发酵工程课程设计2

Hefei University

发酵工程课程设计

课程名称 生物工程课程设计 题目名称 年产量10万吨酒精发酵设备设计 专业班级 生物工程(1)班 学 号 1002011044 学生姓名 鲁彬彬 指导教师 王杏文

2013年1月2日

目 录

1设计任务书…………………………………………………………………………i

2. 设计方案简介……………………………………………………………………2

3. 生产工艺设计及说明………………………………………………………2

3.1设计方案确定 ……………………………………………………………………2

3.2 工艺方法………………………………………………………………………2

3.3主要工艺参数 ……………………………………………………………………3

4.全厂物料恒算…………………………………………………………………4

4.1原料消耗的计算 ………………………………………………………………4

4.2蒸煮醪量的计算…………………………………………………………………5

4.3. 糖化醪与发酵醪量的计算………………………………………………………………6

4.4成品与发酵醪量的计算…………………………………………………………7

4.5 1000000吨/年淀粉原料酒精厂总物料衡算…………………………………8

5. 设备计算与选型………………………………………………………………12

6. 发酵罐装配图………………………………………………………………… 15

7. 参考文献………………………………………………………………………16

发酵工程与设备课程设计任务书

一、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10万吨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18℃，出水温度26℃

（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：① 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

1 设计方案的确定

我组设计的是一台110M的密闭式机械搅拌发酵罐，用于生产酒精。

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（GB 10343—

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。

2工艺方法： 3

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。

3、主要工艺参数主要工艺参数

主要工艺参数

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：1.5-2.5 mm

原料加水比：1：3

α-淀粉酶用量：5-6u/g原来

蒸煮温度：90-110℃

蒸煮时间：100 min

糖化酶用量：100-150u/g原料

糖化温度：58～60℃

糖化时间：45 min

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）

发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，灭菌装

置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对110M的密闭式机械搅拌发

酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐

体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、

冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌

装置，传动装置，灭菌装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成

这次设计。 3

四、全厂物料恒算

4.1原料消耗的计算

(1)、淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：

糖化：（C6H10O5）n+ nnC6H12O6 （1）

162 18 180

发酵：C6H12O62H5OH + 2CO2 （2）

180 46×2 44×2

(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：

1000×（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：

1760.9×92.41%=1627.2（kg）

淀粉损失率为9%。故生产1000kg酒精须淀粉量为：

=1788.1（kg）

100%-9%

这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为1000÷1788.1=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÷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）÷68%

（6）α-淀粉酶消耗量 应用酶活力为20000u/g的 α–淀粉酶使淀粉液

化，促进糊化，可减少蒸汽消耗量。 -淀粉酶用量按10u/g原料计算。

用酶量为：

=1.31（kg）

20000

(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：

=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：

=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G0，则硫酸氨耗量为：

0.1%G0

4.2.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：

2616.6×（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55℃，应用喷射液化器使粉浆迅速

升温至88℃，然后进入连续液化器液化，再经115℃高温灭酶后，再真空冷却器

中闪几蒸发冷却至63℃后入糖化罐

干物质含量B0=88%的薯干比热容为；

C0 = 4.18×（1-0.7B0）= 1.61[kJ/(kg.K)]

粉浆干物质浓度为：

B1 = 88/（3.5×100）= 28.6%

蒸煮醪比热容为：

C1 = B1×C0+（1.0-B1×CW）

= 28.6%×1.61+（1.0-28.6%）×4.18

= 3.44[kJ/(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 =9594.72（kg）

2748.9-88×4.18

式中 2748.9——喷射液化器加热蒸汽（0.5Mpa）的焓（kJ/K）

（2）经二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：

9594.72 – = 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；

=9985.42(kg)

2748.9-115×4.18

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 - =9821.70(kg)

2245

式中 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 - =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)

4.3. 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 = ×（100+5+2） ÷100 = 11439.53(kg)

