年产6万吨酒精发酵车间初步设计

年产6万吨酒精发酵车间初步设计

摘要

酒精在人们日常生活以及科学研究等诸多领域都有很广泛的应用。世界酒精行业以及我国酒精行业都呈现快速发展趋势，产量逐年递增。发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。发酵法主要是利用微生物无氧发酵，将含糖物质如，甘蔗，甘薯，玉米等物质内的糖类转化为乙醇，生成酒精。此法原料来源丰富，生产过程环保，值得大力推广。本设计对酒精生产的发酵车间进行了计算和设备选型，力求理论和实践相结合。

abstract

Alcohol has very extensive application in a great deal of fields such as people's daily life and scientific research. The trades and alcohol trades of our country have fast development trends on earth in the world. The output is increased progressively year by year. The ability for producing alcohol of the fermented law will become the sign of a national economic strength. The fermented law is mainly to utilize microorganism to have no oxygen to ferment, it suck candy material like,sugarcane, sweet potato, carbohydrate in the material such as the maize are turned into ethanol, turn into alcohol. This law raw material sources are abundant , the environmental protection of the production process, is worth popularizing in a more cost-effective manner. Originally design the fermented workshop produced to alcohol to calculate with the selecting type of the apparatus , strive to make the theory combine with practice.

Keyword: Alcohol Fermented law Fermented workshop

关键词: 酒精 发酵法 发酵车间

I

四川理工学院毕业设计........................................................................................................ 错误！未定义书签。 毕业设计（论文）任务书 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 摘要 ......................................................................................................................................................................... I 前 言 ................................................................................................................................................................ 1 第一章 全厂工艺论证 ..................................................................................................................................... 2 1.1 生产原料：甘薯干（淀粉质原料） .......................................................................................................... 2

1.1.1甘薯的主要成分 ................................................................................................................................... 2 1.1.2甘薯作为酒精原料的特点 ................................................................................................................... 2 1.1.3生产过程中的甘薯干相关工艺参数 .................................................................................................... 2 1.2 原料的预处理 .............................................................................................................................................. 3 1.2.1原料的除杂 ........................................................................................................................................... 3 1.2.2原料的粉碎和输送 ............................................................................................................................... 3 1.3 原料蒸煮工艺 .............................................................................................................................................. 5 1.3.1蒸煮目的 ............................................................................................................................................... 5 1.3.2粉浆的预煮 ........................................................................................................................................... 5 1.3.3间歇蒸煮与连续蒸煮工艺相比较其优缺点 ........................................................................................ 6 1.4 糖化工艺 ...................................................................................................................................................... 6 1.4.1糖化的目的 ........................................................................................................................................... 7 1.4.2糖化工艺 ............................................................................................................................................... 7 1.4.3测定糖化醪质量的方法 ....................................................................................................................... 8 1.5 糖化醪的发酵 .............................................................................................................................................. 9 1.5.1糖化醪发酵目的 ................................................................................................................................... 9 1.5.2影响酒精发酵的因素 ........................................................................................................................... 9 1.5.3酒精发酵的方式 ................................................................................................................................. 10 1.5.4发酵生产工艺 ...................................................................................................................................... 11 1.6 酒精的蒸馏和精馏工艺及分支筛脱水工艺 ............................................................................................. 11 1.6.1蒸馏车间操作流程 .............................................................................................................................. 11 1.6.2蒸馏操作的控制 ................................................................................................................................. 12 1.7 发酵副产品和污水处理 ............................................................................................................................ 12 1.7.1酒精生产的副产品 ............................................................................................................................. 12 1.7.2污水处理 ............................................................................................................................................. 12 第二章 全厂物料衡算 ..................................................................................................................................... 13 2.1 物料衡算 .................................................................................................................................................. 13

2.1.1 60000吨淀粉原料酒精厂全厂物料衡算 ........................................................................................ 13 2.1.3 工艺技术指标及基础数据............................................................................................................. 14 2.1.4 原料消耗的计算 ............................................................................................................................ 15 2.1.5 蒸煮醪量的计算 .............................................................................................................................. 16 2.1.6 糖化醪与发酵醪量的计算............................................................................................................ 17 2.1.7 成品与发酵醪量的计算 ................................................................................................................ 18 2.1.8 60000吨/年淀粉原料酒精厂总物料衡算 ................................................................................... 19 2.2 燃料酒精发酵车间的物料衡算（间歇发酵方式 ................................................................................. 20 2.2.1 酒精发酵工艺流程示意图及主要技术指标 ................................................................................. 20 2.2.2 酒精发酵车间的物料衡算............................................................................................................. 21 2.3. 60000吨酒精发酵车间水衡算 ............................................................................................................. 22 第三章 设备计算与选型 ............................................................................................................................... 25 3.1 发酵设备的计算与选型 ............................................................................................................................ 25

3.1.1 生产能力、数量和容积的确定 ...................................................................................................... 25 3.1.2 主要尺寸的计算 .............................................................................................................................. 26 3.1.3. 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸（生物工程设备。71页）： ............................................ 27

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2 3.1.4 发酵罐壁厚的计算 .......................................................................................................................... 30

3.1.5 接管设计 ....................................................................................................................................... 31 3.1.6 支座选择 ......................................................................................................................................... 32 3.1.7 人孔的选取 .................................................................................................................................... 33 3.1.8 视镜 .................................................................................................................................................... 33 3.2 种子罐的计算与选型 .............................................................................................................................. 33 3.2.1 种子罐容积和数量的确定： ........................................................................................................ 33 3.2.2 种子罐个数的确定 ........................................................................................................................ 33 3.2.3 主要尺寸的确定 ........................................................................................................................... 34 3.2.4 冷却面积计算（采用夹套冷却） ................................................................................................ 34 3.2.5 壁厚计算: ..................................................................................................................................... 35 3.2.6 设备结构的工艺设计： ................................................................................................................ 36 3.2.7 搅拌器轴功率计算： .................................................................................................................. 36 3.2.9 进风管（进料管） ........................................................................................................................ 37 3.2.10 泵的选用 ........................................................................................................................................ 39 第四章 车间布置............................................................................................................................................... 40 4.1 厂房的整体布置和轮廓设计 .................................................................................................................. 40 4.2 发酵车间的布置设计 ................................................................................................................................ 40 4.3发酵车间平面布置设计 ............................................................................................................................. 40 4.4发酵车间立面设计 .................................................................................................................................... 40 4.4.1泵的布置设计 ..................................................................................................................................... 41 4.4.2酒精捕集器的设计 ............................................................................................................................. 41 4.4.3发酵罐顶钢架平台设计 ..................................................................................................................... 41 4.4.4 门、楼梯 ............................................................................................................................................ 41 参考文献 ............................................................................................................................... 错误！未定义书签。 致辞 ....................................................................................................................................... 错误！未定义书签。

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前 言

酒精在我国酿酒行业、化工行业、橡胶工业、油漆涂料工业、电子工业、照相胶片及纸浆生产行业、医药行业、香料工业、化妆品行业等，都发挥着重要作用。食用酒精作为硬饮料中不可缺少的添加成分，它的品质越来越受到人们的重视，特别是我国做为世界白酒消费大国，食用酒精品质的好坏，就显得更重要了。可以说，食用酒精品质的好坏是涉及到千家万户的大事。

