《专业工厂设计》课程设计工作流程2015

1、专业工厂课程设计工作流程1、明确设计任务1.1项目名称和产品方案:序号产品名称规格标准年产量（吨）备注1黄原胶食品级400主产品2副产品1.2发酵产物浓度、发酵周期（发酵时间+辅助操作时间）、产物的原料转化率、提取收率、 提取周期黄原胶发酵浓度 P=30g/L,发酵时间t=60h，发酵生产周期=72h=3d，原料转化率65%, 提取收率85%，细胞浓度5g/L，发酵温度为30 oC。1.3培养基配方（主料和辅料的消耗量）和补料配方、提取过程主料和辅料的需要量（按每批计或每吨产品计）微生物菌种：野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）培养基配方（g/L）:葡萄糖（玉米糖浆，

2、以干重计）50;柠檬酸2.0; NH4NO4 1.0; K2HPC42.0 ； MgCb 0.5; Na2SO4 0.09。初始 pH=7.0其它辅料：pH调节剂（NaOH溶液，30%），添加量约为发酵液体积的0.2%;消泡剂添加量为发酵液体积的 0.01%。工艺用水为自来水。1.4公用工程主要技术参数低压蒸汽：0.4MPa夏季：平均温度 30cC,最高温度35（C;冬季：平均温度 10cC,最低温度4 oC常温冷却水送水：夏季按30 oC;冬季按10cC;回水温度=送水温度+5cC低温冷却水送水：夏季按7（C，回水温度=送水温度+5cC，冬季不使用。热水循环水：送水温度 80（C，回水温度7

3、5 oC通风强度：种子罐按1.0vvm，发酵罐按0.5vvm计发酵罐体积传质系数：kLa=，根据OUR= kax （Cl*- Cl）计算饱和溶氧浓度 Cl*=8.32 g/m 3 （在1atm, 25（C空气中的氧在水中的溶解度 ） 发酵罐功率体积比：P/Vl=22.5kW/m3Vl是指发酵液体积（m3）黄原胶发酵过程最大耗氧速率OUR=50 mmol/（L h）=1.6kg/（m 3 h）根据OUR可以计算代谢热放热速率Qm=0.12 x OUR;式中：放热速率 Qm, Kcal/（m3 h）;最大耗氧速率 OUR, mmol/（m 3 h）培养基比热容按4.05kcal/（kg（C）计算；

4、1.5基本流程框图2、设计基础条件和参数2.1建厂地质和气象条件（地质和土质条件、附近河流、地下水、道路、风向、降水量、 冰雪霜冻期、年平均气温、地震烈度、海啸台风等风险因素）2.2经济条件（当地职工平均工资、主要原料成本价、煤、电、水、汽价格、排污管网和 污水处理成本）、地价、交通运输类型和成本、销售客户和潜在客户、产品替代风险、 当地经济政策支持、公用工程条件支撑。3.3市场调研报告、地质堪测报告、环境影响评估报告、安全评估报告3、设计工程流程和内容3.1初步设计工程流程1234初步设计工作程序3.2工艺流程框图（标明主要工艺物料、所有设备、公用工程物料、主要工艺参数）（1）物料衡算图（物

5、料名称、状态和主要物性参数、流量或消耗量，包括压缩空气消耗衡算）主料和辅料消耗表序号原料名称规格单位消耗定额（吨广消耗量（吨）备注批小时年*消耗定额以每吨产品计。动力（水电汽气）消耗表序号原料名称规格使用情况#单位消耗定额（吨广小时消耗量（吨/h）备注最小正常最大#使用情况是指连续、间歇、开停车频率和使用量等情况。*消耗定额以每吨产品计。危险性物料主要物性表序号名称分子量熔占八、沸占八、闪占八、燃占八、爆炸极限毒性程度火险分类爆炸级组国家卫生标准备注上限下限二废排放量表序号名称排放占八、性状*连续/ 间歇小时消耗量组成及含量#排放标准备注单位正常最大*按气、液、固、混合相填写。#应说明有害物质

6、名称。能量衡算图（电耗、汽耗、冷耗）全厂用热（蒸汽）负荷平衡表序号设备位号设备名称热介质参数蒸汽用量（T/h）冷凝水回流量（T/h）备注米暖期非采暖期采暖期非采暖期压 力温 度平 时最大平 时最大平 时最大平 时最大全厂用冷负荷及参数表（不同冷媒分别进行计算和列表）能量衡算内容主要是对最大的发酵罐进行能量衡算，种子罐可以依据发酵罐计算结果类推。培养基实罐灭菌：升温阶段（室温t 85cC采用蒸汽夹套加热并搅拌； 85cCt 121C采用蒸汽 直接加热停止搅拌）；灭菌维持阶段（蒸汽直接加热，不搅拌，维持 30min ）;冷却阶段（冬 季直接采用冬季常温冷却水一阶段冷却，从1210C降到30cC。夏

