年产2万吨酒精工艺设计

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

课程设计说明书

课 程 设 计 学 年级 组 组 指 导 开 始 完 成

名 称：发酵工程课程设计

题 目：年产 院： 专业： 长： 员：老 师：时 间：时 间：

2万吨酒精工艺设计 i

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

任务分配

1、文献、资料检索 全组

2、可行性研究策划 3、糖蜜原料的稀释处理阶段

种子车间的设计 4、糖蜜的稀释处理 转筒过滤车间设计 5、发酵车间的设计 6、酒精精馏车间的设计 7、废弃物的处理

8、种子罐的设计 9、发酵罐的设计 10、设计说明书的编制

11、各组员负责的相关物料衡算及热量衡算以及用水用电衡算 12、各组员负责的工艺车间设备平面图的绘制

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年产2万吨燃料酒精工厂的设计

目录

设计任务书 ................................................................................................................................ v 前言 ........................................................................................................................................... 1 第一章总论 ............................................................................................................................... 2

第一节设计依据 ................................................................................................................... 2

第二节设计指导思想和原则 ............................................................................................... 2 第三节设计范围 ................................................................................................................... 3 第四节工艺设计基本数据和指标 ....................................................................................... 3 第五节生产工艺概述 ........................................................................................................... 4 第六节生产设备概述 ........................................................................................................... 4 第七节生产工艺流程图 ....................................................................................................... 5 第八节生产方法的简单介绍 ............................................................................................... 5 第二章全程物料衡算 ............................................................................................................... 6 第一节全程总物料概算 ....................................................................................................... 6 第二节酒精生产各工段的物料衡算和热量衡算 ............................................................... 8 第三章供用水衡算 ................................................................................................................. 14 第一节蒸馏车间用水[10] ..................................................................................................... 14 第四章供用汽衡算[9] .............................................................................................................. 15 第五章供电衡算 ..................................................................................................................... 16 第六章设备计算与选型 ......................................................................................................... 16 第一节 第二节 第三节

种子罐的设计 .................................................................................................. 16 主发酵罐的设计 .............................................................................................. 20 其它设备的计算和选型 .................................................................................. 24

[10]

第七章车间布置设计第一节

......................................................................................................... 26

建筑概述 .......................................................................................................... 26

第二节车间内常用设备的布置 ......................................................................................... 27 第八章环保工程 ..................................................................................................................... 27 第一节废物总类[8、10] .......................................................................................................... 27 第二节

废物利用 .......................................................................................................... 28

参考文献 ................................................................................................................................. 30

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附录 ......................................................................................................................................... 32

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年产2万吨燃料酒精工厂的设计

设计任务书

一、设计题目：

年产2万吨燃料酒精工厂设计 二、设计依据： 生产基础数据：

产品规格：99.18%燃料酒精；全年生产天数：250天/年

生产方法：以糖蜜为原料，采用单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏、生石灰脱水

技术。

副产品：次级酒精（成品酒精的2%）；杂醇油（成品酒精的0.3%） 原料：糖蜜（含可发酵性糖50﹪）

发酵率：90﹪ 蒸馏率：98﹪ 发酵周期：48小时 发酵温度：28～34℃ 硫酸铵用量：1kg/t糖蜜 硫酸用量：5kg/t糖蜜

三、设计内容：

1、进行生产方法的论证，确定糖蜜稀释储存方案、发酵方案、酒精过滤提纯方案。 2、根据以上确定的原料配比和生产方案进行物料衡算和热量衡算以及供水供汽供电衡算，列出酒精生产衡算表。

3、进行设备计算：1）确定种子罐和发酵罐的体积及径高比，然后计算其结构尺寸及发酵罐数量；2）确定后期蒸馏纯化设备的大小规格。

4、画出整个酒精发酵车间的带控制点的工艺流程图（2号图纸） 5、画出种子罐和发酵罐的结构图（2号图纸） 四、设计成果内容：

1、 设计说明书一本，包括设计任务书 2、图纸8张

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前言

本设计的题目是《年产2万吨燃料酒精工厂设计》。随着社会的发展，社会对燃料能源（石油、天然气、煤矿等）的需求越来越大，而燃料能源储量越来越少，价格越来越低，人们迫切需要找到一种新的可再生能源代替现有的燃料能源。其中，最受欢迎的是燃料酒精。

