發(fā)酵t味精工廠設(shè)計(jì)

1、«生物工程工廠設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目70000t/a味精工廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)系 另寸：城市建設(shè)學(xué)院專業(yè)班級(jí)：生物工程0901班姓名:程操學(xué)號(hào):20091171003指導(dǎo)教師：康旭（課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2012年6月8日2012年6月24日）華中科技大學(xué)武昌分校目錄、尸 、-前言 錯(cuò)誤！未定義書簽。緒論 錯(cuò)誤！未定義書簽。一 . 味精生產(chǎn)工藝 41.1 味精生產(chǎn)工藝概述 41.2 原料的預(yù)處理及淀粉水解制備 51.2.1 原料的預(yù)處理 51.2.2 淀粉水解制備 51.3 種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵 51.4 谷氨酸的提取 51.5 谷氨酸制取味精及味精成品加工 5二. 發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型

2、 62.1 味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算 62.1.1 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 62.1.2 谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算 62.1.3 30000t/a 味精廠發(fā)酵車間的物料衡結(jié)果 82.2 熱量衡算 92.2.1 液化工序熱量衡算 92.2.2 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算 92.2.3 谷氨酸鈉溶液濃縮結(jié)晶過程的熱量衡算 102.2.4 干燥過程的熱量衡算 112.2.5 生產(chǎn)過程耗用蒸汽衡算匯總衡算結(jié)果 112.3 無菌空氣耗量計(jì)算 122.4 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 122.4.1 發(fā)酵罐 122.4.2 種子罐 212.4.3 空氣分過濾器 272.4.4 味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表 28致謝28主

3、要參考文獻(xiàn) 291. 課程設(shè)計(jì)目的生物工程工廠設(shè)計(jì)概論課程設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)過相關(guān)基礎(chǔ)課程及生物工程設(shè)備 理論與實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)工廠設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué) 環(huán)節(jié)。通過該環(huán)節(jié)的實(shí)踐，可使學(xué)生初步掌握單元操作設(shè)計(jì)的基本程序與方法， 得到工程設(shè)計(jì)能力的基本鍛煉。生物工程工廠課程設(shè)計(jì)是以實(shí)際訓(xùn)練為主的課 程，學(xué)生應(yīng)在過程中收集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在教師指導(dǎo)下完成一定的車間設(shè)計(jì)任務(wù)， 以 達(dá)到培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力的目的。單元過程及單元設(shè)備設(shè)計(jì)是整個(gè)過程和裝備設(shè)計(jì)的核 心和基礎(chǔ)，并貫穿于設(shè)計(jì)過程的始終，從這個(gè)意義上說，作為相關(guān)專業(yè)的本科生 能夠熟練地掌握典型的單元過程及車間的設(shè)計(jì)過程和方法，無疑是十分重要的

4、。2 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求2.1設(shè)計(jì)題目描述設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一個(gè)年產(chǎn)70000噸的味精發(fā)酵車間。已知條件為A采用中糖發(fā)酵，等電點(diǎn)一離子交換提取的生產(chǎn)方法；B選用A3鋼板，材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力刁七=170MPa;C鋼板厚度負(fù)偏差G = 0.6mm,腐蝕裕量取C2 = 1mmD使用含淀粉86%的工業(yè)淀粉原料； 試確定該發(fā)酵車間的各設(shè)備及其布置情況設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)所給的設(shè)計(jì)題目完成以下內(nèi)容:(1) 設(shè)計(jì)方案確定；(2) 相關(guān)衡算；(3) 主要設(shè)備工藝計(jì)算;（4）主要工藝流程設(shè)計(jì)；（5弁甫助（或周邊）設(shè)備的計(jì)算或選擇；（6）制圖（包括帶節(jié)點(diǎn)控制的工藝流程圖和發(fā)酵車間的設(shè)備平面布置圖） 編寫設(shè)計(jì)說明書及

5、其它。2.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)時(shí)間為兩周。設(shè)計(jì)成果要求如下：1. 完成設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)的收集與整理2. 完成發(fā)酵車間中各設(shè)備的各種計(jì)算3. 完成相關(guān)設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算4. 完成谷氨酸發(fā)酵流程圖，完成車間設(shè)備布置平面圖5. 完成設(shè)計(jì)說明書或計(jì)算書（手書或電子版打印均可）3.70000t/a味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算3.1味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程谷氨酸發(fā)酵采用淀粉原料，雙酶法糖化，中初糖發(fā)酵流加高糖,等電點(diǎn)-離子交換提取的工藝。其工藝流程示意圖見圖1。圖1味精生產(chǎn)總工藝流程圖3.2工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1）味精行業(yè)國(guó)家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ，選用主要指標(biāo)如表1 表1味精發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a7

