年产5万吨味精厂生产工艺设计论文（可编辑）

1、年产5万吨味精厂生产工艺设计论文 年产5万吨味精厂生产工艺设计摘 要味精学名谷氨酸钠C5H8NO4Na谷氨酸是氨基酸的一种也是蛋白质的最后分解产物我们每天吃的食盐用水冲淡400 倍已感觉不出咸味普通蔗糖用水冲淡200 倍也感觉不出甜味了但谷氨酸钠用于水稀释3000倍仍能感觉到鲜味因而得名味精味精是采用微生物发酵的方法由粮食制成的现代调味品本设计的工艺流程为发酵预处理种子培养原料预处理制无菌空气发酵等电点提取中和制味精浓缩结晶精制分装该处理工艺具有结构紧凑简洁运行控制灵活等特点为味精生产的理想途径具有良好的经济效益环境效益和社会图2-1 味精厂生产工艺2 图2-2 谷氨酸发酵的工艺流程323主要

2、处理构筑物设计及选型主要设备见表2-2表2-2 主要设备一览表3工艺流程计算com发酵的物料衡算主要技术指标4指标名称 单位指标数 指标名称 单位指标数生产规模 ta50000 发酵初糖Kg 150生产方法中糖发酵等电点-离子交换提取淀粉糖化转化率 108年生产天数产品日产量 da ta 300 167 流加高浓糖 糖酸转化率Kg 500 60产品质量 纯度99麸酸谷氨酸含量 95倒罐率 02谷氨酸提取率 95发酵周期 h 40味精对谷氨酸产率 122主要原材料质量指标淀粉原料的含量为80含水14二级种子培养基gL水解糖50糖蜜20磷酸二氢钾10硫酸镁06玉米浆510泡敌06生物素002mg硫

3、酸锰2mgL硫酸亚铁2mgL发酵初始培养基gL水解糖150糖蜜4硫酸镁06氯化钾08磷酸02生物素2泡敌10接种量为8谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100的味精需耗用的原材料以及其他物料量发酵液量设发酵液初糖和流加高浓糖最终发酵液总糖浓度为220kg则发酵液量为式中 220发酵培养基终糖浓度kg 60糖酸转化率 95谷氨酸转化率 998除去倒罐率02后的发酵成功率 122味精对谷氨酸的精制产率发酵液配制需水解糖量以纯糖计算 二级种液量二级种子培养液所需水解糖量式中 50二级种液含糖量kg生产1000kg味精需水解糖总量耗用淀粉原料量理论上100kg淀粉转化生成葡萄糖量为

4、111kg故耗用淀粉量为式中 80淀粉原料含纯淀粉量 108淀粉糖化转化率液氨耗用量 发酵过程用液氨调pH和补充氮源耗用260280kg160170kg420450kg甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量为发酵培养基耗糖蜜量为合计耗糖蜜3668kg氯化钾耗量磷酸二氢钾耗量硫酸镁用量消泡剂泡敌耗用量玉米浆耗用量8gL生物素耗用量硫酸锰耗用量硫酸亚铁耗用量磷酸耗用量谷氨酸麸酸量发酵液谷氨酸含量为实际生产的谷氨酸提取率95为50000ta味精厂发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t味精100的物料量50000ta味精生产的物料量每日物料量发酵液量二级种液量发酵水解用糖量kg二级种培养用糖量kg水解糖总量k

5、g淀粉用量kg液氨用量kg糖蜜用量kg氯化钾用量kg磷酸二氢钾用量kg硫酸镁用量kg泡敌用量kg玉米浆用量kg生物素用量g硫酸锰用量g硫酸亚铁用量g磷酸用量kg谷氨酸用量kg655052414412621467215299420366852405244246554190023610481048131819832752627205131733676495211834262262212327520951180524524655409910938587512406543754245022554970146125568750887517080810938569973394175021750221877

6、13691com发酵的热量衡算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的热平衡方程表示如下 式中 Q入输入的热量总和kJQ出输出的热量总和kJQ损损失的热量总和kJ通常 Q入 Q1Q2Q3Q出 Q4Q5Q6Q7 Q损 Q8式中 Q1物料带入的热量kJ Q2由加热剂或冷却剂传给设备和所处理的物料的热量kJ Q3过程的热效应包括生物反应热搅拌热等kJ Q4物料带出的热量kJ Q5加热设备需要的热量kJ Q6加热物料需要的热量kJ Q7气体或蒸汽带出的热量kJ把4-54-7式代入4-4式得 Q1Q2Q3 Q4Q5Q6Q7Q8值得注意的是对具体的单元设备上述的Q1Q8各项热量不一定都存在故进行热量衡算时必须

