年產(chǎn)12500噸味精發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)

1、第一章 物料衡算1.1 年產(chǎn) 12500噸味精的發(fā)酵罐設(shè)計(jì)1. L-Glu 化學(xué)名稱為L型谷氨酸，分子式為C5H9O4N，相對(duì)分子質(zhì)量為147.13 MSG 一水谷氨酸鈉，相對(duì)分子質(zhì)量為188.132、設(shè)計(jì)所需技術(shù)參數(shù) 生產(chǎn)周期48 h，每年生產(chǎn)日為300 天，年產(chǎn)MSG的量：12500 噸(含10000噸 98%MSG，2500 噸81%MSG) 第一部分 物料衡算1. 總物料衡算 年產(chǎn)12500噸MSG，折算為100%MSG（純度98%占75%，純度81%占25%）后得年產(chǎn)和日產(chǎn)量為： 年產(chǎn)量：10000×98%+2500×81%=11825噸 日產(chǎn)量：11825/30

2、0=39.42噸葡萄糖生成谷氨酸的總反應(yīng)式：2C6H12O6+(H2N)2CO+3O2-2C5H9O4N+3CO2+5H2O 180 147.13 谷氨酸對(duì)糖的理論轉(zhuǎn)化率： 147.13/180=81.74% MSG對(duì)谷氨酸的產(chǎn)率： （146.13+24+18）/147.13=1.28淀粉水解為葡萄糖的總反應(yīng)式為：（C6H10O5)n+nH2O-nC6H12O6葡萄糖對(duì)淀粉的理論轉(zhuǎn)化率為：180/162=1.11氨基酸的總收率為：（98%×50%×80%×90%）/81.74%=43.16%以1t淀粉為基準(zhǔn)，進(jìn)行物料衡算： 1t純淀粉理論上能產(chǎn)生100%MSG的量

3、為： 1000×1.11×81.74%×1.28=1162.41 kg 1t純淀粉實(shí)際上能生產(chǎn)100%MSG的量為：1000×98%50%80%90%×1.28=451.59 kg 1t工業(yè)淀粉（含86%玉米淀粉）實(shí)際上能生產(chǎn)100%MSG的量為：1000×98%×50%×80%×90%×86%×1.28=388.37 kg 因此，相對(duì)于1t純MSG的淀粉消耗量為：1000/（98%×50%×80%×90%×86%×1.28）=2574

4、.92 kg生產(chǎn)1t 100%MSG理論上消耗純淀粉的量為：1000/（1.28×81.74%×1.11）=861.06 kg生產(chǎn)1t 100%MSG實(shí)際上消耗純淀粉的量為：1000/（1.28×98%×50%×80%×90%）=2214.43 kg生產(chǎn)1t 100%MSG理論上消耗工業(yè)淀粉的量為：861.06/86%=1001.23 kg生產(chǎn)1t 100%MSG實(shí)際上消耗工業(yè)淀粉的量為：2214.43/86%=2574.92 kg淀粉利用率：1001.23/2574.92=38.88%各單元操作的總量為：工業(yè)淀粉日耗量：11825/

5、（1.28×90%×50%×80%×98%×86%×300）=101.49t每日淀粉轉(zhuǎn)化為糖的總量：101.49×86%×98%=85.54 t若終糖液濃度為24%（密度1.09），總糖液量的體積為： 85.54/（24%×1.09）=326.99m3.由工藝指標(biāo)產(chǎn)酸率8.0g/100mL，則發(fā)酵液量的體積為： 85.54×50%/0.08=534.63 m3 若發(fā)酵液密度為1.05，發(fā)酵液的總量為： 85.54/(16.4%×1.05)=496.75 m3.經(jīng)等點(diǎn)點(diǎn)沉淀和離子交換后，

6、一般母液含谷氨酸1-3%的量，取1g/100mL，剩余谷氨酸母液的量為： 11825/1.28=9238.28kg （300×85.54×50%-9238.28）/0.01=580449 m3匯總?cè)缦拢耗戤a(chǎn)12500噸味精工廠生產(chǎn)工藝物料衡算總表：項(xiàng)目 以玉米淀粉為例生產(chǎn)10000噸100%MSGt/d原料淀粉t24%糖液量t90%的谷氨酸量t100%MSG量t排出含0.7%Glu的廢液量t2. 各單元操作物料衡算： A.雙酶法制糖工段的物料衡算。 雙酶法制糖液化過程中加入純堿調(diào)節(jié)pH，加入氯化鈣穩(wěn)定酶的活性，糖化過程中加入草酸調(diào)節(jié)pH，下面根據(jù)緩沖液體系達(dá)到糖化pH來計(jì)算