燃料酒精又称变性燃料乙醇，可分为替代燃料和燃料添加剂两种，是清洁汽油的主要代替物，已在一些国家和地区得到大量使用。燃料酒精最明显的一些优势是：一、来源广，可再生。可以以谷物淀粉为原料生产燃料酒精，以植物秸秆等纤维素为原料生产燃料酒精，以甘蔗作为原料生产燃料酒精，以蜜生产燃料酒精等等。二、无污染。石油、天然气、煤矿等燃料能源的使用产生了很多环境问题。例如：酸雨等环境污染。而燃料酒精产生的是二氧化碳和水，对环境无污染。

中国燃料酒精的发展现状：

由于燃料乙醇在中国的推广使用还处在初级阶段．产销各个环节政府行为色彩比较浓，离真正的市场化有很远的距离。为了合理利用资源。国家对燃料乙醇的立项投产非常谨慎。目前，获得国家批准生产的企业有4家：河南天冠燃料乙醇有限公司、吉林燃料乙醇股份有限责任公司、安徽丰原生物化工有限公司、黑龙江华润酒精有限公司，已形成燃料乙醇生产能力122万t。目前中国生产的燃料乙醇总量为102万t。大约使用粮食400万t，基本使用陈化粮。

目前中国石油供应紧张问题日趋严重：2005年，中国原油消费量3.23亿t，居世界第二，国内生产原油1．81亿t，净进口原油

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1.19亿t，净进口轻柴油、航煤、燃料油等石油产品l746万t。原油及石油产品净进口量1.46亿t。石油对外依存度为45％。到2020年，估计国内自产石油2.O亿t．缺口25亿t，对外依存度55％。因此，燃料酒精在中国市场的前景比较大，潜力也比较深。

我相信在未来，中国政府还将继续适度发展燃料乙醇行业。“十一五”期间，中国燃料乙醇的潜在市场规模将急剧扩大。以中国四家燃料乙醇生产企业的产能来看，远远不能满足未来国内对燃料乙醇的需求，燃料乙醇装置产能扩张不可避免。因此计划到“十一五”末，国内乙醇汽油消费量占全国汽油消费量的比例将上升到50％以上，这意味着届时中国燃料乙醇的产能和产量将会有一个质的飞跃。不久的将来生物乙醇燃料的发展将成为我国的一个支柱产业！

第一章 总论

第一节 设计依据 根据武汉纺织大学环境学院生物工程系2011年年度下达的设计任务书设计。

第二节 设计指导思想和原则

一、设计工作围绕着工厂现代化建设，力图能使设计的工厂具有前瞻性，开创性，能在原来基础上随着时代发展而升级。

二、对于自己来说，论文设计能考察自己到目前学到的东西，并且将其综合运用，综合分析，将知识运用到实际的工作中去，为以后

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的学习和工作打下一定的基础。

三、设计按照设计任务书进行，尽量符合任务书的要求，各种计划进程在任务书的可控范围内。

四、工厂充分考虑现今的一些技术，设备，以及设计先进理念，尽量做到人性化，环保化，为员工的工作和生活做出合理的安排，使工作效率达到最佳。

五、设计尽量贴近实际，并且努力使其经济效益最大化，在各种设备选型中，合理考虑性价比和地区特性，不盲目追求新设备，新生产线。

第三节 设计范围

一、生产部门 1、生产车间

设计内容包括发酵车间，粉碎车间，蒸馏车间等，并对其有关的物料，热量，用水进行计算。 2、辅助车间

辅助车间有仓库（原料仓、成品仓，废品仓），污水处理站等。 二、设计图纸

图纸包括工厂整体布置，生产车间布置图，重点设备图，生产流程图，重点车间运作图。当然，也包括一些辅助性的图。

第四节 工艺设计基本数据和指标

1、生产规模:20000t/a

2、生产方法:单浓度连续发酵、差压式二塔蒸馏、生石灰脱水技术 3、生产天数:每年250天 4、燃料酒精日产量:800t 5、燃料酒精年产量:199998t

6、副产品年产量:次级酒精占酒精总量的2% 7、杂醇油量:为成品酒精量的0.3%

8、产品质量：燃料酒精[乙醇含量为99.5%(v/v)] 9、糖蜜原料：含可发酵性糖50﹪

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10、发酵率：90﹪ 11、蒸馏率：98﹪ 12、发酵周期：48小时 13、发酵温度：28～34℃ 14、硫酸铵用量：1kg/t糖蜜 15、硫酸用量：5kg/t糖蜜

