味精工厂发酵车间设计

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1、生物工程工厂设计 课程设计报告目130000t/a味精工厂发酵车间设计系 别：专业班级：姓 名：学 号：指导教师：课程设计时间：2012 年6 月4日2012 年6 月24日）XXXXX学校摘要课程设计是普通高校本科教育中非常重要的一个环节，同时也是理论知识与 实际应用相结合的重要环节。本设计为年产13 万吨味精厂的生产车间设计，通 过双酶法谷氨酸中糖发酵以及一次等电点提取工艺生产谷氨酸钠。本文对味精发 酵生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的 有关知识。设计内容为，了解味精生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产 方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的

2、生产流程，并对流程中的 原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选择。最后，画出发酵工段的工艺流程图 和平面布置图。AbstractCourse design is very important links to common college undergraduate education , but also the combination of theoretical knowledge and practical application . The design is about of the annual output of 130000 tons of Gourmet Powder Fac

3、torys workshop design, through the two enzymes method of fermentation and sugar glutamic acid a second-class electric point extraction technology production glutamic acid sodium. In this paper, it briefly introduced the monosodium glutamate fermentation production process and the main equipment . In

4、 order to help us to understand the fermentation process and the main equipment ventilation of relevant knowledge.The content of design conclude understanding the monosodium glutamate production material pretreatment, fermentation, the methods of extracting production and production process. To sele

5、ct suitable fermentation production process and conduct the material balance, heat balance calculations and equipment choice according to actual condition.目录1 课程设计目的 12 课程设计题目描述和要求 22.1 设计题目描述 22.2设计内容 22.3 设计要求 23 130000t/a味精工厂发酵车间的物料衡算33.1味精发酵法生产的总工艺流程33.2工艺技术指标及基础数据43.3谷氨酸发酵车间的物料衡算53.4 130000t/a味

6、精厂发酵车间的物料衡算结果74 味精发酵过程热量衡算84.1液化工序热量衡算84.1.1液化加热蒸汽量84.1.2灭酶用蒸汽量94.1.3液化冷却水用量94.2糖化热量衡算94.3连续灭菌和发酵工序热量衡算104.3.1培养液连续灭菌用蒸汽量104.3.2培养液冷却用水量114.3.3填充发酵罐空间所需的蒸汽量114.3.4发酵过程产生的热量及冷却用水量115 水平衡计算135.1糖化工序用水量135.2连续灭菌工序用水量135.3发酵工序用水136无菌压缩空气消耗量计算186.1 谷氨酸发酵无菌空气平衡示意图186.2 发酵工艺指标及基础数据186.3 发酵过程无菌空气用量计算186.4 年

7、产130000吨味精无菌空气衡算表：197 设备设计与选型207.1 发酵罐设计207.1.1发酵罐选型与数量207.1.2发酵罐主要尺寸207.1.3冷却面积计算207.1.4搅拌器计算227.1.5搅拌轴功率的计算197.2 设备结构的工艺计算247.3 设备材料的选择6277.4 发酵罐壁厚的计算277.5 接管设计287.6 支座选择297.7 种子罐 297.7.1种子罐容积和数量的确定 297.7.2主要尺寸的确定 307.7.3冷却面积的计算 317.7.4设备材料的选择及设备工艺 318 工艺设计计算结果汇总及主要符号说明 36附录一 130000t/a味精厂发酵车间的物料衡算

8、结果36附录二热量衡算37附录三发酵过程无菌空气用量38附录四设备参数 389 总结 40参考文献 401 课程设计目的生物工程设备课程的课堂教学和课程设计形成一个典型的综合性教学环节,课 程设计是课堂课程教学的最后一个环节，这种教学安排对本课程的学习具有是十分重 要意义，主要表现在一下几个方面：（1）本课程设计旨在让学生综合运用机械设计及其有关先修课程，如机械制图、 测量与公差配合、金属材料与热处理、工程力学等的理论和生产实际知识进行机械训 练，使理论和实际结合起来。针对设计过程中所遇到的问题和困惑更深的巩固我们课 堂所学基本原理和理论，实现从点到面的广泛学习，再从面到点的总结归纳，使我们

9、能更好地掌握生产设备设计的基本原则、基本程序和基本方法。（2）生工设备课程设计是以实际训练为主的课程，学生应在过程中收集设计数 据，在教师指导下完成一定的设备设计任务，以达到培养设计能力的目的，学习和掌 握机械设计到的一般步骤和方法，培养设计能力和解决实际问题的能力，也为毕业设 计乃至承担工业生产全程设计打下良好的基础。（3）要树立正确的设计思想和求是精神，本着严谨、负责、协调、创新的工作 作风，进行基本技能的训练，对准确地工程计算、制图、查阅资料（如手册、图册、 技术标准、规范等）、搜集数据以及进行经验估算等机械方面的基本技能得到一次综 合训练，提高技能水平，并能用简洁的文字、清晰的图表来表

