【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 11 （ 2） 單罐年用量 Va＝ V32180=107（ m3） 式中 180―― 每年單罐發(fā)酵批次 種子培養(yǎng)等 其他無(wú)菌空氣耗量 可根據(jù)接種量、通氣速率、培養(yǎng)時(shí)間等進(jìn)行計(jì)算。單通常的設(shè)計(jì)習(xí)慣，是把種子培養(yǎng)用氣、培養(yǎng)基壓送及管路損失等算作一次，一般取這些無(wú)菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過(guò)程空氣耗量的 20％。故這項(xiàng)無(wú)菌空氣耗量為： V’＝ 20％ V＝ （ m3/h） 單罐每年用氣量為： )/(108 2 8 9 6 31 8 08 3639。39。 amVV a ???????? 式中 8―― 種子罐培養(yǎng)時(shí)間 發(fā)酵過(guò)程高峰無(wú)菌空氣消耗量 )/(9 8 1 7 9 6 8 1 791424 339。m a x hmVVV ??????? 式中： 5―― 種子罐數(shù) 發(fā)酵車間無(wú)菌空氣消 耗量 )/(102 2 3839。 amVVV aat ???? 根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際味精年生產(chǎn)量為： G=100 000 t/a 故發(fā)酵車間無(wú)菌空氣單耗量為： )/(??? 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得出 100 000 t/a 味精無(wú)菌空氣用量衡算表，如表所示。 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 12 100 000 t/a 味精無(wú)菌空氣用量衡算表 發(fā) 酵 罐 公稱 容 積（ m3） 單罐通氣量（ m3/h） 種子培養(yǎng)耗氧量（ m3/h） 高峰空氣耗量（ m3/h） 年空氣耗量（ m3/a） 空氣單耗 （ m3/ t 味精 ） 500 98175 108 5226 注：發(fā)酵罐裝料系數(shù) 85％，發(fā)酵周期 40h，年生產(chǎn)天數(shù) 320d，實(shí)際生產(chǎn)能力 105 t/a，公稱容積 500 m3 ，全容積 550 m3。 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 13 四 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 發(fā)酵罐 發(fā)酵罐 的選型及容積 （ 1）發(fā)酵罐的選型 選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 （ 2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定 當(dāng)前 , 我國(guó)谷氨酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機(jī)械渦輪攪拌 ,即 大家所說(shuō)的通用罐。選用這種發(fā)酵罐的原因主要是 :歷史悠久 ,資料齊全 , 在比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗(yàn) ,成功率高。 （ 3） 發(fā)酵罐容積的確定 : 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 , 生產(chǎn)發(fā)酵罐的專業(yè)廠家越來(lái)越多 , 現(xiàn)有的發(fā)酵罐容量系列如 5, 10, 20, 50, 60, 75, 100, 200, 150, 250, 500m3 等等。一般來(lái)說(shuō)單罐容量越大 , 經(jīng)濟(jì)性能越好 , 但風(fēng)險(xiǎn)也越大 , 要求技術(shù)管理水平也越高。現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)成熟，使得大型發(fā)酵罐使用越來(lái)越廣泛，且大型發(fā)酵罐效益好，考慮到這方面，我們決定用 500m3 的發(fā)酵 罐。 發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定 生產(chǎn)能力的計(jì)算 , 每噸 99% 純度的味精需要 V=1000 247。（ 22060%93%%122%） =，生產(chǎn) 100 000t/a 味精為 100000 = 105 m3 工作 320 天，每天需糖液體積： ? ?3m6 2 0 9 03 2 0/6 6 9 0 0 0 ??糖V 若取發(fā)酵罐的填充系數(shù) φ=85%，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)萘繛椋? V0=V 糖 /85%=(m3) 先選用公稱體積 500 m3 的機(jī)械發(fā)酵罐，其全容量為 550 m3。 