第五节生产工艺概述

1糖蜜预处理有加酸法，加热加酸法，添加絮凝剂澄清处理法 2 糖蜜稀释采用连续稀释法。

3 主要蒸馏工段采用差压式二塔蒸馏机组[8]，能有效利用热能。

4 我国酒精行业主要采用小型多泡罩塔、浮阀塔、斜孔塔、筛板塔、导向筛板塔等，本设计采用浮阀塔。

5 脱水干燥技术：96%的粗酒精变成99.5%的合格酒精其技术按照脱水方式主要有：

（1）干燥材料吸水法 （2）萃取精馏法 （3）加盐萃取法 （4）多塔蒸馏法 （5）分子筛脱水法 本设计采用生石灰吸水法。 6 发酵法采用连续发酵方式。

第六节 生产设备概述

1发酵罐采用200m3 2种子罐采用50m3

3稀释采用连续稀释器 4发酵采用连续发酵罐组

5蒸馏设备采用差压式二塔蒸馏机组 5干燥设备采用卧式网层生石灰干燥器。

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第七节 生产工艺流程图

糖蜜储罐 泵压 糖蜜槽 添加絮凝剂 澄清预处理 称量 酸化 连续稀释罐组 添加抑菌剂 灭菌 缓冲储罐 菌种 连续发酵罐发酵 醪塔 精馏 杂醇油 精馏塔 干燥器 成品 冷凝水回收 醛酒 污水 污水处理副产品（肥料等）

图1-1 生产工艺流程图

第八节 生产方法的简单介绍

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单浓度糖蜜酒精连续发酵[7]

单浓度酒精连续发酵时比较简单的一种发酵工艺，所以本文采取这种工艺。工艺过程主要为：将蜜糖从蜜糖储存罐泵进糖蜜槽，由于糖蜜中含有大量的灰分和胶体，不利于产品的浓度和酒精的发酵，特别是胶体的存在致使发酵过程产生大量的泡沫，影响发酵生产，因此要进行预处理，本文中预处理采取添加絮凝剂澄清处理。经过预处理的糖蜜经称量后进入酸化罐，在酸化罐中添加营养盐，并且按比例入硫酸酸化，酸化后的糖蜜经过连续稀释器进行稀释，加青霉素1u/mL杀菌，进入储罐，添加酒母后就进入了连续发酵罐组发酵，成熟的醪液进入醪塔，在醪塔中的酒精蒸汽经过冷却后进入精馏塔进行精馏，成为酒精含量为96%的粗酒精并且脱醛去除杂醇油，粗酒精经过脱水干燥成为含量为99.5%酒精产品。

第二章 全程物料衡算

第一节 全程总物料概算

一、糖蜜消耗量

1、糖蜜原料生产酒精的总化学反应式为：

C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2↑ 蔗糖 葡萄糖 乙醇 342 360 184 176 2、生产1t（1000kg）无水酒精的理论蔗糖消耗量：

1000×（342÷184）﹦1858.7（㎏）

3、生产1t（1000kg）燃料酒精(燃料酒精中的乙醇99.5%（V）以上，相当于99.18%

（m）

)的理论蔗糖消耗量：

1858.7×99.18％﹦1843.5（㎏）

4、生产1t（1000kg）燃料酒精实际蔗糖消耗量：

生产过程中蒸馏率为98﹪，发酵率为90﹪，则实际蔗糖消耗量为：

1843.5÷98﹪÷90﹪﹦2090（㎏）

5、生产1t(1000kg)燃料酒精糖蜜原料消耗量： 糖蜜原料含可发酵性糖50%，故1吨酒精糖蜜消耗为： 2090÷50﹪=4180（kg） 二、发酵醪量的计算[11]：

1000?99.1800176??968 相应酒母培养和发酵过程放出二氧化碳量为：

9800184采用单浓度酒精连续发酵工艺，把含固形物88﹪的糖蜜稀释成浓度为22

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﹪～25﹪的稀糖液，设稀释成25﹪的稀糖液。

经连续稀释器可得稀糖液量为：4180×85﹪/25﹪=14212（kg） 即发酵醪量为：14212kg

酒母繁殖和发酵过程中放出968kg的二氧化碳，则蒸馏发酵醪的量为： （14212-968）×（100+6﹪）=14039（kg） 其中酒精捕集器稀酒精为发酵醪量的6﹪

1000?99.1800蒸馏发酵成熟醪的酒精浓度为：?7.1400

9800?14039三、成品与废醪量的计算[8、11] 采用差压蒸馏两塔流程蒸馏。

糖蜜原料杂醇油产量约为成品酒精多0.25～0.35﹪，现以0.3﹪计，则杂醇油量为1000×0.3﹪ =3（kg）

设醪液进醪温度为t1=55℃，塔底排醪温度为t4=85℃，成熟醪酒精浓度为B1=7.14﹪，塔顶上升蒸汽的酒精浓度50﹪（v）即42.43﹪（w），生产1000kg酒精则

