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酒精行业余热回收？酒精罐降温方法？酒精发酵节能？
随着国民经济建设的不断发展。酒精工业在社会主义建设中日益起着显著作用。酒精工业在国民经济中占有重要的地位，随着世界石油储量的锐减、环保工作的加强、车用汽油醇需求量的增加以及其他工业的新兴发展，酒精的用途将不断地被开拓和发掘。酒精已广泛应用于食品、化学、医药、燃料、国防、交通运输、农业等行业，酒精又是十分重要的清洁能源。酒精发酵是将糖化醪液中的糖、糊精和淀粉转化为酒精和二氧化碳。
酒精发酵是一种耗能多的过程，它既要使用大量蒸汽于设备和培养基的灭菌。又要消耗大量水和电于设备的清洗、配料和冷却。而在酒精发酵中欲获得较高的转化率。除满足必要的工艺条件外。还需要一定的生化反应时间，在发酵过程中将释放出一定数量的生物热。而对于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶的催化下进行的，而温度却是保证酶活性的重要条件。因此在发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。可见若该热量不及时移走，必将直接影响酵母的生长和代谢产物的转化率。
酒精发酵罐是酒精发酵的核心设备，发酵罐的合理设计至关重要，而如何采用冷却装置使罐中的温度保持在30~33℃(酒精发酵的****温度)也就成了发酵罐结构的一个关键部分。
传统的酒精发酵的冷却装置，对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置旧。酒精发酵过程中产生很大的热量。而其酒精发酵****温度一般在30~33℃。这样就需要大量的冷却水。我国水资源短缺。而冷却水的循环使用也将引起材料的腐蚀及生产成本的增加。大量的废水也将引起严重的环境污染。
近年来随着热管的广泛使用。将热管应用到化学反应器中。国内外学者作了一些研究。提出了一系列的热管化学反应器结构，但将热管应用到酒精发酵罐中，国内尚无报道。
1热管与热管技术
1．1热管的原理
热管是一种新型、高效的导热元件。它依靠自身内部工质相变进行导热。主要由金属密封管、吸液芯及蒸汽通道3部分组成。热管具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性等优点。其中两相闭式热虹吸管(又称重力热管)简称热虹吸管，与普通热管不同的是热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此热管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。
由于热虹吸管管内没有吸液芯。所以与普通热管相比，不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠，因此热虹吸管作为高效的传热元件在地面上的各类传热设备中具有更大的优越性。
1．2热管设计
由于热管的用途相当广泛。不同的用途对热管的要求也不尽相同，在某些场合下要求相当苛刻，如在宇航、军工中应用的热管。此时管子的数量可能较少，可靠程度和精密性要求却相当严格。可靠性占第一位，经济性则处于次要地位。在民用等一般工业中，如在热管酒精发酵罐中，管子数量比较多。这时经济性占了突出地位。考虑到两相闭式热虹吸管(重力热管)的优越性，因此在酒精发酵罐中适合采用以重力热管为主，普通热管为辅的方式。
根据热管工作液体和管壳材料的选择原则，热管工质拟在以下工质中选择：氟利昂一113(CCL2F·CCLF2、正常沸点为47．6℃)、丙酮(其正常沸点为56．25℃)、乙醇(正常沸点为78-3℃)、甲醇(正常沸点为64．7℃)。为确定最终工质的选择，决定用实验来验证。对酒精发酵生产过程，热管工质选择为丙酮，管壳可选择不锈钢或铜或铝。
1_3热管的可靠性
热管可靠性主要体现在热管的相容性及其寿命方面。热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义，只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有3个方面：产生不凝性气体；工作液体热物性恶化；管壳材料的腐蚀、溶解。
一台设置浸酚醛树脂玻璃布吸液芯的铜一丙酮热管自1969年6月起一直运行，热管温降从3℃上升到6℃，有轻微的增加。热管工温度75℃左右。对一根运行了15000h的全铜热管进行分析，尽管丙酮改变颜色，肉眼也没有发现污染，没有气体产生。丙酮变色可能由于金属铁的溶解。显然铜与丙酮的结合用于热管是可靠的。同时对一系列带不锈钢吸液芯的丙酮一铝及丙酮一不锈钢热管进行了实验分析。同样得出了可靠性的结论。
