年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计--毕业设计

年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计--毕业设计 唐 山 学 院 设计 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计 系 别: 环境与化学工程系 班 级: 08化学工程与工艺(2)班 姓 名: 路 冉 冉 指 导 教 师: 李 云 凯 2012年6月11 日 唐山学院毕业设计, 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,任务书 环境与化学工程 系 08化工本 专业 2 班 姓名:路冉冉 毕业设计(论文)时间: 2012 年 3 月 21 日 至 2012 年 6 月 24 日 毕业设计(论文)题目: 年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计 1.毕业设计(论文)的目的和意义 本设计主要设计工艺流程、物料衡算、热量衡算和主要设备工艺计算，参考淀粉质原料较成熟的工艺，同时考虑国内外的一些先进设备，以尽量减少损失，达到最佳的操作，并获得较大的酒精收率，为后续工艺设计合理的技术路线。整个设计应安全适用并符合国家要求，添加合适的安全系数后本设计可以应用到实际的生产当中去。 2.毕业设计(论文)课题任务的内容和要求 通过论证分析和技术经济比较，确定较为合理工艺流程。通过对工艺流程和工艺参数的确定，进行物料衡算、热量衡算、水平衡计算、耗电量计算、设备的计算与选型以及经济概算等。并在设备的计算与选型基础上，绘制图纸。 3.毕业设计(论文)成果的要求 根据设计结论对所需设备进行选型。通过对物料进行工艺计算，确定每个设备的的工艺尺寸。进行各种衡算。完成图纸四张(2号图纸):重点设备图、全厂工艺流程图、车间平面布置和全厂平面布置图。 毕业设计(论文)进度计划安排 阶段 应完成的主要工作 起止教学周 1 查阅相关文献,论文总体设计,填写工作进度计划表，撰写开题报4-5 告 2 确定设计大致思路 6 3 进行工艺比较，方法的论证，物料衡算 7-8 4 热量衡算的计算，空气、水量的计算，设备的选型 9-10 5 工艺图和设备图的作图 11-14 6 整理试验数据，撰写论文，上交指导老师 15 7 论文答辩 16 8 主要参考文献 [1] 吴思方. 发酵工厂工艺设计概况[M]. 北京:中国轻工业出版社,1998.10 [2] 陈宁. 氨基酸工艺学[M]. 北京:中国轻工业出版社,2007，1 [3]陈洪章. 纤维素生物技术[M]. 北京,化学工业出版社, 2005 [4]吴德荣. 化工工艺设计手册 第四版(上下册) [M]. 化学工业出版社, 2009 [5]谢林, 吕西军. 玉米酒精生产新技术[M]. 北京, 中国轻工业出版社, 2000 [6]贾树彪等. 新编酒精工艺学[M]. 北京,化学工业出版社, 2004 指导教师(签名): 审批人(签名): 毕业设计(论文)指导教师评议书(1) 序评分指分数范具 体 要 求 得 分 号 标 围 学习态1 0—4分努力学习，勤于思考，遵守纪律，作风严谨务实。 度 能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地调研论2 0—8分 理解课题任务并提出实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，有分析整理各类信息并 证 从中获取新知识的能力。 综合能能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题，工作3 0—10分 力 中有创新精神，成果有新意或有实用价值。 设计(论论证、分析、设计、计算、建模、实验正确合理，工作4 0—10分 文)质量 量饱满。 外文翻摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及5 0—4分 译 字数要求。 说明书 (论文) 说明书文字通顺、结构严谨、逻辑性强、格式规范、符6 0—4分 撰写质合规定字数要求，绘图清楚、工整、规范。 量 合计 0—40分 评语: 指导教师: 年 月 日 本毕业设计(论文)需要特殊说明的有关问题 指导教师: 年 月 日 毕业设计(论文)评阅教师评议书(2) 序号 评分指标 具 体 要 求 分数范围 得 分 能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理1 0—4分 调研论证 解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中 获取新知识的能力。 能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题，工作中2 0—5分 综合能力 有创新精神，成果有新意或有实用价值。 设计(论论证、分析、设计、计算、建模、实验正确合理，工作量3 0—6分 文)质量 饱满。 摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字4 0—2分 外文翻译 数要求。 说明书 说明书文字通顺、结构严谨、逻辑性强、格式规范、符合5 0—3分 (论文) 规定字数要求，绘图清楚、工整、规范。 撰写质量 合计 0—20分 评语: 评 阅 人: 年 月 日 毕业设计(论文)答辩小组评议书(3) 评分指标 具 体 要 求 分数范围 自 述 思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，分析归纳合理。 0— 7分 水 平 工作中有创新精神，成果有新意或有实用价值。 0— 8分 答 辩 能够正确回答所提出的问题，基本概念清楚，有理论根据。 0—20分 资 料 资料齐全，符合学院毕业设计(论文)规范化要求。 0— 5分 合计 0—40分 评委1 评委2 评委3 评委4 评委5 评委6 评委7 总 分 平均成绩 答辩纪要: 答辩小组秘书(签字): 答辩小组组长(签字): 年 月 日 年 月 日 答 辩 委 员 会 意 见 指导教师评议 评阅人评议 答辩小组评议 汇总成绩 秘书(签字) 唐山学院 系毕业设计(论文)答辩委员会于 年 月 日审查了 专业学生 的毕业设计 (论文) (其中设计说明书(论文)共 页，设计图纸 张)。根据其设计(论文)的完成情况以及指导教师、评阅教师、答辩小组的 意见，系毕业设计(论文)答辩委员会认真审议，决议如下: 成绩评定为: 主任(签字): 年 月 日 年产10万吨纤维质原料酒精发酵 工艺设计 摘要 纤维质酒精发酵技术，它利用地球上广泛存在的纤维质生物原料生产清洁的乙醇燃料，是一种高端的清洁能源技术。本次设计的主要任务是设计以玉米秸秆为原料发酵酒精的工艺流程。本次设计采用的主要工艺为:纤维素酶水解、单浓度连续发酵、双塔蒸馏工艺。通过物料衡算、热量衡算、水电汽耗的计算、设备的选型及计算等进行工艺设计优化，并使其具有合理性与可行性。 关键词:酒精 纤维质 酒精发酵 With an Annual Output of 100,000 Tons Fuel Ethyl Alcohol Factory Design Abstract Cellulose alcohol fermentation technology, which utilizes the widespread production of fibers of biological raw materials on the cleaner production of alcohol fuel, is a high end and clean energy technology. The main task of the design is designed alcoholic fermentation process flow using the maize straw as the raw materials .of the design process: cellulase hydrolysis, single-density and continuous fermentation ,Twin-Tower distillation process of the differential pressure type, water absorption of zeolite molecular sieves.Through the calculation of the materials balance and the thermal balance, the consumption of water, power and steam ,the equipment selection and calculation,made a optimized process design,with the reasonability and feasibility. Key words:Alcohol; Fibers; Fermentation of alcohol 目 录 言 ............................................................... 1 1 引 1.1 酒精发展现状 .................................................... 1 1.1.1 酒精的概述 .................................................. 1 1.1.2 酒精发酵工艺 ................................................ 1 1.2 纤维质概述 ...................................................... 1 1.2.1 纤维素的结构与性质 .......................................... 2 1.2.2 半纤维素的结构与性质 ........................................ 2 1.2.3 木质素的结构与性质 .......................................... 2 1.3 纤维质酒精发酵现状 .............................................. 2 1.4 本课题的目的和意义 .............................................. 3 2 设计概论 ............................................................ 5 2.1毕业设计的题目 .................................................. 5 2.2毕业设计的目的 .................................................. 5 2.3 毕业设计的任务 .................................................. 5 2.4 设计的指导思想 .................................................. 5 2.5 设计的依据 ...................................................... 6 2.6 生产方案的确定和产品方案 ........................................ 6 2.7 厂址选择的总原则 ................................................ 6 2.7.1厂址选择的重要性 ............................................ 6 2.7.2厂址选择的基本任务 .......................................... 7 2.7.3厂址选择的一般原则 .......................................... 7 2.8工厂总平面布置 .................................................. 7 2.8.1工厂总平面布置的一般原则 .................................... 7 2.9车间布置 ........................................................ 8 2.9.1 车间(装置)布置的重要性 ...................................... 8 2.9.2车间 (装置)布置的组成 ....................................... 8 2.9.3车间 (装置)布置的原则 ....................................... 9 3 工艺论证 ........................................................... 10 3.1 纤维素发酵乙醇工艺概述 ......................................... 10 3.2 工艺条件及说明 ................................................. 10 3.2.1 预处理工序 ................................................. 10 3.2.2 酶水解工序 ................................................. 12 3.2.3发酵工序 ................................................... 13 3.2.4 蒸馏工序 ................................................... 17 4 工艺计算 ........................................................... 20 4.1酒精生产过程的总物料衡算 ....................................... 20 4.1.1原料消耗量计算 ............................................. 20 4.1.2 发酵醪量的计算 ............................................. 20 4.1.3成品与废醪量的计算 ......................................... 21 4.1.4 年产量为10万吨燃料酒精的总物料衡算 ........................ 22 4.2 酒精生产各工段物料和能量衡算 ................................... 23 4.2.1 预处理工段 ................................................. 23 4.2.2水解工段 ................................................... 23 4.2.3发酵工序 ................................................... 24 4.2.4蒸馏工序 ................................................... 24 4.3 供水衡算 ....................................................... 28 4.3.1精馏塔分凝器冷却用水 ....................................... 28 4.3.2成品酒精冷却和杂醇油分离器稀释用水 ......................... 29 4.3.3用水量 ..................................................... 