7、根据具体情况进行具体分析连续灭菌和发酵工序热量衡算计算指标见表31表31 计算指标项目指标淀粉糖化转化率985发酵产酸率浓度11发酵对糖转化率60培养菌种耗糖为发酵耗糖的15谷氨酸提取收率95精制收率122商品淀粉中淀粉含量80发酵周期含辅助时间40h全年工作日300d 培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐体积为m3m3发酵罐装料系数0每罐产100MSG量 ×080×11×95×122×1272 2594td年产商品味精万吨日产100MSG吨发酵操作时间4h其中发酵时间32 h需发酵罐台数取11台由于装罐率所以每罐初始体积m3糖浓度gdl灭菌前培养基含

8、糖其数量每日投放料罐次取罐次灭菌加热过程中用04mPa表压I 2743 KJkg使用板式换热器将物料由20°C预热至75°C再加热至120°C冷却水由20°C升到45°C消毒灭菌用蒸汽量D D kgh th式中397为糖液的比热容 KJkg·°C每天用蒸汽量 ×3×3 288 td 高峰用蒸汽量×7 128 th平均用蒸汽量24 12th 发酵罐空罐灭菌蒸汽量 发酵罐体加热m31Cr18Ni9的发酵罐体重t冷却排管重t1Cr18Ni9的比热容05 KJkg·°C8用0mPa表

9、压蒸汽灭菌使发酵罐在015 mPa表压下由20°C升至127°C其蒸汽量为 填充发酵罐空间的蒸汽量因 m3发酵罐的全容积大于 m3考虑到罐内之排管搅拌器等所占之空间罐之自由空间仍按 m3计算填充空间需蒸汽量D空 V ×139 278 kg式中 V发酵罐全容积m3 加热蒸汽的密度kg m30mPa表压时为1 灭菌过程的热功当量损失辐射与对流联合给热系数罐外壁温度70°C 339019×7020 434kgm3·h·°C 00m3发酵罐的表面积为耗用蒸汽量 D损 罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗 式中 0001附壁水平均厚

10、度 1000水密度 kgm3 灭菌过程蒸汽渗漏取总汽消耗量的5空罐灭菌蒸汽消耗量每空罐灭菌15 h用蒸汽量 ×15 22674 kg罐 每日用蒸汽量 68022kgd平均用蒸汽量 2834kgh高峰用蒸汽量4 90696kgh 09th 液化工序热量衡算1液化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量可按下式计算D G×C×T2-T1÷h-i式中G-淀粉浆量kgh G-淀粉浆比热容kJkgK T2-浆料初温20273 293K T1-液化温度90273 363K h-加热蒸汽焓2738kJkg03Mpa表压 i-加热蒸汽凝结水焓在363K时为377kJkg淀粉浆量G根据物

11、料衡算日投工业淀粉25549t连续液化2554924 106th加水量为125分浆量为10600×35 37100kgh粉浆比热C可按下式计算C C0C水式中C0-淀粉质比热容取155kJkgK C水-水的比热容418 kJkgK C 155418 353蒸汽用量 D kgh 41thkgh 06th要求在20min内使液化液由90升至100则蒸汽高峰值为06×4 24th以上两项合计平均量4106 47th每日用量47×24 1128td 谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算年产万吨商品味精日产100MSGt选用25m3强制内循环结晶罐浓缩结晶操作周期24h其中辅

12、助时间4h每罐产100MSG t需结晶罐台台每罐投入40gdl的中和脱色液俗称原液23m3流加30gdl母液32m3过程中加水6m3在70下真空蒸发结晶浓缩3h育晶17h放料数量20m3热量衡算来料带入热量进料温度35比热为35kJkgoKQ来料 23×11632×113×35×35×103 77×106kJ加水带入热量 Q来水 6×418×35×103 88×105kJ晶种带入热量MSG比热容167kJkgoK Q来晶 1600×167×20 53×104kJ结晶

13、放热MSG结晶热为127kJmol Q晶热 57×105kJ母液带走热量分离母液12m3折算为相对密度126时15t比热容为283kJkgoKQ 15×103×283×70 30×106KJ随二次蒸汽带走热量Q二蒸 23326-20×2626×106 1077×108kJ随结晶MSG带走热量 Q出晶 10×103×167×70 117×106kJ需外界供给热量 Q Q母Q二蒸Q出晶-Q来料Q来水Q来晶Q晶热 30×1061077×108117×1