10、达设计意图，培养综合 应用知识能力、全面思考问题和团队协作精神。2 课程设计题目描述和要求2.1 设计题目描述设计一个年产130000吨的味精发酵车间。已知条件为A 采用中糖发酵，等电点离子交换提取的生产方法；B选用A3钢板，材料在设计温度下的许用应力0 t二170MPa ;C钢板厚度负偏差C = 0.8mm,腐蚀裕量取C = 2mm;12D使用含淀粉86%的工业淀粉原料； 试确定该发酵车间的各设备及其布置情况。2.2 设计内容根据所给的设计题目完成以下内容：(1) 设计方案确定；(2) 相关衡算；(3) 主要设备工艺计算；(4) 主要工艺流程设计；(5) 辅助(或周边)设备的计算或选择；(6

11、) 制图(包括带节点控制的工艺流程图和发酵车间的设备平面布置图) 编写设计说明书及其它。2.3 设计要求设计时间为两周。设计成果要求如下：1. 完成设计所需数据的收集与整理2. 完成发酵车间中各设备的各种计算3. 完成相关设施的设计计算4. 完成谷氨酸发酵流程图，完成车间设备布置平面图5. 完成设计说明书或计算书(手书或电子版打印均可)3 130000t/a味精工厂发酵车间的物料衡算3.1味精发酵法生产的总工艺流程谷氨酸发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点-离子 交换提取的工艺。其工艺流程示意图见图 1。菌种原料空气斜面培养空气压缩机预处理除铁过滤脱色粗谷氨酸粗谷氨酸母液中

12、和制味精离子交换处理粗谷氨酸溶液图 1 味精生产总工艺流程图3.2 工艺技术指标及基础数据（1）味精行业国家企业标准1，选用主要指标如表 1表 1 味精发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a130000（味精）生产方法中糖发酵，等电点-离子交换提取年生产天数d/a300产品日产量t/d433.33产品质量纯度 99%倒灌率%0.2发酵周期h48发酵初糖Kg/m3150淀粉糖转化率%108流加高浓糖%500糖酸转化率%60麸酸谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%95味精对谷氨酸产率%1222）主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为 86%，含水14%(3) 二级种子培养基(g/L)水解糖5

13、0,糖蜜20,磷酸氢二钾1.0,硫酸镁0.6, 玉米浆510，泡敌0.6，生物素0.02mg,硫酸亚铁2mg/L,硫酸锰2mg/L。(4) 发酵初始培养基(g/L)水解糖150,糖蜜4,硫酸镁0.6,氯化钾0.8, 磷酸0.2，生物素2ug,泡敌1.0,接种量为8%。3.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。(1)发酵液量Vx 99.8% x 122% )= 6.55(m 3)1V 二 1000 十(220 X 60% X 95%1式中220发酵培养基初糖浓度(kg/m3)60%糖酸转化率95%谷氨酸提取率99.8%除去倒灌率0.

14、2%后的发酵成功率122%味精对谷氨酸的精制产率(2) 发酵液配制需水解糖量G1以纯糖算,G 二 V x 220 二 1441(kg)114)式中二级种液量 V2V 二 8%V 二 0.524(m3)21 二级种子培养液所需水解糖量 GG = 50V 二 26.2(m3) 2250二级种液含糖量(kg/m3)(5) 生产1000kg味精需水解糖总量G为：G = G + G = 1467.2(kg)126)耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg,故理论上耗用的淀粉量G 淀粉为：G = 1467.2 十(80% x 108% x 111% )= 1529.9(kg)淀粉式

15、中 80%淀粉原料含纯淀粉量 108%淀粉糖转化率7)液氨耗用量发酵过程中用液氨调PH和补充氮源，耗用260280kg；此外，提取过程耗 用160170kg，合计每吨味精消耗420450kg(8) 甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量V3V 二 20V 二 10.48(kg )32发酵培养基耗糖蜜量 V4V 二 4V 二 26.2(kg)41合计耗糖蜜 36.68kg(9) 氯化钾耗量 GKClG 二 0.8V 二 5.24(kg)KCl 1(10) 磷酸氢二钾(KHPO )耗量G243G 二 1V 二 0.524(kg )31(11) 硫酸镁(MgSO7HO)用量G424G = 0.6(V +

