80立方米味精发酵罐设计.docx
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80立方米味精发酵罐设计
肥学院
HefeiUniversity
发酵设备课程设计
题目:
80立方米味精发酵罐设计
系别:
专业:
学号:
姓名:
指导教师:
2013年1月3日
发酵工程与设备课程设计任务书
一、课程设计的内容
1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐或厌氧发酵罐的有关资料,熟悉基本工作原理和特点。
2、进行工艺计算
3、主要设备工作部件尺寸的设计
4、撰写课程设计说明书
二、课程设计的要求与数据
生物工程10-2班:
味精发酵罐设计任务:
80M味精发酵罐设计
具体要求:
①按要求进行味精工艺设计及说明
2发酵罐具体设计及计算
3发酵罐装配图纸一张(2号图纸)
三、设计论文的内容组成:
1、设计任务书
2、目录
3、设计方案简介
4、生产工艺设计及说明(发酵菌株、生产条件、原料、工艺流程等)
5、发酵罐设计(发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果)
(1)罐体
(2)罐体壁厚
(3)封头壁厚计算
(4)搅拌器
(5)仪表接口
(6)挡板等
(7)人孔和视镜
(8)管道接口
(9)冷却装置设计
其他内容自己可以设计参考文献
[1]潘红良赫俊文•过程设备机械设计[M].杭州:
华东理工大学出版社,2006.4
[2]吴思芳.发酵工厂工艺设计概论[M].北京:
中国轻工业出版社,2006.7
[3]郑裕国.生物工程设备[M.北京:
化学工业出版社,2007
[4]郑裕国薛亚平金利群等.生物加工过程与设备[M].北京:
化学工业出版社,2004.7
[5]李功样,陈兰英,崔英德.常用化工单元设备的设计[M.广州:
华南理工大学出版社,2006
[6]陈英南,刘玉兰.常用化工单元设备的设计[M.杭州:
华东理工大学出版社,2005
一、味精生产工艺
1.1味精的概述(5)
1.2味精生产工艺简述(5)
1.3原料预处理及淀粉水解糖制备(6)
1.3.1原料的预处理(6)
1.3.2淀粉水解糖制备(6)
1.4种子扩大培养及谷氨酸发酵(6)
1.5谷氨酸的提取(6)
1.6谷氨酸制取味精及味精成品加工(6)
二、设备的主要配件计算及说明、辅助设备的设计和选型计算
2.1筒体的直径和高度(包括封头)(6)
2.1.1公称直径的确定(6)
2.1.2封头(6)
2.1.3实际容积的校核(7)
2.2确定筒体和封头的壁厚并强度校核(7)
2.2.1筒体壁厚的计算(7)
2.2.2封头壁厚的计算(7)
2.2.3水压试验及强度校核(8)
2.3搅拌器、搅拌轴和联轴器的设计和计算(8)
2.3.1搅拌器设计和搅拌功率计算(8)
2.3.2搅拌轴轴径的计算(10)
2.3.3联轴器的设计(11)
2.4蛇管的设计与计算(11)
2.4.1冷却面积的计算(11)
2.4.1.1热负荷q总的计算(11)
2.4.1.2传热面积F计算(13)
2.4.2蛇管设计(14)
2.4.3灭菌后冷却要求计算(16)
2.4.4培养基灭菌蒸汽消耗量计算(17)
2.5接管设计(17)
2.5.1排料管设计(17)
2.5.2通风管设计(18)
2.6选择搅拌传动装置和密封装置(18)
2.6.1传动装置设计(18)
2.6.2密封装置的设计(19)
2.7有关零部件的设计和选用(19)
2.7.1消泡器的设计(19)
2.7.2人孔(19)
2.7.3容器法兰(19)
2.7.4空气分布器(19)
2.7.5发酵罐的支座选型(20)
2.7.6挡板的设计(20)
2.8管口设计(20)
三、设计结果汇总
3.1发酵罐参数设计汇总(21)
3.2辅助设备有关参数汇总(21)
3.2.1冷却装置(21)
3.2.2辅助设备(21)
3.2.3搅拌器有关参数(21)
四、设计评述
五、参考文献
一、味精生产工艺
1.1味精的简述
味精是人们熟悉的鲜味剂,是L—谷氨酸单钠盐(Monosodiumglutamate)的一水化合物(HOOC-C2CH(NH-COONaH0),具有旋光性,有D—型和L—型两种光学异构体。
味精具有很强的鲜味(阈值为0.03%),现已成为人们普遍采用的鲜味剂,其消费量在国内外均呈上升趋势。
谷氨酸发酵是通气发酵U也是我国目前通气发酵产业中,生产厂家最多、产品产量最大的产业。
该生产工艺和设备具有很强的典型性,本文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍,有助于巩固通气发酵工艺和主要设备的有关知识。
