年产100000吨酒精发酵罐的设计.docx

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年产100000吨酒精发酵罐的设计

《生物工程设备》课程设计说明书

100000t/a酒精发酵罐的设计

年产100000吨酒精发酵罐的设计

摘要

发酵设备是发酵工厂中的主要设备，发酵设备必须具有适宜微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低耗能下获得较高产品。

因此发酵设备必须具备微生物生长的基本条件。

发酵主要分为嫌弃发酵和好气发酵两大类，根据发酵微生物的不同特性我们可以选择与之相对应的不同的发酵设备来进行所需要的发酵过程。

酒精发酵属于嫌弃发酵过程，所以酒精发酵罐也需设计制造成嫌弃发酵罐来进行发酵。

酒精发酵罐除了满足微生物生产和代谢的基本条件外，发酵微生物热的释放和冷却设备及发酵废液的排放等一系列工艺条件也必须满足。

本次设计的酒精发酵罐为年产100000吨，95%的酒精，针对500m3的锥形酒精发酵罐的基本尺寸进行设计的。

关键字：

锥形，酒精，发酵罐，设计

1前言------------------------------------------------------------------------3

1.1酒精发酵罐设计的目的和意义----------------------------------------------4

1.2技术背景----------------------------------------------------------------5

2基本工艺条件----------------------------------------------------------------7

2.1生产规模----------------------------------------------------------------7

2.2物料参数----------------------------------------------------------------7

3设备设计计算及说明----------------------------------------------------------8

3.1发酵罐罐数的确定--------------------------------------------------------8

3.2发酵罐几何尺寸的确定----------------------------------------------------8

3.3酒精发酵罐的换热装置设计------------------------------------------------9

3.4设备材料的选择----------------------------------------------------------11

3.5发酵罐的壁厚计算--------------------------------------------------------11

3.6接管设计----------------------------------------------------------------11

3.7支座的选择--------------------------------------------------------------12

4附录------------------------------------------------------------------------15

主体设备化工设备图（或设备流程图）

5参考文献--------------------------------------------------------------------16

1前言

酒精学名乙醇，是由碳、氢、氧3种元素组成的化合物，结构是CHOH,相对分子质量为46.酒即是食品、化工、医药、染料、国防等工业十分重要的基础原料，又是可再生的清洁能源。

酒精作为重要的溶剂和化工原料而广泛应用于化学工业和医药卫生事业，它又是饮料酒工业的基础性原料，也是一种方便而较干净的液体（或固体）燃料。

我国发酵法酒精的年产量（商品酒精）在200万吨左右；另有酿酒厂自产自用的酒精约100万吨。

液态法白酒的发展，大大地促进了我国酒精工业的发展，这是我国酒精工业发展的一大特色。

现在，我国是世界上发酵法酒精产量占第三位的酒精生产大国，也是食用酒精产量最大的国家。

木薯是热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作物，适应性很强，耐旱、耐瘠、耐水，对土质要求不高，是可在任何土质中生长的作物。

我国南方盛产木薯，产量高，淀粉含量高，木薯的块根淀粉含量达25-30％左右，木薯干淀粉含量达70％左右，是被誉为“淀粉之王”。

木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的酒精生产的可再生资源。

近年来，随着木薯原料用于生产酒精逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产酒精工艺的研究。

所以对木薯发酵生产酒精的研究具有重要的意义。

酒精被广泛应用于食品、化工医药、染料、国防等行业。

酒精不仅可作为一种燃料，更是一种战略资源，全球2/3的酒精被用作燃料。

发展酒精不仅可以促进农业的可持续发展，并且可以作为清洁能源代替汽油或汽油添加剂，减少工业大气污染，保护环境，同时也可缓解原油进口的压力。

1.1酒精发酵罐设计的目的和意义

淀粉质原料经过蒸煮，使淀粉呈溶解状态，又经过曲霉糖化酶的作用，部分生成可发酵性糖，这还不是酒精生产的终了，在糖化醪中接入酵母菌；在酵母的作用下，将糖分转变为酒精和CO2，获得了酒精产品，这才是酒精发酵的目的。