1、醪塔上升蒸汽量为：

V 7.14﹪/42.43﹪=2363（kg） 1=14039×2、残留液量为：

WX=14039-2363=11676（kg） 3、成熟醪量比热容为：

C1=4.18×（1.019-0.95B1） =4.18×（1.019-0.95×7.14﹪） =3.98[KJ/（kg·K）] 4、成熟醪带入塔的热量为：

Q1=F1C1t1=14039×3.98×55=3.08×106（KJ） 5、蒸馏残液内固形物浓度为：

F1B114039?7.1400B2???8.5900

WX116766、蒸馏残留液的比热：

C2?4.18(1?0.378B2)?4.18?(1?0.378?8.5900)?4.04?KJ/(kg?K)? 7、塔底残留液带出热量为：

'Q4?WX?C2?t4?11676?4.04?85?4.01?106(KJ)

8、查附录得42.43﹪酒精蒸汽焓为2045KJ/kg。故上升蒸汽带出的量为：

Q3?V1i?2363?2045?4.83?106(KJ)

塔底真空度为-0.05MPa（表压），蒸汽加热焓为2644KJ/kg，又蒸馏过程热

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损失Qn可取传递总热量的1﹪，根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为：

'Q3?Q4?Qn?Q14.83?106?4.01?106?3.08?106D1???2542(kg)

I?CWt4(2644?4.18?85)?9900若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量为：

WX?D1?11676+2542=14218（kg）

四、糖蜜原料年产量为2万吨燃料酒精的总物料衡算[10

设工厂年开工为250天。 日产产品酒精量：20000／250﹦80（t） 每小时酒精量：80×1000/24=3333（kg）=3.333(t)

实际年产量（次级酒精忽略不计）：3.333×24×250=19999（t/a） 主要原料糖蜜用量：

日耗量：4180×80==334400（kg）=334(t) 年耗量：334×250=83500（t）

每小时产次级酒精：3333×（2/98）=68.27（kg） 实际年产次级酒精：68.27×24×250=410（t/a）

表2-1 20000t/a糖蜜原料酒精厂物料衡算表 生产

物料衡算

1000kg99.5%酒精物料量

燃料酒精 糖蜜原料 次级酒精 发酵醪 蒸馏发酵醪 杂醇油 二氧化碳 醪塔废醪量

1000 4180 20 14212 14039 3 968 14218

每小时数量 （kg） 3333 13933 67 47373 46796 10 3227 47393

每天数量 （t） 80 334.4 1.6 1137 1123.2 0.24 77.4 1138

每年数量 （t） 19999 83600 400 284237 280777 60 19359 284357

第二节 酒精生产各工段的物料衡算和热量衡算

一、稀释工段的物料衡算

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1、糖蜜稀释用水量（以每生产1000kg(1t)酒精计算）

稀释成25﹪稀糖液用水量为： W1= 14212-4180=10032 (kg)

则生产2万吨酒精每小时需要稀释用水量：10032×3333/1000=33440 (kg/h) 生产2万吨酒精一年需要的稀释用水量：10032×20000=2.01×108（t/a）

2、营养盐添加量

选用氮量21﹪的硫酸铵作为氮源，每吨糖蜜添加1～1.2kg，取1kg，则每生产1000kg（1t）酒精：

硫酸铵年耗量为：4180×1=4180（kg/a）=4.18（t/a） 日耗量：4180/250=16.72（kg/d）

每小时耗量：16.72/24=0.697（kg/h

则生产2万吨酒精一年需要硫酸铵用量：4.18×20000=8.36×104（t/a） 3、硫酸用量

[7]

[7]

稀释酒母稀糖液用酸5kg/t糖蜜：

年用量：4180×5=20900（kg/a）=20.9（t/a） 日用量：20900/250=83.6（kg）

每小时用量：83.6/24=3.48（kg/h）

则生产2万吨酒精硫酸用量：20.9×20000=4.18×105 表2-2 稀释工段各物料用量（2万吨产量计算）

物料 糖蜜稀释用水量 营养盐添加量 硫酸用量

二、发酵工段的物料和热量衡算 1、无水酒精量：

扣除蒸馏损失生产1000kg无水酒精耗糖蜜量为： 1858.7÷90﹪÷50﹪=4130.4（kg）

现为了生产20000t/a，要每小时投入糖蜜量13933kg/h，则无水酒精量为：

13933×1000/4130.4=3373（kg/h）

2、酒母热量

[11]

用量(t/a) 2.01×108 8.36×104 4.18×105

：

以葡萄糖为碳源，酒母发酵每生成1kg酒精放出的热量约为1170KJ左右，则发酵和培养酒母每小时放出的热量为： Q=1170×3373.36=3.95×106（KJ/h）