1.2味精生产工艺概述
味精生产全过程可划分为四个工艺阶段:
(1)原料的预处理及淀粉水解糖的制备;
(2)种子扩大培养及谷氨酸发酵;(3)谷氨酸的提取及谷氨酸单钠的制备;(4)味精精制。
1.3原料预处理及淀粉水解糖制备
1.3.1原料的预处理
此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构,以便提高原料的利用率,同时去除固体杂质,防止机器磨损。
用于除杂的设备为筛选机,常用的是振动筛和转筒筛,其中振动筛结构较为简单,使用方便。
用于原料粉碎的设备除盘磨机外,还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。
盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料,而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用,辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎。
1.3.2淀粉水解糖制备
在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化,所制得的糖液称为淀粉水解糖。
由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源,因而必须将淀粉水解为葡萄糖,才能供发酵使用。
目前,国内许多味精厂采用双酶法制糖工-f-p乙。
1.4种子扩大培养及谷氨酸发酵
种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子,发酵车间内设置有种
子站,完成生产菌种的扩大培养任务。
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。
1.5谷氨酸的提取
谷氨酸的提取一般采用等电点一离子交换法,国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解一等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。
但存在废水污染大,生产成本高,技术难度大等问题,应用上受到限制。
1.6谷氨酸制取味精及味精成品加工
精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠,即味精。
粗品经提纯、加工、包装,得到成品。
二、设备的主要配件计算及说明、辅助设备的设计和选型计算
2.1确定筒体的直径和高度(包括封头)
2.1.1公称直径的确定:
一般高径比为1:
7〜3,取高径比为1:
3,公称容积为80m3,材料为不锈钢。
V「D23D/4
1/31/3
D=(4V/3二)-(440/3二)-3.239m
经圆整后,取D=3200mm
2.1.2封头
采用标准椭圆型封头,查《发酵工厂工艺设计概论》附录152-查得封头
的主要尺寸如下:
曲面高度:
800mm;直边高度:
50mm内表面积:
11.6m2;容积:
4.69m3
2.1.3实际容积的校核
H计=3D=33.2=9.6m
发酵罐计算容积:
V实宀筒2V封=(二/4)D2H计2V封
二(二/4)3.229.624.69二86.55m3
而发酵罐的设计容积为80m3,所以取筒体高度为8.8m。
V实八筒2V封(:
/4)D2H实2V封二二(二/4)3.228.824.69=80.12m3-80m3
H/D=8.8/3.2=2.753
因此,符合设计要求
实际装液面高度:
取装液系数为0.7,即70%
则V液-8070%=56
L液二(V液-V封)/S筒二4(56-4.69)/(二3.22)=6.38m2.2确定筒体和封头的壁厚并强度校核
2.2.1筒体壁厚的计算
罐灭菌压力2atm,罐设计受压4atm(表压),材料:
不锈钢。
PD
2铲:
-P
式中:
P:
罐的设计压力,取最高工作压力的1.05倍(MPa,P=0.4MPa
D:
罐径(cm),D=320cm
,:
焊缝系数,一般取0.5〜1之间,取:
=0.7
C:
壁厚附加量(cm)
度查表确定,其范围为0.13〜1.3,现取0=0.8
1mm,双面腐蚀取2mm,现取C2=2mm
C3=0,热加工封头c3二S。
10%,现取C3=0
代入上式得:
C=0.8+2+0=2.8
[S]:
A3钢的允用应力,[S]=127MPa
