日耗1000吨纤维素制乙醇的工厂设计(完整版)

日耗1000吨纤维素制乙醇的工厂设计

摘要

纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

本次设计的主要任务是设计以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂中原料预处理和SSCF发酵工段的具体流程，依据设计的工艺流程图进行物质恒算，列出系统内主要物质流的组成与性质，根据物料衡算结果，估算理论的原材料，辅料消耗与乙醇的生产速率，估计工厂的生产能力，依据物料衡算结果进行基本设备选型，绘制工艺流程图和典型准备的设备安装图。

关键词：纤维素乙醇预处理糖化发酵工艺设计

前言

随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

尽管木质纤维素原料本身非常廉价，但是将其转化成乙醇的工艺过程非常复杂，需要大量的能耗，致使单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势，纤维素制乙醇的工艺过程还需要很大改变。目前为止，全世界已经建有几十套纤维质原料经纤维素酶水解成单糖的中试生产线或小试生产线。美国的Gulf oil Chemical公司建成了可处理1t/d纤维废料的中试车间，年产纯乙醇2亿升，乙醇产率为27.7%。加拿大的Imogen生物技术公司，在渥太华开设了以麦秸为原料的3.2万加仑/年纤维素乙醇厂，采用稀酸结合蒸汽气爆预处理半纤维素，随后用纤维素酶水解，分离后的液体进行木糖和葡萄糖联合发酵。经评估，其生产成本比谷物乙醇高出30%～50%。

中国正在积极利用纤维素乙醇作为主要的生物能源，加快以纤维素乙醇为核心的综合技术开发，尽早实现其产业化发展的目标。相信经过“十一五”计划的实施，在“十二五”期间中国在利用纤维素废弃物制取燃料乙醇方面，必将取得更大的进展，为缓解液体燃料短缺、促进环境保护和社会可持续发展等方面发挥重要作用。

本次设计的主要任务是设计以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂中原料预处理和SSCF发酵工段的具体流程，依据设计的工艺流程图进行物质恒算，列出系统内主要物质流的组成与性质，根据物料衡算结果，估算理论的原材料，辅料消耗与乙醇的生产速率，估计工厂的生产能力，依据物料衡算结果进行基本设备选型，绘制工艺流程图和典型准备的设备安装图。

本次专业课程设计我查阅了关于以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂设计方面的很多资料，还采用了一些来自于工厂实际生产中的技术参数。我在设计过程中难免会出现一些错误和设计不足的地方。恳请各位老师提出宝贵的改进意见。

1.总论

1.1纤维素乙醇简介

纤维素乙醇（Ligno-cellulosic Bio-Ethanol）：纤维素生物质是由纤维素(Cellulose 30-50%），半纤维素（Hemicellulose20-40%），和木质素（Lignin 15-30%）组成的复杂材料。纤维素分子是由n个葡萄糖苷通过β-1,4糖苷键连

接起来的链状聚合体，纤维素大分子之间通过氢键聚合在一起形成纤维束。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称，这类聚糖包括葡萄糖、甘露聚糖、半乳聚糖、木聚糖、阿拉伯聚糖以及果胶，而木聚糖占组分的一半以上。木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳~碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物。半纤维素位于许多纤维素之间，就像一种填充在纤维素框架中的填充料；而木质素是一种镶嵌物质，在纤维素周围形成保护层。

纤维素、半纤维素和木质素在不同原料中所占的比例各不相同，故利用的难易程度也会有差异。一些常见的植物纤维素各组分比例见表1.

表1 常见植物纤维原料的组成

木质纤维素原料Lignocellulose 纤维素Cellulose

（w%）

半纤维素

Hemicellulose

（w%）

木质素

Lignin（w%）

小麦杆[2]35~45 20~30 8~15

玉米杆[3]40 30 24

玉米纤维[4]19 29 8 稻壳[5]36 12 15

甘蔗渣[6]43 31 11

大豆杆[7]25 12 18

树木

硬木[8]40~55 24~40 18~25

软木45~50 25~35 25~35

新闻纸40~55 25~40 18~30

废纸60~70 10~20 5~10

纤维素生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇，每一种植物的

确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。一直以来，将纤维素生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。

随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。

纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

1.2纤维素制取乙醇的基本原理

纤维素废弃物的主要有机成分包括纤维素、半纤维素和木质素三部分。前二者都被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解，且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解[9]。

半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物, 聚合度较低, 也无晶体结构, 故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖, 还包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖, 含量因原料不同而不同。普通酵母不能将木糖发酵成乙醇, 因此五碳糖的发酵成为研究的热点。

纤维素的性质很稳定, 只有在催化剂存在下, 纤维素的水解反应才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶, 由此分别形成了酸水解和酶水解工艺, 其中的酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖, 易于发酵成乙醇。

木质素含有丰富的酚羟基、醇羟基、甲氧基和羰基等活性基团, 可以发生氧化、还原、磺甲基化、烷氧化和烷基化等改性反应。通过木质素改性和综合利用, 可提取许多高附加值的化学产品, 为提高木质纤维素生产燃料乙醇的经济性开辟了新的途径, 日益受到科技工作者得重视。

