環(huán)保酵素發(fā)酵產(chǎn)物的分離及能源提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫慶胤 高航 余晨 盛昊 秦孟龍

摘 要：本文針對(duì)環(huán)保酵素發(fā)酵產(chǎn)生的混合氣體，提出了一種逐級(jí)分離的氣體分離裝置，其具有效率高，能耗少的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的建模與計(jì)算，從理論上論證了設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：環(huán)保酵素;發(fā)酵產(chǎn)物;分離;能源提取

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）04-0059-04

Design of Environmentally Friendly Enzyme Fermentation

Product Separation and Energy Extraction System

SUN Qingyin GAO Hang YU Chen SHENG Hao QIN Menglong

（College of Engineering， Huazhong Agricultural University，Wuhan Hubei 430070）

Abstract： Aiming at the mixed gas produced by fermentation of environmental friendly enzymes， this paper presented a gas separation device by stages， which had the advantages of high efficiency and low energy consumption. At the same time， the design system was modeled and calculated simply， and the feasibility of the design was demonstrated theoretically.

Keywords： environmentally friendly enzymes;fermentation products;separation;energy extraction

酵素在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體，氣體的主要成分有水、CH3CH2OH、CH3COOH（微量）、CO2。其中，CH3CH2OH是一種重要的工業(yè)原料;CO2是主要的溫室氣體，也是一種重要的工業(yè)原料，如果任由其揮發(fā)，既會(huì)造成溫室效應(yīng)，又會(huì)造成能源浪費(fèi)。

利用廚余垃圾來(lái)制作環(huán)保酵素不僅可以充分利用廚余垃圾，節(jié)約能源，而且可以保護(hù)環(huán)境，同時(shí)又可提供廉價(jià)的工業(yè)原料。本文主要設(shè)計(jì)環(huán)保酵素發(fā)酵產(chǎn)物的分離及能源提取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。

1 環(huán)保酵素發(fā)酵產(chǎn)物分離及能源提取系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由儲(chǔ)氣罐、干燥系統(tǒng)、CH3CH2OH（CH3COOH）收集裝置和CO2收集裝置四部分組成，如圖1所示。

環(huán)保酵素發(fā)酵產(chǎn)生的氣體進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，當(dāng)儲(chǔ)氣罐罐內(nèi)壓力達(dá)到一定值時(shí)，地上導(dǎo)氣管所裝閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，氣體經(jīng)地上導(dǎo)氣管進(jìn)入干燥箱，進(jìn)行氣體干燥，之后已經(jīng)干燥的氣體經(jīng)后段地上導(dǎo)氣管道進(jìn)入CH3CH2OH冷凝箱，冷凝后的CH3CH2OH進(jìn)入CH3CH2OH收集箱，干燥后的氣體經(jīng)過(guò)CO2干燥箱進(jìn)行進(jìn)一步干燥與除雜，最后純凈的CO2進(jìn)入CO2收集罐完成氣體的分離與收集。

2 儲(chǔ)氣罐

由于儲(chǔ)氣罐是與發(fā)酵罐直接相連的，儲(chǔ)氣罐在不工作時(shí)必須保證不與空氣直接接觸，以免摻入空氣，導(dǎo)致后續(xù)工序所產(chǎn)生的氣體不純?；谝陨戏治觯y門(mén)的安裝位置靠近發(fā)酵罐。

該閥門(mén)在發(fā)酵罐添加原料時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)發(fā)酵罐原料添加完畢并開(kāi)始工作時(shí)打開(kāi)，由此確保儲(chǔ)氣罐一直處于與空氣隔絕狀態(tài)。儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體主要是CH3CH2OH蒸汽、水蒸汽、CO2以及微量乙酸。

儲(chǔ)氣罐上還設(shè)有壓力表，并且與最后的抽氣機(jī)相連。壓力表的作用是測(cè)量?jī)?chǔ)氣罐內(nèi)的壓力值，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到一定值后壓力機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)整個(gè)裝置的氣體勻速流動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力低于某個(gè)值后，壓力機(jī)、圖4中的閥門(mén)1、閥門(mén)2開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，從而保證氣流的穩(wěn)定性。

3 干燥系統(tǒng)

