發(fā)酵秸稈碎料內(nèi)乙醇平面熱源法提取及其設(shè)備設(shè)計(jì)

周敬之 馮俊小,2

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083； 2.冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

我國(guó)年產(chǎn)10億t秸稈，秸稈回收利用是再生能源和環(huán)境課題[1-2]。目前我國(guó)秸稈利用水平較低，焚燒和制飼料仍是主要途徑[3]。清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)[4](Advanced solid-state fermentation，ASSF)，用回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵秸稈碎料，乙醇化回收稈中糖分，料糟仍可焚燒或制飼料等，該技術(shù)已經(jīng)投產(chǎn)[5-6]。

然而，發(fā)酵料內(nèi)乙醇的提取過(guò)程存在諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約著該技術(shù)的推廣[7-8]。目前的分離方法是將料在籠屜上鋪為薄層，由下而上通入水蒸氣，水蒸氣通過(guò)料層吸收料中乙醇，含醇蒸汽匯集后進(jìn)入分餾塔。該方法燒水能耗高，占ASSF技術(shù)全流程能耗近70%；料容易堵蒸籠造成蒸汽短路，不得不頻繁停產(chǎn)開(kāi)罐清理；設(shè)備體積龐大；引入大量水分增加后續(xù)提餾成本；分離后的料含濕量大大增加，難于進(jìn)一步利用。為解決上述問(wèn)題，本文采用直接干燥提取[9]。由于熱風(fēng)、紅外等提取方式能耗高[10-11]，嘗試用平面熱源直接加熱發(fā)酵料提取料中乙醇，研究其能效情況，并給出一套相關(guān)裝備的初步設(shè)計(jì)方案，力求比現(xiàn)有乙醇分離裝置[12]的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性更高。

1 發(fā)酵料和配置料對(duì)比

發(fā)酵料中濕分含量和濕分中乙醇體積分?jǐn)?shù)難于控制，不利于定量研究。故對(duì)晾干的發(fā)酵料均勻配上一定量、一定濃度的乙醇溶液，制作配置料，與發(fā)酵料進(jìn)行平面熱源熱重試驗(yàn)，對(duì)比兩者在平面熱源加熱下的熱重變化規(guī)律。配置料的料質(zhì)量、含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)、加熱溫度與發(fā)酵料相同。若發(fā)酵料和配置料的失重曲線十分接近，則可用配置料來(lái)代替發(fā)酵料進(jìn)行研究，這利于定量化及后續(xù)數(shù)學(xué)建模。已知晾干的發(fā)酵料僅留下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的細(xì)胞壁和管胞等多孔框架，倘若外加濕分，液體會(huì)因毛細(xì)作用而被孔洞貯存，不存在化合與結(jié)合作用，而發(fā)酵料中濕分的存在形式也很可能與此相同。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

Sartorius MA150型水分分析儀[13]，可調(diào)節(jié)加熱溫度40～220℃，樣品稱量上限150 g，質(zhì)量分辨率1 mg，干燥時(shí)長(zhǎng)0～99 min?？晒潭〞r(shí)間間隔輸出被測(cè)物料質(zhì)量，采用SoftwareWedge 1.1軟件采集數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)取山東省東營(yíng)市產(chǎn)的耐干旱耐鹽堿甜高粱稈，用高噴- 500型粉碎機(jī)粉碎，分為4組，分別用試驗(yàn)室級(jí)ASSF罐固態(tài)發(fā)酵。發(fā)酵完成后，測(cè)定各組發(fā)酵料的含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)。任選一組，取2份10 g的發(fā)酵料，一份放在保鮮自封袋中，為發(fā)酵料；另一份完全干燥，與一定量、一定濃度的乙醇溶液同加入保鮮袋，密封置于陰涼處，至干秸稈均勻吸收乙醇溶液、袋內(nèi)沒(méi)有液相(一般需1 d)，為發(fā)酵料對(duì)應(yīng)的配置料[14]。由于料的體積由其中的秸稈部分決定，與濕分無(wú)關(guān)，故發(fā)酵料和配置料的體積相同。同法處理其他3組發(fā)酵料，共獲得4對(duì)樣品。

(2)將水分分析儀的平面熱源溫度設(shè)為100℃。選一對(duì)樣品，將發(fā)酵料從保鮮袋中取出放在水分分析儀的熱天平上，進(jìn)行熱重試驗(yàn)，自動(dòng)記錄稱量數(shù)據(jù)至料蒸干，導(dǎo)出各時(shí)刻的料質(zhì)量數(shù)據(jù)，繪制料質(zhì)量- 時(shí)間點(diǎn)線圖；清理熱天平，將配置料從保鮮袋中取出，放在熱天平上，在相同條件下加熱并記錄稱量數(shù)據(jù)至料蒸干，導(dǎo)出每一時(shí)刻的料質(zhì)量數(shù)據(jù)，繪制料質(zhì)量- 時(shí)間點(diǎn)線圖。

圖1 料質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線Fig.1 Changing curves of material mass

(3)同法對(duì)其他3對(duì)樣品進(jìn)行熱重試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，繪制點(diǎn)線圖，結(jié)果如圖1所示。

1.3 結(jié)果分析

由圖1可知，發(fā)酵料和配置料的質(zhì)量曲線高度吻合；兩者最大誤差小于5%。配置料中的濕分和乙醇的存在形態(tài)與發(fā)酵料中可等效認(rèn)為相同，可用配置料來(lái)研究料中乙醇的平面熱源提取過(guò)程，利于定量化研究。

2 料中乙醇的平面熱源提取及其建模

2.1 料中濕分的質(zhì)量變化規(guī)律

2.1.1正交試驗(yàn)

在平面熱源加熱下，研究含濕量、加熱溫度、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)料中濕分質(zhì)量變化速率的影響。

2.1.1.1試驗(yàn)設(shè)備

Sartorius MA150型水分分析儀，SoftwareWedge 1.1軟件，可調(diào)溫水浴鍋。

2.1.1.2因素及水平設(shè)置

已知發(fā)酵料的含濕量為60%～80%，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)5%～7%[15-17]，故基于此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的因素水平，并稍擴(kuò)大研究區(qū)間。平面熱源加熱溫度下限設(shè)為室溫20℃，上限設(shè)為純水沸點(diǎn)100℃(乙醇溶液沸點(diǎn)低于100℃)，如表1所示。

2.1.1.3試驗(yàn)步驟

(1)準(zhǔn)備25份、每份2 g的晾干發(fā)酵料，分別放入保鮮自封袋中。其中1份添加18 g、11%的乙醇溶液，封口，置于陰涼恒室溫處，至袋中沒(méi)有明顯液相(一般需1 d)，可認(rèn)為秸稈充分而均勻地吸收了液體。由此得到1份20 g、含濕量90%的配置料，如表1第1行所示參數(shù)水平。同法配置其它24份試驗(yàn)樣品。

