1、生物工程設備課程設計200m谷氨酸發酵罐設計院系：生物與化學工程學院 專業：生物工程 班級: 學號: 姓名: 指導老師: 日期：2012年5月11日生物反應工程與設備課程設計任務書一機械攪拌生物反應器設計一、課程教學目標生物反應工程與設備課程設計是生物工程專業一個重要的、綜合性的實踐教學環節，要求學生綜合運用所學知識如生化反應工程與生物工程設備課程來解決 生化工程實際問題，對培養學生全面的理論知識與工程素養，健全合理的知識結 構具有重要作用。在本課程設計中，通過生化過程中應用最為廣泛的設備， 如機 械攪拌發酵罐、氣開式發酵罐、動植物細胞培養反應器，蒸發結晶設備、蒸儲設 備等的設計實踐，對學生進

2、行一次生化過程發酵設備設計的基本訓練， 使學生初 步掌握發酵設備設計的基本步驟和主要方法，樹立正確的設計思想和實事求是， 嚴肅負責的工作作風，為今后從事實際設計工作打下基礎。二、課程設計題目設計200m谷氨酸機械攪拌通風反應器三、課程設計內容1、設備所擔負的工藝操作任務和工作性質，工作參數的確定。2、容積的計算，主要尺寸的確定，傳熱方式的選擇及傳熱面積的確定。3、動力消耗、設備結構的工藝設計。四、課程設計的要求課程設計的規模不同，其具體的設計項目也有所差別，但其基本內容是大體 相同，主要基本內容及要求如下： 1、工藝設計和計算根據選定的方案和規定的任務進行物料衡算， 熱量衡算，主體設備工藝尺寸

3、 計算和簡單的機械設計計算，匯總工藝計算結果。主要包括：(1)工藝設計設備結構及主要尺寸的確定(D, H, H, V, VL, Di等)通風量的計算攪拌功率計算及電機選擇傳熱面積及冷卻水用量的計算（2）設備設計壁厚設計（包括筒體、封頭和夾套）攪拌器及攪拌軸的設計局部尺寸的確定（包括擋板、人孔及進出口接管等）冷卻裝置的設計（包括冷卻面積、列管規格、總長及布置等）2、設計說明書的編制設計說明書應包括設計任務書，目錄、前言、設計方案論述，工藝設計和計 算，設計結果匯總、符號說明，設計結果的自我總結評價和參考資料等。3、繪制設備圖一張設備圖繪制，應標明設備的主要結構與尺寸。目錄第1章概述 11.1 發

4、酵罐設計前景 11.2 微生物生物反應器的研究與應用概述 11.3 微生物反應器的研究和應用進展 2第2章設計依據32.1、 本次設計內容 32.2、 基本參數 32.2.1 發酵罐的型式 32.2.2 發酵罐的用途 32.2.3 冷卻水及冷卻裝置 42.2.4 設計壓力 4第3章 通用發酵罐的系列參考尺寸 53.1 .通用發酵罐的系列尺寸 53.2 發酵罐主要設計條件 6第4章谷氨酸生產工藝流程簡介74.1 谷氨酸發酵工藝技術參數 74.2 谷氨酸生產原料及處理 74.3 谷氨酸生產工藝流程圖 10第5章發酵罐選型及工藝計算 115.1 發酵罐的設計與選型 115.1.1 發酵罐的選型 11

5、5.1.2 生產容積的確定 115.2 主要尺寸的計算 115.3 冷卻面積的確定 125.4 攪拌器設計 135.5 、攪拌軸功率的確定 151.1.1 計算 R& 151.1.2 不通氣條件下的軸功率計算 161.1.3 通氣發酵軸功率計算 161.1.4 求電機功率 P電 175.6 設備結構的工藝設計 175.7 豎直蛇管冷卻裝置設計 185.8 備材料的選擇 215.9 發酵罐壁厚的計算 215.10 接管設計 23第6章設計結果與討論 256.1 發酵罐參數設計匯總 256.2 輔助設備有關參數 266.3 攪拌器有關參數276.4 主要符號說明27第7章發酵罐設計心得體會