2热管式酒精发酵罐
2．1热管的管数、放置及排列方式的选择用热管排出酒精发酵罐中多余的生物反应热已经有了初步的探索。图1是模拟酒精发酵罐的热管散热装置
图1热管散热装置
散热装置以不锈钢为壳体。丙酮为工作液体的不锈钢一丙酮两相闭式热虹吸管(重力热管)，以0．5m的发酵罐为例来说明．可知需要驱除的生物反应热为735．6W(通常按发酵旺盛期1h降糖1度(1％)来计算，醪液密度，可取1080kg／m3，装液系数取0．8)，即实验要求的****散热量735．6W。以单根热管传热功率50w的设计要求为例。仅仅满足功率要求需要15支热管，实际上还要考虑到热管的传热效率。可知还需要更多的热管(实际计算时还需综合考虑所需热管的散热面积，最终确定所需热管的数目)。考虑到制造较为麻烦，为此可以修改热管直径，这样蒸汽的流动面积就可以有所增加。因此热管数量就可以大大减少。同样可以达到总的传热要求。
对热管反应器。其罐内散热一般采用静动件结合的传热形式，动件为热管搅拌轴，静件为布置在壁面上的热管传热件，而酒精发酵为嫌气发酵，因此热管酒精发酵罐中热管采用静件传热。
热管的放置形式一般有纵向插入式(重力热管)、径向插入式(普通热管)和有一定倾斜的角度(重力热管或普通热管)等形式。
热管纵向插入时，此热管为重力式热管，热管不仅可起到换热的作用，还可以起到挡板的作用。其特点无需管芯、结构简单、造价低、传热性能好。同时，单根热管的损坏不影响设备的整体运行，保证了生产的稳定性。
但对于大型酒精发酵罐．这种排列方式对热管本身有一定要求，热管的长度会相应增加。对于酒精发酵罐来讲，更倾向于用重力式热管。相比较热管径向插入时，热管长度短，制造简单，但此热管属于普通热管，有吸液芯要求。以上几种热管放置形式都是热管的蒸发段处于发酵罐中，吸收热量后通过罐外的冷凝段(带有翅片)放出热量，在冷凝段的冷源可以是空气也可以是水，视工艺需要而定。
初步探索可知热管在酒精发酵罐中，可单独采取以上各种方式及其相应的组合方式，采用两相闭式热虹吸管(重力热管)，其中倾斜式重力热管采用与罐壁之间的夹角为30。(此时的传热效果比较好)，可以大大增加罐中的换热面积(导出多余发酵热)，从而达到酒精发酵中
的****温度，可以大幅度提高酒精产量．很好地节约用水量。
热管酒精发酵罐其结构形式如图2所示，其中倾斜式重力热管和竖直式重力热管的蒸发段置于冷凝段下方．冷凝段可以加上合适的翅片．可以加强散热。
2．2热管式酒精发酵罐的工作原理
当罐温未达到规定的上限(33℃)时，热管不工作，一旦罐温达到或超过规定的控温上限时．热管便自行启动，将多余的生物热传到热管冷凝段及其翅片，通过水冷或自然冷却达到控温目的。
2．3热管式酒精发酵罐的安全性
热管式酒精发酵罐是利用热管作为传热装置的一种新型酒精发酵罐，其冷却装置用热管取代了蛇管，它的安全性主要是针对热管的可靠性来考虑。当今热管之所以在各行各业有着广泛的用途，与热管具有高效安全的特点是分不开的。热管酒精发酵罐中，热管可采取灵活的布置方式，结构紧凑，每根热管都是独立的，拆装灵活，便于更换，单根热管的损坏不影响发酵罐整体运行，从而保证了发酵罐长期稳定运行。
综上所述，热管式酒精发酵罐具有传热效率高、冷却水用量少、温度分布均匀、拆卸、清洗、检修、沿程调温方便、造价低等优点。然而热管式酒精发酵罐也有许多需要改进之处，如如何提高发酵液对热管蒸发段的放热系数、灵活有效地控制冷凝段的温度以及制造中热管处焊接工作量大等问题。
4结论与展望
如何正确地设计和选择热管式酒精发酵罐中热管的工质、直径、管长、管数、排列形式以及建立热管酒精发酵罐的简化数学模型等，将直接影响到热管酒精发酵罐的传热效果和投资费用。
对热管酒精发酵罐的温度场的研究可以采用实验或者计算机模拟的方法，对于计算机模拟研究温度场，主要以计算流体动力学(CFD)软件CFX或FLUENT为工具进行温度场模拟。可以很形象地反应出罐内温度场分。
热管酒精发酵罐研制正处于开发阶段，但由于热管反应器的研究已取得了较快发展，为热管技术在生物工程领域的应用提供了良好的基础，从而为热管酒精发酵罐的研制提供了有力保证，又结合传统酒精发酵罐设计的研究成果，必定为热管酒精发酵罐的完善与推广创造了有利条件，其前景是非常光明的，它的投入使用，将使酒精发酵的效率提高，使得产量大幅度增加，因此大量的酒精供用就会得到保证，从而为乙醇汽油的推广使奎动作用，在节能、环保、国民经济等方面将做出巨大贡献。