16、V )= 4.24Gg)412(12) 消泡剂(泡敌)耗用量G5G = 1.0V + 0.6V 二 6.8644(kg )512(13) 玉米浆耗用量(8g/L)G =8V = 4.19(kg)62(14) 生物素耗用量G = 0.002V + 0.02 V = 0.0236( g)7 1 2(15) 硫酸锰耗用量G = 0.002V =1.048(g)82(16) 硫酸亚铁耗用量G = 0.002V =1.048(g)92(17) 磷酸耗用量G = 0.2V =1.31(kg)10 1(18) 谷氨酸(麸酸)量发酵液谷氨酸含量为：G x 60%（l - 0.2% ）= 862.9（kg） 实

17、际生产的谷氨酸（提取率 95%）为：862.9x95% 二 8l9.8（kg）3.4.130000t/a 味精厂发酵车间的物料衡算结果表 2 年产 130000 吨味精物料横算表物料名称生产 1t 味精（100%）的物料量130000t/a 味精生产的物料量每日物料量发酵液/m36.55851.5xl032838.33二级种液/m30.52468.l2xl03227.07发酵水解用糖/kg1441l87.33xl06624.433x103二级种培养用 糖/kg26.23.406xl0611.353x103水解糖总量/kg1467.2l90.736xl06635.787x103淀粉/kg1423

18、.13l98.887 xl06662.957x103液氨/kg42054.6xl06182x103糖蜜/kg36.694.768xl0615.895x103氯化钾/kg5.2468l.2xl032.27x103磷酸氢二钾/kg0.52468.l2xl03227.07硫酸镁/kg4.2455l.2xl031.837x103泡敌/kg6.86892.372xl032.97x103玉米浆/kg4.19544.7xl031815.7生物素/kg0.0236306810.23硫酸锰/g1.048l36.24xl03454.13硫酸亚铁/g1.048l36.24xl03454.13磷酸/g1.31l70.

19、3xl03567.7谷氨酸/kg849.8106.574 x 106355.25 x 1034味精发酵过程热量衡算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下:Q +Q +Q =Q +Q +Q123456式中，Q带入的热量（J）1Q蒸汽热量（J）2Q各种热效应，如发酵热，稀释热，溶解热等（J）3Q物料带走热量（J）4Q消耗于设备上热量（J）5Q设备向外界散失热量（J）64.1液化工序热量衡算液化工序流程图如图2所示：1调浆罐2喷射器3维持罐4板式换热器5糖化罐图2液化工序流程图4.1.1液化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量（D）,可按下式计算：D= G x C x （t 2 -11）十（I

20、 九）式中G淀粉浆量（kg/h）C淀粉浆比热容（kJ/ （kg K）t1-浆料初温（20+273=293K）t2液化温度（90+273=363K）I加热蒸汽焓,2738kJ/kg （0.3Mpa,表压） 入一加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg（1）淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉616.671；连续液化，616.67/24=25.7 （t/h）。加水为 1： 2.5，粉浆量为：25700X3.5=89950 （t/h）。粉浆干物质浓度：2570將=24-6%(3) 粉浆比热C,可按下式计算：X100 - XC = C + C 1.55 X 24.6% + 4.18 x 7

21、5.4% = 3.53kJ/(kg - K)o 100 水 100式中 CO淀粉质比热容，取1.55kJ/ (kgK)X-粉浆干物质含量,24.6% C 水的比热容，4.18kJ/ (kgK)水(4) 蒸汽用量 水八 89950 x 3.53 x (90 - 20)D =2738 - 377=9414kg/h4.1.2 灭酶用蒸汽量灭酶时将液化液由90C加热至100C，在100C时的入为419kJ/kg。=1369.23kg/h89950 x 3.53 x (100-90)2738-419要求在20min内使液化液由90C升至100C，则蒸汽高峰量为:1369.23X6020=4107.69

22、(kg/h)以上两项合计，平均量 9414+1369.23=10783.23 (kg/h)；每日用量 10783.23X24=258.8 (t/d)。高峰量：9414+4107.69=13521.69 (kg/h)4.1.3 液化冷却水用量使用板式换热器，将物料由100C降至65C，使用二次水，冷却水进口温度20C，出口温度58.7C，需要冷却水量：e (89950 +10783.23) x 3.53 x (100 - 65) W 二(58.7 - 20) x 4.18二 76935.76kg /h，即 1846.5t/d。4.2 糖化热量衡算由物料衡算只日需水解糖635.787 x 103k