98%×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：

=8.24%（质量分数）

98%×11439.53

（4） 相应发酵过程放出CO2总量为：

× =902(kg)

98% 46

(5)接种量按10%计，则酒母醪量为：

×10% =1053.92(kg)

（100+10）÷100

（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

+ 1053.92× 70% = 11276.97 (kg)

（100+10）÷100

4.4.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：

100×3% = 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：

1000×0.6% = 6（kg）

（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：

图二.的物料和热量衡算

设进塔的醪液（F1）的温度t1=70度，排除废醪的温度t4=105度：成熟醪固形物浓度为B1=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=11439.53× =1997.92（kg）

47.18%

② 残留液量为:

Wx = 11439.53-1997.92 = 9441.61 (kg)

③ 成熟醪比热容为：

c1 = 4.18×(1.019-0.95B1)

=4.18×(1.019-0.95*7.5%)

=3.96[kJ/(kg.K)]

④ 成熟醪带入的热量为：

Q1 = F1×c1×t1

= 11439.53×3.96×70

=3171037.72(kJ)

⑤ 蒸馏残液固形物浓度为：

B2 = =9.09%

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） = 4.04[Kj/(kg.K)]

⑦ 塔底残留液带出热量为：

Q4 = Wx×c2×t4

=9441.61×4.04×105

=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= V1×I

= 1997.92×1965

=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 =

I-cwt4

= (2689.8-4.18×105)×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)

4.5.1000000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100000吨/年甘薯干原料酒精厂进行计算。

（1） 酒精成品

日产酒精为：

100000÷320=312.5（t）

日产次级酒精为：

312.5×（3÷98）=9.57（t）

日产酒精总量为：

312.5+9.57=322.07（t）

实际年产量为：

普通三级酒精量为：

312.5×320=100000（t/a）

次级酒精量为：

9.57×320=3062.4（t/a）

酒精总产量为：

100000+3062.4=103062.4（t/a）

（2） 主要原料甘薯干用量

日消耗量：

2616.6×322.07=842728.36（kg）

年消耗量：

842728.36×320=269673075.8（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。

五、设备计算与选型

1、

（一）发酵设备的计算与选型

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%纯度的酒精334吨。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%的普通三级62.5吨，每吨酒精需糖液为：

11276.97/1080=10.4（m3）

V糖=11.4×312.5×95%

=3384.4（m3）

发酵罐的填充系数为0.85~0.9，现取ψ=0.9；则每天需要发酵罐的总容积为V0（发酵周期为70小时）。

V0= V糖/ψ

=3384.4/0.9

=3760.4（m3）

（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n1。

n1= V0t

V总ψ×24

= 3760.4×70

1100×0.9×24

=11（个）

3 取公称容积1100m发酵罐11个；

2. 主要尺寸的计算

现按公称容积1100m3的发酵罐计算。

H=2.5D h上=0.12D h下=0.09D

3 V全= 3.14D （H+h上/3+h下/3）

4

31100= 3.14D （2.5D +D/3 +0.09D/3）

4

D=4.7m

H=11.75m h上=0.564m h下=0.423m

V全= 0.785×9.62(14.4+1.152+0.864)

= 1187.6m3

(4)总表面几计算：

罐体圆柱部分表面积：A1=πDH

=3.14×4.7×11.75

2 =173.4m

罐顶表面积： A上=πR( R2+h上2)1/2

=17.8m2

罐底表面积： A下=πR( R2+h下2)1/2

=17.62m2

罐体总表面积： A总= A1+ A上+ A下 =208.82 m2

3. 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×Tm

式中 Q——发酵反应热(kg/h)

K——总传热系数(kg/(m.h.

