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1、76设备设计与选型 年产10000吨99%纯度的味精厂，发酵车间主要设备的设计与选型。7.6 发酵罐7.6.1 发酵罐的选型耗气发酵罐的研究从40年代开始，取得了一系列的成果，各种罐型纷纷出现。当前，我国谷氨酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐。本次设计选用涡轮搅拌通风发酵罐。选用这种发酵罐的原因主要有：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。7.62生产能力、数量和容积的确定发酵罐容积的确定随着科技的发展，现有的发酵罐容量系列有：5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250，500m3等等。一般说来单罐
2、容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高，根据生产的规模和实用性，可以先选择公称容积为100 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐。生产能力的计算现每天产99%纯度的味精33.4吨，谷氨酸生产周期为48h（包括发酵、发酵罐清洗、灭菌进出物料等辅助操作时间）。则每天需发酵液体积为V发酵。每天产纯度为99%的味精33.4吨，每吨100%的味精需发酵糖液13.36m3：V发酵=13.3633.499%=442（m3）发酵罐填充系数为=75%，则每天需要发酵罐的总容积为V0（生产周期为48h）。 V0= V发酵/=442/0.75=589.01568（m3） 发酵罐个数的确定以公称容积为
3、100 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为基础，则需要发酵罐的个数为N。查表知公称容积为100 m3的发酵罐的总容积为V总=118 m3，则有N= V发酵/（V总.24）=44248/（1180.7524）=9.98（个）则需要取公称容积为100 m3的发酵罐10个；实际产量为：富裕量：（10031.33 -10000）/10000=0.31%，满足产量要求。7.6.3主要尺寸的计算公称容积为100 m3的发酵罐的主要尺寸计算：V全=V筒+2V封头=118 m3，忽略封头折边不计， 则有：V全=0.785D2H+2D3/24=118 其中，设H=2D，1.57 D3+0.26 D3=118，可求
4、得D=4.009（m） 取D=4m，则H=2D=8m查表可知封头高H封=ha+hb=1000+50=1050（mm），则全容积V全： V全= V筒+2V封头=0.785D2H+2D3/24+0.785D20.052=118.44（m3） V全V全7.6.4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气温最高是也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到的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 发酵过程的热量计算有许多方法，但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际测得的每1 m3发酵液在每一小时传给冷却器的最大热
5、量，对谷氨酸发酵，每1 m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为7.686000kJ/（m3h）。采用竖式列管换热器，取经验值K=7.68500kJ/（m3h）。平均温度差tm： 32 32 t1=32-20=12 20 29 t2=32-29=3 对公称容积为100 m3的发酵罐，每天装5罐，装液量为则每罐实际装液量为：442/5=88.4（m3）换热面积=163.2（m2)7.6.5搅拌器设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。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。该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定的比例关系，
6、计算结果：搅拌器叶径：Di=D/3=4/3=1.33（m），取Di=1.3（m）叶宽：B=0.2Di=0.21.3=0.26（m）弧长：l=0.375Di=0.3751.3=0.49（m）底距：C=D/3=4/3=1.3（m）盘径：di=0.75Di=0.751.3=0.98（m）叶弦长：L=0.25Di=0.251.3=0.33（m）叶距：Y=D=4（m） 弯叶板厚：=12（mm）取两档搅拌，搅拌转速N2可根据50 m3罐，搅拌器直径1.05m，转速N1=110r/min，以等P0/V为基准放大求得：（r/min）7.6.6搅拌轴功率的计算淀粉水解糖液低浓度发酵醪可视为牛顿型流体，计算过程如
7、下： 计算Rem 其中：D搅拌器直径，D=1.3m N搅拌器转速，N=95/60=1.58（m/s） 醪液密度，可取=1050（kg/m3）醪液粘度，可取=1.310-3Ns/m2则有=，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Po：Po=NpN3D5 其中：Np=4.7， N=95/60=1.58（m/s）， D=1.3（m），=1050（kg/m3） 则，Po =NpN3D5=4.71.5831.351050=71.9103（w）=72（kw）两档搅拌，Po=2 Po=272=144（kw） 计算通风时的轴功率Pg： 计算电机功率P电：根据计算的功率，选取合适的电机