那么每天需要 550 m3 發(fā)酵罐個(gè)數(shù)為： 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 14 （個(gè)）5550/00 ?? VN 共需要的發(fā)酵罐數(shù)為： N1=V0 τ247。 (V 總 24)≈ 8(個(gè) ) 每天應(yīng)有 5 個(gè)發(fā)酵罐出料，每年工作 320 天， 實(shí)際產(chǎn)量檢驗(yàn)算： 550 85% 5 320247。 =111808（ t） 設(shè)備富裕量為（ 111808100000） 247。100000 = %，能滿足生產(chǎn)要求。 取公稱體積 500 m3 發(fā)酵罐 9 個(gè)，其中一個(gè)留作備用。 主要尺寸 設(shè)計(jì) ；封筒全 3550m2 ??? VVV 則有： 32 ????? DDDV π全 H=； 解方程得： ? ?mD ?? H==； 封頭容積 ： V 封 = 247。 24=41（ m3） 圓柱部分容積： V 筒 = =468m3 驗(yàn)算全容積 V 全 ： ? ?3m5 5 04124 6 82 ?????? 封筒‘ 全 VVV V 全 =V’全 符合設(shè)計(jì)要求，可行。 冷卻面積 對(duì)谷氨酸發(fā)酵，每 1m3 發(fā)酵液、每 1h 傳給冷卻器的最大熱量約為 6000kJ/(m3 h) [5]。 采用豎式蛇 管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值 K= 500 kJ/(m3 h℃ ) [8]。 平均溫差Δ tm： 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 15 2121mtΔtΔlntΔtΔtΔ ?? 32℃ 32℃ 20℃ 27℃ 12 5 代入 ℃Δ 8512ln 512t m ??? 換熱面積 ? ? mtK QF m ??? ???? Δ 攪拌器 及攪拌軸功率 （ 1） 選用六彎葉渦輪攪拌器 該攪拌器的各部分尺寸與罐徑 D 有一定比例關(guān)系 攪拌器葉徑 ? ?mDD i ??? 葉寬 ： ? ?mDB 4 5 i ???? 弧長(zhǎng)： ? ?mdl 7 7 ???? 底距： ? ?mDC ??? 盤(pán)踞 ： ? ?mDd ii ???? 葉弦長(zhǎng)： ? ?mDL i ???? 葉距 ： ? ?mDY ?? 彎葉板厚： δ =14（ mm） 取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速 N2 可根據(jù) 50m3 罐，攪拌直徑 ，轉(zhuǎn)速 N1=110r/min。武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 16 以等 P0/V 為基準(zhǔn) [6]放大求得： ? ?m i n/ 3/23/22112rDDNN?????????????????? （ 2） 攪拌軸功率 淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視 為牛頓流體。 ① 計(jì)算 Rem μ ρNDm 2Re ? 式中 D—— 攪拌器直徑， D= N—— 攪拌器轉(zhuǎn)速， ? ?srN / ?? ρ —— 醪液密度，ρ =1050 kg/m3 μ —— 醪液粘度， μ = 103N s/m2 將數(shù)代入上式： 432 ＞?? ???m 視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù) Np= ② 計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率 P0： ρ530 DNNP P? 式中 Np—— 在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù) N—— 攪拌轉(zhuǎn)速， N= D—— 攪拌器直徑， D= ρ —— 醪液密度，ρ =1050kg/m3 代入上式： kWWP 39510395 35339。0??? ???? 兩擋攪拌： kWPP 7902 39。00 ?? ③ 計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率 Pg ? ?kWQ NDPP g ??????????? ? 式中 P0—— 不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（ kW）， 5220 9 0 ???P 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 17 N—— 軸轉(zhuǎn)速， N= D—— 攪拌器直徑（ cm）， D3= 106= 107 Q—— 通風(fēng)量（ ml/min），設(shè)通風(fēng)比 VVm=~，取低限，如通風(fēng)量變大， Pg 會(huì)小，為安全。現(xiàn)取 ； 則 Q= 106= 107（ ml/min） 代入上式： ? ?kWP g ????????? ??????? ? ④ 求電機(jī)功率 P 電： 321 g ?? ???電P 采用三角帶傳動(dòng)η 1=；滾動(dòng)軸承η 2=，滑動(dòng)軸承η 3=；端面密封增加功率為 1%[7]；代入公式數(shù)值得： ? ?kWP ?????