6、0000 （味精）生產(chǎn)方法中糖發(fā)酵,等電點(diǎn)-離子交換提取年生產(chǎn)天數(shù)d/a300產(chǎn)品日產(chǎn)量t/d233.33產(chǎn)品質(zhì)量純度99%倒灌率%0.2發(fā)酵周期h48發(fā)酵初糖3Kg/m150淀粉糖轉(zhuǎn)化率%108流加高濃糖%500糖酸轉(zhuǎn)化率%60麩酸谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%92味精對(duì)谷氨酸產(chǎn)率%1272（2） 主要原材料質(zhì)量指標(biāo)淀粉原料的淀粉含量為86%，含水14%（3）二級(jí)種子培養(yǎng)基（g/L）水解糖50，糖蜜20，磷酸氫二鉀1.0，硫酸鎂0.6, 玉米漿510,泡敵0.6，生物素0.02mg,硫酸亞鐵2mg/L,硫酸錳2mg/L。（4）發(fā)酵初始培養(yǎng)基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸鎂0.6，氯化鉀

7、0.8，磷 酸0.2,生物素2卩g,泡敵1.0，接種量為8%。3.3谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算首先計(jì)算生產(chǎn)1000kg純度為100%的味精需耗用的原輔材料及其他物料量。（1）發(fā)酵液量ViV, =1000 亠 220 60% 95% 99.8% 122%二 6.55 m3式中220發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3）60%糖酸轉(zhuǎn)化率95%谷氨酸提取率99.8%除去倒灌率0.2%后的發(fā)酵成功率 122%味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率（2）發(fā)酵液配制需水解糖量G1 以純糖算，GV1 220 =1441（kg）（3）二級(jí)種液量V2V2 =8%乂 =0.524 m3（4） 二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量G2G2 二 50

8、V2 二 26.2 m3式中50二級(jí)種液含糖量（kg/m3）（5）生產(chǎn)1000kg味精需水解糖總量G為：G 二 G G2 =1467.2 kg（6）耗用淀粉原料量理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量 G 淀粉為：G淀粉=1467.2 , 86% 108% 111%= 1423.13 kg式中86%淀粉原料含純淀粉量108%淀粉糖轉(zhuǎn)化率（7）液氨耗用量發(fā)酵過程中用液氨調(diào)PH和補(bǔ)充氮源，耗用260280kg；此外，提取過程耗用160170kg，合計(jì)每噸味精消耗 420450kg（8）甘蔗糖蜜耗用量 二級(jí)種液耗用糖蜜量V3V3 = 20V2 = 10.48 kg發(fā)

9、酵培養(yǎng)基耗糖蜜量V4V4 二 4乂 二 26.2 kg合計(jì)耗糖蜜36.68kg（9）氯化鉀耗量GkciGkci = 0.8V| = 5.24 kg（10）磷酸氫二鉀（K2HPO4）耗量G3G3 = 1M = 0.524 kg（11）硫酸鎂（MgSO4 7H2O）用量 G4G4 = 0.6 V, V2 =4.24 kg（12）消泡劑（泡敵）耗用量 G5G5 =1.0V10.6V2 =6.8644 kg（13）玉米漿耗用量（8g/L）G6 = 8V2 = 4.19 kg（14）生物素耗用量G7 ".00M 0.02V2 =0.0236（ g）（15）硫酸錳耗用量G8 =0.002V2 =

10、 1.048（g）（16）硫酸亞鐵耗用量G9 =0.002V2 = 1.048（g）（17）磷酸耗用量Go =0.2乂 =1.31（kg）（18）谷氨酸（麩酸）量發(fā)酵液谷氨酸含量為：G 60% 1-0.2% =862.9 kg實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸（提取率 95%）為：862.9 95% =819.8 kg3.4 .70000t/a味精廠發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果表2 年產(chǎn)70000噸味精物料橫算表物料名稱生產(chǎn)1t味精(100%的物料量70000t/a 味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液/m36.55458.5 1031528.33二級(jí)種液/m30.52436.68 103122.27發(fā)酵水解用糖63/k

11、g1441100.87 10336.23 10二級(jí)種培養(yǎng)用糖/kg26.21.834 1066.11 103水解糖總量/kg1467.2102.704 106342.35 103淀粉/kg1423.1399.62 106332.06 103液氨/kg420629.4 10398 10糖蜜/kg36.6962.568 1038.559 10氯化鉀/kg5.243366.8 1031.223 10磷酸氫二鉀/kg0.52436.68 103122.267硫酸鎂/kg4.24296.8 1030.989 103泡敵/kg6.863458.5 101.528 103玉米漿/kg4.193293.3 1

12、0977.667生物素/kg0.023616525.507硫酸錳/g1.04873.36 103244.533硫酸亞鐵/g1.04873.36 103244.533磷酸/g1.3191.7 103305.667谷氨酸/kg849.857.386 106191.287 1034.熱量衡算熱量衡算是根據(jù)能量守恒定律建立起來的，熱平衡方程表示如下:Qi +Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中，Qi 帶入的熱量（J）Q2 蒸汽熱量（J）Q3 各種熱效應(yīng)，如發(fā)酵熱，稀釋熱，溶解熱等（J）Q4物料帶走熱量（J）Q5 消耗于設(shè)備上熱量（J）Q6 設(shè)備向外界散失熱量（J）4.1液化工序熱量衡算液化工序流程圖如圖2

