酒精发酵罐的设计

1、生物工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 2011 年 10 月 31 日目 录一 设计方案的确定.11.1设计条件.11.2发酵工艺.21.3发酵罐尺寸及整体设计.3 1.3.1发酵罐尺寸确定.3 1.3.2发酵罐整体设计.3 1.3.2.1 加热、冷却系统的设计.31.3.2.2 pH调节系统的设计.3二 计算.42.1发酵罐尺寸计算.4 2.1.1发酵罐直径和高度.4 2.1.2发酵罐表面积.4 2.1.3罐体壁厚.42.2传热量的计算.42.2.1发酵液量的确定.42.2.2总的发酵热.42.2.3冷却水耗量W的计算.52.2.4对数平均温度差

2、Tm的计算.52.2.5传热总系数K的确定.62.2.6冷却面积的主要尺寸的确定.6三 设备选型.73.1换热器的选择.73.2人孔的选择.73.3支座的选择.73.4接口管的选择.73.5仪表接口的选择.7四 附录及图纸.8附录1.8附录2.8五 总结.9六 参考文献及资料.10一 设计方案的确定酒精是一种无色透明易挥发，易燃烧，不导电的液体。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇，分子式C2H6O。现在的酒精主要还是通过发酵发开制备的。酒精制备的原料主要有淀粉质和纤维质为主，通过各种酶的作用而产生酒精的，酒精生产也带来了很多副产品，比如说杂醇油、甲醇、二氧化碳等。1.1设计条件本次课

3、程设计条件是用10m3发酵罐，发酵生产酒精。表1发酵条件的确定项目条件备注发酵罐类型嫌气发酵罐由参考文献1确定发酵菌种酵母菌由参考文献3确定发酵罐体积10m3由老师所给的条件确定温度30由参考文献3确定pH4.0由参考文献3确定压力Pa由参考文献3确定发酵液密度1076kgm由参考文献3确定冷却方式沉浸式冷却蛇管由参考文献1确定1.2 发酵工艺3用甘蔗糖蜜经过硫酸处理让淀粉分子从原料细胞中游离出来以后，再通过稀释、调配、灭菌等操作，然后通过酒母发酵产生酒精。其工艺流程图为 甘蔗糖蜜 稀释（50%60%糖液） 酸化硫酸 pH 4.0营养盐调配 灭菌蒸汽或药物澄清 稀糖液（22%25%糖液）发酵酒

4、母 发酵温度30、 pH 4.0蒸馏 酒精(94.5%)图1以甘蔗糖蜜为原料的酒精生产工艺流程图1.3 发酵罐的尺寸及整体设计1.3.1 发酵罐尺寸的确定酒精发酵罐多为圆柱形、底部和顶部均为蝶形或锥形的立式金属容器带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：V=2(H+) D罐的直径 H圆柱部分高度 h1罐底高度 h2罐盖高度发酵罐罐体高度，底、盖高度和罐直径的关系如下：H=1.11.5D h1=0.10.4D h2=0.050.1D由以上关系确定发酵罐尺寸1.3.2 发酵罐的整体设计酵母菌在无氧条件下培养，主要进行发酵作用，可使糖分转变为酒精和CO2。酵母菌在有氧条件下进行酒精发酵时，由于进行了呼

5、吸作用，酒精产量大大降低，糖的消耗速度在单位时间内也减慢。所以在发酵过程中不需要设计通风系统；由于不需要通风系统，且采用沉浸式蛇管冷却，所以本设计不需要搅拌系统。1.3.2.1 加热、冷却系统的设计1 由于发酵罐的体积比较大，罐顶喷水淋于管外壁表面进行冷却不能满足要求所以采取罐内蛇管冷却，为沉浸式蛇管换热器。所以采用的冷却系统为沉浸式蛇管换热器1.3.2.2 pH调节系统的设计1在本设计中，主要加入氨水来调节pH值。这样既可以调节pH，又可以提供氮源。 二 计算2.1发酵罐尺寸计算2.1.1发酵罐直径和高度由发酵罐尺寸确定中计算直径和高度选取结构尺寸比例：H=1.4D，h1= h2=0.1D由

6、全容积公式得：D=2.05m H=2.87m h1= h2=0.205m2.1.2发酵罐表面积S(圆柱体表面积S1和罐底、罐顶表面积S2、S3)S1=DH=3.142.052.87=18.47 m2S2=S3= =3.36m2所以表面积S为：S= S1+ S2+ S3=25.19m22.1.3罐体壁厚(mm)= ，取6mmD罐体直径(mm) p耐受压强 (取0.4MPa)焊缝系数，双面焊取0.8设计温度下的许用应力(kgf/c)(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa)C腐蚀裕度，当C10mm时，C3mm2.2 传热量的计算42.2.1 发酵液量Vq的确定 发酵罐全容积与发酵液

