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长春工业大学化学与生命科学学院生物技术（工程）专业《发酵工程与设备》课程设计说明书一、总论1.1概述中国的酒精工业始于1900年黑龙江省哈尔滨市，虽经1900~1949年月50年的演变和设备技术的发展，但全国酒精总产量还不到1万吨。1949~2000年，中国的酒精产量迅速增长到300万吨，跃居世界第三位。新中国成立后，历经50年的发展，初步形成了企业生产、工程设计、科学研究、人才培养、设备制造综合利用、环境保护、标准制定、检验检测、成品运输、产品销售等一个完整的酒精工业体系。中国现有发酵法酒精生产能力已达500万吨，其中年产5万吨以上的企业10家（最大的华润酒精有限公司年产24万吨）、3万吨级的企业20家、万吨级的企业70家。中国酒精产业虽然有专业厂200家，设有酒精车间的企业700家，总体上看，生产规模小、生产技术落后的小型酒精企业的数量还很多。酒精的化学名称是乙醇，分子式C2H5OH，相对分子质量46.07.分析纯级的无水乙醇是无色透明、易挥发、具有特殊芳香和强烈刺激味的易燃液体等性质。酒精的用途俺需求量多少可分为三方面：用量最大的燃料酒精；调制酒精饮料用的食用酒精；化工医药用酒精。目前中国酒精产品以食用酒精（GB10343—2002）为主产品，此外还有一定产量的高纯度酒精、化学试剂用无水酒精、化学试剂95%分析纯酒精和工业酒精等。中国发酵法生产酒精的原料主要是玉米、小麦、大米、薯类、糖蜜等，陈化粮也开始有一定比例的使用。中国酒精的快速发展是从20世纪90年代开始的近事多年。2002年9月1日开始实施的食用国家标准（GB10343—2002）标志着中国酒精生产的质量水平已基本接近国际上发达国家酒精标准。发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。因为作为可再生能源的酒精，在经历一个多世纪的发展中，始终与能源密切相关，特别是巴西从1975年久开始的以甘蔗、糖蜜为原料生产酒精的成功实践，提醒各国政府：10%以上的能源添加储备在自己的国土上。一个国家，尤其是石油资源匮乏的国家如果能自主解决10%以上的能源添加，对发展本国经济、维持国家安定将起到极其重要的作用。垄断石油资源、争取石油资源造成的两次石油危机，两次伊拉克战争均与石油有直接关系。现在可以说石油和用于乙醇发酵的谷物等原料都源于太阳能的储备。发酵法生产乙醇比石油更有优势的地方是发酵法效率高，其原料年年种、年年收，不用像开采石油那样投资巨大。根据当今农业、酒精生产能力、改造汽油发动机和柴油发动机的能力，相信不久的将来，一个良性循环的能源资源将更多地出现在世人面前。1.2设计依据1.2.1长春工业大学生物技术（工程）课程设计指导书。1.2.2长春工业大学生物技术（工程）课程设计任务书。1.2.3《发酵工程与设备》、《发酵工艺原理》、《发酵工厂工艺设计概论》、《化工工艺设计手册》及生物技术（工程）专业基础理论课本等参考资料。1.3设计指导思想1.3.1尽量采用先进的生产技术与设备，认真吸取和借鉴国内外各种产品生产的成熟新工艺、新技术、新设备。1.3.2合理利用资源，节约能源，降低消耗指标。1.4设计范围1.4.1确定工艺流程及生产操作条件1.4.2工艺及主要设备计算（物料衡算、设备计算）1.4.3绘制生产工艺流程图1.4.4编制课程设计说明书二、生产工艺2.1产品产量及方案产量：年产酒精61000吨产品品种：含乙醇95%（V）相当于92.41%（W）食用酒精2.2生产方法的选择工艺方法：利用玉米为原料，双酶糖化，添加酒精酵母连续发酵、三塔蒸馏的工艺是目前最成熟、最典型的生产工艺。酒精生产工艺流程简图：α-淀粉酶糖化酶酒母醪↓↓↓玉米→粉碎→调浆→连续蒸煮→蒸煮醪冷却→糖化→糖化醪冷却→连续发酵→↑↓排醛废水CO2回收↑↑成熟发酵醪→粗馏→醛塔→精馏→成品酒精↓↓废糟杂醇油↓DDGS（全价干酒糟）2.3主要工艺参数年生产天数：300玉米含水：15%玉米粉产率：87%玉米含淀粉：63%玉米淀粉实际出酒率：53%发酵周期：55-60h原料粉碎度：1.5-2.5mm原料加水比：1：3α-淀粉酶用量：5-6u/g原来蒸煮温度：90-110℃蒸煮时间：100min糖化酶用量：100-150u/g原料糖化温度：58～60℃糖化时间：45min糖化醪固形物浓度：16～18%糖化醪PH值：4.0～4.5接种量：10%～20%稀释速度：0.05～0.1发酵温度：31～33℃发酵罐装料系数：85～90%发酵醪酒精浓度：8～10%（V）2.4物料衡算表1主