200立方米谷氨酸发酵罐设计

1、生物工程设备课程设计200m谷氨酸发酵罐设计院系：生物与化学工程学院 专业：生物工程 班级: 学号: 姓名: 指导老师: 日期：2012年5月11日生物反应工程与设备课程设计任务书一机械搅拌生物反应器设计一、课程教学目标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，要求学生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，对培养学生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。在本课程设计中，通过生化过程中应用最为广泛的设备， 如机 械搅拌发酵罐、气开式发酵罐、动植物细胞培养反应器，蒸发结晶设备、蒸储设 备等的设计实践，对学生进

2、行一次生化过程发酵设备设计的基本训练， 使学生初 步掌握发酵设备设计的基本步骤和主要方法，树立正确的设计思想和实事求是， 严肃负责的工作作风，为今后从事实际设计工作打下基础。二、课程设计题目设计200m谷氨酸机械搅拌通风反应器三、课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。3、动力消耗、设备结构的工艺设计。四、课程设计的要求课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体 相同，主要基本内容及要求如下： 1、工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算， 热量衡算，主体设备工艺尺寸

3、 计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括：(1)工艺设计设备结构及主要尺寸的确定(D, H, H, V, VL, Di等)通风量的计算搅拌功率计算及电机选择传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）搅拌器及搅拌轴的设计局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）冷却装置的设计（包括冷却面积、列管规格、总长及布置等）2、设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计 算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。3、绘制设备图一张设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。目录第1章概述 11.1 发

4、酵罐设计前景 11.2 微生物生物反应器的研究与应用概述 11.3 微生物反应器的研究和应用进展 2第2章设计依据32.1、 本次设计内容 32.2、 基本参数 32.2.1 发酵罐的型式 32.2.2 发酵罐的用途 32.2.3 冷却水及冷却装置 42.2.4 设计压力 4第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸 53.1 .通用发酵罐的系列尺寸 53.2 发酵罐主要设计条件 6第4章谷氨酸生产工艺流程简介74.1 谷氨酸发酵工艺技术参数 74.2 谷氨酸生产原料及处理 74.3 谷氨酸生产工艺流程图 10第5章发酵罐选型及工艺计算 115.1 发酵罐的设计与选型 115.1.1 发酵罐的选型 11

5、5.1.2 生产容积的确定 115.2 主要尺寸的计算 115.3 冷却面积的确定 125.4 搅拌器设计 135.5 、搅拌轴功率的确定 151.1.1 计算 R& 151.1.2 不通气条件下的轴功率计算 161.1.3 通气发酵轴功率计算 161.1.4 求电机功率 P电 175.6 设备结构的工艺设计 175.7 竖直蛇管冷却装置设计 185.8 备材料的选择 215.9 发酵罐壁厚的计算 215.10 接管设计 23第6章设计结果与讨论 256.1 发酵罐参数设计汇总 256.2 辅助设备有关参数 266.3 搅拌器有关参数276.4 主要符号说明27第7章发酵罐设计心得体会

6、29参考文献 30设计图 31第1章概述1.1 发酵罐设计前景生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是 21世纪生物工程发展的重要 前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与 其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展， 特别是功能基因的高效表达技术与 方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。生物反应器(bioreactor )是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功 能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。 从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。微生物反 应器和酶反应器。微生物反应器是生产中

7、最基本也是最主要的设备，具作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧 量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较 高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻， 培养周期长，杂菌污染的危害性大，因 此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。转基因动植物生物反应 器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重

8、要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代 谢产物等工程产品。1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用；在反应器结构特征上，目前已发展了釜/罐式、管式、塔式、膜式等类型；在能量的输入方式上，目前已 发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用 泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘

9、等多种型式的生 物反应器；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流 型生物反应器和活塞流型生物反应器。微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段：实验室阶段一一微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或 13L反应器中进行；中试阶段 生一5500L规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；工厂化规模生 产生一实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的 细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、 传 质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生