1.3纤维素制取燃料乙醇的关键技术

由于木质素、半纤维素对纤维素的包裹作用以及纤维索本身的结晶状态，天然形态的纤维素很难直接被微生物利用转化为乙醇，一般通过预处理、水解和发酵3个关键步骤，木质纤维素原料才能高效转化为乙醇。预处理可以破坏纤维素的结晶结构，去除木质素和半纤维素，扩大纤维素酶在纤维素表面上的接触面积；酶解过程是在纤维素酶的作用下将纤维素转化为以葡萄糖为代表的可发酵糖；再利用各种微生物发酵葡萄糖生成乙醇。

1.4纤维素制取燃料乙醇的生产工艺

纤维素燃料乙醇的生产工序包括：原料预处理、纤维素和半纤维素水解糖化，五碳糖与六碳糖的发酵，蒸馏脱水等。木质纤维素先经过化学或物理的方法进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离；纤维素可水解为葡萄糖，半纤维素可水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。五碳糖和六碳糖经过发酵得到发酵成熟醪，

再经过蒸馏和脱水得到燃料乙醇。蒸馏和脱水工艺属典型的化工分离过程，其工艺和淀粉质原料生产燃料乙醇的工艺完全相同，目前已经发展得非常成熟。

目前用于生产木质纤维素燃料乙醇的工艺主要有四种：分步糖化和发酵（SHF）、同时糖化和发酵（SSF）、同时糖化和共发酵（SSCF）以及联合生物加工（CBP）。而其中最具应用前景的是SSCF和CBP，本文着重介绍的是SSCF。SSCF 共分八个工段：进料feed handling，预处理pretreatment & conditioning，糖化与共发酵saccharification & co-fermentation，产品纯化production purification，废水处理wastewater treatment，储罐storage，燃烧器/锅炉/蒸汽轮机以及公用系统burner/boiler/turbogenerator and utilities。我们从中选出四个工段进行仿真，即预处理、发酵、产品纯化和废水处理。本文涉及到的是产品纯化过程中的核心设备的衡算，数据汇总，物料平衡及热量衡算。

1.4.1 预处理（Pretreatment）

发酵液预处理的目的：

1）增大悬浮液中固体粒子的尺寸；

2）除去高价无机离子和杂蛋白质；

3）降低液体粘度。

木质纤维素对酶抵触性的根本原因是(微)晶态纤维素与纤维素酶的低接触性，以及木质素与半纤维素在纤维素表面的存在。通过预处理降低纤维素的结晶状态并去除木质素与半纤维素，能够充分减轻原料对酶解的抗性一。主要的预处理方法可分为物理处理、化学处理和微生物处理。

物理法包括机械粉碎、热解、声波电子射线等方法，这些方法均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素酶的水解转化率。纤维素原料通过切碎、粉碎、碾磨等物理方法可降低其结晶性，经切碎处理盾的原料大小通常为10-30nm，而经粉碎、碾磨之后的原料颗粒大小一般为0.2-2nm。用新闻报纸实验，其磨粉细度在75μm以下时，其酶水解率可由25%提高到84%以上，用其他磨（如胶体磨、双辊磨、锤击磨等）碾磨效果也较理想[10]。

化学方法中比较有效的是稀酸处理法和氨回收过滤法。稀酸处理法多采用0.5%-1%的稀硫酸在130-200℃与木质纤维素反应数分钟，可以破坏纤维素的结晶结构，使原料结构疏松，显著提高纤维素的水解速率；半纤维素几乎全部水解成木糖等单糖，但有些会过度降解为乙醛、糠醛、乙酸等小分子副产品，会抑制发酵的进行。氨回收过滤法在150-170℃的较高温度下，氨溶液可以有效润涨木质纤维素，破坏木质素与半纤维素间化学键，该法可有效去除70%-80%的木质素，水解40%-60%的半纤维素，保留95%的纤维素。这种方法的缺点是碱消耗量大，需要氨回收、中和、洗涤等复杂的工序，用于大规模生产还有待改进。因此目前大都采用稀酸处理法。

微生物处理法中常用的微生物有白腐菌、褐腐菌、软腐菌等真菌。由于成本低和设备简单，生物法预处理具有独特的优势，可用专一的木质酶处理原料，分解木质素和提高木质素消化率。此方法虽然在试验中取得了一定的成功，但还停留在实验室阶段。

1.4.2 水解（Hydrolyzation）

（1）稀酸水解

稀酸水解的机理是溶液中的氢离子可和纤维素上的氧原子相结合,使其变得不稳定,容易和水反应,纤维素长链即在该处断裂,同时又放出氢离子, 在适当的条件下,85 %的糖收率也有可能获得 ,其中反应器的开发成为研究的热点。

为了减少单糖的分解,实际的稀酸水解常分两步进行:第一步用较低温度分解半纤维素,产物以木糖为主;第二步用较高温度分解纤维素,产物主要是葡萄糖。图2 为Celunol 公司的开发二级稀酸水解工艺。华东理工大学也采用二级稀酸水解工艺,不过木糖和葡萄糖是同时发酵的,只是木糖的转化率还不是特别满意。此外,木质素用于生产活性炭等化工产品, 而不是锅炉焚烧, 提高了过程的经济性。

（2）酶水解

纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体所需的一组酶的总称,一般认为其主要包括3 个组分:内切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶和纤维素二糖酶。每一组分又有若干亚组分组成。纤维素水解生成葡萄糖的过程必须依靠这3 种组分的协同作用才能完成。