从粮食、薯类、糖蜜三类原料来看食用酒精产成品的质量，粮食酒精最优，其次是薯类酒精，最差的是糖蜜酒精。

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。

蒸馏法提高酒精浓度最多能到73%左右，因为乙醇和水会形成共沸混合物。 食用酒精的度数是不确定的，通常为食用酒精的纯度为95%。

乙醇俗语叫酒精，分为工业酒精和食用酒精，但车用酒精与它们有明显的区别。第一，工业酒精的纯度为90%，其余的10%中除甲醇等杂质外，大多数是水；而食用酒精的纯度为95%，其余5%都是水；车用乙醇与其它相比最大的区别就是脱水，按国家标准，它的杂质和水含量必须小于0.8%。

第二，酒精既可以车用又可以食用，在很多国家，食用酒精都是高税收，而车用乙醇则是给补贴。为了防止一些厂家把车用乙醇回流到食品工业，从而拿政府补贴，躲避高额税，车用乙醇出厂时就必须加变性剂，让它从颜色或味道上区别于食用酒精。像我国，车用乙醇出厂前加3%－5%的汽油，让它在味道上区别于食用酒精。而欧洲一些国家则在其出厂前加颜色，如蓝色、红色等。

本设计采用先进的生产工艺，利用国内外先进的生产管理经验。采用低温蒸煮，双酶液化糖化，连续发酵，三塔直接式蒸馏，分子筛脱水。本设计将甘薯干到制成食用酒精中的各环节涉及的工艺、设备、控制条件等有关情况作一简单的阐述，希望能和各位共同讨论。由于本人的水平有限，错误之处在所难免，不足之处恳请专家学者多多指正。

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第一章 全厂工艺论证

1.1 生产原料：甘薯干（淀粉质原料）

1.1.1甘薯的主要成分

甘薯，北方俗称地瓜、红薯，南方称为番薯。新鲜甘薯可以直接作为酒精生产原料，

但是，为了便于储存，供工厂全年生产，一般都将新鲜甘薯切成片、条、或者丝，晒成

薯干。约3kg鲜薯制成1kg薯干。

甘薯的主要成分是淀粉，此外，还含有3%的糊精、葡萄糖、蔗糖、果糖和微量的戊糖。蛋白质含量不多，其中三分之二为纯蛋白，三分之一为酰胺类化合物。此外还有少量的脂肪，纤维素，灰分等。

甘薯的平均化学成分列于下表，以百分比（%）表示。 表1-1 甘薯的化学成分 种类 水分 粗蛋白 粗脂肪 碳水化合物 粗纤维 无机盐 甘薯干 13 6.1 0.5 1.1.2甘薯作为酒精原料的特点

76.6 1.4 2.4 1. 单位亩产量高，高的可达1500—2500kg，按淀粉计算达300～500kg/亩，是谷物淀粉产量的3～5倍。

2. 甘薯的淀粉含量高，纤维少，并有适量的蛋白质，加工比较容易，淀粉利用率高。

3. 甘薯的缺点在于胶质、果胶质等粘性物质较多。醪液粘度大，甲醇的生成量较多。

综上所述，甘薯是一种良好的酒精生产原料，为我国大多数酒精厂所采用。 1.1.3生产过程中的甘薯干相关工艺参数

生产过程中的甘薯干相关工艺参数如表1-2所示。

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表1-2 甘薯干相关工艺参数

原料 甘薯干

淀粉含量（%） 68

水分（%） 13

1.2 原料的预处理

1.2.1原料的除杂

淀粉质原料在收获和干燥的过程中，往往会掺夹进泥土，沙石，纤维质杂物，甚至金属块杂物。这些杂物如果 不在生产前除去在，则将严重影响生产的正常运转。

为了清除这些杂质，最常用的除杂方法有筛选，风选和磁力除铁。而磁力除铁又可分为永久性磁力除铁器和电磁铁除铁器。电磁铁除铁器具有固定不变的磁场因此永久性磁铁除铁器更为完善，所以选用电磁铁除铁器。 1.2.2原料的粉碎和输送

原料进行水—热的目的是要使包含在原料细胞中的淀粉颗粒能从细胞中游离出来，充分吸水膨胀，糊化乃至溶解，为随后的淀粉酶系统作用。并为淀粉转化成发酵性糖创造必要和良好条件。就目前的情况来看，先将原料粉碎，再在较和缓的的条件下进行蒸煮是较好的方法。

原料粉碎的方法分为两种：干式粉碎和湿式粉碎。其优缺点比较如表1-3所示。 通过对干式粉碎和湿式粉碎的比较，因原料采用的是甘薯干，为了节约成本，所以最终采用干式粉碎。

干式粉碎采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，因为两级粉碎的动力消耗较低。原料经过粗碎后，原料颗粒应能通过6～10mm的筛孔。粗碎后颗粒在经细碎，最终原料颗粒能通过1.2～1.5mm的筛孔因为原料粉碎至直径1～1.8mm的原料颗粒易于吸水膨胀和较彻底糊化。

而锤式粉碎机的结构比较简单，更换筛板和锤片的操作方便，对原料品种变化的适应性较强，操作要求也不高因此可以再此选用。

表1-3 干式粉碎和湿式粉碎的优缺点比较如下表

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4 粉碎 方法 干式 粉碎

优点

粉碎后的原料可以储藏，能较低，最终得到原料颗粒一般通过1.2～1.5mm筛孔。

原料粉碎粉末不宜飞扬，可减少

缺点

原料粉碎时粉末易飞扬，造成原料损失，且劳动条件较差。

所的浆料只能立即用于生产，不宜储藏，耗电量比干式粉碎高出8～10%，因此常用于湿度较大的原料。

湿式 粉碎

原料损失和改善劳动条件，还可省去除尘设备

在原料粉碎前进入粉碎机和粉碎和送入条浆桶涉及到原料的输送问题。国内酒精厂采用的原料输送方法有机械输送、气流输送和混合输送三种。

混合输送是机械输送和气流输送的混合物。而气流输送和机械输送相比主要又三个优点：

（1）机械输送一般是在开放条件下进行，粉尘飞扬严重，即造成原料的损失，也恶化了劳动条件。而气流输送均在密闭条件下进行，上面的两个问题迎刃而解。 （2）机械输送时，虽装有电磁除铁器，但无法除去石块等坚硬杂物，铁片因物料干扰有时也会进入粉碎机中，因此，后者的筛板破损率较高，粉碎度不宜保证。实现气流输送后，铁片等杂物，能可靠的在一级升料管的接料器底部被自动风选出，从而保证了筛子和设备较厂期的使用。

（3）在不用气流输送时，已经粉碎好的原料不能流畅地从粉碎机中排除，影响粉碎机生产能力发挥。采用气流输送后，粉碎后的原料被气流从粉碎机中吸出，从而提高粉碎机的生产能力。

因气流输送又以上优点，并且他是一种适于输送散粒状或块状物的方法，而甘薯干在粉碎后符合其形状要求所以在原料粉碎前后都选用气流输送。而粉碎前甘薯干是较大的块状物，可采用机械输送，这样可以降低一部分能耗。

气流输送又分为压力输送和真空输送。压力输送在输送管内又较大的压力，所以对设备的要求也较高，并且因管内的压力高于大气压管内的原料粉末从设备缝隙中漏出造成原料的损失，而真空输送不存在这些问提，所以在此选用真空输送。

综上所述，采用混合输送，其工艺流程如图1-2所示。

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甘薯干 称重 到包 皮带输送 除铁 吸风管 粉碎 料斗 细粉碎