6、29參考文獻 30設計圖 31第1章概述1.1 發酵罐設計前景生物反應器是多學科交叉的生物技術領域，是 21世紀生物工程發展的重要 前沿之一。近年來，國內外利用動物、植物和微生物生物反應器生產蛋白藥物與 其它重要產品的研究取得了令人矚目的進展， 特別是功能基因的高效表達技術與 方法研究有了許多新的突破，不少產品已進入研究開發和產業化階段。生物反應器(bioreactor )是利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功 能，在體外進行生化反應的裝置系統，其設計、放大是生化反應工程的中心內容。 從反應過程上看，生物反應器根據培養對象的不同可分為以下幾種。微生物反 應器和酶反應器。微生物反應器是生產中

7、最基本也是最主要的設備，具作用就是按照發酵過程的工藝要求，保證和控制各種生化反應條件，如溫度、壓力、供氧 量、密封防漏、防止染菌等，促進微生物的新陳代謝，使之能在低消耗下獲得較 高的產量。酶反應器可分游離酶及固定化酶反應器兩大類。細胞生物反應器。動物細胞或植物愈傷組織培養條件苛刻， 培養周期長，雜菌污染的危害性大，因 此動植物細胞反應器的設計遠較微生物反應器復雜。轉基因動植物生物反應 器。目前，動物生物反應器中研究與應用較多的是乳腺生物反應器，該類反應器基于轉基因技術平臺，使源基因導入動物基因組中并定位表達于動物乳腺，利用動物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白質的能力，在動物的乳汁中生產一些具有重

8、要價值的產品。植物生物反應器主要是指利用轉基因植物來生產蛋白質和次生代 謝產物等工程產品。1.2 微生物生物反應器的研究與應用概述微生物反應器和酶反應器發展至今，已經形成了多種類型：在操作方式上，間歇式、連續式和半間歇式均已得到研究和應用；在反應器結構特征上，目前已發展了釜/罐式、管式、塔式、膜式等類型；在能量的輸入方式上，目前已 發展了通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式、利用氣體噴射動能的氣升式和利用 泵對液體的噴射作用而使液體循環的生物反應器等；在生物催化劑在反應器中的分布方式上，目前已發展了生物團塊反應器和生物膜反應器，其中生物團塊反應器根據催化劑相態的不同又發展了填充床、流化床、生物轉盤

9、等多種型式的生 物反應器；在反應器內的流動和混合狀態上，目前生物反應器已發展至全混流 型生物反應器和活塞流型生物反應器。微生物反應器的研究和開發需要經歷三個階段：實驗室階段一一微生物的篩選和培養基的研究，在搖瓶培養或 13L反應器中進行；中試階段 生一5500L規模小型反應器，環境因素最佳操作條件研究；工廠化規模生 產生一實驗生產至商業化生產，提供產品并獲得經濟效益。酶反應器和下述的 細胞生物反應器研究也同樣需要經歷實驗室階段、中試階段和規模生產階段。在三個階段中，盡管生物反應過程相同，但規模的不同使反應溶液的混合狀態、 傳 質與傳熱速率等不盡相同，如何讓微生物、酶、細胞充分與外界接觸并完成生

10、化 過程，達到足夠高的反應效率，在工藝上都會有許多新的困難。 反應器類型的多 樣性和工藝的復雜性一方面提高了反應器研究和應用的難度，另一方面也給生物反應器的研究和發展帶來了巨大的空間。 例如，近年來，膜生物反應器在污水處 理中的研究和應用不斷發展。1.3 微生物反應器的研究和應用進展膜生物反應器在污染處理中的應用是近年來微生物反應器的研究和應用進 展的代表性技術之一。除此之外，結合數學、動力學、化工工程原理、計算機等 技術研究微生物反應器和酶反應器中的生化過程，使其過程控制的工藝更為合 理，而固液分離技術（離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細胞破壁技術（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和

