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1、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2011級(jí)工廠概念課程設(shè)計(jì) 工廠設(shè)計(jì)概念課程設(shè)計(jì) 年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠工藝設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 化工與材料學(xué)院 生物工程 劉艷玲 學(xué) 號(hào)： 職 稱： 110504021027 周新明 高級(jí)工程師 中國(guó)珠海 二○一四年十一月 誠(chéng)信承諾書 本人鄭重承諾：本人承諾呈交的課程設(shè)計(jì)《年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠工藝設(shè)計(jì)》是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開展研究取得的成

2、果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。 本人簽名： 日期： 年 月 日 年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠工藝設(shè)計(jì) 摘 要 本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠工藝設(shè)計(jì)，以糖蜜味發(fā)酵原料，通過(guò)先進(jìn)；高效的工藝技術(shù)對(duì)酒精工廠進(jìn)行了模擬計(jì)算和設(shè)備選型，力求做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，以做到生產(chǎn)成本低，質(zhì)量好，產(chǎn)量高的酒精。設(shè)計(jì)包括：從原料處理到發(fā)酵工藝；從設(shè)備選型到車間布置；最后到廢物的處理及在利用。主要應(yīng)用除雜技術(shù)；酒精發(fā)酵技術(shù)；滅

3、菌技術(shù)；精餾技術(shù)等技術(shù)，通過(guò)合理的物料衡算，耗能計(jì)算方法，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：酒精工廠；發(fā)酵；糖蜜；精餾 VI Annual output of 60000 tons of alcohol factory process design Abstract The design is an annual output of 60000 tons of alcohol plant process design, using molasses flavor fermenta

4、tion raw material, through advanced technology of high efficiency; on the alcohol factory of the simulation calculation and equipment selection, and strive to achieve a combination of theory and practice, in order to achieve low production cost, good quality, high yield of alcohol. The design includ

5、es: from raw material processing to the fermentation process; the selection of equipment to the workshop layout; finally to waste treatment and utilization in. The main application of impurity removal technology; alcohol fermentation technology; sterilization; distillation technology, through the ma

6、terial balance and reasonable calculation, calculation method for energy consumption, rational optimization design to production process. Key words：Alcohol factory；Molasses； Fermentation； Distillation 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2011級(jí)本科生課程設(shè)計(jì) 任務(wù)書 題 目：年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠工藝設(shè)

7、計(jì) 專業(yè)學(xué)院： 化工與材料學(xué)院 專 業(yè)： 生物工程 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 周新明 一、 主要研究?jī)?nèi)容： 本次設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容是選取糖蜜為原料，研究年產(chǎn)6萬(wàn)噸的酒精工藝流程，操作工藝，物料衡算和繪制發(fā)酵罐設(shè)計(jì)圖。側(cè)重于酒精工廠發(fā)酵車間的設(shè)計(jì)。 二、 主要任務(wù)及目標(biāo)： 1、通過(guò)查閱酒精生產(chǎn)工藝的有關(guān)資料，熟悉目前檸酒精生產(chǎn)的基本工藝流程。 2、進(jìn)行酒精

8、發(fā)酵車間物料衡算和熱量衡算等。 3、發(fā)酵車間設(shè)備選型。 4、發(fā)酵種子罐、發(fā)酵罐、貯罐的選型及大小尺寸的計(jì)算。 5、繪制發(fā)酵罐設(shè)計(jì)圖。 6、撰寫工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 工作小組組長(zhǎng)簽字： 年 月 日 注：本任務(wù)書雙面打印，一式三份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、專業(yè)學(xué)院各存檔一份。 目 錄 摘 要 I Abstract II 任務(wù)書 III 目 錄 V 1 前言 1 H H 1 1.2 研究目的 1 1.3 設(shè)計(jì)原則 2 2 設(shè)計(jì)說(shuō)明 3 2.1工藝指標(biāo)和

9、基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 3 2.2 工藝流程概述 3 3 原料的處理 5 3.1 原料及其來(lái)源 5 3.2 糖蜜的貯存 5 3.3稀糖液的制備及處理 5 3.3.1添加營(yíng)養(yǎng)鹽 5 3.3.2 糖液的滅菌 6 3.3.3 稀糖液的澄清 6 4 工藝流程 7 5 生產(chǎn)設(shè)備 8 5.2設(shè)備計(jì)算 8 5.2.1 發(fā)酵罐容積和個(gè)數(shù)的確定 8 5.2.2 糖蜜儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)的計(jì)算 10 5.2.3 冷卻面積和冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸 10 5.3 其它設(shè)備的計(jì)算和選型 14 5.3.1 蒸餾設(shè)備 14 5.3.2 換熱器的選型 14 5.3.3 稀釋器 15 6 工藝計(jì)算 17 6.1 物

10、料衡算 17 6.1.1 原料消耗量計(jì)算（基準(zhǔn)：1噸無(wú)水乙醇） 17 6.1.2 酵醪液量的計(jì)算 17 6.1.3 成品與廢醪量的計(jì)算 18 6.1.4年產(chǎn)量為6萬(wàn)噸燃料酒精的總物料衡算 19 6.1.5 稀釋工段的物料衡算 20 6.2 熱量衡算 21 6.2.1 發(fā)酵工段的物料和熱量衡算 21 6.2.2 蒸餾工段的物料和熱量衡算 21 6.3供用水衡算 26 6.3.1 精餾塔分凝器冷卻用水 26 6.3.2 成品酒精冷卻和雜醇油分離器稀釋用水 26 6.3.3 總用水量 27 6.4 其他衡算 27 6.4.1 供用汽衡算 27 6.4.2 供電衡算

