发酵工程课程设计1.docx

1、发酵工程课程设计1、设计任务书1、课程设计的内容（1） 、通过查阅机械搅拌通风发酵罐或厌氧发酵罐的有关资料，熟悉基本 工作原理和特点。（2） 、进行工艺计算（3） 、主要设备工作部件尺寸的设计（4） 、撰写课程设计说明书2、课程设计的要求与数据（1）酒精发酵罐设计年产 2 万吨 95%食用酒精发酵罐设计高径比为2.5，地点为安徽省合肥市，蛇管冷却，初始水温 18C，出水温度26 C（ 2）其他数据生产方法：以薯干为原料，双酶糖化，连续蒸煮，间歇发酵。三塔蒸馏。副 产 品：次级酒精（成品酒精的 3%）；杂醇油（成品酒精的 0.6% ）原 料：薯干（含淀粉 68%，水分 12% ）酶 用 量：高温

2、淀粉酶（ 20,000U/ml ）： 10U/g 原料糖化酶（ 100,000U/ml ）： 150U/g 原料（糖化醪） ； 3000U/g 原料（酵母醪）硫酸铵用量：7kg/吨酒精 硫酸用量：5kg/吨酒精蒸煮醪粉料加水比： 1： 2.5 发酵成熟醪酒精含量： 11%（V ）使用活性干酵母，使用量为 1.5kg /吨原料活料干酵母的复活用水： 10 倍于活性干酵母质量的 2%的葡萄糖水 发酵罐洗罐用水：发酵成熟醪的 2%生产过程淀粉总损失率 9%全年生产天数： 320 天具体要求：按要求进行酒精工艺选取及说明2作全厂物料衡算3发酵罐具体设计及计算4发酵罐装配图纸一张（ 2 号图纸）二、 设

3、计方案简介机械式：本设计设备是？ m3全容积的机械搅拌生物反应器， 此反应器内部结 构简单，包括进气装置，搅拌装置和取样装置。外部结构包括：夹套、支座、电 动机、减速机以及种类管道的进出口等。设计本着结构简单，制造方便、拆选方 便、经济效益高的特点而设计的。确定具体的各部分结构形式和尺寸(如封头， 传热面等)；根据压力、温度、介质情况合理选材；研究电动机、减速器、联轴 器等的选用；对重要的数据进行必要的稳定性的校核。 本设计查阅了多方面的资料，还运用了多方面的知识，采用了许多方法和技巧，使得整个设计合理。三、 生产工艺设计及说明四、 全厂物料恒算4.4原料消耗的计算(1)、淀粉原料生产酒精的总

4、化学反应式为：糖化：(CoQ)n+ nH2 n( 1)162 18 180发酵：C5H12Q) 2 2H5OH + 2CO (2)180 46 x 2 44 x 2(2)、生产1000kg无水酒精的理论淀粉消耗量由(1)、(2)式可求得理论上生产1000kg无水酒精所耗的淀粉量为：1000x( 162/92) =1760.9 (kg)(3)、生产1000kg国标食用酒精的理论淀粉消耗量国标燃料酒精的乙醇含量在99.5% (体积分数)以上，相当于92.41% (质量 分数)，故生产1000kg食用酒精成品理论上需淀粉量为：1760.9 x 92.41%=1627.2 (kg)淀粉损失率为9%。故

5、生产1000kg酒精须淀粉量为：1627.2 二仃 88.1 (kg)100%-9%这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为 1000- 1788.仁55.9%,着达到了我国先阶段甘薯干原料生产酒精的先进出酒率水平。(5)生产1000kg酒精甘薯干原料消耗量 据基础数据给出，甘薯干原料 含淀粉68%，故1吨酒精耗甘薯干量为：1779.3十 68%=2616.6 (kg)若应用液体曲糖化工艺。并设每生产1000kg酒精需要的糖化剂所含淀粉量 为G1,则淀粉原料需用量为：(1779.3-G1)十 68%(6)-淀粉酶消耗量 应用酶活力为20000u/g的a漩粉酶使淀粉液化,促进糊化，可减少蒸汽消耗量。-

