物料和能量衡算.docx

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物料和能量衡算

主设备设计计算说明书

物料和能量的计算

参赛队:

双核聚变队

设计计算：

邓泽情

制作：

邓泽情

校核：

邓泽情

指导老师：

童汉清老师聂丽君老师

无水乙醇是一种应用很广泛的有机溶剂，是一种可再生的生物能源。

其中燃料乙醇被认为是替代和节约汽油的最佳原料之一，能和汽油以一定的比例混配成一种车用原料。

乙醇的生产有化学合成法和生物发酵法，随着全球石油的缩减，化学合成已受限制，生物发酵生产乙醇受各方推崇和应用。

生物发酵法是利用淀粉质原料或糖质原料，在微生物作用下生成乙醇的方法。

淀粉质原料生产乙醇过程包括：

原料粉碎、蒸煮糖化、酒母制备、发酵及蒸馏精制等工序。

一、燃料乙醇

（一）乙醇性质     酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧，不导电的液体。

有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。

学名是乙醇， 分子式

，（酒精燃烧

）因为它的化学分子式中含有羟基，所以叫做乙醇，比重0.7893（20／4°）。

乙醇的分子量：

46

外观与性状：

 无色液体，有酒香。

燃点：

75℃     熔点：

-114.1℃  沸点（一标准大气压下）：

 78.3 ℃

相对密度（水=1）：

 0.79 

相对蒸气密度（空气=1）：

 1.59     饱和蒸气压（kPa）：

 5.33（19℃）

燃烧热（kJ/mol）：

 1365.5

临界温度（℃）：

 243.1            临界压力（MPa）：

 6.38 

辛醇/水分配系数的对数值：

 0.32        闪点（℃）：

 12 

引燃温度（℃）：

 363 

爆炸上限%（V/V）：

 19.0            爆炸下限%（V/V）：

 3.3 

（二）类别和主产品     工业乙醇（该方案的产品是燃料乙醇）

工业酒精含乙醇96%以上，还含少量甲醇和其他物质。

 甲醇是有害的。

它可以挥发，对呼吸系统有害。

有人用工业酒精（含甲醇的乙醇）做酒，饮用后可导致失明。

食用乙醇：

食用酒精使用粮食和酵母菌在发酵罐里经过发酵后，经过过滤、精馏来得到的产品，通常为乙醇的水溶液，或者说是水和乙醇的互溶体，食用酒精里不含有对人体有毒的苯类和甲醇。

药用乙醇：

乙醇含量在75％左右

无水乙醇：

无水乙醇的酒精含量极高，分为化学纯和分析纯，化学纯的含量大于等于99.5%，分析纯的含量在99.9%以上。

燃料乙醇是指未加变性剂的、可作为燃料用的无水乙醇。

燃料乙醇可缓解能源紧张，减少环境污染，促进农业发展。

二、生产工艺

（一）

总流程

（二）原料及原料预处理

1.原料      荔枝龙眼核：

荔枝核含淀粉61.52%，龙眼核含淀粉65%,荔枝龙眼为岭南特色水果，主产于福建、广东、广西等地,全国荔枝年产量则达到了150万吨，龙眼产量为80万吨，龙眼核的重量约占龙眼果实鲜重的65%，荔枝核的重量约占荔枝果实鲜重的60%，目前我国有30%左右的鲜荔枝、龙眼都要靠加工成干果销售，所以我们利用大型加工厂获得核进行生产，而实际对荔枝核、龙眼核的回收大约达到加工量的90%，每年能够收集的荔枝核具体的量为40.5万吨,龙眼核21.6万吨。

在茂名地区,我们可以直接在荔枝龙眼加工厂回收到我们所需要的9万吨荔枝龙眼核,并且我们回收荔枝龙眼核时,是按垃圾来处理的,所以我们的原料是零成本。

？

？

？

？

水：

包括粉料液化糖化用水、发酵用水、蒸馏车间用水和清洗用水等，都利用城市自来水或是自来水经过一系列灭菌消毒的无菌水。

淀粉酶和糖化酶：

a-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为100u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量200u/g原料。