7、季采用二段冷却， 第一段采用常温冷却水，从 1210C降到50CC;第二阶段采用低温冷却水，从 500C降到300C。计算换 热面积、换热时间等技术参数。代谢热移除：冬季采用常温冷却水，夏季采用低温冷却水，计算和核算换热面积是否足够。计算完成后按加热量和冷却量进行分类汇总，将结果填入到表格中。水衡算图（）。全厂生产用水排水表（4）工艺计算与以上5项内容同时进行（）（5）绘制带控制节点的工艺流程图。标明原料、辅助材料、各种介质流向、工艺参数和控制 点等。管道命名表序号管道号流体名称公称直径材料等级管道规格流体相态起止占八、所在图号操作条件设计条件绝热与防护备注注：操作条件是指正常压力和温度，事故

8、或短期变化的压力、 温度和类型。设计条件是指介质类型、压力和温度。绝热与防护是指绝热类型、绝热厚度、防护类型和等级（6）设备一览表。确定设备的型式、处理规模、数量、技术特性、基本尺寸。本项工作与第7项、第9项工作同时完成。序号设备位号设备名称技术规格功率材质重量数量备注V0101一级配料罐尺寸：筒体尺寸，封头， 下封头距基座间距P0101一级配料泵离心泵Q=H=F0201一级预过滤器F0202一级精过滤器R0201一级种子罐尺寸：V0102二级配料罐尺寸：P0102二级配料泵离心泵Q=H=F0203二级预过滤 器F0204二级精过滤器R0202二级种子罐尺寸：V0103配料罐尺寸：P0103配

9、料泵离心泵,Q=H=F0205预过滤器F0206精过滤器R0203发酵罐尺寸：V0201碱液罐尺寸：P0201碱液蠕动泵Q=V0202消泡剂罐尺寸：P0202消泡剂蠕动 泵Q=设备布置图。平面布置图、立面布置图。立柱间距一般为 3, 6, 9m,楼层间距一般为 0.3米的倍数；辅助区域设置：种子扩培室2050平米；发酵控制室原 2050平米；配料控制室 1530平米；原料暂停间2050平米；升降机长22.5m，宽22.5m,贯通1 3楼；立柱尺寸400X400;楼梯宽12001500； 一楼门宽大于二级配料罐直径；单体设备设计。确定设备设计条件单(外形尺寸、技术特性表、管口名称表设计计算(外形

10、尺寸计算(放大计算：尺寸、搅拌选型、功率计算、)、物料平衡、能量平衡，蒸汽灭菌条件、冷却降温条件、发酵热移除)发酵罐设计流程：测定试验罐的Qg、n、发酵速率及几何尺寸I测定发酵液的特性：r、mJ计算试验罐的vvm、Qg/(nd 3)、pnd及Re等J预算Np、P、Pg和k La等估算搅拌功率Ct根据生产量和产率选择发酵罐的体积和个数1根据Pg与kLa关系计算n按几何相似原则计算放大罐的尺寸II确定放大准则，通常对高耗氧生物反应用kLa相等原则/根据vvm相等原则、计算Q和N Q/(nd 3)相等原则、Us相等原则确定Q以体积溶氧系数相等为基准(1)计算试验罐的6 a 先求搅拌雷诺准数ReMRe

11、 m2 2ndl (350 / 60)(0.125)1020 彳仁 十m2.2510 3.由功率系数pNp35r n dNp视搅拌强度及叶轮形式而定当发酵系统充分湍流时,即ReM=104时，对圆盘六 直叶涡轮,Np=6.0;对圆盘六弯叶涡轮,Np=4.7;而对圆盘六箭叶涡轮,Np=3.7 由于此处ReM104,为圆盘六直叶涡轮，因此Np取为6.0所以2档叶轮的不通气时的搅拌功率为：35350 35p 2Npn rLd 2 6.0 ()1020 0.12574.1W0.074 kW60相应地，通气搅拌功率为：(下式中Qg的单位是ml/min)C “3 p2nd 3 0 39 c CL “ 3 0

12、.07412 350 12.53 039 P 2.25 10(k).2.25 10 (歸押8).0.0395 kWQg60000从而可以算出体积溶氧系数：kLa (2.363.3m0.560.7us n07 109(2.363.32)(匹亜)0.5654.3. 70.06350 0710 97.0110-6其中空截面气速为 ：us60 1000/(P 37.52) 54.3cm/min4按几何相似原则确定20m 3生产罐的尺寸：H/D = 2.4, D/d=3.0, HL/D=1.5,据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，贝惰 而有效装料体积仍取60%，由此可得：V 20 60% PD2 1.

