郝伟201106062004

1 生物工程与设备课程设计说明书生物工程与设备课程设计说明书 年产年产 6 万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设 计计 作者姓名 秦存琦作者姓名 秦存琦 学学 号 号 201106062035 专业班级 生物技术及应用专业班级 生物技术及应用 11 1 指导老师 王兰芝 王君高指导老师 王兰芝 王君高 2 山山 东东 轻轻 工工 业业 学学 院院 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 食工学院 11 级 1 班 生物技术及应用专业 学生 张强 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 1 糖酸转化率 61 2 发酵产酸水平 11 3 发酵周期 32 小时 4 发酵罐充满系数为 0 7 5 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 2007 2 高孔荣 发酵设备 轻工业出版社 1991 10 3 梁世中 生物工程设备 轻工业出版社 2002 2 4 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 1985 5 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 2014 年 3 月 22 日至 2014 年 4 月 3 日 指导教师 王君高 王兰芝 教研室主任 3 一 前言一 前言 课程设计是普通高校本科教育中非常重要的一个环节 同时也是理论知识 与实际应用相结合的重要环节 本设计为年产 3 万吨味精厂的生产车间设计 通过双酶法谷氨酸中糖发酵以及一次等电点提取工艺生产谷氨酸钠 谷氨酸单钠 monosodium glutamate 呈强烈鲜味 商品名为味精 因味精 具有肉类鲜味 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 随着人们对味精的认识不断深入提高 对它的营养价值 安全性及如何 正确使用都有了普遍的了解 味精具有很强的鲜味 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 1987 年 3 月 联合国 粮农组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议 宣布取消 对味精的食用限量 再次确认为一种安全可靠的食品添加剂 味精是一种强碱弱酸盐 它在水溶液中可以完全电离变成谷氨酸离子 GA 和钠离子 味精进入胃后 受胃酸作用生成谷氨酸 谷氨酸被人 体吸收后 参与体内许多代谢反应 并于其他许多氨基酸一起共同构成人体组 织的蛋白质 味精可以增进人们的食欲 提高人体对其他各种食物的吸收能力 对人体有一定的滋补作用 因为味精里含有大量的谷氨酸 是人体所需要的一 种氨基酸 96 能被人体吸收 形成人体组织中的蛋白质 它还能与血氨结合 形成对机体无害的谷氨酰胺 解除组织代谢过程中所产生的氨的毒性作用 因 此 谷氨酸能用来预防和治疗肝昏迷 由于谷氨酸参与脑组织的蛋白质代谢和 糖代谢 故而能促进中枢神经系统的正常活动 对治疗脑震荡和脑神经损伤有 一定疗效 从总体上说 味精行业的发展前景是比较广阔的 我国是世界上人口最多 的国家 而我国的味精出口不足年产量的 1 绝大部分味精都在国内市场上消 化了 随着人民生活水平的提高 人们对味精的需求会越来越大 况且国内外 市场上对味精的消费不仅仅限于调味 而是广泛的作为一种原材料或香料表面 活性剂应用于医药和化妆品生产行业 由此可见 味精的消费市场开拓是很有 前景的 本文对味精发酵主要设备作简要介绍 以期有助于了解通气发酵工艺和主 要设备的有关知识 4 二 课程设计目的与任务二 课程设计目的与任务 目的 通过课程设计中对工艺参数确定 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 任务 年产 6 万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计 三 课程设计内容三 课程设计内容 一 设计参数一 设计参数 1 糖酸转化率 60 2 发酵产酸水平 11 3 发酵周期 34 小时 4 发酵罐充满系数为 0 7 5 谷氨酸提取率 97 5 6 谷氨酸生产味精精制率为 125 7 取 kw 8 空罐灭菌压力 0 25MPa 0 1 L P V 9 年工作日安 330 天计算 二二 发酵罐总容积计算 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 每天谷氨酸生产量的确定 年谷氨酸的产量 年谷氨酸的产量 年味精产量 125 60000 125 48000t 每天的谷氨酸产量 按每年生产 330 天计 每天的谷氨酸产量 年谷氨酸的产量 330 48000 330 145 45t 145450kg 5 2 发酵液密度发酵液密度 3 3 125110 865865 16 770 8952 5 1 51 553 1 050 mT T m 3 发酵罐总容积的计算 发酵罐总容积的计算 1 每天生产发酵液体积 V 145450 11 97 5 谷氨酸提取率发酵产酸水平 每天生产谷氨酸量 V 1050 1291 60m3 2 发酵罐总容积 发酵罐总容积 每天生产发酵液体积 发酵周期 小时 24 1291 6 34 24 