从表面上去观察酒精发酵，其过程十分简单，它只是将糖化醪打入发酵罐后，接入酒母，就可以进行发酵了。

但是，在酒精发酵过程中却发生着十分复杂的生物化学变化过程：

在这里既有糖化醪中的淀粉和糊精继续被糖化酶水解，生成糖分的作用（即后糖化作用），也还有蛋白质在曲霉蛋白酶进一步水解下生成低分子含氮化合物如是是眎、动胨、肽和氨基酸的作用。

生成的这些物质，有的被酵母吸收利用，合成酵母菌体细胞，另一部分则被发酵，生成酒精和CO2及其它副产物。

酒精生产，要求用最少的原料来生产尽可能多的酒精产品，并应尽量减少发酵损失，为了达到这一目的，必须创造如下有利条件来实现这一目的要求：

（1）在发酵前期，要创造条件，让酵母菌继续繁殖到一定数量。

（2）使糖化醪中的淀粉和糊精继续被分解，生成可发酵的糖分。

（3）发酵过程的中期和后期，要创造厌气条件，使酵母在无氧条件下将糖分发酵生成酒精。

（4）发酵过程中产生的CO2应设法排除，注意加强对随CO2逸出时被带走酒精的捕集回收。

随着国际原油价格不断攀升,替代能源研究开发的重要性日益彰显。

而在诸多替代能源中,乙醇燃料优势明显。

也正推动着世界乙醇产业开始步入黄金发展期。

特别是今年8月8日,美国总统布什签署了一项新的能源法案,其中很重要的一项内容是可再生燃料标淮（RFS）。

RFS要求在汽油总组成中加入特定数量的可再生燃料,而且每年将有递增。

美国可再生燃料需求将从2006年40亿加仑/年增加到2012年75亿加仑/年,2012年后将保持2012年可再生燃料与全部汽油的比例。

据美国能源部能源信息署（EIA）资料称,美国2003年销售汽油中,乙醇汽油只占很少一部分,仅为28.8亿加仑,仅占当年汽油总销售量1390亿加仑的2.07%。

由此,燃料乙醇将继续成为全球汽油市场的新秀,它在汽油供应市场上将起越来越大的作用。

乙醇作为一种可再生燃料资源引起了广泛关注，这不仅是因为石油储量的日益减少，更是由于乙醇比石油类燃料更环保。

发酵法生产乙醇是一个产品抑制过程，连续移走产物乙醇可减弱甚至消除其抑制作用，得到较高的乙醇体积产率。

目前所采用的原位分离技术有：

真空蒸馏、吸附、萃取、膜蒸馏以及渗透汽化等。

其中渗透汽化与乙醇发酵耦合因其低耗高效且对细胞无毒害而受到国内外许多学者的重视和广泛探讨。

 预计10年内,全球燃料乙醇（包括使用ETBE）消费量将达到160亿-180亿加仑,虽然其总量占全球汽油需求量仍小于5%,但乙醇产量的增长将对汽油市场产生重要影响。