11、 28 7 車間設(shè)計(jì) 29 7.1 車間布置設(shè)計(jì) 29 7.1.1 建筑基本原則 29 7.1.2 建筑基本要求 29 7.2 車間內(nèi)常用設(shè)備的布置 29 7.2.1 發(fā)酵設(shè)備 29 7.2.2 蒸餾設(shè)備及其他設(shè)備 30 8 廢物處理及再利用 31 8.1 廢物總類 31 8.1.1 污水廢物 31 8.1.2 氣體廢物 31 8.1.3 固體廢物 31 8.2 廢物利用 31 8.2.1 廢氣處理 31 8.2.2 廢水和廢渣處理 32 9結(jié)論 33 參考文獻(xiàn) 34 謝 辭 35 附 錄 36 VI 1 前言 1.1 產(chǎn)品

12、介紹 乙醇是一種有機(jī)物，俗稱酒精，化學(xué)式為CH3CH2OH（C2H6O），結(jié)構(gòu)式【1】見(jiàn)圖1-1，是帶有一個(gè)羥基的飽和一元醇，在常溫、常壓下是一種易燃、易揮發(fā)的無(wú)色透明液體，它的水溶液具有酒香的氣味，并略帶刺激性。有酒的氣味和刺激的辛辣滋味，微甘。 乙醇液體密度是0.789g/cm3(20C) ，乙醇?xì)怏w密度為1.59kg/m3，沸點(diǎn)是78.4℃，熔點(diǎn)是-114.3℃，易燃，其蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，能與水以任意比互溶。能與水、氯仿、乙醚、甲醇、丙酮和其他多數(shù)有機(jī)溶劑混溶，相對(duì)密度(d15.56)0.816。 乙醇的用途很廣，可用乙醇制造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等。醫(yī)療上也常用

13、體積分?jǐn)?shù)為70%-75%的乙醇作消毒劑等，在國(guó)防工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、有機(jī)合成、食品工業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的用途。 H H ▏ ▏ H ? C ? C ? O ? H▏ ▏ ▏ H H 圖1-1 C2H5OH結(jié)構(gòu)式 1.2 研究目的 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，酒精這種重要的工業(yè)

14、原料被廣泛用于化工；塑料；橡膠，農(nóng)藥，化妝品及軍工業(yè)部門。且石油資源趨于缺乏，全球環(huán)境污染的日益加劇，各國(guó)紛紛開始開發(fā)新型能源。燃料乙醇是目前為止最理想的石油替代能源，它的生產(chǎn)方法以發(fā)酵為主。 工業(yè)酒精是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的清潔燃料。如今能源的危機(jī)，以及農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展，都使得工業(yè)酒精產(chǎn)業(yè)的重新崛起與迅速發(fā)展成為必然。而酒精的生物發(fā)酵過(guò)程所需的條件溫和，轉(zhuǎn)化率高，而且環(huán)保無(wú)污染，可以說(shuō)是工業(yè)酒精的最理想的生產(chǎn)方法。發(fā)酵法生產(chǎn)酒精的能力將成為衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的一種標(biāo)準(zhǔn)。生物發(fā)酵是利用淀粉質(zhì)原料活糖原料，在微生物的作用下生成酒精【2】。 酒精作為一種新能源，具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：可再生能源，無(wú)污染燃燒。

15、中國(guó)是一個(gè)石油凈進(jìn)口國(guó)，海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2012年中國(guó)共計(jì)進(jìn)口原油2.82億噸，同比增加4.03%，而原油價(jià)格為97~105美元每噸。兩個(gè)數(shù)相乘，得出的是一個(gè)十分可怕的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)方面酒精擁有石油的性能，能產(chǎn)生足夠的酒精，則可以大大減少石油的進(jìn)口。但是目前國(guó)內(nèi)酒精生產(chǎn)量不足以與消耗量相平衡，每年仍需進(jìn)口幾百萬(wàn)噸酒精。目前燃料酒精已作為國(guó)家戰(zhàn)略部署的新型能源之一。實(shí)現(xiàn)酒精的大規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)解決能源危機(jī)有著重大的意義。 本設(shè)計(jì)即酒精工廠的模擬設(shè)計(jì)為了設(shè)計(jì)出最理想的酒精生產(chǎn)流程以及工廠，在國(guó)內(nèi)具有廣闊的前景。 1.3 設(shè)計(jì)原則 (1) 本設(shè)計(jì)工作圍繞著工廠現(xiàn)代化建設(shè)，力圖能使所設(shè)計(jì)的工廠具有前瞻

16、性，且投資小，收效快。 (2) 對(duì)自己而言，本次設(shè)計(jì)是對(duì)自己在湖北理工四年所學(xué)知識(shí)的一個(gè)綜合運(yùn)用和分析，將書本知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的操作中去，為日后的工作打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。 (3) 設(shè)計(jì)的工廠充分考慮現(xiàn)今的一些技術(shù)，設(shè)備，以及設(shè)計(jì)先進(jìn)理念，盡量做到人性化，綠色化，為員工的工作和生活做出妥善的安排，使其達(dá)到最佳工作效率。 (4) 設(shè)計(jì)盡量因地制宜，并且使其經(jīng)濟(jì)效益最大化，在各種設(shè)備選型中，合理考慮性價(jià)比和地區(qū)特性【3】。 2 設(shè)計(jì)說(shuō)明 2.1工藝指標(biāo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù) (1) 生產(chǎn)規(guī)模:60000 t/a； (2) 生產(chǎn)方法:單濃度連續(xù)發(fā)酵、

