年產5萬噸酒精廠蒸煮糖化車間設計

目錄1前言 前言酒精學名乙醇，分子式為C2H5OH,結構簡單的醇類，無色透明的液體。酒精具有很強的揮發(fā)性和刺激性氣味，極易燃燒生成CO2和H2O，同時放出大量的熱量。其化學性質十分活潑，可與水、醇類、甘油等有機溶劑混合，也可與多種金屬鹽類、碳氫化合物、脂肪酸等起化學反應。在國計民生中，酒精工業(yè)占有重要的位置【1】。酒精廣泛應用與國民經濟的許多部門：（1）在食品工業(yè)中，酒精是配制各類白酒、果酒、藥酒和生產食用醋酸及食用香精的主要原料。（2）在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療行業(yè)中，酒精是用來配制和提取醫(yī)藥制劑和消毒劑。（3）在化工工業(yè)上用作基礎原料和溶劑。它是生產油漆、化妝品和燃料不可或缺的溶劑。（4）國防工業(yè)等其他部門也需要大量的酒精。（5）酒精不僅可作飲料，還是一種綠色燃料，更是一種戰(zhàn)略物質，世界上2/3以上的酒精被用作燃料。隨著石油、天然氣等不可再生能源的逐年消耗，到21世紀中期石油資源的供應將會萎縮。以酒精為代表的新型液態(tài)能源，因其原料的可再生性，燃燒時無污染排放等優(yōu)越的性能，將成為燃料代替的首選，應用前景廣闊。酒精可以以淀粉、糖類、纖維質為原料，經過糖化、發(fā)酵、蒸餾而制成無色透明液體。本次設計以木薯干為生產原料，經過粉碎、除雜、蒸煮等工序，得到木薯淀粉。木薯淀粉經雙酶法連續(xù)蒸煮糖化，再用于發(fā)酵。通過工藝流程的論證及選擇，能量衡算，設備的選型計算，最后綜合考慮把經濟合理的要求進行車間布置及繪圖，最終達到年產5萬噸酒精的生產目的。1.1酒精工業(yè)的發(fā)展酒精的生產有以生物質為原料的發(fā)酵法和以石化產品為原料的化學合成法。20世紀50年代前，工業(yè)酒精主要依靠生物發(fā)酵法生產，所用原料可以是淀粉質、糖蜜、纖維原料等。普通酒精生產在我國古代就已經開始。50年代后，隨著世界石油化工的迅速發(fā)展，乙烯加壓加水合成酒精在工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展很快。但化學合成方法受到原料的限制，1976年第一次世界范圍內的“石油危機”，使化工合成酒精嚴重受挫。酒精燃料作為一種工業(yè)化大規(guī)模生產的能源，完全不同與小規(guī)模、實用型的乙醇生產。酒精燃料生產出現在20世紀初葉，因石油的大規(guī)模、低成本開發(fā)以及經濟性較差而被淘汰。而現在，為了減少對石油的依賴，人們都在尋找可再生能源。由于酒精進入燃料市場有重大的發(fā)展?jié)搫?，引起了世界性的重視。因此發(fā)酵法生產酒精的發(fā)展動力大大加強。1.1.1酒精國外發(fā)展現狀酒精已被認為是代替和節(jié)約汽油的最佳燃料之一，它能和汽油以一定比例混配成車用燃料。該技術在國外已經相當成熟，且擁有清潔、安全、可再生、廉價等諸多優(yōu)點。酒精的發(fā)展與國際原油的供應情況聯系緊密。由于汽油匱乏，第一次世界大戰(zhàn)中，就把酒精和汽油混合作為燃料來使用。20世紀50年代，隨著原油產業(yè)的蓬勃發(fā)展，石油開采技術日益成熟，原油價格只有1-2美元每桶。乙烯合成法也成為生產酒精的主流方式，到70年代初，西方發(fā)達國家合成酒精產量占總產量的80%以上，發(fā)酵酒精因其高成本等制約因素，受到嚴重沖擊而萎縮。20世紀70年代隨著世界石油價格的猛漲，導致了第一次石油危機。生產酒精的主要原料乙烯的價格也相應的上漲，使得發(fā)酵法生產酒精的競爭力增強。而石油作為不可再生能源，從已探明的石油儲量來看，世界石油的開采樂觀的講有100年左右有，但悲觀的講，卻只有30-50年左右【2】。世界大多國家包括我國在內能源短缺問題相當嚴重。同時，以石油為原料的燃料燃燒后廢氣排放引起的環(huán)境污染也是人類面臨的嚴重問題。尋找可再生、高效、低耗資、安全等特點的新型可代替能源成為人們日益關注的焦點。生物能源，如酒精、生物柴油、生物質氣化及液化燃料、生物制氫等逐漸成為人們關注的對象。用酒精部分或全部代替汽油作為汽車燃料的計劃得到了各國政府的支持和鼓勵，酒精發(fā)酵再次進入蓬勃發(fā)展階段。酒精實現工業(yè)化生產始于巴西。巴西是目前世界上最大的燃料酒精生產和消費國，其主要生產含水酒精和無水酒精，2006年年產可達170億L左右；巴西每年消耗燃料酒精的數量占年耗汽油量的33%,是世界上唯一不使用純汽油作為汽車燃料的國家。巴西也是世界上酒精生產成本最低的國家，約合0.2美元/升，汽油價格為0.6～0.7美元/升。現在巴西加油站里含稅酒精的價格是汽油的60%-70%，在全球實現了酒精相對汽油的競爭力。酒精燃料計劃的實施，給巴西帶來了三大收益：一是形成了獨立的經濟能源運行系統(tǒng)，能源來源不在依賴進口；二是刺激了農業(yè)和乙醇相關行業(yè)的發(fā)展，巴西作為一個農業(yè)大國，發(fā)酵酒精帶動發(fā)展和保護了農民的利益；三是大氣質量和生態(tài)環(huán)境顯著改善，酒精燃料作為一種清潔可再生能源，實現了可持續(xù)發(fā)展。美國燃料酒精發(fā)展比較晚，但卻是世界上酒精燃料的主生產國家，主要以玉米為原料。其和巴西的酒精產量占全球總量的60%以上。美國應用酒精的經濟政策始于1978年的聯邦《能源稅收法案》，1979年為減少對進口原油的的依賴，建立聯邦政府的“乙醇發(fā)展計劃”，促使了酒精工業(yè)的迅猛發(fā)展，2004年酒精的生產量達到了1014萬噸，2007年美國酒精產量達到了277億L。目前美國酒精工業(yè)呈現出良好的發(fā)展勢頭。其酒精生產主要依靠玉米，通過轉基因技術并擴大種植面積，目前有30%的玉米用于酒精的生產。除玉米酒精外，為促進纖維素酒精的發(fā)展，2005年頒布的美國能源政策法案（EPACT）為此制定了優(yōu)惠政策[3]，利用木材、稻草、玉米稈等生產纖維素乙醇。美國政府實施燃料乙醇政策以來，給國家經濟、農業(yè)生產、貿易、人民生活等多方面帶來了極大的益處，促進了美國農業(yè)的發(fā)展，改善了環(huán)境，減少了原油的進口，為社會提供了大量的就業(yè)機會。歐洲燃料酒精工業(yè)起步較晚，而且發(fā)展速度也不是很快。EU制定的燃料酒精發(fā)展計劃大部分歸屬于整個生物燃料的發(fā)展規(guī)劃中。歐洲大部分國家以小麥和甜菜作為酒精生產的原料，因為在歐洲大本分地區(qū)玉米生長狀況不是很好。1994年歐盟通過決議，給予生物燃料的中試工廠免稅政策。歐盟酒精2004年的消耗量為175萬噸。歐盟的積極發(fā)展車用乙醇汽油解決了農產品過剩等問題。一些后續(xù)的國家如荷蘭、瑞典等也出臺了生物能源計劃。目前，在稅收優(yōu)惠政策的支持下，車用乙醇汽油在歐盟的使用上日益上升。日本從1983年開始實施酒精燃料的開發(fā)計劃，重點開發(fā)用農、林產廢物等未利用資源直接發(fā)酵生產乙醇的技術。由于日本是一個能源匱乏的國家，其石油能源主要依賴進口。隨著進口原油的價格逐年攀升，以及汽油在國內相對吃緊，日本正計劃開始大規(guī)模使用燃料酒精，其目前的燃料酒精大量依賴進口巴西酒精。