(2)將一份含濕量90%、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)11%的配置料在水浴鍋中預(yù)熱至100℃后取出，打開(kāi)保鮮密封袋，放在100℃的平面熱源上蒸餾，用軟件自動(dòng)記錄料質(zhì)量數(shù)據(jù)至料完全蒸干(此時(shí)干料質(zhì)量2 g)。同法依次對(duì)表1中余下24組料中乙醇平面熱源進(jìn)行提取試驗(yàn)。預(yù)熱的目的是排除料升溫過(guò)程對(duì)蒸餾的影響。

(3)根據(jù)“料質(zhì)量- 時(shí)間”數(shù)據(jù)計(jì)算各組料的初始質(zhì)量變化速率，共25個(gè)值，如表1所示。料質(zhì)量變化速率即料中濕分質(zhì)量變化速率。

由極差分析得出，在本文研究的范圍內(nèi)，在平面熱源的加熱下，對(duì)料中濕分質(zhì)量變化速率影響從大到小依次為加熱溫度、料含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)。加熱溫度和料含濕量的影響水平為同數(shù)量級(jí)，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響比前兩者低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

故在誤差允許范圍內(nèi)，可不考慮濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)料中濕分質(zhì)量變化速率的影響。

表1 正交試驗(yàn)安排與結(jié)果Tab.1 Orthogonal test plan and results

2.1.2完全試驗(yàn)及回歸模型

試驗(yàn)?zāi)康氖堑贸隽现袧穹仲|(zhì)量變化速率與含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)、平面熱源溫度的回歸模型。

試驗(yàn)設(shè)備包括：Sartorius MA150型水分分析儀，SoftwareWedge 1.1軟件，水浴鍋。

參考表1設(shè)置完全試驗(yàn)的因素水平：料含濕量水平90%、70%、50%、30%、10%，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)水平11%、9%、7%、5%、3%，加熱溫度100、80、60、40、20℃。

2.1.2.1試驗(yàn)步驟

(1)準(zhǔn)備125份、每份2 g的晾干發(fā)酵料，分別放入保鮮自封袋中。取其中5份各添加18 g的11%乙醇溶液，封口放在陰涼處，至袋內(nèi)沒(méi)有液相(一般需要1 d)，秸稈充分而均勻地吸收了液體。由此得到5份含濕量90%、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)11%的配置料，以用于在100、80、60、40、20℃的平面熱源上提取料中乙醇。依次同理配置其它120袋配置料。

(2)取1袋含濕量90%、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)11%的配置料，隔著保鮮密封袋在水浴鍋中預(yù)熱至100℃后取出。打開(kāi)保鮮密封袋，在100℃的平面熱源上加熱至料蒸干。用軟件自動(dòng)記錄全過(guò)程料質(zhì)量數(shù)據(jù)。同理將該含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)的其他4袋料進(jìn)行熱重試驗(yàn)，平面熱源溫度分別為80、60、40、20℃。

對(duì)其他120袋料進(jìn)行熱重試驗(yàn)，以測(cè)得不同含濕量、不同濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)的配置料在不同平面熱源溫度下的熱重?cái)?shù)據(jù)。

(3)根據(jù)“料質(zhì)質(zhì)量- 時(shí)間”數(shù)據(jù)計(jì)算出各組料中濕分質(zhì)量變化速率，共125個(gè)數(shù)值,用于回歸數(shù)學(xué)模型。

(4)以加熱溫度為x軸，料含濕量為y軸，料中濕分質(zhì)量變化速率用顏色標(biāo)識(shí)，在相同的坐標(biāo)和色卡范圍內(nèi)，作不同濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)下的云圖，如圖2所示。

圖2 不同濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)下的料中濕分質(zhì)量變化速率Fig.2 Wet change speed of material under different ethanol concentration in wet

2.1.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，在本文研究的范圍內(nèi)，料中濕分質(zhì)量變化速率受加熱溫度和料含濕量的影響較大，隨濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)變化不大。這符合前文正交試驗(yàn)得出的結(jié)論。故在回歸料中濕分質(zhì)量變化速率模型時(shí)，可不考慮濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)。由于工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵料中濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)多為7%，統(tǒng)一以7%的情況為基準(zhǔn)，整理料中濕分質(zhì)量變化速率數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 料中濕分質(zhì)量變化速率Tab.2 Wet change speed g/min

分別以料含濕量、加熱溫度作x軸，料中乙醇質(zhì)量變化速率作y軸，作點(diǎn)線圖，如圖3所示。

觀察圖3可知，料中濕分質(zhì)量變化速率隨料含濕量呈線性變化，隨加熱溫度呈極緩的冪函數(shù)變化。設(shè)料中濕分質(zhì)量變化速率為Vloss,e，料含濕量為θ，加熱溫度為T(mén)。用OriginPro軟件，用一階偏導(dǎo)數(shù)Marquardt法+UGO法，對(duì)表2數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)模型擬合得

Vloss,e=0.000 34θ(42.797 1-T1.494 7)
(R2=0.994 9)

(1)

圖3 料中濕分質(zhì)量變化速率隨料含濕量和加熱溫度的變化Fig.3 Changing curves of wet change speed with wet content and heating temperature

圖4 不同加熱溫度、含濕量下的料中濕分質(zhì)量變化速率的試驗(yàn)值和模型計(jì)算值Fig.4 Test value and model calculation value of wet change speed at different heating temperatures and wet contents

用所得回歸模型計(jì)算表2參數(shù)水平下的料中濕分質(zhì)量變化速率。以料含濕量為x軸，加熱溫度為y軸，料中濕分質(zhì)量變化速率為z軸，繪制表2數(shù)據(jù)和模型計(jì)算值的三維圖及投影，如圖4所示。由圖4可知，回歸模型計(jì)算值與表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)值的誤差極小。計(jì)算可得兩者平均相對(duì)誤差-1.702 7%，模型平均準(zhǔn)確度大于98%，完全滿足工程使用需要。

2.2 乙醇溶液的蒸餾規(guī)律

配置料中不存在化合水和結(jié)合水，故平面熱源提取料中乙醇實(shí)際上可等效為在干秸稈形的加熱器上加熱乙醇溶液過(guò)程，則乙醇溶液的平面熱源蒸餾過(guò)程有重要參考意義。

乙醇與水因存在氫鍵而互溶共沸，無(wú)法像原油那樣分餾。但乙醇溶液蒸汽內(nèi)乙醇體積分?jǐn)?shù)與溶液內(nèi)乙醇體積分?jǐn)?shù)的比值K(揮發(fā)系數(shù))大于1，由此可見(jiàn)，平面熱源提取料中乙醇本身就是一次對(duì)乙醇的富集過(guò)程，這顯著優(yōu)于蒸汽提醇法。倘有條件在減壓環(huán)境下進(jìn)行乙醇蒸餾，則所得乙醇蒸汽的濃度將更高，更有利于降低后續(xù)提餾成本。本文根據(jù)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸出常壓下乙醇溶液揮發(fā)系數(shù)K的方程為