10、化 过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。 反应器类型的多 样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。 例如，近年来，膜生物反应器在污水处 理中的研究和应用不断发展。1.3 微生物反应器的研究和应用进展膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进 展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等 技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合 理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和

11、溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀 法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提 高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的快速进 步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（ Geobacter sulfurreducens ）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC技术的发展和应用。第2章设计依据2.1 本次设计内容设计200m谷氨酸机械搅拌通风反应器2.2 基本参数2.2.1 发酵罐的型式机械搅拌通风发酵罐高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅

12、拌器,Di：di：L:B=20:15:5:4搅拌器直径：D=D/3搅拌器间距：S= (0.95-1.05 ) D最下一组搅拌器与罐底的距离：C= (0.8-1.0 ) D挡板宽度：B=0.1D,当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2.2.2 发酵罐的用途用于谷氨酸生产的发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐0.50-0.65发酵罐0.65-0.8发酵液物性参数：密度1080kg/m3粘度 2.0 X 10-3N.s/m2导热系数0.621W/m.C 比热 4.174kJ/kg. C高峰期发酵热3-3.5 X104kj/h.m3溶氧系数：种子罐 5-7 x 10-6molQ/ml.min

13、.atm发酵罐 6-9 x 10-6molQ/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐0.4-0.6vvm发酵罐 0.2-0.4vvm2.2.3 冷却水及冷却装置冷却水：地下水18-20 C冷却水出口温度：23-26 C发酵温度：32-33 C冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。2.2.4 设计压力罐内 0.4MPa；夹套 0.25 MPa发酵罐主要由罐体和冷却列管，以及搅拌装置，传动装置，轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对 200M通风发酵罐的几何尺寸进行计 算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的 壁厚；根据发酵微生物产生的发酵

14、热、 发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装 置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人 孔等一些附件的确定，完成整个装备图，完成这次设计。第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸3.1 通用发酵罐的系列尺寸表1发酵罐系列尺寸150L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm1000mm150mm1300mm21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm30.112m1.14m35.0

15、m31500mm3000mm400mm3800mm30.487m5.3m310m1800mm3600mm475mm4550mm0.826m39.15m320m2300mm4600mm615mm5830mm1.76m319.1m350m3100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m33100m4000mm8000mm1040mm10080mm39.02m3100m200ni5000mm10000mm1300mm12600mm16.4m3197m3表2发酵罐相关参数的容积全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却力式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW

16、25mm夹套112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夹套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夹套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夹套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夹套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夹套9.98m310.8m3630mm145r/min13kW65mm夹套320.86m22.6m3770mm125r/min23kW80mm列管51ml55.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m118m1350mm列管213m

17、230m1700mm列管3.2发酵罐主要设计条件表3设计参数项目及代号发酵产品谷氨酸工作压力0.4MPa由任务书确定设计压力0.4MPa由任务书确定发酵温度33 c根据任务书选取（工作温度）设计温度150C由工艺条件确定冷却方式列管冷却由工艺条件确定发酵液密度_3:=1080Kg/m由工艺条件确定发酵液黏度- 2.0 10，N，s/m2由上2条件确定根据常识，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

18、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第4章谷氨酸生产工艺流程简介4.1 谷氨酸发酵工艺技术参数表4主要工艺技术参数生产工序参数名称淀粉质原料糖蜜原料1制糖（双酶法）淀粉糖化转化率%982发酵产酸率g/dl>8.0>8.03发酵糖酸转化率%>50>554谷氨酸提取提取收率%>86>804.2 谷氨酸生产原料及处理表5原料及动力单耗表单耗(t/t)序号物料名称规格淀粉原料大米原料糖蜜原料1玉米淀粉含淀粉86%2.122含淀粉70%3.03糖蜜含糖50%3.974硫酸98%0.450.450.

