年产6万吨酒精发酵车间初步设计(7)

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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

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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)

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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。

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