(2)

式中ω——濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)，%

2.3 料中乙醇的提取規(guī)律

以下建立料中乙醇提取率與料初始質(zhì)量、初始含濕量、初始濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)、加熱溫度、加熱時(shí)間、料含濕量、料中濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)之間的函數(shù)關(guān)系方程組。

建立平面熱源加熱下發(fā)酵料中乙醇提取率模型為

(3)

式中Φ—— 乙醇提取率

m0—— 料初始質(zhì)量

θ0—— 料初始含濕量，%

ω0—— 初始濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)，取7%

t—— 加熱時(shí)間

料含濕量計(jì)算公式為

(4)

料中濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為

(5)

將式(1)～(5)結(jié)合進(jìn)行推導(dǎo)，化簡(jiǎn)式(3)～(5)。由于發(fā)酵料濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)范圍為5%～7%，化簡(jiǎn)可得

(6)

(7)

(8)

其中

C1=0.000 34(42.797 1-T1.494 7)

(9)

(10)

則用平面熱源從發(fā)酵料中提取乙醇的方程組為式(6)～(10)。

由于熱重試驗(yàn)測(cè)Vloss,e及擬合Vloss,e是在水分分析儀的電熱盤(pán)直徑8 cm、料層厚度5 mm、料質(zhì)量2g/(1-θ0)的前提下進(jìn)行的，故式(6)～(10)的推導(dǎo)前提也是如此，只適用于鋪料圓直徑8 cm、料層厚度5 mm、料中干成分質(zhì)量2 g這一前提。為此，需驗(yàn)證當(dāng)料質(zhì)量和料層厚度改變后，式(6)～(10)是否仍可用。

試驗(yàn)研究表明，料鋪展面積保持不變，在料層厚度h=5～50 mm范圍內(nèi)，Vloss的計(jì)算式幾乎不變，則式(6)～(10)也隨之不變，可繼續(xù)使用。當(dāng)h>50 mm，Vloss的數(shù)值開(kāi)始明顯減小，這可能是由料層過(guò)厚，對(duì)逸散氣體的阻礙作用已不可忽略導(dǎo)致的。若在平面熱源上翻動(dòng)料層，使該阻力進(jìn)一步減弱，則理論上對(duì)更厚的料層也可用式(6)～(10)進(jìn)行計(jì)算。

若料層厚度h和料質(zhì)量都改變(h= 5～50 mm)，由常理推斷可知，h不變，改變m0的本質(zhì)是改變了平面熱源上料的鋪展面積，但單位料的受熱強(qiáng)度并未改變，故熱重試驗(yàn)時(shí)獲得的料中濕分質(zhì)量變化速率Vloss,e可根據(jù)鋪料面積變化而按比例增大。如果h也發(fā)生變化，只要h在5～50 mm的范圍內(nèi)，其計(jì)算核心不變，仍是求平面熱源上的鋪料面積。

設(shè)料質(zhì)量從2g/(1-θ0)改為m0，料層厚度從5 mm改為h，則Vloss,e的計(jì)算式變?yōu)?/p>

(11)

式中Vloss——具有更廣泛通用性的料中濕分質(zhì)量變化速率，g/min

依前文方法推導(dǎo)，可得

(12)

該計(jì)算模型是從秸稈碎料已升溫至平面熱源溫度時(shí)起開(kāi)始計(jì)算的，不包含秸稈碎料在平面熱源上的升溫過(guò)程。但由于試驗(yàn)過(guò)程中，秸稈碎料升溫至與平面熱源相同溫度所用的時(shí)間，相對(duì)于乙醇完全提取所需的1～2 h而言，持續(xù)時(shí)間很短，影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，秸稈碎料升溫過(guò)程可以忽略。且實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以采用換熱技術(shù)[18]，將已蒸出氣體和蒸后的熱秸稈與待蒸秸稈進(jìn)行隔離換熱，進(jìn)一步提高待蒸秸稈的初始溫度，使實(shí)際提取過(guò)程更接近本模型描述，也使得平面熱源提取發(fā)酵料中乙醇的工藝成本更低。

則無(wú)論料質(zhì)量如何，只要料層厚度為5～50 mm，發(fā)酵料含濕量0～90%，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)為5%～11%，加熱溫度20～100℃，忽略加熱料的升溫過(guò)程，就可用式(6)、(8)～(10)、(12)計(jì)算任意加熱溫度、任意加熱時(shí)長(zhǎng)后的料含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)、乙醇提取率等數(shù)據(jù)。

作真實(shí)發(fā)酵料的平面熱源提醇試驗(yàn)，與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。真實(shí)固態(tài)發(fā)酵一批甜高粱稈粉碎料，取樣測(cè)得含濕量為73%，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)7.6%。取40份發(fā)酵料樣品，每份10 g，分別裝在保鮮自封袋內(nèi)。

取20份樣品，在水浴鍋內(nèi)預(yù)熱至100℃，然后取其中一份置于水分分析儀上進(jìn)行熱重試驗(yàn)，4 min后取出樣品測(cè)含濕量并記錄。同理對(duì)水浴鍋內(nèi)其它19份樣品進(jìn)行熱重試驗(yàn)，分別在8、12、16、20、…、80 min時(shí)停止加熱，取出樣品測(cè)含濕量。將這20個(gè)數(shù)據(jù)合并為發(fā)酵料在預(yù)熱前提下的平面熱源加熱數(shù)據(jù)。

取另20份樣品，保持室溫20℃。取其中一份置于水分分析儀上進(jìn)行熱重試驗(yàn)，4 min后取出樣品測(cè)含濕量并記錄。同理對(duì)其它19份樣品進(jìn)行熱重試驗(yàn)，分別在8、12、16、20、…、80 min時(shí)停止加熱，取出樣品測(cè)濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)。將這20個(gè)數(shù)據(jù)合并為發(fā)酵料在不預(yù)熱前提下的平面熱源加熱數(shù)據(jù)。

用Visual Basic將式(6)、(8)～(10)、(12)編寫(xiě)計(jì)算程序。設(shè)m0=10 g，θ0=73%，ω0=7.6%，h=5 mm，T=100℃，計(jì)算各時(shí)刻θ和ω。在計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)料中乙醇幾乎提取完，料含濕量仍未降至零，此時(shí)由于ω=0，式(12)無(wú)法再使用，需要用式(11)和時(shí)間步長(zhǎng)dt來(lái)計(jì)算更新料含濕量。

將預(yù)熱與不預(yù)熱的試驗(yàn)測(cè)得的含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算所得數(shù)據(jù)同作散點(diǎn)圖，進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 模型計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of model calculation result and test result