S=0.4250/{21270.7-0.4}0.28=1.002cm
经圆整,取壁厚12mm
2.2.2封头壁厚的计算
标准椭圆封头的厚度计算公式如下:
S二PD/叽.:
-P〔C
其中:
P=0.4MPa
D=320cm
I-127MPa
=0.7
C=C1C2C3=0.080.20.1二0.38cm
内筒体水压试验时壁内应力:
PtD、n-c丨0.5320012-2.81
—124.6MPa
2、n-c「212-3.80.7
PtKD、n-c10.50.9320012-2.81
—112.0MPa
-T
2、n-c「212-3.80.7
封头水压试验时壁内应力:
Ptd+忆n-cp_0.53200+(12-3.8)]_1397MPa
2n-c「212-3.80.7
PTKd、n-c10.50.9320012-3.81
T125.8MPa
-T
-T
212-3.80.7
2.2.3水压试验及强度校核31
内筒体水压试验压力:
PT二P0.1=0.5MPa;PT=1.25P=0.5MPa,取PT=0.5MPa
封头水压试验压力:
Pt-P0.1=0.5MPa;PT=1.25P=0.5MPa,取PT=0.5MPa
2.3搅拌器、搅拌轴和联轴器的设计和计算
2.3.1搅拌器设计及搅拌功率的计算
考虑到发酵罐径高比较高,为了使发酵液充分混匀,保持均一,根据经验,本设计采用六叶涡轮搅拌器。
1搅拌器主要尺寸计算
搅拌器的各部分尺寸与罐径有一定的比例关系41,主要尺寸如下:
搅拌器叶径d=D内/3=3200/3=1067mm,取d=1100mm
叶宽B=0.2d=0.21100=220mm弧长^0.375^0.3751100=412.5mm
底距C=D/3=3200/3=1100mm
盘径dI=0.75d=0.751100=825mm
叶弦长L=0.25d=0.251100=275mm
叶距Y=D=3200mm
弯叶板厚S=12mm
2搅拌桨的确定
经计算,设计第一档搅拌桨距罐底的高为1.1m。
第二档的高度为
1.1+3.2=4.3m,第三档高为4.3+3.2=7.5m,液体装液高只有
0.638+0.05+0.8=7.23m。
因此采用两档搅拌。
通过计算,第二档叶片离液面的距离为2.93m。
3转速校正
根据经验,50m3的发酵罐搅拌器直径1050mm转速2=110"min,以p°/v
为基准放大2。
3232
N1D1N2D2
得N^N1(D1/D2)2/3
-110(1050/1100)2/3=106.6r/min
4搅拌轴功率的计算(用修正的迈凯尔搅拌功率)
i计算RemRem=D2NR/A
式中:
N:
搅拌速率(r/s),N=1.78r/s
D:
搅拌器直径m,D=1.1m
二:
醪液密度,'=1050kg/m3
-醪液密度,」=1.310-3(Ns)/m2
23
Rem=1.11.781050/(1.310-)
64
=1.741010
视为湍流,则搅拌功率准数Np=4.7。
ii计算不通气时的搅拌轴功率P0
P0=NpN3「D5Nj
式中:
Np:
在湍流搅拌状态时,其值为常数4.7
N:
搅拌速率(r/s),N=1.78r/s
D:
搅拌器直径m,D=1.1m
门醪液密度,(=1050kg/m3
Ni:
搅拌器挡数,Ni=2
P0-4.71.78310501.152-89.6KW
iii计算通气时的轴功率Pg
Pg=2.2510-3(P02ND3/Q0.08)0.39
式中:
P0:
不通气时的功率(KW,P0=16.80KW
N:
轴转速(r/min),Nm6
D:
搅拌器直径(cm),D=110cm
Q:
通风量(ml/min),本次工艺中通风比=0.2〜0.25vvm,取最小设
计通风比为0.2vvm,如通风量变大,Pg会小,为安全。
Q=560.2106=1.12107ml/min
贝U:
Pg=2.2510-3[89.62106.61103/(1.12107)0.08]0.39
=68.3KW
iv求电机功率F电
P电二Pg/1231.01
采用三角带传动效率:
1=0.92
滚动轴承效率:
2=0.99
滑动轴承效率:
3798
端面密封增加的功率为1%
P电-68.3/(0.920.990.98)-77.3KW
电机选型5:
YR250M,同步转速1500r/min(4级),频率50Hz,额定电压
380V,功率90KW。
2.3.2搅拌轴轴径计算
发酵罐竖直安装,皮带轮直接安装于支座边旁,无弯曲载荷影响,仅考虑扭转作用,轴径计算主要以扭转强度与扭转刚度61。
1按扭转强度计算
轴上最大剪应力~轴材料允许的剪应力,
Mt」]
即:
ma^W^~K
推得:
d_365.1(P/!