酶水解的条件温和(pH 为418 , 温度为45 —55 ℃) 、能量消耗小、糖转化率高,无腐蚀、环境污染和发酵抑制物等问题。不足之处是反应速率慢、生产周期长、酶成本高,而且由于构成生物质的纤维素、半纤维素和木质素互相缠绕,形成晶体结构,会阻止酶接近纤维素表面,故生物质直接酶水解的效率很低,因此必须采用预处理的方式以降低纤维素结晶度和聚合度。另外现有技术生产的纤维素酶酶活低(与淀粉酶差距在两个数量级以上)，导致酶的使用成本很高，制约了纤维乙醇的商业化。目前全球几家大型的酶制剂公司如美国杰能科(Genemcor)和丹麦诺维信(Novozymes)都在致力于开发高效低廉的纤维素酶产品，预计这一技术将在2012年前后取得实质性突破。

1.4.3糖化发酵

发酵即纤维素和半纤维素水懈后得到的六碳糖和五碳糖在酵母等微生物的代谢下生成乙醇的过程。利用六碳糖发酵生产乙醇已经是非常成熟的技术，而利用五碳糖(如木糖)发酵生产乙醇技术还相对落后。迄今为止科研人员已发现100多种微生物，包括细菌、真菌、酵母菌等，能代谢五碳糖发酵生成乙醇。

纤维素和半纤维素发酵生产乙醇的方法主要有以下三种：直接发酵法、水解发酵两步法和同步糖化发酵。

纤维素的糖化主要是将预处理后的醪液水解为容易发酵的单糖。纤维素酶是一种多组分的复合酶，有内切型一p一葡聚糖酶(EG)、外切型一p一葡聚糖酶(CBH)

和p一葡萄糖苷糖酶(BG)组成。有关纤维素酶催化的具体机制至今仍未完全研究清楚，但普遍认为是在这3种组分的协同作用下，天然纤维素才能水解。纤维素大分子是由分子链排列整齐、紧密的结晶区和结构疏松但取向大致与纤维主轴平行的无定形区交错结合的体系。在纤维素水解过程中，首先由内切型一p一葡聚糖酶优先在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的无定形区进行切割，产生新的末端，生成较小的葡聚糖；然后由外切型一t3一葡聚糖酶作用于末端，释放出纤维二糖和其他更小分子的低聚糖；最后由β一葡萄糖苷酶将纤维二糖分解为葡萄糖分子。然后在适宜的发酵条件(温度、pH、酶的用量等)下发酵成乙醇。纤维糖化和发酵的方法主要有

1）分步水解糖化发酵法(SHF 法：Separate Enzymatic Hydrolysis and Fermenta —tion)；

2）同步糖化发酵法(SSF法：Simultaneous Saccharifi—cation and Fermentation)；

3）非等温同时糖化发酵法(NSSF法：Non—isothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation)；

4）同步糖化共发酵法(SSCF法：SimultaneousSaccharification and Co—ferm entation)

5）固定化细胞发酵法(CBP法：Consolidated Bioprocessing方法)。

SHF法是一种比较传统的制取乙醇的方法。该法先用纤维素酶水解纤维素；再把酶解后的糖液作为发酵碳源，移人发酵罐中发酵生产乙醇。但是该方法工艺较复杂，需要的设备较多，投资较大。SSF法最早由Gauss等提出，它是将水解和乙醇发酵结合起来，在同一发酵罐中进行直接产生乙醇的过程。该工艺将纤维素酶解和乙醇发酵在同一个反应器中进行，由于纤维素酶解产生的葡萄糖立即为酵母所利用，所以纤维二糖和葡萄糖的浓度很低，解除了纤维二糖和葡萄糖对纤维素酶的抑制作用，提高了酶解效率，简化了反应设备，可节约设备投资的20％左右”，减少了外部微生物污染的危险性，节约了总生产时间，提高了生产效率。但是，该方法也存在一些缺点。首先，最佳的水解和最佳的发酵所需温度之间的矛盾。最佳水解温度为45~50℃，而最佳的发酵温度为28~35℃。SSF在35~38℃下操作，这一折中处理使酶的活性和发酵的效率都不能达到最大。第二，木质纤维素的预处理过程中出现的有毒物质对微生物的发酵和纤维素酶的活性有抑制作用。第三，细胞分裂过程中释放的一些化合物会导致纤维素酶的活性降低，而酶的制备过程中的化合物会降低微生物的生存能力，从而导致细胞分裂，所以达到微生物与酶的兼容性成为了SSF法的一大难题。第四，由于乙醇对于同步糖发酵法效率的阻碍，很难同时达到纤维素高的转化率和合理的乙醇浓度。乙醇浓度和纤维素的转化率是同步糖化发酵法经济评价的两个重要因素。在同步糖化发酵法中，曾报道的最高的乙醇浓度为57 g/L，但只有7O％的纤维素被转化成乙醇和糖。在大部分同步糖化发酵法中，只有在低的乙醇浓度20~40 g门L 时，纤维素的转化率才会很高。Kim Olofsson等通过增加底物浓度、较小酵母浓度和把己糖和戊糖共发酵的工艺的优化，以小麦秸秆为原料，在己糖和戊糖的含量大于70％的情况下，乙醇的浓度可以达到40 gm。Ghose等研究了真空法与SSF法的耦合技术，经过1 h的真空循环产生约121．5 gm 的酒精。然而最大的酒精浓度在真空操作的前15 min出现，1 h后酒精的浓度逐渐减小。Pradip K．Roychoudhury等研究表明，SSF法经过15 min的真空循环操作比60 rain