14、06-77×10688×10553×10457×105 95×107kJ2计算蒸汽用量每罐次用汽量热损按5折算D 45830kg罐每罐浓缩结晶时间20h每小时耗蒸汽高峰量4583020 2292kgh台罐实际是台同时运转高峰用蒸汽量 ×2292 148898kgh每日用蒸汽量×45830 297895kgd td每小时平均用蒸汽量24 124th 干燥过程的热量衡算分离后之湿MSG含水2干燥后达到02进加热之空气为18相对湿度 70通过加热器使空气升至80从干燥器出来的空气为60年产万吨商品味精日产湿味精304t二班生产即3

15、0416 19th干燥水分量34kgh18空气湿含量 70X0 0009kgkg干空气I0 418kJkg干空气加热80I1 1045kJkg干空气用公式 I2-I1X2-X1 Q物料Q损失-Q初温式中-空气经过干燥后的热量变化kJkgQ损失-损失热量通常为有效热量的10Q物料 19×103×60-18×04×41834 3924kJkg水Q损失 01×595×418047×60×4183924-18×418 645kJkg水 18×418-3924-645 -4494kJkg水设X2 0010

16、8 I2 I1X2-X1 1045-449400108-0009 964kJkg空气空气耗量为 3400108-0009 18888kgh80时空气的比容083m3kg实际消耗空气量为 18888×083 15677m3h耗用蒸汽量D使用01Mpa表压蒸汽加热热损失按15计D 618kgh每日用蒸汽量618×16 9888kgd平均每小时用蒸汽量988824 412kgh生产过程耗用蒸汽衡算汇总衡算结果每日用蒸汽量为td每小时平均量为141th高峰量为192th100MSG单耗蒸汽量2594 172tt 培养液冷却用水量由120°C热料通过与生料热交换降至80&#

17、176;C再用水冷却至35°C冷却水由20°C升至45°C计算冷却水量W W 68896kgh 69th全天用水量 69×3×4 828td发酵过程产生的热量及冷却用水量发酵过程的热量计算有下列几种方法通过计算生化反应来计算发酵热Q总 Q总 生物合成热搅拌热-汽化热生物合成热可通过下列方程计算C6H12O66O26CO26H2O2813KJC6H12O6NH315O2C5H9O4NCO215H2O890KJ搅拌器 860×418×PP搅拌功率KW汽化热 空气流量m3h×I出I进式中I出I进进出之空气热焓KJKg赶空

18、气空气密度 通过燃烧热进行计算Q总 有关物料的燃烧热葡萄糖15633KJKg 谷氨酸15424KJKg玉米浆12289KJKg 菌 体20900KJKg 以发酵612小时耗糖速率最快为放热高峰通过冷却水带走的热量进行计算在最热季节发酵放热高峰期测定冷却水量及进出口温度然后即可算出最大发热量Q最大 KJm3·hQ最大 通过发酵液温度升高进行计算关闭冷却水观察罐内发酵液温度升高用下式计算Q最大 Q最大 KJm3·h式中 G发酵液重量kg C发酵液比热容KJkg·°C t1h内发酵液温度升高数°C G1设备筒体的重量kg C1设备筒体的比热容KJm3

19、·h V发酵液体积m3以上四种方法以3比较简单用根据部分味精厂的实测和经验数谷氨酸的发酵热高峰值约30×104 KJm3·h m3发酵罐装料量 m3使用新鲜水冷却水进口温度10°C出口温度20°C冷却水用量WW kgh th日运转台高峰用水量7 8036th日用水量平均用水量 64288 th式中 08各罐发热状况均衡系数m3h单罐年用气量 m3a种子培养等其他无菌空气耗量 有经验去耗气量为发酵过程的20故 m3h单罐年用气量 m3a高峰无菌空气耗量m3h车间无菌空气年耗量 m3a单耗m3h年产30000吨味精无菌空气衡算表发酵罐公称容积m3单

20、罐通气量m3h种子罐耗气量m3h高峰空气耗量m3h年空气耗量m3h空气单耗m3h20046589315521649211com计与选型发酵罐 一发酵罐类型选用机械涡轮搅拌通风发酵罐二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51020506075100120150200250500m3等等一般说来单罐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200 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐三生产能力的计算现每天产99纯度的味精167吨谷氨酸生产周期为40h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

21、的味精167吨每吨100的味精需发酵糖液655m3V发酵 655×167×99 10829m3发酵罐填充系数为 80则每天需要发酵罐的总容积为V0生产周期为40h V0 V发酵 1082911508 13536m3 四发酵罐个数的确定以公称容积为200 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NN V发酵V总24 10829×40200×08×24 112个则需要取公称容积为200 m3的发酵罐12个现以单灌公称容量为200 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例每天需要200m3N0个N0 13536÷200 68约为7