17、差壓式二塔蒸餾機(jī)組、生石灰吸水法； (3) 生產(chǎn)天數(shù):每年250天； (4) 酒精日產(chǎn)量:240 t； (5) 酒精年產(chǎn)量: 60000 t【4】； (6) 副產(chǎn)品年產(chǎn)量:次級(jí)酒精占酒精總量的2%（一般占成品酒的1.2%—3%，這里取2%）【4】； (7) 雜醇油量:為成品酒精量的0.3%（一般占成品酒精多0.25～0.35﹪）【5】； (8) 產(chǎn)品質(zhì)量：燃料酒精[乙醇含量為99.5%(v/v)] (9) 糖蜜原料：含可發(fā)酵性糖50﹪ (10) 發(fā)酵率：90﹪ (11) 蒸餾率：98﹪ (12) 發(fā)酵周期：48小時(shí) (13) 發(fā)酵溫度：28～34℃ (14) 硫酸銨用量

18、：1kg/t糖蜜 (15) 硫酸用量：5kg/t糖蜜 (16) 酒精質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB678—2002 2.2 工藝流程概述 (1) 原材料（糖蜜）的預(yù)處理包括有加酸法，加熱加酸法，添加絮凝劑澄清處理法【6】； (2) 連續(xù)稀釋法稀釋糖蜜 (3) 制酵母 (4) 酵母菌發(fā)酵、提純 (5) 發(fā)酵流程：糖蜜→發(fā)酵用糖液→發(fā)酵→蒸餾→成品酒精 (6) 具體生產(chǎn)工藝流程【7】見(jiàn)圖1-2 圖1-2生產(chǎn)工藝流程圖 3 原料的處理 3.1 原料及其來(lái)源 糖蜜，是一種粘稠、黑褐色、呈半流動(dòng)的物體，主要含有蔗糖，蔗糖蜜中泛酸含量較高，達(dá)37mg/kg，此外生物素含量也很可

19、觀，容易摻入大豆糖蜜和糖蜜發(fā)酵液。 糖蜜是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，組成因制糖原料、加工條件的不同而有差異，其中主要含有大量可發(fā)酵糖（主要是蔗糖），因而是很好的發(fā)酵原料，可用作酵母、味精、有機(jī)酸等發(fā)酵制品的底物或基料，可用作某些食品的原料和動(dòng)物飼料。 制糖業(yè)的副產(chǎn)品之一。制糖過(guò)程中,糖液經(jīng)濃縮析出結(jié)晶糖后,殘留的棕褐色黏稠液體。屬能量飼料,因味甜,多用作調(diào)味料。按制糖原料不同可分為甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和淀粉糖蜜等。各種糖蜜的營(yíng)養(yǎng)成分有差異。一般甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜以轉(zhuǎn)換糖量表示,其總糖量分別為48.0%、49.0%;水分25.0%、23.0%;粗蛋白質(zhì)3.0%和6.5%。淀粉糖蜜是以谷物淀粉經(jīng)酶水解后

20、制造葡萄糖的副產(chǎn)品,以葡萄糖量表示,其總糖量50.0%以上,水分27.0%,粗蛋白量甚微。 3.2 糖蜜的貯存 為了確保酒精生產(chǎn)線連續(xù)正常地進(jìn)行，酒精工廠的倉(cāng)庫(kù)必需備有一定量的糖蜜，常備有供一個(gè)月左右生產(chǎn)酒精用糖蜜量；保持糖蜜的純凈，要求采用密閉容器保存糖蜜；糖蜜貯存罐的位置應(yīng)處于方便運(yùn)輸和生產(chǎn)的地點(diǎn)；受到污染的糖蜜不宜過(guò)久貯存。 3.3稀糖液的制備及處理 考慮到糖蜜中的灰分、膠體物質(zhì)等雜質(zhì)多，有害微生物的污染，營(yíng)養(yǎng)鹽的缺乏以及適宜酸度的調(diào)整。因此，在糖蜜稀釋的同時(shí)，必須進(jìn)行酸化、滅菌、澄清和添加營(yíng)養(yǎng)鹽。間歇稀釋操作法則是逐項(xiàng)進(jìn)行。目前中國(guó)糖蜜酒精工廠多采用連續(xù)稀釋熱酸法澄清處理糖蜜，

21、把酸化、滅菌、添加營(yíng)養(yǎng)鹽和澄清同時(shí)一道進(jìn)行。 糖蜜原料制作稀糖液及處理的流程為：糖蜜→稀釋→酸化→添加營(yíng)養(yǎng)鹽→滅菌→澄清稀糖液 3.3.1添加營(yíng)養(yǎng)鹽 為了保證酵母的正常生長(zhǎng)繁殖和發(fā)酵，根據(jù)糖蜜原料的化學(xué)組分，必須在糖液中添加酵母所必需的營(yíng)養(yǎng)。工廠實(shí)踐和甘蔗糖蜜的組分表明，甘蔗糖蜜中缺乏的主要營(yíng)養(yǎng)成分是氮素。補(bǔ)充氮通常是以硫酸銨作氮源，用量為每噸糖蜜使用21%的硫酸銨1-1.2kg，即糖蜜用量的0.1%-0.12%。 3.3.2 糖液的滅菌 糖蜜中常污染有大量雜菌，主要是野生酵母，白念球菌及乳酸菌等產(chǎn)酸菌，為保證稀糖液的正常發(fā)酵，除加酸提高糖液酸度抑制雜菌生長(zhǎng)繁殖外，還必須對(duì)糖蜜