的真空循环操作节约70％的真空能。

NSSF法是为了克服SSF法在最佳的水解和最佳的发酵所需温度之间的矛盾而提出来一种方法。该法在1998年由Zhangwen Wu和Y．Y．Lee提出，此工艺流程包含一个水解塔和一个发酵罐，不含酵母细胞的流体在两者之间循环[加]。该设计使水解和发酵可在各自最佳的温度下进行，可消除水解产物对酶的抑制作用，可节约纤维素酶30％～40％”，同时乙醇的产量和产率都显著的提高，但增加了流程的复杂化。Kyeone—Keun Oh等通过基于Runge—Kutta方法的优化程序得到了NSSF法生产乙醇的温度曲线，并且获知在NSSF法中可以得到的最大酒精浓度为14．87 L，该方法比用SSF法的乙醇转化率提高了14％～21％。Kadar等进行了纤维素先在50℃条件下预处理24h，然后再加入酵母在30℃的条件下进行发酵实验。其结果显示，此工艺的NSSF法的酒精产率比在40℃进行糖化发酵的SSF法所得的酒精产率没有增加，而且经济效益略低。但是他们没有就工艺的第二步在较高温度下进行，尽管30℃适宜于糖的发酵，但是纤维素酶的活力比较低，使纤维素不能完全水解。

SSCF法是利用一种微生物将己糖和戊糖在同一生物反应器中同时进行发酵的方法。由于预处理后不用分离出戊糖，这种工艺简化了生产设备和工艺流程，进而约了投资；同时由于大量减少了酶的用量，降低了生产成本。因而该法是一种经济可行的方法。该方法的推广关键是寻找一种高效、经济的酶。Lawford和Rousseau用Zymomonas mobilis的变异菌种实现了己糖与戊糖的共同转化。McMillant2n等利用稀酸预处理黄杨为原料和木糖酵母Z．mobilis的变种为酵母进行SSCF的研究，产生了大于30 g／L的酒精，可利用糖的转化率为54％。Kim 等以氨气爆破的玉米秸秆为原料，利用重组细胞E．coli进行SSCF法实验0固体的木聚糖和葡聚糖都得到了充分利用，酒精产率为葡聚糖理论得率的109％，这表明部分木聚糖转化为酒精。

酶水解是利用纤维素酶将纤维素水解成单糖的过程。纤维素酶是一种复合酶，主要包括葡聚糖外切酶(CX酶，CMC酶)，葡聚糖内切酶(Cl酶，微晶纤维素酶，纤维二糖水解酶)和β-葡萄糖苷酶等三种组分。另外，除了生产乙醇，纤维素酶还可用于其它化学品联产，因此纤维素酶的利用是扩大纤维素应用领域和高值化利用纤维素的一条可行的新途径。酶水解工艺的优点在于：可在常温下反应，水解副产物少，糖化得率高，不产生有害发酵物质，并且可以和发酵过程耦合。

1.5厂址的选择及总平面布置

1.5.1 厂址选择的重要性

厂址选择是基本建设前期工作的重要一环。在工厂设计中具有明显的经济技术的意义。厂址选择正确与否，不仅关系到建厂过程中能否让投资费用最省，按质按量按期完成工厂设计中所提出的各项指标，而且对投资后的长期生产，技术管理和发展远景，都有着很大的影响，并同国家地区的工业布局和城市规划有着密切的关系。例如投资后的工厂生产管理工作，包括原材料和成品的产供销，动力设施的安装和维修，交通运输方式和费用，产品结构与质量及职工生活安排等方面，都与厂址选择有密切关系。因此，厂址选择是百年大计的问题。对于从事发酵工厂设计的技术人员来说，绝不可轻视处置，而应深思熟虑和严谨从事。1.5.2 厂址选择的一般原则

厂址选择一般包含地点和场地的选择这两个概念。所谓地点就是对所建啤酒厂在某地区的方位及其所处的自然状况，进行勘查对比分析。所谓场地选择，就

是对所建厂在某地点的面积大小，场地外形及其潜藏的技术经济性，进行周密的调查，进行综合比较，从中择优确定厂址。

综合而论，厂址的选择原则可归纳为如下几项：

1）厂址的位置要符合城市规划（供汽、供电、给排水、交通运输、职工文化活、商业网点……）和微生物发酵工厂对环境的特殊要求。

2）厂址的地区要接近原料、燃料基地和产品销售市场，还要接近水源和电。3）具有良好的交通运输条件。

4）场地有效利用系数较高，并有远景规划的最终总体布局。

5）有一定的基建施工条件和投产后的协作条件。

6）厂址选择要有利于三废处理，保证环境卫生。

1.5.3 工厂总平面布置设计原则

（1）满足生产要求，工艺流程合理工厂总体布局应满足生产要求，符合工艺过程，减少物流量，同时重视各部门之间的-关系密切程度。具体布置模式有两种：①按功能划分厂区，即将工厂的各部门按生产性质、卫生，防火与运输要求的相似性，将工厂划分为若干功能区段。如中、大型机械工厂的厂区，可划分为加工装配区，备料（热加工）区，动力区、仓库设施区及厂前区等。这种布置模式的优点是各区域功能明确，相互干扰少，环境条件好，但是，这种布置模式难以完全满足工艺流程和物流合理化的要求。