13、5D L4可得 D=2.17m,H=2.4D=5.20m,d=D/3=0.72m, HL=1.5D=3.26m这是按几何相似原则计算求得的20m3生产罐的尺寸。仍采用两组圆盘六直叶涡轮搅拌器。决定大罐的通气流率Qg：按几何相似原则放大设备，放大倍数越高，其单位体 积液体占有的发酵罐横截面越小，若维持通气强度vvm不变，则放大后空截面气速则随罐容增大而迅速提高。因：VLp 1.5D3 D3L 4通气量Qg在维持通气强度vvm不变时，就有Qg*VLxD3 而空截面气速为：UsQgPd24由此可见，随着发酵规模的增大，空截面气速us的增大与发酵罐直径的增大成正比，即与罐体积的立方根成正比。所以经放大

14、的倍数较大时，则其空截面气速us有较大的增加。过大的US会造成太多的泡沫产生甚至跑料，而且消耗的通气功率 也将太高。因此在发酵反应器放大时，必须全面考虑以确定通气流率。若按通气强度不变，即取大罐的通气速率为I.Ovvm，可算出通气量及相应的空截面气速为：Qg 20 60% 1.0 12m3/minQ12us23.24 m/min 324 cm/minP D2 p 2.17 / 44对比小罐的空截面气速(us=54.3cm/mi n),可见，若按通气强度不变，则大罐的 通气截面气速约相当于小罐的 6倍。经验表明，这种气速太高。故可折中取大罐 的Us=150 cm/min,由此可计算出大罐的通气速

15、率为：P 2 P233Qg D us2.17(150/ 60/ 100)0.0925(m /s ) 5.55(m /min )44通气强度为：5.55/12=0.462 vvm按kLa相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌功率所以,所以,（2.36 3.3 磴）8.96（Pg）0.56 150.7 12一 80 567.43410 Pg.7.01x10 -6 =7.434x10Pg=3356n -1.25又根据Pg的又一表达式:0.56Us0.70.79n 100.7n10 9-80.56gn.7P 2.25 10 3（PQ）0.39Qg2323即c cl , c 3 P nd 0 39 c cl

16、 , c 3 P n72 o 390 78 039即卩：p 2.25 10 (窗).2.25 10 (1o6、0.o8).0.206Pg0.78n.Qg(5.55 10)比较两个不同的Pg表达式可得：P 2.51 105n 2.1 (kW)由搅拌轴功率公式可计算得到：P NPrn3d 56.0 1020 (n/ 60)3 0.7255.48 10 6n3(kW)联立上面二式可计算得到：n=123 r/minP=10.2 kWPg=8.19 kW项目试验罐放大罐公称体积V(m3)0.120有效体积VL(m3)0.0612放大倍数1200直径D(m)0.3752.193高径比H/D2.42.4液柱

17、高Hl/D1.51.5搅拌叶轮d/D1/31/3通气强度(vvm)1.00.462P/V L(kW/m 3)1.240.789Pg/V L(kW/m 3)0.6580.704搅拌转速n(r/min)350120叶尖线速度npd(m/s)2.2914.593kLa7.01x10 -67.01x10 -6以P/V L相等为基准?利用经验公式求解kLa往往会有较大的误差，因此对某些发酵系统并 不理想。而单位体积发酵液的搅拌功率 P/VL与kLa有密切的关系且容 易测量和计算。实践表明，对于溶氧速率控制发酵反应的非牛顿发酵 液，把P/VL相等作为放大准则效果较好。?仍以上一例的数据为依据，以P/V L

18、相等为基准进行放大计算。352NPr nidiVl对试验罐，有:3di同理对放大罐，有:Vl2Np r n2d25dT可以得到:根据P/VL相等原则，令(P/V L)1= (P/V l)22/3n2虫n1d2由题设，知 n1=350 r/min, d 1=0.125 m按几何相似原则放大，放大罐的d2=0.72 m用d1和d2的值代入上面关系式,可求解出放大罐的搅拌转速:2/3d1n2n1d2350(需严叫讪因此，放大罐的搅拌功率 P为:35109 35P 2NPr n3d 52 6 1020 ()3(0.72)514.2 (kW)60因此，放大罐的通气搅拌功率Pg为：2. 33 P nd 0 39Pg 2.25 10 (Q).Qg取放大罐的通气强度为0.462 vvm,(与上一例相同)，则Qg代入上式得：0.462 12 5.55m3/min5.55 106 ml/min3 14.22109 723 0 392.25 10 (6 008 ) .10.2 kW(5.55 10 ).在上述条件下，相应的体积溶氧系数为：kLaP(2.36 3.3 2)() Us n10VL8.96(10.2)056 1500.7 1090.7 10 97.2810 61