13、所示:1調(diào)漿罐2 噴射器3 維持罐4 板式換熱器 5 糖化罐 圖2液化工序流程圖液化加熱蒸汽量加熱蒸汽消耗量(D)，可按下式計(jì)算：D= G C (t2 t1)，(I - )式中G-淀粉漿量(kg/h)C-淀粉漿比熱容(kJ/ (kg K)t1-漿料初溫(20+273=293K)t2-液化溫度(90+273=363K)I-加熱蒸汽焓，2738kJ/kg (0.3Mpa，表壓)入-加熱蒸汽凝結(jié)水的焓，在363K時(shí)為377kJ/kg(1 )淀粉漿量G :根據(jù)物料 衡算，日投工業(yè)淀 粉332.06t;連續(xù)液化,356.98 24 =13.84 (t/h )。加水為 1: 2.5,粉漿量為：13840

14、>3.5=48440 (kg/h)。(2) 粉漿干物質(zhì)濃度：13840 86% = 24.57%48440(3) 粉漿比熱C,可按下式計(jì)算：X100-XC 二 CoC水1.55 24.57% 4.18 75.43% = 3.53kJ/(kg K)100 100中C0-淀粉質(zhì)比熱容，取1.55kJ/ (kg K)X-粉漿干物質(zhì)含量，24.57%C水-水的比熱容，4.18kJ/ (kg K)(4) 蒸汽用量液化液總質(zhì)量：G液 = 48440 5069.6 53509.68kg/h 4.1.2 滅酶用蒸汽量D =-5069.68 kg/h滅酶時(shí)將液化液由90E加熱至100C，在100C時(shí)的入為

15、419kJ/kg48440 3.53 (90 -20)2738 -377液化液比熱：C液=1.55 22.24% 4.18 77.76 =3.5951KJ/(Kg K)液化液中干物質(zhì)濃度：135爲(wèi)甞100%心53509.68 3.5951(100-90) 829.53kg/hD滅二2738-419要求在20min內(nèi)使液化液由90C升至100C，則蒸汽高峰量為:829.53 80吃0=2488.59 (kg/h)以上兩項(xiàng)合計(jì)，平均量 5069.68+829.53=5899.21 ( kg/h); 每日用量 5.899 )24=141.58 (t/d)。高峰量：5069.68+2488.59=75

16、58.27 (kg/h)液化冷卻水用量使用板式換熱器，將物料由100C降至65C,使用二次水，冷卻水進(jìn)口溫度20 C,出口溫度58.7 C，需要冷卻水量：w (53509 +829.53)x3.595x(100 65)W42266.18kg/h(58.7 -20)x4.184.2糖化熱量衡算由物料衡算只日需水解糖342.35 103kg，折算為24%勺糖液為1426.46t/d，1426.46 - 1.09=1308.68m3,糖化操作周期30h，其中糖化時(shí)間25h，糖化罐250用, 裝料200m，貝u需糖化罐：1308.68308.2臺(tái)，取9臺(tái)。20024使用板式換熱器，使糖化液(經(jīng)滅酶后)

17、由85r降至60r，用二次水冷卻，冷卻水進(jìn)口溫度20r，出口溫度45C，平均用水量為：=45889kg /h(484405899.21) 3.53 (85 -60)(45 -20)沢4.18要求在2h把200帛糖液冷卻至40C，高峰用水量為:45889484405899.21每日糖化罐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn):200000 1.0992050 kg / h258.2 一=6.83 (罐)30每投(放)料罐次：1308.68 =6.5 (罐次)200每日冷卻水用量：2 92.05 6.83 =1257.4t/d4.3連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量發(fā)酵罐500m3裝料系數(shù)0.75,每罐產(chǎn)100%

18、MSG量：23330.1948=15.4 (臺(tái))，取 16 臺(tái)。500 0)5 8%X86%X 92%x 1.272=30.19 (t) 年產(chǎn)量7萬噸商品味精，日產(chǎn)100%MSG 233t/d 發(fā)酵操作時(shí)間48h (其中發(fā)酵時(shí)間38h),需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù):每日投（放）料罐次：23330.19=71(罐)日運(yùn)轉(zhuǎn)：15.4 38 =12.19 罐48每罐初始體積375m3，糖濃度22g/dl,滅菌前培養(yǎng)基含糖19%，其數(shù)量：375 22%二 434.2t19%滅菌加熱過程中用0.4Mpa蒸汽（表壓）l=2743kJ/kg，使用板式換熱器將物料由20C預(yù)熱至75C,再加熱至120C。冷卻水由20C升至4