'''取工段发酵酒母冷却水初tw1=20℃，终温tw2=27℃，平均耗水量为：

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W酒母发酵?QCe(t'w13.95?10?t)''w26?134996.6(kg/h)

?4.18?(27?20)酒母酒精捕集用水为：（待蒸馏发酵醪液量为F=46796kg/h） 5﹪F/1.06=5﹪×46796/1.06=2207.37（kg/h） 发酵洗罐用水为：（每15天洗一次）

1﹪F/1.06=1﹪×23398.33/1.06=441.47（kg/15天）

则在发酵工段总用水量W发酵工段=2207.37+441.47+134996.6=137645.44（kg/h） 三、蒸馏工段的物料与热量衡算[11、12、13]

按采用差压蒸馏两塔流程计算，进醪塔浓度为7.14﹪，出醪塔酒精蒸汽浓度为50﹪ 1、醪塔

Q3=V1i

F1 Qn1

醪 Q1=F1C1t1

塔 D1 Q4=Q14+D1Ct4

Q2=D1I 1 Wx+D1

图2-1 醪塔的物料和热量平衡图

醪液预热至55℃，进入醪塔蒸馏，酒精质量分数为7.14﹪，沸点92.4℃，取上升蒸汽浓度为50﹪（v），即42.43﹪（w）。塔顶温度75℃，塔底温度85℃。则塔顶上升蒸汽热焓量i1=2045kJ/kg。加热蒸汽取0.05MPa绝对压力，则其热焓量I1=2644KJ/kg。

总物料衡算：

F1?D1?V1?WX?D1 即 F1?V1?WX 2-1 酒精衡算式：

F1xF1?V1y1?(WX?D1)xW1 2-2 式中：xF1—成熟发酵醪内酒精含量[﹪（W）]，xF1=7.14﹪。 y1—塔顶上升蒸汽中酒精浓度[﹪（W）]，y1=42.43 ﹪。

XW1—塔底排出废糟内的酒精浓度[﹪（W）]，塔底允许逃酒在0.04﹪以下，取xW1=0.04﹪。热量衡算式：

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第五章 供电衡算

参考我国糖蜜酒精连续发酵工艺技术指标，设生产每吨酒精耗电40度，可估算酒精厂的用电：

40×20000=8×105（度/年）=3200（度/日）

考虑到此值为估算值，所以乘以一个富裕系数为120﹪：

3200×120﹪=3840（度/日）=9.6×105（度/年）

[9]

第六章 设备计算与选型

第一节

种子罐的设计

一、种子罐类型、容积和个数的确定[15]

（1）培养菌种：酵母菌

（2）发酵罐类型：机械搅拌通风发酵罐 （3）种子罐个数的确定：根据实际情况，选取 50m3的种子罐3个。 二、种子罐的基本数据

根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸

高径比H/D=2.5

初步设计：设计条件给出的是种子发酵罐的公称体积。 公称体积－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。 全体积－－公称体积和上封头体积之和： H/D=1.7~3.5Di/D=1/2~1/3B/D=1/8~1/12 C/Di=0.8~1.0S/Di=2~5H0/D=2 Di －搅拌叶直径D－罐体直径

H0－罐体直筒部位高度

B－挡板宽度

ha －椭圆封头短半轴长度 S －搅拌叶间距

C －底搅拌叶至底封头高度 hb－椭圆封头的直边高度

设H/D=2.5，且公称体积为50m3 Di = 1/3D Ho = 2 D B = 0.1D ha = 0.25D S = 3Di C = Di

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由图得hb?则V0?V1?=

H?H0?ha2.5D?2D?0.25D??0.125D 22??1???1????D2?H?2?hb?D???D2?hb?D?=D2?H?hb?1/6D? 46??4?6?4??D2?2.5D?0.125D?1/6D?=50m3

?4解得D=2.8358m

查表得当公称体积为50m3时D=3000mm 所以取D=3m 则H=2.5D=7.5m

Di = 1/3D=1mHo = 2 D=6m B = 0.1D=0.3mha = 0.25D=0.75m S = 3Di=3mC = Di=1m

全体积V0???1???1???D2?H?2?hb?D???D2?2.5D?2?0.125D?D? 46??4?3????D3?65.3844m3 =0.77083表2-2 50m3种子发酵罐的几何尺寸

