 30 则可求得 对数平均温度差为 30 20 30 27 2 3lg 30 20 30 27 5 8 接下来我们要确定传热的总系数 K 的值 在本设计中 我们选取了蛇管为水煤气输送管 它的规格为 60 5 则 可求得管的横截面积为 武汉轻工大学 18 0 785 0 05 2 0 002 m2 设发酵罐内同心装蛇管 并且管内同时进冷却水 则管内水的流速为 v 0 41m s 我们在此设计中 我们挑选的蛇管圈的直径为 4m 并且在该水温时 我 们查表知此时的 A 6 45 且蛇管圈半径为 3 3m 则可求得 K1 4 186A v 0 8 1 1 77D R D0 7 4 186 6 45 0 41 1000 0 8 1 1 77 0 053 3 3 0 0530 7 5505kJ m2 h 而 K2按经验可取为 2700 kJ m2 h 除以上的两个热系数外 我们还要考虑管壁的热传导及污垢的热阻 所以 它们的总的传热系数为 K 1 1 k1 1 k2 0 004 188 1 16750 1580 kJ m2 h 从而由 Q KAtm 得到冷却面积为 A Q Ktm 2536440 1580 5 8 277m2 蛇管的长度由 A L dcp得到即 L 277 3 14 0 05 1764 m 每圈蛇管长度 3 14 2 3 3 2 0 22 0 5 15 7 m 蛇管总圈数 1764 15 7 113 圈 蛇管总高度 113 1 0 2 22 4 m 4 44 4 发酵罐接管设计发酵