3万吨谷氨酸厂设计.doc

1 前言味精，又名为谷氨酸钠，是烹饪中常用的一种鲜味调味品。烹调时在菜里或汤里略加少许味精，立刻可使菜肴的味道更佳鲜香浓郁、味美可口。2004年全球的味精市场约为1700000t，其年增长率预计为4%，2010年已达到2100000t1。由于我国味精产量增加，各项技术指标提高幅度大，产品成本降低，在国际市场上具有较强竞争力，2005年出口味精达100000t2。1909年味精作为商品问世以来已有101年历史3。早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产4。实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，制造味精是后续加工完成的。谷氨酸学名是-氨基戊二酸，结构式为HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH5。谷氨酸在水中溶解度小，但其钠盐溶解度较大6。谷氨酸分子中有两个羧基，一个氨基，具有酸味，中和成一钠盐后，酸味消失而鲜味增加6。当前，我国的味精生产发酵法占统治地位，而发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需要的氧气。它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成7。 近几年，随着味精生产的不断发展，产量迅速增加，生产规模不断扩大，作为发酵生产最关键的设备发酵罐也在不断向大型化的方向发展。在发酵设备向大型化发展的同时，人们更加重视对设备结构上的改进。通过改进设备，增强了设备性能，降低造价，节约能源，提高了效益。应用新的现代化技术成果来提高设计水平，增加技术含量，不断改进发酵罐的结构设计是现在和今后的发展趋势。我国独立研发设计的790m3超大型发酵罐2006年已成功投产，该设备由沈阳宏成生物工程技术研发中心设计的，这是至今国内外最大容积的谷氨酸发酵罐2。此设备充分考虑了传质。传热、溶氧、功耗、细菌生长和发酵水平诸多因素。该设备投产、运行稳定，控制性能好，发酵产酸率和转化率都比较高。2 论文设计理念与方案 本论文拟选择味精发酵生产中最关键的设备，发酵罐作为设计主题，并以年产30000吨为规模进行模拟设计，并决定选用历史比较悠久，资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐，作为论文的主要设计目标根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。本论文设计原理是基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳状态，降低总的操作费用。另外，发酵罐内部状态也是不可忽视的影响因素。 初步确定主要技术指标如表1-2所示。表1-2 主要技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a30000(味精)生产方法采用淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点-离子交换法提取的工艺年生产天数d/a300产品日产量t/d100产品质量纯度99%设想设计分发酵罐应该包括空罐灭菌蒸汽用量计算和发酵罐的设计与选型两个部分，发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算有助于发酵罐的改进，达到节约能源、降低生产成本的目的。其次还应该选择发酵罐罐。决定发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等计算，此外，还应该绘出发酵罐结构图和发酵设备图。根据以上思路，初步考虑论文进行过程可以分为四个阶段：第一阶段：查阅资料、构思、初步考虑发酵罐及相关设备轮廓。第二阶段：论文进行实施阶段，包括计算、绘图等。第三阶段：论文写作、完善数据阶段。第四阶段：递交初稿，根据导师要求修改、定稿，准备答辩。3 论文设计主体3.1 发酵罐的设计与选型3.1.1 发酵罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐。3.1.2 生产能力、数量和容积的确定 发酵罐容积 V=25m 生产能力计算：现每天产99%纯度的味精2t ，谷氨酸发酵周期为48h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间），则每天需糖化液体积为V。每天产纯度为99%的味精2t，每吨100%的味精需糖液15.66m。V=15.66299%=31m 设发酵罐填充系数=70%，则每天需要发酵罐的总容积为V（发酵周期为48h） V= V/=31/0.7=44.3m发酵罐个数的确定：计算发酵罐容积时有几个名称需明确。a、 装液高度系数，指圆筒部分高度系数，封底则与冷却管、辅助设备体积相抵消。b、公称容积，指罐的圆柱部分和底封头容积之和，并圆整为整数。c、罐的全容积，指罐的圆柱部分和两封头容积之和。本次设计所需发酵罐个数为：N=3.5个 取圆整得：N=4个实际产量验算：=677.42t/a富裕量：=12.9% 能满足产量要求。