②采用系统布置设计模式，即按各部门之间物流与非物流相互关系的密切程度进行系统布置，因此可以避免物料搬运的往返交叉，节省搬运时间与费用。（2）适应工厂内外运输要求，线路短捷顺直工厂总平面布置要与工厂内部运输方式相适应。根据生产产品产量特点，可以采用铁路运输、道路运输、带式运输或管道运输等。根据选定的运输方式，运输设备及技术要求等，合理地确定运输线路及与之有关的部门的位置。

厂内道路承担着物料运输，人流输送，消防通行的任务，还具有划分厂区的功能；道路系统的布局对厂区绿化、美化，排水设施布置，工程管线铺设，也有重大影响。工厂内部运输方式，道路布局等应与厂外运输方式相适应，这也是工厂总平面布置应给予重视的问题。

（3）合理用地节约用地是我国的一项基本国策。工业企业建设中，在确保生产和安全的前提下，应尽量合理地节约建设用地。在工厂总平面布置时可以采取如下措施：

①根据运输、防火、安全，卫生、绿化等要求，台理确定通道宽度以及各部门建筑物之间的距离，力求总体布局紧凑合理。

②在满足生产工艺要求的前提下，将联系密切的生产厂房进行合并，建成联合厂房。此外，可以采用多层建筑或适宜的建筑物外形。

③适当预留发展用地。

（4）充分注意防火、防爆、防振与防噪声安全生产是工厂布局首先要考虑的问题，在某些危险部门之间应留出适当的防火、防爆间距。

振动会影响精密作业车间的生产，因此精密车间必须远离振源或采用必要的隔振措施。如机械厂的精加工车间及计量部门应远离锻造车间或冲压车间。

噪声不仅影响工作，而且还会摧残人的身体健康。因此，在工厂总平面布置时要考虑防噪声问题，一是可以采取隔音措施，降低噪声源发出的噪声级；二是可以采取使人员多的部门远离噪声源的方法。

（5）利用风象、朝向的自然条件，减小环境污染生产中产生的有害烟雾和粉

尘会严重影响工作人员的身体健康，并会造成环境污染。进行工厂总平面布置前，必须了解当地.全年各季节风向的分布和变化转换规律，绘制成风象图，拽出全年占优势的盛行风向及最小风频风向。如我国北方大部分地区春，夏季盛行东南风，秋，冬季盛行西北风。散发有害烟雾或粉尘的车间，应分布在两盛行风向间的最小频风向的上风侧。

另外，建筑物的朝向也是工厂总平面布置时应注意的问题，特别是对日照、采光和自然通风要求较高的建筑物，更应注意这个问题。

（6）充分利用地形、地貌、地质条件。

（7）考虑建筑群体的空间组织和造型，注意美学效果。

（8）考虑建筑施工的便利条件。

1.5.4车间布置设计原则

（1）确定设备布置形式根据车间的生产纲领，分析产品—产量关系，从而确定生产类型是大量生产、成批生产还是单件生产，由此决定车间设备布置形式是采用流水线式，成组单元式还是机群式。

（2）满足工艺流程要求车间布置应保证工艺流程顺畅，物料搬运方便，减少或避免往返交叉物流现象。

（3）实行定置管理，工作环境整洁，安全.对车间布置时除对主要生产设备安排适当位置外，还需对其它所有组成部分包括在制品暂存地，废品废料存放地，检验试验用地、工人工作地，通道及辅助部门如办公室，生活卫生设施等安排出合理的位置，确保工作环境整洁及生产安全。

（4）选择适当的建筑形式根据工艺流程要求及产品特点，配备适当等级的起重运输设备，进一步确定建筑物高度、跨度、拄距及形状。

（5）采光、照明、通风，采暖、防尘、防噪声。

（6）具备适当的柔性，适应生产的变化。

1.6设计方案的简介

工艺设计主要有两个方面的内容：

工艺流程设计和车间布置设计。

生产工艺流程设计在整个工艺设计中最先开始，往往经历三个阶段，即：

生产工艺流程示意图

↓

生产工艺流程草图

↓

生产工艺流程图

工艺流程的设计原则：

1).产品质量要符合国家标准，外销产品还必须满足销售地区的质量要求。

2).尽量采用成熟的先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生

率，降低水、电、汽以及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建后能

迅速投产，在短期内达到设计生产能力和水平质量要求，并做到生产稳

定、安全、可靠。

2、原料预处理

2.1、原料的组成

玉米秸秆进料组成

进料 组成

聚糖Glucan (Cellulose) 0.374 聚木糖Xylan (Hemicellulose) 0.211

木质素Lignin 0.1769 灰分Ash 0.1024

1000吨玉米秸秆原料中含有：

聚糖 1000t ×0.374=374t 聚木糖 1000t ×0.211=211t 木质素 1000t ×0.1769=176.9t 灰 分 1000t ×0.1024=102.4t

2.2、原料浸泡

1000t 的玉米秸秆经粉碎后浸泡在储罐中备用，保持固形物含量为35%，则浸泡玉米秸秆的用水量为

t t 1.185735

65

1000=?

