年产6万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计.doc

齐 鲁 工 业 大 学生物工程与设备课程设计说明书（年产6万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计）作 者 姓 名 武雪龙 作 者 学 号 201006021041 专 业 班 级 生物工程10-1 指 导 教 师 王兰芝 王君高 目录设计任务书2前言3课程设计的目的与任务4设计参数4物料衡算4(一)发酵罐总容积计算 4（二）发酵罐个数计算5发酵罐工艺设计5（一）发酵罐直径及罐体高度计算5（二）发酵罐壁厚计算6（三）搅拌器类型选择与设计7（四）搅拌轴直径计算9（五）冷却面积计算与设计11发酵罐附件设计与选型13发酵罐的技术要求与规范15设计体会16教材及主要参考资料17相关数据表17课 程 设 计 任 务 书食品与生物工程学院学院2010级 生物工程 专业 学生 武雪龙题目：年产6万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计一、主要内容：1、物料恒算，计算发酵罐总容积；2、求发酵罐个数，取单罐公称容积200m3；3、公称容积200m3发酵罐设计（罐体尺寸、壁厚、搅拌器类型选择及尺寸设计、搅拌功率计算、搅拌轴直径计算、冷却面积计算与设计）二、基本要求1、编写计算设计说明书（有前言、设计参数、物料恒算、发酵罐工艺设计，设计体会）2、用CAD绘出发酵罐结构图。三、设计参数糖酸转化率60% 2、发酵产酸水平12%发酵周期34小时 4、发酵罐充满系数为0.7味精分子式187.13（C5H8NO4Na）.H2O 6、谷氨酸分子式147.13(C5H9NO4)7、谷氨酸密度取1.553g/cm3 8、残还原糖0.8%，干菌体1.7% 9、谷氨酸提取率97.5%。 10、谷氨酸生产味精精制率为125% 11、空罐灭菌压力0.25MPa 12、年工作日安330天计算 四、主要参考资料1郑裕国生物工程设备化学工业出版社20072高孔荣发酵设备 轻工业出版社1991.103梁世中生物工程设备轻工业出版社2002.24化工设备设计全书编辑委员会编搅拌设备设计上海科学技术出版社19855吴思方发酵工厂工艺设计概论中国轻工业出版社2007（6）化工工艺设计手册（7）于令信味精工业手册（8）张克旭氨基酸发酵工艺学轻工业出版社完成期限：自2013年 10 月 21 日至 2013 年 10 月 27 日指导教师：王君高 王兰芝 教研室主任：前言通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。 生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求我们综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。 一个优良的生物反应器应具有良好的传质传热和混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护方便；有可靠的检测及控制仪表；搅拌及通气所消耗的动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。通常将进行大规模悬浮培养微生物的反应统称为发酵罐。一、课程设计目的与任务任务：年产6万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计。目的：通过课程设计，使同学对工艺参数确定，物料恒算、发酵罐体积及尺寸确定、罐体机械强度、搅拌功率、搅拌轴及搅拌浆叶强度等计算能力得到锻炼。掌握工程设计基本程序及内容，熟练掌握电脑绘图及绘图质量。二、设计参数1、糖酸转化率60% 2、发酵产酸水平12%3、发酵周期34小时 4、发酵罐充满系数为0.75、味精分子式187.13（C5H8NO4Na）.H2O 6、谷氨酸分子式147.13(C5H9NO4)7、谷氨酸密度取1.553g/cm 8、残还原糖0.8%，干菌体1.7% 9、谷氨酸提取率97.5% 10、谷氨酸生产味精精制率为125% 11、取（kw/m） 12、空罐灭菌压力0.25MPa13、年工作日安330天计算 三、物料衡算（一）发酵罐总容积计算发酵罐总容积，决定于年工作日、每天生产谷氨酸量、发酵产酸水平、谷氨酸发酵周期、谷氨酸提取率、谷氨酸精制味精得率等。1.每天谷氨酸生产量的确定（1）年谷氨酸的产量=年味精产量125% =60000125% =48000t(2)每天的谷氨酸产量=年谷氨酸的产量330 =48000330 =145.5t（3）发酵液密度（4）每天生产发酵液体积=145.5/1.050(12%97.5%)=1243.6TV= m=1243.6T1.054Tm=1179.9m（5）发酵罐的总容积=每天生产发酵液体积发酵周期（小时）/24=（1171.934）/24=1671.5m（二）求发酵罐个数，取单罐公称容积200m3查表6-2（发酵工厂工艺设计概论P102）得公称容积是200的发酵罐全容积为230，取充满系数为0.7。(1)单罐的有效容积计算=单罐公称容积罐的利用率=2000.7=140m(2)发酵罐个数n计算n=/=1671.5/140=11.9 故取12个发酵罐。四、发酵罐工艺设计（一）发酵罐直径及罐体高度计算根据发酵罐的公称容积，确定发酵罐的尺寸。已知发酵罐直径D，筒体部分高，发酵罐总高H，常见的发酵罐的几何尺寸比例如下：H0/D=1.73.5 Di/D=1/21/3B/D=1/81/12 C/Di=0.81.0S/Di=25 H0/D=2取H0/D=2.0，采用标准椭圆形封头。