6、淀粉酶用量按10u/g原料计算。=1.31 (kg)用酶量为：2616.6X 1000 X 1020000(7)糖化酶耗用量若所用糖化酶的活力为100000u/g,使用量为 150u/g 原料，则糖化酶消耗量为：2616.6X 1000 X 150-=3.92 (kg)100000此外，酒母糖化酶用量按 300u/g (原料)计，且酒母用量为 10%，则用酶 量为：2616.6X 10%X 70% X 3000 =5.49 ( kg)100000式中70%为酒母的糖化液占70%，其于为稀释水和糖化剂。(8)硫酸氨耗用量 硫酸氨用于酒母培养基的补充氮源， 其用量为酒母量的0.1%，设酒母醪量为G

7、0,则硫酸氨耗量为：0.1%G05蒸煮醪量的计算根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为 1: 2.5粉浆量为：2616.6X( 1+2.5) =9158.1(kg)蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟器和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。 在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时 进行，因而十分复杂。为简化计算，可按下述方法近似计算。假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度 55C，应用喷射液化器使粉浆迅速 升温至88C,然后进入连续液化器液化，再经115C高温灭酶后，再真空冷却器 中闪几蒸发冷却至63 E后入糖化罐干物质含量B0=88%的薯干比热容为;C0 =4.1

8、8X( 1-0.7B0) = 1.61kJ/(kg.K)粉浆干物质浓度为：B1 =88/ (3.5X 100) = 28.6%蒸煮醪比热容为：C1 =B1X C0+ (1.0-B1 X Cw)=28.6%X 1.61+ (1.0-28.6%)X 4.18=3.44kJ/(kg.K)式中 Cw水的比热容kJ/(kg.K) 为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不便。(1经喷射液化加热后蒸煮醪量为：9158.1 + 9158.1 X 3.44X( 88-55) =9594.72 (kg)2748.9-88X 4.18式中 2748.喷射液化器加热蒸汽(0.5Mpa)的焓(kJ/K)(2)

9、经二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：9594.72 -9594.72X 3.44X( 88-84) = 9537.03(kg)2288.3式中 2288.3第二液化维持罐的温度为 84度下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/K) (3 )经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为；9537.03 + 9537.03X 3.44 (115-84) =9985.42(kg)2748.9-115X 4.18式中 115灭酶温度(摄氏度)2748.9 0.5Mpa饱和蒸汽的焓(kJ/K)(4)经汽液分离器后的蒸煮醪量：9985.42 - 9985.42X 3.44 (115-104.3) =9821.70(kg)2245式中

10、2245 104.3摄氏度下饱和蒸汽的汽化潜热(kg)(5)经真空冷却后最终蒸煮醪量为：9821.70 - 9821.70X 3.44 (104.3-63) =9228.17(kg)2351式中 2351真空冷却温度为63摄氏度下的饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/K)6.糖化醪与发酵醪量的计算社发酵结束后成熟醪量含酒精11% (体积分数)，相当于8.82% (质量分数)。 并设蒸煮效率为98%,而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成 熟醪量的5%和2%则生产1000kg95% (体积分数)酒精成品有关的计算如下：(1)的成熟发酵醪量为：F1 = 1000X 92.41% X (100+5

11、+2) 00 = 11439.53(kg)98%X 8.82%(2)不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：11439.53- 107% = 10691.15(kg)(3)入蒸馏塔的城市醪乙醇浓度为：1000X 92.41% =8.24% (质量分数)98% X 11439.53(4)相应发酵过程放出CO2总量为：1000X 92.41% X 44 =902(kg)98% 46(5)接种量按10%计，则酒母醪量为：10691.15+902 X 10% =1053.92(kg)(100+10)勻00(6)化醪量 酒母醪的70%是糖化醪，其余为糖化剂和稀释水，则糖 化醪量为10691.15+9