硫酸和硫酸铵等：

硫酸铵用量8kg/t（酒精），硫酸用量（调pH用）5.5kg/t（酒精）。

乙醇酵母：

发酵用的菌种，将糖化醪发酵产生乙醇、

和其他副产物。

2.原料除杂和粉碎

1）淀粉质原料在收集时，会混进沙土、杂物，甚至金属夹杂物等。

一般采用先振动筛筛选，再磁力除铁器磁选以除去杂质。

2）淀粉质原料中淀粉颗粒常以颗粒状态储存于细胞中，不宜被直接利用。

粉碎后有利于增加原料表面积，加快吸水速度，缩短水热处理时间；有利于淀粉酶的作用，提高淀粉的转化率，同时有利于原料在生产过程中的输送。

粉碎方法有干式粉碎和湿式粉碎，此次采用湿式粉碎进行生产

3）由粉尘损失造成的淀粉损失率约为0.40％。

3.水热处理（液化）和连续蒸煮糖化

1）淀粉的液化：

是利用淀粉液化酶使糊化的淀粉黏度降低，并水解成糊精和低聚糖的过程。

2） 使用耐高温的a-淀粉酶，采用95℃的处理温度，使用普通a-淀粉酶，采用85℃处理温度。

现采用低压喷射液化器来完成淀粉的液化。

调浆温度为50℃，喷射液化器使粉浆迅速升温至105 ℃，进入维持管保温液化5~8min，真空闪急蒸发冷却至95 ℃进入液化罐反应约60min后，进真空冷却器冷却至63 ℃后糖化30min。

低压喷射液化处理工艺                                               

 粉料→加水制浆→喷射液化→保温液化→冷却糖化

          ↑         ↑                           

       a-淀粉酶    蒸汽              

3）淀粉的糖化：

是利用糖化酶将淀粉液化的产物进一步水解成葡萄糖的的过程，并为发酵提供含糖适量并保持一定酶活力的无菌或极少杂菌的醪液。

       糖化温度一般根据糖化酶的最适作用温度进行控制，即58~60℃为宜，糖化酶作用的最适pH为4.2~5.0。

醪液的pH太高或太低都将破坏酶的活力，不利于糖化。

       糖化酶用量一般为每克淀粉使用100U，视原料品种、糖化方式等定量。

       糖化时间不宜过长，一般在15~25min的范围，也可以根据糖化醪进行调控，即以产生25％~35％的还原糖的时间为宜。

蒸煮糖化中由于淀粉残留及糖分破坏造成的淀粉损失约为0.40％。

4.乙醇酵母的培养

      麦芽汁     麦芽汁     麦芽汁     糖化醪

琼脂 →↓         ↓         ↓          ↓

酵母→斜面试管→液体试管→三角瓶培养→卡氏罐培养→小酒母罐培养→大酒母罐培养→发酵罐

     ↖     ↗                                          

      糖化醪           

乙醇酵母的培养（酒母1：

10扩大培养）

1）原菌种斜面培养：

麦芽汁琼脂，25~30℃培养3~5天（冰箱4℃保存备用）。

2）液体试管：

10°Bx麦芽汁，灭菌冷却至25~30℃，无菌接种置25~30℃培养20h。

3）三角瓶培养：

1/3麦芽汁和2/3糖化醪， 25~30℃培养12~14h，pH4~6

4）卡式罐培养：

糖化醪，25~30℃培养12~14h，pH4~6

5）小酒母罐、大酒母罐培养：

糖化醪，25~30℃培养12~14h，pH4~6

（三）乙醇发酵

   ——菌种：

乙醇酵母；    培养基：

荔枝龙眼核糖化醪→发酵醪；pH:

4.2~4.5;