.Kn)1/3
式中:
d:
实心轴直径(mrh
P:
轴功率(KW),P=77.3KW
n:
轴的转速(r/min),n=6.6r/m
订:
降低后的扭转许用剪应力(MPa。
选用1C「18Nj9Ti为材料,查的
H=15〜25MPa取20MPa
773
d=1365.13120.8cm
\20汇106.6
2按扭转刚度计算
应满足轴上最大扭转角度岂许用的扭转角度
可得d=1536.6P/〔G0n1/4
式中:
d:
实心轴直径(mr)
P:
轴功率(KW),P=77.3KW
n:
轴的转速(r/min),n=0.6r/m
〔1在一般传动和搅拌轴的计算中可选取1/2~10/m,取=10/m
G0:
切边模量,对于碳钢及合金钢G0=7.84104MPa
d=10(214/123.3)"4=11.48cm
综上所述,设计搅拌轴轴径圆整后为130mm(实心轴直径)。
2.3.3联轴器的设计
联轴器的主要功能为用于电动机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌器之间的连接,来传递运动和转矩的。
本设计使用的是夹壳联轴器31,其标
记为:
联轴器Dg130HG5—213—65
2.4蛇管的设计与计算
2.4.1冷却面积的计算
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,必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下,冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下,设计冷却面积。
计算冷却面积使用牛顿传热定律公式,即:
Q总
F二
atm
241.1热负荷q总的计算7丨
热负荷q总二生物合成热qi搅拌热q2-汽化热q3-辐射热q4
1生物合成热q1
根据实际测定,谷氨酸发酵每立方发酵液每小时传最大发热量约
4.186000KJ/(m3h)。
q1=4.18600056=1404480KJ/h
2搅拌热的计算q2
根据经验公式:
q2二P3600
式中:
P:
搅拌功率(KV),P=77.3KW
q2=77.33600=278280KJ/h
3汽化热q381
q3=G(12-11)
式中:
g':
工作状态下通入发酵罐的空气质量流量(kg干空气/h)
I1:
发酵罐空气进口热焓(KJ/kg干空气)
•:
发酵罐空气出口热焓(KJ/kg干空气)
i空气比容计算
进罐空气状态:
J=36乜,H^0.003kg水/kg干空气,P=1.5atm
Vh'=(0.7741.244HJ「P°/(T°R)
=(0.7741.2440.0026)(27336)1/(2731.5)
二0.5869m3湿气/kg干空气
ii干空气的流量计算
取通风比为0.20vvm
G=8070%0.20/0.5869=19.083kg/min=1145kg/h
出罐空气状态
T2=33C,P=1.5atm,P2=0.045atm,=100%
所以出罐空气绝对湿度h2:
H2=0.62「P2/(P-「P2)
=0.62210.045/(1.5-0.0451)
-0.0192kg水/kg干空气
iii热焓计算
I=(1.011.88H)t2492H
式中:
t:
空气湿度(°C)
H:
空气湿含量(kg水/kg干空气)
进罐空气热焓:
A=(1.011.88比儿2492H1
-(1.011.880.003)3624920.003
=44.04KJ/kg干空气
出罐空气热焓:
I2=(1.011.88H2)t22492H2
=(1.011.880.0192)3324920.0192
=82.37KJ/kg干空气
q3=G'(I2-IJ=1145(82.37-44.04)=43887.85KJ/h
iv辐射热q4计算
根据经验:
q4=5%©•q2-q3)
=5%(1404480278280-43887.85)
=81943.6KJ/h
v热负荷q总计算
q总=q1q2-q374
=1404480278280-43887.85-81943.6
=1556928.6KJ/h
2.4.1.2传热面积F的计算
求最高热负荷下的耗水量W
式中:
q总:
热负荷q总J556928.6KJ/h
Cp:
冷却水的比热容,CP4.187KJ/(kgC)
t2:
冷却水的终温,t2=23C
ti:
冷却水初温,t1=16C
将各值代入上式
平均温差Ltm:
二tm
发酵液:
32C>32C冷却水:
16C>23C
In
•I
蛇管传热系数,取经验值K=4.18500KJ/(m2hC)
2.4.2蛇管设计
1冷却管截面计算
取冷却管组数n=6,冷却水流量:
qv=qm/?