29 4.4 其他衡算 ....................................................... 29 4.4.1供气衡算 ................................................... 29 4.4.2供电衡算 ................................................... 30 5设备选型及计算 ..................................................... 31 5.1预处理设备 ..................................................... 31 5.1.1调浆桶 ..................................................... 31 5.1.2蒸煮罐个数计算 ............................................. 31 5.1.3蒸煮罐的轮廓尺寸计算 ....................................... 32 5.2水解罐的计算 ................................................... 32 5.2.1水解罐体积 ................................................. 32 5.2.2水解罐数量 ................................................. 32 5.3发酵设备设计 ................................................... 33 5.3.1发酵罐容积和个数的确定 ..................................... 33 5.3.2冷却面积和冷却装置主要结构尺寸 ............................. 34 5.3.3发酵罐壁厚 ................................................. 36 5.3.4进出口管径 ................................................. 37 5.3.4其他罐体设备 ............................................... 37 5.5其他设备 ....................................................... 38 5.5.1蒸馏设备 ................................................... 38 5.5.2换热器的选型 ............................................... 38 6车间常用布置设计 ................................................... 40 6.1发酵设备 ....................................................... 40 6.2蒸馏设备及其他设备 ............................................. 40 结 论 ............................................................... 41 谢 辞 ............................................................... 42 参考文献 ............................................................. 43 外文资料 ............................................................. 44 译文 ................................................................. 50 唐 山 学 院 毕 业 设 计 1 引 言 1.1 酒精发展现状 1.1.1 酒精的概述 乙醇俗称酒精，是一种可再生,并且清洁、无污染的能源。乙醇作为重要化工原料，以可再生的农产品为生产原料，不但可制造乙烯，代替石油生产石油化工产品，支撑“后石油时代”的石化工业，而且可以代替石油产品用作燃料，并同时呈现出比石油产品更安全、清洁、高效、可持续的四大特征。 乙醇的用途可以分为燃料酒精、工业酒精和食用酒精三大类，目前世界上酒精的主要用途是用于燃料。乙醇是燃料酒精中最主要的能源物质之一，它以玉米、薯类、小麦、糖蜜或植物等为原料，经发酵 、蒸馏而制成，将乙醇进一步脱水再经过不同形式的变性处理后成为变性燃料乙醇。燃料乙醇也就是用粮食或植物生产的可加入汽油中的品质改善剂。它不是一般的酒精，而是它的深加工产品。在这种燃料中，乙醇既是一种能源，又是一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分，用以代替四乙基铅和MTBE。目前，世界上使乙醇汽油时间最长，成效最大的国家，属巴西和美国。 1.1.2 酒精发酵工艺 酒精发酵工艺可根据其原料的不同分为:淀粉质酒精发酵、糖类酒精发酵、纤维质酒精发酵、其他原料发酵四种。从整个流程来讲，酒精发酵流程大致可分为四部分:原料预处理、原料水解制单糖、单糖发酵酒精、发酵产物蒸馏。 生产燃料乙醇的原料来源较广，但目前已产业化的用于生产燃料乙醇的原料基本上属于粮食作物、淀粉基作物及糖料作物。但是这些原料基本上都存在“与民争粮，与粮争地”的问题，长期发展，将危及粮食安全。纤维质原料中富含纤维素和半纤维素，可降解成可发酵的葡萄糖和木糖等，而且在地球上储量极其丰富，有望成为生产燃料乙醇的新一代原料。而与化石燃料和粮食乙醇相比较，也只有纤维质燃料乙醇才能够达到大量减少温室气体排放的目的。因此，近年来全球发达国家都将利用农作物秸秆纤维质转化成燃料乙醇的研究作为研发重点，开发第二代燃料乙醇——纤维质乙醇。 1.2 纤维质概述 纤维质在自然界中是最为丰富的生物质资源，其能量来自于太阳，植物通过光合作用固定后贮存于植物细胞壁，其主要有机成分有纤维素、半纤维素、木质素三部分。细胞壁中的半纤维素与木质素利用共价键联结成网络结构，纤维素则镶嵌 [1]在其中。 1 唐 山 学 院 毕 业 设 计 1.2.1 纤维素的结构与性质 纤维素是一种天然高分子化合物，是葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，是植物细胞壁的主要成分。纤维素由含碳、和氧三种元素组成，化学 [1]式为(CHO)n ，相对分子质量可达几十万，甚至几百万。 纤维素性质稳定，不6105 溶于水，无还原性，在常温下不发生水解，在高温下水解也很慢。只有在催化剂(如纤维素酶)存在下，纤维素的水解反应才能显著地进行。纤维素经催化剂催化水解可生成葡萄糖，该反应可表示为: (CHO) n + n HO = n CHO ，水解得到的葡610526126 萄糖在酵母的催化作用下可发酵生成酒精，经过蒸馏工艺可得到酒精产品，由于其原料来源广泛求价格低廉，因此，有很好的经济效益。 1.2.2 半纤维素的结构与性质 半纤维素是一种复杂的多糖分子，以通过 β-1,4-糖苷键的连接方式，还可以由不同的单糖基以不同的连接方式连接成结构互不相同的多种结构的各种聚糖，既可能形成是均一聚糖也可能形成非均一聚糖。半纤维素相对于纤维素更易于水解，有些半纤维素的成分甚至在冷水中的溶解度很大。半纤维素可溶于碱溶液中， [2]也能被稀酸在 100 ?以下水解，同时还能被相应的各种半纤维素酶分解。半纤维素中木聚糖的水解过程可表示为: (CHO) n + n HO = n CHO ，半纤维素水解58425105 得到的木糖也可在催化剂的催化作用下发酵生成酒精，但是，催化条件与葡萄糖有很大的不同，且其催化工艺目前发展还不是很成熟，因此，不能同时进行发酵。但可以被利用发酵沼气，也可形成一定的经济效益。 1.2.3 木质素的结构与性质 木质素是一类复杂的无定形高聚物，由苯丙烷单元通过醚键和 C-C 键连接形成的，其主要单体为香豆醇(coumaryl alcohol)、松柏醇(coniferyl alcohol) [3]和芥子醇(sinapyl alcohol)。木质素和半纤维素作为细胞间质在细胞壁的微细纤维之间能起到很好的填充作用，同时加固木化组织的细胞壁，也存在于细胞间质，把相邻的细胞黏结在一起，有阻止微生物攻击和增加茎杆抗压强度的作用。木质素并非聚糖，不能被水解为单糖，其分子式为(CHO) n 。另外木质素在纤维素周围6102 形成保护层，影响纤维素水解。 1.3 纤维质酒精发酵现状 迄今为止，我国学术界和产业界在纤维素乙醇发酵技术开发和工业化进程上已经做出了很多努力，在具体的技术细节和工艺选择上呈现多样性特点。总体上，我国纤维素发酵乙醇工艺技术研发方面，其研究工作已经完成实验室研究阶段，正在步入中试和产业化培训阶段。目前，国内已开展的纤维素发酵乙醇项目大多数处 2 唐 山 学 院 毕 业 设 计 于中试或示范阶段，与国外的发展阶段基本一致。同时与国外相比，我国在纤维素发酵乙醇技术研发的工艺选择上相对集中，已取得中试和示范规模的项目选用生物转化技术路线，即预处理-酶催化水解-发酵工艺。对其他工艺，如气化微生物发酵、集成生物过程(CBP)、热化学转化等关注度不高。 在我国，河南天冠酒精化工集团有限公司作为“十五”期间国家发改委确定的全国4家燃料乙醇定点生产企业之一，目前已掌握着秸秆生产乙醇的关键技术。中试结果显示，6吨左右秸秆可产出1吨乙醇，技术理论转化率超过18%。据测算，全国每年仅农作物秸秆有7亿吨，其中2亿吨被作为农村燃料消耗。若将其余5亿吨用来生产乙醇，可产7000万吨乙醇。再加上木材、制糖、造纸工业下脚料和城市废纤维垃圾，总计可得乙醇8500万吨，比全国汽油消耗总量还要多。 纤维乙醇技术一举三得，首先，纤维原料可再生，用它生产燃料乙醇可缓解能源危机;其次，企业可接受的价格，每吨秸秆可直接为农民增加200元收入，按平均每户4人5亩地计算，一年可净增收1500元;同时，木质素热值和等量的煤相当，粗木质素可以加工成“煤球”，纯度稍高的可做成活性炭，每吨市场价在五千元左右，而经精制的高纯度木质素则可作为添加剂用于改善聚氨酯产品的综合性能，每吨售价也在6000-10000元，生产酒精后产生的废糟液发酵处理，生产沼气，供居民生活使用。生产沼气后，剩余的糟液残渣又能加工成动物饲料或制成“绿色”沼渣肥，用于农业建设。 1.4 本课题的目的和意义 纤维类物质是地球上最为丰富的碳水化合物之一，自然界中最丰富的可再生资源，秸秆造乙醇的大规模工业化生产，把大量的农业纤维原料及工业纤维废料中的纤维素经济、有效地水解成葡萄糖，并进一步用于酒精、有机酸和抗生素等的生产使乙醇生产摆脱了单纯依赖粮食的瓶颈制约，乙醇产业从此真正实现了可持续发展，展示了生物能源开发的广阔前景。 纤维乙醇技术利用可再生的纤维原料生产燃料乙醇可缓解能源危机，有利于改善目前资源日益紧张，环境日趋恶劣的状况，具有重要的经济和社会意义;从可持续发展的角度出发，它最大的突破在于不与人畜争粮，保证粮食安全，利用廉价的纤维素废弃物代替粮食生产酒精，其社会效益和经济效益都很明显。另外带动周围农业经济为农民增加收入，对于促进新农村建设具有很强的现实意义。同时，本项目建设将生产废物变废为宝，增加经济效益的同时注重社会效益和环保效益，并为我国纤维质原料制取酒精的研发提供更大的平台。纤维质是自然界中最大量的可再生资源，利用纤维质原料制取燃料酒精是当前各国新资源战略的重点，世界各国纷纷投入巨资竞相研发。利用最广泛、最廉价的植物纤维原料制造最大量、最便宜 3 唐 山 学 院 毕 业 设 计 的洁净流体燃料，将是解决燃料乙醇原料和确保国家粮食、能源安全的最佳途径，也是国家能源替代战略的长久之计。 4 唐 山 学 院 毕 业 设 计 2 设计概论 2.1毕业设计的题目 年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计。 2.2毕业设计的目的 树立正确的设计思想，严格按照各种建筑规范，在技术上采用先进的生产技术和成熟的科技成果，选择成熟先进、安全可靠的生产工艺及生产设备;各项技术经济指标先进，生产损耗和能耗低，经济上使用合理合理，环境污染程度低，在环境保护上具有可行性。对生产过程的物料、水、电、汽进行平衡计算，及相关主要生产设备进行选型与计算，同时对重点设备进行设计，对重点车间平面以及全厂进行平面布置设计，并绘制图纸。通过毕业设计熟悉纤维质原料酒精生产过程和一些工程技术问题的解决方式，培养独立查找、分析和使用技术资料的能力，能独立编写设计文件，并熟练使用CAD软件绘制工艺流程图和设备布置图。 2.3 毕业设计的任务 (1)确定纤维质酒精工厂建立的意义。 (2)厂址的选择、建设规模和布置方案。 (3)对设计题目进行总体构思，包括工艺流程的选择、工艺批次及工艺参数的选取等。 (4)利用设计题目的规格进行全厂的物料衡算:所有的原辅料、半成品和成品，并对其每批次产量、每天产量、月产量、年产量进行计算。 (5)在物料衡算基础上，进行全厂的设备设计、计算选型，对全厂的所有标准设备进行生产能力的计算，列出全厂设备一览表。 (6)对全厂水、电、汽进行计算，列出衡算表。 (7)重点设备和工艺的设计及讨论。 (8)重点车间和全厂平面布置设计。 (9)绘制图纸。 2.4 设计的指导思想 设计以新兴的纤维质酒精生产工艺为蓝本，综合收集的资料及查阅的大量相关资料，力求在技术上采用先进的生产经验和成熟的科技技术，使其具有先进性和可实施性;工艺流程、设备型号、工艺控制及工艺条件成熟先进、安全可靠;生产经济技术指标先进，生产损耗和能耗低，经济上使用合理合理，环境污染程度低，在环境保护上有可行性。 5 唐 山 学 院 毕 业 设 计 (1)设计时，为确保工艺操作稳定、安全、产品质量好，部分工艺采用了传统式生产，同时进行一定程度上的革新改造，引进了国外较先进的技术和设备。 (2)设计时，尽量降低操作费用及酒精的单耗量，使其具有投产快，效益高的特点。 (3)设计时，为保证酒精厂今后的发展(如增加品种、扩大产量等)，在厂区平面布置上及设备选用上，都留有适当的余地，同时又不会对造成现有设备、场地造成太大的浪费。 (4)在设计工艺时，为使工人劳动条件有所改善及降低劳动强度，采用一些新工艺、新设备，采用部分自动化仪表控制，增加整体工艺的机械化、自动化水平，同时又确保酒精质量。 (5)设计时，为保证酒精厂的环境，对污水处理、CO回收等综合利用，在改2 善环境污染的同时还增加工厂的收入。 2.5 设计的依据 依据国家及地方政府的政策和经济计划，综合国内、国际的市场情况，对当地的原料、水源、地质、能源供应及交通运输状况的调查与研究，查阅大量相关资料，根据设计题目的要求，将理论设计知识与实践相结合，对纤维酒精工厂进行一个完整的设计。 2.6 生产方案的确定和产品方案 从投资规模、销售数量、水源、能源、供电、技术等方面综合考察，决定设计建造一座年产10万吨的纤维质酒精厂，产品质量达到国家酒精标准，浓度为99.5%(V)。 [4]2.7 厂址选择的总原则 2.7.1厂址选择的重要性 厂址选择是工业基本建设中的一个重要环节，是一项政策性、技术性很强、牵涉面很广、影响面很深的工作。从宏观上说，它是实现国家长远规划、工业布局规划、决定生产力布局的一个具体步骤和基本环节。从微观上讲，厂址选择又是具体的工业企业建设和设计的前提。厂址选择是否得当，关系到工厂企业的投人和建成后的运营成本，对工厂企业的经济效益影响极大。因此，厂址选择是百年大计的问题。对于从事发酵工厂设计的技术人员来说，绝不可轻视处置，而应深思熟虑和严谨从事。 6 唐 山 学 院 毕 业 设 计 2.7.2厂址选择的基本任务 厂址选择的基本任务是根据国家(或地方、区域)的经济发展规划、工业布局规划和拟建工程项目的具体情况和要求，经过考察和比选，合理地选定工业企业或工程项目的建设地区(即大区位)，确定工业企业或工程项目的具体地点(即小区位)和工业企业或工程项目的具体坐落位置(即具体位置)。