由圖5可知，模型計(jì)算值與兩組真實(shí)發(fā)酵樣品試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合較好，其中模型計(jì)算值與料預(yù)熱情況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得更好，料不預(yù)熱時(shí)，料含濕量和料中濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)的降低過(guò)程比料預(yù)熱時(shí)有延遲，這印證了前文的推論。但延遲并不明顯，工程使用時(shí)可忽略。

濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)在前10 min內(nèi)迅速降低，此時(shí)料含濕量剛降低至60%，則不必付出大量熱成本將料完全蒸干。這對(duì)減少料中乙醇的提取成本有非常重要的意義。

2.4 成本模型及利潤(rùn)分析

假設(shè)維持加熱溫度T所需的能量消耗為P(單位：W)；維持功率支出為B(單位：元/(W·s))。O是平面熱源加熱總成本(單位：元)；U是加熱的單位成本(單位：元/(kW·h))。則維持加熱溫度T所需的成本為PB(單位：元/s)。理想情況下，設(shè)平面熱源熱量全部用于蒸出料中濕分，不存在對(duì)環(huán)境散熱，則平面熱源發(fā)熱量等于蒸出濕分的汽化潛熱。由Vloss的計(jì)算式和水、乙醇的汽化潛熱，可推導(dǎo)出維持加熱溫度T所需功率P的計(jì)算公式，進(jìn)而推導(dǎo)出平面熱源加熱成本模型。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可乘以大于1的系數(shù)對(duì)成本模型進(jìn)行修正。

濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)在不斷變化，單位時(shí)間蒸出液的汽化潛熱也在不斷變化。乙醇的汽化潛熱是812 J/g，水是2 293 J/g，將兩者按比例復(fù)合得到濕分的汽化潛熱。則平面熱源加熱功率計(jì)算式為

P=-Vloss[812ωK+2 293(1-ωK)]

(13)

成本計(jì)算式為

(14)

結(jié)合式(6)、(8)～(10)、(12)可推導(dǎo)得平面熱源加熱總成本O的模型

(15)

成本模型式(15)的適用前提與料中乙醇提取率模型相同，為料床厚度5～50 mm，料含濕量0～90%，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)5%～7%，加熱溫度20～100℃。忽略加熱料的升溫過(guò)程。

將成本模型式(15)用Visual Basic一并寫(xiě)入計(jì)算軟件中。設(shè)m0=106g，θ0=70%，ω0=7%，h=30 mm，U取常用電價(jià)0.5元/(kW·h)，計(jì)算乙醇蒸出率Φ和蒸出總成本O。假設(shè)蒸出的乙醇蒸汽凈化、提餾、精餾生產(chǎn)1 kg無(wú)水乙醇耗費(fèi)10元，無(wú)水乙醇的市場(chǎng)售價(jià)是30元/kg，則可計(jì)算出生產(chǎn)利潤(rùn)。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，分別以乙醇提取率、利潤(rùn)為縱坐標(biāo)作點(diǎn)圖，如圖6所示。

圖6 乙醇提取率和利潤(rùn)隨加熱時(shí)間的變化Fig.6 Change of ethanol separation rate and profit with heating time

由圖6可知，當(dāng)料內(nèi)乙醇提取率約為1，利潤(rùn)將開(kāi)始下降。這印證了前文的不必將料全部蒸干的結(jié)論。圖6的最佳蒸出時(shí)間(即利潤(rùn)最高點(diǎn))出現(xiàn)在124 min，此時(shí)乙醇提取率0.988，料剩余含濕量59.6%，加熱總成本91元，可得到48.4 kg無(wú)水乙醇，總利潤(rùn)高達(dá)876元。該利潤(rùn)值遠(yuǎn)高于使用現(xiàn)有乙醇分離方法可得利潤(rùn)[19]。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于傳熱、氣體逸散排出效率、料預(yù)熱等因素，利潤(rùn)無(wú)法達(dá)到該值。該利潤(rùn)已能充分說(shuō)明平面熱源提取發(fā)酵料中乙醇的絕對(duì)優(yōu)越性。此外，該利潤(rùn)值及本文提出的計(jì)算模型可作為極限情況，用作平面熱源提取發(fā)酵料中乙醇的工藝開(kāi)發(fā)參考。在實(shí)際使用本文計(jì)算模型過(guò)程中，可乘以小于1的系數(shù)。

3 設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

借鑒盤(pán)式電加熱結(jié)構(gòu)[20-22]，設(shè)計(jì)了一套采用電熱盤(pán)的發(fā)酵料中乙醇平面熱源連續(xù)提取裝置。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 發(fā)酵料中乙醇平面熱源連續(xù)提取裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagrams of continuous ethanol separation equipment based on planar thermal source1.換熱器 2.螺旋輸料機(jī) 3.外殼 4.電熱盤(pán) 5.旋臂及耙子 6.旋臂中軸 7.小型引風(fēng)機(jī) 8.閥

發(fā)酵料從裝置上部氣固換熱器的入料口加入，與熱的乙醇濕蒸汽換熱后，經(jīng)螺旋輸送刀片送入提取裝置內(nèi)。螺旋輸送段可起到密封效果。入料落在多級(jí)電熱盤(pán)的最上級(jí)，被電熱盤(pán)加熱，提取料中乙醇。在大盤(pán)外圍有擋板，中間有空洞，小盤(pán)中間空洞極小，外圍無(wú)擋板。中軸帶動(dòng)旋臂轉(zhuǎn)動(dòng)，臂下連著斜板耙子一圈圈翻動(dòng)并推動(dòng)盤(pán)上料，小盤(pán)向外推，大盤(pán)向內(nèi)推，使發(fā)酵料由上至下總體呈折線型運(yùn)動(dòng)，如圖7中紅線所示。發(fā)酵料從最底層電熱盤(pán)脫離后，落入分離裝置底部集料口，被螺旋輸料機(jī)帶出，送入料糟收集裝置。平面熱源蒸出的含乙醇蒸汽因密度比空氣小而上升，在設(shè)備頂部匯集，由小型引風(fēng)機(jī)抽入換熱器內(nèi)，與乙醇提取前的發(fā)酵料進(jìn)行氣固換熱，回收熱能，預(yù)熱料溫。換熱后的乙醇蒸汽進(jìn)入節(jié)流閥，體積膨脹，溫度下降，凝結(jié)為液體，由下降管流出，送入精餾塔進(jìn)一步提純。

該設(shè)備具有生產(chǎn)連續(xù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需維護(hù)、無(wú)蒸汽短路等優(yōu)點(diǎn)，耙葉推進(jìn)翻動(dòng)發(fā)酵料提高了料受熱效率，大大減弱料層對(duì)氣體逸散的阻礙，提高了乙醇提取效率，且使得本設(shè)備可采用前文得出的方程進(jìn)行計(jì)算。除電熱盤(pán)外，整個(gè)設(shè)備僅需對(duì)耙臂旋轉(zhuǎn)中軸、蒸汽引風(fēng)機(jī)進(jìn)行少量供電，能耗低廉。