22、進(jìn)行滅菌。糖蜜常用的滅菌方法有：化學(xué)滅菌法和物理滅菌法。 本實(shí)驗(yàn)采用物理滅菌法：物理滅菌法具體操作是將糖液加熱至80－90℃，并保持40min。該方法除了滅菌外，還可使糖蜜中的膠體絮凝，使糖液澄清。該方法要消耗大量的蒸汽，工廠一般不采用，只有糖蜜被嚴(yán)重污染時(shí)才采用此法予以滅菌。 3.3.3 稀糖液的澄清 稀蔗糖溶液中的特定膠體物質(zhì)，顏料，灰分和其它懸浮物，它們的存在對(duì)正常的酵母的生長(zhǎng)，繁殖和發(fā)酵有害，應(yīng)盡可能地除去。其解決辦法就是稀糖液的澄清。 糖蜜的澄清方法分為機(jī)械澄清法和加酸澄清法。機(jī)械澄清法即壓濾法和離心法，調(diào)節(jié)至pH值為3.7的酸化12小時(shí)，分離沉淀物，用離心機(jī)或壓濾機(jī)，國(guó)內(nèi)

23、多數(shù)澄清是應(yīng)用此方法。 4 工藝流程 1 糖蜜預(yù)處理有加酸法，加熱加酸法，添加絮凝劑澄清處理法。 2 糖蜜稀釋采用連續(xù)稀釋法。 3 主要蒸餾工段采用差壓式二塔蒸餾機(jī)組，能有效利用熱能。 4 本設(shè)計(jì)采用浮閥塔。 5 脫水干燥技術(shù)：生石灰吸水法。 6 發(fā)酵法采用連續(xù)發(fā)酵方式。 5 生產(chǎn)設(shè)備 5.1設(shè)備選型 1 發(fā)酵罐采用200m3 2 種子罐采用50m3 3 稀釋采用連續(xù)稀釋器 4 發(fā)酵采用連續(xù)發(fā)酵罐組 5 蒸餾設(shè)備采用差壓式二塔蒸餾機(jī)

24、組 6 干燥設(shè)備采用臥式網(wǎng)層生石灰干燥器 5.2設(shè)備計(jì)算 采用連續(xù)發(fā)酵方式，根據(jù)物料衡算結(jié)果可知，每小時(shí)進(jìn)入發(fā)酵罐的醪液體積流量為： 118433kg/h，密度為1200 kg/m3【10】。 進(jìn)入種子罐和1號(hào)發(fā)酵罐的醪液體積流量為： W=118433/1200=99m3/h 5.2.1 發(fā)酵罐容積和個(gè)數(shù)的確定 （1） 種子罐個(gè)數(shù)的確定： 為保證種子罐有足夠種子，種子罐內(nèi)醪液停留時(shí)間應(yīng)在12h左右，則種子罐有效容積為：

25、 V=9912=1188（m3） 取種子罐裝料經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為80﹪，則種子罐全容積為： V全=V/u=1188/80%=1485m3 ,取1500m3 每個(gè)罐的容積為500m3，則種子罐個(gè)數(shù)為：1500/500*2=6（個(gè)） （2） 發(fā)酵罐體積 根據(jù)發(fā)酵罐現(xiàn)在的設(shè)備情況，從100 m3到700 m3，現(xiàn)在酒精廠一般采用300 m3，按照有關(guān)情況和指導(dǎo)老師建議，我采用300 m3，取H=2D，h1=h2=0.1D D—為發(fā)酵罐內(nèi)徑，（m） H—為發(fā)酵罐高，（m） h

26、1、h2—分別為發(fā)酵罐底封頭高和上封頭高，（m） 發(fā)酵罐上均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，下部為錐形封頭，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，假設(shè)其上下封頭近似相同，則 D=5.33m，H=10.66m，h1=h2=0.533m （3） 發(fā)酵罐的表面積 圓柱形部分面積： F1=πDH=3.145.3310.66=178m2 由于橢圓形封頭表面積沒(méi)有精確的公式，所以可取近似等于錐形封頭的表面積： F2=F3= 發(fā)酵罐的總表面積：

27、 F=F1+F2+F3=178+23+23=224m2 （4） 計(jì)算發(fā)酵罐數(shù)量： 上面已經(jīng)寫到，我設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐規(guī)格為300 m3的規(guī)格，設(shè)總發(fā)酵時(shí)間為48小時(shí),設(shè)發(fā) 酵罐數(shù)為N個(gè)，則發(fā)酵罐的有效容積 V有效=WT/N---公式(1) V全容積Ψ=V有效--------公式（2） 式中W—每小時(shí)進(jìn)料量； T—發(fā)酵時(shí)間； N—發(fā)酵罐數(shù) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，一樣取發(fā)酵罐填充系數(shù)為Ψ=80%，則可以得到： 30080%=99(48-12)/N 計(jì)算得到：N=14

28、.85（個(gè))，則我們需要發(fā)酵罐N=15*2=30個(gè) 5.2.2 糖蜜儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)的計(jì)算 糖蜜儲(chǔ)罐采用1000m3規(guī)格： 15天的糖蜜量為：V=83615=12540 (t) 查得85Bx的糖蜜密度為1450 kg/ m3，則： V＝125401000/1450＝8648（m3） 設(shè)其裝料系數(shù)為80﹪，則貯罐的全容積為： V糖蜜＝8648/0.8＝10810（m3） 10810

29、/1000=10.81（個(gè)），取11*2=22個(gè) 5.2.3 冷卻面積和冷卻裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸 （1）總的發(fā)酵熱： Q=Q1-(Q2+Q3) Q1=msq 式中 m—每罐發(fā)酵醪量（kg） s—糖度降低百分值（%） q—每公斤糖發(fā)酵放熱（J），查得418.6J Q1—主發(fā)酵期每小時(shí)糖度降低1度所放出的熱量 Q2——代謝氣體帶走的蒸發(fā)熱量，一般在5%