19、5C。流程圖如下所示, 間，罐之自由空間仍按1000m3計(jì)算。填充空間需蒸汽量:1板式換熱器（冷卻段）2板式換熱器（預(yù)熱段）3連消塔 4 維持罐圖3應(yīng)用板式換熱器滅菌流程434 2每罐滅菌時(shí)間3h,輸料流量434.2 =144.74t/h3消毒滅菌用蒸汽量（D）:144740 3.7 (120 -75)2743 -120 4.18= 10.75t/h式中，3.7為糖液的比熱容（kJ/ （kgoK） 每日用蒸汽量：10.75 8>8=258 （t/d）高峰量：10.75t/h平均量：258吃4=10.75 （t/h）4.3.2培養(yǎng)液冷卻用水量參照?qǐng)D3,120C熱料通過與生料熱交換，降至 冷

20、卻水由20C升至45C，計(jì)算冷卻水量（W）：80C，再用水冷卻至35C144740 3.97 (80 -35)(45 -20) 4.18=247.44t/h全天用水量：247.44 3 8 =5938.56t/d4.3.3填充發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量因1000m3發(fā)酵罐的全容積大于1000m3,考慮到罐內(nèi)之排管、攪拌器等所占之空D Vp=00X1.622=811 (kg)式中V-發(fā)酵罐自由空間即全容積(m3)P-加熱蒸汽的密度(kg/m3)，0.2Mpa表壓時(shí)為1.622434發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量發(fā)酵過程熱量計(jì)算有以下幾種方法：(1) 通過計(jì)算生化反應(yīng)熱來計(jì)算總發(fā)酵熱Q總Q總=生物合成

21、熱+攪拌熱一汽化熱(2) 通過燃燒熱計(jì)算Q總=藝Q 反應(yīng)物燃燒+工 Q產(chǎn)物燃燒(3) 通過冷卻水帶走的熱量計(jì)算4.18疋冷卻水流量(t出-t進(jìn))©總=發(fā)酵液總體積(4) 通過發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計(jì)算關(guān)閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液溫度升高，用下式計(jì)算Q18(GCt GW kj/(m3h)】V式中，G發(fā)酵液重量(kg)C發(fā)酵液比熱容kJ /(kg K) It 1h內(nèi)發(fā)酵液升高溫度數(shù)(K)G1設(shè)備筒體重(kg)C1設(shè)備筒體比熱容kJ /(kg K)1v發(fā)酵液體積m根據(jù)部分味精工廠的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)數(shù)，谷氨酸的發(fā)酵熱高峰值約為3.0 104kJ/(m3 h)用1000m發(fā)酵罐，裝料量800m,使用新鮮

22、水，冷卻水進(jìn)口溫度10C，出口溫度 20C,冷卻水用量(W:= 269.14t/hW 二 3° 104 375(20-10) 4.18日運(yùn)轉(zhuǎn)12.19臺(tái)，高峰用水量574 12.19 =3280.8t/h 日用水量：3280.8 0.8 24 =62992t/d平均用水量：62992 “ 24 = 2624t / d0.8 各罐發(fā)熱狀況均衡系數(shù)5水平衡計(jì)算5.1糖化工序用水量 配料用水量：日投工業(yè)淀粉332.06t，加水比1:2.5，用水量為：332.06 2.5830.15t/d，因連續(xù)生產(chǎn)，平均水量二高峰水量=830.15吃4=34.59t/h(用新鮮水) 液化液冷卻用水量：平均

23、量 =高峰量=42.27t/h，1014.48t/d 糖液冷卻用水量(使用二次水)：每日用冷卻水量1257.4t/d，平均量2331 吃4=52.4t/h，高峰量 92.05t/h5.2連續(xù)滅菌工序用水量(1) 配料用水量：糖液含糖24%加水配成19%糖液434.2t，則每罐需加水434.2漢-19i = 90.46t，<24% 丿每日投料按8罐計(jì)算，需水量8 90.46 =723.68t/d平均量：723.68吃4=30.15 (t/h)，要求在0.5h內(nèi)加入90.46 t水，故高峰量：190.46180.92t/h0.5冷卻用水量(使用二次水)：前面以計(jì)算出，高峰量 247.44t/

24、h，每日用量5196.30t/d，平均 5196.30 吃4=216.51t/h5.3發(fā)酵工序用水前面已計(jì)算，日用量 56480t/d，平均量2353t/d,高峰量：2941.7t/h5.4發(fā)酵車間用水匯總：新鮮水只供配料和發(fā)酵冷卻用，由發(fā)酵冷卻后之水稱為二次水， 供洗柱，配稀酸 稀堿和補(bǔ)充于循環(huán)水之中。精制及動(dòng)力冷卻水采取循環(huán)使用法，耗水量計(jì)算匯總： 新鮮水高峰量：34.59+2941.7+180.92=3157.21t/h新鮮水平均用量：34.59+2353+30.15=2417.74t/h日用新鮮水量：830.15+56480+723.68=58033.83t/d二次水總量為：1257.