此外，如能在設(shè)備內(nèi)加裝減壓裝置，使整個(gè)系統(tǒng)處在負(fù)壓環(huán)境下，則料中乙醇將更快蒸出，乙醇的揮發(fā)系數(shù)將升高，蒸汽內(nèi)乙醇體積分?jǐn)?shù)也將因此提升，有利于進(jìn)一步降低后續(xù)提餾成本，但由此也增加了減壓成本[23-25]。

設(shè)備內(nèi)料質(zhì)量為進(jìn)料速度與發(fā)酵料的受熱時(shí)長(zhǎng)的乘積。由前文可知：在發(fā)酵料的含濕量θ0、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)ω0確定的情況下，在不考慮發(fā)酵料在平面熱源上的預(yù)熱過(guò)程和設(shè)備內(nèi)乙醇蒸汽不飽和的情況下，當(dāng)設(shè)備內(nèi)料質(zhì)量m0和加熱溫度T都確定，影響出料乙醇提取率Φ的因素就是料在電熱盤(pán)上的停留時(shí)間——加熱時(shí)間t。t是計(jì)算該設(shè)備內(nèi)料質(zhì)量m0的核心，只有得到m0，在給定的加熱溫度T下，計(jì)算出發(fā)酵料的最經(jīng)濟(jì)受熱時(shí)長(zhǎng)，乙醇分離后的料含濕量、濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)、乙醇提取率。

在本文設(shè)備中

t=tbnb+tsns

其中

tb=rbtΩ/lb
ts=rstΩ/ls

式中tb——大盤(pán)上料停留時(shí)間，min

nb——大盤(pán)數(shù)

ts——小盤(pán)上料停留時(shí)間，min

ns——小盤(pán)數(shù)

rb——大盤(pán)面的有效半徑，等于大盤(pán)外半徑與內(nèi)空洞半徑的差值，m

lb、ls——大、小盤(pán)耙臂中軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)耙葉對(duì)料的徑向推進(jìn)距離，m

rs——小盤(pán)面有效半徑，等于小盤(pán)外半徑與內(nèi)空洞半徑的差值，m

tΩ——耙臂中軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)長(zhǎng)，min

故計(jì)算t的前提是知曉大小電熱盤(pán)、耙臂耙葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)和耙臂中軸轉(zhuǎn)速。在不改變大小電熱盤(pán)、耙臂耙葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，改變耙臂中軸旋轉(zhuǎn)周期是唯一改變料受熱時(shí)長(zhǎng)的手段，這固然可使t接近該θ0、ω0、m0、T下的最經(jīng)濟(jì)受熱時(shí)長(zhǎng)te，但改變耙臂中軸轉(zhuǎn)速的同時(shí)也會(huì)改變?cè)O(shè)備內(nèi)料質(zhì)量m0，反過(guò)來(lái)又影響最經(jīng)濟(jì)受熱時(shí)長(zhǎng)te的計(jì)算結(jié)果。這是一個(gè)交互作用耦合調(diào)節(jié)的過(guò)程，需反復(fù)迭代計(jì)算求得最佳耙臂中軸轉(zhuǎn)速。

3.2 電熱盤(pán)和耙葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

參考電熱盤(pán)干燥器的計(jì)算過(guò)程，設(shè)計(jì)本文所用電熱盤(pán)及其耙葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為減少所需設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文設(shè)計(jì)以4級(jí)電熱盤(pán)為前提，單盤(pán)均為4旋臂，耙葉在旋臂上等徑向距離安裝，對(duì)指定電熱盤(pán)而言，單根旋臂上耙葉數(shù)相等，則盤(pán)數(shù)和旋臂數(shù)固定，僅需設(shè)計(jì)盤(pán)面和耙葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)。電熱盤(pán)上秸稈碎料分布示意圖如圖8所示。

圖8 電熱盤(pán)上秸稈碎料分布示意圖Fig.8 Sketch of material distribution on disc1.旋臂 2.發(fā)酵料 3.耙葉

圖中僅畫(huà)出2根旋臂，每根旋臂上只畫(huà)出耙葉的其中之一。圖8為大盤(pán)旋臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，料在耙葉刮動(dòng)下向盤(pán)中心移動(dòng)。則相對(duì)于圖中左上部的耙葉來(lái)說(shuō)，右下部耙葉為左上部耙葉的給料耙，將料推向左上部耙葉的旋轉(zhuǎn)刮動(dòng)區(qū)；左上部耙葉為右下部耙葉的取料耙，取走給料耙所推過(guò)來(lái)的料。給料和取料是一種相對(duì)關(guān)系，同一個(gè)耙葉即是給料耙也是取料耙。小盤(pán)情況可同法理解。

黃色區(qū)域?yàn)楸P(pán)面，其中深黃色帶圈區(qū)域?yàn)榱蠀^(qū)，棕色長(zhǎng)線為旋臂及耙葉。耙葉為方形薄板，寬度為L(zhǎng)，安裝角為α。秸稈碎料在盤(pán)上被刮成一圈圈料環(huán)。A-A和B-B為料環(huán)截面。r為某圈料的中心線的半徑，β等于發(fā)酵料的靜態(tài)休止角。發(fā)酵料流動(dòng)特性各個(gè)方向基本均勻一致，在含濕量50%～70%的情況下其靜態(tài)休止角基本為定值，試驗(yàn)測(cè)得為51°。

通常在生產(chǎn)過(guò)程中，耙葉端點(diǎn)軌跡應(yīng)該是料環(huán)的中線，即圖8中A-A的三角形對(duì)稱線。但實(shí)際生產(chǎn)中，耙葉端點(diǎn)的軌跡是有一定的重疊，如圖9b所示，即取料耙葉刮掃面積之間存在部分重疊。圖中耙葉運(yùn)動(dòng)方向均為垂直紙面向外。

圖9 料環(huán)與耙葉間的相對(duì)位置關(guān)系Fig.9 Relative position of material ring and rake board

由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的情況一般符合圖9b所示工況，以下物料堆積運(yùn)動(dòng)模型的建立按該工況進(jìn)行。下面推導(dǎo)電熱盤(pán)上料停留時(shí)間計(jì)算式。

取料耙葉與給料耙葉刮過(guò)的面積存在一定的重疊，定義重疊率

(16)

式中n——耙葉總數(shù)