=53121心0003600)
3
=0.01476m/s
又;qvdo?
n"
4
式中:
S冷却水流速,取「为1m/s
d。
:
冷却管内径(m)
.d。
=4qv/二n丄旷
=0.014764/3.14610.5
二0.056m
查表,取63.53.0无缝钢管8作为冷却蛇管
D平均=(5657.5)=56.75mm
2冷却管长度设计
取竖直蛇管圈部U型弯管曲径为250mm则两直管距离为500mm两端弯管总长度为10:
10-D=3.14500=1570(mm)
冷却管长度L计算:
L=F/(-D平均)=61.1/(3.140.05675)=342.9m
3每组管长L0计算:
L0二L/n=342.9/6=57.15m
4管组高度H计算:
蛇管排布要求:
上不露液面,下不低于封头直边。
可排蛇管高度即圆柱部分静液面咼度。
由前计算可知L液=1液■L下封头直边高度=6.43m,取6m有效值。
两端弯管长|。
=1570mm,两端弯管总高500mm则直管部分高
h=6000-500=5500mm。
一圈管长I=2hI。
=25500157^12570mm。
设每组管子圈数n。
贝U:
n0=L0/I=57.15/12.5^=4.55
经圆整取n0=5
管子中心距一般为2.5〜3.5d外,本设计取t=2.5d外=2.563.5=158.75mm,
考虑便于安装、清洗和传热,管与管壁的距离应不小于150mm现取150mm
管组高度:
H=(n°-1)td外0.15
式中:
n°:
每组管子圈数,n°=5
t:
管子的中心距,t=0.15875m
d外:
冷却蛇管外径,d外二0.0635m
H=(5-1)0.158750.06350.15=0.8485m
5桨叶与管组间距的验算
根据经验,桨叶与管组距离不小于200mm
桨叶与管组距离:
d距二D内/2-d叶/2-H
式中:
d叶:
搅拌器叶径,d叶=1100mm
H:
管组高度,H=848.5mm
D内:
发酵罐内径,D内=3200mm
d距=3200/2-1100/2-848.5=201.5mm200mm,符合设计要求。
6换热面积验算
卩实=二d平n0In
式中:
d平:
冷却蛇管平均直径(m),d=0.05675m
n0每组冷却蛇管圈数,n0=5
n:
冷却蛇管管组数,n=6
l:
一圈蛇管长度(m),l=12.57m
F实=3.140.05675512.576=67.2m261.1m2,符合设计要求。
2.4.3灭菌后冷却要求计算:
设计冷却时间为4小时,发酵液冷却热量q'
q二GC(t2-11)
式中:
G:
发酵液重量,G=V沁卜=561.06103=59360kg
C:
发酵液热比,取0.91X4.187KJ/(KgC)
t1:
灭菌后冷却终温,32r
t2:
灭菌温度,121r
q'=593600.914.187(121-32)/4=5032320KJ/h
F'=q'/(K心)
冷却水采用自来水
17水进=16C,t水出=(121-16)/2=52.5C
t平:
发酵液平均温度,t平-(121-32)/2-76.5C
:
tm'=[(76.5-16)-(76.5-52.5)]/ln[(76.5-16)/(76.5-52.5)]
=39.5C
K取5004.187KJ/(m2Ch)
F'=q'/(K:
tm')
=5032320/(5004.18739.5)=60.86m2:
:
F实二67.20m2
因此,经灭菌后冷却校核,符合设计要求。
2.4.4培养基灭菌蒸汽耗量计算
整齐压力为4个大气压,该状态下整齐热焓为(654.3-100)4.187KJ/kg,培
养基从25C升至121C,平均比热为0.954.187KJ/(KgC)。
因此考虑到实罐灭菌后大约1吨的冷凝水,因此每批投料量为58360kg。
则发酵罐培养液的灭菌最大蒸汽消耗量为:
Dm=Qm/l=583600.954.187(121-25)/[(654.3-100)4.187]=9602.1kg
保温20分钟,消耗蒸汽为占升
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