针对于酒精如此的重要作用，它每天的消耗量也是非常恐怖的。

所以对于酒精的大型生产及其质量的问题就显得尤其的重要了。

我们不但要在酒精发酵的原材料上找到最合适最经济的原产品外，还要在生产的设备和技术水平上达到一个新的高度，以便于在最简便和最节省的条件下得到最高效的酒精产品。

现在的酒精生产已经采用了大型发酵罐进行大型的生产，已经能够得到很可观的酒精生产量。

所以我们应该再在此基础上找到更好的方法来适应社会的发展。

在工厂化生产的过程中，一个很重要的因素就是环境的问题。

在生产的过程中，我们应该注意其对环境的污染。

不能在牺牲环境的基础上，那样就得不偿失了。

所以，在生产过程中不但要满足酒精自身的质量和卫生情况，还要尽量减少其对于周边环境的影响及污染，做好排污设备的良好管理及排除废液满足环境卫生要求。

最好的就是废液的再利用。

即将废弃的发酵液再次利用于其他方面。

1.2技术背景

1.2.1发酵罐的发展历史

第一阶段：

1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。

第二阶段：

1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。

第三阶段：

1940-1960年，机械搅拌，通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。

发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。

第四阶段：

1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。

由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。

计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。

第五阶段：

1979年至今。

生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。

于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。

1.2.2酒精发酵设备分类

酒精发酵的工艺方式不同，发酵设备也略有差异。

从发酵形式来分，有开放式、半密闭式和密闭式三种。

如果从材质上分，则可分为钢板和水泥制两种。

半密闭式发酵罐多采用钢板制成，罐顶设有顶盖，顶盖上设有能启闭的人孔。

1.2.3酒精发酵设备

钢板制酒精发酵罐采用钢板制成，钢板厚度视发酵罐容积不同而异，一般采用4—8毫米厚钢板制成，罐身呈圆柱形，罐身直径与高之比为1：

1.1；盖及底为圆锥形成碟形；罐内装冷却蛇管，蛇管数量一般取每立方米发酵醪用不少于0.25平方米的冷却面积。

蛇管可分上下两组安装，并加以固定。

也有采用在罐顶用淋水管或淋水围板使水沿罐壁流下，达到冷却发酵醪的目。

对于容积较大的发酵罐，这两种冷却形式可同时采用。

对地处南方的酒精厂，因气温较高，故应加强冷却措施。

有的工厂在发酵罐底部设置吹泡器，以便进行搅拌醪液，使发酵均匀。

罐顶设有CO2排出管和加热蒸汽管、醪液输入管。

但管路设置应尽量简化，做到一管多用，这对减少管道死角，防止杂菌污染有重要作用。

大的发酵罐的顶端及侧面还应设有人孔，以便于清洗。

水泥制酒精酵罐系采用钢筋水泥制成，形状可分为圆形或方形两种。

有的制成密封式，也可制成敞口式。

因水泥发酵罐有易腐蚀、逃酒和灭菌不彻底等缺点，所以一般厂多不采用。

1.2.4酒精发酵设备特点

酒精发酵罐是食品厂和酒厂的主要设备之一，其发酵温度控制是依靠调节冷却系统的冷却流量来实现。

国内外较多采用罐体外壁的夹套通入低温酒精水冷却罐内发酵液，而酒精水的降温是通过液氨蒸发来冷却的，其缺点是需要酒精水的中间换热循环。

其主要特点如下：

⑴把大罐的夹层当作蒸发器，液氨直接在夹套内蒸发，利用其气化潜热冷却罐内的啤酒液，从而省却了酒精水的中间换热循环，节省能耗12%以上。

⑵把夹套当作蒸发器，由于夹套内的压力比酒精水系统的要高，为此，设置了安全可靠、合理、结构新颖的蜂窝结构夹套，夹套与筒体组成的蜂窝状结构，其强度和刚度相互得到了提高。