1.1.2酒精在我國的發(fā)展歷史及現狀雖然酒精發(fā)酵在我國是一個傳統(tǒng)產業(yè)，但發(fā)酵酒精作為燃料使用，作為生物能源產業(yè)，我國卻遠遠落后于巴西、美國乃至歐洲國家.我國酒精燃料的使用開始于抗戰(zhàn)時期，當時汽油緊缺，就用發(fā)酵酒精部分或全部代替。但后來隨著汽油價格的優(yōu)勢，酒精燃料退出了能源領域。隨著交通基礎設施的完善，我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車數量逐年增多，尾氣污染日益嚴重，環(huán)境保護壓力日漸加大。為了統(tǒng)籌解決我國經濟社會發(fā)展中存在的上述問題，20世紀80年代，中國借鑒歐美等發(fā)達國家的成功經驗，在“八五”期間有組織地進行了酒精和車用乙醇汽油的研究和應用。我國以先試點后推廣的方式發(fā)展燃料酒精，在國家發(fā)改委組織下，制定了《國家“十五”燃料乙醇發(fā)展和車用乙醇汽油推廣使用專項規(guī)劃》，隨后批準在吉林、河南、安徽和黑龍江四省建設總規(guī)模為132萬噸的燃料酒精生產裝置。在河南省鄭州、洛陽、南陽市和黑龍江省哈爾濱、肇東五個城市進行車用乙醇汽油使用試點。2004年，經國務院同意，國家發(fā)改委等八個部門聯合頒布了《車用乙醇汽油擴大試點方案》和《車用乙醇擴大試點工作實施細則》，把推廣使用車用乙醇汽油作為國家的一項戰(zhàn)略性舉措。我國正朝著以淀粉類、糖類、纖維素類原料生產生物酒精的多元化發(fā)展。在新疆、內蒙古等地，我國自行培育的具高抗逆性和可以在全國種植的甜高粱。我國積極應用轉基因技術選育和開發(fā)能源作物原料，已開發(fā)出利用甜高梁莖稈汁液等生物質制取乙醇的技術工藝，清華大學與一家名為內蒙古特弘生物有限責任公司合作，在內蒙古鄂爾多斯建成了一個2000噸的連續(xù)固體發(fā)酵示范廠，生產成本約為4582元/噸，甜高粱燃料乙醇已經具備了產業(yè)化的水平【4】。隨著全球首個實現纖維素乙醇商業(yè)化量產的酶制劑產品CellicCTec2問世，纖維素乙醇有望成為極具競爭力的汽油替代品。全球最大的酶制劑生產商諾維信公司近日宣布，用其研制成功的CellicCTec2，每生產1加侖纖維素乙醇所需酶的成本僅為50美分，從而將纖維素乙醇的生產成本降至2美元/加侖，約合3.6元/升，接近于目前美國市場的汽油價格。河南天冠集團、山東龍力公司也已取得技術進展，開發(fā)成功類似技術。此外，我國也開展了研究生物質原料的高壓蒸汽爆破預處理技術、纖維素酶制備技術、大規(guī)模酶降解技術、戊糖己糖同步乙醇發(fā)酵技術、微生物細胞固定化技術、在線雜菌防治技術以及副產品木質素的深度加工利用技術等。但這些研究目前在我國尚處于起步階段，與國外相比仍有相當差距。能源是推動社會發(fā)展的源泉。隨著石油、煤炭等不可再生燃料儲量日益減少，對地球生態(tài)環(huán)境造成巨大污染和威脅。酒精，這一可再生清潔能源發(fā)揮的作用越來越大，成為不可再生能源的補充。我國是一個能源消耗大國，同時也是農業(yè)大國。近年來，隨著我國綜合國力的提高，科技的發(fā)展，農副產品連年豐收。發(fā)酵燃料酒精，在不影響國計民生糧食儲備的條件，利用余糧生產，將農業(yè)與工業(yè)有機的結合起來，既解決了民生問題，又緩解了能源緊張，改善了能源結構。我國生物酒精生產技術已經成熟，黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省及湖北、河北、山東、江蘇部分地區(qū)已基本實現車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。我國已成為世界上繼巴西、美國之后第三大生物酒精生產國和應用國。但我國酒精所需量遠遠大于目前的生產量，我國每年汽油消費量已超過3500萬噸、柴油6200萬噸，若所用的柴油、汽油中含20%的酒精，則每年將消費290萬噸酒精。我國乙醇汽油的消費量占全國汽油消費量的20%。能源問題已嚴重威脅到了一個國家的安全。很多國家都已發(fā)展了酒精生產工藝。自2000年我國生物能源計劃有了重大實施。2003年規(guī)劃的年產60萬噸酒精生產線,其中一條(年產30萬噸)已經投產運行,我國酒精的規(guī)模發(fā)展已有了一個高起點,高水平的新開端。但我國現有的200多生產廠中，仍以規(guī)模小、生產技術落后的小廠占大多數。不斷完善相應的配套措施，發(fā)展其先進的生產工藝，安排其合理的車間設備設計,提高其酒精的產率,那么我國定能規(guī)劃和實現600萬噸新的酒精的生產。為提高酒精的產量,改善其工藝,優(yōu)化其工藝條件,是本次設計的目的。1.2蒸煮糖化工藝研究進展目前我國發(fā)酵酒精工業(yè)以淀粉質原料生產為主。傳統(tǒng)的淀粉質原料的蒸煮糖化，就是通常所用的高溫高壓蒸煮工藝。但這種工藝存在以下缺點：1、生產過程耗能過大；2發(fā)酵醪液的酒精濃度過低，成熟醪液的酒精體積分數一般只有8—12%；3生產效率低，發(fā)酵周期長，設備投資大；4、廢液處理困難，對環(huán)境污染大。由于諸多缺點，近年來不斷涌現出許多新的酒精發(fā)酵生產工藝。1.2．1常壓蒸煮工藝蒸煮工序是酒精生產過程中耗能較大的部分之一。隨著酶制劑工業(yè)的發(fā)展，高溫蒸煮逐漸被中溫和低溫蒸煮所代替。常壓蒸煮工藝代表工藝就是“雙酶法”發(fā)酵工藝，在中低溫環(huán)境下，利用淀粉酶，糖化酶作用，進行發(fā)酵工藝。1.2．2同步糖化發(fā)酵工藝根據淀粉糖化和酒精發(fā)酵的耦合方式不同，可以將淀粉質原料生產酒精的工藝分為兩大類：先糖化然后發(fā)酵酒精工藝和同步糖化發(fā)酵工藝。同步糖化發(fā)酵工藝是不經過單獨糖化階段，將糊化后的淀粉質原料冷卻后，直接加入糖化酶和酵母進行發(fā)酵。同步糖化發(fā)酵在同一個裝置內進行，這樣消除了糖化過程中的產物抑制，同時又節(jié)省了設備，減少了糖化階段的能耗。該工藝有一定的前景，但目前仍處在研究階段，技術不太成熟。1.2．3生料淀粉發(fā)酵法生料發(fā)酵就是微生物直接利用未經糊化的生淀粉而生產繁殖及代謝的過程。生料發(fā)酵工藝的關鍵點是生淀粉水解酶。利用生料直接進行發(fā)酵，雖然工藝簡單，節(jié)能效果明顯，但生料生產酒精工藝的發(fā)酵時間長，酶用量大，污染預處理要求高，使得工業(yè)化生產的難度大。濃醪發(fā)酵，固體發(fā)酵，酵母再循環(huán)發(fā)酵，以及吸附乙醇發(fā)酵，真空發(fā)酵等，都有一定的發(fā)展空間，但這些技術大都還是處在實驗室研究階段。2生產方法的選擇及論證2.1原料的選擇及酒精生產原料狀況分析[5]酒精生產原料種類豐富，發(fā)酵法生產燃料乙醇的原料主要分為以下幾種：淀粉質類、糖蜜類、纖維質類、亞硫酸鹽造紙廢液和野生植物類等。2.1.1淀粉質原料淀粉質原料包括薯類原料、谷物類和農副產品類。薯類原料指甘薯、木薯、馬鈴薯、山藥等：谷物類指小麥、玉米、高粱等：農副產品類原料指糧食加工的副產品，主要是淀粉渣。目前，國內市場上生產酒精較為成熟的技術主要是木薯、小麥、玉米和高粱等為生產原料。以糧食類作物小麥、玉米等生產酒精在我國目前基本是以采購新糧進行生產的，但糧食產量的增長已遠不能滿足企業(yè)的生產需求。