厂址选择工作在阶段上讲属于编制项目 申请报告 工作调动申请报告申请赶工费用报告农业普查经费申请报告幼儿园办园申请报告设备购置项目申请报告 或可行性究的一个组成部分，项目申请报告或可行性报告一经批准，便成为编制工程设计的依据。 2.7.3厂址选择的一般原则 厂址选择一般包含地点和场地的选择两部分。地点就是根据所建纤维酒精厂在某地区的地理方位及其所处的自然状况，进行勘查对比分析。场地选择，就是对所建工厂的面积大小，场地外形和潜藏的技术经济性，进行调查，通过综合比较，从中择优确定厂址。 综合而论，厂址的选择原则可归纳为如下几项: 1)厂址的位置要符合城市及工业区规划(供汽、供电、给排水、交通运输、职工文化活动、 商业网点„„)和纤维酒精工厂对环境的特殊要求。 2)厂址的地区在经济条件上条件:靠近原料、燃料基地和交通线，在原料、能源、水源和运输等方面均具有良好的供应条件。 3)酒精发酵企业应优先选用洁净度较高的生产企业厂址，应选择在大气含尘量低、含菌浓度低、无有害气体、自然环境条件良好的区域。 4)场地有效利用率较高，厂区的大小、形状和其他条件应满足工艺流程合理布置的需要，并应有远景发展规划的最终总体布局。 5)厂址应具有满足建设工程需要的工程地质条件和水文地质条件。 6)厂址的选择能确保不受水淹的地段;厂址的自然地形应有利于厂房和管线的布置，内外交通联系和场地的排水。 7)厂址附近应有可靠的污水处理设施，有利于三废的处理，保证环境卫生。 2.8工厂总平面布置 2.8.1工厂总平面布置的一般原则 从工程角度来看，化工厂的总平面布置应该注意以下要求。 1)工厂总平面布置应满足生产和运输要求:厂区布置应符合生产工艺流程的合理要求，同时使总平面布置实现生产过程中的各种物料和人员的输送距离为最小，最终实现生产的能耗为最小，实现运输及管网的短捷，厂容整齐。 2)工厂总平面布置应满足安全和卫生要求:厂区布置应充分考虑防火、防爆、 7 唐 山 学 院 毕 业 设 计 卫生等方面,根据当地气候条件对生产区和生活区进行合理布置,设计防火防爆安全设施，符合安全规范、标准和有关规定;同时考虑厂区合理的绿化，改善工厂环境，在生产的同时保证财产和人员的安全、改善劳动条件。 3)工厂总平面布置应考虑工厂发展的可能性和妥善处理工厂分期建设的问题:化工厂的布局应有较大的弹性，即要求考虑远期近期的关系，坚持“远近结合，以近为主，近期集中，远期外围，由近及远，自内向外”的布置原则，以达到近期紧凑，远期合理的目的。保证在工厂发展变化、厂区扩大后，现有的生产、运输布局和安全布局方面仍能保持合理的布置。 4)工广总平面布置应考虑各种自然条件和周围环境的影响:重视风向和风向频率对总平面布置的影响，注意工程地质条件的影响，工厂总平面布置应满足城市规划、工业区域规划的有关要求，做到局部服从全体，注意与城市规划的协调。 5) 工厂总平面布置必须贯彻节约用地原则,同时，工厂总平面布置还应应为施工安装创造有利条件。 具体厂区布置参考本论文附的厂区平面布置图 2.9车间布置 2.9.1车间 (装置)布置的重要性 装置一般以生产某种产品(如苯乙烯装置)或完成某项完整工艺过程(如乙烯装置、常减压装置)所需的设备、系统划分。 车间 (装置)布置设计是以工艺(工艺包设计阶段)和配管(基础设计及详细设计阶段)为主导专业，同时在总图、管道机械、土建、自控、设备、电力、暖风、冷冻等有关专业的密切配合下完成，并征求建设单位和有关职能部门的意见，最后由配管集中各方面意见完成此项工作。 车间 (装置)布置是设计工作中很重要的一环。布置的好坏直接关系到装置(车间)建成后能否符合工艺要求，能否有良好的操作条件，使生产安全、正常地运行，设备的维护检修能否方便可行，同时对建设投资、经济效益等都有着很大影响.所以在进行装置(车间)布置前必须充分掌握有关生产、安全、卫生等方面的资料，在布置时应严格执行有关标准、规范，根据当地地形及气象条件，作深思熟虑、仔细推敲、多方案比较，以取得最佳布置。 [4]2.9.2车间 (装置)布置的组成 车间 (装置)由生产、辅助、生活三部分组成，设计时应根据生产工艺流程，原料、中间体和产品的物化性质，以及它们之间的关系，确定需要的生产工段数，需要哪些辅助、生活部门。生产、辅助、生活三部分常见的划分如下: 8 唐 山 学 院 毕 业 设 计 2.9.3车间 (装置)布置的原则 ?根据地形、主导风向等条件进行设备布置，有效地利用车间建筑面积和土地。 ?从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修和施工有矛盾时，允许有所调整。 ?控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位，并在危险区之外。控制室还应远离振动设备。 ?充分考虑本装置(车间)与其他部门在总平面布置图上位置，力求紧凑、联系方便、缩短输送管道，达到节省管材费用及运行费用。 ?明火设备必须布置在处于可燃液体或气体设备的全年最小颇率风向的下侧，并集中布置在装置(车间)边缘。 ?所采取的劳动保护、防火要求、防腐蚀措施要符合有关标准、规范要求。 ?设备布置应整齐，尽量使主要管架布置与管道走向一致。 ?设置安全通道，人流、物流方向应错开。 ?留有发展余地。 ?综合考虑工艺管道、公用工程总管、仪表、电气电缆桥架、消防水管、排液管、污水管、管沟、阴井等设置位置及其要求。 9 唐 山 学 院 毕 业 设 计 3 工艺论证 3.1 纤维素发酵乙醇工艺概述 [7]纤维素发酵酒精工艺分为酸水解工艺和酶水解工艺两种流程。本设计采用酶水解工艺流程。 酶水解工艺流程的生产工序包括:原料预处理工序、酶水解工序、发酵工序、蒸馏工序等。纤维质经过预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离;纤维素， [8]半纤维素可水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。葡萄糖可经过发酵得到发酵成熟醪，再经过蒸馏得到成品酒精。其流程图如下图3-1所示。 图3-1 纤维质酒精发酵流程图 目前用于生产木质纤维素燃料乙醇的工艺主要有四种:分步糖化和发酵(SHF)、同时糖化和发酵(SSF)、同时糖化和共发酵(SSCF)以及联合生物加工(CBP)。本文选用SHF工艺，下面将对各个工段的工艺流程工艺条件及工艺流程的确认，以保证本设计的可行性和严谨性。 3.2 工艺条件及说明 3.2.1 预处理工序 (1)目的 [9]?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。 ?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 [10]秸秆为原料，利用物理法进行预处理，其流程图如下图3-2所示，经过该工序后 10 唐 山 学 院 毕 业 设 计 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共序。 蒸汽和挥发性 副产物(糠醛 等) 喷嘴排除玉米秸秆旋风分离器蒸 煮粉碎机电磁除铁调浆罐突然减压(3.96MPa， 60s) 滤液压滤滤液废液处理车间 水洗除尘真空吸滤湿料浆滤饼 木质素萃取器滤渣真空过滤器 水溶性物质NaOH溶液(20?) 深加工为燃料木质素 中和滤液压滤离心滤液往滤液车间处理pH=2.5 滤渣脱木质素纤维素酶水解 图3-2 预处理工序流程图 (3)工艺参数 预处理工序的工艺参数如下表3-1所示 表3-1 预处理工艺参数 名称 工艺参数 [25]玉米秸秆进料组成 纤维素 0.374% 半纤维素 0.211% 木质素 0.1769% 灰分 0.1024% 能被水解的纤维素含量 90% 饱和蒸汽蒸汽温度 250? 饱和蒸汽压力 5.5MPa 原料加热温度 190? 加热时间 5,30min 蒸煮醪的密度 0.95kg/m, 调浆罐加水比 1:3 3玉米秸秆的比热 1.62?10J/kg.k 11 唐 山 学 院 毕 业 设 计 (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。 3.2.2 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)工艺流程 酶水解工序的工艺流程图如图3-3所示 玉米浆、营养盐、培养基 发酵罐 纤维素酶去锅炉间滤渣 真空过滤酶水解液原料浆酶水解罐 发酵工序滤液 图3-3 酶水解工序工艺流程图 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 cellulose(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作碳源(往往采用酶水解剩余下来的纤维素)，玉米浆作氮源，再加营养盐，配制成合适的培养基，在30?，pH 4 .8条件下通风培养，二氧化碳和氮气排入大气。二级发酵后所得的发酵液离心除去菌体(滤渣)，滤渣加水均浆制成干物质8%的浆再次回收其中的酶。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。 (3)工艺参数 酶水解过程工艺参数的控制如下表3-2所示 12 唐 山 学 院 毕 业 设 计 表3-2 酶水解工艺参数 名称 参数 原料浆的干物质含量 8% 水解温度 50? 水解pH 4.0 糖化时间 24h 干物质初始含量 8% 酶添加量 12 U/g cellulose 水解为葡萄糖的纤维素含量 95% 酶水解液的糖含量 8% (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。 3.2.3发酵工序 (1)目的 ?培育强壮、旺盛的酵母菌种。 ?醪液中的糖类物质，在无氧条件下受酵母菌中酒化酶的作用发酵产生酒精的全过程。 (2)原料 ?主要原料 酿酒酵母、糖化工段的糖化醪等。 发酵过程采用酵母:高效活性耐高温型干酵母。它具有耐酒精度高、耐酸、耐高温、发酵速度快、使用简单方便等优点。 ?主要辅助原料 硫酸(14,,18,) :调原料的pH值，主要是以控制醪液中的pH值在4.0,5.0之间来确定硫酸的添加量。 营养盐:常用的营养盐有磷酸二铵，尿素等，其添加量根据实际生产中营养盐种类和原料的需氮量决定。需要注意的是，营养盐需用营养盐罐溶解后，再加入。 抗生素:主要抑制革兰氏阳性菌的生长。 抑菌灵:由于它对成品酒有污染，除了染菌外，一般情况不用。 青霉素和抑菌灵一周换一次，换着使用。 13 唐 山 学 院 毕 业 设 计 (3)工艺流程 本工艺采用的是连续发酵方式，发酵流程如图3-4所示: 四效顺流式发酵罐组发酵液冷却器蒸发器 酵母罐过滤器空气压缩机空气 回收酵母菌种、营养盐 蒸馏工段离心机发酵液 图3-4 发酵工序工艺流程图 二氧化碳回收车间 酵母通过细胞内酒化酶的作用，把可发酵性糖(葡萄糖)发酵成酒精。本工段分为两部分:酵母菌培养和酒精发酵 纤维素酶法水解液的含糖分一般在8%左右，通过四效顺流式蒸发器蒸发后，浓缩至含糖分20%左右。最后一效蒸发器是在14 kPa的真空状态下进行。水解液的发酵，可用三组连续发酵罐。一般保持二组罐进行酒精发酵，另一组空出进行灭菌。 ? ,发酵醪pH值在发酵时间为24 h,酵母经离心分离后回用。发酵温度为30,33 4.0,4.5，发酵成熟醪含酒分为10%左右，发酵温度控制采用循环泵加罐外冷却器的方法。发酵过程中糖酒转化率达95% , CO可回收利用。 2 酵母菌培养:先用80?，8%,10%NaOH溶液喷洗1h(灭菌);再用热水冲至中性，再用温水进一步冲洗，然后加入10t38?,40?底水，加入干酵母45kg。轻微搅拌，静止保温10min，然后降温至32?，加入营养盐(尿素200kg/天)，再加入 323t糖化醪，通入微量空气40m/h，进行活化使其出芽，出芽状态酵母的发酵能力高出30倍，活化过程中缓慢加入糖化醪，达到工艺指标后往发酵罐送种子液。 (4)工艺参数 发酵过程工艺参数如下表3-3所示 14 唐 山 学 院 毕 业 设 计 表3-3 发酵过程工艺参数 名称 参数 糖化液用于种子培养的比例 0.1 接种率 0.1 酸度 4.0,4.5 Corn Steep Liquor (CSL) 添加量 0.50% Diammonium Phosphate (DAP) 添加量 0.67 g/L 发酵液 接种温度 27,30? 发酵温度 30,33? 后发酵温度 30?1? 酵母出芽率 15% 发酵成熟醪残总糖 2.0%以下 成熟酵母出芽率 15%,30% 耗糖率 40%,50% 成熟的酒母醪中的酒精含量 10%左右 总发酵时间 48h (5)发酵醪的成熟指标 乙醇发酵醪成熟指标的控制是生产中一项至关重要工作。如果能够控制恰到好 处，不但可以提高设备利用率，增加乙醇产量。还能大大降低原料消耗，提高淀粉 出酒率。 发酵醪的成熟虽然与发酵时间、醪液浓度、发酵温度、酵母接种量和发酵方式 等因素有关，但最终主要有表3-4所列的几项指标来控制。 表3-4 发酵醪的成熟标准 项 目 连 续 发 酵 镜检 酵母形态正常无杂菌 外观精度/?Bx 0.5以下 还原糖/% 0.3以下 带渣总糖/% 1以下 滤液总糖/% 0.7以下 乙醇含量(体积分数)/% 8,10 总酸 总酸不超过0.5 挥发酸 0.1,0.15 15 唐 山 学 院 毕 业 设 计 (6)清洗、灭菌 CIP清洗方法(clean in place) :先通入 8%,10,的NaOH溶液，达到罐体的20%，将通到预发酵罐阀门关掉，打开种子罐循环泵，让种子罐自身循环，将罐清洗干净，20min后打开放料阀门回收NaOH溶液，用热工艺水来清洗，清洗至放料pH为6.5,7.2，此时罐及管线洗净。对其它罐也是如此清洗。 灭菌:先向种子罐加罐体20%的水，再加2LNaClO，关掉通预发酵罐阀门，开种子罐循环泵，让种子罐自身循环20,30min后停泵，开换热器管线通冷凝水换热后，管内温度为38,40?，以1?/min降温。 先洗二氧化碳洗涤塔，首先向塔内注入适量水，打开去成熟醪洗涤水管线上的阀门，启动泵，打到自动位置，打开泵的出口阀。螺旋板换热器的洗涤:打开物料出口阀及进口阀，然后打开冷却水的进出口阀，在清洗时，把关口关闭，清洗完，关闭阀门，密封试漏。 (7)空气压缩及二氧化碳回收 二氧化碳部分:发酵罐中醪液开始发酵后，产生的二氧化碳气体依靠发酵罐中的压力通过管道经气液分离装置(气封装置) ，去除被气体夹带的泡沫和微粒等，进入水洗涤塔，回收被二氧化碳带出的酒精蒸汽以及部分粗杂质。水洗后的气体进入储罐，排去部分水份， 进入空气压缩机。随后进入冷凝器降温。下一步进入油水分离器，最后进入旋风分离器，即可用于生产。 空气部分:来自大气的空气进入预过滤器除去大的尘粒泥沙以及大的细菌，进入空气压缩机压缩并使温度升高，故经过冷凝器降温，随后经油水分离器除去由空压机内部带入的润滑油，水由底部阀门排出，经旋风分离器除去小的油滴，最后经第二个过滤器进一步过滤，同时观察温度与压力是否满足生产的需要。 CO中低浓度酒精的回收:待前后工序正常，本工序进出料平衡后，启动回收系2 统，回收CO逸出时带走的酒精，开启一次入水阀，向低浓度酒精罐中加水，加水2 至一半时开启低浓度酒精泵进出口阀门，向洗涤塔供水，进行循环。开始时流量要稍大一些，待形成稳定的循环系统后，控制循环流量在要求范围内。用水循环洗涤CO，待酒精浓度达到6,8%时，开启淡酒阀输送至成熟醪罐。同时必须封闭发酵罐2 口，避免乙醇挥发损失。控制指标如下:低浓度酒精罐液位80,90%;低浓度酒精 3浓度6,8%(体积) ;低浓度酒精量2m/h。 (8)主要设备 本工序主要设备包括:种子罐、发酵罐、换热器、T-130型空气干燥塔、GL-30型空气过滤器、无润滑油空压机、二氧化碳储罐、二氧化碳洗涤塔 、空气过滤器、空气储罐等。 16 唐 山 学 院 毕 业 设 计 11[]3.2.4 蒸馏工序 (1)目的 1)分离杂质、副产物、水。 2) 乙醇的浓缩(96%以上) 。 (2)工艺流程 蒸馏工序的流程如图3-5所示 醛、酯 ? 成熟醪 ? 预热器 ? 粗馏塔 ? 冷凝器 ? 精馏塔 ?工业酒精 ? ? 蒸汽 杂醇油 图3-5 酒精蒸馏工艺流程图 本工序采用双塔蒸馏系统。该工艺系统又粗馏塔(粗塔，醪塔)和精馏塔两个塔组成组成:粗馏塔的作用是将酒精和挥发性杂质及一部分水从成熟发酵醪中分离出来，并排除由固形物、不挥发性杂质及大部分水组成的酒糟;精馏塔的作用是使酒精增浓和除杂。最后得到符合规格的成品酒精，并排除废水。根据精馏塔进料方式的不同，又有精馏塔气相进塔和液相进塔两种型式，本工序选用液相进塔型式。 