1829 76m3 三三 求发酵罐个数 取单罐公称容积 求发酵罐个数 取单罐公称容积 200m3 要确定发酵罐个数 首先要确定单罐的有效容积 1 单罐的有效容积计算 单罐的有效容积计算 查表 6 2 发酵工厂工艺设计概论 P102 得公称容积是 200m3 的发酵罐 全 容积为 230m3 发酵罐全容积 罐的利用率 230 0 7 161m3 有效 V 2 发酵罐个数 发酵罐个数 n 计算计算 n 1829 76 161 11 36 总 V 有效 V 故取 13 个发酵罐 其中一个留作备用 6 四四 公称容积 公称容积 200m3 发酵罐设计发酵罐设计 罐体由圆筒体和椭圆形封头构成 材料以不锈钢为好 可以用碳钢 但要防腐处 理 为满足工艺要求 罐体必须能承受一定的压力和温度 通常要求耐受 130 和 0 25Mpa 绝压 1 罐体尺寸 罐体尺寸 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 H0 发酵罐总高度 H 常见的发酵罐的几何尺寸比例如下 H D 1 7 3 5 Di D 1 2 1 3 B D 1 8 1 12 C Di 0 8 1 0 S Di 2 5 H0 D 2 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 DhDhDhDV bab 6 1 464 222 1 式中 椭圆封头的直边高度 b h 椭圆短半轴长度 标准椭圆 a hDha 4 1 发酵罐全体积为 2 DhHDV b 6 1 2 4 0 2 0 近似计算式为 m3 3 32 0 15 0 4 DHDV 将 Vo 200m3 代入近似计算式 3 取 H D 2 得 D 4 9m 取 D 5m 则 H0 10m 取封头直角边 一般取 50 55mm 取 50mm b h b h 发酵罐总高度 H H0 2 10 2 5 4 0 05 12 6m a h b h 7 公称容积 V 为 3 14 4 25 10 0 05 5 6 213m3 DhHDV b 6 1 4 0 2 封头体积 0 785 25 0 05 5 6 17 34m3 6 D h 4 32 1 mDV 发酵罐全容积 V V V1 213 17 34 230 34m3 230m3 与查表得公称体积一致 符合设计要求 可行 2 罐体壁厚计算 罐体壁厚计算 C p Dp S 2 式中 耐受压强 Kg cm2 表压 P 设计压力 取最高工作压力p 的 1 6 倍 现取 P 0 4MPa 罐径 cm D 焊缝系数 双面焊缝 0 8 无焊缝 1 0 C 对不锈钢当介质的腐蚀性极微时 取 0 查表 14 7 生物工 1 C 2 C 2 C 程设备 取 0 6mm 1 C 许用应力 kg cm2 使用不锈钢 0Cr19Ni9 其中钢板许用应力 130MPa mmS83 6 6 0 25 0 1 185 0 1302 25 0 1 15000 取不锈钢板厚 7mm 3 搅拌器类型选择及尺寸设计搅拌器类型选择及尺寸设计 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 8 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 2 1 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 1 单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算 式中 Po 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 已知六弯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 2 1 3 1 取 Di mD7 1 3 1 则 di 1 7 0 75 1 28m L 1 7 0 25 0 43m B 1 7 0 2 0 34m 取 kw m3 两档搅拌 0 1 L P V P0 161kw 953 1063 4 DnNP Po n 79 17r min 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 53 iPo DnNP 953 1063 4 DnNP Po 9 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 通风时搅拌功率 计算 g P kW a 39 0 08 0 32 32 0 Q nDP P o g 式中 通风与不通风时的搅拌功率 单位 kW g P o P 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 161 0 22 10 35 42 10 ml min 35 42 min 代入式 a 得 154 24kW 6 63 m g P 通风时搅拌轴功率 154 24kW 161kw g P 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 4 求电机功率 P 电 01 1 P 321 g 电 P 采用三角带传动 1 0 92 滚动轴承 2 0 99 滑动轴承 3 0 98 端面 密封增加功率为 1 代入公式数值得 kWP 5 74101 1 98 0 99 0 92 0 154 24 电 5 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 