Rin——電熱盤(pán)內(nèi)徑，m

Rout——電熱盤(pán)外徑，m

重疊率ξ表示一個(gè)料環(huán)上相鄰取料耙葉與給料耙葉在電熱盤(pán)面上掃過(guò)的面積之間的重疊狀況。由式(16)可知，在耙葉的數(shù)目及安裝角度一定的情況下，重疊率與耙葉的寬度存在正比關(guān)系，在設(shè)計(jì)中為綜合考慮電熱盤(pán)面秸稈積料質(zhì)量、物料停留時(shí)間，防止產(chǎn)生物料滯留現(xiàn)象，保證盤(pán)面物料的傳熱傳質(zhì)效果，應(yīng)控制ξ>0，即控制在旋臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，取料耙葉和給料耙葉的端點(diǎn)軌跡存在一定重疊，給料耙葉刮來(lái)的料能被取料耙葉完全刮走，無(wú)物料滯留區(qū)存在。然而，ξ并非越大越好。當(dāng)取料耙葉與料環(huán)如圖10的位置關(guān)系時(shí)，盤(pán)面料環(huán)情況將從多層圓環(huán)變得類似蚊香狀，料環(huán)數(shù)大大減少，盤(pán)面料質(zhì)量減少，不利于充分利用電熱盤(pán)。定義此時(shí)的重疊率為臨界重疊率ξc。

圖10 ξ=ξc時(shí)取料耙葉與料環(huán)的位置關(guān)系Fig.10 Position relationship between rake and material ring when ξ=ξc

臨界重疊率ξc計(jì)算式為

(17)

式中S——給料速度，kg/s

Ω——旋臂中軸轉(zhuǎn)速，r/s

ρ——料堆積密度，kg/m3

設(shè)取料耙葉最前端軌跡線與料環(huán)中線的半徑差為η，如圖8所示，則其計(jì)算式為

(18)

任選一料環(huán)，在穩(wěn)定工況下，一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入該料環(huán)的物料質(zhì)量應(yīng)與從該料環(huán)被刮走的物料質(zhì)量相等。守恒方程為

(19)

式中r*——圖8中A-A截面重心位置的半徑，m

r*計(jì)算較為復(fù)雜，由于料環(huán)中線的半徑遠(yuǎn)大于料環(huán)的寬度，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可近似取r*=r。

則可得圖8的h計(jì)算式為

(20)

為保證傳熱傳質(zhì)的效率，料高一般較低，這就需要調(diào)節(jié)給料速度、耙葉安裝、旋臂中軸轉(zhuǎn)速。為防止物料在電熱盤(pán)面上的囤積，所有料環(huán)的料高一般要求小于耙葉的高度。這需要根據(jù)料環(huán)高度設(shè)計(jì)耙葉高度。

由以上公式可得，料環(huán)高度與物料的進(jìn)料速度成正比，與耙葉的安裝徑向半徑r成反比，與主軸轉(zhuǎn)速成反比。即進(jìn)料速度越快，料環(huán)高度越高；料環(huán)越靠加熱盤(pán)外緣，高度越低；主軸轉(zhuǎn)速越慢，料環(huán)高度越高。

由以上料高的計(jì)算式，可知加熱盤(pán)上秸稈料環(huán)的分布狀況，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系便可計(jì)算出盤(pán)上料環(huán)的體積、料環(huán)的停留時(shí)間等。

在穩(wěn)定工況下，一道料環(huán)的料體積計(jì)算式為

vi=πrcotβ[γ(h-ηtanβ)2+2(1-γ)h2]

(21)

式中γ——旋臂安裝系數(shù)

γ等于沿主軸旋轉(zhuǎn)方向從給料耙葉旋轉(zhuǎn)至取料耙葉所需角度的π/2，其數(shù)值由旋臂的個(gè)數(shù)及耙葉的安裝次序決定，表示窄料環(huán)占整個(gè)料環(huán)的比例，其值越小，盤(pán)面料質(zhì)量越大，設(shè)備在相同時(shí)間內(nèi)的物料處理量越大。不同的耙葉安裝順序?qū)?yīng)不同的旋臂安裝系數(shù)。設(shè)每個(gè)盤(pán)面上有Y根旋臂：正序安裝時(shí)每道料環(huán)對(duì)應(yīng)的取料耙和給料耙安裝在相鄰的耙稈上，且給料耙在前，此時(shí)γ=(Y-1)/Y=3/Y；逆序安裝時(shí)每道料環(huán)的給料耙與取料耙安裝在相鄰的耙稈上，但取料耙在給料耙之前，此時(shí)γ=1/Y。圖9即為逆序安裝，γ=1/4。

一根旋臂上共有n個(gè)耙葉，則生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)應(yīng)產(chǎn)生n個(gè)料環(huán)。由物料運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性可知，各料環(huán)的料體積約相等，則該電熱盤(pán)上粉碎秸稈的積量總體積計(jì)算式為

(22)

則物料在單盤(pán)上的停留時(shí)間tj計(jì)算式為

(23)

料在該設(shè)備的X級(jí)電熱盤(pán)的總停留時(shí)間，即發(fā)酵料加熱時(shí)間t計(jì)算式為

(24)

因此，給料速度S的料在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間為t。由于料在設(shè)備內(nèi)被耙葉不斷刮動(dòng)翻滾，料層厚度對(duì)氣體逸散的阻力大大減弱，仍可采用式(6)、(8)～(10)、(12)，計(jì)算出料時(shí)的乙醇提取率等信息。其中，θ0、ω0、T為給定值。由于料堆積形狀為料環(huán)，不同于前文推導(dǎo)時(shí)的面狀覆蓋，需采用相同原理推導(dǎo)料在平面熱源加熱下的乙醇提取方程組。任意時(shí)刻，截面近似為三角形的料環(huán)在平面熱源上的受熱面積為三角形底寬與料環(huán)中心周長(zhǎng)的乘積，料環(huán)中心周長(zhǎng)為料環(huán)體積除以料環(huán)截面三角形面積。由于在料環(huán)徑向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，越靠近電熱盤(pán)中心，料環(huán)截面三角形越大，料環(huán)越高，料的底面受熱面積越小，故取從電熱盤(pán)外沿到中心的受熱面積平均值計(jì)算。根據(jù)料高平均值計(jì)算出截面三角形面積平均值，進(jìn)而計(jì)算出料環(huán)平均受熱面積。則有

(25)

(26)

式中A——料環(huán)的平均受熱面積，m2

hmax、hmin——最大、最小料環(huán)高度，m

雖然，由于料環(huán)受熱，各料環(huán)的堆積密度是不同的，但可以按照冷態(tài)設(shè)備來(lái)計(jì)算A和h，則料堆積密度可統(tǒng)一用發(fā)酵料堆積密度。冷態(tài)盤(pán)上料的體積分布情況與熱盤(pán)情況是一致的。最后再根據(jù)冷態(tài)算得的A、h等數(shù)據(jù)，計(jì)算平面熱源提取料中乙醇的過(guò)程。

由上文公式得出

(27)

(28)

3.3 設(shè)計(jì)方案示例

下面給出一套具體的設(shè)計(jì)方案。

假設(shè)發(fā)酵料θ0=70%、ω0=7%，T=100℃。發(fā)酵料堆積密度經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，取223 kg/m3。