发酵成熟醪经预热器与精馏塔的塔顶酒精蒸汽进行热交换加热至40?以上，并进入粗馏塔顶部(18,22块塔板)，粗塔塔底用直接蒸汽加热。酒精含量为50%左V右的酒精-水蒸汽从粗馏塔顶部引出酒精一水蒸汽经前三只冷凝器，大部分冷凝成液体，这种酒精一水冷凝液进入精馏塔，一小部分含头级杂质较多的酒精一水蒸汽在第四只冷凝器中冷凝，冷凝液作为醛酒馏分排出，不凝结气体从排醛管排出，酒糟由粗塔底部排出。 精塔也用直接蒸汽加热，并被进料口区分为上下两段，上段称为精馏段，有40-60块塔板，下部称为脱水段(提馏段)，有13-18块塔板。酒精蒸汽在精塔内上升，逐渐增浓，最后从塔顶排出并顺次经过醪液预热器和三只冷凝器，预热器和前两只冷凝器中的冷凝液全部回入精塔顶部作为回流。最后冷凝器中的冷凝液作为醛酒馏分(头级杂质)取出，不凝结气体和一部分醛类从排醛管排入大气。不含酒精的蒸馏废水从精塔底部排出。 成品酒精从精塔顶部第4-5块塔板上液相取出，因为这里的酒精含量已达到规定指标，头级杂质也是最少的。成品酒精经冷却器冷却后，通过检酒器进入成品桶，计量后送入酒精仓库贮存。 17 唐 山 学 院 毕 业 设 计 (3)工艺参数 蒸馏工段的工艺参数如下表3-5所示 [13]表3-5 酒精蒸馏工艺参数 名称 项目 参数 精馏塔 塔底温度 104,108? 塔顶温度 95?左右 塔底压力 19.6,24.5kPa 进醪温度 55? 精馏塔 塔底温度 102,104? 塔中温度 86,93? 塔顶温度 78,79? 塔底压力 13.7,15.7kPa 精馏塔冷凝器 第一冷凝器 65,80? 第二冷凝器 60,78? 第三冷凝器 40,70? (4)蒸馏塔的辅助设备包括: ? 醪液预热器 其功能是:利用精馏塔或粗馏塔塔顶上升的酒精蒸汽中的热量，把即将蒸馏的发酵成熟醪液预热至较高温度，这样一则能做到充分利用余热;二则酒精蒸汽在将醪液预热过程中，也起着分冷凝器的作用。 ? CO分离器 2 发酵成熟醪中含有一定数量溶解的CO、空气等不凝气体，当醪液在醪塔中受2 热沸腾时，这些气体会被分离出来，这就增大了醪塔中上升的酒精蒸汽的体积，CO2等气体可严重影响冷凝器的传热效果，同时还可能在塔中及进料管上部形成气阻，影响蒸馏的正常运行，进而对酒精质量或多或少产生负面影响。有鉴于此，在蒸馏系统中增设CO分离器，在醪液预热后进入醪塔前，先进入CO分离器处理，把不22 凝气体先分离先分离排除大部分。由于气体中还夹带少量酒精，为回收这部分酒精需增设一小型冷凝器，所得冷凝液送入醪液暂存容器。生产实践证明设计合理的气液分离器是很重要的。 ?杂醇油分离器 其功能是将精馏塔或杂醇油塔、杂质处理塔杂醇油聚集段所导出的杂醇油酒精混合液或气体，首先经冷凝—冷却器冷却，降至一定温度，并加入水进行稀释而使油析出，在低浓度酒精液层之上，杂醇油则由上部分出，低浓度酒精则从下部导出 18 唐 山 学 院 毕 业 设 计 而入醪液暂储器或经预热后返入精馏塔脱水段。 ?再沸器 再沸器是一种耐蒸汽高压的换热器，来自蒸汽锅炉的一次蒸汽通过再沸器给蒸馏塔间接加热。这种间接加热方式比蒸汽直接加热有很多优点，如可节约锅炉蒸汽用水量，减少酒精糟液含水量，提高蒸馏系统酒精质量。 ?冷凝器 冷凝器是一种用于为蒸馏塔塔顶酒精蒸气降温的热交换器。蒸馏塔塔顶酒精蒸气用低温水降温，产生的冷凝液大部分回流到塔的最上一层的塔板，以保证蒸馏塔正常运行所需的要的回流比。 ? 换热器 目前的蒸馏系统中除塔外，其他各塔加热的换热器都可以采用大型高效的薄板换热器，因为薄板换热器的结构和功能决定了它更适合酒精蒸馏系统，并可有效的降低生产成本。再沸器属于具有加热功能的换热器，冷凝器则指具有降温功能的换热器，普通换热器是指具有冷却、升温功能的换热器。 19 唐 山 学 院 毕 业 设 计 4 工艺计算 4.1酒精生产过程的总物料衡算 4.1.1原料消耗量计算(基准:1吨无水乙醇) (1)玉米秸秆原料生产酒精的总化学反应式为: (CHO)+nHO ?nCHO?2nCHOH，2nCO? 6105n26126252 162n 180n 92n 88n X 1000 (2)生产1000kg无水酒精的理论纤维素消耗量: 1000×(162?92),1760.9(kg) (3)生产1000kg燃料酒精(燃料酒精中的乙醇含量99.5%以上，相当于99.18%(V))的理论纤维素消耗量: (m) 1760.9×99.18,,1746.5(kg) (4)生产1000kg燃料酒精实际纤维素消耗量(生产过程中，蒸馏率为98%，发酵率为95%): 1746.5?98%?95%,1875.9(kg) (5)生产1000kg燃料酒精玉米秸秆原料消耗量(玉米秸秆原料含纤维素37.4%，预处理消耗量3%、纤维素水解率为95%，发酵醪占水解液得90%): 1875.9?37.4%?95%?(1-3%)?90%=5443.1(kg) 生产1000kg无水酒精量(忽略蒸馏损失生产)耗玉米秸秆量为: (6) 5443.1?99.18%=5488.1(kg) 4.1.2 发酵醪量的计算 酒母培养和发酵过程放出总二氧化碳量为: 01000，99.18880(kg) ，,968098920 为计算方便，假设进入水解工艺的原料浆中仅含纤维素，(原料浆的干物质含量为8%)，则原料浆的质量为 5443.1×37.4%×97%?8%=24676.3(kg) 本设计单浓度酒精连续发酵工艺，经四效顺流式蒸发器蒸发后，糖分有8%浓 [14]缩至20%，则发酵醪量为: 24676.3×8%?20%=9870.5(kg) 即发酵醪量为:9870.5kg 20 唐 山 学 院 毕 业 设 计 酒母繁殖和发酵过程共放出968kg的二氧化碳，且酒精捕集器得到稀酒精为发 酵醪量的6%，则蒸馏发酵醪的量为: (9870.5-968)×(1.00+6%)=9436.7(kg) 用于蒸馏的成熟发酵醪的酒精浓度为: 01000，99.1800 ,10.70098，9436.70 4.1.3成品与废醪量的计算 纤维素原料生产过程中，得到杂醇油量约为成品酒精的0.25,0.35%，取为 0.3%，则杂醇油量为1000×0.3% =3(kg) 醪液进醪温度为t=55?，塔底排醪温度为t=105?，成熟醪酒精浓度为14B=10.7%，塔顶上升蒸汽的酒精浓度50%(v)，即42.43%(w)，生产1000kg酒精1 则 醪塔上升蒸汽量为: V=9436.7×10.7%?42.43%=2379.7(kg) 1 残留液量为: W=9436.7-2379.7=7057(kg) X 成熟醪量比热容为: C=4.18×(1.019-0.95B) 11 =4.18×(1.019-0.95×10.7%) =3.83[kJ/(kg?K)] 成熟醪带入塔的热量为: 6Q=FCt1=9436.7×3.83×55=1.99×10(kJ) 111 蒸馏残液内固形物浓度为: 0FB9436.7，10.70110B,,,14.3 02W7057X 蒸馏残留液的比热: 0C,4.18(1,0.378B),4.18，(1,0.378，14.3),3.95 (kJ/kg.k) 022 塔釜残留液带出热量为: '6( kJ) Q,W,C,t,7057，3.95，105,2.93，10X424 查附录得42.43%酒精蒸汽焓为2045kJ/kg。故上升蒸汽带出的量为: 6Q,Vi,2379.7，2045,4.87，10( kJ) 31 塔底真空度为-0.05MPa(表压)，蒸汽加热焓为2644kJ/kg，又蒸馏过程热损失 Qn可取传递总热量的1%，根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为: 21 唐 山 学 院 毕 业 设 计 '666Q，Q，Q,Q4.87，10，2.93，10,1..99，10n341(kg) D,,,266110I,Ct(2644,4.18，105)，990W4 若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量为: 7057+2661=9718(kg) W，D,X1 4.1.4 年产量为10万吨燃料酒精的总物料衡算 工厂年开工为300 天。 日产产品酒精量:100000,300,333.33(t) 每小时酒精量:333.33×1000?24=13888.75(kg)=13.89(t) 实际年产量(次级酒精忽略不计):13.89×24×300=100000.8(t/a) 主要原料秸秆用量: 日耗量:333.33×5443.1==1814349(kg)=1814 (t) 7年耗量:181032×300=5.43×10(t) 每小时产次级酒精:13888.75×(2?98)=283.44(kg) 实际年产次级酒精:283.44×24×300=2033568(kg)=2033.57(t/a) 表4-1 年产10万吨纤维质物料酒精发酵衡算表 生产 物料衡算 1000kg99.5%每小时(kg) 每天(t) 每年(t) 酒精物料量 燃料酒精 1000 13889 333.33 100000.8 秸秆原料 5443.1 75597 1814 598620 次级酒精 20 167 4 1200 发酵醪 9870.5 137091 3290 987000 蒸馏发酵醪 9436.8 131068 3146 943800 杂醇油 3 25 0.6 180 二氧化碳 968 8067 193.6 58080 醪塔废醪量 9718 134973 3239 971700 22 唐 山 学 院 毕 业 设 计 4.2 酒精生产各工段物料和能量衡算 4.2.1 预处理工段 蒸煮前首先将粉碎原料在配料调浆罐内与温水混介，加水比一般为1:3左右，则粉浆量为: m=75597×(1，3), 302388kg/h 现按一般蒸煮工艺条件进行估算，若醪液平均比热取3.55kJ/(kg?k)，混合后粉浆温度为65?，利用3.96MPa，250?的高压饱和水蒸汽对原料进行加热，使原料温度从20?升高到190?，设高压蒸汽量为m，整个过程忽略热损失。 HP 高压蒸汽 250?水蒸气?190?液态水 原料 65?原料 ?190?水解液 高压蒸汽提供的热量 Q=r?m+c?m?Δt 1HPHP1 其中r为3.96MPa下水的汽化潜热，査其值为1713.4kJ/k Δt=250,190=60? 1 水解液需要的热量为 Q=c'?m?Δt 22 3其中c'为玉米秸秆的比热容，查表取值为1.62×10J/kg.k 原料秸秆质量为m=75597(kg/h) Δt=190,20=170? 2 忽略热损失，则有Q=Q，即 12 r?m+c?m?Δt=c?m?Δt HPHP12 带入数据可得高压蒸汽的用量为 m=68315(kg/h) HP 则进入蒸煮过程中蒸煮醪量为 m=302388+68315=370703kg/h 蒸煮 4.2.2水解工段 [15]这里，我们使用纤维素酶来催化纤维素水解过程，比活力为40000U/g，纤维 [16]素酶添加比例取12U/g纤维素。 用于水解化体系的纤维素的质量为137091?95%×20%=28860(kg/h) 则酶的添加量为 23 唐 山 学 院 毕 业 设 计 628.86，10g/h，12U/g(g/h) m,,43300m40000U/g 每天纤维素酶的消耗量为43.3×24=1039.2(kg) 每年纤维素酶的消耗量为1039.2×300=311760kg=311.76(t) 4.2.3发酵工序 现生产100000t/a，要每小时生产无水酒精量为: 13889×99.18%=13775(kg/h) 以葡萄糖为碳源，酒母发酵过程中每生成1kg酒精放出的热量约为819kJ左右， 则酒精发酵和酒母培养过程中每小时放出的热量为: 7Q=819×13775=1. 12×10(kJ/h) '''ttw2w1发酵酒母冷却水初温=20?，终温=27?，平均耗水量为: 7Q1.12，10W(kg/h) ,,,337321酒母发酵'''Ctt4.18，(27,20)(,)eww12 酒母酒精捕集用水为:(待蒸馏发酵醪液量为F=116991kg/h) 5%F?1.06=5%×131068?1.06=6182.5(kg/h) 发酵洗罐用水为:(每15天洗一次) 1%F?1.06=1%×131068?1.06=1236.5(kg/15天) 则发酵工段总用水量 W=5518.4+4414.7+337321=344740(kg/h) 发酵工段 4.2.4蒸馏工序 本次设计采用差压两塔蒸馏流程计算。工艺进醪塔浓度为10.7%，出醪塔酒精蒸汽浓度为50%. (1)醪塔 图2-1 醪塔的物料和热量平衡图 24 唐 山 学 院 毕 业 设 计 将成熟发酵醪液预热至55?，从顶部进入醪塔蒸馏，成熟发酵醪的质量分数为10.7%，沸点90.95?，上升蒸汽浓度为50%(v)，即42.43%(w)。塔顶温度95?，塔底温度106?。则塔顶上升蒸汽热焓量i=1919kJ/kg。加热蒸汽取0.05MPa绝对1 压力，则其热焓量I=2644kJ/kg。 1 总物料衡算: 即 F，D,V，W，DF,V，W111X111X 酒精衡算式: Fx,Vy，(W，D)x1F111X1W1 式中:x—成熟发酵醪的酒精含量[%(W)]，x=10.7%。 F1F1 y—塔顶上升蒸汽的酒精浓度[%(W)]，y=42.43 %。 11 X—塔底排出废糟的酒精浓度[%(W)]，塔底允许逃酒浓度在0.04%以下，W1 取x=0.04%。 W1 热量衡算式: FCt，DI,Vi，(WC，DC)t，Q1F1F11111XW1eW1n1 设C=3.98kJ/(kg?h)，C=4.04kJ/(kg?k)，C=4.18kJ/(kg?k)，并取热损失F1We Q=1%DI，t=55?，t=106?，F=116991(kg/h) n111F1W11 联解2-1、2-2、2-3求得 V=32919(kg/h)，W=98149(kg/h)，D=38937(kg/h) 1x1 一般醪塔采用直接蒸汽加热，塔底醪排出量为: G=W+D=98149+38937=137086(kg/h) 1X1 表4-2 年产10万吨酒精蒸馏工段醪塔物料热量汇总表 进入系统 离开系统 项目 物料(kg/h) 热量(kJ/h) 项目 物料(kg/h) 热量(kJ/h) F FCt CtWW11F1F1X XWW1 成熟醪 蒸馏残液 88131068 1.71×10 98149 1.5×10 D DI V Vi 111111加热蒸汽 上升蒸汽 8738937 1.03×10 32919 6.32×10 D DtC 11W1e 加热蒸汽 738937 6.14×10 Q n1 热损失 61.03×10 88累计 170005 2.74×10 累计 170005 2.74×10 25 唐 山 学 院 毕 业 设 计 (2)精馏塔 塔顶温度105?，塔底130?，进汽温度130?，出塔酒精浓度为96%(v)，即93.84%(w)。 出塔酒精量为:P=13889×99.18/93.84=14679(kg/h) 每小时醛酒量因为醛酒占出塔酒精的2%，则每小时的醛酒量为: A=2%×14679=294(kg/h) P′= P–A =14679,294=14385(kg/h) 图2-2 精馏塔的物料和热量衡算图 在精馏塔中，塔顶的酒精蒸汽经粗馏塔底再沸器的冷凝后，除回流外，还将少量酒精送至洗涤塔内再次提净。据经验值，此少量酒精约是精馏塔馏出塔酒精量的2%左右，则其量为: ，Pe=P×2%=14385×2%=288(kg/h) 酒精的浓度随着加热蒸汽汽化逐板增浓,在塔板液相浓度55%(v)处采用汽相抽取部分冷凝去杂醇油分离器分离,这部分冷凝液称杂醇油酒精,数量约为塔顶馏出塔酒精的2%左右,其中包括杂醇油m=0.3%(P′+A)=0.3%×13343=400(kg/h),故0 H=(P′+P)×2%=(14385+288)×2%=293(kg/h) e 在杂醇油分离器内大约加入4倍水稀释,分油后得到的稀酒精经塔底的蒸馏废水经预热到t=80?,仍回入精馏塔,这部分稀酒精量为: H′= (1+4)H–m= H0 5H–m=5×293-400=1065(kg/h) 0 物料平衡: F+ D+ H′= P′+ P+ H + D+ W′ 2 2 e 3 x 则: W′= F+ H′-P′-P-H x 2 e 26 唐 山 学 院 毕 业 设 计 =32919+1065,14385,288,293 =19018 (kg/h) 热量平衡: FCt，DI，H'Ct，R(P，P')tC2F2F222HHePP , = (R，1)(Pe，P')i，P'tC，Hi，(D，W)tCw，Q2PPH2XW2n2 式中 R—精馏塔的回流比一般为3,4，取3 I—精馏塔加热蒸汽的热含量，0.6Mpa绝对压力，I=2652(kJ/h) 22 t—为回流稀酒精的进塔温度t=80? HH C—为杂醇油分离器中稀酒精比热，稀酒精浓度为: H 0x(H,m)75.2，(176,26)'0H00x,,,13.20 ， 0HH'854 查得起比热为C =4.43kJ/(kg?k)，75.2%—为杂醇油酒精的重量百分H 浓度，与液相浓度55%(v)相平衡。 