7、量的关系为：V=式中V为全容积，Vq为发酵液量，为装液系数(一般取0.850.90)取装液系数为0.85 则发酵液量Vq=V=100.85=8.5m2.2.2 总的发酵热Q Q1生物合成热 Q2蒸发热损失Q3罐向周围散失的热损失 Q1mSq m每罐发酵醪量(kg)S糖度降低百分值(%) q每kg糖发酵放出的热量(J)查得发酵液密度=1076kgm，每kg糖发酵放出的热量为 JQ1=10768.51%3.83107JQ2=5%Q1=5%3.83107=0.19107 JQ3=Sc(TWTB) 假定罐壁不包扎保护层，壁温最高可达35，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32。 =8

8、Q3=25.198310=0.06107 J所以总的发酵热=107 =3.58107J/h2.2.3 冷却水耗量W的计算QA酒精的总发酵热(Jh)QB冷却水带走的热量(Jh)W冷却水耗量(kgh)Cp在平均水温t=时水的比热容(Jkg)t1、t2冷却水进、出口温度()QA=QB=Q则 W=1221 kg/h2.2.4 对数平均温度差Tm的计算主发酵期控制发酵液温度Tr为30，冷却水进出口温度分别为=20 =27。 =5.82.2.5 传热总系数K的确定选取蛇管为水、煤气钢管其规格为53/60(mm),则管的横截面积为：0.785(0.053)2=0.0022(m2)设罐内同心装两列蛇管，并同时

9、进入冷却水，则水在管内流速为:=1221/(236000.00221000)=0.077m/s设蛇管圈的直径为1.5m,并由水温查表得A=6.45 其中=1000 D=0.053m R=0.75m 则=7669值按生产经验数据取2700故传热总系数K为：K=1425 188管壁的导热系数，1/16750管壁水污垢的热阻，0.0265管子壁厚，m2.2.6 冷却面积的主要尺寸的确定所求冷却面积F：=4.33m2两蛇管总长度L： =26.01 m式中蛇管的平均直径，m每圈蛇管长度= 式中蛇管圈直径，m 蛇管圈之间的间距，取为0.15米=4.7m两列蛇管总圈数N=L/=26.01/4.7=6两列蛇管

10、的总高度H=m三 设备选型23.1换热器的选择选择YSC系列沉浸式蛇管换热器，冷却温度范围：540；液下沉深度：3501000mm。3.2人孔的选择本次设计设置1个人孔，标准号为：人孔RF(RG)450-0.6 HG21522-1995，公称直径450mm在罐顶上，位于右边轴线离中心轴750mm处。3.3支座的选择本次设计采用A型支承式支座，标准号为：JB/T 4724，支座A3，材料为：Q235-A F/Q235-AF。3.4接口管的选择设发酵醪液流速为，1h 排尽。发酵罐装料液体积：V1 =8.5物料体积流量Q=0.00236m3/s则排料管截面积，F=0.00236m2又得d=0.054

11、m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径50，。其他管道也是如此计算。则管道接口为：进料口：平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐顶，排料口：平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐底；排气口：平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐顶；冷却水进口：平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐身；冷却水出口：平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐身；取样口：平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐身。3.5仪表接口的选择温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm，开在罐身；压力表：弹簧管压力表（径向型），d1=20

12、mm，精度2.5，型号：开在罐顶。四附录2 传热量的计算结果总汇附录及图纸5附录1生产能力的计算结果总汇项目结果单位每天生产(d)13t每周生产(D)78t每天需要纯水的量9.8t每天需要苹果醋的量1.6t每天需要浓缩酵母菌培养液的量每天需要醋酸菌培养液的量1.71.9tt项目结果单位水的比热容（C1）物料的比热容（C2）4.183.583kJkg.kkJkg.k物料流量(Q)1091kgh加热蒸汽的焓(I)2738KJKg冷却水的进口温度（T1）20冷却水的出口温度(T2)50酒精发酵前灭菌用量 (W1)63.4kgh酒精发酵前冷却水用量 (M1)1246.9kg/h 热损失(W0)191.

13、3kg/h装罐前灭菌用的蒸汽量 (W2) 269.6kg/h装罐后冷却水的用量 (M2)4763kg/h发酵罐尺寸及水电用量结果汇附录总附录3发酵罐尺寸及水电估算汇总项目结果单位发酵罐容量(V0)10m3混合密度按水密度计算1000kg/m3装罐系数80%泵的扬程（实际）16.28m水的总体估算量11762.4t电的总体估算量15317kw五 总结通过这次发酵课程设计，让我们对酒精的发酵有了一定的了解。在设计的过程中，也是对发酵工程进一步的理解和掌握。由于酒精发酵过程不需要补充氧气，本次设计选择的是嫌气发酵罐。该发酵罐不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、操作时，都比好气性发酵设备简单的多。我们还设计了1个人孔。人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。发酵罐的冷却装置是沉浸式蛇管换热器，两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进行换热，其优点是结构简单，制造方便，能承受高压，缺点是容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小，传热效果可通过增设搅拌提高，此外传热面积有限，主要用于传热量不大的容器中。在本次设计中需要用到CAD制图，由于我们没有开设过相关的课程，而且严格的CAD制图是存在一个国家标准的，所以在绘制发酵罐的比例图中，所作的图也