2.3、水解（酸裂解）

预处理参数 Dilute Acid

反应器停留时间 2 min 酸度（加入硫酸比例）

1.10% 温度 190°C 压力 1

2.1 atm 固形物输入

35% 反应器中固形物含量 30% 预热蒸汽温度

162°C 水解蒸汽温度Turbine extraction steam (HP

Steam) Temperature

268°C 水解蒸汽压力Turbine extraction steam (HP

Steam) Pressure 13.0 atm

将35%的原料液转入到水解罐中，接着加入稀释后的稀硫酸，采用直接蒸汽加热的方式，用162℃的低压蒸汽将原料液预热到100℃，此时要保证原料液中的固形物含量刚好为30%。

2.3.1纯硫酸用量的计算

因加入硫酸的比例为1.10%，而水解液的总质量为

t t m 34.333330

100

1000=?

= 故用于与水混合制作稀硫酸的纯硫酸质量为

m 纯硫酸=3333.34×1.10%=36.6t

故投入到水解液中的H +的物质的量为

mol n H

561047.7298

106.36?=??=+

2.3.2预热蒸汽的用量

用12.1atm ，162℃的饱和水蒸汽对水解液进行预热，使其温度达到100℃，为方便计算，规定蒸汽全被冷凝为液态水并留在水解罐中与水解液混合。设预热蒸汽的用量为m LP ，取未预热前水解液的温度为20℃，则可表示为

预热蒸汽 162℃蒸汽 100℃液态水 被预热水解液 20℃水解液 100℃水解液

因水解液被预热到100℃时其固形物含量为30%，根据上面的计算可知此时的水解液总质量m'=m －m LP

在预热过程中，饱和蒸汽提供的热量为

Q 1=r 1·m LP +c ·m LP ·Δt 1

其中 r 1为12.1atm 下的水的汽化潜热，查得其值为1991 kJ/kg c 为水解液的比热容，这里取水的比热容做近似计算，其值为4.183 kJ/（kg ·℃）

Δt 1=162－100=62℃

被预热的部分水解液所需要的热量为

Q 2=c ·m'·Δt 2

其中 Δt 2=100—20=80℃

预热过程忽略热损失，则有Q 1=Q 2，即

r 1·m LP +c ·m LP ·Δt 1=c ·m'·Δt 2

带入数据可得预热蒸汽用量为

m LP =431.52×103kg=431.52t

2.3.3纯硫酸稀释用水量的计算

在硫酸加入到水解罐之前必须先与水混合稀释，硫酸稀释用水量为

t 07.8m m 35

100

1000301001000m LP 纯硫酸水=--?-?

= 2.3.4高压蒸汽用量

利用13.0atm ，268℃的高压水蒸汽对水解液继续加热，使水解液温度从100℃升高到190℃进行水解，设需要的高压蒸汽的量为m HP ，整个过程忽略热量损失。

高压蒸汽 268℃水蒸汽 190℃液态水 水解液 100℃水解液 190℃水解液 高压蒸汽提供的热量

Q 1'=r'·m HP +c ·m HP ·Δt 1'

其中 r'为13.0atm 下水的汽化潜热，查得其值为1977 kJ/kg Δt 1'=268－190=78℃ 水解液需要的热量为

Q 2'=c ·m ·Δt 2'

其中 Δt 2'=190－100=90℃ 忽略热损失，则有Q 1'=Q 2'，即

r'·m HP +c ·m HP ·Δt 1'=c ·m ·Δt 2'

带入数据可得高压蒸汽的用量为

m HP =544834kg=544.83t

表1 水解操作计算结果一览表

项目 符号 单位 数值 纯硫酸用量 m 纯硫酸 吨（t ） 36.6 稀释酸用水量 m 水 吨（t ） 8.07 预热蒸汽用量 m LP 吨（t ） 431.52 水解蒸汽用量

m HP

吨（t ）

544.83

2.3.5水解过程中的物料衡算

预处理水解转化反应

底物 转化率

(Glucan)n + n H 2O → n Glucose Glucan 0.07 (Glucan)n + m H 2O → m Glucose Oligomer Glucan 0.007 (Glucan)n + ?n H 2O → ?n Cellobiose Glucan 0.007

(Xylan)n + n H 2O → n Xylose Xylan 0.9 (Xylan)n + m H 2O → m Xylose Oligomer Xylan 0.025 (Xylan)n + → n Furfural + 2n H 2O Xylan 0.05 (Lignin)n → n Soluble Lignin Lignin 0.05

①(Glucan)n + n H 2O → n Glucose

这里，为方便计算，我们作近似处理，将聚糖视为分子式为（C 6H 10O 5）n ，则上述反应式可简化为

（C 6H 10O 5）n +nH 2O nC 6H 12O 6

用于转化为葡萄糖的聚糖的质量为 374t ×0.07=26.18t 则用于转化为葡萄糖的聚糖的单体物质的量为

mol 46

1016.16162

1018.26?=?

根据反应式，可计算出

反应消耗水 t mol g mol m 90.2/181016.1641=??=

反应生成葡萄糖 t mol g mol m G 08.29/1801016.1641=??=

②(Glucan)n + m H 2O → m Glucose Oligomer

低聚糖是指含有2-10个糖苷键聚合而成的化合物，这里我们折中取所形成的低聚糖均为五糖，五糖的分子式为C 30H 52O 26，视聚糖的单体为C 30H 52O 26，则其分子式可写为（C 30H 50O 25）n ，反应式可简化为

（C 30H 50O 25）n +nH 2O nC 30H 52O 26

则用于转化为低聚糖的聚糖的单体物质的量为

mol 1.3232810

007

.0103746=??