12、02 + 1053.92X 70% = 11276.97 (kg)(100+10)十 1007.成品与发酵醪量的计算(1)醛酒产量 在醛塔取酒一般占成品酒的1.2% 3%，在保证主产品质量合格的前提下，醛酒量取得越少越好。设醛酒量占成品酒精的3%，则生产1000kg 成品酒精可得次品酒精两为：100X 3% = 30 (kg)(2) 普通三级酒精酒精产量 每产生1000kg酒精，其普通三级酒精产量为：1000-30 = 970 (kg)(3) 杂醇油产量 杂醇油通常为酒精产量的0.3%0.7%,取平均值0.5%, 则淀粉原料生产1000kg酒精副产杂醇油量为：1000X 0.6% = 6 (k

13、g)(4) 废醪量的计算 废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成方及其挥发成分后的残留液。此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加热，所以还需加 上入塔的加热蒸汽冷凝水。醪塔的物料和热量蘅算如图所示：/4Q3=VitF1醪Q1=1FC1tD1 塔Q4= Q4 + D1t4Q1=1FC1tWx+ D1图二.的物料和热量衡算设进塔的醪液(Fi)的温度ti=70度，排除废醪的温度t4=105度：成熟醪固 形物浓度为Bi=7.5%，塔顶上升酒器的乙醇浓度50% (体积分数)即47.18% (质 量分数)。则:1醪塔上升蒸汽量为：V1=11439.53X 8.24% =1997.92 (kg)47.18

14、%2残留液量为：Wx = 11439.53-1997.92 = 9441.61 (kg)3成熟醪比热容为：d = 4.18X (1.019-0.95B1) =4.18X (1.019-0.95*7.5%) =3.96kJ/(kg.K)4成熟醪带入的热量为：Q1 = F1X c1 X t1=11439.53X 3.96 X 70=3171037.72(kJ)5蒸馏残液固形物浓度为：B2 = F1 X B1 = 11439.53X 7.5% =9.09%Wx 9441.61此计算是间接加热，故没有蒸汽冷凝水的工艺。6蒸馏残液的比热容为：C2=4.18 (1-0.378B2) = 4.04Kj/(k

15、g.K)7塔底残留液带出热量为：Q4 = Wx x C2 X t4=9441.61 X 4.04X 105 =4005130.96(kJ)查附表得50% (体积分数)酒精蒸汽焓为I=1965kJ/kg,故有：8上升蒸汽带出热量为：Q3= V1X I=1997.92X 1965=3925912.8(kJ)塔底采用0.05Mpa (表压)蒸汽加热，焓为 2689.8kJ/kg;又蒸馏过程热损失Qn可取为传热总热量的1%。根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为：D1 = Q3+Q4+Q n-QiI-Cwt4=4005130.96+3925912.8-3171037.72(2689.8-4.18X 105)

16、 X 99%=2136.07(kg)若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪为：Wx + D1 =9441.61+2136.07 =11577.68(kg)8.200000吨/年淀粉原料酒精厂总物料衡算前面对淀粉原料生产1000kg酒精(92.41%)进行了物料平衡计算，以下对20000 吨/年甘薯干原料酒精厂进行计算。(1)酒精成品日产酒精为：20000- 320=62.5 (t)日产次级酒精为：62.5 X( 3-98) =1.28 (t)日产酒精总量为：62.5+1.28=63.78 (t)实际年产量为：普通三级酒精量为：62.5 X 320=20000 (t/a)次级酒精量为：1.28X 3

17、20=409.6 (t/a)酒精总产量为：20000+409.6=20409.6 (t/a)(2)主要原料甘薯干用量日消耗量：2616.6X 63.78=166886.75 (kg)年消耗量：16688.75X 320=53403.76 (t)淀粉酶、糖化酶用量以及蒸煮粉浆量、糖化醪、酒母醪、蒸煮发酵醪等每日量 和每年量均可算出，衡算结果见表。数量物料生产 1000kg95%酒精物料量（kg）每小时数量（kg）每天数每年数 量量普通酒精9702526.0462.520000次级酒精30292.57.022106甘薯干2616.632962791.1237329a -淀粉酶1.3119.30.4