1）前发酵期：

醪液中酵母密度小，酵母进行适应，发酵作用不强。

实际生产时，酒母量在10％左右，前发酵期时间为6~8h，连续发酵时，前发酵期基本不存在。

2）主发酵期：

酵母不再大量繁殖，而主要进行乙醇发酵，发酵作用强烈，糖分消耗迅速，乙醇逐渐增加。

主发酵温度控制在30~34℃ 不得高于34~35℃，发酵时间一般为12~15小时。

3）后发酵期：

醪液中的糖分已大部分被发酵，但醪液中残存的糊精等多糖成分继续被转化为可发酵性糖，酵母把它转化为乙醇。

后糖化作用速度比糖发酵速度要慢得多，乙醇和

生产量减少，表观看来气泡不断产生，但醪液不再翻动。

后发酵期一般需40小时左右才能完成，保持醪液温度在30℃±1℃ 。

4）发酵过程中的淀粉损失率：

发酵残糖——1.3％

巴斯德效应——4.0％

酒气自然蒸发与被CO2带走——0.30％

      （若有酒精捕捉器，损失为0.30％）

（四）分离纯化和蒸馏精制

分离纯化工艺流程图

发酵罐→泵→醪塔→浓缩塔→粗酒精→分子筛塔A、B→冷凝

↖   ↗                 ↑          ↓

蒸汽                  蒸汽    无水乙醇

过程中的淀粉损失率：

（1）废槽带走等——1.60％

（2）脱水损失——1.0％

（五）副产品利用和废水废渣处理

酒精槽→固液分离→滤液→处理→澄清液→回用及生物处理

           ↓             ↓                      

滤渣→饲料 ← 泥浆

三、物料衡算

（1）生产方法：

双酶糖化、间歇发酵、塔蒸馏。

（2）生产天数：

每年300d。

（3）燃料酒精日产量：

4.2t。

（4）燃料酒精年产量：

30000t。

（我计算出来才1260吨/年是用核发酵的，这个数据肯定不正确，你看下错在哪里）

（5）产品质量：

国际燃料酒精，乙醇含量95％以上（质量分数）

（6）主原料：

荔枝核含淀粉61.52%，龙眼核含淀粉65%,两者平均淀粉含量为63%

（7）酶用量：

a-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为100u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量200u/g原料。

（8）硫酸铵用量8kg/t（酒精），硫酸用量（调pH用）5.5kg/t（酒精）。

（一） 原料计算

1）糖化：

（1-1）  

         162        18         180

发酵：

                （1-2）

            180       46×2   44×2

2）生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量

由（1-1）和（1-2）求得：

1000×95％×162÷92＝1672.8（kg）

3）生产1000kg燃料酒精的实际淀粉消耗量 

   表（3-1）   生产过程各阶段淀粉损失率

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

淀粉残留及糖分坏

0.40

发酵

发酵残糖

1.3

发酵

巴斯德效应

4.0

发酵

酒气自然蒸发与被CO2带走

0.30

加酒精捕集器0.30％

蒸馏

废槽带走等

1.60

脱水

脱水损失

1.0

总计损失

9.0

1672.8÷（100％－9.0％）=1838.3（kg）

4）生产1000kg燃料酒精的荔枝龙眼核原料消耗量

荔枝龙眼核原料含淀粉63％，水分13％

1838．3÷63%=2918.0（kg）

5）a-淀粉酶消耗量

应用酶活力为20000u/g的a-淀粉酶液化

酶用量：

2918.0×1000×8÷20000=1.167（kg）

6）糖化酶耗量

糖化酶活力为100000u/g。

使用量为100u/g原料

2918.0×1000×100÷100000=2.918（kg）

此外，酒母糖化酶用量按200u/g（原料）计，且酒母用量为10%

2918.0×10%×70%×200÷100000=0.409（kg）

式中70%为酒母的糖化液占70%。

其余为稀释水与糖化剂。

两项合计，糖化酶用量为3.327kg/h。

7）硫酸铵耗用量

作为补充氮源，其用量为酒母用量的0.1%。

（二）蒸煮醪量的计算

淀粉原料连续蒸煮的粉料加水为1:

2，故粉浆量为：

2918×（1＋2）=8739（kg/h）

经喷射液化连续蒸煮,最终蒸煮醪液量为8879.2kg/h。

（三）糖化醪与发酵醪量的计算

设发酵结束后成熟醪量含酒精10%（体积分数），相当于8.01%（质量分数）。

并设蒸馏效率为98.4%，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液的5%和1%，则生产1000kg95%（质量分数）酒精成品计算如下：