25、4+1014.48+5196.30=7468.18t/d平均量：45.89+42.27+216.51=304.67t/h6無菌空氣耗量計(jì)算發(fā)酵車間無菌空氣消耗量主要用于谷氨酸發(fā)酵過程通風(fēng)供養(yǎng)， 其次為種子培養(yǎng)的 通氣以及培養(yǎng)基壓料輸送也需要壓縮空氣。此外，因設(shè)備和管路，管件等的消毒 吹干以及其他損耗構(gòu)成無菌空氣的耗用量。(1) 單罐無菌空氣耗用量500m3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為 0.18-0.35vvn,取0.35計(jì)算 單罐發(fā)酵過程用氣量：V =500 0.75 0.35 60 = 7875 (m3/h) 單罐年用氣量：Va 二 V 38 150 二 44887500 (m3/a)式

26、中150每年單罐發(fā)酵批次(2) 種子培養(yǎng)等其他無菌空氣耗量二級(jí)種培養(yǎng)是在種子罐中進(jìn)行的，可根據(jù)接種量，通氣速率，培養(yǎng)時(shí)間等進(jìn)行計(jì)算。但通常的設(shè)計(jì)習(xí)慣，是把種子培養(yǎng)用氣。培養(yǎng)基壓送及管路損失等算作一次， 一般取這些無菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過程空氣耗量的20%。故這項(xiàng)無菌空氣耗量為：VV 20% =7875 0.2 =1575 (m3/h)單罐年用氣量：'Va =V漢8"50 = 1890000 (m3/a)式中8種子罐培養(yǎng)時(shí)間（3）高峰無菌空氣耗量：Vman = 16V 8V138600 (m3/h)（4）車間無菌空氣年耗量:Vt =16Va +8Va =7.33x108(

27、m3/a)（5）發(fā)酵車間無菌空氣單耗：根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際味精年產(chǎn)量為G=70000t故單耗：Vt4Vo1.05 10(m3/t)G年產(chǎn)70000噸味精無菌空氣衡算表:發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3）單罐通氣量（m3/h）種子罐耗氣量（m3/h）高峰空氣耗量（m3/h）年空氣耗量（m3/h）空氣單耗（m3/h）5007875157513860087.330041.05X07設(shè)備設(shè)計(jì)與選型7.1 發(fā)酵罐（1）發(fā)酵罐的選型選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2） 生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定（見前面所述）（3） 主要尺寸的計(jì)算：取高徑比 H : D=2 : 1V全 二 V筒 2V封 =500m3;則有:2n 3V全工 0.7

28、85D2 2D D32=50024H=2D ;解方程得:1.57D30.26D3 =500取 D=6.5mH=2D=13m ;封頭高:H 封二 ha hb 二 3250 mm封頭容積：圓柱部分容積:V 封=35.9 (m3)V 筒=431.2m3驗(yàn)算全容積V全：V全 -V筒 2V封=431.2 2 35.9 =503 m3認(rèn)為可滿足設(shè)計(jì)要求，可行。(4) 冷卻面積的計(jì)算對(duì)谷氨酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液、每1h傳給冷卻器的最大熱量約為 4.18X36000kJ/(m h)。采用豎式蛇管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18 X 500 kJ/(m3 h T )。平均溫差 tm : tm / t1t2In 4

29、t212cc x cc32 U 32cc °C C720 C 275代入 tm對(duì)全容積為換熱面積500 m3的發(fā)酵罐,每天裝8罐，每罐實(shí)際裝液量為375m3F 二亠 /186000375 =562.5 m2K tm 4.18 500 8(5) 攪拌器計(jì)算選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一定比例關(guān)系 攪拌器葉徑DDW=2.2m33葉寬：B=0.2Di=0.2 2.2 = 0.44 m弧長(zhǎng)：I =0.375Dj =0.375 2.0.825 m底距：叱=6.5 二 2.17 m3盤徑：di =0.75Dj = 0.75 2.2 = 1.65 m葉弦長(zhǎng)：L = 0.25

30、Dj = 0.25 22 = 0.55 m葉距：丫二 D = 6.5m彎葉板厚：S =14 (mm)取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)50m3罐，攪拌直徑1.05m，轉(zhuǎn)速Ni=110r/min。以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得：N2 二 N1= 1102/3D1D21.05 2/3二 67 r / min(6) 攪拌軸功率的計(jì)算淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪, 計(jì)算Rem可視為牛頓流體。Rem歸(1式中 D攪拌器直徑,D=2.2mN = =1.12 r/s603N攪拌器轉(zhuǎn)速,p 醪液密度，卩一一醪液粘度，將數(shù)代入上式:p =1050 kg/m卩=1.3X 10-3N s/m2Pg =2.25 10-p