旋风分离器 风机 布袋过滤器 大气 加料器

细粉回收 拌料罐

图1-2 混合输送工艺流程图

1.3 原料蒸煮工艺

1.3.1蒸煮目的

含在原料细胞中的淀粉颗粒，由于植物细胞壁的保护作用，不宜受到淀粉酶系统作用。另外，不容解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非常慢，水解程度也不高。所以，淀粉原料在进行糖化之前一定要经过水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用。这就是原料蒸煮的主要目的。

目前除了少数小型酒精工厂仍采用间歇蒸煮外，大多数工厂都采用连续蒸煮工艺。所以本设计也采用连续蒸煮工艺。 1.3.2粉浆的预煮

粉碎原料加水制成粉浆时，应注意防止粉料的结块。一旦形成粉团蒸煮的质量就会受到影响，因为粉团内部的粉料没有吸水膨胀，也就不可能糊化，这将导致不容解淀粉数量的增加，出酒率因此降低。分料结块的主要原因是搅拌不充分或不均匀；搅拌温度过高，达到或接近糊化温度。根据这种情况，制备粉浆时，应该选择好搅拌器的结构，保证必要的搅拌速度，严格控制搅拌用水的温度，使他不超过原料的糊化温度，一般应控制在65℃左右。拌料水温度一般为70℃。

如前所述，55～65℃这一温度区域间会使原料中的淀粉酶活化，造成部分原料糖化，生成糖，这部分糖会在随后的蒸煮过程中损失掉。因此在预煮时生温速度应较快，并在打到预定温度后迅速送去蒸煮。在拌料过程中相应的加入a-淀粉酶。

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6 1.3.3间歇蒸煮与连续蒸煮工艺相比较其优缺点

优点： 间歇蒸煮的设备简单，操作方便，投资也较少，适用于生产规模较小的工厂。

缺点：（1）蒸汽消耗量大，而且量不均匀，造成锅炉操作的困

难和煤耗的增加。

（2）辅助操作时间长，设备利用率低。 （3）蒸煮质量较差，出酒率低。 （4）难以实现操作过程的自动化。

通过对两种蒸煮工艺的比较，该厂确定选用能耗低，设备利用率较高，蒸煮质量较好，能实现操作过程自动化等优点的连续蒸煮工艺。

其连续蒸煮工艺流程如图1-3所示。

图1-3连续蒸煮工艺流程图

液淀粉酶然后进行低温蒸煮，其时间为化5～7min，温度控制在88℃。第一、第二维持拌维维料换螺液罐的温度分别控制在88℃、84℃，并在里面停留40min左右。最后醪液进入薄板换持热旋持罐 化罐 器薄罐 器 热器，降温到糖化温度：62℃。 板 粉碎后原料蒸煮时加水制成粉桨，其料水比为1：3，水温为70℃，并加入α-

1.4 糖化工艺 甘薯干原料在蒸煮以后得到的蒸煮醪，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶的作用下水解成为酵母能发酵的糖类。淀粉转化成糖的这个过程，叫糖化。糖化后的醪液叫糖化醪，糖化后的主要产物对比如表1-4所示。

淀粉的液化和糖化作用，会产生很多的中间产物，主要是不同聚和度的糊精，糖化的最终产物是要更多的产生可发酵性糖，也有少数的不发酵性糖类物质。

因此，糖化的目的是将淀粉充分转化成可发酵性糖。其中，淀粉酶水解就是使α-1，4葡萄糖苷键和α-1，6葡萄糖苷键断裂。

表1-4 淀粉糖化的主要产物对比

碳水化合物

分子量

聚合度

比旋度

还原性（%）

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可溶性淀粉 淀粉糊精 四糖 三糖 双糖 葡萄糖 1.4.1糖化的目的

208000 10000 661 504 342 180

1300 61 4 3 2 1

199.7 196 168 164 136 52.5

0.073 0.5 25 33 60 100

淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮醪，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶的作用下水解成酵母能发酵的糖类。但是，在糖化工序内不可能将全部淀粉都转化为糖，相当一部分淀粉和糊精在发酵过程中进一步酶水解，再进行发酵。 1.4.2糖化工艺

糖化过程由以下诸多操作组成：蒸煮醪冷却至糖化温度；加糖化剂，使蒸煮醪液化；淀粉糖化，物料的巴氏灭菌，糖化醪冷却到发酵温度和用泵将醪液送往发酵车间或酒母车间。

糖化可分为间歇糖化工艺和连续糖化工艺两种。在间歇糖化时，所有的操作，除最后的泵送外都是在一个称为糖化锅的设备中完成的。而在连续糖化过程中，则分别在不同的设备中实施。连续糖化和间歇糖化的工艺比较如表1-5所示。

表1-5 间歇和连续两种工艺的比较

糖化 方法 间歇 糖化

优点

设备简单，操作方便。适用于一些小厂和液体白酒厂。

缺点

设备利用率低，很难实现自动化控制。

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8 连续 糖化

节约时间，提高设备利用率便于实现自动化控制。

设备较复杂，对设备的要求高。

为了缩短糖化时间和提高设备的利用率决定采用连续糖化工艺。连续糖化工艺可分为：混合冷却连续糖化、真空冷却连续糖化和二级真空冷却连续糖化。本设计采用混合冷却连续糖化。

混合冷却连续糖化：该工艺的特点是利用原有糖化设备，将前冷却和糖化两个工序仍放在原有糖化罐中进行，而将后冷却的的任务交给新增加的喷淋冷却管或者套管冷却设备区完成。

其工艺流程如图1-4所示。

糖化剂 蒸煮醪 螺旋薄板换热器 糖化锅 螺旋薄板换热器 发酵车间

糖化温度：62℃ 糖化时间：16min 糖化率：60～70%

图1-4糖化工艺流程图

1.4.3测定糖化醪质量的方法

（1） 外观糖 成熟醪用纱布过滤后，直接用糖度计测量所得的数值叫做外观糖。这是一个假设的数值，它表示了用糖度计测得的发酵醪的密度。

（2）还原糖 取过滤布过滤后的发酵醪滤液，加热蒸去所含的酒精，并加水恢复到原来的体积，以测定还原糖的方法得到的数值。

（3）残总糖 发酵醪不经过滤，用2%HCl水解转换后测得的糖量。 (4)酸度 采用滴定法测定，它是判断发酵醪是否感染杂菌的可靠指标。 （5）挥发酸 测定方法是取发酵醪若干加入适量水后，以蒸馏方法蒸出相当于元发酵醪体积的馏出液，按测定酸度的方法测定。

（6）测定糖化醪中酶的活力 糖化结束后，并不是糖化醪中所有的淀粉与大分子糊精都水解成糖，其中尚有一部分糊精要在发酵期间依靠后糖化作用而变成糖，

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因此糖化完毕的糖化醪中，酶的活力还必须很强，才能保证糖化作用的彻底，那么就有测定糖化醪中酶活力的必要。测定后用爱佛龙(Effront)法观察碘的呈色反应，如呈蓝色或紫红色，则证明酶的活力不强；如呈碘黄色，则表示酶的活力强，因为它能将可溶性淀粉基本上彻底糊精化和糖化。

（7）酒精含量 用蒸馏方法测定。在发酵用的原料、浓度一定的情况下，发酵醪中酒精含量越高，发酵越彻底，酒精生产的过程越好，用来分析查找问题。

1.5 糖化醪的发酵

1.5.1糖化醪发酵目的

淀粉质原料经过预处理、蒸煮和糖化等物理和生物化学过程，淀粉以充分糊化和液化，其中相当一部分以转化成可发酵性糖。这种糖化醪送入发酵罐，接入酒母后，在后者的作用下，醪中的糖被发酵生成乙醇和二氧化碳；而保存下来的糖化酶也不断地将残存的糊化了的淀粉转化成可发酵性糖，就这样酵母的酒精发酵和后糖化作用相互配合，最终将醪中的绝大的淀粉及糖转化成乙醇和二氧化碳，这就是糖化醪发酵的目的。 1.5.2影响酒精发酵的因素