至2000年以后的數年我國糧食產量連年減產。目前我國糧食已經退回到了10年前的水平，以糧食作物為原料生產酒精已引起了糧食短缺，糧價上漲。2010年我國糧食產銷缺口已達到3500萬噸左右。國家在《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中明確了“非糧”的發(fā)展的方向，并將采取措施逐步抑制以糧食為原料進行的酒精的生產。以經濟類作物高粱、木薯等生產酒精，基本上解決了與民爭糧的問題。此類作物產量高，含淀粉量高，抗旱，抗鹽堿，且生產成本較低，具有很大發(fā)展前景。尤其是木薯，有超常的氣候資源利用率，單位面積的光合作用能力和生物能量生產水平最高、適應性廣泛、淀粉含量高等優(yōu)勢，生產成本較玉米為低。2.1.2糖蜜原料糖蜜原料指甘蔗、甜菜生產糖的副產品，又稱廢糖蜜。其中含有較多的可發(fā)酵性糖，經過酒母的發(fā)酵作用可轉化為乙醇。糖蜜根據制糖原料可分為甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和煉糖糖蜜。糖蜜原料用作乙醇生產的原料，一般要求質量為：外觀呈棕黃色或黃褐色的均勻濃稠液體，無異臭味，無發(fā)酵現象；糖蜜中不含沙土、浮渣等機械雜質，不含毒害酵母生長的化學物質。使用糖質原料和淀粉質原料生產燃料酒精，原料成本占燃料酒精生產成本的比例高達50%以上。2.1.3纖維質原料從更長時期來看，糧食、經濟作物只是生產酒精的過渡性原料，還不足以改變中國整個能源結構。因此，開發(fā)廉價的原料資源——以農作物秸稈和林業(yè)生產廢棄物為代表的木質纖維素類生物質資源越來越受到人們的關注.纖維素是地球上貯量最豐富的一種可再生生物資源，利用纖維質原料生產乙醇是人類長期以來從事的研究性課題。我國每年農作物秸稈約7億噸左右，若能有效的被利用來生產乙醇，中國能源問題就能得到根本解決。木質纖維素類原料主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，結構非常復雜，必須先經過水解糖化才能被微生物利用制取燃料酒精。水解的方法有酸法和酶法，酶法水解由于具有設備簡單、反應條件溫和原料糖化得率高、副產物少以及不污染環(huán)境等優(yōu)點，得到了更廣泛的應用。然而，木質素的存在阻礙了纖維素酶的作用，因此在酶法水解前需要進行一定的預處理，改變天然纖維素的結構，降低它的結晶度，脫去木質素，以增加纖維素酶與纖維素的有效接觸。如今纖維素降解技術獲得突破進展，實現工業(yè)化生產。這對突破我國資源瓶頸將起到重要的作用。以發(fā)展的眼光看，解決酒精大量使用時所需原料問題的途徑將最終轉向纖維原料。依靠生物技術、基因技術等高新技術的發(fā)展，通過篩選種植高能、高產生物資源，開發(fā)和實現利用纖維素生產酒精技術的產業(yè)化，可為酒精生產提供取之不盡的可再生植物原料。目前河南天冠及山東龍力集團都有突破性進展，天冠集團在南陽鄧州籌建的以纖維素為原料的酒精生產廠，不久就可投入生產。2.1.4木薯的選擇本工藝采用木薯為原料。具有如下優(yōu)點:木薯適應性強，耐旱、耐瘠、耐水，對土質要求不高，適合在任何土質中生長的作物。木薯酒精生產率高于其它作物。用木薯酒精生產，整株作物無廢料，利用率很高【6】。木薯屬于非糧作物，不與民爭糧，符合國家規(guī)劃。雖然以纖維素原料生產乙醇已有投產，但現在關鍵技術仍掌握在少數機構手中，且不太成熟，成本太高。2.2蒸煮工藝的選擇連續(xù)蒸煮工藝與間歇蒸煮工藝比較的優(yōu)點：（1）連續(xù)蒸煮比間歇蒸煮出酒率高。間歇蒸煮時，在高溫的條件下，物料停留時間長，容易引起糖分的分解，尤其是鍋壁上易形成焦糖和氨基糖。間歇蒸煮的大設備容積這一特點，導致其在蒸煮時容易加熱不均，甚至蒸煮不透，導致淀粉利用率降低。連續(xù)蒸煮這可以減少或避免不必要的損失，以95%酒精計算，每噸原料連續(xù)蒸煮可提高20L左右95%酒精。（2）連續(xù)蒸煮與間歇蒸煮相比,減少了加水加料,升溫和吹醪等非蒸煮時間,降低了勞動強度，提高了設備利用率。（3）熱能利用率高:間歇蒸煮每次都需要加熱鍋壁,并且無法利用二次蒸汽。連續(xù)蒸煮用汽均勻,且避免了用汽幅度的波動，使供汽均衡節(jié)省能耗。（4）勞動生產率高:連續(xù)蒸煮在相對穩(wěn)定條件下連續(xù)進行,便于操作和規(guī)范管理,為連續(xù)生產自動化創(chuàng)造條件。由于連續(xù)蒸煮法具有以上優(yōu)點，所以本設計選用連續(xù)蒸煮工藝。2.3糖化工藝的選擇淀粉水解轉化為葡萄糖根據水解催化劑的不同,可有三種:酸解法,酸酶結合水解法，酶解法。（1）酸解法實際上是淀粉分子和水分子在酸性和一定溫度，壓力條件下反應，使淀粉分子中的糖苷鍵加水分解成糖漿。酸解法適應于任何精制淀粉，工藝簡單，水解時間短，生產效率高，糖化液過濾性能好。但酸解法必須在高溫、高壓條件下，則易發(fā)生復合反應和分解反應，酸水解的副產物多，將造成葡萄糖的損失，淀粉轉化率降低。且對淀粉原料要求嚴格,淀粉顆粒不宜過大,淀粉濃度也不宜過高。酸解法要求耐腐蝕耐高溫高壓的設備,增加設備成本。（2）酸酶結合法：酸酶結合法是集酸法和酶法的優(yōu)點而采用的結合生產工藝。它又分為:酸酶法和酶酸法水解法。酸酶法，即事先將淀粉在酸性和一定的溫度壓力條件下水解為糊精或低聚糖，然后再用糖化酶將其水解為葡萄糖的工藝。酸酶法也要在高溫、高壓和酸性條件下進行，且只能用管道設備進行生產。（3）酶解法是用淀粉酶將淀粉水解轉化為葡萄糖。淀粉的酶解工藝包括淀粉的液化和糖化兩個部分。其中，淀粉的液化，是利用淀粉液化酶，即ａ-淀粉酶使糊化的淀粉黏度降低，并水解成糊精和低聚糖的過程；糖化是利用糖化酶將淀粉液化的產物進一步水解成葡萄糖的過程，并為發(fā)酵提供含糖量適量并保持一定酶活力的無菌或極少雜菌的醪液。淀粉的液化和糖化都是在微生物酶的作用下進行的，又稱為雙酶法。雙酶水解法制葡萄糖的優(yōu)點是:淀粉水解是在酶的作用下進行的,酶解反應條件溫和；微生物酶作用的專一性強,淀粉水解副反應少，因而水解糖液純度高，淀粉的轉化率高；可在較高淀粉濃度下水解。不同的水解制糖工藝，各有其優(yōu)缺點。從水解糖液的質量及降低糖耗，提高原料利用率方面考慮，則以雙酶水解法最好，其次是酸酶法，酸法最差。從淀粉水解整個過程所要的時間來看雙酶法最長。但雙酶法水解的糖化程度最高,水解液的葡萄糖含量高,相對來說,淀粉的出糖率較高,原料單耗較小。雙酶法水解的糖液雜質最少,水解液葡萄糖純度高，糖化液質量高,糖的精致容易。酶法制葡萄糖采用較高淀粉濃度,可提高設備生產能力,節(jié)省酸,堿的消耗。所以本工藝采用雙酶法糖化。采用的液化酶為:ａ-淀粉酶，作用是將淀粉迅速水解為糊精及少量麥芽糖，對淀粉的作用，可將長鏈從內部分裂成若干短鏈的糊精，所以也稱為內切淀粉酶。采用的糖化酶為:淀粉-1,4-葡萄糖苷酶，作用于淀粉的1,4鍵的,從葡萄糖的非還原性末端起將葡萄糖單位一個個的切斷，又稱為外切淀粉酶，對支鏈淀粉的作用也是從非還原性末端一個個切斷為葡萄糖。它水解淀粉和糊精的主要產物是葡萄糖。采用雙酶法糖化工藝，根據酶的專一性和高效等特點，物料利用率高，且在低溫條件下淀粉迅速液化糖化，有效的節(jié)約了能源，同時ａ-淀粉酶為耐高溫酶，可以適當提高粉漿溫度，加快其水解速度。