23、g，折算为24%的糖液为2649t/d,2649F1.09=2430.3m3，糖化操作周期30h，其中糖化时间25h，糖化罐500m3,装料400m3，则需糖化罐:2430.3 30x40024=7.6 台,取8台。使用板式换热器，使糖化液(经灭酶后)由85C降至60C，用二次水冷却，冷 却水进口温度20C，出口温度45C，平均用水量为:(89950 +10783.23) x 3.53 x (85 - 60)/.(45-20)x4.18=85069kg / h要求在2h把400m3糖液冷却至40C，高峰用水量为:85069400000 x1.09”x=184100kg/h100733.2322

24、5每日糖化罐同时运转：7.6x25 = 6.33 （罐）30每投（放）料罐次：24303 = 6 （罐次）400每日冷却水用量：2x184.1x6.33二2331t/d4.3连续灭菌和发酵工序热量衡算4.3.1培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐1000m3装料系数0.8，每罐产100%MSG量:1000X0.8X8%X 86% X 95%X 1.22=63.8 ( t)年产量13万吨商品味精，日产100%MSG433.33t/d 发酵操作时间48h （其中发酵时间38h），需发酵罐台数:433 334843333x竺=13.58 （台）取 14 台。63.824每日投（放）料罐次：43333 = 6

25、.863.838日运转：13.58 x = 10.75 罐48每罐初始体积800m3，糖浓度22g/dl，灭菌前培养基含糖19%,其数量:800 x 22% = 926.3t19%灭菌加热过程中用0.4Mpa蒸汽（表压）I=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由 20C预热至75C,再加热至120C。冷却水由20C升至45C。流程图如下所示,1板式换热器（冷却段）2板式换热器（预热段）3连消塔4维持罐图3 应用板式换热器灭菌流程每罐灭菌时间3h 输料流量926.3=3088t /h消毒灭菌用蒸汽量(D)：22939kg/h23t/h八 308800 x 3.7 x (120 - 75) D

26、 2743 -120 x 4.18式中，3.7为糖液的比热容(kJ/ (kgoK) 每日用蒸汽量：23X3X3=207 (t/d) 高峰量： 23t/h平均量：20724=8.625 (t/h)4.3.2 培养液冷却用水量参照图3,120C热料通过与生料热交换，降至80C，再用水冷却至35C。 冷却水由20C升至45C，计算冷却水量(W)：(45- 20) x 4.18W - 308800 x 也 x 型-35) 645229kg / h - 645t / h全天用水量： 645x3x35805t /d4.3.3 填充发酵罐空间所需的蒸汽量因1000m3发酵罐的全容积大于1000m3，考虑到罐

27、内之排管、搅拌器等所占 之空间，罐之自由空间仍按1000m 3计算。填充空间需蒸汽量：D =Vp=200X1.622=324.4 (kg)空式中V发酵罐自由空间即全容积(m3)P 加热蒸汽的密度(kg/m3)，0.2Mpa表压时为1.6224.3.4 发酵过程产生的热量及冷却用水量发酵过程热量计算有以下几种方法：(1) 通过计算生化反应热来计算总发酵热Q总Q =生物合成热+搅拌热汽化热总(2) 通过燃烧热计算Q 二工Q+SQ总反应物燃烧产物燃烧(3) 通过冷却水带走的热量计算Q二48%冷却水流量小出-进) 总发酵液总体积4)通过发酵液的温度升高进行计算关闭冷却水，观察罐内发酵液温度升高，用下式

28、计算4.18(GCt + GCt)ii -/(m3 - h)式中，G发酵液重量(kg)C发酵液比热容IkJ /(kg - K)t1h内发酵液升高温度数(K)G1设备筒体重(kg)Cl设备筒体比热容IkJ /(kg - K)V发酵液体积m3根据部分味精工厂的实例和经验数，谷氨酸的发酵热高峰值约为3.0x 104kJ /(m3 - h)用1000m3发酵罐，装料量800m3，使用新鲜水，冷却水进口温度10C，出口温度20C，冷却水用量(W)：W 二 3.0x104 x 800 二 5.74x 105kg /h 二 574t/h (20 -10) x 4.18日运转10.75台，高峰用水量574X1

29、0.75二6170.5t/h日用水量：6170.5x0.8x24二 118473.6d平均用水量：6170.5 x 0.8 = 4936.4t / d0.8各罐发热状况均衡系数5 水平衡计算5.1 糖化工序用水量 配料用水量：日投工业淀粉662.9571,加水比1:2.5,用水量为：662.957x2.5二1657.4d，因连续生产，平均水量=高峰水量=1657.424=69t/h 液化液冷却用水量：平均量二高峰量=77 t/h, 1848t/d 糖液冷却用水量(使用二次水)：每日用冷却水量2331 t/d，平均量2331F 24=97t/h，高峰量 184.1 t/h5.2 连续灭菌工序用水