1. 糖化醪的浓度 酒精发酵是在一定浓度的糖化醪中进行的，糖化醪浓度越高，所得到的发酵醪的酒精含量高，设备利用率高，水电气单耗就会降低，酒精的生产成本就会降低。

2. 发酵醪pH值的控制 发酵醪中，因为乳酸菌大量繁殖造成的污染是阻碍连续发酵广泛应用的主要原因。

连续发酵中发酵醪的pH值控制，既要考虑到要适宜于酵母菌的繁殖和代谢，又要考虑适宜于各种糖化酶的作用。由于连续发酵无菌条件要求较严，其pH控制在4.0～4.5为宜。间歇发酵pH值可控制在4.7～5.0。pH值的控制，可用H2SO4来调节。

3. 发酵温度控制 温度对微生物生命活动影响很大，发酵成绩的好坏与温度控制关系极为密切。酒精酵母繁殖温度为27～30℃，发酵温度30～33℃，如果温度高于40℃，则酒精发酵很难进行。产酸细菌繁殖适温为37～50℃，因此高温发酵易被细菌污染。

生产中发酵醪温度可根据发酵形式不同进行控制：

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10 间歇发酵：接种温度27～30℃；发酵温度30～33℃；后发酵温度30℃±1℃。 连续发酵各罐温度控制在30～33℃。

4. 发酵醪的滞流和滑漏问题 在间歇发酵中不存在醪液的滞流和滑漏问题，但在连续发酵工艺中，这个问题就十分重要了。多级连续发酵的醪液始终处于流动状态，并能使每一发酵罐的醪液处于相对稳定的均衡状态，这就要求醪液保持先进先出，防止滞流或滑漏的现象发生。

5. 关于发酵醪浓度问题 酒精发酵要求在一定浓度的糖化醪中进行，醪液浓度高低，直接影响到生产成绩。糖化醪浓度稀，虽然有利于酵母的代谢活动，提高出酒率，但是浓醪发酵却有提高设备利用率，节省水、电、汽、降低生产成本，增加产量的优点。因此，生产上希望尽量采用浓醪发酵。

正常发酵醪浓度一股为16～18Bx，其发酵成熟醪酒精含量为8～10％(容量) 6. 关于缩短发酵时间 用糖蜜原料制造酒精，发酵时间需要24～32小时，如用淀粉质原料，则需60小时以上。为了缩短发酵时间，就需要设法加速水解支链淀粉中以1，6相结合的键。解决这个问题的方法是选育糖化酶含量高的菌种，以加强糖化作用。另外，采用连续发酵和选用发酵力强的酵母菌种，也是加速发酵、缩短发酵时间的有力措施。

综上所述，设计运用连续发酵工艺，发酵温度控制在30～34度，pH值控制在4.2～4.5，发酵时间为70～80小时，发酵成熟醪浓度为16～18Bx ，发酵过程中添加青霉素防止染菌，使生产控制趋于自动化。 1.5.3酒精发酵的方式

酒精发酵的方式有三种：间歇式发酵、半连续发酵、和连续式发酵。三种发酵方式的优缺点比较如表1-5所示。

表1-5 各种发酵方法的优缺点比较

发酵方式

优点

设备简单，易于操作，不

间歇式发酵

易染菌，适用于中小型酒厂。

半连续发酵

酒母消耗量少，可适当缩短发酵时间。

易染杂菌。

缺点

设备利用率低，酵母消耗量大。

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连续式发酵

易染杂菌，操作要求和设备要求高。

通过对三种方式的比较，所以最终本设计选用间歇发酵技术。 1.5.4发酵生产工艺

酒精生产的方法，采用间歇式发酵的方式进行，操作比较简单，无菌要求低，容易获得成功。

在发酵醪送入发酵罐前或者是清发酵罐，使用CIP进行冲刷罐体和杀菌。先用清水喷洗罐体后再用4%的碱液喷洗30min，再用清水喷洗罐体，洗干净后即可使用。

1.6 酒精的蒸馏和精馏工艺及分支筛脱水工艺

1.6.1蒸馏车间操作流程

酒精的蒸馏和精馏是为了从发酵成熟醪中分离、提纯得到成品酒精。其操作流程有许多种（1）单塔蒸馏（2）两塔蒸馏（3）三塔流程（4）多塔流程。

在上述流程中，单塔和两塔蒸馏的到的究竟品质比较差而不采用，而多塔流程虽然酒精的品质得到了保证，但其设备的投资较大增加了生产成本所以也不采用。三塔流程因其设备投资相对较少且得到的酒精品质也能达到要求，所以选用三塔流程。

其工艺流程为：成熟醪用泵自醪池经过欲热器预热后，送入粗溜塔，由此引出的酒精水蒸气直接进入醛塔，再次进入精溜塔的中部。残留的头级杂质和甲醇随酒精蒸汽上升，经预热器和三个冷凝器绝大部分冷凝下来，预热器和前两个冷凝器中的冷凝液作为回流回入精塔顶部，第三个冷凝器中的冷凝液作为杂醇油酒取出，同时排除相当部分的头级杂质。极少部分未凝结的头级杂质和不凝结气体一起排入大气。成品酒精在顶部第4、6块塔板处提取。酒精成的浓度为95%（V）。工艺流程示意图如图1-6所示。

` 醛酒 图1-6 工艺流程示意图 醪 塔 醛 塔 11 精 馏 塔 分 子 筛 脱 水 塔 12 1.6.2蒸馏操作的控制

蒸馏操作的控制主要是三塔流程：

1. 醪塔 蒸馏釜温度为105～103℃，保证酒糟内不含酒精；蒸馏釜压力为0.196～0.245万帕斯卡（表压）；进入精溜塔的酒精蒸汽温度为93～95℃(醪塔顶温度)。

2. 醛塔 醛塔分凝器选用发酵和酒母罐的冷却废水，温度为25℃，终温高达70℃。 3. 精馏塔 塔釜温度为102～104℃；塔釜压力为0.137～0.157万帕期卡(表压)；塔中部(取杂醇油区)温度为86～93℃，比控制塔顶温度灵敏。进入分凝器前塔顶酒精蒸汽之温度78～79℃。第二冷凝器流至第三冷凝器的酒温为35～40℃，这是保证成品质量的重要措施之一。

1.7 发酵副产品和污水处理

1.7.1酒精生产的副产品

酒精生产过程中产生的副产品有二氧化碳，酒精酵母，杂醇油，醛脂和酒糟。 二氧化碳：可以制成干冰，和液体二氧化碳。液体二氧化碳可以用于食品和工业原料。但对其标准要求高。

酒精酵母：经过进化处理可以从新培养等。 杂醇油：可净化后，运用于工业中作为某些原料。 酒糟：可运用于做饲料等。

冷却工艺水：经处理后可以做为生活用水。 1.7.2污水处理

(1) 生产过程中产污分析

酒精工业废水的污染物主要来自甘薯等物经发酵、蒸馏后的酒精糟(即高浓度有机废液)，虽然无毒，但CODcr、BOD5、SS 含量高，并呈弱酸性，排入江河、地下水系会造成水中严重缺氧，大大影响水中物质生长。因此，\酒精工业废水污染物排放标准\选择CODcr、BOD5、SS、PH值，以及排水量作为行业废水排放的控制指标。