19、455液氨99%0.350.350.356纯碱98%0.340.340.347活性炭0.030.020.108水3093093099电2000Kwh/t2000Kwh/t2000Kwh/t1011.411.411.4谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷姓（液体石蜡）等。国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处理。（一）糖蜜的预处理谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。 因为糖蜜中特别是 甘蔗糖蜜中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。故在以糖蜜为原料进行谷氨 酸发酵时，常常采用

20、一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下几种。(1)活性炭处理法用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多达 糖蜜的30%-40%成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜， 可减少活性炭的用量。(2)水解活性炭处理法 国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭 处理的方法去除生物素的实验，并应用于生产。(3)树脂处理法甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素，这样可以大大 提高谷氨酸对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到 10% , pH达2.5,然后在120c下力口压灭菌20min,再用氢氧化钠调pH至4.0,通过脱 色树脂交换柱后，将所得溶液调 pH

21、至7.0,用以配制培养基。(二)淀粉的糖化绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。可用来制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大 米制备水解糖。淀粉水解的方法有三种：1.酸解法 用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下：原料(淀粉、水、盐酸)调浆一糖化一冷却一中和脱色一过滤除杂一糖液(1)调浆 原料淀粉加水调成10-11° Be'的淀粉乳，用盐酸调pHl.5左右， 盐酸用量(以纯盐酸计)约为干淀粉的0.5 %0.8 %。(2)糖化 首先要在水解锅内加部分水，加水后

22、将水解锅预热至100105C,(蒸汽压力为0. 10. 2MPa)t后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温， 在表压为0.250.4MPa之间保压，一般水解时间控制在 1020min,即可将淀 粉转化成还原糖。(3)冷却 中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大，过 滤困难。因此，生产上一般将糖化液冷却到80c以下。(4)中和淀粉水解完毕，酸解液pH仅为1. 5左右，需用碱中和后才能用于 发酵。中和的终点pH一般控制在4.55.0左右，以便使蛋白质等胶体物质沉淀 析出。(5)脱色酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。脱色可采用活 性炭吸附，活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无

23、定形粉末，不溶于任何溶剂， 质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。它将具有脱色与助滤两方面作用。(6)过滤除杂 经中和脱色的糖化液要充分沉淀12h,待液温降到 4550 C,用泵打人过滤器除杂质，过滤后的糖液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉糖 化过程全部结束，制成的糖化液供发酵使用。2.酶解法 先用a-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊 精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常状 态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。这样的菌体对环境条 件是敏感的。也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平

24、衡上的， 是受多 种发酵条件支配的。因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。在谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NhT pH氧传递率、排气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物 形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物最大限度地利 用糖合成主产物。为了实现发酵过程工艺条件最佳化，可采用电子计算机进行资 料收集、数据解析、程序控制。收集准确的数据，如搅拌转速液量、冷却水人口 温度和流量、通风量、发酵温度、pH溶解氧、氧化还原电位等，还可准确地取 样。控制操作者要求进行检测和及时处理比增殖速度、比产物形成速度、比营养吸收速度、

25、氧的消耗速度等数据，使操作条件最佳化4.3谷氨酸生产工艺流程图消泡剂一1水-I无机盐一一配料罐一定容罐糖蜜一J玉米浆一二级种子罐纯生物素一J实消葡萄糖一消泡剂一水定容罐一配料罐一无机盐一糖蜜连消器玉米浆一纯生物素维持罐1换热器淀粉J消泡剂发酵罐-高浓度糖液t液氨图1谷氨酸发酵工艺流程图第5章发酵罐选型及工艺计算5.1 发酵罐的设计与选型5.1.1 发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。5.1.2 生产容积的确定(1) 发酵罐容积的确定：选用公称容积为200m的发酵罐。(2) 生产能力的计算：若取发酵罐的填充系数=70%(3) 发酵罐个数的确定：公称容积为200m的发酵罐，具全容积为230m5.2