30、量(1) 配料用水量：糖液含糖24%，加水配成19%糖液926.31,(19%、则每罐需加水 926.3x 1 - 二193t，(24% 丿每日投料按7罐计算，需水量7x193二1351t/d平均量：135124=56.3 (t/h)，要求在0.5h内加入1931水，故高峰量：193 x 丄=386t/h0.5(2) 冷却用水量(使用二次水)：前面以计算出，高峰量645t/h，每日5805t/d, 平均 580524=242t/h5.3 发酵工序用水前面已计算，日用量118473.6t/d,平均量4936.4t/d6无菌压缩空气消耗量计算6.1谷氨酸发酵无菌空气平衡示意图图4谷氨酸发酵无菌空气

31、示意图6.2发酵工艺指标及基础数据根据前面130000t/a味精厂发酵工艺技术指标及物料平衡计算结果，列出与空气 消耗有关的基本数据：每日发酵液量为2838.33m3每日的二级种液量为227.07m3发酵时间：38h发酵周期：48h发酵罐全容积：1000m3发酵罐装料系数：80%6.3发酵过程无菌空气用量计算发酵车间无菌空气消耗量主要用于谷氨酸发酵过程通风供氧，其次为种子培 养的通气以及培养基压料输送也需要压缩空气。此外，因设备和管路、管件等的 消毒吹干以及其他损耗构成无菌空气的耗用量。（1）单罐无菌空气耗用量查得1000m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.20vvn，单罐发酵过程用气量：

32、V = 1000 x 80% x 0.2 x 60 = 9600m 3 / h单罐年用气量：V 二 V x 32 x 150 二 54720000 m3a式中，150每年单罐发酵批次（150 = 300x24一48）（2）种子培养等其他无菌空气耗量二级种培养是在种子罐中进行的，可根据接种量、通气速率、培养时间等 进行计算。但通常的设计习惯，是把种子培养用气。培养基压送及管路损失等算 作一次，一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气耗量的20%。故这 项无菌空气耗量为：V = V X 20% = 1920m 3/h单罐年用气量：V二 Vx8x 150 二 1920 x8x 150 二 27

33、64800m3 /aa式中，8种子罐培养时间（3）高峰无菌空气耗量：V二 14V + 7V二 14 x 9600 + 7 x 1920 二 147840 m3 / hmax（4）车间无菌空气年耗量：V = 14V + 7V二 14 x 54270000 + 7 x 2764800 二 7.9 x 108m3 /ata a（5）车间无菌空气单耗：根据设计，实际味精年产量 G=130000t/a故其单耗为V = I = 6077 m3 /10 G6.4 年产 130000 吨味精无菌空气衡算表：根据上述计算结果，可得出 130000t/a 味精厂无菌空气用量衡算表，如下表所示：表 3 发酵车间无菌

34、空气衡算表发酵罐全容积（m3）单罐通气量（m3/h）种子罐耗气 量（m3/h）高峰空气耗量（m3/h）年空气耗量（m3/h）空气单耗（m3/h）1000960019201478407.9 x 10860777 设备设计与选型7.1 发酵罐设计7.1.1 发酵罐选型与数量选用机械涡轮搅拌通风发酵罐，现每天生产100%纯度的味精63.81,谷氨 酸的发酵周期为48h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间），由前 面已计算得出所需发酵罐数14个。7.1.2 发酵罐主要尺寸取高径比 H：D=2：12V = V + 2V = 230m3；全 筒 封则有：nV = 0.785D2 x 2D +D3

35、 x 2 = 1000全24H=2D；解方程得：1.57 D 3 + 0.26 D 3 = 1000D pl000 二 8.2（m）1.83H=2D=16.4m；封头容积 ：V =72（m3）封圆柱部分容积：V =866m3筒验算全容积V :全V= V + 2V = 866 + 2 x 72 = 1010m3 沁 1000m3全 筒 封符合设计要求，可行。取=80%，实际装液量为：1000x80%二800m37.1.3 冷却面积计算影响发酵罐冷却面积的因素很多，诸如：不同的菌种系统、基质浓度、材质、冷却水温、水质、冷却水流速等。确定发酵罐冷却面积的方法有经验值计算法和 传热公式计算法：(1)经