Tm——冷却水的温差

其中 Q = Qa-（Qb+Qc）

式中 Qa——生物反应热kJ

Qb———蒸发损失热kJ

Qc———罐壁向环境散热kJ

其中 Qa = msq

= 97200×418.6×1%

=406900(kJ/h)

式中 m——每罐糖液质量(kg)

s——糖度降低百分值%

q——每千克麦芽糖放出热量（418.6kJ）

Qb = 5% Qa

= 0.05×406900

= 20345(kJ/h)

Qc = 10% Qa

=0.1×406900

=40690(kJ/h)

所以 Q = Qa-（Qb+Qc）

=406900-（20345+40690）

=345865(kJ/h)

（2） 冷却水耗量： W = Q

Cw（T2- T1） = 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.℃)

T2————冷却水出口温度（℃）

T1——冷却水进口温度（℃）

（3） 对数平均温差计算：

Tm= （30-18）-（30-26）

2.3（30-18）/（30-26）

=7.29（℃）

（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：

220. 785×（0.06）=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

3600×10×0.0029×1000

= 1.3m/s

设蛇管圈直径为4m，由水温表查得水温18℃时，常数A=6.45 K10.8 =4.186×6.45×（1.3×1000）0.8 （1+1.77×0.053/2）

0.70.053

=68458kJ/(m2.h.℃)

式中 ρv——为质量流速（）

K2按经验取2700 kJ/(m2.h.℃) 所以，总传热系数为：

1

1 + 1 + 0.0035 + 1

K1 K2 188 16750

= 1

1/68458+1/2700+0.0035/188+1/16750

= 2160.3 kJ/(m2.h.℃)

式中 188——钢管的导热系数kJ/(m2.h.℃)

1/16750——管壁水污垢层的热阻(m2.h.℃)/kJ

0.0035——管子壁厚m

4. 冷却面积和主要尺寸：

A = Q

K×Tm

= 345865

2160.3×7.29

=21.9 （m2）

两列蛇管长度：

L = A

πDcp

= 21.9

3.14×0.0565

= 123.44m

式中 Dcp——蛇管平均直径0.0565 m

每圈蛇管长度：

l = [(πDp)2+hp2]1/2 = [(3.14×2) 2+0.152]1/2

=6.28 m

式中 Dp——蛇管圈直径2 m

hp——蛇管圈之间距离0.15 m

两列蛇管总圈数：

Np = L/l

= 123.44/6.28

=19.8 （圈） 取20（圈）

两列蛇管总高度：

H = （Np-1）hp

= （20-1）×0.15

= 2.85 m

5. 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[σ]ψ-ρ

= 0.4×355 +0.18

2×127×0.8-0.4

=0.88（cm）

式中 P——设计压力 取P=0.4MPa

D——发酵罐内径 D=9.6 m

[σ] ——A3钢许允应力 [σ]=127 MPa

ψ——焊缝系数 0.5—1之间,取ψ=0.8

C——壁厚附加值 （cm）

C=C1+C2+C3

其中 C1——钢板负偏差 0.13—1.3取C1=0.8mm

C2——腐蚀余量 单面腐蚀取C2=1 mm

C3——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[σ]ψ-ρ

= 0.4×355 + 0.28

2×127×0.8-0.4

= 0.98 cm

式中 P——设计压力 取P=0.4MPa

D——发酵罐内径 D=9.6 m

[σ] ——A3钢许允应力 [σ]=127 MPa

ψ——焊缝系数 0.5—1之间,取ψ=0.8

C——壁厚附加值 （cm）

C=0.8+1+1=2.8 mm=0.28 cm

7. 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 90×0.9=81m3。设5小时排空。

则物料体积流量为：

Q= 81

5×3600

= 0.0045 m3/s

发酵醪流速取v=1m/s.

则排料管截面积为：

F物= Q/V

=0.055/1=0.0045m2

管径 d = （F物/0.785）1/2

=（0.0045/0.0785）1/2

=0.0757m

取无缝钢管 100×4

进料管同排料管 取无缝钢管 100×4

8. 支座选择

对于75 m3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。