31、6;2nd3、Q0.08,0.39(kW )式中P0不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率(kW)，P02=1 2 =58N軸轉(zhuǎn)速，N=67r/mi nD攪拌器直徑(cm), D3=2.23X 106=10.6X 106Q通風(fēng)量(ml/min ),設(shè)通風(fēng)比 VVm=0.110.18，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)小，為安全?，F(xiàn)取0.11;則 Q=155X 0.11X 106=1.7X 107 (ml/min )0.08. .7 °.°8Q 1.7 103.79代入上式:6 Pg =2.25 10"3.79509796 漢 67 如 0.6X0= 637.6 kWPg1.01123采用三

32、角帶傳動(dòng)n 1=0.92；滾動(dòng)軸承n 2=0.99，滑動(dòng)軸承n 3=0.98;端面密封 增加功率為1%;代入公式數(shù)值得：637.6 求電機(jī)功率P電：P電1.01= 721 kW(7) 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算 空氣分布器：本罐采用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑© 133X 4mm。 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板 密封方式：本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問題。 冷卻管布置：采用豎式蛇管I最高負(fù)荷下的耗水量WQ總W總Cp (t 2 t)式中乘積Q總一一每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的Q總二 4.18 6000 375 =9.4 106 kJ/hS冷卻水的比

33、熱容，4.18kJ/ (kg K) t2冷卻水終溫，t2=27°C t1冷卻水初溫，t1=20C將各值代入上式“9.4 x106W =冷卻水體積流量為0.089m3/s, 流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積4.18 27 -20= 3.2 105 kg/h =89.2 kg/s取冷卻水在豎直蛇管中的流速為1m/s，根據(jù)S總為：S總二v式中W冷卻水體積流量,V冷卻水流速，v=1m/s代入上式：W=0.089m3/sS總=0089 =0.089 m21進(jìn)水總管直徑：n冷卻管組數(shù)和管徑: 取n=12,求管徑。查金屬材料表選取0.089 = 0.337 m總0.785 一 0.785設(shè)冷卻管總表

34、面積為S總，管徑d0,組數(shù)為n,則:由上式得：d° 一 ： n *0.7850.089-0.097 m.12 0.785© 108x 4mm 無縫管9, d內(nèi)=100mm, d內(nèi) do，認(rèn)為可滿足要求，d平均=104mm。現(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為250mm,貝U兩直管距離為500mm,兩端彎管總長(zhǎng)度為1I。=二D = 3.14 500 = 1570 mmm冷卻管總長(zhǎng)度L計(jì)算：由前知冷卻管總面積2F =562.5m現(xiàn)取無縫鋼管© 108x4mm,每米長(zhǎng)冷卻面積為:L丄客=憐F00.327冷卻管占有體積:V =0.785 0.1082 1720 = 15.75m

35、3IV每組管長(zhǎng)L0和管組高度:L 1720Lo143.3 mn 12另需連接管4.2m：L實(shí)=L 4.2=143.3 4.2 =147.5 m500mm。設(shè)可排豎式直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入下封頭 發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為1.5m3，貝總占有體積為V總二' V管 'V附件= 375 15.75 1.5 = 392.25 m3V總-V封S則筒體部分液深為：= 10.7 m392.25 -35.9320.785 6.5豎式蛇管總高H 管=10.7 1.0= 11.7m ;取管間距為 0.5m又兩端彎管總長(zhǎng)10 =3.14 0.5= 1.57m，兩端彎管總高為1m,則一圈

36、管長(zhǎng)：I =2H管 10 =2 11.7 1.5 24.97 mV每組管子圈數(shù)n°:L0143.3“0 一丨一 24.97Ls =24.97 6 12 (4.2 12) -1848.24m現(xiàn)取管間距為2.5D外二2.5 0.108=0.27 m，豎蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計(jì)算出攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)(不小于200mm)。W .校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積：卩實(shí)=d平均 Ls= 3.14 0.104 1848.24 = 603.56 m2而前有F=562.5m2，F(xiàn)實(shí) F，可滿足要求。(8) 設(shè)備材料的選擇10選用A3鋼制作，以降低設(shè)備費(fèi)用。(9) 發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算計(jì)

37、算法確定發(fā)酵罐的壁厚SPDSC(cm)2拆一 P式中P設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的 1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPaD發(fā)酵罐內(nèi)經(jīng)，D=650cm（T A3鋼的應(yīng)用應(yīng)力，（T=127MPa©焊接縫隙，© =0.7C壁厚附加量（cm）C2 C3Ci=0.8mmC2=2mmC3=0式中 C1鋼板負(fù)偏差，現(xiàn)取C2為腐蝕余量，現(xiàn)取C3加工減薄量，現(xiàn)取0.4 650C = 0.8 2 0 = 2.8 mm = 0.28 cmS0.28 =1.7 cm2x127 X0.7 0.4I5】如下:選用18mm厚A3鋼板制作。封頭壁厚計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計(jì)算公式(cm)式中 P=0.4MPaD