30、—6%之間，我們估算時(shí)采用5% Q3——不論發(fā)酵罐處于室內(nèi)還是室外，均要向周圍空間散發(fā)熱量Q3。 Q1=（116991/15）12418.61%=3.92104（kJ/h） Q2=5%Q1=5%3.923105=1.96103（kJ/h） 發(fā)酵罐表面積的熱散失計(jì)算：先求輻射對(duì)流聯(lián)合給熱系數(shù)，假定發(fā)酵罐外壁不包扎保溫層，壁溫最高可達(dá)35℃，生產(chǎn)廠所在地區(qū)夏季平均溫度為27℃,則： 可得：=6.30103（kJ/h） 需冷卻管帶走的單個(gè)發(fā)酵罐冷卻熱

31、負(fù)荷為： Q=Q1-Q2-Q3=3.92104-1.94103-6.30103=3.096104(kJ/h) 總發(fā)酵熱為：Q發(fā)酵=3.09610415=4.65105(kJ/h) （2） 冷卻水耗量的計(jì)算 對(duì)數(shù)平均溫度差的計(jì)算 主發(fā)酵控制發(fā)酵溫度tF為30℃，按題意冷卻水進(jìn)出口溫度分別為： t1=20℃, t2=27℃ （3）傳熱總系數(shù)K值的確定 選取蛇管為水煤氣輸送鋼管，

32、其規(guī)格為53/60mm，則管的橫截面積為： 0.7850.0532=0.0022（m2） 設(shè)罐內(nèi)同心裝蛇管，并同時(shí)進(jìn)入冷卻水，則水在管內(nèi)流速為： 設(shè)蛇管圈的直徑為3m，水溫20℃時(shí)常數(shù)A=6.45 則蛇管的傳熱分系數(shù)為： R—為蛇管圈半徑，R=1.5m 發(fā)酵罐到蛇管壁的傳熱分系數(shù)值按生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取2700[kJ/（m2h℃）] 故傳熱總系數(shù)為：

33、 式中 1/16750—為管壁水污垢層熱阻[（m2h℃）/kJ]。 188—鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)[kJ/（m2h℃）] 0.004—管子壁厚（m） （4） 冷卻面積和主要尺寸： 蛇管總長(zhǎng)度為： 確定一圈蛇管長(zhǎng)度： 式中R—蛇管圈的半徑，為1.5m h—蛇管每相鄰圈的中心距，取0.20m 蛇管的總?cè)?shù)為： NP=L/L1=262/10=27

34、(圈) 蛇管總高度： （5） 發(fā)酵罐壁厚 ① 發(fā)酵罐壁厚S 式中 P—設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取0.5MPa D—發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=533cm —A3鋼的許用應(yīng)力，=127MPa —焊縫系數(shù)，其范圍在0.15～1之間，取0.7 C—壁厚附加量（cm） C=C1+C2+C3 式中C1—鋼板負(fù)偏差，視鋼板厚度查表確定，范圍為0.13～1.3，取C

35、1=0.8mm C2—為腐蝕裕量，單面腐蝕取1mm，雙面腐蝕取2mm，現(xiàn)取C2=2mm C3—加工減薄量，對(duì)冷加工C3=0，熱加工封頭C3=S010﹪，現(xiàn)取C3=0 C=0.8+2+0=2.8（mm） 查詢可知選用30mm厚A3鋼板制作。 ② 封頭壁厚計(jì)算 式中 P=0.5MPa ,D=533cm，=127MPa，=0.7 C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）

36、 選用30mm厚A3鋼板制作 （6） 進(jìn)出口管徑 ① 稀糖液進(jìn)口管徑【8,13】： 稀糖液體積流量為99m3/h，其流速為0.42m3/s，則進(jìn)料管截面積為： 直徑 取無(wú)縫鋼管φ58010，580mm＞288mm，可適用。 ② 稀糖液出口管徑 因?yàn)槌隹谖锪狭恳冗M(jìn)口物料量大些，按說(shuō)出口管徑應(yīng)該比稀糖液進(jìn)口管徑大些，所以取φ60010無(wú)縫鋼管就可以滿足了。 則取無(wú)縫鋼管φ60010 ③

37、排氣口管徑 取φ63012無(wú)縫鋼管。 ④ 支座選擇 由于發(fā)酵罐很大，總重量較大，選用裙式支座，并用鋼筋混凝土制做。 5.3 其它設(shè)備的計(jì)算和選型 5.3.1 蒸餾設(shè)備 蒸餾設(shè)備【8,9,14】]采用差壓蒸餾兩塔系機(jī)組，可以充分利用過(guò)剩的溫差，也就是減少了有效熱能的損失。 設(shè)計(jì)蒸餾機(jī)組如下： （1）醪塔：仿法國(guó)方形浮閥塔板，塔徑3000mm，22板，板間距500mm，塔高14800mm，裙座直徑3000mm，高5000mm； （2）精餾塔：仿法國(guó)方形浮閥塔板，塔徑2600mm，65板，板間距350mm，塔高26500mm， 裙座直徑2600mm，高5000mm。 5.3.