(2) 污水种类

1. 热交换器排出废水。 2. 工艺设备洗涤用水

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3. 精馏废水和酒糟蒸发冷淋水 4. 生活污水

(3) 污水处理方法

采用的主要污水净化措施有：机械法，化学法，物理化学法和生物法等。选择方法要取决于污水数量，污染程度和净化结果的指标等因数。对甘薯原料这类污水主要采用机械法和生物法处理即可达到要求指标。

第二章 全厂物料衡算

2.1 物料衡算

2.1.1 60000吨淀粉原料酒精厂全厂物料衡算

1. 全厂物料衡酸的内容

（1）原料消耗的计算 主要原料为甘薯干，其他原料有淀粉酶，糖化酶，硫酸氨，硫酸等。

（2）中间产品 蒸煮醪，糖化醪，酒母醪，发酵醪量等。

（3）成品、副产品以及废气、废水、废渣即酒精，杂醇油，二氧化碳和废糟等。 2.1.2. 工艺流程示意图

生产工艺采用双酶糖化，间歇发酵，如图，工艺流程图采用《生物工程设计概论》第61页图4-1为标准图，计算过程也一样 双酶糖化间歇发酵燃料酒精流程示意图：

13

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甘薯料

空气 种子

粉碎车间 α-淀粉酶

空压机 斜面培养 糊化车间 糖化酶

过滤器 三角瓶培养

酒母罐 发酵车间

蒸馏车间

废糟 酒精 杂醇油

2.1.3 工艺技术指标及基础数据

（1）生产规模 60000吨/年酒精。

（2）生产方法 双酶糖化，间歇发酵和三塔蒸馏。 （3）生产天数 每年300天。 （4）燃料酒精日产量 200吨。 （5）燃料酒精年产量 60000吨。

（6）产品质量 国际燃料酒精，乙醇含量99.5%以上（体积分数）。 （7）主原料 薯干原料含淀粉68%，水分13%

（8）酶用量 α-淀粉酶用量为8 u/g原料，糖化酶用量为100 u/g原料，酒母糖

化醪用糖化酶量200 u/g原料。

（9）硫酸氨用量 8 kg/t（酒精）。

（10）硫酸用量（调PH用） 5.5 kg/t（酒精）。

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2.1.4 原料消耗的计算

（1） 淀粉原料生产酒精的总化学反应式：

糖化： （C6H10O5）n + nH2O——nC6H12O6

162 18 180

发酵： C6H12O6——2C2H5OH + 2CO2

180 92 88

(2) 生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量 有上式可求的理论上生产

1000kg无水酒精（乙醇含量99.18%算）所耗的淀粉量为：

1000×99.18%×162÷92=1746.5（kg）

(4) 生产1000kg燃料酒精实际淀粉消耗量 实际上，整个生产过程经历原

料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论率。据实际经验，各阶段淀粉损失率如表所示。

表一

生产过程各阶段淀粉损失 生 产 过 程 损 失 原 因 淀粉损失备 注

（%）

原料处理 粉尘损失 0.40 蒸煮糖化 淀粉残留及糖分损失 0.40 发酵 发酵残糖 1.30 发酵 巴斯德效应 4.00 发酵 酒汽自然蒸发与被CO2带走 0.30 加酒精补集器 蒸馏 脱水

假定发酵系统设有酒精扑集器，则淀粉损失率为9.0%。故生产1000kg燃料酒精需淀粉量为：

1627.2 =1919.2（kg） 100%-9.0%

这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为1000÷1919.2=52.1%，这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。

废糟带走等 脱水损失 总计损失

1.60 1.0 9.0

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16 （5） 生产1000kg燃料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1t酒精耗甘薯干量为：

1919.2÷76.768%=2822.4（kg） 若应用液体曲糖化工艺。并设每生产1000kg燃料酒精需要的糖化剂所含淀粉量为G1，则淀粉原料需用量为：

1919.2-G1 68%

（6）α-淀粉酶消耗量 应用酶活力为20 000u/g的 α–淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗量。α-淀粉酶用量按8u/g原料计算。

酶用量为：

2822.4×1000×8 =1.129（kg） 20000

(7)糖化酶耗用量 若所用糖化酶的活力为100 000u/g，使用量为100u/g原料，则糖化酶消耗量为：

2822.4×1000×100 =2.82（kg）

100 000

此外，酒母糖化酶用量按200u/g（原料）计，且酒母用量为10%，则用酶量为： 28222.4×10%×70%×200 =0.395（kg） 100 000

式中70%为酒母的糖化液占70%，其于为稀释水和糖化剂。

（8） 硫酸铵耗用量 硫酸铵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，则硫酸铵耗量为：

0.1%G0 2.1.5 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1：3.故粉浆量为： 2822.4×（1+3）=11289.6 （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。

假定用喷射液化连续蒸煮工艺。调浆的粉浆温度为50℃，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至105℃，然后进入维持管保温液化5~8分钟，真空闪急蒸发冷却至95℃后进入液化罐反应60分钟后，进真空冷却器冷却至63℃后糖化30分钟。

干物质含量B0=87%的薯干比热容为；

C0 = 4.18（1-0.7B0）= 1.63 [kJ/(kg.K)] 粉浆干物质浓度为：

B1 = 87/（4×100）=21.75% 蒸煮醪比热容为：

C1 = B1×C0+（1.0-B1）×CW

= 21.75%×1.63+（1.0-21.75%）×4.18 = 3.62[kJ/(kg.K)]

式中 Cw——水的比热容 [kJ/(kg.K)]

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为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变。 （1经喷射液化加热后蒸煮醪量为：

8465.1 + 8465.1×3.62×（105-50） = 9194.7（kg） 2748.9-105×4.18

式中 2748.9——喷射液化器加热蒸汽（0.5Mpa）的焓（kJ/K） （2）经二液化维持管出来的蒸煮醪温度降为102℃，量为：

9194.7–9194.7×3.62×（105-102） = 9150.4(kg) 2253

式中 2253——第二液化维持罐的温度为102度下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/K) (3)经闪蒸汽液化分离器后的蒸煮醪量为；

9150.4 - 9150.4×3.62×（102-95） = 9048.3(kg) 2271 式中 2271——95℃饱和蒸汽的汽化潜热(kg) （4）经真空冷却后最终蒸煮醪量为：

9048.3- 9048.3×3.62×（95-63） =8602.5(kg) 2351

式中 2351——真空冷却温度为63℃下的饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/K) 2.1.6 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）。并设蒸煮效率为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量的5%和1%则生产1000kg 99.18%（质量分数）酒精成品有关的计算如下：

（1）需蒸馏的成熟发酵醪量为：

F1 = 1000×99.18% × （100+5+1） ÷100 = 13 338.4(kg)

98.4%×8.01%

（2）若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：

13 338.4÷106% = 12583.4 (kg)

（3） 入蒸馏塔的城市醪乙醇浓度为：

1000 =7.62%（质量分数） 98.4%×13338.4

（4） 相应发酵过程放出CO2总量为：

1000×99.18% × 44 =964.1 (kg)

98% 66

(5)接种量按10%计，则酒母醪量为：

12583.4+964.1 ×10% =1231.6(kg) （100+10）÷100

（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

12583.4+964.1 +1231.6× 70% = 13178.0 (kg) （100+10）÷100

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18 2.1.7 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2%，则生产1000kg成品酒精可得次品酒精两为：