22、个实际产量为富裕量512977 -5000050000 26满足产量要求五主要尺寸的计算取高径比 HD 215则有H 2D解方程得 取D 5mH 2D 10m封头高封头容积 V封 164m3圆柱部分容积V筒 197m3验算全容积V全V全 V全符合设计要求可行六冷却面积的计算 对谷氨酸发酵每1m3发酵液每1h传给冷却器的最大热量约为418×6000kJm3·h采用竖式蛇管换热器取经验值K 418×500 kJm3·h·平均温差tm 32 3220 2712 5代入 对公称容量200 m3的发酵罐每天装5罐每罐实际装液量为换热面积 七搅拌器计算 选

23、用六弯叶涡轮搅拌器 该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系搅拌器叶径取Di 17m叶宽 弧长底距盘踞 叶弦长叶距 弯叶板厚 12mm取两挡搅拌搅拌转速N2可根据50m3罐搅拌直径105m转速N1 110rmin以等P0V为基准6放大求得八搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪可视为牛顿流体计算Rem6 式中 D搅拌器直径D 17m N搅拌器转速 醪液密度 1050 kgm3 醪液粘度 13×10-3N·sm2 将数代入上式视为湍流则搅拌功率准数Np 47计算不通气时的搅拌轴功率P0式中 Np在湍流搅拌状态时其值为常数47 N搅拌转速N 80rmin 133rs D搅

24、拌器直径D 17m 醪液密度 1050kgm3 代入上式两挡搅拌计算通风时的轴功率Pg 式中 P0不通风时搅拌轴功率kWN轴转速N 80rmin D搅拌器直径cmD3 173×106 49×106 Q通风量mlmin设通风比VVm 011018取低限如通风量变大Pg会小为安全现取011则Q 155×011×106 17×107mlmin代入上式求电机功率P电采用三角带传动1 092滚动轴承2 099滑动轴承3 098端面密封增加功率为1代入公式数值得九设备结构的工艺计算 空气分布器本罐采用单管进风风管直径133×4mm 挡板本罐因有扶

25、梯和竖式冷却蛇管故不设挡板 密封方式本罐采用双面机械密封方式处理轴与罐的动静问题冷却管布置采用竖式蛇管7 最高负荷下的耗水量W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的乘积 cp冷却水的比热容418kJkg·K t2冷却水终温t2 27 t1冷却水初温t1 20 将各值代入上式冷却水体积流量为369×10-2m3s取冷却水在竖直蛇管中的流速为1ms根据流体力学方程式冷却管总截面积S总为式中 W冷却水体积流量W 369×10-2m3s V冷却水流速v 1ms代入上式进水总管直径 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

26、径由上式得查金属材料表选取89×4mm无缝管8 认为可满足要求现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm则两直管距离为600mm两端弯管总长度为冷却管总长度L计算由前知冷却管总面积现取无缝钢管89×4mm每米长冷却面积为则冷却管占有体积每组管长L0和管组高度另需连接管8m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05m3则总占有体积为则筒体部分液深为竖式蛇管总高 又两端弯管总长两端弯管总高为600mm则直管部分高度则一圈管长每组管子圈数n0现取管间距为竖蛇管与罐壁的最小距离为015m则可计算出搅拌器的距离在允许范围内不小于200mm校核

27、布置后冷却管的实际传热面积而前有F 2325m2可满足要求十设备材料的选择10选用A3钢制作以降低设备费用十一罐壁厚的计算计算法确定发酵罐的壁厚S cm式中 P设计压力取最高工作压力的105倍现取P 04MPa D发酵罐内经D 500cm A3钢的应用应力 127MPa 焊接缝隙 07 C壁厚附加量cm式中 C1钢板负偏差现取C1 08mm C2为腐蚀余量现取C2 2mm C3加工减薄量现取C3 0选用14mm厚A3钢板制作封头壁厚计算标准椭圆封头的厚度计算公式5如下 cm式中 P 04MPa D 500cm 127MPaC 0080201 038cm 0710接管设计接管的长度h设计各接管的

28、长度h根据直径大小和有无保温层一般取100200mm接管直径的确定按排料管计算该罐实装醪量155m3设4h之内排空则物料体积流量发酵醪流速取v 1ms则排料管截面积为F物管径取无缝管133×4mm125mm118mm认为合适按通风管计算压缩空气在04MPa下支管气速为2025ms现通风比01018vvm为常温下2001MPa下的情况要折算04MPa30 状态风量Q1取大值利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf8取风速v 25ms则风管截面积Ff为则气管直径d气为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 00108m3s流速v