26、 主要尺寸的计算发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。V 全=V 筒 +2V 封=230(m3)为了提高空气利用率，罐的高径比取 2。H =2D-23V全=丫筒 +2V封=D2D+2 h+谷 D 力=230(m3)椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。冗V全=V筒 +2V封=0.785D2 2D 十, D3 父 2 = 230(m3)24解方程得D =2301.835.004(m)取5mH =2D =10(m)圆柱部份容积V筒为:V筒=0.785D2 M2D =0.785父52M10 =196.25(m3)上、下封头体积V封为:二/二豆 53 =16.25(m3)全容积验算:31=V

27、 筒 +2V 封=196.25 + 2父16.25 =228.75(m3)符合设计要求，可行。3.3 X5.3 冷却面积的确定根据部分谷氨酸厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约104kJ/(m3 h)，则冷却面积按传热方程式计算如下：S 二 KQm式中S 冷却面积，吊换热量，kJ/htm-平均温度差，CK总传热系数，kJ/(m 2 h ' C )230m 3灌装液量为：230 X 70%=161 mQ =3,3 X104 父161 =5.313X 106 KJ/h设发酵液温度33C,冷却水进口温度19C,出口温度25C,则平均温度差为：tm(33-19)-(33-25),33-1

28、9In33-25采用竖式蛇管换热器取经验值 K取4.18 x 500kJ/(m2 h C ),S-65.313X 10K t 4.18 500 8 m= 317.76(m2)5.4 搅拌器设计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。该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，六弯叶涡轮搅拌 器,Di：di：L:B=20:15:5:4现将主要尺寸列后1:搅拌器叶径D为：D 5Di = = 一 =1,67(m)33取 1.7m。叶宽B为：B =0.2Dj =0.2 1,7 =0.34(m)弧长l为：l =0.375Dj =0.375 1.7 =0,64(m)底距

29、C为：一 D 5C =1.67(m)33取 1.7m。盘彳全di为：di =0.75Dj =0.75 1.7 =1,275(m)叶弧长L为：L =0.25Dj =0.25 1.7 =0,425(m)叶距Y为：Y=D=5(m)弯叶板厚：6 =12 (mm取两挡搅拌，搅拌转速NMIg据50m罐，搅拌直径1.05m,车SNi=110r/min 以等P0/V(单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同)为基准放大求得.即：2d2式中n2一一放大的搅才*器的转速，r/minni模型搅拌器的转速，n=110r/min 1di-一模型搅器直径，d=1.05M1d2生一放大的搅拌器直径，d=1.7m将各值代入上式 2

30、2n2 =n曳T =110 JL0513 =79.78(r/min) =1.33(r/s) d21.7取两档搅拌，搅拌转速79.78r/min 。5.5 搅拌轴功率的确定5.5.1 计算 R。淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。Re J25m式中 D 搅拌器直径，D=1.70mN一一搅拌器转速，N=U160P 醪液密度，p =1080 kg/m3祖醪液粘度，仙=2 x 10-3N s/m2将数代入上式:Rem1.72 1.33 10802 103_ _ 5_4= 20.76 1010视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.75.5.2 不通气条件下的轴功率计算：P Mn为5： p式中Np一一功

31、率数，Np=4.7网n搅拌器的转速，n=1.33r/sd搅拌器直径，d=1.7mP 流体密度，p =1080kg/m3冏将各值代入上式P =Npn3d5：； =4.7 1.333 1.75 1080 = 169559.12(W) = 169.56(KW)Pg =2.25 10，fP2nd3 厂 、Q0.08 J5.5.3 通气发酵轴功率计算:式中P 不通气条件下的轴功率，P=169.56KWn搅拌器的转速，n=79.78r/mimd搅拌器直径，d=170cmQ工况下白犷！气量，(发酵罐通风比：设通风比VVm=0.2- 0.4,取低限，如通风量变大，P6小，为安 全，现取0.2则Q =230父7