步骤 1 2 项目及代号 公称体积 全体积 参数及计算结果 50m3 65.3844m3 备注 设计条件 V0?3 4 5 6 7 8 9 10 D H0 ??1???D2?H?2?hb?D?? 4?6???D?H0/2 H0=2 D 3m 6m 1m 7.5m 0.3m 3m 1m 0.75m Di H B S C ha Di=1/3D 2.5D B=0.1D S=3Di=D C=Di=D/3 ha=0.25D 17

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三、主要部件尺寸的设计

计算考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式

发酵罐材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢等。相对其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀不大，但必须能耐受一定的压力和温度，通常要求耐受130－150 ℃的温度和0.3MPa的压力。

例如：腐蚀性不大的发酵液，如酶制剂发酵可以选用16MnR钢；

柠檬酸为弱酸，对罐体使用A3钢会有腐蚀，使用不锈钢成本较高。考虑使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。即可达到要求，又降低成本。

综合各因素，该发酵罐发酵生产红霉素，由于发酵液腐蚀性不大，我们选择不锈钢16MnR钢

1、罐体壁厚：取决于罐径及罐压的大小

pD?1??C(mm)

2?????p取D=3m, p=0.3MPa, 双面焊缝?=0.8，???=137MPa, C=3mm

0.3?106?3000?3?7.1mm 则?1?662?137?10?0.8?0.3?10根据《发酵工厂工艺设计概论》，中国轻工业出版社，2006年。附录的表17查询可知：选用10mm厚A3钢板制作

D－罐体直径（mm） p－耐受压强 (设计压力)

φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ ] －罐体金属材料在设计温度下的许用应力(不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa)

C －腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm

压力容器设计规范和制造技术标准

全国压力容器标准化技术委员会：

GB150《钢制压力容器》在1989年3月第一版，1998年第二版 JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》 1995年 JB/T4735《钢制焊接常压容器》 1989年 JB/T4700-4707《压力容器法兰》 2000年

钢材的使用上限不超过GB150-1999的各许用应力表的各钢号所对应的上限温度。

2、封头壁厚计算：常大于罐体壁厚

18

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

td?KPD2?????0.5Pt?Cmm

已知：取双面焊φ=0.8、D=3000mm、P=0.3MPa、K=2.3、????137MPa、t=1

2.3?0.3?3000?3?12.45mm 求得：td?2?137?0.8?0.5?0.3根据《发酵工厂工艺设计概论》，中国轻工业出版社，2006年。附录的表17查询可知：选用15mm厚A3钢板制作

D－罐体直径（mm） p－耐受压强 (取0.3MPa)

K－开孔系数，取2.3

φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ ] －设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）

C －腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm 3、挡板

通常挡板宽度b取(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。根据下式计算挡板数n：

?0.1~0.12?Dn?0.5 ?b???n?D?D?取b=0.1D, 得出挡板数n=5块

式中 b——挡板宽度，mm；

D——罐内径，mm； n——挡板数，mm。 4、搅拌器

采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值 尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大； 叶径: d=(0.3～0.4)D 盘径: di= 0.75 d 叶高: h = 0.3d 叶长: b = 0.25 d

根据D=3m,得叶径d=0.35D=1.05m 所以：盘径: di= 0.75 d=0.7875m 叶高: h = 0.3d=0.315m 叶长: b = 0.25 d=0.2625m 5、人孔和视镜

人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。 本次设计只设置了1个人孔，标准号为： HG21515－1995 人孔（R·A－2707）

19

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

450，开在顶封头上，位置：角度75?。

视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2个视镜，开在顶封头

60?。 上，位置：角度30?、6、接口管

管道接口：

进料口：采用焊接，接口管径?78*4mm，开在封头上，位置：角度45度； 排料口：采用焊接，接口管直径?78*4 mm，开在罐底；

进气口：采用焊接，接口管直径?72*3.5mm，开在封头上，位置：角度75度； 排气口：采用焊接，接口管直径?89*45mm，开在封头上，位置：角60度； 冷取水进、出口：采用焊接，接口管直径?68*4mm，开在罐身圆柱体上； 补料口：采用焊接，接口管直径?78*4mm，开在封头上；

取样口：采用外螺纹连接?21*3mm ，开在罐身圆柱体上。 仪表接口：

液位计：采用标准：HG5—1368 型号：R—61 温度计：Pt100型

压力表：弹簧管压力表（径向表),d1=20mm,精度2.5，型号Y-250Z,开在封头上 溶氧探头：SE-N-DO-F pH探头：PHS-2型

法兰的标准

国家标准（GB91112～9131-88）《钢制管法兰》 《管法兰》（HG5001～5028-58） 《压力容器法兰标准》（JB1157～1164-82）

表2-2 种子发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果

步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 项目及代号 罐体材料 罐体壁厚 人孔 封头壁厚 挡板宽度 挡板数 搅拌器种类 搅拌器层数 搅拌器直径 参数及结果 16MnR钢 10mm Φ500 15mm 0.3m 5个 6-6-6箭叶 3 1m 备注 由工艺条件确定 计算 查阅文献得 计算 计算 计算 查阅文献得 查阅文献得 计算 第二节