t—出塔酒精的饱和温度(78.3?) P C—出塔酒精的比热，应为2.80[kJ/(kg.K)] P i—塔顶上升蒸汽热含量,i=1163.2 (kJ/kg) 22 i—杂醇油酒精蒸汽热含量,应为i=1496(kJ/kg) HH t—精馏塔塔底温度，取103? w2 C取4.04kJ/(kg?k) w Q—精馏塔热损失,Q=2%DI n2n322 C—进塔酒精的比热，取C=4.16(kJ/kg) F2F3 t—进料温度，取90? F2 W’上面算得11448kg/h x 计算可得:D=15516(kg/h) 2 塔底排出的废水: ，G=D+W 15516+19018=34534(kg/h) 2x= 计算蒸馏工段的蒸馏效率: xP93.13%，14679P,,,,97.478% PxF10.7%，131068F11 27 唐 山 学 院 毕 业 设 计 表4-3 年产10万吨酒精蒸馏工段精馏塔物料热量衡算汇总表 进入系统 离开系统 项目 物料(kg/h) 热量(kJ/h) 项目 物料(kg/h) 热量(kj/h) F FCt tP′ P′C22F2F2PP 脱醛液 96%酒精 7732919 4.97×10 14385 1.42×10 D DI — P222e加热蒸汽 次级酒精 715516 7.44×10 288 — '' Ct 杂醇油酒H HiHHHHH稀酒精 65854 1.67 ×10 精蒸汽 293 4.38×10 — R(P+ P`)CtW+D (W+D) tC epp x2x2W 2w回流液 蒸馏废水 677 — 1.55×10 34534 5.25×10 (R+1) — + P`) i 上升蒸汽 (Pe2— 7 6.83×10 — Q n2热损失 5— 7.44×10 88累计 49500 1.41×10 累计 49500 1.41×10 4.3 供水衡算 利用酒母发酵的冷却废水进行冷却，这样可以节省冷凝水用量。 4.3.1 精馏塔分凝器冷却用水 精馏塔分凝器热量衡算有: '(R+1)(P′+P)i= WC(-t) t精馏2e2WH3H3，i(R，1)(P，P)2e,W 精馏分凝C(t',t)WH3H3 精馏塔回流比R为3 塔顶上升蒸汽热焓i =1163.2kJ/kg 2 ''冷却水进出口温度t、，取t=20?，=85?， ttH3H3H3H3 C取4.04kJ/kg w 则精馏塔冷凝器冷却用水为: 5W=2.60×10(kg/h) 精馏分凝 28 唐 山 学 院 毕 业 设 计 4.3.2 成品酒精冷却和杂醇油分离器稀释用水 成品酒精冷却使用20?的水，根据热量衡算，耗水量为: 'P'C(t,t)PPP W,成品'C(t,t)WH2H2 C 为成品酒精比热容为2.90kJ/(kg?K) P '、为成品酒精冷却前后的温度，分别为78.3?、30? ttPP '、为冷却水进出口温度，分别为20?、40? ttH2H2 C=4.04 kJ/(kg?K) w 则成品酒精冷却水用量为: 4W=2.50×10(kg/h) 成品 在杂醇油分离器内加入4倍的水稀释，则稀释用水量为: W=4 H=4×176=1172(kg/h) 杂醇油分离 4.3.3 总用水量 蒸馏车间总用水量为: 545W=W+W+W=2.60×10+2.50×10+1172=2.86×10(kg/h) 蒸馏工段精馏分凝成品杂醇油分离 各工段总用水量为: 55W=W+ W=344740+2.86×10=6.31×10(kg/h) 总发酵工段蒸馏工段 4.4 其他衡算 4.4.1供气衡算 由前面计算所得数据可知蒸馏工段蒸汽消耗: D,D+D m12+ HP ,38937+28.65+68315,107281(kg/h) 年耗蒸汽量为: 107281×24×300=772423(t) 酒精厂平均蒸汽用量: 酒精厂每小时平均蒸汽消耗量主要供给蒸馏工段，因此其消耗量由蒸馏量和损 失组成，蒸汽总损失取蒸馏工段蒸汽消耗量的4%，则锅炉需要蒸发量为: 772423×(100%+4%)=883318t/h 假设锅炉效率为80%，则平均每吨煤能供生产使用50t新鲜蒸汽，则连续蒸馏 煤消耗量为: 883318?50000?80%=22(t/h) 29 唐 山 学 院 毕 业 设 计 本设计选用的锅炉为工业中压 (1.47—5.88Mp)中型(20—75t)的煤粉锅炉型号为YG80/3.82—M7 蒸发量为80t/h，额定温度为450? 4.4.2供电衡算 [17]根据我国酒精连续发酵工艺技术指标，设生产每吨酒精耗电40度，可估算酒精厂的用电: 640×100000=4×10(度/年)=13333(度/日) 考虑到此值为估算值，所以乘以一个富裕系数为120%: 613333×120%=15999.6(度/日)=4.80×10(度/年) 30 唐 山 学 院 毕 业 设 计 5设备选型及计算 5.1预处理设备 5.1.1调浆桶 拌料桶总容积决定于操作周期长短，调浆桶的总容积可按下式求得: (n，1)Gt V= 总60,, 式中 G—酒精厂每小时投人原料量(kg/h),取75597kg/h n—加水比 t—调浆桶操作周期(min)，一般取30min左右 3 ρ—调浆后醪密度，玉米秸秆加水比为1:3时约为950kg/m φ—调浆罐填充系数，一般0.8 (3，1)，75597，30(n，1)GtV===199(m,) 总60，950，0.860,, 取H=1.5D，h= 0.1D其中D为发酵罐内径，H—为发酵罐高，h—为搅拌罐底封头高，则 1,2V,D(H，h),50(m,) 调43 解得:D=3.45m 取D=3.5m，则H=5.80m，h=0.35m 1,2V,D(H，h),51.5则(m,) 调43 调浆桶的个数为n= V/ V=199/51.5=3.86(个) 总调 调浆桶由于是分批投料，为了满足连续蒸煮的要求，一般应设两组，一组调浆桶取4个。 5.1.2蒸煮罐个数计算 间歇蒸煮是在一只蒸煮锅内完成投料、升温、蒸煮三个步骤。设每一周期共需时间T=1h，蒸煮醪的量m=370703kg/h，玉米秸秆加水比为1:3时，蒸煮醪密度约 3为950kg/m则 蒸煮醪的体积流量为V=m/ρ=390(m?/h) 对于锥形蒸煮锅，一般容积不大于10m?，过大不易操作，在这里取锥形蒸煮锅 31 唐 山 学 院 毕 业 设 计 的容积为v=10m?，蒸煮锅的填充系数为φ=75%，则 蒸煮罐的个数为 N=VT/vφ=390 ×1?(10×0.75)=52(个) 因此需要52个蒸煮罐 [18]5.1.3蒸煮罐的轮廓尺寸计算 取H=1.5D，h=h=0.1D其中D为发酵罐内径，H—为发酵罐高，h、h—分别1212为发酵罐底封头高和上封头高度， 发酵罐上部分为标准椭圆形封头，下部分为锥形封头，为了方便计算，假设其上下封头体积相同，则 11,2V,D(H，h，h),10(m?) 12全433 代入数值计算得: D=2.01m 取D=2.00m， H=3.00m，h=0.2mm，h0.2mm 12= 22则蒸煮锅全容积为V=DHπ/4+ Dπ(h+ h)/12+ V=9.8 (m?) 233 5.2水解罐的计算 5.2.1水解罐体积 3按照有关情况和指导老师建议，我采用500 m，取H=2D，h=h=0.1D其中D12为发酵罐内径，H—为发酵罐高，h、h—分别为发酵罐底封头高和上封头高度， 12 发酵罐上部分为标准椭圆形封头，下部分为锥形封头，为了方便计算，假设其上下封头体积相同，则 11,2V,D(H，h，h),500(m,) 12全433 D=6.75m H=13.5m h1=0.68m h2=0.68m 11,2V,D(H，h，h),499则(m?) 12全433 则水解罐的有效容积为V=499×0.5=248.5m??250(m?) 效 5.2.2水解罐数量 忽略水解过程中的物料损失，则进入水解罐的重量为 m=137091?95%=144306(kg/h) 原料浆的干物质含量为8%，近似水解前后体积的变化，取葡萄糖含量8%的溶 0%，液密度为ρ=1170kg/m?，使纤维素得到充分水解，取水解罐的填充系数为φ=5则水解醪的体积流量为144306/1170=123.34m?/h，水解时间为T=24h，水解罐的总容积为V=123.34×24?0.5%=5920.32m?，为设备布局合理取v=500m,的水解罐 总 32 唐 山 学 院 毕 业 设 计 N =mT/ρψv=144306×24?1170?0.5?500=11.8(个) 因此水解罐的数量取12个。 5.3发酵设备设计 采用连续发酵方式，根据物料衡算结果可知，每小时进入发酵罐的醪液体积流 [19]3量为:13709kg/h，密度为1230 kg/m。 进入种子罐和1号发酵罐的醪液体积流量为W: 3W=137091/1230=111(m/h) 5.3.1发酵罐容积和个数的确定 (1)种子罐个数的确定: 为保证种子罐有足够种子，种子罐内醪液停留时间应在12h左右，则种子罐有效容积为: 3V=111×12=1332(m) 取种子罐装料经验系数为80%，则种子罐全容积为: 3 3)取2000m V=V/u=1332/80%=1665(m全 3每个罐的容积为300m，则种子罐个数为:2000/300=6.7=7(个) (2)发酵罐体积 333根据发酵罐现在的设备情况，从100 m到500 m，现在酒精厂一般采用300 m， 3按照有关情况和指导老师建议，我采用300 m，取H=2D，h=h=0.1D 12D—为发酵罐内径，(m) H—为发酵罐高，(m) h、h—分别为发酵罐底封头高和上封头高，(m) 12 发酵罐上均为标准椭圆形封头，下部为锥形封头，为了计算简便，假设其上下封头近似相同，则 11,2V,D(H，h，h),300(m,) 12全433 D=5.70m，H=11.40m，h=h=0.570m 12 11,2V,D(H，h，h),300.444则发酵罐的实际容积(m?) 12全433 取发酵罐的体积为300m? (3)发酵罐的表面积 圆柱形部分面积: 2F=πDH=3.14×5.70×11.40=204(m) 1 由于椭圆形封头表面积没有精确的公式，所以可取近似等于锥形封头的表面 33 唐 山 学 院 毕 业 设 计 D5.70,,22222积:F=F= D()，h,，5.70，()，0.570,26(m)2322222 2发酵罐的总表面积:F=F+F+F=204+26+26=256(m) 123 (3)计算发酵罐数量: 3上面已经写到，我设计的发酵罐规格为300 m的规格，设总发酵时间为48小 [7]时,设发酵罐数为N个，则发酵罐的有效容积 N =WT/V ---公式(1) 有效 V=V×Ψ --------公式(2) 有效全容积 式中W—每小时进料量; T—发酵时间; N—发酵罐数 根据经验值，一样取发酵罐填充系数为Ψ=80%，则可以得到: N =111×(48-12)/ 300×80%(个) 计算得到:N=16.65个，则我们需要发酵罐N=17个 5.3.2冷却面积和冷却装置主要结构尺寸 (1)总的发酵热: Q=Q-(Q+Q) 123 Q=GSq 1 Q,F,(t,t) 3cwB 式中 G—每罐发酵醪量(kg) S—糖度降低百分值(%) q—1kg葡萄糖发酵放热(J)，查得418.6kJ Q—主发酵期每小时糖度降低1度所放出的热量 1 Q——代谢气体带走的蒸发热量，一般在5%—6%之间，我们估算时采用5% 2 Q——不论发酵罐处于室内还是室外，均要向周围空间散发热量Q，具体计33 算看后面。 5Q=137091×418.6×1%=5.74×10(kJ/h) 1 54Q=5%Q=5%×5.74×10=2.87×10(kJ/h) 21 发酵罐表面积的热散失计算:先求辐射对流联合给热系数，假定发酵罐外壁 不包扎保温层，壁温最高可达35?，生产厂所在地区夏季平均温度为32?,则: 44C[(T/100),(T/100)]WB4,，,1.7t,t，,,, cWB对辐t,tWB 34 唐 山 学 院 毕 业 设 计 444.88，([273，35)/100,(273，32)/100]4,1.7，35,32， 35,32 2,33.5[kJ/(m,h,:C)] 4 可得:=1.2×10(kJ/h) Q,224，33.5，(35,32),12000(kJ/h)3 需冷却管带走的单个发酵罐冷却热负荷为: 5445Q=Q-Q-Q=5.74×10-2.87×10-1.2×10=5.33×10(kJ/h) 123 56总发酵热为:Q=5.33×10×17=9.06×10(kJ/h) 发酵 (2)冷却水耗量的计算 6Q1.87，104(kg/h) W,,,6.38，10C(t,t)4.186，(27,20)P21 (3)对数平均温度差的计算 主发酵期控制发酵温度为30?，冷却水进口温度t=20?，冷却水出口温度1 t=27? 2 (t,t)，(t,t)(30,20),(30,27)F1F2 ?t,,,5.8?mt,t30,20F12.3log2.3log30,27t,tF2 (4)传热总系数K值的确定 选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为Ф114×4，则管的横截面积为: π22×(0.114-0.004×2)=0.0088(m) 4 考虑到发酵罐太大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内 流速为: 63800,,,1.0(m?/s) 3600，0.0088，2，1000设蛇管圈的直径为4m，并由水温差得A=6.45 0.8()d,,,4.186，A，(1，1.77),20.2dR 0.8(1，1000)0.106,4.186，6.45，，(1，1.77，)0.20.1062 2,11621[kJ/(m?h??)] R—为蛇管圈半径，R=2m 2,值按生产经验数据取2700[kJ/(m?h??)] 1 故传热总系数为: 35 唐 山 学 院 毕 业 设 计 12 [kJ/(m?h??)] K,,1956110.0041，，，11621270018816750 2 式中 1/16750—为管壁水污垢层热阻[(m?h??)/kJ] 2 188—钢管的导热系数[kJ/(m?h??)] 0.004—管子壁厚(m) (5)冷却面积和主要尺寸 5Q5.33，102F,,,47(m)K,t1956，5.8m 蛇管总长度为: F47L,,,136(m) ,d3.14，0.110cp 式中d—蛇管的平均直径cp 确定一圈蛇管长度: 2222L,(2,R)，h,(,，4)，0.4,12.5(m) 1 式中R—蛇管圈的半径，为2m h—蛇管每相邻圈的中心距，取0.40m 两列蛇管的总圈数为: N=L/L=136/12.5=11(圈) P1 两列蛇管总高度: (m) H,(N,1)h,(11,1),0.2,2.0PP 5.3.3发酵罐壁厚 (1)发酵罐壁厚S PD S,，C2[,],,P式中 P—设计压力，一般为最高工作压力的1.05倍，取0.5MPa D—发酵罐内径，D=570cm [8] [,]—A钢的许用应力，取[,]=127MPa 3 , —焊缝系数，取值范围在0.15,1之间，取0.7 C—壁厚附加量(cm) C=C+C+C 123 [20] 式中C—钢板负偏差，因钢板厚度而异，查表得，范围为0.13,1.3，取1 C=0.8mm 1 36 唐 山 学 院 毕 业 设 计 C—腐蚀裕量，单面腐蚀时，取1mm，双面腐蚀时，取2mm，现取C=2mm 22 C—加工减薄量，冷加工C=0，热加工封头C=S×10%，现取C=0 33303 C=0.8+2+0=2.8(mm) 570，0.5(mm) S,，0.28,18.92，127，0.7,0.5 查询可知选用30mm厚A3钢板制作。 