32、0%父0.2 = 32.2父106( ml/min )将各值代入上式fZ ,即.39 P2nd3P =2.25父103 M gQ0.08= 2.25 10 与69.56 2黑79.78父1703 ：393220000C0.08i=161.50 (KW)5.5.4 求电机功率P电1.01采用三角带传动=0.92 ;滚动轴承“2=0.99 ,滑动轴承43=0.98 ;端面密封增加功率为1%代入公式数值得：P电=161.50 1.01 =182.74( KW)0.92 0.99 0.985.6 设备结构的工艺设计(1) 空气分布器：本罐使用单管进风。(2) 挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡

33、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。5.7 竖直蛇管冷却装置设计(1)求最高热负荷下的耗水量W为:Cp(t2-ti)式中Q生一每im醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积,Q 总=3.3 1 04161 =5.31 106(KJ/h)Cp冷却水白比热容，Cp=4.18kJ/(kg C)t2冷却水终温，t2=25Ct1冷却水初温，t1=19C将各值代入上式5.31 106Cp(t2 T) - 4.18 (25-19)5= 2.12 105(Kg/h) =58.8

34、9(Kg/s)冷却水体积流量为0.0589m3/s ,取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s,根据流体力学方程式，冷却管总截面积总 A总为：式中 W冷却水体积流量， W=0.0411ri/s冷却水流速，V=1m/s代入上式A W 0.05892、A总=一 =0.0589 m )V 1进水总管直径d总为:= 0,274(m)_A总 _ 0,0589一 ：0.785 - 1 0.785查表选取Q299X 7。(2) 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为A总，管径d°,组数为n,则2A总=n 0.785d0现根据本罐情况，取n=9,求管径。由上式得,_A 总_ 0.0589d0 - -0.09

35、1(m)n 0.785. 9 0.785经查表选取108 x 5无缝管，d内=98mm d平均=103mm现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm则两直管距离为600mm两弯管 总长度10为:l0 =1D =3.14 600=1884(mm)(3) 冷却管总长度L计算：冷却管总面积S=317.76m。现取无缝钢管 108X5,A317.760.32= 993(m)冷却管占有体积V管为:V管=0.785 0.1082 993 -9.09(m3)取冷却管组n=9(4) 每组管长L。为:L 993Lo =110.33(m) n 9另需连接管1.8m,L实=L0 -1.8=110.33-1.8 =10

36、8.53(m)可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底209mm设发酵罐内附件占有体积为0.63m3,则总占有体积为：V管 V附件=9.09 0.63 = 9.72( m3)筒体液面为：V总父70% + (V管 +V附件)-V封230x70% +(9.09 + 0.63)-16.25一 、=2=7.87( m)除面0.785 52竖直蛇管总高H管为：H 管=7.87 +1.2 =9.07 (m)取管间距为0.6m。又两端弯管总长10为：I。=3.14 0.6 =1.884(m)两端弯管总高1.2m。则一圈管长L为：L =2H +2L0 =2x9.07 +2x1.884 =21.91(

37、m)(5) 每组管子圈数n。为:n0L0110.3321.91= 5.04(圈)取5圈。L实=21.91x5x9 + (1.8x9) =1002.15 标 993(m)现取管间距为：1.9xD =1.9x0.108=0.2 0m)竖蛇管与罐壁的最小距离为0.10m。最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为：0.24+0.10+0.1085 =1.44( m)与搅拌器的距离为：(5-1.7)/2-1.44=0.21 - 0.2(m)在允许范围内。(6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：& =叼平均 4实=3.14父0.103x1002.15 =324.12 > 317.76(m2)故可满足需