① 需蒸馏的成熟发酵醪量为：

F=1000×95%÷98.4%÷8.01%×（100+5+1）÷100=12776.2（kg）

② 若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：

12776.2÷106%=12053.0（kg）

③ 入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：

1000÷98.4%÷12776.2=7.99%（质量分数）

④ 相应发酵过程放出

总量为

991.8÷98.4%×44÷46=964.1（kg）

⑤接种量按10%计，则酒母醪量为m：

（1672.8+964.1）÷【（100+10）÷100】×10%=239.8（kg）

⑥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：

（1672.8+964.1）÷【（100+10）÷100】+239.8×70%=2565.0（kg）

（四）30000t/a荔枝龙眼核原料酒精厂总物料衡算

① 酒精成品

每天产燃料酒精量为：

30000÷300÷24=4166.7kg/h，取整数位4167kg/h

实际年燃料酒精总产量为：

4167×300×24=30002（t/a）

② 主要荔枝龙眼核用量

每小时耗量为：

2918.0×4167/1000=12.159306（t/h）

年耗量为：

12.159306×300×24=87547.0032（t/a）

表（4-1）    30000t/a荔枝龙眼核原料酒精厂物料衡算表

物料﹨数量

生产1000kg燃料酒精物料量/kg

每小时数量/t

每年数量/t

燃料酒精

1000

4.167

30002

荔枝龙眼核原料

2918

12.159306

87547.0032

a-淀粉酶

1.167

4.862kg

35.006

糖化酶

3.327

13.864kg

99.820

硫酸铵

8kg/t

33.336kg

240.019

硫酸

5.5kg/t

22.919kg

165.017

蒸煮粉浆

8739

36.415413

260310

成熟蒸煮醪

8879.2

37.074692

266938

糖化醪

2565.0

10.688355

76956

酒母醪

239.8

0.99925

7194.6

蒸馏发酵醪

12776.2

53.23843

383317

二氧化碳

964.1

4.017

28922.4

废醪

13550

56.463

406533.6

副产品饲料

3375

14.064

4219.09

四、能量衡算

（一）发酵醪液冷却——由55℃至45℃

查得在平均温度下的比热Cp=4.174kJ/kg·℃

冷却所需的热量

Q醪=FCp△t=12776.2×30×4.174×（55－45）=16006023.36KJ/h=4446.118kw

取水为冷却介质，其进出的温度分别为20℃和25℃，

查得该平均温度下的比热Cp=4.178kJ/kg·℃,因此冷却水的用量：

Wc=Q醪/Cp（25－20）=12763.968kg/h

（二）醪液加热———由45℃到83.83℃

以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量

可记为：

其中

在进出预热器的平均温度以及

的情况下可以查得比热

，所以，

釜残液放出的热量

若将釜残液温度降至

那么平均温度

其比热为

，因此，

可知，

，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点

（三）粗馏塔底所需的热量

粗馏塔中上升的蒸汽量V1=9011.1kg/h

查表得体积分数50%的酒精的汽化热r=1557.49kJ.kg

Q2=V1r=9011.1×1557.49/3600=3898.53kw

（四）精馏塔底所需的热量

（1）上升的蒸汽量V2=（R+1）D=2×4166.7=8333.4kg/h

查表得体积分数96%的酒精的汽化热r=958.78kJ.kg

Q3=V2r=8333.4×958.78/3600=2219.42kw

（2）上升的蒸汽所需的热量由水蒸汽提供

由Q3’=Gr（p=0.23MP）及Q3=Q3’

查表可知r（p=0.23MP）=2195kJ/kg

则所需的水蒸气量G=2219.42×3600/2195=3640.044kg/h

（五）精馏塔需移走的热量

查表得体积分数96%的酒精的汽化热r=958.78kJ.kg

移走的热量Q3=Lr=RDr=1×4166.7×958.78÷3600=1109.708kw

（六）进分子筛乙醇的过热量

物流由79℃加热到110℃

查得94.5℃时乙醇的比热Cp=4.176kJ/kg·℃

过热量：

Q4=DCp（t2－t1）=4166.7×4.176×（110－79）÷3600=150.22kw

（七）分子筛出来的乙醇冷却放出的热量

（1）、110℃（g）至78℃（g）

查表得Cp1=3.266kJ/kg·℃，则

Q51=DCp1（t2－t1）=4166.7×4.1868×（110－78）÷3600=155.07kw

（2）、78℃（g）至78℃（l）

查表得78℃乙醇的汽化热r2=875.04kJ/kg，故

Q52=Dr2=4166.7×875.04÷3600=1012.79kw

（3）、78℃（l）至45℃（g）

查表得Cp3=2.847kJ/kg·℃

Q53=DCp3（t3－t2）=4166.7×2.847×（78－45）÷3600=108.74kw

取冷却水为介质，由20℃上升至35℃,△t=15℃

查表得Cp水=4.174kJ/kg·℃

所需的冷却水量为：

W水=108.74kw÷4.174kJ/kg·℃÷15℃

=6265.5kg/h

故从分子筛出来的乙醇冷却共放出来的热量

Q5=Q51+Q52+Q53=155.07+1012.79+108.74=1276.6kw

能量消耗综合表

名称

单位

每小时消耗量

每天消耗量

每年消耗量

冷却水

吨

19.029

456.696

137008.8

蒸气

吨

3.640

87.36

26208

电

千瓦时

8092.358

194216.6

5.83×107

由于用电供能量不能满这些生产的需要,也不经济,所以我们把这部分所需用电改为由煤提供。

1千克原煤折合成0.7143千克标准煤。

1公斤标准煤的热值为29.3076兆焦耳，所需消耗能量为：

8092.35×3600+691659.4=29824119.4kJ/h，

所需消耗的煤的理论值：

29824119.4×1000÷29.3076÷1000000÷1000=1.0176t/h,由于热的损失不能完利用，据生产经验分析，所要的实际煤用量大约为1.018吨。

能量消耗综合表

名称

单位

每小时消耗量

每天消耗量

每年消耗量

冷却水

吨

19.029

456.696

137008.8

蒸气

吨

3.640

87.36

26208

煤

吨

1.018

24.432

7329.6