36、验值计算法：不同容量发酵罐的冷却面积如下发酵产品装料体积/m3冷却面积/m3冷却面积m2/发酵液体积m3二血酵母50400.8谷氨酸40601.5柠檬酸4016-200.4-0.5谷氨酸发酵罐冷却面积取1.5m2/m3；由上知填充系数=80%，则每个1000m 3的发酵罐换热面积：A 二 V 屮二 1000 x 0.8 x 1.5 二 1200m2全(2) 传热公式计算法：为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境 温度最高时也能冷却下来发酵热，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的那半 个月的气温下，而冷却水可能达到的最高温度的恶劣条件下，计算冷却面积。对谷氨酸发酵，每lm3发酵液、每1

37、h传给冷却器的最大热量约为4.18X6000kJ/(m3 h) 1。采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18X500 kJ/(m3hC)。平均温差At :m人M X t =12-m Atln 1 t232C27C32C 20C12代入tln12=8C对公称容量1000 m3的发酵罐，每罐实际装液量为800m3,换热面积F 二KA tm4.18 x 6000 x 8004.18 x 500 x 8=1200Cm2)7.1.4 搅拌器计算由于谷氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡 轮搅拌器2。该搅拌器的各部分尺寸与罐径 D 有一定比例关系搅拌器叶径D - D - 8.2 -

38、 2.73(m)i 33叶宽 ：B - 0.2D - 0.2x 2.73 - 0.546Cm) i弧长：l - 0.375D - 0.375x2.73 -1Cm)i底距：C - D - 8.2 - 2.73(m)33盘踞 ：d -0.75D - 0.75x 2.73 - 2.05Cm) ii叶弦长：L - 0.25D - 0.25x2.73- 0.68Cm) i叶距 ：Y - D - 8.2Cm )弯叶板厚：=14(mm)取两挡搅拌，搅拌转速N可根据50m3罐,搅拌直径1.05m,转速N =110r/min。21以等P/V为基准放大求得：高径比2： 1半径8.2m换热面积1200m2011 D

39、2 丿=110 X(1.05 严104视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7 计算不通气时的搅拌轴功率P : 0P = N N3D5P0P式中N 在湍流搅拌状态时其值为常数4.7pN搅拌转速，N=58r/min=0.97r/sD搅拌器直径，D=2.73mP醪液密度，P=1050kg/m3代入上式:P = 4.7 x 0.973 x 2.735 x 1050 = 683 x 103W = 683kW 0两挡搅拌：P = 2 P = 1366 kW00 0.39丿 计算通风时的轴功率Pg(P 2 ND 30I Q 0.08式中不通风时搅拌轴功率(kW)，P2 = 13662 = 1865956N轴转

40、速，N=58r/minD搅拌器直径(cm), D3=2.733X 106=20.35X 106Q通风量(ml/min),设通风比VVm=0.110.18，取低限，如通 风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11;则 Q=8 00 X 0.11X 106=8 . 8X 107 (ml/min)Q0.08 =C.73 X107 08 二 4代入上式：P = 2.25 x 10-3 xg1865956 x 58 x 20.35 x 106)0.39=1262 (kW 丿 求电机功率P电:PP =一 x 1.01电 耳耳耳123滚动轴承n =0.99，滑动轴承n =0.98 ；端面密封增23采用三角带传

41、动n =0.92；1加功率为1%4；代入公式数值得7电=0.92 X 0.99 X 0.98 X 1.01 = 1428W 7.2 设备结构的工艺计算1262 空气分布器：对通风量较小(Q=0.020.5mL/s)的设备，应加环型或直管 型空气分布器；而对通气量大的发酵罐，则使用单管通风，由于进风速度高，又 有涡轮板阻挡，叶轮打碎、溶氧是没有问题的。本罐采用单管进风，风管直径 325X8mm。 挡板：挡板的作用是加强搅拌速度，促进液体上下翻动和控制流型，防止 产生涡旋而降低混合与溶氧效果。如罐内有相当于挡板作用的竖式冷却蛇管，扶 梯等也可不设挡板。为减少泡沫，可将挡板上沿略低于正常液面，利用搅

42、拌在液 面上形成的涡旋消泡。本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板 密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 冷却管布置：小罐多使用夹套冷却装置，大罐冷却中，蛇管因易沉积污垢 且不易清洗而不采用；列管式冷却装置虽然冷却效果好，但耗水量过多；因此本 罐采用竖式蛇管冷却装置4为了保证发酵罐的冷却，单是计算出冷却面积是不够的，还要有足够的管道截面积，以供足够的冷却水通过。管道截面太大，管径太粗不易弯制，冷却水没 有充分利用；太细则冷却水流经管路一半不到，水温已与料温相等。I最高负荷下的耗水量W：式中 Q 每1 m3醪液在发酵最旺盛时，lh的发热量与醪液总体积的乘 总积Q 二 4.1