100×2% = 20 （kg）

（2）燃料酒精产量 每产生1000kg酒精，其燃料酒精产量为：

1000-20 = 980 (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：

1000×0.5% = 5 （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：

V1 Q3=V1t

F1 Q1=1FC1t 醪 塔 D1 Q4= Q4’+ D1t4 Q1=1FC1t Wx+ D1 图二. 醪塔的物料和热量衡算平衡图

设进塔的醪液（F1）的温度t1=70度，排除废醪的温度t4=105度：成熟醪固形物含量为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=13338.4× 7.62% =2154.3（kg） 47.18% ② 残留液量为:

Wx = 13338.4-2154.3 = 11184.1 (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 成熟醪带入塔的热量为：

Q1 = F1×c1×t1

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= 13 338.4×3.96×70 =3697404.48(kg)

⑤ 蒸馏残液固形物含量为：

B2 = F1×B1 = 12477×7.5% =8.93% Wx 11184.1

此计算是间接加热，故没有加热蒸汽冷凝水的工艺。 ⑥ 蒸馏残液的比热容为:

C2=4.18×（1-0.378B2） = 4.039[Kj/(kg.K)]

⑦ 塔底残留液带出热量为： Q4 = Wx×c2×t4

=11 184.1×4.039×105 =4743120.89 (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

= 2154.3×1965 =4233199.5 (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可取为传递总热量的1%。根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为： D1 = Q3+Q4+Qn-Q1 I-cwt4

= 4233199.5+4743120.89-3697404.48 (2689.8-4.18×105)×99% =2368.94 (kg)

若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪为：

Wx + D1 =11184.1+2368.94 =13553(kg) 2.1.8 60000吨/年淀粉原料酒精厂总物料衡算

前面对淀粉原料生产1000kg燃料酒精（99.5%，体积分数）进行了物料平衡计算，以下对60000吨/年甘薯干原料燃料酒精厂进行计算。 （1） 酒精成品 日产燃料酒精量为：

60000÷300=200（t）

日产次级燃料酒精量为：

200×（2÷98）=4.08（t）

日产酒精总量为：

200+4.08=204.08（t）

实际年产量为： 普通燃料酒精量为：

200×300=60000（t/a）

次级燃料酒精量为：

4.08×300=1224（t/a）

酒精总产量为：

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20 60000+1224=61224（t/a）

（2） 主要原料甘薯干用量 日消耗量：

2822.4×204.08=575 955.39（kg） 年消耗量：

575 955.39×300=172 798.6（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。

60000吨/年淀粉原料酒精厂物料衡算表 数量 生产1000kg燃料 每小时数量 每天数每年数物料 酒精物料量 /kg /kg 量 /t 量/t 燃料酒精 980 8333.33 200 60000 次级酒精 20 170 4.08 1224 甘薯干原料 2822.4 24000 576 172800 α-淀粉酶 1.129 9.58 0.23 69 糖化酶 3.215 27.33 0.656 196.8 硫酸铵 1.232 10.46 0.251 75.3 硫 酸 5.5 46.75 1.122 336.6 蒸煮粉浆 11289.6 94080 2257.92 518379 成熟蒸煮醪 8602.5 71687.5 1720.5 526368 糖化醪 13 178.0 112058.33 2689.4 806820 酒母醪 1 231.6 10472.5 251.34 75402 蒸煮发酵醪 13 338.4 113420.8 2722．1 555526 杂醇油 5 42.5 1.02 208.16 二氧化碳 964.1 8197.92 196.75 3418.34 废 醪 13549.9 115219.17 2765.26 564334.3

2.2 燃料酒精发酵车间的物料衡算（间歇发酵方式）

2.2.1 酒精发酵工艺流程示意图及主要技术指标

酒精发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，间歇发酵。其工艺流程示意图如图一。 工艺技术指标及基础数据

主要技术指标如表所示

酒精发酵工艺技术指标 指 标 名 称 单 位 指 标 数 生产规模 t/a 60000 生产方法 间歇发酵 20

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年生产天数 产品日产量 产品质量 倒罐率 发酵周期 发酵初糖 淀粉转化率 糖酸转化率 酒精提取率 d/a 300 t/d 200 乙醇含量99.5%（体积分数）以上 % 1 h 70 kg/m3 150 % 98 % 50 % 98

（2）主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为68%，含水13%。

（3）种子培养基（g/L） 水解糖25，甘薯干粉16%~20%，NH4SO4 0.5%,尿素0.5%。

H2SO41.0~1.2%

（4）酵母培养基（g/L） 水解糖150，甘薯干粉16%~20%，尿素0.3%，α-淀粉酶1.0%接种量

2.2.2 酒精发酵车间的物料衡算

首先计算1000kg纯度为99.5%的酒精耗用的原材料及其他料量。 （1） 发酵液量：

V1=1000÷（150×50%×98%×98%×） = 13.88（m3）

式中 150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 50%——糖酸转化率 98%——淀粉转化率 98%——酒精提取率

（2） 发酵液配制需水解糖量，以纯糖计算： G1=V1×150=13.88×150=2082（kg） (3)二级种液量：

V2=10%×13.88=1.388(m3) (4)二级种子培养液所需水解糖量： G2=25V2

=25×1.388=34.7（kg）

式中 25——二级种液含糖量（kg/m3）

(5)生产1000kg普通燃料酒精所需水解糖总量为： G=G1+G2

=2082+34.7=2116.7（kg） （6）耗用淀粉原料量

理论上，1000kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用淀粉原料量为： G淀粉=2116.7÷（68%×98%） =3176.32（kg）

式中 68%——淀粉原料含纯淀粉量 98%——淀粉糖化转化率

21

22 （7）尿素耗用量

二级种液耗尿素量为：

0.3V2=0.3×1.388=0.42（kg） 发酵培养基耗尿素为：

0.5V1=0.5×13.88=6.94（kg） 故共耗尿素量为：

0.42+6.94=7.36（kg） （8）二级种液耗用（NH4）2SO4量：

0.5×1.388=0.694（kg） （9）种子液耗用淀粉酶量为：

0.1×13.88=1.388（kg） （10）种子液H2SO4耗用量：

1.2×1.388=1.67（kg）

60000吨/年酒精厂发酵车间的物料衡算表 物料名称 每生产1t酒精（99.5%） 60000吨/年酒精 的物料量 生产的物料量 发酵液（m3） 14.3 1430000 二级种液（m3） 1.43 143000 发酵水解糖（kg） 2148 214800000 二级种液培养用糖38.5 3850000 （kg） 水解糖总量（kg） 2183.8 218380000 淀粉）（kg） 2617.39 261739000 尿素（kg） 7.59 759000 硫酸氨（kg） 0.716 71600 α-淀粉酶（kg） 1.432 143200 硫酸（kg） 1.718 171800

每日物料量 4766.67 476.67 716000 12833.33 727933.33 872463.33 2530 238.67 477.33 572.67 2.3. 60000吨酒精发酵车间水衡算

采用间歇发酵过程，从糖化锅内分出糖化醪到酒母培养罐需要加入水进行稀释。 1. 酒母糖化醪稀释用水（补充60℃温水与用作酒母的糖化醪应满足发酵接种量10%的需要。）因此，补充水量为：

m1 = 90%×G淀粉×10%-7%×G淀粉1

= 26469.33×93%×10%-7%×26469.33 = 608.8 (kg/h)

式中 93%——淀粉原料加入发酵锅的量 7%——淀粉原料加入种子液中的量 10%——接种量

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G淀粉——淀粉质原料耗用量（kg/h）（是否要用实际消耗的G淀粉）换算成每小时的消耗量