38、2 換熱器的選型 換熱器標(biāo)準(zhǔn)換熱管尺寸φ252mm的不銹鋼,為正三角形排列,管間距t=32mm同時(shí),管殼式換熱器的制造簡(jiǎn)單方便,相對(duì)投資費(fèi)用較低。 為了便于管理和操作，整個(gè)發(fā)酵車間只需一只總酒精捕集器，這樣從整個(gè)工段而言塔負(fù)荷也比較穩(wěn)定，由于CO2中含酒精量變化不大，故沒(méi)有必要進(jìn)行板數(shù)的設(shè)計(jì)。 5.3.3 稀釋器 選用立式錯(cuò)板糖蜜連續(xù)稀釋器。 生產(chǎn)1t酒精需4180kg85糖蜜，密度為1450kg/ m3，1天所需的原料糖蜜為： 4180400=1672000kg， 生產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精一天內(nèi)釋至25糖蜜用量得：

39、 1421260000/250=3410880kg，密度1200kg/ m3, V1=3410880/1200=2842m3 又稀釋器的近似體積等于： 式中 D—為稀釋器的內(nèi)徑，（m） 初選糖蜜按經(jīng)驗(yàn)選取流速為u=0.35m3/s l=0.35243600=30240（m） 則 ，取0.35m 糖蜜輸送管，流速為0.10m/s

40、 取0.60m 表5-1 年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠設(shè)計(jì)主要設(shè)備一覽表 序號(hào) 設(shè)備名稱 臺(tái)數(shù) 規(guī)格與型號(hào) 來(lái)源 1 種子罐 6 1000 m3 訂購(gòu) 2 發(fā)酵罐 30 300 m3 訂購(gòu) 3 醪塔 10 浮閥型φ=3m 訂制 4 精餾塔 4 導(dǎo)向篩板塔 訂制 5 換熱器 44 管殼式換熱器 訂購(gòu) 6 酒精捕集器 4 泡罩板式 訂制 7 稀釋器 4 0.65m 訂制 8 糖蜜貯罐 22 1000 m3 訂購(gòu) 9 鍋爐 4 YG80/3.82—M7 訂購(gòu)

41、 6 工藝計(jì)算 6.1 物料衡算 6.1.1 原料消耗量計(jì)算（基準(zhǔn)：1噸無(wú)水乙醇） (1) 糖蜜原料生產(chǎn)酒精的總化學(xué)反應(yīng)式為： C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2↑ 蔗糖 葡萄糖 酒精 342 360 184 176

42、 X 1000 (2) 1000kg無(wú)水乙醇的理論蔗糖消耗量： 1000（342184）﹦1858.7（kg） (3) 生產(chǎn)1000kg燃料酒精(燃料酒精中的乙醇99.5%（V）換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為： 相當(dāng)于理論蔗糖消耗量為： 1858.799.18％﹦1843.5（kg） (4) 生產(chǎn)1000kg燃料酒精實(shí)際蔗糖消耗量（生產(chǎn)過(guò)程中蒸餾率為98﹪，發(fā)酵率為90﹪）： 18

43、43.598﹪90﹪﹦2090（kg） (5) 糖蜜原料含可發(fā)酵性糖50%，故生產(chǎn)1000kg燃料酒精糖蜜原料消耗量： 209050﹪=4180（kg） (6) 生產(chǎn)1000kg無(wú)水酒精量（扣除蒸餾損失生產(chǎn)1000kg無(wú)水酒精耗糖蜜量為）： 1858.790﹪50﹪=4130.4（kg） 6.1.2 酵醪液量的計(jì)算 酵母培養(yǎng)和發(fā)酵過(guò)程放出二氧化碳量【9】為： （100099.18%）98%(176184)=968 采用單濃度酒精連續(xù)

44、發(fā)酵工藝，把含固形物85﹪的糖蜜稀釋成濃度為22﹪～25%的稀糖液。設(shè)稀釋成25%的稀糖液： 4180（85%25%）=14212(kg) 即發(fā)酵醪液量為：14212kg 酵母繁殖和發(fā)酵過(guò)程中放出968kg的二氧化碳，則蒸餾發(fā)酵醪的量為（其中酒精捕集器稀酒精為發(fā)酵醪量的6%）： F1：（14212-968）（1.00+6%）=14039（kg） 蒸餾成熟發(fā)酵醪的酒精濃度為： B1：(100099.18%)(98%14039)=7.14% 6.1

45、.3 成品與廢醪量的計(jì)算 糖蜜原料雜醇油產(chǎn)量約為成品酒精的0.25%～0.35%，以0.3%計(jì)，則雜醇油量【9】為： 10000.3% =3 (kg) 醪液進(jìn)醪溫度為t1=55℃，塔底排醪溫度為t4=85℃，成熟醪酒精濃度為B1=7.14%，塔頂上升蒸汽的酒精濃度50%（v）即42.43%（m），生產(chǎn)1000kg酒精，則： 醪塔上升蒸汽量為： V1=140397.14%42.43%=2363（kg） 殘留液量為： W

46、X=14039-2363=11676（kg） 根據(jù)發(fā)酵醪比熱公式C=4.18（1.0919-0.0095B） 成熟醪液比熱容為： C1=4.18（1.019-0.95B1） =4.18（1.019-0.957.14%） =3.98[kJ/(kgK)] 成熟醪帶入塔的熱量為： Q1=MC1t1=140393.9855=3.08106(kJ) 蒸餾殘液內(nèi)固形物濃度為：

47、 B2 = F1B1/WX=(140397.14%)/11676=8.59% 根據(jù)殘留液比熱公式C = 4.18（1-0.00378B2） 蒸餾殘余液的比熱容： C2 = 4.18（1-0.378B2） =4.18（1-0.3788.59%） =4.04[kJ/(kgK)] 塔底殘留液帶出熱量為： Q4=WXC2t4=116