已知罐公称容积为200m3 通常，对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。所谓“公称体积”， 是指罐的通身（圆柱）体积和底封头体积之和。其中底封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。标准椭圆形封头体积为： （1）式中：椭圆封头的直边高度，椭圆短半轴长度，标准椭圆。故发酵罐全体积为： （1）近似计算式为： （m） （1）发酵罐公称体积：（取H0/D=2，=40mm）取D=5m时 =213m = =230.5m查表知公称容积是200m的发酵罐全容积为230m，与查表的公称容积一致，故取发酵罐直径D=5m,故发酵罐高=2D=10m H=+2（+）=12.5m（二）发酵罐壁厚计算（2）式中：耐受压强，kg/cm2，表压；罐径，cm；焊缝系数，双面焊缝=0.8，无焊缝=1.0（采用双面焊缝）腐蚀裕度，当-C1cm时，C=3mm；许用应力（kg/cm2），使用不锈钢0Cr19Ni9，其中钢板许用应力=130MPa设计压力为0.28Mpa，则：表压=绝对压力-大气压力=0.28-0.1=0.18Mpa取不锈钢板厚8mm。（三）搅拌器类型选择与设计搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌叶轮大多采用涡轮式，最常用的是六直叶圆盘涡轮搅拌器、六弯叶圆盘涡轮搅拌器、六箭叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘作用是避免底部通入的空气从罐中心上升走短路。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌体系。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上。搅拌叶轮直径与罐径之比Di/D=1/21/3。搅拌叶轮类型的选择主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。 单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算（3）式中 P0-不通风时搅拌器输入的功率（W）n-涡轮转数（r/s）D-搅拌器直径（m） -醪液密度（kg/m3）Np-功率准数若Po单位为kW，n单位为r/min。则：（3）已知六直叶涡叶搅拌器叶轮直径Di，盘径di,叶弦长L，叶宽B，Di：di：L：B=20:15:5:4 搅拌器叶轮直径Di=D由Di/D=1/21/3，此时取Di/D=1/3，即：Di=1/3 D=1.7m。由标准圆盘涡轮搅拌器尺寸Di：di：L：B=20:15:5:4得： 圆盘涡轮直径di= 15/20 D =1.73/4=1.3m, 桨叶长L= 5/20 D =1.75/20 =0.4m， 桨叶宽B= 4/20 D =1.74/20=0.3m， 采用标准六直叶圆盘涡轮搅拌器。2多只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算 若是多档搅拌器，两档间距S，非牛顿流体S取2D，牛顿流体S取2.5-3D；静液面至上档间距取0.5-2D, 下档搅拌器至罐底距离C取0.5-1D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍：（3）取（kw/m3） 两档搅拌 P0=140kw所以140=24.6361054n =56.88r/min。所以取n =57 r/min。不通风时，实际功率 P0=24.6365731054 =154.0 kw3 .通风时搅拌功率（）计算.(kW) （3）式中：、通风与不通风时的搅拌功率，单位kW。n搅拌转速（r/min）D搅拌器直径（m）Q通风量（m3/min） 设通风比vm=0.22 则Q=1400.22=30.8/min 代入式（3） 得通风时搅拌轴功率=119.7kW154.0kw故通风时搅拌功率要比不通风时搅拌功率低，由于气泡存在使搅拌的液体密度下降。 （四）搅拌轴直径计算搅拌轴直径决定于搅拌轴的材料、转速、搅拌功率等。轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算，以便保证搅拌轴能安全平稳的运转。1.轴的强度计算：对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。轴扭转的强度条件是：（4）式中：截面上最大剪应力（kgf/cm2）；轴所传递的扭矩（kgf/cm）；抗扭截面系数（cm3）；降低后的扭转许用剪应力（kgf/cm2）；轴扭转时材料的许用剪应力值是根据扭转实验所得的屈服极限或强度极限，再除以安全系数来决定的。轴直径为d，则 其中：由上式可以看出，A值是随许用剪应力值而变化的系数。对A值的确定目前尚无统一的资料，它不仅随材料不同而变化，而且与载荷性质有关。一般可按表1、2选取。表1 几中常用轴材料的及A值轴的材料kA变换系数A3、2012020014.3412.141.361.15A5、3520030012.210.61.161.014530040010.69.641.010.9240Cr（调质）4005209.648.830.920.841Cr13（退火）18024012.611.41.191.082Cr13（调质）4005009.648.950.920.851Cr18Ni9Ti15025013.411.31.271.07注：表中k值是考虑了弯曲的影响而降低了的许用扭转应力。