2. 酒母糖化醪杀菌后冷却水用量为：

经糖化罐糖化的醪液，再经螺旋薄板换热器由62℃冷却到发酵温度30℃，冷却

水初温为20℃，末温度为50℃。

，

m2 = m糖化醪×3.44×(62-30 ) 4.18×(50-20)

= 112058.33× 3.44×32

4.18×30

= 104516.3(kg/h) 式中 112058.33——糖化醪用量（kg/h）

3.44——蒸煮醪比热容[kJ/(kg.K)] 4.18——水的比热容[kJ/(kg.K)] 28——冷却后温度℃ 20——冷却水进口温度℃ 50——冷却水出口温度℃ 3. 酒母培育冷却水用量：

m3=Q3/[4.18×（29-20）] = 85900 4.18×9 =2283.4(kg/h)

式中 Q3——酒母培育反应热(kJ/h) 4.18——水的比热容[kJ/(kg.K)] 29——冷却水出口温度（℃） 20——冷却水进口温度（℃）

4. 发酵过程冷却用水：：

酒精发酵过程中消耗糖生成酒精，以葡萄糖为碳源，酵母发酵生成乙醇，释放出的热量是1170 kJ/ kg，则发酵产生的热量为

q=1170×8333.33×99.18%=96700049.6 (kJ/h)

发酵产生的热量用初始温度为20℃的深井水来冷却，冷却水出口温度29℃，

M4= q/[4.18×(29-20)]

= 96700049.6 4.18×9 =1 927 831.93 (kg/h.K)

式中 q——发酵生物反应热[kJ/(kg.K)] 4.18——水的比热容[kJ/(kg.K)]

29——冷却水出口温度（℃） 20——冷却水进口温度（℃）

5. 酒精捕集器用水：71687.5

m 5= 5%F÷(1+1%+5%) =5%×71687.5÷1.06 =3116.8(kg/h)

23

24 式中 F——成熟醪量(kg/h)

5%——酒精捕集器回收酒精洗水占熟醪量的比例 6. 洗罐用水量：

M6=1%F÷(1+1%+5%)

=1%×71687.5÷1.06

=623.4(kg/h)

式中 1%——洗罐用水占熟醪量的比例

24

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第三章 设备计算与选型

3.1 发酵设备的计算与选型

3.1.1 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，在技术管理水平允许的范围内，尽量取较大容积的发酵罐。 （2） 能力的计算：

现每天生产99.5%(体积分数)纯度的酒精200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。

每吨纯度为99.5%的燃料酒精酒精需糖液为： 13 178.0/1080=12.20（m3）

每天产纯度为99.5%的燃料酒精200吨，则需要糖液量为： V糖=12.20×200 =2440（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

=2440/0.9 =2711.1（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200m3厌氧发酵罐，则需发酵罐的个数为n1。

每天需要的发酵罐个数为：

25

26 N0= V0 = 2711.1 =14个

V总 200

n1= V0t

V总ψ×24

= 2711.1×70 200×0.9×24 =44（个）

取公称容积200m3发酵罐44个 每天需要的发酵罐个数为：

N0= V0 = 2711.1 =14个

V总 200

则每天应有3个发酵罐出罐：

实际产量验算： 200×0.9×14 ×300 =61967.2（吨/年） 12.20

富裕量为 61967.2-60000 =3.3%，能满足产量要求。 60000

3.1.2 主要尺寸的计算

（1）现按公称容积200m的发酵罐计算，采用锥形封头。

一般情况下，H=1.1~1.5D，h上=0.1~0.14D ，h下=0.01~0.1D。 则取：

H=1.5D h上= h下=0.1D

V全= 3.14D2 （H+h上/3+h下/3） 4

200= 3.14D2 （1.5D +0.12D/3 +0.09D/3） 4

D=5.45m 圆整取D=5.5m。

H=1.5 ×5.5=8.25m h上= h下=0.1×5.5=0.55m

V全= 0.785×5.52(8.25+0.55+0.55) = 222 m3

(2)总表面几计算：

罐体圆柱部分表面积：A1=πDH

=3.14×5.5×8.25 =142.5 m3 罐顶表面积和罐底表面积：：

A上= A下=πR( R2+h上2)1/2

=3.14×2.75×(2.752+0.552) 1/2

26

3

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=24.2m2

罐体总表面积： A总= A1+ A上+ A下

=142.5+24.2×2 = 190.9 m2

3.1.3. 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸（生物工程设备。71页）： （1） 冷却面积的计算：

A= Q

K×Tm

式中 Q——主发酵期，每小时糖度降低一度所放出的热量(kg/h) K——总传热系数(kg/(m.h). Tm——冷却水的温差 其中 Q = Q1-（Q2+Q3） 式中 Q1——生物反应热kJ Q2———蒸发损失热kJ Q3———罐壁向环境散热kJ

其中 Q1 = m s q

=（ 222×0.9×1080）×418.6×1% =903 271.8（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）

Q2 = 5% Q1

= 0.05×903 271.8 = 45 163.6(kJ/h)

Q3 = A K c(T w-TB)

假定罐壁不包扎保温层，壁温度最高35℃，生产厂所在地区夏季平均气温可查相关资料，现在假定为32℃。 因为

K c-=k对+k 辐

= K c(T w-TB)

=1.7×（T w-TB）1/4 +4.88 ×[(Tw/100)4 –(TB /100)4]

T w-TB

= 1.7×（35-32）1/4 +4.88 ×[(273+35/100)4 –(305/100)4]

35-32 =33.5[kJ/(h. m2. ℃).]

Q3=546.2×33.5×(35-32) =36595.4 (kJ/h)

所以 Q = Q1-（Q2+Q3）

=903 271.8-（45 163.6+36595.4） =821512.8(kJ/h)

27

28 （2） 冷却水耗量：

发酵产生的热量用初始温度为20℃的深井水来冷却，冷却水出口温度28℃，

W = Q C w（T2- T1） = 821512.8 4.18×（28-20） = 24566.8(kg/h)

式中 Q——发酵生物反应热(kJ/h)

C w ——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 = （T f-T1）-（ Tf-T2 ） 2.3 l g （T f-T1） （Tf-T2）

主发酵期控制发酵温度Tf为30℃，冷却水进口温度为20℃，出口温度为29℃。

Tm= （30-20）-（30-29）

2.3 × l g[（30-20）/（30-29）] =3.9℃

（3） 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：

0. 785×（0.05）2=0.0022（m2）23065.7

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

2 ×3600×0.0022×1000

= 24566.8

2 ×3600×0.0022×1000

=1.5m/s

设蛇管圈直径为4m，由水温表查得水温20℃时，常数A=6.45 K1 = 4.186 A （ρv）0.8 (1+1.77D/R) D0.2

=4.186×6.45×（1.5×1000）0.8 （1+1.77×0.053/2）

0.0530.2 2

=16518.96kJ/(m.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

K = 28

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1 + 1 + 0.0035 + 1 K1 K2 188 16750

= 1 1/16518.96+1/2700+0.0035/188+1/16750 = 1963.8 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：

所求冷却面积为821512.8

A = Q

K×Tm

= 821512.8 1963.8×3.9 =107.3（m2）

两列蛇管长度：

L = A

πD cp

= 107.3 3.14×0.0565 =605 m

式中 D cp——蛇管平均直径0.0565 m

每圈蛇管长度：

l = [(πD p)2+hp2]1/2

= [(3.14×4) 2+0.152]1/2 =12.56 m

式中 D p——蛇管圈直径4m

hp——蛇管圈之间距离0.15 m

两列蛇管总圈数：

N p = L/l

= 605/12.56

=48.2（圈） 取49（圈）

两列蛇管总高度：

H = （Np-1）hp = （49-1）×0.15 =7.2 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。本设备锅身采用不锈钢材料 1Cr18Ni9Ti制作，以降低设备费用。