11、溶壁酶等）、蛋白質純化技術（沉淀 法、色譜分離法和超濾法等）等下游技術的發展促進了生物反應器設計水平的提 高。另一方面，近年來基因工程技術等的發展推動了微生物反應器研究的快速進 步。例如，乙酸氧化脫硫單胞菌（ Geobacter sulfurreducens ）、泥土桿菌科（Geobacteraceae）的電極還原微生物等細菌的發現和改造與質子交換膜（PEM的技術進步，共同推動了微生物燃料電池（MFC技術的發展和應用。第2章設計依據2.1 本次設計內容設計200m谷氨酸機械攪拌通風反應器2.2 基本參數2.2.1 發酵罐的型式機械攪拌通風發酵罐高徑比：H/D=1.7-4.0攪拌器：六彎葉渦輪攪

12、拌器,Di：di：L:B=20:15:5:4攪拌器直徑：D=D/3攪拌器間距：S= (0.95-1.05 ) D最下一組攪拌器與罐底的距離：C= (0.8-1.0 ) D擋板寬度：B=0.1D,當采用列管式冷卻時，可用列管冷卻代替擋板2.2.2 發酵罐的用途用于谷氨酸生產的發酵罐，有關設計參數如下：裝料系數：種子罐0.50-0.65發酵罐0.65-0.8發酵液物性參數：密度1080kg/m3粘度 2.0 X 10-3N.s/m2導熱系數0.621W/m.C 比熱 4.174kJ/kg. C高峰期發酵熱3-3.5 X104kj/h.m3溶氧系數：種子罐 5-7 x 10-6molQ/ml.min

13、.atm發酵罐 6-9 x 10-6molQ/ml.min.atm標準空氣通風量：種子罐0.4-0.6vvm發酵罐 0.2-0.4vvm2.2.3 冷卻水及冷卻裝置冷卻水：地下水18-20 C冷卻水出口溫度：23-26 C發酵溫度：32-33 C冷卻裝置：種子罐用夾套式冷卻，發酵罐用列管冷卻。2.2.4 設計壓力罐內 0.4MPa；夾套 0.25 MPa發酵罐主要由罐體和冷卻列管，以及攪拌裝置，傳動裝置，軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設計就是要對 200M通風發酵罐的幾何尺寸進行計 算；考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐體和封頭的 壁厚；根據發酵微生物產生的發酵

14、熱、 發酵罐的裝液量、冷卻方式等進行冷卻裝 置的設計、計算；根據上面的一系列計算選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置，和人 孔等一些附件的確定，完成整個裝備圖，完成這次設計。第3章 通用發酵罐的系列參考尺寸3.1 通用發酵罐的系列尺寸表1發酵罐系列尺寸150L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm1000mm150mm1300mm21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm30.112m1.14m35.0

15、m31500mm3000mm400mm3800mm30.487m5.3m310m1800mm3600mm475mm4550mm0.826m39.15m320m2300mm4600mm615mm5830mm1.76m319.1m350m3100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m33100m4000mm8000mm1040mm10080mm39.02m3100m200ni5000mm10000mm1300mm12600mm16.4m3197m3表2發酵罐相關參數的容積全容積攪拌槳直徑攪拌轉數電動機功率攪拌軸直徑冷卻力式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW

16、25mm夾套112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夾套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夾套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夾套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夾套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夾套9.98m310.8m3630mm145r/min13kW65mm夾套320.86m22.6m3770mm125r/min23kW80mm列管51ml55.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m118m1350mm列管213m

17、230m1700mm列管3.2發酵罐主要設計條件表3設計參數項目及代號發酵產品谷氨酸工作壓力0.4MPa由任務書確定設計壓力0.4MPa由任務書確定發酵溫度33 c根據任務書選取（工作溫度）設計溫度150C由工藝條件確定冷卻方式列管冷卻由工藝條件確定發酵液密度_3:=1080Kg/m由工藝條件確定發酵液黏度- 2.0 10，N，s/m2由上2條件確定根據常識，一個良好的發酵罐應滿足下列要求： 結構嚴密，經得起蒸汽的反復滅菌，內壁光滑，耐腐性好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對生物反應的影響； 有良好的氣-液-固接觸和混合性能以及高效的熱量、質量、動量傳遞性能; 在保持生物反應要求的前提下，降低能