3.1.3 主要尺寸的计算 发酵罐全体积为V=25m椭圆形封头体积：V=式中：-椭圆封头的直边高度，m =0.05m -椭圆封头短半轴长度，=而，V=25将H/D=2代入上式得：D=2.4m，H=2D=4.8m V=2m6公称体积V= V-V=25-2=23m验算全容积 V： V=V+2 V = = 25.73.1.4 冷却面积的确定 为了保证发酵罐在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷下来，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：F= 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1m发酵液在每1h传给冷却器的最大热量。对谷氨酸发酵：高峰期发酵热，310KJ/h.m 采用竖式蛇管换热器，取经验值 K=4.18500KJ/（m.h.） 平均温差t：t= 3232 202612 6 代入 t=8.656 对总容量为25m的发酵罐，每罐实际装液量为V=31/2=15.5m Q=Q15.5=310KJ/h.m15.5m =4.6510KJ 换热面积：F=25.73.1.5 搅拌器设计 机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质以及菌体特性7选用。本次设计，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有一定比例关系，现将主要尺寸列出：搅拌器叶径D=D/3=2.4/3=0.8m 取d=0.8m叶宽 B=0.2 D=0.20.8=0.16m弧长 l=0.375d=0.3750.8=0.3m底距 C=0.8D=0.82.4=1.9m盘径 d=0.75D=0.750.8=0.6m叶弦长 L=0.25D=0.250.8=0.2m叶距 S=D=2.4m弯叶板厚 =12mm取两档搅拌，搅拌转速N可根据50m罐，搅拌器直径1.05m，转速N=110r/min，以等P/V为基准放大求得：N=132（r/min）3.1.6 搅拌轴功率的确定 通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多种方法，现用修正的迈凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体，计算步骤如下： 计算R R= 式中 D搅拌器直径，D=0.8m N-搅拌器转速，N=132r/h -醪液密度，=1080Kg/m 醪液粘度，=2.010N.S/ 将数代入上式：R=4.561010 视为湍流 计算不通气时的搅拌轴功率P： 式中 N在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N 搅拌转速，N=132r/h D=0.8m，=1080Kg/m 代入上式，得： =17.7Kw 两档搅拌：P=2=35.42Kw 计算通风时的轴功率 （Kw）式中， P不通风时轴功率（Kw），P=35.42Kw Q 通风量（ml/min），取通风比为0.2，则Q=0.215.510=3.110ml/min Q=3.306 代入上式，得 = =25.8Kw 求电机功率P： P= 采用三角带传动=0.92，滚动轴承=0.99，滚动轴承=0.98，端面密封增加的功率为1%，代入公式得 P= = =29.2Kw 查手册选取合适的电机。3.1.7 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装置的工艺要求交代清楚，供制造加工和采购时取得资料依据。其内容包括： 空气分布器：对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即：多孔式和单管式。对通风量较小的设备，应加环型或直管型空气分布器；而对通气量大的发酵罐，则使用单管通风，由于进风速度高，又有涡轮板阻挡，叶轮打碎、溶氧是没有问题的。本罐使用单管进风，风管直径计算见接管设计。 挡板：挡板的作用是加强搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合与溶氧效果。如管内有相当于挡板作用的竖式冷却蛇管，扶梯等也可不设挡板。为减少泡沫，可将挡板上沿略低于正常液面，利用搅拌在液面上形成的涡旋消泡。本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。 密封方式：随着技术的进步，机械密封已在发酵行业普遍采用，本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与管的动静问题。 冷却管布置：对于容积小于5m的发酵罐，为了便于清洗，多使用夹套冷却装置。随着发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套形成的冷却面积已无法满足生产需求，于是使用管式冷却装置。蛇管因易沉积污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，因此广泛使用的是竖直蛇管冷却装置。在环境温度较高的地区，为了进一步增加冷却效果，也有利用罐皮冷却的。 设一快开式人孔，56cm，O形圈密封。