3.1 導(dǎo)氣管

導(dǎo)氣管所處的環(huán)境是室溫，CH3CH2OH（CH3COOH）會(huì)冷凝，冷凝成液體之后，將在自身重力的作用下向下流動(dòng)，在拐角1處接地下導(dǎo)氣管（該裝置位于地下，見(jiàn)圖1，10.地下導(dǎo)氣管），實(shí)現(xiàn)液體（該液體只占總體的一小部分）的收集。閥門(mén)1、閥門(mén)2的開(kāi)閉受干燥箱（見(jiàn)圖5，3.干燥箱1，4.干燥箱2）所裝濕度計(jì)（見(jiàn)圖5，1.濕度計(jì)1，2.濕度計(jì)2）數(shù)值的動(dòng)態(tài)調(diào)控，當(dāng)兩個(gè)濕度表數(shù)值達(dá)到預(yù)定值后，閥門(mén)1、閥門(mén)2自動(dòng)關(guān)閉，停止放氣，同時(shí)，無(wú)論儲(chǔ)氣罐的壓力表是否達(dá)到關(guān)機(jī)（使壓力機(jī)關(guān)閉）值，壓力機(jī)都將停止工作。該閥門(mén)的作用是避免因干燥箱中干燥劑用完而導(dǎo)致后續(xù)氣體中含有水蒸汽。其余兩段導(dǎo)氣管的設(shè)計(jì)原理與此相同，在其拐彎處接地下導(dǎo)流管，三段導(dǎo)流管中的液體匯合到CH3CH2OH收集箱。

3.2 干燥箱

該氣體干燥裝置采用雙保險(xiǎn)制，當(dāng)干燥箱1工作時(shí)，干燥箱2處于“休眠”狀態(tài)。其轉(zhuǎn)換機(jī)制為：當(dāng)干燥箱1的干燥劑全部用完后，接在干燥箱背后的濕度計(jì)1讀數(shù)變大，到達(dá)設(shè)定值后反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將控制干燥箱1前的閥門(mén)1關(guān)閉，同時(shí)使干燥箱2前的閥門(mén)2開(kāi)啟。如果兩個(gè)干燥箱干燥劑全部用完尚未更換，則導(dǎo)氣管1的開(kāi)關(guān)將會(huì)關(guān)閉，直到干燥劑更換完畢才能繼續(xù)工作。如果同時(shí)更換兩個(gè)干燥箱，必須在壓力機(jī)斷電的條件下完成，全部更換完畢后，電源接通，此時(shí)壓力機(jī)的開(kāi)啟與否取決于儲(chǔ)氣罐的壓力表數(shù)值，如果只更換一個(gè)干燥箱則不需要斷電。

為保證氣體能得到充分干燥，干燥箱內(nèi)部采用分層隔離裝置，干燥劑擬采用硅膠。同時(shí)，為了保證CH3CH2OH與乙酸在干燥過(guò)程中不被冷凝，干燥箱內(nèi)的溫度必須達(dá)到一定的數(shù)值，同時(shí)，在下層隔離裝置留有縫隙，整個(gè)干燥箱微微向下傾斜。

該設(shè)計(jì)的目的是使冷凝的CH3CH2OH（CH3COOH）在其重力作用下順著導(dǎo)氣管1被收集。該裝置的作用主要是干燥混合氣體。常見(jiàn)的干燥劑有濃H2SO4、P2O5、無(wú)水CaCl2和硅膠等，幾種干燥劑的性質(zhì)如表1所示。

表1 常用干燥劑[1]的性質(zhì)

[物質(zhì) 狀態(tài) 性質(zhì)與反應(yīng) 濃H2SO4 液態(tài) 強(qiáng)氧化性，脫水性，溶于水后產(chǎn)生大量熱 P2O5 固態(tài) 本身與水反應(yīng)生成H3PO4，H3PO4與CH3CH2OH

發(fā)生酯化反應(yīng) 無(wú)水CaCl2 固態(tài) 與CH3CH2OH反應(yīng)生成CaCl2生成CaCl2·6C2H5OH 硅膠 固態(tài) 不與CHCHOH反應(yīng)，只與水反應(yīng) ]

通過(guò)表1可知，選擇硅膠作為干燥劑較為合理。從儲(chǔ)氣罐中出來(lái)的氣體，其相對(duì)濕度比較大（[RH]>20%，[T]=25℃）。在理想情況下，每個(gè)干燥箱所能干燥的水分的最大質(zhì)量約為1 200kg，考慮到濕度與溫度的變化，足以保證在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不用更換干燥劑。