38、=650cm(T=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38 (cm)© =0.70.38 =1.8 cmc0.4 漢 650S =2X127X0.70.4選用18mm厚A3鋼板制作。（10）接管設(shè)計(jì) 接管的長(zhǎng)度h設(shè)計(jì)：各接管的長(zhǎng)度 h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取 100200mm。 接管直徑的確定：按排料管計(jì)算：該罐實(shí)裝醪量375m3，設(shè)2h之內(nèi)排空，則物料體積流量Q 3750.052 m3/s3600 漢 2發(fā)酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。Q 0.0522F物0.052 mv 1F 物=0.785d2管徑:0.7850.052.0.785二 0.257

39、 m取無縫管© 325X 8mm, 3O9.mm257mm,認(rèn)為合適。按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在 0.4MPa下，支管氣速為2025m/s?，F(xiàn)通風(fēng)比0.10.18vvm,為常溫下20C, O.IMPa下的情況，要折算0.4MPa、30C 狀態(tài)。 風(fēng)量 Qi 取大值，Q, =375 0.18 = 67.5 m3/mi n&1.13m3/s。利用氣態(tài)方程式計(jì)算工作狀態(tài)下的風(fēng)量Qf0.1 273 30 ccc 3 ,Q f =1.130.29 m / s0.4273+20取風(fēng)速v=25m/s，則風(fēng)管截面積Ff為FfQfv0.29252=0.0116 mFf =0.785d 氣則氣管直

40、徑d氣為：'0.0116 cCC/ v氣=X 0.785 = . m因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值。取 © 325x 8mm無縫管，可滿足工 藝要求。排料時(shí)間復(fù)核：物料流量 Q=0.052m3/s，流速v=1m/s；管道截面積：F =0.785 0.3092 = 0.075 m2，在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計(jì)算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為P 亠 °.°52Fv 0.075 1=0.69 倍排料時(shí)間:t=2 0.69 =1.38 h(11) 支座選擇選用裙式支座7.2 種子罐發(fā)酵所需的種子從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至 二級(jí)種子

41、罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。 種子罐冷卻方 式采用夾套冷卻。(1) 二級(jí)種子罐容積和數(shù)量的確定 二級(jí)種子罐容積的確定：接種量為 8%計(jì)算，則種子罐容積V種2為：V種 2 = V總 8% = 500 8% = 40 m3式中 V總發(fā)酵罐總?cè)莘e(m3) 二級(jí)種子罐個(gè)數(shù)的確定：種子罐與發(fā)酵罐對(duì)應(yīng)上料。發(fā)酵罐平均每天上8罐, 需二級(jí)種子罐8個(gè)。種子罐培養(yǎng)8h,輔助操作時(shí)間810h，生產(chǎn)周期1618h, 因此，二級(jí)種子罐8個(gè)已足夠。 主要尺寸的確定種子罐仍采用幾何相似的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。H: D=2 : 1,則種子罐總?cè)莘e量 V'總為：V總=%- 2V封簡(jiǎn)化方程如下：&q

42、uot;7"323V總=2D3 0.785D2 2D =40 m324整理后1.57D30.26D3 =40解方程得D=2.8m則H=2D=2 X 2.8=5.6 (m)查得封頭高H'封H 封=70040 二 740 mm罐體總高H'罐:< < ?H 罐=2H封 H 筒=2 740 5600 = 7080 mm單個(gè)封頭容量：V'封=2.87 ( m3)圓筒容量：V筒二 0.785D2 2D = 34.46 m3不計(jì)上封頭容積：'3V有效=V封+ V = 2.87+ 34.46 = 37.33(m )校核種子罐總?cè)莘eV'總：總=2V封

43、 + 7筒=22.87+34.46=40.2(m3)比需要的種子罐容積40m3大，可滿足設(shè)計(jì)要求。 冷卻面積的計(jì)算采用夾套冷卻I發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：Q總二 4.18 6000 375 8%= 7.52 105 kJ/hn夾套傳熱系數(shù)：K =4.18150250 kJ / m2 *h現(xiàn)取 K=4.18 X 220kJ/ (m2 h T)川平均溫差：發(fā)酵溫度32 T ;水初溫2023T，取23T ;水終溫27 T，則 平均溫差：9 一5= 68CW需冷卻面積F:7.52 1054.18 220 6.8= 120.26 m2V核算夾套冷卻面積：按靜止液深確定夾套高度: 靜止液體浸沒筒體高度：30-2.