由生產(chǎn)的連續(xù)性可得以下3點(diǎn)結(jié)論：

(1)無(wú)論大、小電熱盤(pán)，盤(pán)上每道料環(huán)的體積均基本相同。

(2)只要大、小盤(pán)的單旋臂耙葉數(shù)相等，大、小盤(pán)上的料量基本相等。

(3)料環(huán)高度由電熱盤(pán)外緣向內(nèi)逐漸增高，內(nèi)沿處達(dá)到最高，因此計(jì)算料環(huán)高度時(shí)，試算半徑r一般取盤(pán)內(nèi)徑，只要保證耙葉高度大于該處料環(huán)高度即可保證不產(chǎn)生物料在電熱盤(pán)面上的囤積。

取大盤(pán)外半徑2 m，大盤(pán)內(nèi)空洞半徑0.5 m，小盤(pán)外半徑1.9 m，內(nèi)空洞半徑0.4 m。每塊電熱盤(pán)上配4根旋臂，每根旋臂裝20個(gè)耙葉，均勻布置。因此每塊電熱盤(pán)上共有80個(gè)耙葉。耙葉寬取0.2 m，高度取0.2 m，安裝角60°。旋臂中軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)可調(diào)。初設(shè)主軸轉(zhuǎn)速1 r/min(0.016 7 r/s)。進(jìn)料速度取16 kg/min(0.267 kg/s)。依據(jù)式(17)～(26)可求得：各盤(pán)上各有20道料環(huán)。大盤(pán)上料環(huán)最大高度hmax=0.176 m，小于耙葉高度，則耙葉可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定刮料，料環(huán)最小高度hmin=0.088 m，平均高度0.132 m。小盤(pán)上料環(huán)最大高度hmax=0.197 m，小于耙葉高度，耙葉可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定刮料，料環(huán)最小高度hmin=0.090 m，平均高度0.143 m。大盤(pán)單盤(pán)料體積0.506 m3，小盤(pán)單盤(pán)料體積0.507 m3。料在大盤(pán)上的停留時(shí)間為423.84 s，即約7 min，在小盤(pán)上的停留時(shí)間為423.83 s，即約7 min。

根據(jù)運(yùn)行成本為平面熱源的電熱成本、3部電動(dòng)機(jī)的電成本和引風(fēng)機(jī)的電成本的總和，除計(jì)算平面熱源電耗外，成本計(jì)算模型還需考慮電動(dòng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)變速后輸出轉(zhuǎn)速緩慢，電動(dòng)機(jī)功率并不需很大。假設(shè)3部電動(dòng)機(jī)的總功率為500 W，引風(fēng)機(jī)功率50 W。

由式(6)、(8)～(10)、(27)和成本計(jì)算模型式(15)，可算得對(duì)進(jìn)料16 kg/min而言，料在平面熱源加熱至82.04 min時(shí)，利潤(rùn)最大，為每千克發(fā)酵料13.63元，此時(shí)料中乙醇提取率0.983，料剩余含濕量60.3%，獲得無(wú)水乙醇0.770 kg及16 kg發(fā)酵料。由于料在大盤(pán)和小盤(pán)的停留時(shí)間均為7 min，故可算出設(shè)備安裝6級(jí)小盤(pán)和6級(jí)大盤(pán)時(shí)，設(shè)備生產(chǎn)基本可達(dá)到最大利潤(rùn)情況。

由于文中公式是基于理想情況推導(dǎo)而成的，未考慮發(fā)酵料的升溫過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)相同的發(fā)酵料，在相同的平面熱源工況和加熱時(shí)長(zhǎng)下，乙醇提取率應(yīng)該小于0.983。故可增設(shè)1級(jí)大盤(pán)和1級(jí)小盤(pán)，提高生產(chǎn)的可調(diào)性，便于保證生產(chǎn)質(zhì)量。若盤(pán)間距按3倍耙葉高度，設(shè)備直徑按大盤(pán)直徑與間隙之和0.1 m計(jì)算，可算得設(shè)備主體尺寸為直徑4.2 m，高9 m，處理發(fā)酵料量16 kg/min(960 kg/h)產(chǎn)品制無(wú)水乙醇量46.2 kg/h，這已經(jīng)是生產(chǎn)線級(jí)別處理能力。

4 結(jié)論

(1)基于平面熱源提取料中乙醇試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象推斷，濕分在發(fā)酵料中的存在形態(tài)與在配置料中的存在形態(tài)差異不大，平面熱源提取料中乙醇發(fā)酵料的過(guò)程，也就是在干秸稈形的加熱器上蒸餾乙醇溶液的過(guò)程，可用配置料代替發(fā)酵料來(lái)進(jìn)行平面熱源提取乙醇的研究。

(2)基于平面熱源熱重試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)料中濕分質(zhì)量變化速率的影響從大到小依次為加熱溫度、料含濕量、料濕分中乙醇體積分?jǐn)?shù)。前兩因素比后因素高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可忽略濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響。以工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵料中濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)7%的情況為基準(zhǔn)，料中濕分質(zhì)量變化速率隨料含濕量呈線性變化，隨加熱溫度呈冪函數(shù)變化。得到出料中濕分質(zhì)量變化速率與料含濕量、加熱溫度之間的回歸模型，平均準(zhǔn)確度大于98%，滿足使用需求。

(3)基于多次數(shù)據(jù)，得到乙醇溶液的揮發(fā)系數(shù)K的計(jì)算式。結(jié)合該式與料中濕分質(zhì)量變化速率模型，推導(dǎo)出具有泛用性的平面熱源加熱發(fā)酵料提取料中乙醇提取率計(jì)算方程組。該方程組的適用前提是料含濕量0～90%，濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)5%～11%，料床厚度5～50 mm，加熱溫度20～100℃。忽略加熱料的升溫過(guò)程。

(4)對(duì)平面熱源提取料中乙醇過(guò)程進(jìn)行成本建模，得理想情況下的成本模型。將乙醇提取方程式和成本模型編寫(xiě)計(jì)算軟件，進(jìn)行成本利潤(rùn)分析，發(fā)現(xiàn)平面熱源提取法成本顯著低于傳統(tǒng)蒸汽透料提取法。

(5)提出了一套采用平面熱源連續(xù)提取發(fā)酵料內(nèi)乙醇的生產(chǎn)裝置，給出設(shè)計(jì)方法和主要構(gòu)建的參數(shù)計(jì)算式，并給出一個(gè)具體的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備生產(chǎn)成本比現(xiàn)有提取方法低，且沒(méi)有蒸汽短路等問(wèn)題；分離后的含乙醇蒸汽的濃度顯著高于原發(fā)酵料中濕分乙醇體積分?jǐn)?shù)，顯著降低了后續(xù)提餾成本和耗時(shí)；分離后料的含濕量降低，也更利于開(kāi)發(fā)利用。

1 渠暉,沈益新.國(guó)內(nèi)外甜高粱研究概況[C]∥2012第二屆中國(guó)草業(yè)大會(huì)論文集.北京:中國(guó)畜牧業(yè)協(xié)會(huì),2012:114-118.