7、所需的純堿、草酸、氯化鈣的量： （1）.100g淀粉制得的糖為： 終24%糖液的體積為：100g干淀粉中和至pH=7.0時(shí)需0.1mol/L的NaOH 15.7mL。 加入糖化酶0.017%（對(duì)淀粉漿的w/w），加入液化酶0.043%（對(duì)淀粉漿的w/w），加入氯化鈣0.043%（對(duì)淀粉漿的w/w），珍珠巖0.15%（對(duì)淀粉漿的w/w）。 制糖工藝物料衡算表：進(jìn)入糖化過程的物料 離開糖化過程的物料項(xiàng)目物料比例kg日投料量kg項(xiàng)目物料比例kg日投料量kg工業(yè)淀粉糖化酶配料水糖化液液化酶珍珠巖氯化鈣濾渣B.連續(xù)滅菌過程及發(fā)酵工段物料衡算： （1）.蒸汽帶入的冷凝水量： （2）.長菌過程中水量的增加：

8、糖的消耗用于呼吸的約占20%（其中50%用于菌體合成），用于發(fā)酵的約占80%。 長菌過程：4C6H12O6+(H2N)2CO2C8H18O4N+9CO2+3H2O 呼吸代謝：C6H12O6+6O26CO2+6H2O .產(chǎn)酸過程中水量增加： 產(chǎn)酸：2C6H12O6+(H2N)2CO+3O22C5H9O4N+3CO2+5H2O .空氣帶走的冷凝水：設(shè)定發(fā)酵過程空氣進(jìn)口的溫度為25，相對(duì)濕度=70%，水蒸氣分壓為2399.796Pa；出口溫度為32，相對(duì)濕度=70%，水蒸氣分壓為3599.694Pa?？諝膺M(jìn)罐的壓力為1.5atm（表壓），出罐壓力為0.5atm（表壓）。這是空氣出口與進(jìn)口的濕含量差為

9、： =0.03761t（5） .加入的尿素量（年需量）： 長菌過程： 產(chǎn)酸過程：每年的尿素總需求量為：213.85+3421.6=3635.45t（6） .取樣等損失的量：發(fā)酵工藝的物料衡算表：物料名稱生產(chǎn)1t100%MSG的物料量kg24%的糖液玉米漿無機(jī)鹽接種量配料水尿素消泡劑進(jìn)出連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序的物料衡算表：進(jìn)出連續(xù)滅菌和發(fā)酵系統(tǒng)離開連續(xù)滅菌和發(fā)酵系統(tǒng)項(xiàng)目與1t工業(yè)淀粉匹配的物料kgt/d項(xiàng)目與1t工業(yè)淀粉匹配的物料kgt/d24%水解糖液C.提取工段物料衡算 加硫酸調(diào)節(jié)pH，加入量約為發(fā)酵液的3.3%（w/v）,98%的硫酸的相對(duì)密度為1.84。加洗滌用水的量為粗產(chǎn)物的20%（w/w

10、）；初提沉淀含90%的Glu。 Glu提取分離過程的物料衡算表：進(jìn)入提取分離系統(tǒng)離開提取分離系統(tǒng)項(xiàng)目與1t工業(yè)淀粉匹配的物料kgt/d項(xiàng)目與1t工業(yè)淀粉匹配的物料kgt/d發(fā)酵液90%的Glu母液硫酸洗滌水回收加水合計(jì)合計(jì)D.精制過程物料衡算： 中和時(shí)加入的純堿的量為粗 Glu的36.6%；脫色用的活性炭的量為粗 Glu的3.1%；中和時(shí)含40%（w/v）MSG溶液的相對(duì)密度為1.16；廢濕活性炭數(shù)量為25%；MSG分離洗滌用水量為MSG的5%。 精制過程物料衡算表進(jìn)入提取分離系統(tǒng)離開提取分離系統(tǒng)項(xiàng)目與1t工業(yè)淀粉匹配的物料kgt/d項(xiàng)目與1t工業(yè)淀粉匹配的物料kgt/d90%的Glu100%