2、封头壁厚计算 PD S,，C2[,],,P 因与发酵罐壁厚取值原理相同，则式中P=0.5MPa ， D=570cm ， =127MPa， =0.7， C=0.08+0.2+0.1=0.38(cm) ,[,] 570，0.5S,，0.38,19.9(mm) 2，127，0.7,0.5 选用30mm厚A3钢板制作 [21]5.3.4进出口管径 1、发酵醪进口管径: 33发酵醪体积流量为111m/h，其流速为0.50m/s，则进料管截面积为: Q111/3600F,,,0.062(m?) 物V0.5 ,2dF0.062F物物4,,,0.288=，管径(m) d0.7850.785 取无缝钢管Φ580×10，580mm,288mm，可适用。 2、稀糖液出口管径 由于出口物料量要比进口物料量略大些，因此出口管径应比稀糖液进口管径略大些，故取Φ600×10无缝钢管即可满足。 则取无缝钢管Φ600×10 3、排气口管径 取Φ630×12无缝钢管。 5.3.4其他罐体设备 1、人孔 开设人孔以利于检修，圆形直径为500mm，盖板，可卸，法兰密封形式，HGJ503-513-86 37 唐 山 学 院 毕 业 设 计 2、安全阀 直径25mm，使用温度<200?，使用介质:水、蒸汽、空气管， 3、压力表 选用隔膜式耐蚀压力表，精度等级2.5 4、温度计 采用棒式固定电接点玻璃水银温度计Wxa-01F型，测量范围0-100?。 5.5其他设备 [11、18、22] 5.5.1蒸馏设备 蒸馏设备采用差压蒸馏两塔系机组，可以充分利用过剩的温差，也就是减少了有效热能的损失。 参照 “上海酒精总厂差压蒸馏两塔系机组方案”，设计蒸馏机组如下: (1)醪塔:仿法国方形浮阀塔板，塔径3000mm，22板，板间距500mm，塔高14800mm，裙座直径3000mm，高5000mm; 2)精馏塔:仿法国方形浮阀塔板，塔径2600mm，65板，板间距350mm，塔( 高26500mm，裙座直径2600mm，高5000mm。 5.5.2换热器的选型 换热器标准换热管尺寸Ф25?2mm的不锈钢,为正三角形排列,管间距t=32mm.同时,管壳式换热器的制造简单方便,相对投资费用较低。 为了便于管理和操作，整个发酵车间只需一只总酒精捕集器，这样从整个工段而言塔负荷也比较稳定，由于CO中含酒精量变化不大，故没有必要进行板数的设2 计。 38 唐 山 学 院 毕 业 设 计 表5-1 年产10万吨酒精工厂设计主要设备一览表 序号 设备名称 台数 规格与型号 1 调浆桶 4 50m? 32 蒸煮罐 52 10m 33 水解罐 12 500 m 34 种子罐 7 300 m 35 发酵罐 17 300 m 6 醪塔 12 浮阀型φ=3m 7 精馏塔 4 导向筛板塔 8 换热器 48 管壳式换热器 9 酒精捕集器 2 泡罩板式 10 锅炉 2 YG80/3.82—M7 39 唐 山 学 院 毕 业 设 计 6车间常用布置设计 6.1发酵设备 由于酒精发酵周期长，发酵罐数量较多，发酵罐间的距离为4.0m，离墙的距离应大于1m，每两列发酵罐间应留有足够的人行通道和操作面，距离为3.0m。发酵罐用水泥支座落地安装，罐底有出料阀门，罐底离地面距离3.2m。办公室、控制室和菌种室设在一楼。 6.2蒸馏设备及其他设备 蒸馏设备为半露天布置。车间为两层，把较低的塔设备置于车间内，基本上处于一条线，再沸器、分凝器、预热器、泵等小设备也放在车间内。较高的塔露天布置，其中包括醪塔、精馏塔。塔顶布置一组冷凝器，利用重力回流，节省能源消耗，同时也节约厂房造价。塔与塔的间距为2m以上，塔距墙为1m以上。塔的人孔尽可能朝同一方，人孔的中心高度距楼面为1m左右。塔的视镜也尽可能朝同一方向。男女更衣室在一楼，控制室设在二楼。 -1， 其他设备如表6 表6-1 车间或部门的组成 车 间 内 容 生产车间 发酵车间，蒸馏车间 动力车间 锅炉房、水泵房、配电室 辅助车间 机修、污水处理站 仓 库 原料、成品 公共设备 食堂、宿舍、医务所、车库、门卫、办公室 40 唐 山 学 院 毕 业 设 计 结 论 本设计在综合国内纤维质酒精发酵工业生产和发展概况之后，通过分析和比较，已初步确定了 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。我国农业种植面积较广，酒精原料来源丰富，且发酵工艺简单，故选择以玉米秸秆为原料，采用纤维素酶水解方式，利用连续发酵的方式生产酒精。年产10万吨的酒精发酵车间需发酵罐17个，每个发酵罐300m,;配 7对300 m,的种子罐7个。日产333t无水乙醇，年耗秸秆原料5.43?10t。 41 唐 山 学 院 毕 业 设 计 谢 辞 本次论文设是在李云凯老师的悉心指导下完成的，从课题的选定到具体的设计过程，毕业设计的顺利完成，离不开李云凯老师给我提供的许多专业知识上指导和建议。在此向李云凯老师表示深深的感谢。 与此同时，毕业设计顺利的完成，也离不开在这四年中给与我诸多教导和帮助老师们，感想他们四年辛勤的栽培才使我有了良好的专业课知识。 另外，在论文写作中，我还参考了相关的书籍、期刊和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。 我还要感谢我所有帮助过我给我动力的老师、同学和朋友，还有我的大学，感谢学校给予的广阔的信息资源。在此表示我深深的谢意。 随着4个多月的毕业设计的结束，大学的四年学习和生活也接近了尾声，四年的努力和付出也将划下完美的句号，感谢母校对我的培养和教育，希望母校能越办越好，未来的明天将更加辉煌。 42 唐 山 学 院 毕 业 设 计 参考文献 [1]阮奇城. 红麻骨纤维质转化燃料乙醇的关键技术研究[J]. 福建农林大学博士学位论文, 2011(4): 1-4 [2]马晓建, 李洪亮, 刘利平,等. 燃料乙醇生产与应用技术[M]. 北京, 化学工业出版社, 2007: 49-50 [3]陈洪章. 纤维素生物技术[M]. 北京,化学工业出版社, 2005: 23-2 [4]吴德荣. 化工工艺设计手册 第四版(上下册) [M], 化学工业出版社, 2009:30-50 [5]谢林, 吕西军. 玉米酒精生产新技术. [M], 北京, 中国轻工业出版社, 2000: 100-150 [6]贾树彪等. 新编酒精工艺学[M] .北京,化学工业出版社, 2004.7-304 [7]姚汝华.酒精发酵工艺学[M] .华南理工大学出版社, 1999: 1-253 [8]张鹏. 秸秆纤维素水解与木糖酒精发酵[J]. 北京化工大学博士学位论文, 2010: 1-5 [9]王铎, 常春. 木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展[J]. 生物加工过程, 2010: 3-6 [10]李秋园. 纤维原料酶水解及酒精发酵的研究[J]. 浙江大学硕士学位论文,2002: 2-5 [11]章克昌, 吴佩琮. 酒精工业手册[M]. 中国轻工业出版, 1989: 1-231 [12]陈其斌(美). 甘蔗糖手册(下册)[M]. 轻工业出版社, 1988: 1-574 [13]章克昌. 酒精与蒸馏酒工艺学[M] . 中国轻工业出版社, 2002: 1-567 [14]贾树彪等. 新编酒精工艺学[M] .化学工业出版, 2004: 1-333 [15]许开天. 酒精蒸馏技术(第二版)[M] . 中国轻工业出版, 1998: 1-436 16]马赞华. 酒精高效清洁生产新工艺[M]. 化学工业出版社, 2003: 1-273 [ [17]傅其军. 燃料乙醇的发展前景[J]. 广西轻工业, 2002: 6-10 [18]郭年祥. 化工过程及设备[M]. 冶金工业出版社, 2003: 1-410 [19]邱树毅. 生物工艺学[M]. 化学工业出版社, 2009: 1-219 [20]董大勤. 化工设备机械基础[M]. 化学工业出版社, 2002: 1-512 [21]郑裕国. 生物工程设备[M]. 化学工业出版社, 2007: 1-335 [22] 张君, 刘德华. 世界燃料酒精工业发展现状与展望[J]. 酿酒科技2004年第5期: 118-121 [23] 张亮, 伍小兵, 翟井振. 玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的研究综述[J]. 安徽农业科学: 3-10 43 唐 山 学 院 毕 业 设 计 外文资料 Grain pearling and very high gravity (VHG) fermentation technologies for fuel alcohol production from rye and triticale Abstract A SATAKE laboratory abrasive mill was used for rye and triticale grain processing. About 12% of dry grain mass was removed after three and five successive abrasions for triticale and rye, respectively. Starch contents in the pearled grain were increased by 8.0% for triticale, and by 7.1% for rye. The pearled rye and triticale were ground and fermented by active dry yeast for fuel alcohol production by very high gravity (VHG) fermentation at 20?C. VHG technology was applied to increase final ethanol concentrations in the fermentors from 9.5 – 10.0% (v/v) (normal gravity) to 12.9 – 15.1% (v/v). The grain pearling process coupled with VHG technology further raised the ethanol concentration to 15.7 – 16.1% (v/v). Partial removal of outer grain solids in an alcohol plant would improve plant efficiency and decrease energy requirements for mash heating, mash cooling, and ethanol distillation. 1. Introduction Because wheat prices have increased during recent years,less expensive alternative crops such as rye and triticale are being considered as feedstocks by fuel alcohol plants in Western Canada. Corn, the major feedstock used by mostfuel ethanol plants operated in the United States, is not generally available in Western Canada. Previous studies have shown that both rye and triticale are fermentable at normal and very high grav ity levels. The ability to ferment these grains, as measured by fermentation efficiency and duration for the completion of fermentation, were comparable with those of wheats, barley and oats. To increase the efficiency of an existing fuel alcohol plant, two potential improvements would be the increase in starch concentration in the feedstock and the use of high or very high gravity(VHG) fermentation technology.VHG technology refers to the use of mashes with 300g or more dissolved solids per litre . Most distillers and fuel alcohol manufacturers ferment grain mashes at normal gravity’ levels of 20 –24 g of dissolved solids per 100 g. With wheat, oats, barley, rye and triticale, VHG fermentation technology has proven successful in increasing the 44 唐 山 学 院 毕 业 设 计 final ethanol concentration and reducing processing costs. It .is also possible to increase starch content in feedstock by partial removal of grain bran. Processes .for pearling wheat using modified rice polishing equipment have been developed .as the TrigoTecand PeriTec Systems. An excellent review of recent applications of pearling grains, including the two patented systems, has been published by Dexter and Wood.A recent study on wheat preprocessing performed on a three- stage experimental Allis Chalmers Mill showed that starch contents were increased from 54 – 57% to 64 –68% (as is basis) in flour. The concentrations of ethanol in beer were subsequently increased from an average of 10?6% (w/v) to 12.4% .(w/v) . Grain abrasion per- formed on barley,rye and triticale by abrasive milling carried out on the SATAKE Testing Mill (model TM05,SATAKE Co.,Tokyo,Japan), removed 7.7 –21.7% of outer grain solids, which was predicted to decrease gas consumption by 3.5 – 11.4%,and power consumption by 5.2 – 15.6% in a 10 million litre ethanol plant.The objectives of the current study were to determine the effect of grain pearling combined with the use of VHG fermentation technology on fermentation performances of rye and triticale for fuel alcohol production. 