根据反应式，可计算出

反应消耗水 t kg mol g mol m 0582.018.58/181.32322==?= 反应生成低聚糖 t mol g mol m GO 676.2/8281.32321=?=

③(Glucan)n + ?n H 2O → ?n Cellobiose

纤维二糖的分子式为C 12H 22O 11，这里视聚糖的单体为C 12H 22O 11，则反应式可简化为

（C 12H 20O 10）n +nH 2O nC 12H 22O11

则用于转化为纤维二糖的聚糖的单体物质的量为

mol 8080324

007

.0103746=??

根据反应式，可计算出

反应消耗水 t kg mol g mol m 1454.044.145/1880803==?= 反应生成纤维二糖 t mol g mol m C 764.2/34280801=?= ④(Xylan)n + n H 2O → n Xylose

聚木糖的单体为C 5H 10O 5，用于反应生成木糖的聚木糖的质量为

t 9.1899.0211=?

根据反应式，可计算出 反应消耗水 t mol g mol g g m 9.25/18/132109.18964

=??=

反应生成木糖 t mol g mol

g g m X

8.215/150/132109.1896=??=

⑤(Xylan)n + m H 2O → m Xylose Oligomer

为简化计算，我们将生成的低聚木糖均视为五糖，视聚木糖的单体为C 25H 42O 21，则反应式可简化为

（C 25H 40O 20）n +nH 2O nC 25H 42O 21

转化为低聚木糖的聚木糖的质量为

211t ×0.025=5.275t

根据反应式，可计算出 反应消耗水 t mol g mol g g m 1438.0/18/66010275.565

=??=

反应生成低聚木糖 t mol g mol

g g m XO

418.5/678/66010275.56=??=

⑥(Xylan)n + → n Furfural + 2n H 2O

呋喃甲醛的分子式为C 5H 4O 2，其分子量为96，转化为呋喃甲醛的聚木糖的质量为 211t ×0.05=10.55t 根据反应式，可计算出 反应生成水 t mol g mol g g m 878.2/182/1321055.1066

=???=

反应生成呋喃甲醛 t mol g mol

g g m F

672.7/96/1321055.106=??=

⑦(Lignin)n → n Soluble Lignin

转化为可溶性木质素的木质素的质量为176.9t ×0.05=8.846t 所以，反应生成的可溶性木质素的质量为

t m SL 846.8=

2.3.6水解过程物料衡算计算结果一览表

表2 水解过程物料衡算计算结果一览表 反应物 反应消耗量/

t

生成物 符号

生成量/ t Glucan 31.42 Glucose 1G m

29.08 Xylan 205.72 Glucose Oligomer 1GO m 2.676 Lignin 8.846 Cellobiose 1C m

2.764 H 2O 29.14 Xylose X m

215.8 剩余物质 剩余量 Xylose Oligomer

XO m

5.418 Glucan 342.58 Furfural F m

7.672 Xylan 5.28 Soluble Lignin

SL m

8.846 Lignin 168.06

H 2O

6m

2.878

2.4闪蒸

2.4.1闪蒸物料衡算

项目

数值 呋喃类物质移除比例

0.61 冷却压力

1 atm

通过水解后进入到闪蒸罐进行闪蒸操作的固液混合物的质量为

t t t m 387883.54430

100

1000''=+?

= 通过闪蒸操作移除的呋喃类物质的质量为 m QF =7.672t ×0.61=4.712t 残留在液相中的呋喃类物质的质量为 m CF =7.672－4.712=2.96t 这里，为了方便计算，我们认为只有部分水和呋喃类物质在通过闪蒸操作的时候变为蒸汽逃离了体系，设在闪蒸操作中从体系中逃离的水蒸气的质量为m T ，则逃离物质汽化所需要的热量为

Q F F T m r m r Q ?+?=''1

其中 r F 为1atm 下呋喃类物质的汽化潜热，这里为方便计算取r F =r=2259kJ/kg 体系为逃离物质提供的热量

t m c Q ???=''''2

其中 Δt=190－100=90℃

C 为混合物的比热容，这里我们取水的比热容4.183 kJ/（kg ·℃）来进行计算

忽略热量损失，则有 Q1''=Q2'' 即

t m c m r m r Q F F T ???=?+?''

带入数据可得 t m T 6.641= 2.4.2闪蒸操作计算结果一览表

表3 闪蒸操作计算结果一览表

项目 符号 单位

数值 移除呋喃类物质 m QF 吨 4.712 残留呋喃类物质 m CF 吨 2.96 逃离水蒸气的量 m T

吨

641.6

2.5过滤

2.5.1过滤的相关计算

项目 数值 设备

Pneumapress 压滤机 入口固体含量

21% 干滤饼不溶性固体含量 55% 不溶性固体回收率

99.5%

从闪蒸罐出来的体系中，不溶性固体的总质量为

342.58+5.28+168.06+102.4=618.32t

体系总质量为 3878－4.712－641.6=3231.6t 故此时体系的固体含量为 %21%1.19%1008

.161516

.309 =?=

η

满足过滤操作对体系入口固体含量的要求，可直接用于过滤操作。 过滤操作后，不溶性固体回收率为99.5%，而干滤饼中不溶性固体的含量为55%，根据不溶性固体的总质量，我们可计算出干滤饼中不溶性固体的质量为

t t m US 22.615%5.9932.618=?=

干滤饼的总质量为 t 6.1118%55t 22.615=÷=FB m 干滤饼中可溶性固体的质量为

t 4.503t 22.615－t 6.1118m －US ===FB S m m

滤液中不溶性固体含量为 t t m US 096.3%5.032.618'=?=

忽略过滤操作中的物质损失和滤饼中损失的部分水，则可得到滤液的总质量为

t t t m FY 21136.11181.3232=-=

滤液含固量为 %15.0%1002113

096

.3%100''=?=?=

FY US m m η 2.5.2过滤操作计算结果一览表

表4 过滤操作计算结果一览表

项目 符号 单位 数值 入口固体含量 η 1 19.1% 干滤饼总质量 m FB ' t 1118.6 滤饼中不溶性固体含量 m US t 615.22 滤饼中可溶性固体含量 m S t