11、MSG純堿母液活性炭廢炭中和加水量蒸發(fā)水量分離洗滌水合計(jì)合計(jì) 第二部分 能量衡算1、 淀粉液化工段的能量衡算 工藝過程：淀粉乳加熱到105并維持60min進(jìn)行液化，然后升溫到120，并維持5min熱處理（滅酶），之后冷卻到60。每天連續(xù)液化24h，以水與淀粉2.5:1調(diào)淀粉乳，蒸汽控制在0.3MP加熱，常溫以20計(jì)，液化液冷卻時(shí)出水口的溫度為55。淀粉的比熱容C0=1.22kJ/(kg)。在直接蒸汽保溫時(shí)，蒸汽的消耗量按直接蒸汽加熱升溫時(shí)的蒸汽消耗量的40%進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于蒸汽的熱焓i值，查表得，0.3MP時(shí)，i=2738KJ/kgK;0.2MP時(shí)，i=2718KJ/kgK;0.4MP時(shí)，i=2

12、743KJ/kgK。水的比熱容為4.18KJ/kgK。液化過程的計(jì)算：A. 計(jì)算蒸汽的消耗量 由水與干淀粉的比例2.5：1可得，每日生產(chǎn)的淀粉乳質(zhì)量G為： G=10.15×104×3.5=3.553×105 kg 淀粉乳的比熱容C為： 淀粉乳從20加熱到105的過程中消耗的蒸汽量D1為： ×（1×5%）=37513kg/d =1563.04kg/h淀粉乳在105保溫60min進(jìn)行液化，該過程的蒸汽用量為： =40%=40%×1563.04=625.217kg/h淀粉乳從105升溫到120過程中的蒸汽消耗量為： =277.35kg/h淀

13、粉乳在120保溫5min進(jìn)行滅酶，此過程中蒸汽的消耗量為: =40%=40%×277.35=110.94kg/hB.計(jì)算冷卻水的用量 料液冷卻過程，料液由120降到60，而冷卻水由20升到55，則冷卻水用量為： 則，=29047.351kg/d=1210.306kg/h2. 糖化工段工藝過程： 將料液的pH值調(diào)整后維持其溫度6030小時(shí)進(jìn)行糖化，然后升溫到80并保溫10min滅酶，最后冷卻到40。通過能量衡算可以計(jì)算出該過程的蒸汽消耗量和冷卻水的消耗量。 為方便計(jì)算，先計(jì)算從20升溫到60過程中蒸汽的消耗量的值： =690.323kg/h將料液60保溫30h進(jìn)行糖化過程所消耗的蒸汽量

14、為： 料液從60升溫到80過程中蒸汽的消耗量為： =353kg/h料液80保溫10min滅酶過程的蒸汽消耗量為： 將料液從80冷卻到40過程中冷卻水的消耗量為： 則，W2=44203.24kg/d=1841.80kg/h3. 發(fā)酵工段及連續(xù)滅菌工段的熱量衡算 A.以板式換熱器連續(xù)滅菌 連續(xù)滅菌的蒸汽壓力為0.4MPa，將料液從75加熱到120需消耗蒸汽量： =751.23kg/hB.發(fā)酵罐空罐滅菌的蒸汽用量發(fā)酵罐由不銹鋼1Cr18Ni9制造而成，若發(fā)酵罐體積為200，則罐體重量為34.3噸，冷卻排管重6噸，這種不銹鋼的比熱容為0.5KJ/kgK，用0.2MPa（表壓）蒸汽滅菌，發(fā)酵罐由20升溫

15、到127，這過程的蒸汽用量為：C.充滿發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量 由PV=nRT=mRT/M 可得到： D.將料液由80冷卻到30耗用冷卻水量為 =27278.76kg/d=1136.62kg/h生產(chǎn)中耗用蒸汽總匯表：生產(chǎn)工序日用蒸汽用量t/d平均蒸汽用量t/d液化糖化連消發(fā)酵罐空消 第三部分 發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 3.1 發(fā)酵罐外形尺寸的計(jì)算（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 發(fā)酵罐容積的確定：選用70m3罐 生產(chǎn)能力的計(jì)算：谷氨酸的發(fā)酵周期為48h(包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間)。每天需發(fā)酵液體積為V 。每噸純度為100%的味精所需發(fā)酵液量為：