2. Materials and methods 2.1. Rye and triticale samples Fall rye (PRIMA) and triticale (AC COPIA) were both developed by and obtained from Agriculture and AgriFood Canada (Saskatoon, SK Canada). The fall rye had a moisture content of 12.16?0.02%, and a starch content of 62.35? 1.31% (dry basis). The triticale had a moisture content of 10.50?0.02%, and a starch content of 63.13?1.32% (dry basis). 2.2. Milling Before milling,all grains were tempered or adjusted to 12.5% wb moisture levels for 18 h.The SATAKE abrasive testing mill (Model TM05, SATAKE Co., Tokyo,Japan), equipped with a medium abrasive roller (stone) No.36,and a round hole (1.9mm diameter) screen,was used in all experiments.The roller speed was 750 rpm.The milling sequence included three and five abrasions for triticale and rye, respectively.Each abrasion lasted for 30 s. After each abrasion, the abraded fines were collected by brushing and sifting,and the pearled grains were weighed be- fore the next abrasion.The milling conditions applied were predetermined to remove bran material while minimizing starch loss to the fines.The number of abrasions applied on triticale and rye was designed to give a final accumulated grain mass removal rate 45 唐 山 学 院 毕 业 设 计 of12%. 2.3. Chemical analysis Samples of whole grain,pearled grain and abraded fine fractions were analysed for moisture and starch contents.Fermentation stillages were measured by the standard AACC procedures for moisture,crude protein,crude fat,and ash and the AOAC method for total dietary fibre.Protein contents of the samples were calculated using the nitrogen-to-protein conversion factor of 5.7,based on the recommendation of Sosulski and Imafidon.Starch was measured as glucose after hydrolysis with α -amylase and amyloglucosidase. 2.4. Enzymes, reagents, and chemicals A powdered fungal enzyme preparation from Tri - choderma 6iride, Roxazyme G, was provided by Hoff- mann-La Roche (Mississauga,ON,Canada). The Roxazyme G contained cellulase activity of 8000 IU/gand xylanase activity of 43 350 IU/g . 2.5. Fermentation The fermentors were connected to a D3-G water bath circulator,and equilibrated to 30?C for 15 min.Either 5 ml of sterile distilled water, or 5 ml of filter-sterilized urea solution,a common and effective yeast food, were added to each fermentor to provide a final concentration of 0 or 16 mm,respectively.Then,8 ml of Allcoholase II saccharify the dextrins preparation was added per kilogram of pearled grain mashed to to fermentable sugars.After 30 min, the temperature of the fermentor was lowered and maintained at 20?C throughout the fermentation, and the fermentor was inoculated with 6 ml of active dry yeast inocula (inoculated at approximately 30 – 35 million cells per gram of mash).The fermentations were monitored until all dissolved solids were consumed. 3.Results and conclusion 3.1.Effect of grain pearling and VHG technology on ethanol yield, fermentation efficiency and ethanol concentration Fermentation results from the current study were compared with those from whole grain normal gravity fermentations and whole grain VHG fermentations. VHG fermentations and grain pearling did not result in significant changes in average fermentation efficiencies.The average fermentation efficiencies obtained from the three studies were between 90.0 and 91.4%. Urea supplementation led to lower fermentation efficiencies,as more sugars were used for cell growth, a trade-off in exchange for faster fermentation rates and reduced fermentation cycles. Such 46 唐 山 学 院 毕 业 设 计 decreases in fermentation efficiencies were more significant when less nutrient were present in the fermentation media. Pearling removed part of the grain outer layers and therefore pearled grain may have deficiencies in some minerals, vitamins, and amino acids which normally promote fermentation.Coupled with the application of VHG, pearled grains showed significant declines in fermentation efficiencies when urea was added.Such declines might be corrected if the concentrations of urea supplementation were reduced from the current 16 mm to lower levels. The application of VHG technology led to average ethanol yields per tonne of feedstock (dry basis) of 421 and 417 l for whole grain normal gravity and VHG fermentations,respectively.The average ethanol yield per tonne of feedstock for pearled grain using VHG fermentation was455 l.Therefore, the ethanol per tonne of feedstock was increased by 8.5%, due to concentrated starch contents in the pearled grains. This increase was proportional to the increase in starch content in the feedstock.However,increases in ethanol production were actually much greater when they were calculated on a fermentation volume basis.The VHG technology and grain pearling showed great benefits for increasing final ethanol concentration in the fermentation vessels. With normal gravity fermentation, the final ethanol concentrations were between 9.5 and 10.0% (v/v).VHG technology at the level reduction of water use applied here raised sugar concentrations by 33% as a result of during mashing and fermentation.The final ethanol concentrations were thus increased to 12?9 – 14?8% (v/v).This is an average increase of 47%. Grain pearling increased the starch content in the fermentation feedstock by 7 – 8%. Cou- pled with the VHG technology,the final ethanol concentrations were further increased to 15.7 – 16.1% (v/v). This implied that the combined use of grain pearling and VHG technologies would increase ethanol production by an average of 64%,for a given fermentor volume, compared with normal gravity fermentations. Although normal gravity fermentations with low levels of sugar concentration would have short fermentation cycles, recent studies (unpublished results) on optimization of fermentation process showed that VHG gravity fermentation cycles could be significantly reduced by applying relatively high fermentation temperatures (25 –30?C). VHG fermentation technology that reduces about 33% of water during mashing and fermentation process would lead to a significant saving in energy consump- tion for mash heating, cooling and ethanol distillation. Grain pearling removes a significant part 47 唐 山 学 院 毕 业 设 计 of grain solids which results in reduced energy input and less fermentation stillages.The combined savings in energy expenses, and increases in ethanol production,would raise fuel alcohol plant efficiency andcompetitiveness. 3.2. Chemical composition of stillage Stillage samples(spent grain) from rye and triticale fermentations contained mostly protein and total dietary fibre (TDF).There were few differences between stillage composition obtained from whole grain normal gravity and VHG fermentation.Protein and TDF each accounted for approx. 