29、 1ms管道截面积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排料时间种子罐 发酵所需的种子从试管斜面出发经活化培养摇瓶培养扩大至一级乃至二级种子罐培养最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子种子罐冷却方式采用夹套冷却 一二级种子罐容积和数量的确定 二级种子罐容积的确定接种量为10计算则种子罐容积V种2为式中 V总发酵罐总容积m3 二级种子罐个数的确定种子罐与发酵罐对应上料发酵罐平均每天上5罐需二级种子罐6个种子罐培养8h辅助操作时间810h生产周期1618h因此二级种子罐6个已足够其中一个备用主要尺寸的确定 种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐HD 21则种子罐总容积量V总

30、为简化方程如下整理后解方程得D 23m则H 2D 2×23 46m查得封头高H封 罐体总高H罐单个封头容量V封 4125m3封头表面积 S封 223m2圆筒容量 不计上封头容积 校核种子罐总容积V总比需要的种子罐容积23m3大 可满足设计要求冷却面积的计算 采用夹套冷却 发酵产生的总热量 夹套传热系数现取K 418×220kJm2·h·9 平均温差发酵温度32水初温2023取23水终温27则平均温差 需冷却面积F 核算夹套冷却面积按静止液深确定夹套高度 静止液体浸没筒体高度 液深 夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒

31、之和夹套高度应不高于动态时的液面高度因高于液面的传热面积并没有起多少冷却作用综上传热需要的面积F 121m2S夹 136 m2S夹F可满足工艺要求设备材料的选择10采用A3钢制作壁厚计算 夹套内罐的壁厚式中 D设备的公称直径140cm m外压容器的稳定系数与设备的起始椭圆度有关在我国m 3 P设计压力与水压有关P 04MPa E金属材料的弹性模量9对A3钢E 2×105MPa C壁厚附加量C C1C2C3 008010 018 L筒体长度L 110cm将数值代入公式取9mm 封头的厚度封查发酵工厂工艺设计概论P317表16 碳钢椭圆封头最大需用内部压力i 对于上封头取封 6mmii

32、对于下封头取封 8mm 冷却外套壁厚查发酵工厂工艺设计概论P314表13 碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚确定套 5mm 外套封头壁厚查发酵工厂工艺设计概论P316表15 椭圆形封头JBH5473确定套封 6mm设备结构的工艺设计 挡板根据全挡板条件式中B挡板宽度B01-012D 01×1400 140mm D罐径D1400mm Z挡板数取Z6块 搅拌器采用六弯叶涡轮搅拌器直径Di03035D现取叶片宽度弧长盘径叶弦长搅拌器间距底距搅拌器转速N2根据50L罐470rmin使用P0V为基准放大650L罐N1470rmin搅拌器直径Di 112mm两挡搅拌 搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度

33、细菌醪可视为牛顿流体i 计算Rem式中 D搅拌器直径D 049m N搅拌器转速 醪液密度 1050 kgm3 醪液粘度 13×10-3N·sm2 将数代入上式视为湍流则搅拌功率准数Np 47ii 计算不通气时的搅拌轴功率P0式中 Np在湍流搅拌状态时其值为常数47 N搅拌转速N 176rmin 293rs D搅拌器直径D 049m 醪液密度 1050kgm3 代入上式两挡搅拌iii 计算通风时的轴功率Pg式中 P0不通风时搅拌轴功率kW N轴转速N 176rmin D搅拌器直径cmD3 0493×106 112×105 Q通风量mlmin设通风比VVm

34、011018取低限如通风量变大Pg会小为安全现取011则Q 31×011×106 341×105mlmin代入上式iv 求电机功率P电采用三角带传动1 092滚动轴承2 099滑动轴承3 098端面密封增加功率为1代入公式数值得 进风管该管距罐底2560mm之间现取30mm向下单管通风管管径计算设罐压04MPa发酵温度t 32风速v 20ms通风量为018VVm常压下t0 20送风量V为将通风换算成工作状态求通风管直径d1圆整查发酵工厂工艺设计概论P313表12无缝钢管YB231-70管径采用25×3mm 内径25-2×3 19 mm大于12 mm可满足生产要求 进出物料管该管为物料进口管底距罐底2560mm之间现取30mm向下单管按输送物料算20min送完31m3物料则物料流量为管道截面为F物料流速为v 051ms现取v 05ms则设管径为圆整查发酵工厂工艺设计概论P313表12无缝钢管YB231-70管径采用108×4mm 内径108-2×4 100 mm大于80 mm可满足生产要求 冷却水管由前知需冷却热量冷却水温变化23 27水比热容则耗水量W为取水流速v 4ms则冷却管直径为支座选型 选用支撑