43、8 x 6000 x 800 二 2 x 107 (kJ / h)总c 冷却水的比热容，4.18kJ/ (kgK) pt冷却水终温，t =27C 22t冷却水初温，t =20C 11将各值代入上式2x107、4.18 x(27 - 20)6.8 x 105 Ckg / h)= 189Qg / s)冷却水体积流量为0.189m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1 m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积5总为:式中W冷却水体积流量，W=0.189ms/sV冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径S = 0189 = 0.189 O总1F心二皿)II冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S

44、，管径d,组数为n,则: 总0取n=16，求管径。由上式得：n 0.78516 x 0.785二 0.123(m)查金属材料表选取133X4mm无缝管，d = 125mm， g=12.72kg/m，内内o，认为可满足要求，d = 129mm。平均现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，两端弯 管总长度为10:/ =兀D = 3.14 x 600 = 1884(mm)0III冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积F 二 1200m 2现取无缝钢管133X4mm，每米长冷却面积为F 二 3.14x0.129 x 1 二 0.4C2)0则:F _ 1200F _ 0T0_

45、 3000 (m)(m3)冷却管占有体积：V _0.785x0.1332x3000_41.66W每组管长L和管组高度：L _ - _ 3000 _ 187.5(m)0 n 16另需连接管 8m：L实_ L + 8 _ 1875 + 8 _ 1955(m)可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头500mm。设发酵 罐内附件占有体积为2.0m3，贝V：总占有体积为V _V + V + V_800 + 41.66 + 2.0_843.663)总 液 管 附件则筒体部分液深为：843.66 - 720.785 x 8.2214.62(m)竖式蛇管总高H“_ 14.62 +1.0 _ 15.

46、626)；取管间距为0.5m。管又两端弯管总长1 _ 1884mm，两端弯管总高为1.384m,0则一圈管长为：1 _ 2H +1 _ 2x 15.62 +1.884 _ 33.124(m)管0V每组管子圈数n：0L 187.5no 十317124 = 5-66 (圈)取6圈。L实二 33.124 x 6x 16 + (8x 16)二 3308m现取管间距为2.5D t二2.5 x 0.133二0.3325(m)，竖蛇管与罐壁的最小距离为 外0.15m,则最内层竖蛇管与罐壁的最小距离：0.3325x5 + 0.15 + 0.065二1.8775m 与搅拌器的距离：8.2-2.73-1.8775

47、二3.6m，在允许范围内(不小于200mm)。校核布置后冷却管的实际传热面积：F 二兀d L = 3.14 x 0.129 x 3308 二 1340 1200(m2)实 平均 实而前有F=1200m2, F实 F，可满足要求。7.3 设备材料的选择6谷氨酸发酵时用碳钢制作发酵设备，精制时用除铁树脂除去铁离子。如企业实力雄厚，也可以用不锈钢制作发酵设备。选用A钢制作，以降低设备费用。37.4 发酵罐壁厚的计算计算法确定发酵罐的壁厚SpQ2lnb - Pcm)式中P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPaD发酵罐内经，D=820cm。A3钢的应用应力，。=127MPa焊接缝隙，

48、=0.7C壁厚附加量(cm)C 二 C + C + C123式中 C钢板负偏差，现取C =0.8mm11C 为腐蚀余量，现取C =2mm22C加工减薄量，现取C =033C = 0.8 + 2 + 0 = 2.8(mm )= 0.28(cm)0.4 x 8202 x 127 x 0.7 - 0.4+ 0.28 =2 . 13(cm)选用22mm5厚A钢板制作。3封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式1如下:pQ2lnb - Pcm）式中 P=0.4MPaD=820cm。=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm） =0.7+ 0.38 =2.23（cm ）0.4 x 8202

49、 x 127 x 0.7 0.4选用25mm】5厚A钢板制作。37.5 接管设计接管的长度 h 设计：各接管的长度 h 根据直径大小和有无保温层，一般取100200mm。接管直径的确定：按排料管(也是通风管)计算：该罐实装醪量800m3，设4h之内排空，则物 料体积流量Q =册=0-056（m 3/S）发酵醪流速取v=lm/s;则排料管截面积为F。物 厂 Q 0.056八八“() F = 0.056 w 2 丿物 v 1F = 0.785d 2物管径：vH 二 0.267）取无缝管 325 X 8mm, 309mm267mm，认为合适。按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为2025

50、m/s。现通风比 0.10.18vvm,为常温下20C, 0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30C状态。 风量 Q 取大值，Q = 800x0.18 = 144(w3/min )= 2.43/s)o11利用气态方程式计算工作状态下的风量Q 3fQ = 2.4x 01 x 273 + 30 = 0.62(m3 /s)f0.4 273 + 20取风速v=25m/s,则风管截面积Ff为F = Q = 062 = 0.0248 (m2)f v 25F 二 0.785d 2f气则气管直径d气为:唾二 0.78(m)气 0.785因通风管也是排料管，故取两者的大值。取 325X8mm无缝管，可满足