所以說采用雙酶法糖化工藝條件溫和，水解徹底，效果好。3生產工藝及技術要求3.1粉漿拌料淀粉的液化狀況對后續(xù)酶反應影響很大。淀粉作為葡萄糖基構成的高分子物質，多是以顆粒形式存在于植物細胞內部，且具有一定的結晶性的結構。目前用的酵母不能直接利用淀粉進行乙醇發(fā)酵，淀粉必須水解成糖類，才能被利用。植物細胞壁對淀粉又有一定的保護作用，胞內淀粉不易受到淀粉酶系統(tǒng)的作用，同時糖化酶對不溶解狀態(tài)淀粉的糖化作用非常弱。而ａ-淀粉酶直接水解淀粉顆粒與水解已糊化淀粉漿的速度之比為1:20000。所以在淀粉糖化實際生產工序中先加熱粉漿，在此選用加入60℃的熱水進行拌料。同時采用預蒸煮罐用加熱蒸汽蒸煮到90℃，淀粉顆粒充分吸水膨脹后,使原來排列整齊的淀粉層結構受到破壞形成網狀結構,這種網狀結構會隨著溫度升高而斷裂。加之ａ-淀粉酶的水解作用和粉漿罐中平槳攪拌器的攪拌機械剪切作用,淀粉鏈很快被水解為糊精和低聚糖分子，這些分子的葡萄糖殘基末端具有還原性，便于糖化酶的作用。由于不同原料來源的淀粉顆粒結構不同，液化難易程度也不同，而本設計所采用的木薯淀粉，分批投料，為了滿足連續(xù)蒸煮的要求，調漿罐應設兩只。3.2料漿輸送連續(xù)蒸煮對送醪泵的要求有三點:一是壓頭大，必須超過蒸煮壓力；二是流量穩(wěn)定，這是保證過程穩(wěn)定，以滿足工藝條件的前提；三是便于調節(jié)，因為當供汽或蒸煮溫度發(fā)生波動時,必須調節(jié)泵流量。酒精廠連續(xù)蒸煮用泵絕大部分用的是蒸汽往復泵。往復泵有壓力高,當活塞運動速度不變時流量是一定的。缺點是泵送過程中流量是有波動的，對于每缸出料量是按正弦曲線進行的。因此單杠單動泵出料是間歇的,當然不能滿足工藝要求。在連續(xù)蒸煮中應選用往復泵,這樣出口流量的波動就比較小,可滿足要求。3.3液化噴射器及蒸煮罐的選擇噴射液化是目前使用最廣泛的液化工藝。采用液化噴射器,首先淀粉質原料吸水后，在噴射時產生的高溫及壓力作用下，能使淀粉的細胞膜和組織破裂，即破壞原料中淀粉顆粒的外皮，使其內容物流出，呈現溶解狀態(tài)變成可溶性淀粉，以便于淀粉糖化酶作用，使淀粉變成可發(fā)酵性糖，糊化。其次，借助蒸汽的高溫高壓作用，將原料中的大量微生物進行滅菌，使得發(fā)酵過程中的原料不被雜菌污染，酒精發(fā)酵順利進行。這次設計采用立式蒸煮罐，此設備的受熱面積大、熱效率高、加熱均勻、加熱時間短且溫度容易控制。采用罐式連續(xù)蒸煮其蒸煮溫度可高溫蒸煮，可中低溫蒸煮。本工藝兩者均采用，先低溫后高溫，可節(jié)省煤耗，設備簡單，操作容易。連續(xù)蒸煮罐的設計主要解決保證蒸煮時間，采用兩只蒸煮罐，既獲得質量均勻一致的蒸煮醪，又減少了連續(xù)蒸煮糖化的時間。3.4后熟器和氣液分離器的選擇后熟器中不再進入蒸汽，是保持溫度，維持一定時間，能真正起到后熟作用，為加工和安裝方面，本工藝采用兩只大小相同的后熟器。氣液分離器的選擇，是為了將經過加熱,后熟的蒸煮醪分離出去一部分二次蒸汽并使之降溫，汽液分離器的液位較低，上部需留有足夠的自由空間，以分離二次蒸汽，一般醪液控制在50%左右的位置上。醪液從汽液分離器沿切線方向進入真空冷卻器后,受離心力作用，被甩向四周，沿壁流下后就從底部的排醪管排出。由于器內是真空,醪液進入后壓力驟降，急速蒸發(fā)(此種蒸發(fā)稱為閃急蒸發(fā))，所產生的二次蒸汽從器頂抽汽管排出，醪液自蒸發(fā)產生大量蒸汽，這樣便消耗了醪液大量的熱能于是醪液溫度在瞬息間降低到與器內真空度相對應的沸點溫度為止。3.5原料的糖化及冷卻糖化的作用就是把溶解狀態(tài)的淀粉、糊精轉化為能夠被酵母利用的可發(fā)酵性物質（當然也有不發(fā)酵性物質生成，這主要是由于轉移葡萄糖苷酶等的作用），降低醪液的粘度，有利于酵母的發(fā)酵和醪液的輸送。另一目的是分解蛋白質生成一定數量的肽和氨基酸，以保證酵母生長需要的氮源。連續(xù)糖化罐是將降溫至60-62℃的糊化醪，與糖化醪液或曲液混合，在60℃下維持30分鐘，保持流動狀態(tài)，使淀粉在酶的作用下變成可發(fā)酵性糖。進入的糊化醪事先經過真空冷卻器的冷卻。糖化罐內設有冷卻管，以便于對溫度微調。為保證醪液在罐內達到一定的糖化時間，應保證糖化醪的容量不變，故設有自動控制液面的裝置。連續(xù)糖化罐在常壓下操作，為減少染菌，作成密閉式，并每天用蒸汽殺菌一次。連續(xù)糖化罐生產時只使用一只，為了輪流滅菌可設兩只。醪液經汽液分離之后，醪液從汽液分離器沿切線方向進入真空冷卻器后，受離心力作用，被甩向四周，沿壁流下后就從底部的排醪管排出。由于器內是真空，醪液進入后壓力驟降，急速蒸發(fā)，所產生的二次蒸汽從器頂抽汽管排出。醪液自蒸發(fā)產生大量蒸汽，這樣便消耗了醪液大量的熱能于是醪液溫度在瞬息間降低到與器內真空度相對應的沸點溫度為止由于蒸煮醪的濃度相應增加。為了不使醪液的濃度增加,在糖化劑中多加一些水。真空冷卻所用的真空度可用機械真空泵，也可用水噴射泵，由于醪液只要冷卻到65℃左右，所需要的真空度不太高，用低位水噴射真空泵較合適，所以酒精廠蒸煮醪的真空冷卻大多使用水噴射真空泵。糖化鍋出來的糖化醪溫度為60℃左右,需進一步冷卻至發(fā)酵溫度28℃才能進行發(fā)酵，這個冷卻可稱為糖化醪的后冷卻，后冷卻可以用與蒸煮醪一樣的真空冷卻，但必須創(chuàng)造更高的真空度，這在設備加工和運轉來說都不是簡單的，因此本設計采用大型螺旋板式換熱器。4工藝計算4.1物料衡算[8]4.1.1生產過程物料衡算主要內容(1)原料消耗的計算主要原料為木薯,其他原料為淀粉酶、糖化酶、硫酸、氨水等。(2)中間產品蒸煮醪、糖化醪、酒母醪、發(fā)酵醪量等。(3)成品副產品以及廢氣、廢水,廢渣即酒精、雜醇油、二氧化碳和廢糟等。4.1.2工藝技術指標及基礎數據(1)生產規(guī)模50000t/a酒精。(2)生產方法雙酶法糖化連續(xù)糖化六塔差壓蒸餾。(3)生產天數每年300天。(4)副產品年產量次級酒精占酒精總量的2%-3%。(5)雜醇油量為成品酒精的0.3%-0.5%。(6)產品質量燃料酒精(乙醇含量99.5%體積分數)。(6)木薯干淀粉70%水份13%(7)ａ-淀粉酶用量為8u/g原料，糖化酶用量為150u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。ａ-淀粉酶活力20000u,糖化酶100000u。(8)銨水用量80kg/t(酒精)。(9)硫酸用量(調PH用)20kg/t(酒精)。(10)料水比1:3.3。4.1.3工藝流程示意圖生產工藝采用雙酶法糖化，連續(xù)糖化和六塔蒸餾流程。流程圖如圖4-1:空氣空氣空壓機過濾器無菌空氣木薯干細粉碎調漿罐1/3淀粉酶連續(xù)蒸煮器蒸煮醪活性干酵母糖化鍋糖化酶糖化醪酒母醪發(fā)酵罐CO2成熟發(fā)酵醪蒸餾廢醪成品酒精雜醇油粗粉碎2/3淀粉酶圖4-1雙酶蒸煮糖化發(fā)酵酒精生產工藝4.1.4原料消耗計算現以木薯干生產95%的酒精1000kg作為計算的基準。