44、870.785 2.82液深:Hl 二 H 封 H 0 = 740 4400 二 5140 mm并沒有起多夾套高度應(yīng)不高于動(dòng)態(tài)時(shí)的液面高度， 因高于液面的傳熱面積, 少冷卻作用。綜上，傳熱需要的面積F=120.26(m2)該設(shè)計(jì)夾套能滿足要求； 設(shè)備材料的選擇采用A3鋼制作 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)B Z =0.5I擋板：根據(jù)全擋板條件，D式中擋板寬度B =( 0.1-0.12)D=0.1 x 2800=280mm罐徑 D= 2800mm擋板數(shù):=0.5B=0.52800280=5取Z= 6塊n攪拌器：采用六彎葉渦輪攪拌器直徑：Di = 0.30.35D現(xiàn)?。篋j = 0.35D = 0.35 28

45、00 = 980mm葉片寬度：h=0.2D =0.2 980 = 196mm弧長(zhǎng):r =0.375Dj =0.375 980 = 367.5mm盤徑:：=0.75Dj 二 0.75 980 二 735mm葉弦長(zhǎng):I =0.25Dj = 0.25 980 = 245mm攪拌器間距:丫二 Di 二 980mm底距:b = 980mm攪拌器轉(zhuǎn)速N2,根據(jù)50L罐，470r/min，使用P°/V為基準(zhǔn)放大,50L罐Ni = 470r/min,攪拌器直徑Di=112mmN2 二 N1F 0 32/3= 111 r/minD2氣：= 470 空1980 丿兩擋攪拌。川攪拌軸功率的計(jì)算淀粉水解糖液

46、低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。 i計(jì)算RemRem式中D攪拌器直徑，D=0.98m111N攪拌器轉(zhuǎn)速，N二 =1.85 r/s603醪液密度，p =1050 kg/m醪液粘度，卩=1.3X 10-3N s/m2將數(shù)代入上式:Rem0.982 1.85 10501.3 10"64= 1.44 10 >10視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7 ii計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0：R = NPN3D5p式中 Np在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù) 4.7N攪拌轉(zhuǎn)速，N=111r/mi n=1.85r/sD攪拌器直徑，D=0.98m醪液密度，p =1050kg/m3代入上式：P。=4.7 &qu

47、ot;.85“0.98° 1050 =28 103W=28kW兩擋攪拌Po =2R =56kWiii計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率PgPg =2.25 10p02nd3 xQ0.08 y0.39(kW )式中P0不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（kW ），Po2 =562 =36NDQ-風(fēng)量變大, 則軸轉(zhuǎn)速，N=111r/mi n攪拌器直徑（cm）, D3=0.983X 106=9.4X 105通風(fēng)量（ml/min ）,設(shè)通風(fēng)比VVm=0.110.18，取低限，如通Pg會(huì)小，為安全?，F(xiàn)取0.11；6 6Q=30x 0.11X 10 =3.3X 10(ml/min )Q0.08 =(3.3"06 f8

48、 =3.32代入上式:Pg =2.25 103136 漢 111 漢 9.4 漢 105 x°'393.32iv求電機(jī)功率= 43.6 kWP電：Pg采用三角帶傳動(dòng)n 1=0.92；滾動(dòng)軸承n 2=0.99，滑動(dòng)軸承n 3=0.98;端面密封 增加功率為1%;代入公式數(shù)值得：43.6d1 二".01n n n123P電1.01 =49.3 kW0.92 匯 0.99 汽 0.98IV進(jìn)風(fēng)管：該管距罐底2560mm之間，現(xiàn)取30mm向下單管。通風(fēng)管管徑計(jì)算：設(shè)罐壓 0.4MPa,發(fā)酵溫度t=32C，風(fēng)速v=20m/s，通風(fēng) 量為 0.18VVm，常壓下t°=

49、20C，送風(fēng)量V為：V =30 0.18 = 5.4 m3/min將通風(fēng)換算成工作狀態(tài)，求通風(fēng)管直徑 d10.1273 tV 一 P 273 +1。0.785 v 600.13055.4 x = x 二 0.4 293 = 0.039 m 39 m m 0.785 20 60圓整，查生物工程工廠設(shè)計(jì)概論,P271表12,無縫鋼管(YB231-70)，管徑采用57x 3.5mm，內(nèi)徑57-2x 3.5=50mm大于39 mm,可滿足生產(chǎn)要求。W進(jìn)出物料管：該管為物料進(jìn)口，管底距罐底2560mm之間，現(xiàn)取30mm向下單管。按輸送物料算：20min送完30m3物料則物料流量為V 物300.025m3

50、/s20偵管道截面為F'，物料流速為v=0.51m/s,現(xiàn)取v=0.5m/s,貝0.05 m2v 0.5設(shè)管徑為：d2二0.785 0.7850.05 = 0.25 m圓整，查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論，P313表12,無縫鋼管(YB231-70)，管 徑采用273x 8mm，內(nèi)徑273-2x 8=257mm大于250 mm,可滿足生產(chǎn)要求。VD冷卻水管：由前知需冷卻熱量 Qmax= 7.52 1 05kJ/h，冷卻水溫變化23r 27°C,水比熱容 Cw =1 4.18kJ/ kg *C則耗水量W為：57.52 104.1827 -23=44976 kg / h取水流速v=4m/s;查的水在平均溫度25攝氏度下的密度為：997.1kg/m3;則冷 卻管直徑為449764 0.785 3600 997.1=0.063 m = 63mm選用叮J76 4mm的無縫鋼管；76-2 68 63;可