夹套焊缝可减少30%。

⑶夹套做成分片式，与筒体的焊接完全避开筒体的纵、环向焊缝，避免了氨通过焊缝往罐内啤酒液泄漏的可能性。

克服了其它夹套的缺点。

⑷可选用碳钢或不锈钢材料，便于现场制造，降低制造成本，节省投资费用。

⑸占地面积小，并可避免使用酒精水冷却系统带来的酒精挥发对大气带来的污染，符合环保产品要求。

⑹设备底座可采用钢架结构和混凝土结构，定货时可根据用户确定。

1.2.5酒精发酵设备工艺流程

酒精发酵设备工艺流程：

         淀粉酶

                      ↓

原料→粉碎→拌料罐→往复泵→加热器→1-5#蒸煮锅　干酵母

                      ↑　                                            ↓　　 ↓

                       │                                  汽液分离器→　小酒母

                      │                                                 ↓　　↓

　            ┎─┙粗制复合酶                          糖化罐　大酒母

                │              ↓                                      ↓　　↓

            清液泵←清液酶解罐←糟液分离机←蒸馏塔　←　往复泵←　1-10#发酵罐

                                                      ↓　　　　　↓

                                             去污水处理品　合格产品

2基本工艺条件

2.1生产规模

生产规模：

每年生产10万吨酒精

2.2物料参数

1.产量：

100000t/a95%酒精

2.罐公称体积：

500m3

3.装液量：

按90%计

4.发酵周期：

72h

5.物料量：

每天进入发酵罐的醪液体积为4800t,密度1080kg/m3

6.糖度降低百分值：

1％

7.主发酵期，每小时糖度降低1度所放的热量：

418.6J/kg

3设备设计计算及说明

3.1酵罐罐数的确定

确定发酵罐个数N:

N=

nt/24+1

一个发酵罐可装的醪液量m：

m=90﹪×1080×500=486t

每24h进行加料的发酵罐数目：

n=4800/486≈10个

发酵罐的个数：

N=nt/24+1=（10×72）/24+1=31个

式中，t—一次发酵周期所需时间，h

3.2发酵罐几何尺寸及全罐表面积的确定

发酵罐体积：

v=（π/4）D²（H+h1∕3+h2∕3）（3-1）

H=1.2D（3-2）

h1=0.12D（3-3）

h2=0.1D（3-4）

所以D=8m

H=9.6m

h1=0.96m

h2=0.8m

式中，D—罐的直径

H—罐的回柱部分高度

h1—罐底高度

h2—罐盖高度

由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积，罐体援助部分表面积A1罐底、罐顶表面积A2,A3分别为：

A1=πDH=3.14×8×9.6=241.3m²（3-5）

A2=50.6m²

A3=50.5m²

式中，R—罐的半径

所以全罐表面积为:

A=A1+A2+A3=342.4m²（3-6）

3.3酒精发酵罐的换热装置设计

3.3.1总发酵热的计算

总发酵热Q的计算：

Q=Q1-（Q2+Q3）（3-7）

Q1=msq（3-8）

式中，m—每罐发酵液量，kg

s—糖度降低百分值，％

q—每1kg糖发酵放热，J

Q—主发酵期，每小时糖度降低1度所放的热量

所以Q1=486×1000×1％×418.6=2034396kJ/h

Q2=5％Q1=101719.8kJ/

Q3=AKC（TW-TB）（3-9）

假定罐底不包扎保温层，壁温最高可达35℃，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32℃。

可得出KC=33.5[kJ/（m²·h·℃）]

所以Q3=347×33.5×（35-32）=34873.5

因为Q=Q1-（Q2+Q3）

所以Q=1897802.7kJ/h

3.3.2对数平均温度差的计算

对数平均温度差的计算:

ΔTm=[（TF-T1）-（TF-T2）]/2.3㏒[（TF-T1）/（TF-T2）]（3-10）

主发酵期控制发酵液温度TF为30℃，冷却水进出口温度分别为T1=20℃，T2=25℃

所以ΔTm=7.2℃

3.3.3冷却水消耗量的计算

冷却水消耗量的计算：

W=Q/CP（T2－T1﹚（3-11）

=1897802.7/4.186×﹙25﹣20﹚

=90673.8㎏/h

3.3.4总传热系数K值的确定

总传热系数K值的确定：

选取蛇管为微水煤气输送钢管，其规格为110/114mm，则管的横截面积为：

0.785×﹙0.011﹚²＝0.0095m²

考虑罐径较大，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：

v=90673.8/﹙2×3600×0.0095×1000﹚=1.33m/s

设蛇管圈的直径为6m，并有水温表得A=6.45

所以K2=4.186A（ρν）0.8/D0.2（1+1.77D/R）（3-12）

=14108.2[kJ/（m²·h·℃）]

K1值按生产经验数据取27..kJ/（m²·h·℃）

故总传热系数为：

K=1/[1/14108.2+1/2700+0.004/188+1/16750]

=1914.9[kJ/（m²·h·℃）]