(注:酒精體積分數為95%換算成質量分數為93.85%)從淀粉質原料生產酒精的化學反應式原料與成品之間的定量關系為：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6（4.1）162n18n180nC6H12O62C2H5OH+2CO2（4.2）180246244由公式（4.1），（4.2）可得每生產1000kg95%酒精需要淀粉量為：162:246=100:X=1652.6kg但是,酒精生產要經歷許多工序和復雜的生物化學變化最后完成的。在各階段中不可避免的會引起淀粉的損失，淀粉損失的分配大致如下:生產過程各階段淀粉損失[9]表4-1生產過程各階段淀粉損失生產過程損失原因淀粉損失%備注原料處理淀粉損失0.40蒸煮淀粉殘留及糖分破壞0.50發(fā)酵發(fā)酵殘?zhí)?.50發(fā)酵巴斯德效應4.00發(fā)酵酒氣自然蒸發(fā)與被CO2帶走1.30若加酒精補集器，損失減為0.30%蒸餾廢醪帶走等1.85總計損失9.55(2)每生產1000Kg95%酒精需淀粉量：一般在整個生產過程中淀粉利用率為91%-92%之間，若以上表一為依據，假定發(fā)酵系統(tǒng)設有酒精捕集器，則淀粉總損失率8.55%。設利用率為91%，每生產1000kg95%酒精需要淀粉量為:=1816.1kg(3)淀粉出酒率為:=55.1%(4)生產1000kg95%酒精木薯原料消耗量:據基礎數據給出，木薯原料含淀粉70%，故生產1000kg無水乙醇需木薯干量為:=2594.5kg(5)ａ-淀粉酶消耗量:應用酶活力為20000u/g的ａ-淀粉酶使淀粉液化，促進糊化，可減少蒸汽消耗,ａ-淀粉酶用量按8u/g原料計算:用酶量為:=1.04kg(6)糖化酶消耗量:若所用糖化酶活力為100000u/g，使用量為150u/g原料,則糖化酶消耗量為:=3.90kg.此外,酒母糖化酶用量按300u/g原料計。且酒母用量為10%，則酶用量為:=0.545kg.式中70%為酒母的糖化液占70%，其余為稀釋水和糖化劑兩項合計則總的糖化酶用量為:3.90+0.545=4.445kg(7)濃氨水用量：由于ａ-淀粉酶在pH=5.5-6.5的情況下活性較高，因此用氨水調整PH，一般用量為7kg/t(酒精)，即每生產1噸酒精的蒸煮醪中用7Kg濃氨水。4.1.5蒸煮醪量的計算（a）連續(xù)蒸煮首先將粉碎的原料在配料調漿罐內與溫水混合，加水比一般為1:3.3左右，則粉漿量為:2594.5(1+3.3)=11156.4kg加入氨水后的粉漿量為:11156.4+80=11236.4kg（b）使用連續(xù)蒸煮工藝，調漿后粉漿溫度為55℃，應用預煮罐使粉漿升溫至90℃，然后用液化噴射器使粉漿醪升溫到105℃，然后進入維持罐保溫液化5-8min，進入汽液分離器和后熟器，溫度降低，最后在用螺旋板冷卻器冷卻到糖化的溫度60℃。其工藝流程示意如圖4-2所示淀粉酶60℃水木薯粉淀粉酶60℃水木薯粉調漿罐預煮罐液化噴射器維持罐后熟器淀粉酶氣液分離器真空冷卻器糖化罐螺旋板冷卻蒸汽水糖化酶去發(fā)酵28度（c）取干物質含量W0=87%的薯干比熱容為：1.63KJ/(kg·K),水的比熱容Cw=4.18KJ/(kg·K)，粉漿干物質量為:W1=,蒸煮醪比熱容為:C1=4.18(1-W1)+1.63W1=3.66KJ/(kg·K)為計算方便，假定蒸煮醪的比熱容在整個蒸煮過程保持不變，蒸煮醪溫度變化為:55℃→90℃→105℃→95℃→60℃(1)預液化醪液量：若醪液平均比熱取3.66KJ/(kg·K)，混合后粉漿溫度為55℃，用焓為2257.2KJ/kg，0.2Mpa表壓的蒸汽加熱，預蒸煮在90℃下進行，55℃→90℃，則預液化醪量為:G’=G+W，W=G·C（T2-T1）/（I-CwT2)(2)經液化噴射加熱后(90℃→105℃)蒸煮醪量為:式中2748.9—噴射液化器加熱蒸汽(0.6Mpa)的焓(KJ/(kg)(3)經液化維持管出來的蒸煮醪溫度降為102℃，量為:式中2253—液化維持管的溫度為102℃下飽和蒸汽的汽化潛熱(KJ/(kg)(4)經閃蒸汽液分離器分離后102℃→95℃蒸煮醪量為:式中2271—95℃下飽和蒸汽的汽化潛熱(KJ/kg)(5)加2/3ａ-淀粉酶即21.04=2.08kg后，進入后熟器(約45min)的醪液量為:12089+2.08=12091.08kg(6)糖化酶適宜在PH=4.0～4.5的范圍內，因此使用硫酸酸化,約20kg/t(酒精)12091.08+20=12111.08kg(7)經換熱器后,溫度降至60℃后，加入2.95kg糖化酶后，糖化醪量為:12111.08+3.90=12114.98kg4.1.6糖化醪與發(fā)酵醪量的計算設發(fā)酵結束后成熟醪含酒精10%(體積分數)，相當于8.01%(質量分數)。并設蒸餾效率為98.5%，而且發(fā)酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分別為成熟醪量的5%和1%，則生產1000kg93.85%(質量分數)酒精成品有關的計算如下:=1\*GB3①需蒸餾的成熟發(fā)酵醪量為:F1==2\*GB3②若不計酒精捕集器和洗罐用水,則成熟發(fā)酵醪量為:=3\*GB3③入蒸餾塔的成熟醪乙醇濃度為:=4\*GB3④相應發(fā)酵過程放出CO2總量為:=5\*GB3⑤接種量按10%計，則酒母醪量為m0:=6\*GB3⑥酒母醪的70%是糖化醪，其余為糖化劑和稀釋水，則糖化醪量為:=7\*GB3⑦H2SO4用量為20kg/t(酒精)蒸煮醪量為12089kg糖化酶消耗量:3.90+0.55=4.45kg需加水:12457.2-12089-4.45-20=344kg4.1.7酒精廠總物料衡算=1\*GB3①酒精成品日產酒精量為:50000/300=166.7t/d取整167t/d一年按生產300天計實際每年生產酒精量為:167×300=50100t/a=2\*GB3②主要原料木薯用量日耗量為:2594.5×167=433.28t/d=18.06t/h年耗量為:433281.5×300=129984.45t/a=3\*GB3③淀粉酶量日耗量為:1.04×167=173.68kg/d=7.237kg/h年耗量為:173.68×300=52.104t/a=4\*GB3④糖化酶用量日耗量為:4.45×167=743.15kg/d=30.97kg/h年耗量為:743.15×300=222.945t/a=5\*GB3⑤氨水用量日耗量為:80×167=13.36t/d=0.557t/h年耗量為:13.36×300=4008t/a=6\*GB3⑥濃硫酸用量日耗量為:20×167=3.34t/d=0.1392t/h年耗量為:3.34×300=1002t/a=7\*GB3⑦粉漿用量日耗量為:11.2364×167=1876.5t/d=78.19t/h預熱蒸煮醪量:12.0016×167=2004.3t/d=83.511t/h液化噴射醪量:12.2868×167=2051.9t/d=85.496t/h糖化醪量:12.11×167=2022.4t/d=84.265t/h成熟發(fā)酵醪量:12.6088×167=2105.670t/d=87.736t/h二氧化碳量:0.9113×167=152.187t/d=6.34t/h表4-2酒精廠蒸煮糖化車間物料衡算結果數量物料 年產5萬噸無水乙醇(t/a)年產5萬噸酒精廠(t/d)年產5萬噸酒精廠(t/h)無水乙醇501001676.96木薯原料129984.45433.2818.06蒸煮粉漿5629441876.578.19預蒸煮醪6012902004.383.511液化噴射醪6155702051.985.496維持醪液量612567.62041.89285.079閃蒸醪605658.92018.86384.119后熟醪605763.12019.21084.134硫酸用量10023.340.1392糖化酶量222.9450.743150.03097氨水用量400813.360.557ａ-淀粉酶52.1040.173680.007237糖化醪量6067202022.484.736成熟發(fā)酵醪量6317012105.67087.736酒母醪量58331.43194.43818.102二氧化碳量45656.13152.18716.3424.2蒸煮糖化各工段的物料和能量衡算[10]此節(jié)，對蒸煮工段、糖化冷卻工段分別進行物料和熱量衡算。