48、764.0485=4.01106(kJ) 查附錄得42.43%酒精蒸汽焓為2045KJ/kg。故上升蒸汽帶出的熱量為： Q3=V1i=23632045=4.83106（kJ） 塔底真空度為-0.05MPa（表壓），蒸汽加熱焓為2644KJ/kg，又蒸餾過(guò)程熱損失Qn可取傳遞總熱量的1%，根據(jù)熱量衡算，可得消耗的蒸汽量為： D1=（Q3+Q4+Qn-Q1）/(I-CWt4) =（4.83106+4.01106-3.08106）/[(2644-4.1885) 99%]

49、 =2542(kg) 若采用直接蒸汽加熱，則塔底排出廢液量為： WX+D1=11676+2542=14218(kg) 6.1.4年產(chǎn)量為6萬(wàn)噸燃料酒精的總物料衡算 日產(chǎn)產(chǎn)品酒精量：60000/250=240(t) 每小時(shí)產(chǎn)酒精量：24024=10（t） 主要原料糖蜜所需量： 日耗量：4180240=1003200（kg）=1003.2（t） 年耗量：501.6250=2.508105（t） 每小時(shí)產(chǎn)次級(jí)酒精：10（298）=0.20408(t) 實(shí)際年產(chǎn)次級(jí)酒精：0.2040824250

50、=1224.48（t） 糖蜜原料酒精廠物料衡算見(jiàn)表4-1 表6-1 60000t/a糖蜜原料酒精廠物料衡算表 物料衡算 生產(chǎn)1000kg99.5%酒精物料量 每小時(shí) （kg） 每天 （t） 每年 （t） 燃料酒精 1000 10000 240 60000 糖蜜原料 4180 41800 1003 250800 次級(jí)酒精 20 200 4.8 1200 發(fā)酵醪 14212 142120 3411 852720 蒸餾發(fā)酵醪 14039 140386 3369 84

51、2316 雜醇油 3 30 0.72 180 二氧化碳 968 9680 232 58082 醪塔廢醪量 14218 142236 3414 853418 6.1.5 稀釋工段的物料衡算 （1） 計(jì)算每生產(chǎn)1000kg酒精稀釋糖蜜用水量 稀釋成25﹪稀糖液用水量為： W1= 14212-4180=10032 (kg) 則生產(chǎn)6萬(wàn)噸燃料酒精每小時(shí)稀釋糖蜜需要用水量： 10032100001000=100320 (kg/h)

52、 生產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精一年稀釋糖蜜需要的用水量： 1003260000=6.0192108（t/a） （2） 營(yíng)養(yǎng)鹽添加量 選用氮量21﹪的硫酸銨作為氮源，每噸糖蜜添加1kg【7】， 則每生產(chǎn)1t酒精硫酸耗量為： 418011000=4.18（kg） 每小時(shí)耗量： 4.1850001000=20.9（kg/h） 日耗量： 20.924=501.6（kg/h）

53、 則生產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精一年需要硫酸銨用量： 4.1860000=250800（kg/a） （3） 硫酸用量 每噸糖蜜用硫酸5kg【7】： 則每生產(chǎn)1噸酒精消耗硫酸的量為： 4.185=20.9（kg） 年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精，硫酸總消耗量為： 20.960000=1254000（kg）=1254（t） 每日用量： 1254250=5.016（t） 6.2 熱量衡

54、算 6.2.1 發(fā)酵工段的物料和熱量衡算 現(xiàn)生產(chǎn)60000t/a，要每小時(shí)投入糖蜜量41800kg/h， 則無(wú)水酒精量為： 4180010004130.4=10120（kg/h） 以葡萄糖為碳源，酵母發(fā)酵每生成1kg酒精放出的熱量約為1170kJ 【9】。則年產(chǎn)3萬(wàn)噸酒精工廠，培養(yǎng)酵母和發(fā)酵每小時(shí)放出的熱量為： Q=117010120=1.18404107（kJ/h） 發(fā)酵酵母冷卻水初溫TW1=20℃，終溫TW2=27℃，平均耗水量為： W酵母發(fā)酵=Q/[Ce(TW1-TW2)]=1.18404107

55、/[4.18(27-20)]= 404661.65(kg/h) 酵母酒精捕集器用水：（蒸餾發(fā)酵醪的量為F=140385.968kg/h） 5%F1.06=5%140385.9861.06=6621.98(kg/h) 則發(fā)酵部分總用水量： W發(fā)酵部分=404661.65 +6621.98=411283.63（kg/h） 6.2.2 蒸餾工段的物料和熱量衡算 按采用差壓蒸餾兩塔流程計(jì)算【3,10】，進(jìn)醪塔酒精濃度為7.14%，出醪塔酒精蒸汽濃度為50%。 （1） 醪塔見(jiàn)圖6-1

56、 V1 醪 塔 Q3=V1i Qn1 F1 Q1=F1C1t1 D1 Q4=Q14+D1Ct4 Q2=D1I1 Wx+D1 圖

57、6-1 醪塔的物料和熱量平衡圖 醪液預(yù)熱至55℃，進(jìn)入醪塔蒸餾，酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.14%，沸點(diǎn)92.4℃，上升蒸汽濃度為50%（v），也就是42.43%（w）。已知塔頂75℃，塔底85℃。則塔頂上升蒸汽熱焓量i1=2045kJ/kg。加熱蒸汽取0.05MPa絕對(duì)壓力，則其熱焓量I1=2644kJ/kg。 總物料衡算： 即 6-1 酒精衡算式： 6-2 式中：xF1—成熟發(fā)酵醪內(nèi)酒精含量[%（W）]，xF1=7.14﹪。 y1