转动中弯矩较小的取较大值，弯矩较大的取较小值。轴径较大的取较小值，轴径较小的取较大值。操作条件好的取较大值，操作条件差的取较小值。采用20号钢时k可取较大值。表2 根据k对应的A值A77.17.27.47.57.77.88k10451000950900850800750700A8.28.48.791010.61112k650600550490360300270210A1314151617181920k1651301058575605045采用45号钢，按表1取=350，=，取d=140mm.2.轴的刚度计算为了防止转轴产生过大的扭曲变形，以免在运转中引起震动造成轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，这就是设计中的扭转刚度条件，为此，搅拌轴要进行刚度计算。工程上以单位长度的扭转角，不得超过许用扭转角作为扭转的刚度条件。即：（4）式中：轴扭转变形的扭转角（）剪切弹性模术，对于碳钢及合金钢G=8.1105（kgf/cm2）截面的极惯性矩（cm4）从式中可以看出，扭转变形的扭转角的大小与扭矩成正比，与成反比。值越大，扭转变形越小。关于扭转角的选择应按实际情况而定，一般有如下规定：在精密稳定的转动中，可选取1/41/2。在一般转动和搅拌轴的计算中可选取1/21。对精度要求低的转动中可选取1。在此搅拌轴的计算中取1/41/2。=N.m, （4）=根据搅拌设备设计计算,取B=10, 14.0cm小于强度计算值，故轴径依强度计算为准,取轴直径为140mm。（五）冷却面积计算及设计1.冷却面积影响发酵罐冷却面积的因素很多，诸如：不同的菌种系统、基质浓度、材质、冷却水温、水质、冷却水流速等。为保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境温度最高时也能冷却下来发酵热，必须按发酵生成热最高峰计算冷却面积。取每1 m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量为4.186000 kJ，进水温度为t1=18，出水温度为t2=25，醪液温度T=33,传热系数k=4.18500 kJm2.h.对容积200m3的发酵罐，每罐的实际装液量为：V液=V全填充系数=2000.7=140 m3Q总=4.186000140 =3.5106kJhtm=（T- t1）-（T-t2）ln（T- t1T-t2） =（33-18 ）-（33-25）ln（33- 1833-25）=11.1A= Q总ktm=3.5106k 11.1=151.4m2为了保证发酵罐的冷却，单是计算出冷却面积是不够的，还要足够的管道截面积，以提供足够的冷却水通过。（1）最大热负荷下的耗水量W：（5）式中每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积冷却水的比热容，4.18kJ/（kgK）冷却水终温冷却水初温将各值带入上式查表知则冷却水体积流量为0.1/s，取冷却水的流速为1m/s冷却管总截面积=式中 W冷却水体积流量，=0.1冷却水流速，=1m/s代入上式：进水总管直径（2）冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为，每m管子的面积管径，组数n，则=n0.785取6组冷却，则查表知，取型号无缝钢管需要冷却管的总长度为每组冷却管长度为取：管长为5m则每组冷却管为取：每组冷却管数为8根共冷却管五发酵罐附件的设计与选型1人孔选用人孔Pg10Dg500JB589-58，材料不锈钢2视镜选用带颈视镜Pg25，Dg80，H=100，HGJ502-86-6补强圈尺寸确定如下： 内径D1=130mm 外径D2=200mm补强圈的厚度 S补按 S补=d*S0/(D2-D1)=80*6/(200-130)=6.9考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm3接管直径的确定：主要根据流体力学方程式计算，以排料管为例：该罐实装140m2，设一小时内排空，则排料时的物料体积流量为：qv=m3h取发酵液流速为1ms,则排料管截面积A物= qvv=0.04m2管径d=，取无缝钢管2457，管内径d内=245-72=231230，认为实用。设计每一个发酵罐有空气除菌系统，通风量为Q1=140O.22=0.51m3s气态方程式计算工作状态下的风量：Qf=m3s如果风速v=25ms，则风管截面积AF=QFv=0.2425=0.01m2因通风管也是排料管，故取两者最大值，即取d=2457无缝管，可满足工艺要求。4.温度计取样接管见发酵罐总装图5.支座见发酵罐总装图六、发酵罐的技术要求和规范（1）技术要求1、本设备按GB150-1998钢制压力容器和HGJ18-89钢制化工容器制造技术要求进行设计。2、筒体采用电弧焊，焊条型号：1Cr18Ni9Ti间A102，1Cr18Ni9Ti与Q235间A302，Q235间T422。冷却盘管需打坡口，并采用氩弧焊，按焊接规程JB/T4709-2000。3、焊接接头型式及尺寸除图中注明外，按GB985-88中规定，角焊缝的焊角尺寸按较薄的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准的规定。接管法兰焊接均要求双面焊接并满焊。4、容器上的A类的B类焊缝应进行射线探伤检查，探伤长度为每条焊缝长度的20%,且不小于250mm，并符合JB4730-9