4.2.1蒸煮工段的物料和熱量衡算調漿罐連續(xù)進料，調漿1小時調漿罐是分批操作，為保證連續(xù)蒸煮的進行，設兩只調漿罐,每30min輪換使用一次，則每個投料量為9.03t(每小時投料量為G=18.06t)。按加水比1:3.3，調漿罐應容納粉漿量為W1=38.83t。設調漿水溫為60℃，木薯粉原料溫度為20℃，則計算出粉漿溫度t℃。木薯比熱為C木薯＝1.63KJ/(kg·K)，按加水比為1:3.3（粉漿量78.19t/h），調漿罐熱量衡算：原料與水1:3.3混合后粉漿溫度:==55℃.用水量:W=3.3G=3.318.06=59.598t/h粉漿內干物質濃度為:B1%==20.1%C1—為蒸煮醪比熱，與蒸煮醪干物質濃度有關。===3.66KJ/(kg·K)C0—木薯比熱1.63KJ/(kg·K),Cw—水的比熱容4.18KJ/(kg·K)，=4.18××(60-55)×59.598×=1.246×KJ/h。粉漿由泵打入預蒸煮罐，被直接蒸汽加熱,并進行預蒸煮過程，在經過預蒸煮罐后，要求醪液升到t2=90℃,設加熱蒸汽為0.20Mpa表壓，則每小時加熱蒸汽消耗量，可按照熱量衡算進行計算：=83.511-78.19=5.321t/h預蒸煮醪量為：=83.511t/h調漿罐粉漿進入量G=78.19t/h，從第二調漿罐開始通蒸汽，預蒸煮罐每罐G=83.511t/h。B2%==18.84%=0.1884×1.63+4.18×（1-0.1884）=3.699KJ/(kg·K)=2257.2×5.321×=12.01×KJ/h蒸煮醪有0.6Mpa下的蒸汽在液化噴射器升溫至t2=105℃，則每小時加熱蒸汽消耗量：D3=B3==18.40%C3=3.712KJ/(kg·K)=2748.9×1.985×=5.46×KJ/h在維持罐有105℃→102℃D4=(12286.8-12226.9)×167=10.003t/d=0.417t/hB4==18.489%C4=1.63×18.489%+4.18×（1-18.489%）=3.709KJ/(kg·K)最后進行汽液分離器的物料，能量衡算，取汽液分離器內維持0.2Mpa的表壓，釋放二次蒸汽量為：102℃→95℃D5==（12226.9-12089）×167=23.03t/d=0.960t/h離開汽液分離器的醪液量為:W5==20018.863t/d=84.12t/h=2271×0.960×=2.18×KJ/h4.2.2糖化冷卻工段的物料和熱量衡算利用螺旋板式換熱器將醪液由90℃→60℃，醪液流量為84.134t/h換熱量為：==9.24×KJ/h需水量：20℃→40℃D6==110.53t/h發(fā)酵糖化醪量為：12457.2kg冷卻醪液量為12089kg酒母醪量為：1164.3kg硫酸用量：20kg糖化酶：4.45kg則，需加稀釋水量：12457.2-12089-4.45-20=344kg4.2.3蒸煮糖化各工段能量及物料衡算表 表4-3蒸煮糖化各工段能量及物料衡算項目進入系統(tǒng)物料量t/h離開系統(tǒng)物料量t/h熱源流量t/h耗熱量KJ/h拌料段18.0678.1959.601.25×預液化段78.1983.515.3212.01×液化噴射段83.5185.4961.995.46×氣液分離段85.49685.0790.962.18×糖化冷卻段84.13484.12110.539.24×5.設備選型[11]設備工藝設計的目的是決定車間工藝設備的類型，規(guī)格，主要尺寸和數量，并為車間設計，施工圖設計及其他工藝設計項目提供設計依據。選擇設備的主要方法是:依據方案設計，物料衡算及能量衡算的結果，并參考酒精生產的情況，從工程角度出發(fā)，考慮一定余量進行選型。5.1連續(xù)蒸煮糖化設備的計算具有一定生產規(guī)模的酒精廠，都是采用連續(xù)蒸煮設備，連續(xù)蒸煮設備主要是由調漿罐，連續(xù)蒸煮送料泵，預煮罐，液化噴射器，維持器以及后熟器和汽液分離器等組成的。5.1.1調漿罐計算調漿罐每小時投料量為：G=18.06t/h。調漿桶兩只，每只的容積為:V調===40.6m建筑設計每層高度為5.1m，為便于正常操作，取調漿桶及預蒸煮罐的高度為5.5m，以便于二樓開口處觀察內部情況，并采用溢流連續(xù)拌料預熱法。調漿罐罐徑D為（平底）：V=HD===3.07.m則調漿罐罐徑D=3.07m；高H=5.5m。調漿罐為常壓容器,壁厚可由下式確定:S===6.14mm。取6.2mm調漿罐采用平漿攪拌器，該攪拌器的尺寸為罐徑的1/3，即d為1024mm，攪拌器轉速為120r/min。這時攪拌軸功率為:N===19.32kw式中：Np湍流狀態(tài)時，其值為1.95N攪拌轉速，N=120r/minD攪拌器直徑，D=1.024m醪液密度，=1100kg/m調漿桶填充系數，0.8～0.9,取0.871取安全系數為K為1.1，減速傳動效率=0.9。則電機功率為:N===23.61Kw，取30Kw電機。5.1.2預煮罐的計算預煮罐一個，投料量為:G=78190kg/h，加入1/3a-淀粉酶量為:7.24kg/h。通入蒸汽量為:5321kg/h，則總共的容積為:V===43.59m取徑高比為1:1，錐底夾角為120°計算其輪廓尺寸，調漿桶直徑為:D=2×=2×=3.700m取直徑D和高H均為3700mm。錐底夾角a為120°。全容積為:V=H+=+=43.59m錐底高為:=1.07m。預煮罐中通入0.24Mpa表壓的蒸汽,其強度計算為:設選用抗斷強度=3400kgf/c。材料安全系數n=4.5，許用屈折應力KB為800kgf/c的碳鋼，制造時采用焊接為0.7，磨損腐蝕裕度取C為0.2cm，最大蒸煮壓力取4kgf/c計算。(1)圓柱壁厚:S1===15.99mm。(2)圓錐壁厚:S2===29.98mm。5.1.3液化噴射器選型[12]表5-1噴射器的規(guī)格和型號序號型號規(guī)格序號型號規(guī)格t/h（干物質計）m/h（液體計）t/h（干物質計）m/h（液體計）123456HYZ-1HYZ-2HYZ-3HYZ-4HYZ-5HYZ-60.20.512460.51.53612208910111213HYZ-8HYZ-9HYZ-10HYZ-11HYZ-12HYZ-1320304050661006090120150200300需液化噴射醪量：78.19+0.00724+5.321=83.52m/h在選擇噴射器時，盡量選擇生產能力大些的，這樣可以節(jié)省輔助時間，以縮短生產周期，所以選用一套型號為HYZ-9，處理量為90m/h。