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 kwDnNP P 32216121063 4 2 953 2 10 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 p Q W T max k 式中 截面上最大剪应力 kgf cm2 max 轴所传递的扭矩 kgf cm Q T 抗扭截面系数 cm3 p W 降低后的扭转许用剪应力 kgf cm3 k 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 s 限 再除以安全系数来决定的 b 轴直径为 d 则 d 3 n N A 其中 3 1671620 k A 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 k 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 k 轴的 材料 k A变换系数 A3 2 0 120 20014 34 12 1 4 1 36 1 1 5 A5 3 5 200 30012 2 10 61 16 1 0 1 45300 40010 6 9 641 01 0 9 2 40Cr 调质 400 5209 64 8 830 92 0 8 4 11 1Cr13 退火 180 24012 6 11 41 19 1 0 8 2Cr13 调质 400 5009 64 8 950 92 0 8 5 1Cr18 Ni9Ti 150 25013 4 11 31 27 1 0 7 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 1 7 2 7 4 7 5 7 7 7 8 8 k 1 045 1 000 9 50 9 00 8 50 8 00 7 50 7 00 A8 2 8 4 8 7 91 0 1 0 6 1 1 1 2 k 6 50 6 00 5 50 4 90 3 60 3 00 2 70 2 10 A1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 k 1 65 1 30 1 05 8 5 7 5 6 0 5 0 4 5 取 45 号钢 300 k 7 10 30014 3 16716201671620 3 3 k A 按强度计算 d10 7 13 6cm 140mm 故取轴直径为 140mm 3 17 79 161 12 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 180 100 PO Q JG T 式中 轴扭转变形的扭转角 m 剪切弹性模术 对于碳钢及合金钢 G 8 1 105 kgf cm2 O G 截面的极惯性矩 cm4 P J 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 P J 成反比 值越大 扭转变形越小 POJ G POJ G 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 4 1 2 在一般转动和搅拌轴的计算中可选取 1 2 1 对精度要求低的转动中可选取 1 为了使用方便 以 G 8 1 105kgf cm2 为条件 根据 d B 2 1 公式 4 n N 取 B 10 见搅拌设备设计 P182 则 d 10 11 9cm 13 5cm 4 17 79 161 即小于强度计算值 故轴径依强度计算为准 取轴直径为 140mm 五 五 冷却面积计算及设计 冷却面积计算及设计 发酵罐容量大 罐体的比表面积小 夹套不能满足冷却要求 使用蛇管冷却 综 合比较列管的冷却效果好 在使用水作冷却介质时 选用列管 1 冷却面积的确定冷却面积的确定 根据部分味精厂的实测和经验数 谷氨酸放得发酵热高峰值约 13 4 18 6000kJ m3 h 则冷却面积按传热方程式计算如下 m tK Q S 式中 S 冷却面积 m2 Q 换热量 kJ h tm 平均温度差 K 总传热系数 kJ m2 h hkJQ 100 4161600018 4 6 设发酵液温度 32 冷却水进口温度 20 出口温度 27 则平均温度差 tm 为 tm 32 20 32 27 ln 32 20 32 27 8 K 值取 4 18 500kJ m2 h 240 850018 4 100 4 2 6 m tK Q S m 总 2 设备结构的工艺设计设备结构的工艺设计 1 空气分布器 本罐使用单管进风 风管直径 133 4mm 2 挡板 本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管 故不设挡板 3 消泡浆 本罐使用圆盘放射式消泡浆 4 密封方式 本罐拟采用双面机械密封方式 处理轴与罐的动静问题 5 冷却管布置 使用的是竖直蛇管冷却装置 最高负荷下的耗水量 W 12 ttc Q W P 总 式中 Q 总 每 1m3 醪液在发酵最旺盛时 1h 的发热量与醪液总体积 14 的乘积 hkJQ 100 4161600018 4 6 总 cp 冷却水的比热容 4 18kJ kg K t2 冷却水终温 t2 27 t1 冷却水初温 t1 20 将各值代入上式 skghkg W 0 38 1037 1 202718 4 100 4 5 6 冷却水体积流量为 3 8 10 2m3 s 取冷却水在竖直蛇管中的流速为 1m s 