主发酵罐的设计

一、主发酵罐容积和个数的确定

1、发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形盖，选取结构尺寸的比例关系如下：

20

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

H=1.5D，h1=h2=0.1D

11h1?h)?200m3332

经计算得D=5.46m, H=8.19m, h1=h2=0.546mV全?0.785D2(H?上面已经写到，我设计的发酵罐规格为200 m3的规格，设总发酵时间为48小时,设发酵罐数为N个，则发酵罐的有效容积 V有效=WT/N---公式(1)

V全容积×Ψ=V有效--------公式（2） 式中W—每小时进料量；

T—发酵时间； N—发酵罐数

根据经验值，一样取发酵罐填充系数为Ψ=90%，则可以得到： 200×90%=39×(48-12)/N,

计算得到：N=7.8个)，则我们需要发酵罐N=8个

二、冷却面积和冷却装置主要结构尺寸[15] 1、总的发酵热：

Q=Q1-(Q2+Q3)

Q1=GSq

[3]

Q3?F?（ctw?tB)

式中 G—每罐发酵醪量（kg） S—糖度降低百分值（﹪）

q—每公斤糖发酵放热（J），查得418.6J Q1—主发酵期每小时糖度降低1度所放出的热量

Q2——代谢气体带走的蒸发热量，一般在5%—6%之间，我们估算时采用5% Q3——不论发酵罐处于室内还是室外，均要向周围空间散发热量Q3，具体计算看后面。

Q1=（46796/8）×12×418.6×1﹪=2.94×105（KJ/h） Q2=5﹪Q1=5﹪×2.94×105=1.47×104（KJ/h）

2、发酵罐表面积的热散失计算：

先求辐射对流联合给热系数，假定发酵罐外壁不包扎保温层，壁温最高可达32℃，生产厂所在地区夏季平均温度为

27℃,则：

?c??对??辐?1.74tWC[(TW/100)4?(TB/100)4] ?tB?tW?tB21

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

444.88?（[273?35)/100?（273?27)/100]?1.7?435?27?35?27 ?8.35[kcal/（m2?h??C）]?35[kJ/（m2?h??C）]可得：Q3?31.4?35?(35?27)?8792103（kJ/h） (kJ/h)=8.8×

需冷却管带走的单个发酵罐冷却热负荷为：

Q=Q1-Q2-Q3=2.94×105-1.47×104-8.8×103=2.705×105(kJ/h) 总发酵热为：Q发酵=2.705×105x8=2.16×106(kJ/h) 3、冷却水耗量的计算

W冷却

2.705?105???9231(kg/h)CP(t2?t1)4.186?(27?20)

Q4、对数平均温度差的计算

?tm?(tF?t1)?(tF?t2)

tF?t12.3logtF?t2主发酵控制发酵温度tF为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为：t1=20℃, t2=27℃

?tm?(30?20)?(30?27)=5.8

30?202.3log30?27

5、传热总系数K值的确定[15]

选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管的横截面积为：

0.785×（0.053）2=0.0022（m2）

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：

9231?0.58(m3/s)

2?3600?0.0022?1000??设蛇管圈的直径为3.4m，并由水温差得A=6.45

?2?4.186?A(??)0.8d0.2?(1?1.77d)R(0.58?1000)0.80.106?4.186?6.45??(1?1.77?) 0.21.70.106?7630[KJ/(m2?h??C)]R—为蛇管圈半径，R=1.7m

?1值按生产经验数据取2700[KJ/（m2·h·℃）]

22

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

故传热总系数为：

K?1?1719[kJ/(m2?h??C)]

110.00351???7630270018816750式中 1/16750—为管壁水污垢层热阻[（m2·h·℃）/kJ]。 188—钢管的导热系数[kJ/（m2·h·℃）] 0.0035—管子壁厚（m） 6、冷却面积和主要尺寸

Q2.705?105F???27.1(m2)

K?tm1719?5.8蛇管总长度为：

L?F27.1??152.8(m)?dcp3.14?0.0565

式中dcp—蛇管的平均直径(m)确定一圈蛇管长度：

L1?(2?R)2?h2?(??3.4)2?0.22?10.7(m) 式中R—蛇管圈的半径，为1.7m

h—蛇管每相邻圈的中心距，取0.20m

蛇管的总圈数为：

NP=L/L1=661.8/10.7=15(圈) 蛇管总高度：

H?(NP?1)hP?(15?1)?0.2?2.8(m)