18、耗； 有良好的熱量交換性能，以維持生物反應最是溫度； 有可行的管道比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動化控制第4章谷氨酸生產工藝流程簡介4.1 谷氨酸發酵工藝技術參數表4主要工藝技術參數生產工序參數名稱淀粉質原料糖蜜原料1制糖（雙酶法）淀粉糖化轉化率%982發酵產酸率g/dl>8.0>8.03發酵糖酸轉化率%>50>554谷氨酸提取提取收率%>86>804.2 谷氨酸生產原料及處理表5原料及動力單耗表單耗(t/t)序號物料名稱規格淀粉原料大米原料糖蜜原料1玉米淀粉含淀粉86%2.122含淀粉70%3.03糖蜜含糖50%3.974硫酸98%0.450.450.

19、455液氨99%0.350.350.356純堿98%0.340.340.347活性炭0.030.020.108水3093093099電2000Kwh/t2000Kwh/t2000Kwh/t1011.411.411.4谷氨酸發酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷姓（液體石蠟）等。國內多數谷氨酸生產廠家是以淀粉為原料生產谷氨酸的，少數廠家是以糖蜜為原料進行谷氨酸生產的，這些原料在使用前一般需進行預處理。（一）糖蜜的預處理谷氨酸生產糖蜜預處理的目的是為了降低生物素的含量。 因為糖蜜中特別是 甘蔗糖蜜中含有過量的生物素，會影響谷氨酸積累。故在以糖蜜為原料進行谷氨 酸發酵時，常常采用

20、一定的措施來降低生物素的含量，常用的方法有以下幾種。(1)活性炭處理法用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多達 糖蜜的30%-40%成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸鈉或通氯氣處理糖蜜， 可減少活性炭的用量。(2)水解活性炭處理法 國內曾有人進行過用鹽酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭 處理的方法去除生物素的實驗，并應用于生產。(3)樹脂處理法甜菜糖蜜可用非離子化脫色樹脂除去生物素，這樣可以大大 提高谷氨酸對糖的轉化率。處理時先用水和鹽酸稀釋糖蜜，使其濃度達到 10% , pH達2.5,然后在120c下力口壓滅菌20min,再用氫氧化鈉調pH至4.0,通過脫 色樹脂交換柱后，將所得溶液調 pH

21、至7.0,用以配制培養基。(二)淀粉的糖化絕大多數的谷氨酸生產菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉為原料進行谷氨酸生產時，必須將淀粉質原料水解成葡萄糖后才能供使用。可用來制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯類、玉米、小麥、大米等，我國主要以甘薯淀粉或大 米制備水解糖。淀粉水解的方法有三種：1.酸解法 用酸解法生產水解糖，其工藝流程如下：原料(淀粉、水、鹽酸)調漿一糖化一冷卻一中和脫色一過濾除雜一糖液(1)調漿 原料淀粉加水調成10-11° Be'的淀粉乳，用鹽酸調pHl.5左右， 鹽酸用量(以純鹽酸計)約為干淀粉的0.5 %0.8 %。(2)糖化 首先要在水解鍋內加部分水，加水后

22、將水解鍋預熱至100105C,(蒸汽壓力為0. 10. 2MPa)t后用泵將淀粉乳送至水解鍋內迅速升溫， 在表壓為0.250.4MPa之間保壓，一般水解時間控制在 1020min,即可將淀 粉轉化成還原糖。(3)冷卻 中和溫度過高易形成焦糖，脫色效果差；溫度低，糖液黏度大，過 濾困難。因此，生產上一般將糖化液冷卻到80c以下。(4)中和淀粉水解完畢，酸解液pH僅為1. 5左右，需用堿中和后才能用于 發酵。中和的終點pH一般控制在4.55.0左右，以便使蛋白質等膠體物質沉淀 析出。(5)脫色酸解液中尚存在著一些色素和雜質需通過脫色除去。脫色可采用活 性炭吸附，活性炭是經過特殊處理的木炭，為黑色無