30% of stillages, on a dry basis. The remainder of the stillages were ash,fat, residual recalcitrant starch, yeast cells and nonvolatile fermentation by-products.The fact that stillages from rye were lower in protein content was due to the initial lower protein content in rye grain.Lower than expected TDF content in rye stillages was the result of viscosity- reducing enzyme treatments on rye mashes that partially hydrolysed pentosans prior to fermentation. Supplementation with urea during fermentation did not alter the chemical composition of the stillages,except for the increased protein from yeast. In the stillages obtained from pearled grain fermentations,protein is the predominant constituent, which accounted for 30 –42% of the stillage.TDF contents ranged between 19 and 26% due to partial removal of kernel bran during pearling.The remaining constituents:ash,fat,and residual starch contents, were about the same as those from unpearled grains. 4. Conclusions Final ethanol concentrations in fermentation vessels may be significantly increased by applying grain pearling and VHG fermentation technologies. Grain pearling is a simple,single-step,and dry process.Pearling removed approx. 12% of grain dry matter within 90 – 150 s, with 3.5 – 4.3% losses of total initial grain starch.Such a process would require relatively low capital investment for an abrasive mill installed at the front-end of a fuel alcohol plant.Grain pearling raised starch content by 7 – 8% in fermentation feed- stock. This resulted in increased sugar concentrations in the fermentor. Sugar concentrations were also signifi- cantly raised by the use of the VHG fermentation technology, in which 33% of water was saved during mashing and fermentation. The combined uses of grain pearling and the VHG technologies increased the final ethanol concentrations in the fermentor by 64%, compared with normal gravity fermentations using unpearled grains.A significant increase in fuel alcohol plant production then results,as measured by the amount of ethanol 48 唐 山 学 院 毕 业 设 计 produced per day with a given fermentor volume.Longer times were required for completion of VHG fermentations,due to its higher sugar contents (30 g/100 ml) and the lower fermentation temperature (20?C) used. However,it may not be neces- sary to ferment at 20?C.In recent work (unpublished results),VHG fermentations could be completed at higher temperatures (25 – 30?C),with fermentation efficiencies around 90%.That would ensure reduced fermentation cycles for the VHG mashes.Grain pearling and VHG fermentation technologies are the two most promising improvements which could be implemented into an existing fuel alcohol plant without causing major alterations in plant equipment and process flow. High final ethanol concentrations, reduced water use, relatively short fermentation cycles,and potential utilization of pearling by-products, would decrease labour and energy inputs, and increase overall alcohol plant efficiency. 49 唐 山 学 院 毕 业 设 计 译文 黑麦、 黑小麦粮食高浓度发酵技术生产燃料乙醇 摘要 利用实验室研磨机对黑麦、黑小麦加工。干的黑小麦和黑麦经过3,5次连续研磨后可除去约 12%的干物质。粮食中的淀粉含量增加量:黑小麦为8.0%和黑麦为 7.1%。在20 ?时，高浓度的黑麦、 黑小麦被活性干酵母发酵为燃料酒精，浓醪技术将发酵罐中乙醇的最终浓度从9.5 -10.0%(v/v)增加到12.9 -15.1%(v/v)。研磨过程结合浓醪(VHG)发酵技术一起使用可进一步将酒精浓度提高到15.7-16.1%(v/v)。在酒精厂，除去米糠，将提高利用效率，减少醪加热、 冷却、 混和和乙醇蒸馏的能源需求。 1.介绍 在加拿大西部，由于近几年小麦价格的提高，不太昂贵的替代作物如黑麦、 黑小麦正在考虑为燃料酒精厂的原料。在美国，玉米被大部分酒精厂选取作为主要成产原料，而在加拿大西部却不被广泛接受。以前的研究表明黑麦、 黑小麦有正常且非常高的可发酵性。通过衡量这些谷物的发酵效率和发酵完成所需的时间，这些谷物的发酵能力与小麦、 大麦和燕麦的差不多。 为了提高现有的燃料酒精厂的效率，在原料中淀粉的浓缩，和高浓度发酵技术中两个方面进行改进。浓醪技术是指每公升含 300 克或更多可溶性固体的原料浆. 发酵醪正常的质量浓度正常为每 100 克含可大多数酿酒公司和燃料酒精生产厂的 溶解固体20–24 g。小麦、 燕麦、 大麦、 黑麦和黑小麦的浓醪发酵技术在提高最终乙醇浓度、 降低加工成本上被证明是成功的。它通过去除米糠来增加原料中的淀粉含量。通过使用先进的研磨设备的过程，小麦研磨技术作为Trigo Tecand PeriTec 系统已经发展起来。德克斯特和伍德已经发表了一个最新应用的先进程序，其中包括两种专利。最近阿利斯查默斯莫对小麦预处理经历的三个阶段的实验的研究表明淀粉含量从54%-57%增加到 64%-68%。啤酒中乙醇浓度是随后从平均 10.6%(w/v) 增加到 12.4%。(w/v)。佐竹義测试轧机对大麦、 黑麦、 黑小麦进行研磨(型号 TM05，佐竹義有限公司，日本，东京) 已除去7.7–21.7%的粮食米糠，预计1000 万公升的乙醇厂蒸气消耗减少3.5% -11.4%, 功耗减少5.2%-15.6 %。目前目标是研究确定黑麦和黑小麦通过使用原料研磨结合浓醪发酵技术生产燃料酒精在发酵效果上的影响。 2.材料和方法 2.1.黑麦、黑小麦样品 50 唐 山 学 院 毕 业 设 计 黑麦、黑小麦是由加拿大的农业及农产发展起来的。黑麦的水分含量12.16% ?0.02%，和淀粉含量的62.35? 1.31%(干物质)。黑小麦的水分含量10.50% ?0.02%，和淀粉含量为63.13?1.32%(干物质)。 2.2.研磨 研磨前，所有原料调整到水分含量12.5,.这种配备一个中等研磨辊(石)和孔径为1.9毫米直径筛子的佐竹磨研磨机(型号TM05，佐竹公司，东京，日本)应用于使用所有设备.这种辊速度750 rpm.这种研磨工序包括黑小麦和黑麦分别为三遍和五遍的研磨，每次研磨持续30秒。每次研磨后，通过擦拭和过筛收集米糠，得到的研磨物在下次研磨前再次称重。研磨的目的是去除麸皮材料，同时减少黑小麦和黑麦的淀粉损失，旨在让最终累计粮食质量，保证16.05,的去除率。 2.3.化学分析 对谷物、研磨物、米糠样品的水分和淀粉含量进行分析。发酵醪由AACC的标准程序测量水分，粗蛋白，粗脂肪，灰分。根据Sosulski和Imafidon的建议，样品的脑蛋白利用AOAC方法进行了计算蛋白质转换系数为5.7。通过测量与α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶水解后的葡萄糖，来测定蛋白质含量 2.4.酶、 试剂、 和化学品 霍夫曼香格里拉罗氏(密西沙加，ON，加拿大) 提供了从Tri - choderma 6iride Roxazyme?提取的粉末状真菌酶制剂。Roxazyme?含有活性为8000 IU/g的纤维素酶和活性为43350 IU/ G的木聚糖酶。 2.5 发酵。 发酵罐连接有D3-G的水浴循环，在15 min内保持30?恒温. ，一个普遍的和有效的酵母食品中加入5毫升无菌蒸馏水或5毫升过滤灭菌的尿素溶液，为每个发酵罐提供的分别为0或16毫米终浓度。然后，每公斤用于糖化发酵的糊化液中加入8毫升二次处理的Allcoholase. 30分钟后，发酵罐中整体发酵的温度降低并保持在20?，，发酵接种6毫升活性干酵母(接种约30 - 35万细胞每克，捣烂)。对发酵进行了监测，直到所有固体溶解消耗。 3、 结果和结论 3.1原料研磨和浓醪发酵技术对乙醇产量、 发酵效率、 乙醇浓度的影响 发酵从目前的研究结果进行比较，所有粮食的正常质量发酵及浓醪发酵。浓醪发酵和原料研磨并未导致平均发酵效率的显着变化。从三个研究中获得的平均发酵效率分别为90.0和91.4,之间。添加尿素发酵效率较低，导致更多的糖为细胞的生长，换取更快的发酵率和缩短发酵周期。目前在发酵培养基，少养分时，发酵效率等跌幅更为显着。原料研磨去除米糠，因此，研磨物质中可能有一些矿物质，维 51 唐 山 学 院 毕 业 设 计 生素和氨基酸，这些通常能促进发酵中的不足之处。如果添加尿素的浓度，从目前的16毫米减少到较低水平，这种下降可能得到纠正。 VHG技术的应用，使平均每吨原料的乙醇产量(干基)的全谷物正常重力和VHG发酵，分别为421和417升。利用原料研磨和浓醪发酵技术使平均每吨原料生产为乙醇产量为455升。因此，由于研磨物中淀粉含量比较集中，每吨原料的乙醇增加了8.5,，。这一增长是在原料中的淀粉含量的增加比例。然而，他们在发酵量的基础上计算得出，在乙醇生产的增加实际上更大。VHG技术和原料研磨在发酵罐的最终乙醇浓度的增加上显示极大的好处。与正常质量发酵相比，最终乙醇浓度在9.5,和10.0,(V / V)之间。作为糖化和发酵过程中减少水的使用结果，VHG技术的应用糖浓度水平的33,。最终乙醇浓度，从而增加至12.9 %– 14.8,(V / V)。这是一个47,的平均增幅。原料研磨使发酵原料的淀粉含量增加了7 - 8,。结合VHG技术，最终乙醇浓度进一步增加至15.7 %- 16.1,(V / V)。对于一个给定的发酵罐容积，这意味着相对于正常质量发酵，原料研磨和VHG技术的结合使用，将平均增加乙醇生产量的64,。虽然水平低的糖浓度正常重力发酵对发酵过程的缩短发酵周期，最近的研究(未发表结果)表明，采用相对较高的发酵温度(25?-30?)，VHG技术发酵周期可以大大减少。 VHG发酵技术，可降低糖化和发酵过程中用水量的33,左右，也可降低糊化加热，冷却和乙醇蒸馏过程中的能源消耗。原料研磨去除了粮食米糠，从而减少能量输入和发酵醪的量。在节约能源和增加乙醇产量，双管齐下将提高燃料酒精厂的效率和竞争力。 3.2酒糟的化学成分 黑麦和黑小麦发酵的酒糟主要是蛋白质和总膳食纤维(TDF)。从整个粮食正常重力和VHG发酵获得的酒糟组成之间有一些差异。在干物质中蛋白质和TDF各占30,左右。其余的发酵醪中有灰分，脂肪，残余淀粉，酵母细胞和难挥发的发酵副产品。事实上，黑麦的发酵醪中蛋白质含量低，是由于最初在黑麦中蛋白质含量较低。发酵醪中低于预期的TDF含量是由于水解戊聚糖发酵前，黑麦糊液中还原酶粘度降低。除了从酵母中增加蛋白质外，在发酵过程中添加尿素并没有改变发酵醪的化学成分。在从原料研磨发酵获得的发酵醪中，蛋白质是最主要的组成部分，它占酒糟的30-42,。由于原料研磨清除米糠，TDF的含量为19至26,，其余成分:灰分，脂肪，和残余淀粉含量，大约与那些未研磨的原料相同。 4.结论 由于原料采用研磨和VHG发酵技术，发酵罐中最终乙醇浓度可显着增加。原料研磨是一种简单，单步，干燥的过程。原料研磨可在90-150s内去除12,的干物质，总的初始淀粉损失率为3.5 - 4.3,。这样一个过程，需要相对较低的资本投资， 52 唐 山 学 院 毕 业 设 计 仅在燃料酒精厂的前端安装了研磨机即可。原料研磨后淀粉含量提高7 - 8,。这导致在发酵醪中糖浓度增加。使用VHG发酵技术糖浓度也显着提高的，其中，在糖化和发酵过程中节省33,的水。相较于那些使用未经过研磨质量的谷物发原料发酵的一般燃料酒精厂，原料研磨和VHG技术的联合应用使发酵醪中乙醇的最终浓度增加了64,。通过测定一个给定的的发酵方式的乙醇每天的生产量的结果表明，乙醇燃料酒精产量的显着增加，由于其糖含量较高(30 g/100毫升)并且使用较低的发酵温度(20?)，V HG发酵完成需要较长时间。然而没必要使发酵温度为20?。目前的研究(未发表结果)中VHG发酵，可在较高温度(25?-30?)完成发酵效率在90%左右。这样将肯定会降低发酵周期。原料研磨和VHG发酵技术目前能应用的最有前途的减少发酵周期的方法，并且厂房设备和工艺流程没有重大改建的，可以到现有的燃料酒精厂实施的改善。最终乙醇浓度高，水的消耗量减少，发酵周期相对较短，米糠的使用潜力，减少劳动力和能源的投入，并提高整体的酒精厂的效率。 仅在燃料酒精厂的前端安装了研磨机即可。原料研磨后淀粉含量提高7 - 8,。这导致在发酵醪中糖浓度增加。使用VHG发酵技术糖浓度也显着提高的，其中，在糖化和发酵过程中节省33,的水。相较于那些使用未经过研磨质量的谷物发原料发酵的一般燃料酒精厂，原料研磨和VHG技术的联合应用使发酵醪中乙醇的最终浓度增加了64,。通过测定一个给定的的发酵方式的乙醇每天的生产量的结果表明，乙醇燃料酒精产量的显着增加，由于其糖含量较高(30 g/100毫升)并且使用较低的发酵温度(20?)，V HG发酵完成需要较长时间。然而没必要使发酵温度为20?。目前的研究(未发表结果)中VHG发酵，可在较高温度(25?-30?)完成发酵效率在90%左右。这样将肯定会降低发酵周期。原料研磨和VHG发酵技术目前能应用的最有前途的减少发酵周期的方法，并且厂房设备和工艺流程没有重大改建的，可以到现有的燃料酒精厂实施的改善。最终乙醇浓度高，水的消耗量减少，发酵周期相对较短，米糠的使用潜力，减少劳动力和能源的投入，并提高整体的酒精厂的效率。 53