16、則，1t100% MSG折算為谷氨酸所需的發(fā)酵液量為： 生產(chǎn)12500t/a味精,每天應(yīng)需發(fā)酵液量為： 設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)=80%；則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e為V0（發(fā)酵周期為48h）。發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：公稱體積為130m3的發(fā)酵罐，總體積為150m3 每天需要80m3發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)N0： 共需要發(fā)酵罐數(shù)目N1： 取公稱體積130 m3 發(fā)酵罐8個(gè)，其中一個(gè)留作備用。實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：富裕量 能滿足產(chǎn)量要求（3）主要尺寸的計(jì)算：取高徑比 H：D=2：1 則有：H=2D；解方程得： 取5.2m H=2D=10.4m 查表得：內(nèi)經(jīng)D=5.2m的橢圓形封頭的相應(yīng)的尺寸為封頭高： 封頭容積 ： 圓柱部分容積：

17、驗(yàn)算全容積V全：符合設(shè)計(jì)要求，可行。3.2發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算 1.確定發(fā)酵罐的壁厚S （cm）式中 P設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPa D發(fā)酵罐內(nèi)經(jīng)，D=520 cm A3鋼的應(yīng)用應(yīng)力，=127MPa 焊接縫隙，=0.8 C壁厚附加量（cm）式中 C1鋼板負(fù)偏差，現(xiàn)取C1=0.8mm C2為腐蝕余量，現(xiàn)取C2=2mm C3加工減薄量，現(xiàn)取C3=0選用10mm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)算公式如下： （cm）式中 P=0.4MPa D=520 cm y為開孔系數(shù)，取2.3 =127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）=0.8 2攪拌器

18、計(jì)算 1.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： 葉寬 ： 弧長：底距： 盤踞 ：葉弦長：葉距 ：彎葉板厚：=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N1=110r/min。以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得：2.攪拌軸功率的計(jì)算 淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。計(jì)算Rem： 式中 D攪拌器直徑，D=1.73m N攪拌器轉(zhuǎn)速， 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.3×10-3N·s/m2 將數(shù)代入上式：視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0：式中 N

19、p在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7 N攪拌轉(zhuǎn)速，N=79r/min=1.3r/s D攪拌器直徑，D=1.73m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式：計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg 式中 P0不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（kW） N軸轉(zhuǎn)速，N=79r/min D攪拌器直徑（cm），D3=1.733×106=5.18×106 Q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；對(duì)公稱容量150 m3的發(fā)酵罐，每罐實(shí)際裝液量為 則Q=120×0.11×106=13.2×106（ml/min） 代入上式

20、：求電機(jī)功率P電：采用三角帶傳動(dòng)1=0.92；滾動(dòng)軸承2=0.99，滑動(dòng)軸承3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得： 3.3冷卻面積的確定 經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算法：谷氨酸發(fā)酵罐的冷卻面積取=1.5m2/m3；填充系數(shù)=80%，則每一個(gè)150m3發(fā)酵罐的換熱面積A為： 3.4設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)1. 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板。2. 空氣分布器：本罐采用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑133×4mm。3. 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。4. 冷卻管布置：采用豎式蛇管 .最高負(fù)荷下的耗水量W式中 Q總每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

21、乘積，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4.18×6000kJ/(m3·h) 。 cp冷卻水的比熱容，4.18kJ/（kg·K） t2冷卻水終溫，t2=27 t1冷卻水初溫，t1=20 將各值代入上式冷卻水體積流量為2.848×10-2m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積A總為：式中 W冷卻水體積流量，W=2.848×10-2m3/s V冷卻水流速，v=1m/s代入上式：進(jìn)水總管直徑 ： .冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)冷卻管總表面積為A總，管徑d0，組數(shù)為n，則：取n=4，求管徑。

22、由上式得：查金屬材料表選取108×4mm無縫管，d內(nèi)=100mm，g=10.26·kg/m，d內(nèi)d0，認(rèn)為可滿足要求，?，F(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為300mm，則兩直管距離為600mm，兩端彎管總長度為：.冷卻管總長度L計(jì)算：由前知冷卻管總面積現(xiàn)取無縫鋼管108×4mm，每米長冷卻面積為則:冷卻管占有體積：每組管長L0和管組高度：另需連接管4.2m：可排豎式直蛇管的高度設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭260mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m3，則：總占有體積為則筒體部分液深為：豎式蛇管總高 取管間距為1m，又兩端彎管總長，兩端彎管總高為0.5m，則直管部分高度：則一圈管長： 每組管子圈數(shù)n0