58、—塔頂上升蒸汽中酒精濃度[%（W）]，y1=42.43 ﹪。 xW1—塔底排出廢糟內(nèi)的酒精濃度[%（W）]，塔底允許逃酒在0.04﹪以下，取xW1=0.04﹪。 熱量衡算式： 6-3 設(shè)CF1=3.98kJ/（kgh），CW=4.04kJ/（kgk），Ce=4.18kJ/（kgk），并取熱損失Qn1=1﹪D1I1，tF1=55℃，tW1=85℃，蒸餾發(fā)酵醪F1=140385.986（kg/h） 由4-1、4-2、4-3可得： V1=133555（kg/h），Wx=6830（kg/h），D1=

59、116313860（kg/h） 一般醪塔采用直接蒸汽加熱，塔底醪排出量為： G1=WX+D1=6830+116313860=116320690（kg/h） 表6-2 年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精廠蒸餾工段醪塔物料熱量匯總表 進(jìn)入系統(tǒng) 離開系統(tǒng) 項(xiàng)目 物料（kg/h） 熱量（kJ/h） 項(xiàng)目 物料（kg/h） 熱量（kj/h） 成熟醪 F1= 140385 F1CF1tF1= 30730276 蒸餾殘液 WX = 6830 WXCWtW1= 2345422 加熱蒸汽 D1= 116313860 D1I

60、1= 307533845840 上升蒸汽 V1= 133555 V1i1= 273119975 加熱蒸汽 D1= 116313860 D1tW1Ce= 41326314458 熱損失 Qn1= 3075338458 累計(jì) 116454245 307564576116 累計(jì) 116454245 44677118313 （2）精餾塔 ① 塔頂溫度105℃，塔底130℃，進(jìn)汽溫度130℃，出塔濃度為96﹪（v），即93.84﹪（w）【8】。 出塔酒精量為： P=1000099.

61、18%93.84%=10569 (kg/h) ② 每小時(shí)醛酒量：因?yàn)槿┚普汲鏊凭?﹪，則每小時(shí)的醛酒量為： A=2﹪10569=211.38(kg/h) ③ P′= P–A =10569- 211.38=10357.62(kg/h) 圖4-2 精餾塔的物料和熱量衡算圖 ④ 在精餾塔中，塔頂酒精蒸汽經(jīng)粗餾塔底再沸器冷凝后，除回流外，還將少量酒精送到洗滌塔再次提凈。據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，此少量酒精約為精餾塔餾出塔酒精的2%左右，則其量為【8】： Pe= P′2%=1035

62、7.622%=207（kg/h） ⑤ 酒精被加熱蒸汽汽化逐板增濃,在塔板液相濃度55%(v)出汽相抽取部分冷凝去雜醇油分離器,這部分冷凝液稱雜醇油酒精,數(shù)量為塔頂餾出塔酒精的2﹪左右,其中包括雜醇油：m0= 0.3%P=0.3%10569 =31.707(kg/h) 故H=(P′+Pe)2%=（10357.62+207）2%=211.29(kg/h) 在雜醇油分離器內(nèi)約加入4倍水稀釋,分油后的稀酒精用塔底的蒸餾廢水經(jīng)預(yù)熱到t

63、H=80℃,仍回入精餾塔,這部分稀酒精量為: H′= (1+4)H–m0 = 5H–m0=5211.29-31.707=1024.743(kg/h) ⑥ 物料平衡： F2 + D2 + H′= P′+ Pe + H + D2 + W′x 則: W′x = F2 + H′-P′-Pe -H =133555+1024.743-10357.62-207-211.29 =123803.833

64、(kg/h) ⑦ 熱量平衡： Error! No bookmark name given. = 式中 R—精餾塔回流比一般為3～4，取3【11】 I2—精餾塔加熱蒸汽熱焓量，0.6Mpa絕對(duì)壓力，I2=2652(kJ/h) tH—為回流稀酒精進(jìn)塔溫度tH=80℃ CH—為雜醇油分離器稀酒精比熱，稀酒精濃度為： x′H=[xH(H－m0)]/H′=[75.2%(211.29－31.707)]/1024.743=13.178%， 查得起比熱為CH =4.43kJ/（kgk），

65、75.2﹪—為雜醇油酒精的重量百分濃度，與液相濃度55﹪（v）相平衡。 tP—出塔酒精的飽和溫度(78.3℃) CP—出塔酒精的比熱，應(yīng)為2.80[kJ/（kgk）] i2—塔頂上升蒸汽熱含量,i2=1163.2 (kJ/kg) iH—雜醇油酒精蒸汽熱含量,應(yīng)為iH=1496(kJ/kg) tw2—精餾塔塔底溫度，取130℃ Cw取4.04KJ/（kgk） Qn2—精餾塔熱損失,Qn2=2%D2I2 CF2—進(jìn)塔酒精的比熱，取CF2=4.16(kJ/kg) tF2—進(jìn)料溫度，取90℃ W′x上面

66、算得123803kg/h 計(jì)算可得：D2=10330(kg/h) 塔底排出的廢水： G=D2+W′x=10330+123803=134133（kg/h） 計(jì)算蒸餾工段的蒸餾效率： ηp=xpP/（xF1F1）=（93.13%5284.5）（7.14%70195）=98.197% 表6-3 年產(chǎn)6萬(wàn)噸酒精工廠蒸餾工段精餾塔物料熱量衡算匯總表 進(jìn)入系統(tǒng) 離開系統(tǒng) 項(xiàng)目 物料（kg/h） 熱量（kJ/h） 項(xiàng)目 物料（kg/h） 熱量（kj/h） 脫醛液 F2= 133555 F2CF2tF2= 50002992 96﹪酒精 P′= 10358 P′CPtP