3.1.8 竖直蛇管冷却装置设计(1) 求最高热负荷下的耗水量W为： W=式中：Q每1m醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积：Q=Q15.5=310KJ/h.m15.5=4.6510KJ冷却水的比热容，4.18KJ/(Kg.K)冷却水终温，26冷却水初温，20 将各值代入上式， W=冷却水体积流量为5.15Kg/s，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积为： 式中，w冷却水体积流量，w=5.1510m/s V冷却水流速，v=1m/s 代入上式，=5.1510 ii 冷却管组数和管径：设管径为，组数为n，则 =n.0.785.d 根据本罐情况，取n=3，求管径，由上式得： 查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表，选取512.0无缝管，=47mm，满足要求，=49mm现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度 9iii冷却管总长度L计算：有前知冷却管总面积F=25.7 现取无缝钢管512.0，每米长冷却面积为 则L=172m 冷却管占有体积V=0.7850.051172=0.35miv 每组管长和管组高度： 另需连接管4m：=L+4=176m 可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头。 设发酵罐内附件占有体积为0.5m，则： 竖直蛇管总高3.4m 又两端弯管总长=1570mm，两端弯管总高为500mm，则直管部分高度：h=H-500=3400-500=2900（mm）则一圈管长 V 每组管子圈数： 现取管间距为2.5，竖直蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm） Vi 校核布置后冷却管的实际传热面积： 而前有F=25.7，F，可满足要求。3.1.9 设备材料的选择 为了降低造价，本设备选用碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子。3.1.10 发酵罐壁厚的计算 式中，P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4Mpa D发酵罐内径，D=400cm 【】A3钢的许用应力，【】=127Mpa 焊缝系数，取=0.7 C壁厚附加量，C= 钢板负偏差，取 为腐蚀欲量，取=2mm 加工减薄量，取=0，代入上式得 C=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm 选用8mm厚A3钢板制作，查附录表17知，直径2.4m，厚8mm，筒高4.8m，每米高重356Kg，=3564.8=1708.8Kg 封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下： 11 式中，P=0.4Mpa，D=240cm，【】=127Mpa，=0.08cm，=0.2cm，=0.1cm C=0.38cm，=0.7 代入上式，得 查钢材手册圆整为=9.5mm3.1.11 接管设计 接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100200mm 接管直径的确定：主要根据流体力学方程式计算。已知物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求出管道截面积，计算出直径。计算出的直径再休整到相近的钢管尺寸即可。 通风管的管径计算：该罐实装醪量15.5，设0.5h内排空，则物料体积流量 发酵醪流速取V=1m/s 则排料管截面积为 ，则管径 取无缝钢管108x4 适用 若按通风管计算，压缩空气在0.4Mpa下，支气管气速为20m/s 通风比 0.2wm 20，0.1Mpa下，Q=15.5x0.2=3.1 计算到0.4Mpa，30状态下， 取风速v=20m/s，则风管截面积为： ，则气管直径为： 因通风管也是排料管，故取两者的大值，取d=108x4无缝管，则满足工艺要求。12 排料时间复核：物料流量Q=0.0086，流速v=1m/s， 管道截面积F= 在相同流速下，流过物料因管径较原来计算结果小， 则相应流速比为倍， 排料时间t=0.5x1.09=0.55h3.1.12支座选择支座选择：发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座。其中卧式支座又分为支腿，圈型支座，鞍型支座三种。立式支座也分为三种即：悬挂支座，支撑式和裙式支座。对于以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座。本设计选用裙式支座。4 设计结果与讨论 根据第二章的设计理念和方案，以年产30000吨味精厂发酵罐为设计对象，通过发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算，对发酵罐进行设计与选型，并绘制出了发酵罐结构图和发酵设备图。现将经过计算和选型后，本论文所得到的各项具体结果列后：本罐选用机械搅拌通风发酵罐，主要计算结果如表4-1所示。表4-1公称容积/ m3罐内径/mm圆柱高/mm全容积/m3罐体体重/t填充系数/%冷却面积/ m3材料20050001000023032.7875258.75碳钢由于谷氨酸发酵