23、定形粉末，不溶于任何溶劑， 質松多孔，表面積很大，具有很大的吸附能力。它將具有脫色與助濾兩方面作用。(6)過濾除雜 經中和脫色的糖化液要充分沉淀12h,待液溫降到 4550 C,用泵打人過濾器除雜質，過濾后的糖液送貯糖桶貯存，到此為止，淀粉糖 化過程全部結束，制成的糖化液供發酵使用。2.酶解法 先用a-淀粉酶將淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶將糊 精和低聚糖進一步水解成葡萄糖的方法，稱為酶解法。谷氨酸菌能夠在菌體外大量積累谷氨酸，是由于菌體的代謝調節處于異常狀 態，只有具有特異性生理特征的菌體才能大量積累谷氨酸。這樣的菌體對環境條 件是敏感的。也就是說，谷氨酸發酵是建立在容易變動的代謝平

24、衡上的， 是受多 種發酵條件支配的。因此，控制最適的環境條件是提高發酵產率的重要條件。在谷氨酸發酵中，應根據菌種特性，控制好生物素、磷、NhT pH氧傳遞率、排氣中二氧化碳和氧含量、氧化還原電位以及溫度等，從而控制好菌體增殖與產物 形成、能量代謝與產物合成、副產物與主產物的合成關系，使產物最大限度地利 用糖合成主產物。為了實現發酵過程工藝條件最佳化，可采用電子計算機進行資 料收集、數據解析、程序控制。收集準確的數據，如攪拌轉速液量、冷卻水人口 溫度和流量、通風量、發酵溫度、pH溶解氧、氧化還原電位等，還可準確地取 樣。控制操作者要求進行檢測和及時處理比增殖速度、比產物形成速度、比營養吸收速度、

25、氧的消耗速度等數據，使操作條件最佳化4.3谷氨酸生產工藝流程圖消泡劑一1水-I無機鹽一一配料罐一定容罐糖蜜一J玉米漿一二級種子罐純生物素一J實消葡萄糖一消泡劑一水定容罐一配料罐一無機鹽一糖蜜連消器玉米漿一純生物素維持罐1換熱器淀粉J消泡劑發酵罐-高濃度糖液t液氨圖1谷氨酸發酵工藝流程圖第5章發酵罐選型及工藝計算5.1 發酵罐的設計與選型5.1.1 發酵罐的選型選用機械攪拌通風發酵罐。5.1.2 生產容積的確定(1) 發酵罐容積的確定：選用公稱容積為200m的發酵罐。(2) 生產能力的計算：若取發酵罐的填充系數=70%(3) 發酵罐個數的確定：公稱容積為200m的發酵罐，具全容積為230m5.2

26、 主要尺寸的計算發酵罐是由圓柱形筒體和上、下橢圓形封頭組成。V 全=V 筒 +2V 封=230(m3)為了提高空氣利用率，罐的高徑比取 2。H =2D-23V全=丫筒 +2V封=D2D+2 h+谷 D 力=230(m3)橢圓形封頭的直邊高度忽略不計，以方便計算。冗V全=V筒 +2V封=0.785D2 2D 十, D3 父 2 = 230(m3)24解方程得D =2301.835.004(m)取5mH =2D =10(m)圓柱部份容積V筒為:V筒=0.785D2 M2D =0.785父52M10 =196.25(m3)上、下封頭體積V封為:二/二豆 53 =16.25(m3)全容積驗算:31=V