4 CH3CH2OH（CH3COOH）的冷凝與收集裝置

由表2可知，可以利用冷凝的方式將混合氣體中的CH3CH2OH（CH3COOH）從CO2中除去，故設(shè)計(jì)出如圖6所示的裝置。圖6中CH3CH2OH冷凝箱1、CH3CH2OH冷凝箱2位于冷凝池內(nèi)，通過(guò)地上導(dǎo)氣管分別接干燥箱1，經(jīng)過(guò)干燥箱的氣體到達(dá)該處后，由于收集裝置的半徑變大，氣流變慢，同時(shí)該裝置位于污水池中，可以利用污水作為冷凝水，實(shí)現(xiàn)CH3CH2OH（CH3COOH）的冷凝，冷凝后的液體順著地下導(dǎo)氣管進(jìn)入收集箱。

5 CO2收集裝置

經(jīng)過(guò)上一步的氣體分離，此時(shí)氣體的主要成分是CO2，考慮到CH3CH2OH易揮發(fā)，所以在CO2進(jìn)入儲(chǔ)氣罐前必須進(jìn)行除雜（主要是揮發(fā)出的CH3CH2OH），選取的除雜劑為無(wú)水CaCl2。無(wú)水CaCl2的相關(guān)性質(zhì)在表2中已經(jīng)說(shuō)明。將無(wú)水CaCl2放置在圖7所示的裝置內(nèi)。在圖7所示裝置中，隔板交錯(cuò)排布，可以使氣體中的雜質(zhì)成分被充分除去。

本設(shè)計(jì)的CO2除雜裝置的規(guī)格為1 000mm×1 000mm×1 000mm，放置無(wú)水CaCl2的質(zhì)量[m1]應(yīng)為：

[m1=ρV] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，[m1]為無(wú)水CaCl2的質(zhì)量（kg）;[ρ]為無(wú)水CaCl2的密度，2 450kg/m3;[V]為罐體的體積（m3）。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（1）可得，[m1]=2 450kg。

CH3CH2OH與無(wú)水CaCl2反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

CaCl2+6CH3CH2OH=CaCl2·6CH3CH2OH

其中，CaCl2的分子質(zhì)量是111，CaCl2·6CH3CH2OH的分子質(zhì)量是276，根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量比等于質(zhì)量比可求得[m2]。

[m2=276×m1/111=276×2450kg/111=6 300kg] ? ?（2）

消耗完所有的無(wú)水CaCl2大約需要6 300kg的CH3CH2OH。由于大部分CH3CH2OH在前一階段已經(jīng)冷凝，揮發(fā)出的量是極少的，因此，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，該部分無(wú)水CaCl2不會(huì)耗盡?？梢?jiàn)，不在CO2收集管處設(shè)置檢測(cè)裝置是合理的。

經(jīng)過(guò)上一步的除雜，此時(shí)的CO2氣體中基本不含有雜質(zhì)，基于環(huán)保的理念，這部分CO2可以被收集起來(lái)用于其他生產(chǎn)活動(dòng)，在本設(shè)計(jì)中，一次性收集的CO2的量計(jì)算如下：

按照國(guó)標(biāo)的有關(guān)規(guī)定：CO2的存儲(chǔ)裝置采用200kg/cm2級(jí)的鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶，整個(gè)鋼瓶的工作溫度不得高于31℃，公稱(chēng)充裝壓力為15MPa，實(shí)際充裝壓力為7MPa～8MPa，容積為40L。

考慮到實(shí)際情況，設(shè)工作溫度為25℃，實(shí)際充裝壓力7.5MPa，根據(jù)克拉珀龍方程[3]有：

[n=pV/RT] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式（2）中，[n]為CO2的物質(zhì)的量（mol）;[p]為充裝壓強(qiáng)，取[p]=7.5MPa;[R]為氣體常數(shù)，8.31J·mol-1·K-1;[T]為充裝氣體時(shí)的熱力學(xué)溫度，取[T]=298K。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（2）得出[n]=121.14mol，根據(jù)物質(zhì)的量與物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系有：

[m=n×M] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式（3）中，[m]為CO2的質(zhì)量（kg）;[M]為CO2的摩爾質(zhì)量，44g/mol;代入相應(yīng)數(shù)據(jù)解得[m]=5.33kg本設(shè)計(jì)共有5個(gè)儲(chǔ)氣罐一次可以存儲(chǔ)的質(zhì)量為

[M1=5×m] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式（4）中，[M1]為總共儲(chǔ)存的質(zhì)量（kg）;代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)解得[M1]=26.65kg，故一次性可以?xún)?chǔ)存26.65kg的CO2。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)驗(yàn)證可知，本文提出的逐級(jí)分離的氣體分離裝置，具有效率高，能耗少的優(yōu)點(diǎn)，可行性較強(qiáng)。

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