要物料衡算表（95%（V酒精））序号名称规格单位产品消耗年用量单位数量单位时天年1玉米含水≤15%t/t3.1t26.3630.31891002玉米粉含水≤15%t/t2.7t22.95491647003α-淀粉酶20000u/gkg/t1t0.008470.203614糖化酶50000u/gkg/t9t0.076251.835495NaOHkg/t22t0.186394.47313426H2SO498%kg/t16t0.1363.2539767硫酸铵kg/t1.15t0.00974310.2338370.158蒸煮粉浆t/t10.8t91.521966588009成熟蒸煮醪t/t11.1t94.0225767710010糖化醪t/t12.8t108.4260278080011成熟发酵醪t/t12.6t106.75256276860012杂醇油kg/t5t0.0423611.016730513醛酒kg/t20t0.16944.067122014二氧化碳kg/t902t7.642183.415502215废醪t/t12.7t107.62582.377470016胚芽kg/t300t2.542611830017水t/t90t762.518300549000018电kWh/t160kWh1355.5632533.3976000019汽t/t4.2t35.583854256200三、设备选择3.1主要工艺设备选型计算（1）发酵罐容积计算糖化醪流量108.4t/h，醪液比重为1.07，则糖化醪体积流量为：F=108.4/1.07=101.3m3/h采用多罐连续发酵工艺，双罐流加法，即预发酵罐和罐组首罐流加糖化醪，预发酵罐流加量为总量的17%，控制稀释速率D0=0.09；罐组首罐糖化醪流加量为总量的83%，稀释速率D1=0.05。预发酵罐和发酵罐的填充系数为Φ=0.9，则预发酵罐糖化醪流量F0=17%×101.3=17.2m3/h预发酵罐V0有效=F0/D0=17.22/0.09=191.4m3预发酵罐V0全=V0有效/Φ=191.4/0.9=212.7m3首发酵罐糖化醪流量F1=83%×101.3=84.1m3/h首发酵罐V1有效=F1/D1=84.1/0.05=1682m3首发酵罐V1全=V1有效/Φ=1682/0.9=1868.9m3预发酵罐和发酵罐直径d与高H的关系H=1.5d,锥形封头高、锥底高与直径的关系h1=h2=0.1d,V全=（π/4）d2(H＋h1/3＋h2/3),V全=1.23d3,所以经计算得d0=5.571m;d1=11.50m。取预发酵罐d0=5.6m,则H0=8.4m,h01=h02=0.56m,验算V0全=216.0m3＞212.7m3;取首发酵罐d1=11.5m,则H1=17.25m,h11=h12=1.15m,验算V1全=1871.0m3＞1868.9m3。所以预发酵罐、首发酵罐体积可满足生产需要。（2）发酵罐组个数确定设发酵周期为60h，发酵液的体积流量为16.6m3/h,发酵罐组设1个成熟醪贮罐，发酵罐组个数为：n=101.3×60/(1868.9×0.9)＋1=4.6个取整数n=5个，故本设计选取预发酵罐1个，发酵罐5个。（3）发酵罐换热器换热面积计算F=Q总/K△tmQ总=Q生－Q蒸发－Q罐壁由于罐体较大，所以采用罐外螺旋板换热器循环换热，传热系数K=860×4.186～2580×4.186kJ/m3·h·℃。首发酵罐料液流量108.4t/h,醪液浓度由18%→4.4%，放热量最大。可取麦芽糖发酵放热613.6kJ/kg,则Q生=108.4×1000×（18%－4.4%）×613.6=9045936kJ/hQ蒸发＋Q罐壁=8%Q生=72374kJ/hQ总=9045936－723674=8322262kJ/h平均温度差△tm=(△t1－△t2)/ln(△t1/△t2),31℃←31℃发酵液20℃→25℃冷却水△t1=11△t2=6代入△tm=(11－6)/ln(11/6)=8.2℃首发酵罐换热器面积：F=Q总/K△tm=8322262/(1200×4.186×8.2)=202.0m3首发酵罐换热器冷却水流量：W=Q总/cp(t2－t1)=8322262/4.18(25－20)=398194kg/h=398.2/h3.2发酵工段身边一览表表2主要生产设备一览表四、发酵工段工艺流程图（附）序号设备名称型号与规格单位数量备注1空气分过滤器个12醪液泵个63预发酵罐泵Φ3100×4650个14螺旋板换热器个55发酵罐Φ6300×9450个56醪液泵个67螺旋板换热器F=33.2m2个58CO2洗涤罐个19淡酒罐个110淡酒泵个1