電 設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ① 空氣分布器：本罐采用單管進(jìn)風(fēng) 。 ② 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板 ③ 密封方式：本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。 ④ 冷卻管布置：采 用豎式蛇管 [7] Ⅰ 最高負(fù)荷下的耗水量 W ? ?12 ttc QW P ?? 總 式中 Q 總 —— 每 1m3 醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)， 1h 的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積 ? ?hkJQ /101 .0 4 94 1 8 .1 2 56 0 0 7?????總 cp—— 冷卻水的比熱容， （ kg K） t2—— 冷卻水終溫， t2=27℃ t1—— 冷卻水初溫， t1=20℃ 將各值代入上式 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 18 ? ?? ? ? ?skghkgW/57??????? 冷卻水體積流量為 102m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為 1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積 S 總 為： vWS ?總 式中 W—— 冷卻水體積流量， W= 102m3/s V—— 冷卻水流速， v=1m/s 代入上式： ? ?222 81 8 ?? ????總S 進(jìn)水總管直徑 ： ? ? 2 ???? ?總總 Sd Ⅱ 冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)冷卻管總表面積為 S 總 ，管徑 d0，組數(shù)為 n，則： 取 n=12，求管徑。由上式得： ? ?mnSd 20?? ?????總 查金屬材料表選取φ 108 4mm 無(wú)縫管 [9]， mmd 100?內(nèi) mkgg /? ， 0dd ?內(nèi) ，認(rèn)為可滿足要求， 104mm?平均d 。 現(xiàn)取豎蛇管圈端部 U 型彎管曲徑為 250mm，則兩直管距離為 500mm，兩端彎管總長(zhǎng)度為 0l ： ? ?mmDl 1 5 7 ???? ? Ⅲ 冷卻管總長(zhǎng)度 L 計(jì)算：由前知冷卻管總面積 mF ? 現(xiàn)取無(wú)縫鋼管φ 108 4mm，每米長(zhǎng)冷卻面積為 ? ?20 mF ???? 則 : ? ?mFFL ??? 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 19 冷卻管占有體積： ? ?32 5 0 91 0 8 mV ???? Ⅳ 每組管長(zhǎng) L0 和管組高度： ? ?mnLL ?? 另需連接管 ： ? ?mLL ??實(shí) 可排豎式直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭 500mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為 ，則：總占有體積為 ? ? ???? ??? 附件管液總 VVVV 則筒體部分液深為： ? ?mS VV 2 ?? ??? 封總 豎式蛇管總高 ? ?m1 2 .0 711 1 .0 7 ???管H 又兩端彎管總長(zhǎng) ml ? ，兩端彎管總高為 1m， 則直管部分高度： ? ?mHh 1 1 . 0 711 2 . 0 71 ????? 管 則一圈管長(zhǎng)： ? ?mlhl 0 ?????? Ⅴ 每組管子圈數(shù) n0： ? ? ??? lLn 取 10 圈 L 實(shí) = 10 12＋（ 12） =（ m） 現(xiàn)取管間距為 ? ?mD ???外 ，豎蛇管與罐壁的最小距離為 ，則可計(jì)算出攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小于 200mm）。 Ⅵ .校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積： ? ? mLdF ???? ?? 實(shí)平均實(shí) ? 而前有 F=， FF ?實(shí) ，可滿足要求。 設(shè)備材料的選擇 武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè) 計(jì) （論文） 20 選用 A3 鋼制作，以降低設(shè)備費(fèi)用。 發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算 ① 計(jì)算法確定發(fā)酵罐的壁厚 S ? ? CPPQS ??? ??2 （ cm） 式中 P— — 設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的 倍，現(xiàn)取 P= D—— 發(fā)酵罐內(nèi)徑 ， D=680cm 〔σ〕 —— A3 鋼的應(yīng)用應(yīng)力，〔σ〕 =127MPa φ —— 焊接縫隙， φ