根据流体力学方程式 冷却管总截面积 S 总为 v W S 总 式中 W 冷却水体积流量 W 3 8 10 2m3 s V 冷却水流速 v 1m s 代入上式 22 2 m103 8 1 103 8 总 S 进水总管直径 m22 0 785 0 103 8 785 0 2 总 总 S d 冷却管组数和管径 设冷却管总表面积为 S 总 管径 d0 组数为 n 则 取 n 8 求管径 由上式得 m n S d 078 0 785 0 8 108 3 785 0 2 0 总 查金属材料表选取 89 4mm 无缝管 9 mmd81 内 mkgg 12 5 认为可满足要求 0 dd 内 80mm 平均 d 现取竖蛇管圈端部 U 型弯管曲径为 300mm 则两直管距离为 600mm 两端 15 弯管总长度为 0 l mmDl188460014 3 0 冷却管总长度 L 计算 由前知冷却管总面积 2 240mF 现取无缝钢管 89 4mm 每米长冷却面积为 2 0 25 0 1080 0 14 3 mF 则 m F F L960 25 0 240 0 冷却管占有体积 32 0 6960089 0 785 0mV 每组管长 L0 和管组高度 m n L L120 8 960 0 另需连接管 8m mLL96889608 实 可排竖式直蛇管的高度 设为静液面高度 下部可伸入封头 250mm 设发 酵罐内附件占有体积为 0 5m3 则 总占有体积为 3 m167 55 00 6161 附件管液总 VVVV 则筒体部分液深为 m S VV 7 7 5785 0 34 175 167 2 封总 竖式蛇管总高 m95 7 25 0 7 7 管 H 又两端弯管总长 两端弯管总高为 600mm mml1884 0 则直管部分高度 mmHh73506007950600 管 则一圈管长 mmlhl165841884735022 0 16 每组管子圈数 n0 圈83 7 5 16 120 0 0 l L n 现取管间距为 竖蛇管与罐壁的最小距离为 mD22 0 089 0 5 25 2 外 0 15m 则可计算出搅拌器的距离在允许范围内 不小于 200mm 校核布置后冷却管的实际传热面积 2 243 1968080 0 14 3 m LdF 实平均实 而前有 F 240m2 可满足要求 FF 实 6 设备材料的选择 10 选用 A3 钢制作 以降低设备费用 7 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 100 200mm 接管直径的确定 按排料管计算 该罐实装醪量 161m3 设 4h 之内排空 则物料体积流量 smQ 0112 0 43600 161 3 发酵醪流速取 v 1m s 则排料管截面积为 F 物 2 011 0 1 0112 0 m v Q F 物 2 785 0 dF 物 管径 m F d118 0 785 0 011 0 785 0 物 取无缝管 133 4mm 125 mm 118mm 认为合适 按通风管计算 压缩空气在 0 4MPa 下 支管气速为 20 25m s 现通风比 0 1 0 18vvm 为常温下 20 0 1MPa 下的情况 要折算 0 4MPa 30 状态 风量 Q1 取大值 smmQ 48 0 min 98 2818 0 161 33 1 利用气态方程式计算工作状态下的风量 Qf 8 17 smQf 12 0 22273 30273 4 0 1 0 48 0 3 取风速 v 25m s 则风管截面积 Ff 为 2 0048 0 25 12 0 m v Q F f f 2 785 0 气 dFf 则气管直径 d 气为 md078 0 785 0 0048 0 气 因通风管也是排料管 故取两者的大值 取 133 4mm 无缝管 可满足 工艺要求 排料时间复核 物料流量 Q 0 0108m3 s 流速 v 1m s 管道截面积 22 0123 0 125 0 785 0 mF 在相同的流速下 流过物料因管径较原来计算结果大 则相应流速比为 倍88 0 10123 0 0108 0 Fv Q P 排料时间 ht8 188 0 2 8 支座选择选用裙式支座 六 六 设备材料的选择 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 仪表接口 温度计 装配式热电阻温度传感器 Pt100 型 开在罐身上 压力表 弹簧管压力表 径向型 精度 2 5 型号 开在封头上 250YZ 液位计 采用标准 型号 开在罐身上 5 1368HG 61R 溶氧探头 pH 探头 型 SENDOF 2PHS 人孔和视镜 10 人孔的设置是为了安装 拆卸 清洗和检修设备内部的装置 18 本次设计只设置了 1 个人孔 标准号为 人孔 RF R G 450 0 6 HG21522 1995 公称直径 450 开在顶封头上 位于左边轴线离中心轴 750mm 处 视镜用于观察发酵罐内部的情况 本次设计只设置了 2 视镜 直径为 DN80 开在顶封头上 位于前后轴线离中心轴 750mm 处 标记为视镜 PN1 0 DN80 HGJ501 86 17 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 m2 材料 20050001260023032 7870240碳钢 由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作 对混合要求较高 因此选用六弯 叶涡轮搅拌器 主要计算结果如表 4 2 所示 表 4 2