27、 筒 +2V 封=196.25 + 2父16.25 =228.75(m3)符合設計要求，可行。3.3 X5.3 冷卻面積的確定根據部分谷氨酸廠的實測和經驗數，谷氨酸放得發酵熱高峰值約104kJ/(m3 h)，則冷卻面積按傳熱方程式計算如下：S 二 KQm式中S 冷卻面積，吊換熱量，kJ/htm-平均溫度差，CK總傳熱系數，kJ/(m 2 h ' C )230m 3灌裝液量為：230 X 70%=161 mQ =3,3 X104 父161 =5.313X 106 KJ/h設發酵液溫度33C,冷卻水進口溫度19C,出口溫度25C,則平均溫度差為：tm(33-19)-(33-25),33-1

28、9In33-25采用豎式蛇管換熱器取經驗值 K取4.18 x 500kJ/(m2 h C ),S-65.313X 10K t 4.18 500 8 m= 317.76(m2)5.4 攪拌器設計由于谷氨酸發酵過程中有中間補料操作，對混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部尺寸與罐徑D有一定比例關系，六彎葉渦輪攪拌 器,Di：di：L:B=20:15:5:4現將主要尺寸列后1:攪拌器葉徑D為：D 5Di = = 一 =1,67(m)33取 1.7m。葉寬B為：B =0.2Dj =0.2 1,7 =0.34(m)弧長l為：l =0.375Dj =0.375 1.7 =0,64(m)底距

29、C為：一 D 5C =1.67(m)33取 1.7m。盤彳全di為：di =0.75Dj =0.75 1.7 =1,275(m)葉弧長L為：L =0.25Dj =0.25 1.7 =0,425(m)葉距Y為：Y=D=5(m)彎葉板厚：6 =12 (mm取兩擋攪拌，攪拌轉速NMIg據50m罐，攪拌直徑1.05m,車SNi=110r/min 以等P0/V(單位體積液體所分配的攪拌軸功率相同)為基準放大求得.即：2d2式中n2一一放大的攪才*器的轉速，r/minni模型攪拌器的轉速，n=110r/min 1di-一模型攪器直徑，d=1.05M1d2生一放大的攪拌器直徑，d=1.7m將各值代入上式 2

30、2n2 =n曳T =110 JL0513 =79.78(r/min) =1.33(r/s) d21.7取兩檔攪拌，攪拌轉速79.78r/min 。5.5 攪拌軸功率的確定5.5.1 計算 R。淀粉水解糖液低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。Re J25m式中 D 攪拌器直徑，D=1.70mN一一攪拌器轉速，N=U160P 醪液密度，p =1080 kg/m3祖醪液粘度，仙=2 x 10-3N s/m2將數代入上式:Rem1.72 1.33 10802 103_ _ 5_4= 20.76 1010視為湍流，則攪拌功率準數Np=4.75.5.2 不通氣條件下的軸功率計算：P Mn為5： p式中Np一一功

31、率數，Np=4.7網n攪拌器的轉速，n=1.33r/sd攪拌器直徑，d=1.7mP 流體密度，p =1080kg/m3冏將各值代入上式P =Npn3d5：； =4.7 1.333 1.75 1080 = 169559.12(W) = 169.56(KW)Pg =2.25 10，fP2nd3 廠 、Q0.08 J5.5.3 通氣發酵軸功率計算:式中P 不通氣條件下的軸功率，P=169.56KWn攪拌器的轉速，n=79.78r/mimd攪拌器直徑，d=170cmQ工況下白獷！氣量，(發酵罐通風比：設通風比VVm=0.2- 0.4,取低限，如通風量變大，P6小，為安 全，現取0.2則Q =230父7

32、0%父0.2 = 32.2父106( ml/min )將各值代入上式fZ ,即.39 P2nd3P =2.25父103 M gQ0.08= 2.25 10 與69.56 2黑79.78父1703 ：393220000C0.08i=161.50 (KW)5.5.4 求電機功率P電1.01采用三角帶傳動=0.92 ;滾動軸承“2=0.99 ,滑動軸承43=0.98 ;端面密封增加功率為1%代入公式數值得：P電=161.50 1.01 =182.74( KW)0.92 0.99 0.985.6 設備結構的工藝設計(1) 空氣分布器：本罐使用單管進風。(2) 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋

33、板。(3) 消泡漿：本罐使用圓盤放射式消泡漿。(4) 密封方式：本罐擬采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。(5) 冷卻管布置：使用的是豎直蛇管冷卻裝置。5.7 豎直蛇管冷卻裝置設計(1)求最高熱負荷下的耗水量W為:Cp(t2-ti)式中Q生一每im醪液在發酵最旺盛時，1h的發熱量與醪液總體積的乘積,Q 總=3.3 1 04161 =5.31 106(KJ/h)Cp冷卻水白比熱容，Cp=4.18kJ/(kg C)t2冷卻水終溫，t2=25Ct1冷卻水初溫，t1=19C將各值代入上式5.31 106Cp(t2 T) - 4.18 (25-19)5= 2.12 105(Kg/h) =58.8

34、9(Kg/s)冷卻水體積流量為0.0589m3/s ,取冷卻水在豎直蛇管中流速為1m/s,根據流體力學方程式，冷卻管總截面積總 A總為：式中 W冷卻水體積流量， W=0.0411ri/s冷卻水流速，V=1m/s代入上式A W 0.05892、A總=一 =0.0589 m )V 1進水總管直徑d總為:= 0,274(m)_A總 _ 0,0589一 ：0.785 - 1 0.785查表選取Q299X 7。(2) 冷卻管組數和管徑：設冷卻管總表面積為A總，管徑d°,組數為n,則2A總=n 0.785d0現根據本罐情況，取n=9,求管徑。由上式得,_A 總_ 0.0589d0 - -0.09

35、1(m)n 0.785. 9 0.785經查表選取108 x 5無縫管，d內=98mm d平均=103mm現取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為300mm則兩直管距離為600mm兩彎管 總長度10為:l0 =1D =3.14 600=1884(mm)(3) 冷卻管總長度L計算：冷卻管總面積S=317.76m。現取無縫鋼管 108X5,A317.760.32= 993(m)冷卻管占有體積V管為:V管=0.785 0.1082 993 -9.09(m3)取冷卻管組n=9(4) 每組管長L。為:L 993Lo =110.33(m) n 9另需連接管1.8m,L實=L0 -1.8=110.33-1.8 =10

36、8.53(m)可排豎直蛇管的高度設為靜液面高度，下部可伸入封底209mm設發酵罐內附件占有體積為0.63m3,則總占有體積為：V管 V附件=9.09 0.63 = 9.72( m3)筒體液面為：V總父70% + (V管 +V附件)-V封230x70% +(9.09 + 0.63)-16.25一 、=2=7.87( m)除面0.785 52豎直蛇管總高H管為：H 管=7.87 +1.2 =9.07 (m)取管間距為0.6m。又兩端彎管總長10為：I。=3.14 0.6 =1.884(m)兩端彎管總高1.2m。則一圈管長L為：L =2H +2L0 =2x9.07 +2x1.884 =21.91(

37、m)(5) 每組管子圈數n。為:n0L0110.3321.91= 5.04(圈)取5圈。L實=21.91x5x9 + (1.8x9) =1002.15 標 993(m)現取管間距為：1.9xD =1.9x0.108=0.2 0m)豎蛇管與罐壁的最小距離為0.10m。最內層豎蛇管與罐壁的最小距離為：0.24+0.10+0.1085 =1.44( m)與攪拌器的距離為：(5-1.7)/2-1.44=0.21 - 0.2(m)在允許范圍內。(6) 校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：& =叼平均 4實=3.14父0.103x1002.15 =324.12 > 317.76(m2)故可滿足需

38、求。5.8 備材料的選擇為了降低設備造價費用，本設備選用 A碳鋼材料，精制時用除鐵樹脂除 去鐵離子。5.9 發酵罐壁厚的計算根據壓力容器安全技術監察規程規定，發酵罐屬于一級壓力容器，因此, 其設計、制造、安裝以及使用均須遵照該規定。設計計算須按 GB150-1998鋼 制壓力容器進行。(1) 內壓圓筒厚度計算:pDi'2L.-R1 -pCi C2式中6 圓筒的設計厚度，mmp設計壓力，p=0.4MPaDi圓筒的內直徑，D=5000mm(rT一一設計溫度下圓筒材料的許應用力，(rT=124.5MPai小焊縫系數，小=0.9 iCi鋼板的厚度負偏差，C=0.8mmC 2腐蝕裕量，G=1mm