18、64139.2糖化酶9.4133.80.811243.3硫酸氨1.151.660.04120硫酸5.010.40.2575蒸煮粉浆9158.120781.5498.76149627.1成熟蒸煮醪9228.1720876.7501.04150312糖化醪11276.9725681.25616.35184905酒母醪1053.922400.257.617281.5蒸煮发酵醪11439.5325993.75623.85187155杂醇油610.40.2575二氧化碳9021879.1745.113530废渣11577.6826410.4633.85190155五、设备计算与选型（一）发酵设备的计算与

19、选型1.生产能力、数量和容积的确定（1） 发酵罐容积的确定：随着科技的发展，生产发酵罐的厂家越来越多，现有的发酵罐容积量系列如 5, 10, 20, 50, 75, 100, 120, 150, 250, 500m3等等。究竟选多大容积的好呢？ 一般来说单罐容积越大，经济性能越好，奉献就也越大，要求技术管理水平也越 高。另一方面，属于技术改造适当扩建的项目，考虑原有的规模发酵罐的利用和 新增发酵罐的统一管理，可取与原有发酵罐相同的容积；而新建的单位和车间， 应尽量减少设备数量，在技术管理水平永许的范围内，尽量取较大容积的发酵罐。3现取90m（2） 能力的计算：现每天生产95%屯度的酒精334吨

20、。酒精发酵周期为70小时（包括发酵罐 清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。则每天需糖液体积为 V糖。每天产纯度为95%勺普通三级62.5吨，每吨酒精需糖液为：11276.971080=10.4 （卅）V 糖=110.4 X 62.5 X 95%=617.5 （卅）发酵罐的填充系数为0.850.9，现取书=0.9 ;则每天需要发酵罐的总容积为 V。（发酵周期为70小时）。V 0= V糖/书=617.5/0.9=686.1 （m）(3)发酵罐个数的确定：计算发酵罐容积时有几个名称需明确。装液高度系数，指圆筒部分高度系 数，封底则与冷却罐、辅助设备体积相抵消。公称容积，是指罐的圆柱部分和底封头容积

21、之和。并圆整为整数：上封头 因无法装液，一般不计入容积。罐的全容积，是指罐的圆柱部分和两封头容积之和。 现取单罐公称容积为1100m3厌氧发酵罐，则需发酵罐的个数为 ni。n 1= V ot V 总 ipx 24=686.1 X 7090 X 0.9 X 24 =25 (个)取公称容积1100m发酵罐11个； 实际产量验算：90 X 0.9*25 X 320 =21362.64 (吨/ 年)10.4 70/24富裕量为 21362.64-20000 = 6.81% ，能满足产量要求。200002.主要尺寸的计算现按公称容积90m的发酵罐计算。H=2.5D h 上=0.12D h 下=0.09D

22、V 全=3.14D 3 (H+h上/3+h 下/3 )490= 3.14D3 (2.5D +D/3 +0.09D/3 )4D=3.55mH=8.875m h 上=0.423m h 下=0.3195mV全=0.785 X 9.62(14.4+1.152+0.864)3=1187.6m(4)总表面几计算：罐体圆柱部分表面积：A1= n DH=3.14=98.93 m罐顶表面积： A=10.17m罐底表面积： A=10.05m罐体总表面积： AX 3.55 X 8.87522 2、1/2上=n R( R +h 上)22 2、1/2下=n R( R +h 下)2总=A什A 上+ A下=98.93+10

23、.17+10.05=119.15 m3. 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸:(1) 冷却面积的计算：A= _Q_K X Tm式中Q发酵反应热(kg/h)K 总传热系数(kg/(m.h.T m冷却水的温差其中Q = Qa- ( Q+Q)式中Q a 生物反应热kJQ-蒸发损失热kJQ罐壁向环境散热kJ其中Qa = msq=97200 X 418.6 X 1%=406900(kJ/h)式中 ms每罐糖液质量(kg)糖度降低百分值%418.6kJ )q每T克麦芽糖放岀热量(Qb = 5% Q a=0.05 X 406900=20345(kJ/h)Qc = 10% Q a=0.1 X 406900=406