5.1.4維持罐的計算擬用1個維持罐，設液化噴射醪在維持罐內停留時間為T2=40min，則維持罐體積V為：V===56m取徑高比為1：5，封頭采用半圓型，則×5D+=56mD=2.40mH=5D+=12.6m維持罐強度計算：強度計算按底部0.4Mpa表壓計算，圓桶部分厚度為：S1===8.69mm5.1.5后熟器的設計 為加工和安裝方便，擬采用兩只大小相同的后熟器，設粉漿在后熟器內停留總時間T2為60min,則每套停留時間為30min，裝料系數取87.1%，第一后熟器內維持0.25Mpa(表壓)，進入后熟器的料量G=84.134t/h，后熟器的總容積V為：V===87.82m，每個容積為87.82/2=43.91m每只43.91m,按徑高比1:3，取半圓型封頭，決定輪廓尺寸:+=V即+=41.25mD=2.60m；H=7.81m；H1=H+=8.46m。后熟器的強度計算:強度計算按第一后熟器圓桶下部受壓0.3Mpa表壓計算,圓桶部分厚為:S1===5.3mm半圓型封頭(蓋)厚度，查生物工程工廠設計概論，由表得，壁厚S2=5mm時，最大內部壓力為0.4Mpa，為便于連接，取S2=5.3mm。5.1.6汽液分離器的計算汽液分離器為了獲得較好的分離效果，不但裝料系數3較小,而且為了降低氣流速度選擇外形的徑高比較小，這里選擇1：1.5。為了保持真空冷卻—糖化的順利進行，也有一定的容積要求，汽液分離器采用兩套,設蒸煮醪在每套中的停留的時間（T3）為10min，則汽液分離器的容積為：V分===25.50m汽液分離器直徑為:D===2.79≈2.80m則高為4.2m，錐底高為:==2425mm由于汽液分離器是接近常壓的設備，壁厚可按下式估計:S==5.6mm查封頭表。取封頭高度h1=100mm，h2=25mm，封頭厚度25mm，錐底高2425mm，錐底厚5.6mm。5.1.7真空冷卻閃蒸器的計算=1\*GB3①真空冷卻閃蒸器采用一套,在汽液分離器內需要分離蒸汽量W4為960kg/h,在85Kpa，其為7.8m/kg,取其中向上蒸汽流速w為1m/s,則分離器直徑為:D===1.63m圓柱部分高度:H=1.5D=1.5×1.63=2.45m=2\*GB3②離開汽液分離器的醪量84.119t/h，進口接頭直徑按流速W1為40m/s計算:d1===0.0262m=3\*GB3③分離器頂蒸汽上升管按W2為30m/s計算管徑:d2===0.297m=4\*GB3④分離器降醪管按W3為0.08m/s計算管徑:d3===0.582m⑤強度計算:設選用抗斷強度為=3400kgf/c。材料安全系數n=4.5，許用屈折應力KB為800kgf/c的碳鋼，制造時采用焊接為0.7，磨損腐蝕裕度取C為0.2cm。最大蒸煮壓力取5kgf/c計算。(1)圓柱部分:S1===9.70mm(2)圓錐部分:a==45°S2===10.90mm5.1.8糖化鍋的選型根據物料衡算，糖化醪量G為=136.5t/h。其中包括加入糖化酶及水的數量,設醪在糖化鍋內停留時間t為30min,然后進行噴淋冷卻,取裝料系數=80%，則糖化鍋的容積為:V===77.80m取柱高H=5.1m，錐高h=0.4m，H1=H+h=5.5m，則+=V=77.8D=4.35m糖化鍋是常壓設備,設計時不必進行強度計算。圓柱形壁厚約6mm,錐底取6mm。平板蓋取5-6mm，電動機和傳動變速機構應設在工子鋼架上。糖化鍋設少量的冷卻蛇管，采用漿式攪拌器，速度100r/min，計算:N=0.01Adnpu/g(Kw)漿葉取直徑為d=0.4D=0.4×4.35=1.74m。n=100/60=1.67r/sp=1100kg/mu=23.8/1000=0.0238kg/(ms)攪拌器形式為45℃的雙漿式攪拌器,則A為5.15。N=0.01×5.15×1.74×1.67×1100×0.0238/9.81=28.3Kw考慮安全系數與傳動效率選用30Kw電動機。5.1.9糖化醪的冷卻及換熱器的設計（1）冷卻負荷計算Q=GC(t1-t2)=3.65×136.5×1000×（60-28）=1.59×KJ/h（2）求溫差及冷卻面積65283517＝代入上式后得：＝＝18.94℃A===172.3取K＝4.18×1200kJ/（m3·h·K）（3）設備的選型查生物工程設計概論附錄，取A=200（不銹鋼制耐酸PN0.6、1.6Mpa不可拆式=1\*ROMANI型）螺旋板換熱器，型號：=1\*ROMANI6，=1\*ROMANI16B100-1.0/1500-14，單個換熱面積為100，故選擇兩個。5.2設備選型總匯表5-2年產5萬噸酒精廠蒸煮糖化車間設備一覽序號設備名稱臺數規(guī)格與型號材料備注1調漿罐2高:5500mm；直徑:3070mm；容積:40.60m；壁厚:6.2mm；A鋼專業(yè)設備2預煮罐1體積:43.59m；直徑:3700mm；高:3700mm；錐底1070mm；圓柱壁厚:15.99mm；錐底壁厚:29.98mm。A鋼專業(yè)設備3液化噴射器1HYZ-9，處理量為90m/h；A鋼專業(yè)設備4維持罐1直徑:2400mm；圓柱高:12600mm；公稱容積56m；圓柱壁厚8.69mm；A鋼專業(yè)設備5后熟器2容積：43.91m3；直徑:2600mm；圓柱高：7810mm；壁厚:5.3mm；A鋼專業(yè)設備6汽液分離器1容積：25.50m3；直徑:2800mm；圓柱高:4200mm；錐底高：2425mm；圓柱壁厚5.6mm；容積：25.50m3A鋼專業(yè)設備7真空冷卻器1直徑:1630mm；圓柱高：2450mm；柱壁厚:9.7mm；錐底厚：10.9mm；A鋼專業(yè)設備8糖化罐2直徑：4350mm；圓柱高：5100mm；錐高：400mm；壁厚取6mm；容積：77.8m3A鋼通用設備9螺旋板換熱器2A=100（不銹鋼制耐酸PN0.6。1.6Mpa不可拆式=1\*ROMANI型）；A鋼專業(yè)設備6生產車間的布置說明生物工程工廠生產車間通常包括下列四項:=1\*GB2⑴生產部分，包括原料工段、生產工段、成品工段、回收工段、控制室、露天堆和貯罐區(qū)；=2\*GB2⑵生產輔助部分，包括除塵通風空調室、變配電室、機修、化驗室；=3\*GB2⑶生活行政設施，包括車間辦公室、會議室、更衣室、休息室、浴室、衛(wèi)生間；=4\*GB2⑷其他特殊用室車間的布置設計，按其內容可分為車間總布置和車間內設備布置兩種。車間總布置是對整個車間廠房的各個組成部分按照他們在生產中和生活中所起的作用進行合理的平面布置和安排；設備布置是根據生產流程情況及各種有關因素，把各種工藝設備在一定的區(qū)域內進行排列。在設備布置中又分為初步設計和施工圖設計兩個階段，每一個設計階段均要求平面和剖面布置[13]。一個優(yōu)良的車間布置設計應該是，技術先進，經濟合理，節(jié)省投資，操作維修方便，設備排列簡潔，緊湊，整齊，美觀。要達到這樣的要求,必須從工藝，操作，安全，維修，施工，經濟，美觀，及擴建上考慮。為使車間布置設計能符合上述要求，設計時應遵循的原則為:1.車間布置應符合生產工藝的要求。車間設備布置必須按流程的流向順序依次進行設備的排列，以保證物料順暢地向前輸送，按順序進行加工處理，保證水平方向和垂直方向的連續(xù)性。