QU Hui, SHEN Yixin. The research situation on sweet sorghum at home and abroad[C]∥The collection of theses of second China grassland congress in 2012. Beijing: China Association of Animal Husbandry Industry, 2012:114-118. (in Chinese)

2 彭春艷, 羅懷良, 孔靜. 中國(guó)作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2014,35(3):14-20.

PENG Chunyan, LUO Huailiang, KONG Jing. Advance in estimation and utilization of crop residues resources in China [J]. Journal of China Agricultural Resources and Regional Planning, 2014, 35(3):14-20. (in Chinese)

3 楊武英. 秸稈綜合利用分析[J]. 新農(nóng)業(yè), 2016(11):57.

4 田宜水, 李十中, 趙立欣,等. 甜高粱莖稈乙醇全生命周期分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(6):132-137.

TIAN Yishui, LI Shizhong, ZHAO Lixin, et al. Life cycle assessment on fuel ethanol producing from sweet sorghum stalks[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6):132-137. (in Chinese)

5 韓冰,王莉,李十中,等.先進(jìn)固體發(fā)酵技術(shù)(ASSF)生產(chǎn)甜高粱乙醇[J].生物工程學(xué)報(bào),2010,26(7):966-973.

HAN Bing, WANG Li, LI Shizhong, et al. Ethanol production from sweet sorghum stalks by advanced solid state fermentation (ASSF) technology [J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2010, 26(7): 966-973.(in Chinese)

6 LI Shizhong, LI Guangming, LEI Zhang, et al. A demonstration study of ethanol production from sweet sorghum stems with advanced solid state fermentation technology [J]. Applied Energy, 2013, 102: 260-265.

7 李芳.固態(tài)蒸餾制取乙醇的試驗(yàn)研究[D].天津:天津科技大學(xué),2011.

LI Fang. Experimental study on ethanol distillation of solid-state fermented material [D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2011.(in Chinese)

8 王瑞明.燃料乙醇固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)工藝的研究[D].天津:天津科技大學(xué),2002.

WANG Ruiming. The study of solid state fermentation production technology for fuel-ethanol [D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2002.(in Chinese)

9 宋洪波, 毛志懷. 干燥方法對(duì)植物產(chǎn)品物理特性影響的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(6):117-121.

SONG Hongbo, MAO Zhihuai. Review of drying methods on the physical characteristics of plant materials[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(6):117-121.(in Chinese)

10 王俊, 許乃章. 熱風(fēng)、遠(yuǎn)紅外和微波干燥香菇、蘑菇方程研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 1994,25(2):45-49.

WANG Jun, XU Naizhang. The research of hot-airflow, far-infrared and microwave drying equations on lentinus edodes and mushroom[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1994,25(2):45-49. (in Chinese)

11 KIRANOUDIS C T, TSAMI E, MAROULIS Z B. Microwave vacuum drying kinetics of some fruits[J]. Drying Technology, 1997, 15(10):2421-2440.

12 張光騰,潘愛(ài)珍,司振軍.燃料乙醇新蒸餾工藝及其設(shè)備的研究[J].價(jià)值工程,2012,31(28):32-33.

ZHANG Guangteng, PAN Aizhen, SI Zhenjun. Research of fuel ethanol distillation new technology and equipment [J]. Value Engineering, 2012, 31(28): 32-33.(in Chinese)

13 AHMAD T Y, TSUYOSHI H. Efficacy of hydrothermal treatment for production of solid fuel from oil palm wastes[J].Journal of Biological Chemistry, 2012, 171(2):471-476.

14 周敬之, 周知星, 馮俊小,等. 回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料回轉(zhuǎn)周期和料層完全混合時(shí)間研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(8):178-185.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150824&flag=1.DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2015.08.024.

ZHOU Jingzhi, ZHOU Zhixing, FENG Junxiao, et al. Study on rotary cycle of crushed straw material bed and complete mixing time of layers in rotary drum[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8):178-185.(in Chinese)

15 韓冰, 范桂芳, 李十中,等. 不同糖質(zhì)原料和菌株固態(tài)發(fā)酵制取乙醇的特性比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(5):201-206.

HAN Bing, FAN Guifang, LI Shizhong, et al. Comparison of ethanol production from different sugar feedstocks by solid state fermentation with two yeast strains[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(5):201-206. (in Chinese)

16 嚴(yán)洪冬.甜高粱莖稈成分變化規(guī)律及發(fā)酵研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2013.

YAN Hongdong. Variation of stem content and fermentation study of sweet sorghum [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2013.(in Chinese)

17 肖明松,王孟杰.燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)與工程建設(shè)[M].北京:人民郵電出版社, 2010.

18 VERVER A B, van SWAAIJ W P M. The heat-transfer performance of gas- solid trickle flow over a regularly stacked packing [J]. Powder Technology, 1986, 45(2):133-144.

19 梅曉巖,劉榮厚,曹衛(wèi)星.甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵制取燃料乙醇中試項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(10):243-248.

MEI Xiaoyan, LIU Ronghou, CAO Weixing. Techno-economic assesment on pilot-scale plant for fuel ethanol production from sweet sorghum stem by solid state fermentation [J]. Transaction of the CASE, 2011, 27(10): 243-248. (in Chinese)

20 JIANG J, LIU X, LIU B. Development of a pyrolysis plants for used tires [J]. Chemical Industry & Engineering Progress, 2002, 21(9):681-684.

21 SEUNG-HYUN M, IN-SOO R, SEUNG-JAE L, et al. Optimization of drying of low-grade coal with high moisture content using a disc dryer[J]. Fuel Processing Technology, 2014, 124(7):267-274.

22 張華博，張繼軍，劉燕，等.機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)在盤(pán)式干燥器中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程，2015，43(5)：1-5.

ZHANG H B, ZHANG J J, LIU Y, et al. Application analysis of mechanical vapor recompression technology in disc dryer[J]. Chemical Engineering, 2015,43(5):1-5. (in Chinese)

23 陶萍芳, 覃利琴, 羅志輝,等. 減壓蒸餾裝置簡(jiǎn)化改進(jìn)[J]. 廣州化工, 2015(8):209-210.

TAO Pingfang, TAN Liqin, LUO Zhihui, et al. Simplify improvement of the vacuum distillation[J].Guangzhou Chemical Industry,2015(8):209-210.(in Chinese)

24 CARLA D P, DEBORHA D. Ultrasound-assisted extraction coupled with under vacuum distillation of flavour compounds from spearmint (carvone-rich) plants: comparison with conventional hydrodistillation[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2009, 16(6):795-799.

25 孫德芳, 邵旻, 周政,等. 減壓精餾法制備無(wú)水乙醇的研究[J]. 現(xiàn)代化工, 2010, 30(6):74-77.

SUN Defang, SHAO Wen, ZHOU Zheng, et al. Study on production of anhydrous ethanol from vacuum distillation[J]. Modern Chemical Industry, 2010, 30(6): 74-77.(in Chinese)