24、90(kJ/h)所以 Q = Qa- (Q+Q)=406900- (20345+40690=345865(kJ/h)(2)冷却水耗量：W = Q C w ( T2 - T 1)=345865 4.18 ( 26-18)=10493.4(kg/h)式中Q发酵生物反应热(kJ/h)Cw水的比热容kJ/(kg. C)T2冷却水出口温度C)T1冷却水进口温度(C(3)对数平均温差计算：T (30-18)二(30-26)2.3 (30-18) / (30-26)=7.29 (C(4 ) 传热总系数K值确定选取蛇管为水煤气输送管，规格为 53/60mm则管的横截面积为:2 20. 785 X( 0.06

25、) =0.0029 (m)设管内同心装两列蛇管，并同时进冷却水，则水管内流速为；v = W 3600X 10X 0.0029 X 1000=1.3m/s设蛇管圈直径为4m由水温表查得水温18C时，常数A=6.45式中 p v为质量流速()K 2按经验取 2700 kJ/(m 2.h. C)所以，总传热系数为：1K = 1 + 1 + 0.0035 + 1 K 1 K 2 188 16750= 1 1/68458+1/2700+0.0035/188+1/16750=2160.3 kJ/(m 2.h. C)式中188 钢管的导热系数kJ/(m2.h. C)1/16750 管壁水污垢层的热阻(m2.

26、h. C )/kJ 0.0035管子壁厚m4.冷却面积和主要尺寸：A = Q K X Tm=3458652160.3 X 7.29=21.9 ( m)两列蛇管长度：L = A n DCp=21.93.14 X 0.0565=123.44m式中 D cp蛇管平均直径0.0565 m 每圈蛇管长度：l = ( n Dp) 2+hp2 1/2=(3.14 X 2) 2+0.152 1/2=6.28 m式中D p蛇管圈直径2 mhp蛇管圈之间距离0.15 m 两列蛇管总圈数：N p = L/I=123.44/6.28取20 (圈)=19.8 (圈)两列蛇管总高度：H = (N-1 ) hp= (20-

27、1) X 0.15=2.85 m5.设备材料的选择：发酵设备的材质选择，优选考虑的是满足工艺要求，其次是经济性。本设备 采用A3钢制作，以降低设备费用。6.发酵罐壁厚的计算(1) 计算法确定发酵罐的壁厚S：S = PD + C ( cm)2 (T - P=0.4 X 355 +0.182 X 127X 0.8-0.4 =0.88 (cm)式中 P 设计压力 取P=0.4MPD发酵罐内径 D=9.6 m(T A钢许允应力 (T = 127 MPa书一一焊缝系数 0.5 1之间,取书=0.8 c壁厚附加值 (cmC=C 计 C2+C3其中 C 1钢板负偏差 0.13 1.3取C=0.8mmC 2

28、腐蚀余量单面腐蚀取C2=1 mmC 3加工减薄量冷加工取0所以 C = 0.8+1=1.8=0.18 (cm)(2)封头厚度：S = PD + C (cm)2 T - P= 0.4 X 355 + 0.282 X 127X 0.8-0.4=0.98 cm式中 P 设计压力 取P=0.4MPD发酵罐内径 D=9.6 mt A钢许允应力 T =127 MPa书一一焊缝系数 0.5 1之间,取书=0.8C 壁厚附加值 (cm)C=0.8+1+1=2.8 mm=0.28 cm7.接管设计(1) 接管长度h设计：不保温接管长h=150 mm(2 ) 接管直径的确定：接管实装醪90 X 0.9=81卅。设5小时排空。则物料体积流量为:Q= 815 X 36003=0.0045 m /s发酵醪流速取v=1m/s.则排料管截面积为：F 物=Q/V=0.055/ 仁0.0045m管径 d =1/2(F 物/0.785 )(0.0045/0.0785 ) 1/2=0.0757m取无缝钢管 100 X 4进料管同排料管 取无缝钢管100 X 48. 支座选择对于75 m上的发酵罐，由于设备总重要较大，应选用裙式支座，本设计 选用裙式支座。锥形发酵个数25全容积 （m）90装料系数0.9直径m3.55圆筒咼m8.8175上封头高m