38、求。5.8 备材料的选择为了降低设备造价费用，本设备选用 A碳钢材料，精制时用除铁树脂除 去铁离子。5.9 发酵罐壁厚的计算根据压力容器安全技术监察规程规定，发酵罐属于一级压力容器，因此, 其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按 GB150-1998钢 制压力容器进行。(1) 内压圆筒厚度计算:pDi'2L.-R1 -pCi C2式中6 圆筒的设计厚度，mmp设计压力，p=0.4MPaDi圆筒的内直径，D=5000mm(rT一一设计温度下圆筒材料的许应用力，(rT=124.5MPai小焊缝系数，小=0.9 iCi钢板的厚度负偏差，C=0.8mmC 2腐蚀裕量，G=1mm

39、将各值代入上式pDi -00.4 5000、=T C1 C2 = 0.8 1 = 10.74(mm)2司中-p2 124.5 0.9 -0.4查附表可选用12mm5的碳钢钢板。查附表知：公称直径为 5000mm,壁厚 为12mm, 1m高筒节钢板质量为1483kg 2。(2) 椭圆形封头厚度计算:pDi21-中-0.5p式中6圆筒的设计厚度，mmp设计压力，p=0.4MPaDi圆筒的内直径，D=5000mm(rT一一设计温度下圆筒材料的许应用力，(rT=124.5MPa焊缝系数，小=0.9将各值代入上式pDi2司：，-0.5p0.4 50002 124.5 0.9 0.5 0.4=8.93(m

40、m)查附表可选用10mm5的碳钢钢板。5.10 接管设计(1) 接管的长度h设计：各接管白长度h根据管径大小和有无保温层，进行选择。本罐的输料管可选 择不带保温层的，查表接管长度可取 h=150mm。(2) 接管直径的确定：接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。以排料管为例计算管径。本罐实装161m，设1.5h之内排空，则排料时的物 料体积流量qv为：161 0q0.030(m3/s)v 3600 1.5取发酵醪流速V=1(m/s),则排料管截面积A物为:qv0.030-20.030(m )2A 物0.785d则排料管直径d为:, A 0.030 3、d =、=0.2(m)0.785,

41、0.785查表选取 194X 6无缝管，d内=182mm d平均=188mm2以通风管为例计算管径，通风量 Q为:Q1 =1610.4 =64.4 (m3/min) =1.07(m3/s)利用气态方程式计算工作状态下的风量 Q为:Q =1.07 273 33 =0.279(m3/s) f 0.40 273 20如取风速V=25(m/s),则风管截面积 A为:Qf0.279252= 0.011(m ).2A f =0.785d 气则气管直径d气为:0.012 0.785= 0.12(m)查表选取133X 4无缝管，d内=125mm , d平均=129mm因通风管也是排料管，故取两者的大值。即取

42、194X 6无缝管，可满足工 艺要求。排料时间复核:物流量Q为:161.Q0.030(m3/h)3600 1.5物料流速V=1(m/s),则管道截面积A为:A =0.785 0.1822 = 0.026(m3)在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果小，则相应流速比P为:P =A v0.0300.026父1 = 1.146(倍)排料时间t为:t = 1.5 m 1 .146=1 .719( h)第6章设计结果与讨论6.1发酵罐参数设计汇总表6发酵罐参数冷却装置冷却管实际传热面积s实334.57 m2最图热负荷卜的耗水量W58.85kg/s冷却管组数n9型号194父6无缝 管接管直径d133mm进水总管直径d总0.299 m冷却管总截面积A 总 , _-25.885 X10排料管截回积F物0.026 m2冷却管管径d0108mm每组管子圈数no5圈每组管长L0110.33m辅 助 设 备风管截面积Ff0.011 m2空气分布器单管进风气管直径d气0.194mm挡板不设挡板支座选择裙式支座密封方式双面机械密封6.3搅拌器有关参数表8搅拌器参数转速n2111r/min搅拌轴功率P0173.167KW通风时轴功率Pa g164.17KW电动机功率Pfe182.18KW搅拌器叶径1.7 m弧长l0.64 m盘径d1.275 m口小B0.34 m叶弦长L0.425 m底距C