51、工 艺要求。排料时间复核：物料流量Q=0.056m3/s，流速v=lm/s； 管道截面积：F 二 0.785 x 0.3092 二 0.075C2），在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为Q 0.056（ ）P - 0.747（倍 丿Fv 0.075 x 1排料时间：t - 2x0.747 -1.494(h)7.6 支座选择对于100m3以上的发酵罐，由于设备总质量较大，应选用裙式支座。本设计选用裙式支座。7.7 种子罐发酵所需的种子从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至 二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。种子罐冷却方 式采用夹套冷

52、却。7.7.1 种子罐容积和数量的确定种子罐容积的确定：接种量为8%计算，则种子罐容积V种2为：V 二 V x 8% 二 1000 x 8% 二 80O种 2 总式中 V发酵罐总容积（m3）总 种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上 7 罐，需 种子罐7个。种子罐培养8h,辅助操作时间810h,生产周期1618h, 般的 厂是1个种子罐对一个发酵罐，因此，种子罐数确定为7个。7.7.2 主要尺寸的确定种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。取H： D=2：l,则种子罐总容积量V为： 总U，= U，+ 2V总 筒 封简化方程如下：八 2 x 佥 D3 +。785D2 x 2

53、D 二 803)整理后1.57 D3 + 0.26D3 二 80解方程得D=3.52mH=2D=2X3.52=7.04 (m)查得封头高H封H = 850 + 50 = 900 (mm ) 封罐体总高 H ：罐H二 2H罐+ H二 2x 900 + 7000 二 8800(mm)=8.8m筒单个封头容量：V封=5.71 (m3)圆筒容量 ：V = 0.785D 2 x 2 D = 68. 筒不计上封头容积 ：V有效二V + V 二5.71 + 68.5二74.21()封筒校核种子罐总容积 V ：X 二2V + V 二2x5.71 + 68.5二79.92（）总 封 筒几乎与需要的种子罐容积80

54、m3相等，可满足设计要求。7.7.3 冷却面积的计算采用夹套冷却1) 发酵产生的总热量：Q 二 4.18 x 6000 x 800 x 8% 二 1.6 x 106 (kJ / h)总2) 夹套传热系数：K 二 4.18 x (150 250)kJ /(m2 h C)现取 K=4.18 X 220kJ/ (m2 hC)(3) 平均温差：发酵温度32C ；水初温2023C，取23C ；水终温27C，则平均温差：5-4At -； = 4.5Cm5ln 44)需冷却面积 F：F =1.6 x 10= 386.64(m 2)KAt 4.18 x 220 x 4.5m5)核算夹套冷却面积：按静止液深确定

55、夹套高度静止液体浸没筒体高度 ：V - VH =-醪封0 S罐64-5.710.785 x 3.522液深 ：H = H + H = 900 + 6000 = 6900 (mm )=6.9mL封0夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多 少冷却作用。该设计夹套能满足要求；7.7.4 设备材料的选择及设备工艺采用 A 钢制作3设备结构的工艺设计：B Z = 0.5(1)挡板：根据全挡板条件，D式中 B挡板宽度 B=(0.1-0.12) D=0.1X3520=352mmD罐径 D = 3.52mZ挡板数：D3520Z = 0.5=0.5 x= 5B352取Z = 5块2）

56、搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器直径：Di = 0.30.35D现取：D = 0.35 D = 0.35 x 3520 = 1232 mmi叶片宽度：h = 0.2 D = 0.2 x 1232 = 2464 mmi弧长：r = 0.375 D = 0.375 x 1232 = 462mmi盘径：申=0.75 D = 0.75 x 1232 = 924mmi叶弦长：l = 0.25 D = 0.25 x 1232 = 308mmi搅拌器间距：Y = D = 1232 mmi底距：b = 1232mm搅拌器转速N,根据50L罐，470r/min，使用P/V为基准放大，50L罐20N =470r/min,1搅拌器直径Di=112mm2/3 = 95(r/min)两挡搅拌。3）搅拌轴功率的计算淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。i计算Re 3m D 2 Np Re 二m卩式中D搅拌器直径，D=1.232mN搅拌器转速，N = 95 = 1.58（r / s）60p醪液密度，P =1050 kg/m3口 醪液粘度，U=1.3X 10-3Ns/m2 将数代入上式：Rem1.2322 x 1