式中，188—钢管的传热系数，kJ/（m²·h·℃）

1/16750—管壁水污垢层的热阻，m²·h·℃/kJ

0.004—管子厚度，m

3.3.5冷却面积和主要尺寸的计算

所求冷却面积为：

A=Q/KΔTm=1897802.7/1914.9×7.2=137.6m²（3-13）

两列蛇管长度：

L=A/πDcp=137.6/3.14×0.112=391m（3-14）

式中，Dcp—蛇管的平均直径，m

每圈设管长度：

L0²=（πDP）²+hp²（3-15）

式中DP—蛇管圈直径，m

hp—蛇管圈之间的间距，m，取0.3m

所L0=18.9m

两列蛇管总圈数：

NP=L/L0=391/18.9=21（3-16）

两列蛇管的总高度：

H=（NP－1）hp＝（21—1）×0.3=6m（3-17）

3.4设备材料的选择

发酵设备的材质选择，优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。

如激素、抗生素、有机酸发酵等，考虑到对产品质量的影响、安全性、后道工艺除铁困难或腐蚀性强等，则必须使用18-25Mo2Ti制作水解设备。

为了降低造价也可在碳钢设备内衬薄的不锈钢板。

而像谷氨酸发酵则可以用碳钢制作发酵设备，精制时用除铁树脂除去离子。

如企业实力雄厚，也可以用不锈钢制作发酵设备。

绝热层材料应具有：

导热系数底、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。

绝热层材料常用：

聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。

外防护层一般采用0.7~1.5mm厚的合金铝板或0.5~0.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。

3.5发酵罐的壁厚计算

发酵罐罐壁厚度S的计算：

S=PD／{2[σ]Φ－P}+C（cm）（3-18）

式中P—设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa

D—发酵罐内经，D=800cm

[σ]—A3钢的许用应力，[σ]=127MPa

Φ—焊缝系数，根据焊接情况和探伤的程度，查相应表决定。

其范围在0.5~1之间，现取Φ=0.7

C—壁厚附加量（cm）

C=C1+C2+C3（3-19）

式中C1—钢板负偏差，视钢板厚度查表确定，其范围为0.13~1.3，现取C1=0.8mm

C2—为腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm，现取C2=2mm

C3—加工减薄量，对冷加工=0，热加工封头=S0×10％；现取查C3=0，代入上式

C=0.28m

S=2.12（cm）

3.6接管设计

接管的长度h设计：

各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200nm，具体见表6.1。

表6.1接管长度h（mm）

公称直径Dg

不保温接管长

保温设备接管长

适用公称压力

≤15

80

130

≤40

20~50

100

150

≤16

70~350

150

200

≤16

70~500

≤10

接管直径的确定：

接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。

已知料的体积流量，又知各种物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求管道截面积，计算出管径。

计算出的管径在匀整到相近的钢管尺寸即可。

也可用图算法球管径。

现已排料管（也是通风管）为例计算其管径。

该罐实装醪量450m³，设4h之内排空，则物料体积流量Q=450／3600×4=0.03125（m³／s）

发酵醪流速取v=1m／s；则排料管截面积为F物。

F物=Q／v=0.03125／1=0.03125（m²）（3-20）

F物=0.785d²,管径d=0.20m=200mm（3-21）

取无缝钢管213／219,200mm＜213mm，认为适用。

3.7支座的选择

支座的选取：

发酵工厂设备常用支座分为卧式支座和立式支座，其中卧式支座又分为支腿，图型支座和鞍型支座三种，立式支座也分为三种：

悬挂支座，支撑式和裙式支座。

对于公称容积为75立方米以上的发酵罐，由于设备的总重量较大，应选用裙式支座。

本设计的罐体容积为500立方米，故选用裙式支座。

参考文献

[1]吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M].中国轻工业出版社，1995.7.

[2]梁士中.生物工程设备.中国轻工业出版社，2011.1.

[3]章克昌.酒精工业手册[M].中国轻工业出版社，1989.

[4]中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（上）[M].化学工业出版社，2002.8.