一般來說，凡計量設備，高位槽等布置在最高層，主要設備布置在中層，貯槽，發(fā)酵罐等布置在底層。這樣既可以用位差進出物料，又可減少樓面的荷重，降低造價。2.車間布置應符合生產操作的要求。=1\*GB2⑴每個設備都需要考慮一定地位，包括設備本身所占的地位，設備附屬所占地位，操作地位，設備檢修拆卸地位以及設備與設備,設備與建筑物的安全距離。=2\*GB2⑵設備應為操作工人能管理多臺設備或多種設備創(chuàng)造條件。凡屬相同的設備或同型設備或操作性質相似的設備，應盡可能集中布置，使之彼此靠近，以便統(tǒng)一管理，集中操作，方便維修及部件的交換。=3\*GB2⑶設備布置不宜過擠或過松，宜盡量對稱緊湊，排列整齊，充分利用空間。=4\*GB2⑷要考慮相同設備或相似設備交換使用的可能性和方便性。=5\*GB2⑸設備的自動測量儀表要集中控制，閥門控制盡量集中，便于工人操作。3．車間布置應符合設備安裝，檢修的要求。經常搬動的設備應在設備附近設置大門或安裝孔，大門寬度比最大設備寬0.5米。通過樓層的設備，樓面上要安裝吊裝孔。酒精廠的糖化設備，蒸煮設備都是一半在樓下，一半在樓上，這種類型的設備安裝時，也可直接從設備本身的安裝孔中吊上，這樣的安裝是比較方便的。4.車間布置應符合廠房建筑的要求。（1）凡是笨重設備或運轉時會產生很大震動的設備，應該盡可能布置在廠房的底層，以減少廠房樓面的荷載和震動。（2）有劇烈震動的設備，其操作臺和基礎不得與建筑物的柱，墻連在一起，以免影響建筑物的安全。（3）設備布置時，要避開建筑的柱子及主梁。（4）設備不應布置在建筑物的沉降縫或伸縮縫處。（5）在廠房的大門或樓梯旁布置設備時，要求不影響開門和行人進出。（6）在不嚴重影響工藝流程順序的原則下，將較高設備盡量集中布置，這樣可以簡化廠房的體形，節(jié)約廠房體積，另外還可利用建筑上的有利條件，如利用天窗的空間安裝較高設備。（7）廠房內所有操作平臺必須統(tǒng)一考慮，避免平臺支柱凌亂重復，影響車間美觀、生產操作及檢修。5.車間布置應符合節(jié)約建設費用的要求。（1）凡可以露天或半露天的設備，可根據使用和操作的特點，與設備設計配合采用露天或半露天的布置，減少建筑面積。節(jié)約廠房建筑費。廠房非高層化是近代工廠設計的特點，低層建筑具有設計容易，施工和設備安裝簡單，費用較低維修方便等優(yōu)點。工藝管道應集中布置，盡可能縮短設備管線。（4）盡量采用土建結構。（5）設備的操作面近肯能與通道安排同一側。6.車間布置應符合安全，衛(wèi)生，和防腐蝕的要求。7.滿足生產發(fā)展需要。根據生產發(fā)展的需要與可能，考慮留有增加產量、增添設備的余地。廠房的布置，分為廠房的立面布置和平面布置。發(fā)酵工廠建筑按廠房的層數分類，可分為單層廠房、多層廠房和層次混合的廠房三類，主要由生產工藝特點和工藝設備布置要求所決定。同時,也要滿足建筑上采光，通風等各方面的要求。層次混合的廠房，是指由單層及多層混合構成的廠房，如酒精廠蒸煮糖化車間的安排。單層廠房按照<<廠房建筑統(tǒng)一化基本規(guī)則>>的規(guī)定，柱頂標高應為300mm的倍數，多層廠房的各層樓板，地板表面之間的層高應采用300mm的倍數。除地下室外，一幢廠房內的層高不宜超過兩種規(guī)格，但當構造需要時，可按樓板、地板的結構表面確定各層之間的層高。一般框架或混合結構的多層廠房，層高多采用5.1米、6米。最低不得低于4.5米。每層高度盡量相同，不宜變化過多。廠房的平面布置形式，按生產車間的組成和工藝要求以及建筑本身的可能性和合理性綜合考慮。發(fā)酵工廠廠房外形一般有長方形、L型、T型和Ⅱ型等數種。其中以長方形最常用。長方形便于總平面的布置，節(jié)約用地，有利于設備排列，縮短管線，便于安排進出口和交通，有較多可供自然采光和通風的墻面。而且采用結構的統(tǒng)一模數，造價低，施工快。廠房平面柱網的選擇，柱子的縱向和橫向定位軸線垂直相交，在平面上排列所構成的網絡線，稱為柱網。柱網是用來表示廠房跨度和柱距的，柱網的大小，是根據生產所需要的面積和技術經濟比較等因素來確定的。在柱網中確定跨度是主要的，跨度是由定位軸線間的尺寸表示的。在確定跨度的具體尺寸時，應該符合<<廠房建筑統(tǒng)一化基本規(guī)則>>中的有關規(guī)定。對單層廠房來說，跨度在18米和18米以下時，應采用3米的倍數；跨度在18米以上時，應采用6米的倍數，目前最常用的跨度是9米、12米、15米、18米、24米、30米、36米等幾個尺寸，其他尺寸用的很少。柱距是由橫向定位軸線間的尺寸表示的，廠房的柱距尺寸是表示縱向柱列每柱間的尺寸。按<<廠房建筑統(tǒng)一化基本規(guī)則>>規(guī)定，柱距應采用6米或6米的倍數(必要時也可用9米)。目前采用6米柱距的比較廣泛。多層廠房的總寬度，由于受到自然采光和通風的限制，一般不宜超過24米。若跨度為9米，廠房中間如不立柱子，所用的梁很大，不經濟。一般經濟廠房的常用跨度，控制在6米左右。多層廠房的柱距應采用6米，目前有一些工廠為滿足工藝布置和設計的需要而采用較大的柱網尺寸[14]。設備布置形式:車間布置按照以上規(guī)則，車間內設備布置要與主要生產流程(原料或半成品流程)順序相一致，使生產線路呈鏈狀排列而無交叉迂回現象，并盡可能利用自流輸送，力求管線最短。發(fā)酵工廠通常是把設備整齊的排列在一條或兩條鏈狀軸線上，且按工序分區(qū)要明確。酒精廠的蒸煮糖化設備，通常排成一直線，糖化設備為利用自流輸送，真空冷卻裝置應高于糖化鍋8米左右。發(fā)酵工廠常用設備布置的要求:蒸煮設備:目前酒精工廠普遍采用鍋(罐)式連續(xù)蒸煮，小型酒精工廠(或車間)采用鍋式間歇蒸煮。蒸煮設備，不管是鍋式或柱式，一般蒸煮鍋(罐)為3-5個，蒸煮柱為3-5根，均采用一字形鏈狀排列。蒸煮設備一般沿蒸煮車間總長方向的墻壁排列，離墻距離應大于800mm。蒸煮鍋(罐)，蒸煮柱一般均利用其鍋身，柱身上的鍋耳，柱耳懸架于鋼支架或鋼筋混凝土支架梁上。由于蒸煮設備較重，且有一定的震動，不得用墻支撐蒸煮設備的重量[15]。蒸煮鍋(罐)，蒸煮柱之間的間距，一般應大于1000mm，離地面的距離一般不得小于800mm。由于蒸煮設備容易磨損，使用一定年限后需要更換或維修，所以，車間高度需考慮設備的起吊高度和起重設備的安裝位置，車間寬度也需要考慮設備橫向進出修理更換的位置。由于蒸煮溫度較高，為工人操作環(huán)境考慮，連續(xù)蒸煮設備可以用墻單獨隔離。蒸煮設備一般高4-10米，按高度布置分為二層，兩層樓面一般采用網紋板或箅子板，便于設備維修或更換,不采用水泥預制板樓面。糖化設備:酒精工廠的糖化鍋一般沿墻呈直線形排列，離墻>500mm，糖化鍋之間的距離600-1000mm左右。糖化鍋鍋底因有閥門操作,離地面距離700-900mm左右。糖化鍋布置在車間的一、二層之間，設備用耳架與樓板或鋼支架固定。糖化鍋人孔或鍋蓋在二樓應高出樓面700-900mm，樓高高度應能滿足鍋內攪拌器從鍋中取出，糖化鍋前應留有1.5-2米的操作面。泵:是發(fā)酵工廠使用最多，最普遍的流體輸送設備，車間布置時應考慮以下幾點:大中型車間用泵，數量較多，應該盡量集中布置。集中布置的泵應排列成一條直線，泵的頭部集中于一側，也可背靠地排成兩排，驅動設備面向通道。泵與泵的間距視泵的