29

30 3.1.4 发酵罐壁厚的计算

锅内最高工作压力 P最高＝P0＋ρgh = h—锅内液面高度

P最高=1.01×105＋1080×9.81×（8.25+0.55×2）

=2.0×105Pa

（1） 计算法确定发酵罐的壁厚S：

设工作压力为0.20MPa，则Pc=1.1×0.20=0.22MPa。

锅身采用不锈钢材料 1Cr18Ni9Ti 查《化工设备机械基础》附录5可得： σb≥520MP σs≥206MP

查《化工设备机械基础》P91 得钢材的安全系数 则 [σ

ｎb≥3.0 ｎs≥1.6

]＝σ

t

b/ｎb＝173 MPa

＝σs/

ｎs＝128 MPa

取二者中较小者 所以[δ]t＝137MP

焊缝系数ψ（双面焊接对接接头，100%无损检测），通过查《化工设备机械基础》

表4-4，可得ψ=1.0.取C2=1.0mm

S = Pc D i + C2 （cm） 2[σ]ψ-Pc

= 0.22×5500 +1.0 2×137×1.0-0.22 =5.7（mm） 取S=6 mm

式中 Pc——计算压力 取Pc=0.22MPa

Di——发酵罐内径 Di=5500m m

[σ] ——A3钢许允应力 [σ]=137 MPa ψ——焊缝系数

C2——腐蚀裕量 （mm）

C=C1+C2

其中 C1——钢板负偏差，取C1=0.8mm

C2——腐蚀余量 单面腐蚀取C2=1 mm

所以 C = 0.8+1=1.8mm）

Sn=6+0.8=6.8mm，圆整取Sn=7 mm。

校核水压试验强度：

ST= 1.25× 0.20×（5500+7-1.8） =132.3 （MPa） 2×（7-1.8）

0.9ψσs=0.9×1×206=185.4(MPa) 所以ST≤0.9σs，满足水压试验。

30

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(2)封头厚度 ：本设计采用锥形封头，则

S = Pc Di （mm） （2[σ]ψ- Pc）cos a

则封头的厚度为： Cosa=0.196 则

S =19.3mm,圆整为S=20mm.

式中 Pc——设计压力 取Pc=0.22MPa

Di——发酵罐内径 D=5500mm

[σ] ——钢板许允应力 [σ]=137 MPa ψ——焊缝系数，取ψ=1.0 C——壁厚附加值 （mm） C=0.8+1+=1.8 mm 校核水压试验强度：

ST= 1.25× 0.22×（5500+20-1.8） = 38（MPa） 2×（20-1.8）

0.9ψσs=0.9×1×206=185.4(MPa) 所以ST≤0.9σs，满足水压试验。

3.1.5 接管设计

（1） 接管长度h设计： 不保温接管长h=200mm （2） 接管直径的确定：

接管实装醪 200×0.9=180m3。 设5小时排空，则物料体积流量为：

Q= 180 5×3600 = 0.01 m3/s

高粘度液体的流速范围为0.5~1.0.发酵醪流速取v=1m/s. 则排料管截面积为： F物= Q/V

=0.01/1=0.01 m2 管径 d = （F物/0.785）1/2 =（0.01/0.785）1/2

=113 mm，圆整为d=150mm。

31

32 取无缝钢管 159 ×4.5 mm

校核流速：

v=1.27×0.01/0.152=0.56(m/s)，满足条件。 进料管同排料管 取无缝钢管159 ×4.5 mm

PN0.25 MPa 板式平焊钢制管法兰

公法 螺栓螺纹 法兰厚度 法兰内径 称兰 孔数 直 外 量 径A B 径 K L n Th. C DN D 150 265 225 18 8 M16 20 170.5 161 3.1.6 支座选择

法兰质量 5．14 对于100 m3上的发酵罐，由于设备总重要较大，应选用裙式支座，故本设计选用裙式支座。

锥形发酵罐

个数 9 全容积 （m3） 1000 装料系数 0.9 直径m 9.3 圆筒高m 13.95 上封头高m 1.12 下封头高m 0.84 材料 A3 筒厚mm 13 上封头厚mm 12 下封头厚mm 18 接管直径mm 300 接管长度mm 250 支座 裙式支座 冷却方式 蛇管冷却 蛇管直径mm 53 蛇管间距m 0.15 蛇管圈数 46 蛇管总高度m 6.75 32

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蛇管圈直径m

3.1.7 人孔的选取

4 发酵罐的最大工作压力为0.20MPa，选取公称压力为0.3MPa的回转盖人孔，人孔AI Pg 3.0，Dg=500，JB580-64-1.共计安装两个，一个位于发酵罐顶，另一个位于发酵罐底。其人孔的相关尺寸如表所示： 公称压公称直 螺螺栓 总力Pg 径mm S D D1 A B L H1 H b b 1 母 重 MPa 数Kg 量 0.3 500 6 630 585 325 150 200 180 283 20 22 24 M1681 ×60

3.1.8 视镜

发酵罐的上封头上安装目视镜，目视镜的选取公称压力小于0.6MPa的标准件，其表记为：视镜I Pg 6,Dg 150,JB 593-64-8.

3.2 种子罐的计算与选型

3.2.1 种子罐容积和数量的确定：

V种=V液×10%

=200×0.9×10% =18 m3

式中 V液——为发酵罐中发酵液的量

10%——接种量

取公称容积为20 m3的通用式机械搅拌通风发酵罐 3.2.2 种子罐个数的确定

种子罐与发酵罐对应上料，发酵罐平平均每天上14罐需种子罐14个，种子培养时间12~20小时，取12小时，辅助操作时间8~10小时生产周期约20~22小时。

33

34 3.2.3 主要尺寸的确定

设 H/D=2/1,h上=h下=D/2

V全=π（D/2）2×2D+2×（π/24）×D3=20 算得 D=2.21 取D=2.3 m 则 H=2D=4.6 m 校核种子罐总容积 ：

V筒=π（D/2）2×2D

=3.14×（2.3/2）2×2×2.3=19.1m3

V封=2×（π/24）×D3

=2×（3.14/24）×2.33

3

=3.2 m V总 =2 V封+ V筒

=25.5m3

比需要的种子罐容积大，满足设计要求。

种子罐的稀释比定为D=0.065h-1，则每小时加入种子罐内的糖液为： A=D.V

=20×0.065 =1.3（m3/h） 3.2.4 冷却面积计算（采用夹套冷却）

（1） 种子罐产生的总热量：

Q总 = 418.6×200×0.9×1080×10%×70%/70

= 81375.84(kJ/h)

式中 418.6——每千克麦芽糖放出的热量kJ

200——发酵罐的总容积(m3) 0.9——装料系数

1080——发酵醪密度(kg/m3) 10%——接种量

70%——发酵醪中麦芽糖含量 70——发酵时间（t）

（2） 夹套传热系数： 夹套传热系数在4.18×（150 --250）之间

2

取K=4.18×250 kJ/(m.h.℃)

（3） 平均温差：

种子培养温度30℃，水初温20℃，水终温25℃。

Tm=（30-20）+（30-25） 2 =6.5 ℃

（4） 需冷却面积：

F= Q总

K Tm

34

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/smig.html