8、。7.6.7设备结构的工艺设计 设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助组装置的工艺要求交待清楚，供制造加工和采购时取得资料数据。其内容包括：空气分布器、挡板、密封方式、搅拌器以及冷却管布置等等。空气分布器：对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即多孔管式和单管式。对于通气量大的发酵罐，多使用单管通风。由于本罐的通风量大，所以使用单管进风。挡板：挡板的作用是加速搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合和溶氧效果，由于本罐中有扶梯和竖式冷却蛇管，故可不设挡板。密封方式：本罐欲采用双面机械密封方式。冷却管布置：对于容量大的发酵罐，发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套式的冷却面积已
9、无法满足生产要求，遇事可使用管式冷却装置。蛇管因易结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，可使用竖直蛇管冷却装置。7.6.8设备材料的选择发酵设备的材质选择，优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。谷氨酸发酵可以选用碳钢制作发酵设备，精制时用除铁树脂出去铁离子，也可以使用不锈钢制作发酵设备。为了降低设备费用，选用A3钢制作该发酵罐7.6.9发酵罐壁厚的计算计算法确定发酵罐的壁厚S：（cm）其中：P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa D发酵罐内径，400cmA3钢的许用应力，=127MPa 焊缝系数，可取=0.7 C壁厚附加量（cm）C
10、=C1+C2+C3，其中：C1钢板负偏差，可取C1=0.9mm， C2腐蚀裕量，取C2=2mm C3加工减薄量，取C3=0， 则C=0.9+2+0=2.9mm=0.29cm ，查表可选用12mm厚的A3钢板。查附表知：直径4m ，厚12mm ，筒高8m ,每米高节板重量1186kg ，则C筒=11868=9488（kg）封头壁厚计算：标准椭圆形封头的厚度计算公式如下： （cm） 其中：P设计压力，现取P=0.4MPa D发酵罐内径，400cmA3钢的许用应力，=127MPa 焊缝系数，可取=0.7 C壁厚附加量（cm）C= C1+ C2+ C3，其中：C1钢板负偏差，可取C1=0.9mm， C
11、2腐蚀裕量，取C2=2mm C3加工减薄量，取C3=1.1mm， 则 C=0.9+2+1.1=4mm=0.4cm 查表可选用S=14mm的A3钢板,G封=2005（kg）7.6.10冷却装置的设计最高热负荷下的耗水量W：其中：Q总每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积：Q总=7.68600088.4=2.217106（kJ/h） Cp冷却水的比热容，7.68kJ/（kgK） t2冷却水终温，t2=29 t1冷却水初温，t1=20；则有： 冷却水体积流量为q=1.63710-2m3/s 竖管中的流速为1m/s，根据流体力学方程，冷却管总截面积S总为： 进水总管直径为： 冷却管
12、组数和管径： 设冷却管管径为d0，组数为n，则：S总=0.785nd02竖直蛇管的组数n，根据本罐的大小，可选择n=8，则管径为：查无缝钢管表，选取573.5无缝钢管，d内=50mmd0可满足要求。现取竖直蛇管圈端部U型弯曲，弯管曲径为200mm，则两直管距离为400mm，两端弯管总长度为l0： l0=D=3.14400=1256（mm）冷却管总长度L计算： 冷却管总传热面积为F=154.95m2，取无缝钢管503.5，d平均=54mm 每米冷却面积为Fo=3.140.0541=0.168（m2），则： 每组管长Lo和管组长度 Lo=L/n=922/8=115.3m，另需要连接管8m，则L实=
13、922+8=930（m）。 冷却管占有体积V=0.7850.0572930=2.69（m3） 设发酵罐内附件占有体积为0.5m3，蛇管下部可伸入封头200mm，则；总占有体积V总=V管+V液+V附件=2.69+83.93+0.5=87.12（m3）筒体部分液深为： 竖蛇管总高H管=6.2+0.20=6.4（m） 因两端弯管总长为lo=1256（mm），两端弯管总高为400mm，则： 直管部分高度：h=H管-400=6.4-0.4=6.0（m） 则一圈管长为l=2h+lo=26.0+1.256=13.256（m）每组管子圈数no： no=Lo/l=115.3/13.256=9（圈） 取管间距为2d外=20.05=0.1（m），竖蛇管与管壁的最小距离为0.1m，经验算后，符合要求。 校核布置后冷却管的实际传热面积： F实=dL实=3.140.054930=157.7（m2） 而F=154.95m2 F实F，可满足要求。7.6.11接管设计接管直径的确定：接管直径的确定，主要是根据流体力学方程式计算。 每个发酵罐的实际装液量为88.4m3，设2h之内排空，则物料的体积流量：。设发酵醪的流速为=1m/s，则输料管截面积为F物。则：，