39、將各值代入上式pDi -00.4 5000、=T C1 C2 = 0.8 1 = 10.74(mm)2司中-p2 124.5 0.9 -0.4查附表可選用12mm5的碳鋼鋼板。查附表知：公稱直徑為 5000mm,壁厚 為12mm, 1m高筒節鋼板質量為1483kg 2。(2) 橢圓形封頭厚度計算:pDi21-中-0.5p式中6圓筒的設計厚度，mmp設計壓力，p=0.4MPaDi圓筒的內直徑，D=5000mm(rT一一設計溫度下圓筒材料的許應用力，(rT=124.5MPa焊縫系數，小=0.9將各值代入上式pDi2司：，-0.5p0.4 50002 124.5 0.9 0.5 0.4=8.93(m

40、m)查附表可選用10mm5的碳鋼鋼板。5.10 接管設計(1) 接管的長度h設計：各接管白長度h根據管徑大小和有無保溫層，進行選擇。本罐的輸料管可選 擇不帶保溫層的，查表接管長度可取 h=150mm。(2) 接管直徑的確定：接管直徑的確定，主要根據流體力學方程式計算。以排料管為例計算管徑。本罐實裝161m，設1.5h之內排空，則排料時的物 料體積流量qv為：161 0q0.030(m3/s)v 3600 1.5取發酵醪流速V=1(m/s),則排料管截面積A物為:qv0.030-20.030(m )2A 物0.785d則排料管直徑d為:, A 0.030 3、d =、=0.2(m)0.785,

41、0.785查表選取 194X 6無縫管，d內=182mm d平均=188mm2以通風管為例計算管徑，通風量 Q為:Q1 =1610.4 =64.4 (m3/min) =1.07(m3/s)利用氣態方程式計算工作狀態下的風量 Q為:Q =1.07 273 33 =0.279(m3/s) f 0.40 273 20如取風速V=25(m/s),則風管截面積 A為:Qf0.279252= 0.011(m ).2A f =0.785d 氣則氣管直徑d氣為:0.012 0.785= 0.12(m)查表選取133X 4無縫管，d內=125mm , d平均=129mm因通風管也是排料管，故取兩者的大值。即取

42、194X 6無縫管，可滿足工 藝要求。排料時間復核:物流量Q為:161.Q0.030(m3/h)3600 1.5物料流速V=1(m/s),則管道截面積A為:A =0.785 0.1822 = 0.026(m3)在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結果小，則相應流速比P為:P =A v0.0300.026父1 = 1.146(倍)排料時間t為:t = 1.5 m 1 .146=1 .719( h)第6章設計結果與討論6.1發酵罐參數設計匯總表6發酵罐參數冷卻裝置冷卻管實際傳熱面積s實334.57 m2最圖熱負荷卜的耗水量W58.85kg/s冷卻管組數n9型號194父6無縫 管接管直徑d133mm進水總管直徑d總0.299 m冷卻管總截面積A 總 , _-25.885 X10排料管截回積F物0.026 m2冷卻管管徑d0108mm每組管子圈數no5圈每組管長L0110.33m輔 助 設 備風管截面積Ff0.011 m2空氣分布器單管進風氣管直徑d氣0.194mm擋板不設擋板支座選擇裙式支座密封方式雙面機械密封6.3攪拌器有關參數表8攪拌器參數轉速n2111r/min攪拌軸功率P0173.167KW通風時軸功率Pa g164.17KW電動機功率Pfe182.18KW攪拌器葉徑1.7 m弧長l0.64 m盤徑d1.275 m口小B0.34 m葉弦長L0.425 m底距C