三、主要部件尺寸的设计 1、发酵罐壁厚S[15]

S?PD?C(cm)

2[?]??P式中 P—设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取0.5MPa D—发酵罐内径，D=546cm

[?]—A3钢的许用应力，[?]=127MPa

?—焊缝系数，其范围在0.15～1之间，取0.7

C—壁厚附加量（cm） C=C1+C2+C3

式中C1—钢板负偏差，视钢板厚度查表确定，范围为0.13～1.3，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C3=0，热加工封头C3=S0×10﹪，现取C3=0

23

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

C=0.8+2+0=2.8（mm）

S?546?0.5?0.28?1.82(cm)

2?127?0.7?0.5根据《发酵工厂工艺设计概论》，中国轻工业出版社，2006年。附录的表17查询可知：

选用20mm厚A3钢板制作。 2、封头壁厚计算

S?PD?C(cm)

2[?]??P式中 P=0.5MPa ， D=467cm ，[?]=127MPa ，?=0.7 C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）

546?0.5?0.38?1.92(cm)

2?127?0.7?0.5S?选用20mm厚A3钢板制作 3、进出口管径[10、12] 稀糖液进口管径：

稀糖液体积流量计算：根据物料衡算结果可知，每小时进入醪塔体积流量为47373，醪液密度为1200 kg/m3，则V=47373/1200=39.5（m3/h）

稀糖液体积流量为39.5m3/h，设其流速为0.42m3/s，则进料管截面积为：

F物?Q39.5/3600??0.0261（m2） V0.42F物=0.785d2，管径d?F物0.785?0.0261 ?0.182（m）0.785取无缝钢管φ200×6mm可用。 稀糖液出口管径：

因为出口物料量要比进口物料量大些，按说出口管径应该比稀糖液进口管径大些，所以取φ210×7无缝钢管就可以满足了。 排气口管径：

取φ250×8无缝钢管 4、支座选择[18]

由于发酵罐很大，总重量较大，选用裙式支座，并用钢筋混凝土制做。

第三节 其它设备的计算和选型

一、 糖蜜储罐个数的计算

糖蜜储罐采用500m3规格：

24

年产2万吨燃料酒精工厂的设计

15天的糖蜜量为：V=334.4×15=5016(t) 查得85Bx的糖蜜密度为1450 kg/ m3 则 V＝5016/1450x1000＝3459（m3） 设其装料系数为80﹪，则贮罐的全容积为： V糖蜜＝3459/0.8＝4324（m3） 4324/500=8.65（个），取9个 即选取500m3糖蜜储罐9个。 二、蒸馏设备[6、8、17]

蒸馏设备采用差压蒸馏两塔系机组，充分利用了冷热源之间过剩的温差，使每个塔的塔底和塔顶间的温差减少，也就是减少了有效热能的损失。

参照《酒精蒸馏技术》一书中的“上海酒精总厂差压蒸馏两塔系机组方案”，设计蒸馏机组如下：（1）醪塔：仿法国方形浮阀塔板，塔径3000mm，22板，板间距500mm，塔高14800mm，裙座直径3000mm，高5000mm；（2）精馏塔：仿法国方形浮阀塔板，塔径2600mm，65板，板间距350mm，塔高26500mm，裙座直径2600mm，高5000mm。 三、换热器的选型[8]

换热器标准换热管尺寸Ф25×2mm的不锈钢,为正三角形排列,管间距t=32㎜.同时,管壳式换热器的制造简单方便,相对投资费用较低。 四、酒精捕集器[10]

为了便于管理和操作，整个发酵车间只需一只总酒精捕集器，这样从整个工段而言塔负荷也比较稳定，由于CO2中含酒精量变化不大，故没有必要进行板数的设计。 五、稀释器[7、14]

选用立式错板糖蜜连续稀释器。

生产1t酒精需4180kg85°糖蜜,密度为1450kg/ m3,1天需4180×400=1672000kg，生产2万吨酒精一天内稀释至25°糖蜜用量得：

14212×20000/250=1136960kg,密度1200kg/ m3,初选糖蜜按照课本经验选取流速为u=0.35m3/s

V1=1136960/1200=947.5m3

?又稀释器的近似体积等于：D2l?V

4式中 D—为稀释器的内径，（m） l=0.35×24×3600=30240（m） 则D1?4?947.5?0.1998m，取0.20m

30240?3.1425

糖蜜输送管，流速为0.10m/s

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