503.4 滤液总质量 m FY t 2113 滤液中不溶性固体含量 m US ' t

3.096 滤液含固量 η' 1

0.15%

2.6中和

2.6.1中和的物料衡算

项目 数值 加入石灰调节 pH 10

pH 回调 450% 固液分离设备 真空鼓式过滤机 悬浮石膏去除率 99.5% 滤饼含水量 20%

进入到中和操作的滤液量为2113t ，取滤液的密度ρ=1.108×103kg/m 3，则可得滤液的体积为

3

3

331907/10108.1102113m m

kg kg m V FY =??==ρ 中和前滤液H +的浓度为

L mol L

mol V

n C H H

/392.010********.73

5=??==+

+

中和后，液相的pH 为10，其OH －的浓度为

L mol C OH /1010

1041014

---==-

忽略中和过程中体系体积的变化，则将体系的pH 调至10需要加入的石灰粉的质量为

t

M V

C n m OH Ca OH H OH Ca 64.27742

101907101047.72

345)()(2

2

=???+?=??+=

--

+

将pH 回调至7所需加入的纯硫酸的质量为

kg M V

C m SO H OH 344.9982

101907102

'34纯硫酸4

2=???=??=

--

此时，可生成CaSO 4沉淀的质量为

t M V

C n M n m CaSO OH H CaSO Ca CaSO 80.502

44

4

=??+=

?=-

+

+

经固液分离，可去除悬浮石膏的质量为

t t m CaSO 546.50%5.998.50'4

=?=

滤饼总质量为

t m m CaSO FB 2.63%

201'

'4

=-=

滤饼含水质量为

t m m FB O H 64.12%20'2

=?=

2.6.2中和操作计算结果一览表

表5 中和操作计算结果一览表

项目 符号 单位

数值 石灰粉用量 2)(OH Ca m

t 27.64 回调pH 纯硫酸用量 '纯硫酸m kg 9.344 悬浮石膏去除质量 '4CaSO m t 50.80 滤饼含水质量 O H m 2

t

12.64

3.糖化发酵

3.1糖化

3.1.1糖化操作的计算

项目 数值 糖化温度 65°C 糖化初始含固量 20%

停留时间 1.5 days 酶添加量 12 U/g cellulose

将中和并除去悬浮石膏的滤液与之前过滤操作中所形成的滤饼混合，形成即将进行糖化处理的体系，则该体系中，不溶性固体的质量为

618.32+50.80×0.5%=618.58t

体系总质量为

1118.6+2113+27.64+9.344×10-3－50.56－12.64=3196.0t

此时体系的含固量为

%20%35.19%1000

.319632

.618'' =?=

η

故该体系可以直接用于糖化。

这里，我们使用枣阳市杰诺生物酶有限公司生产的固态酸性酸性纤维素酶来催化聚糖的糖化过程，其比活力为40000U/g 。纤维素酶的添加比例为12U/g cellulose （纤维素，聚糖），用于糖化的体系中聚糖的质量为342.58t ，则酶的添加量为

kg g

U g U g m m

78.102/40000/121058.3426=??=

表6 糖化操作的计算结果一览表

项目 符号 单位 数值

初始含固量 η'' 1 19.35% 添加酶的质量

m m kg

102.78

3.1.2糖化过程的物料衡算

糖化反应及转化率

底物

转化率

(Glucan)n +nH 2O → n Glucose Oligomer Glucan 0.04 (Glucan)n + ?n H2O → ?n Cellobiose Glucan 0.012 (Glucan)n + n H2O → n Glucose Glucan 0.9 Cellobiose + H2O → 2 Glucose Cellobiose 1

① Glucan ）n +nH 2O →nGlucose Oligomer

参加此反应的聚糖的质量为 342.58t ×0.04=13.7t

这里，我们依然认为所形成的低聚糖均为五糖，则可近似计算出 反应消耗水的质量 t m 298.018828107.1367

=??=

反应生成低聚糖的质量 t m GO 8.13846828

107.1362

=??=

② Glucan ）n +1/2nH 2O →1/2nCell0biose

参加此反应的聚糖的质量为 342.58t ×0.012=4.11t

纤维二糖的分子式为C 12H 22O 11，其分子量为342。可近似计算出 反应消耗水 t m 228.018183421011.468

=?-?=

反应生成纤维二糖 t m C 338.434218

3421011.462

=?-?=

③ Glucan ）n +nH 2O →nGlucose

参加此反应的聚糖的质量为 342.58t ×0.9=308.32t 反应消耗水 t m 258.3418181801032.30869

=?-?=

反应生成葡萄糖

t

m G 58.34218018

1801032.30862

=?-?= ④ Cellobiose + H 2O → 2 Glucose