【正文】 體離子膜堿量： 。 活性炭 廢碳渣 90%Glu 離子膜堿 中和脫色液 水 中和脫色工段 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設 計說明書 22 30% NaOH 相對密度 。 粉末活性炭用量 加活性炭量按純谷氨酸量的 %， %Glu 需用活性炭量： %= kg 中和脫色液數(shù)量 要求濃度達到 20176。B233。， 40g/dL。 ()/40%= L = kg 式中 —— 含 40%MSG 溶液的相對密度 廢碳渣數(shù)量 含水 75%，則： (175%)= kg 用水量 += kg 第二章 物料衡算 23 物料衡算匯總 表 28 中和脫色工序物料衡算匯總表 進入系統(tǒng) 離開系統(tǒng) 項目 1t 商品淀粉及相應物料/kg 每天進入系統(tǒng)的物料 /（ t/d） 項目 1t 商品淀粉及相應物料/kg 每天離開系統(tǒng)的物料 /（ t/d） 90%Glu 中和脫色液 離子膜堿 廢碳渣 活性炭 水 累計 精制（結(jié)晶）工段物料衡算 圖 25 精制（結(jié)晶）工序物料衡算 中和脫色液數(shù)量 ， ， 20176。B233。，含 MSG40g/dL。 產(chǎn) MSG 量 精制收率 %，產(chǎn) 100%MSG 量： %= kg 產(chǎn)母液量 母液平均含 MSG25g/dL，則： 40g/dL 中和脫色液 結(jié)晶過程加水 分離調(diào)水洗水 100%MSG 母液 蒸發(fā)水分 精制 (結(jié)晶 )工段 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設 計說明書 24 (%)/25= L = kg 式中 —— 母液相對密度 蒸發(fā)結(jié)晶過程加水 約為脫色液的 10%，即： 10%= kg MSG 分離調(diào)水洗水量 約為 MSG 產(chǎn)量的 5%，即 5% = kg 結(jié)晶過程蒸發(fā)水分 +++= kg 物料衡算匯總 表 29 精制工序物料衡算匯總表 進入系統(tǒng) 離開系統(tǒng) 項目 1t 商品淀粉及相應物料/kg 每天進入系統(tǒng)的物料（ t/d） 項目 1t 商品淀粉及相應物料/kg 每天離開系統(tǒng)的物料 （ t/d） 40g/dL 中和脫色液 100%MSG 結(jié)晶過程加水 母液 分離調(diào)水洗水 蒸發(fā)水分 累計 第三章 熱量衡算 25 第三章 熱量衡算 連續(xù)滅菌 、發(fā)酵工段熱量衡算 熱量衡算（ heat balance），物料經(jīng)物理或化學變化時，如其動能、位能或?qū)ν饨缢髦?，對于總能量的變化影響甚?甚至 可以忽略時， 則 能量守恒定律可以簡化為熱量衡算。它是建立過程數(shù)學模型的一個重要手段，是 化工計算 的重要組成部分。 培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量 發(fā)酵罐公稱容積 500m3，裝料系數(shù) ，每罐產(chǎn) MSG 量： 500= 年產(chǎn)味精 12 萬噸，日產(chǎn)味精（ 100%） 360t，發(fā)酵生產(chǎn)周期 40h（發(fā)酵 32 小時，輔助 8 小時），需發(fā)酵罐臺數(shù)： （ 360/） （ 40/24） = 臺，取 9 臺 每日投（放）罐次數(shù)： 924/40= 罐次 日運轉(zhuǎn)： 932/40= 臺 每罐發(fā)酵初始體積： 50055%=275 糖濃度 13g/dL，滅菌前含糖量 20g/dL，其數(shù)量： 30013/20=195 密度 ： 195= 滅菌加熱過程中用 蒸汽（表壓）， h1=，使用螺旋板式換熱器將物料由 20℃預熱至 70℃，再加熱至 120℃ ；冷卻水由 20℃升至 45℃ 。 每罐滅菌時間 2h，物料流量： 300內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 26 滅菌用蒸汽量： 1000((120+273)(70+273))/=式中 —— 糖液比熱容， kJ/（ kg℃ ） 每日蒸汽用量： 9= t/d 平均蒸汽用量 : 培養(yǎng)液冷卻用水量 120℃熱料通過與冷熱料交換，由 120℃降至 75℃，再用水冷卻至 35℃；冷卻水由 30℃升至 45℃。冷卻水用量（ W） : 1000((75+273)(35+273))/(4535)=每日用水量 : 9= t/d 平均用水量： ； 使用發(fā)酵冷卻循環(huán)水。 發(fā)酵罐空罐滅 菌蒸汽用量 發(fā)酵罐體加熱用蒸汽量 發(fā)酵罐公稱容積 500m3，材質(zhì)為 SS304，發(fā)酵罐罐體重 118t，比熱容 （ kg℃），使用 蒸汽（表壓）滅菌，發(fā)酵罐罐壓保持在 （表壓）下，由 20℃升至 127℃，維持 1h。其蒸汽用量為： 1181000((127+273)(20+273))/=式中 —— （表壓）蒸汽熱焓， kJ/kg —— ， 127℃時蒸汽凝結(jié)水熱焓， kJ/kg 每日蒸汽用量： = t/d 平均用蒸汽量： 。 第三章 熱量衡算 27 填充發(fā)酵罐空間所需蒸汽量 公稱容積 500m3 發(fā)酵罐的全容積為 550m3，其蒸汽用量為： 550=式中 ρ —— 加熱蒸汽的密度（ kg/m3）， 發(fā)酵罐滅菌（ ，表壓） 1h。 每日用蒸汽量： = t/d 平均用蒸汽量： 。 滅菌過程的熱損失 輻射與對流聯(lián)合給熱系數(shù) α，罐外壁溫度 60℃。 )]2 7 320()2 7 360[( ???????? kJ /（ m2h℃） 500m3 發(fā)酵罐的表面積為 475m2，消耗蒸汽量： h/ )]27320()27360[( ?? ?????? 罐壁附著洗滌水升溫所需蒸汽量 4 7 5 0 . 0 0 1 1 0 0 0 [ ( 1 2 7 2 7 3 ) ( 2 0 2 7 3 ) ] 4 . 1 8 9 6 k g2 7 4 8 . 5 5 3 5 . 4? ? ? ? ? ? ? ?? 式中 —— 附壁水平均厚度 滅菌過程蒸汽排汽及滲漏量 取總耗汽量的 10%，空罐滅菌蒸汽消耗量為： (+)1000+356+96/110%=每個空罐滅菌 1h，蒸汽消耗量為 。 發(fā)酵罐每日投料罐次： 罐，每日用蒸汽量： = t/d 平均用蒸汽量： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 28 發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量 根據(jù)部分味精廠的實測和經(jīng)驗，谷氨酸的發(fā)酵熱高峰值大約 104kJ/（ m3h ）。 公稱容積 500m3 發(fā)酵罐，裝液量 425m3，其發(fā)酵熱為： 42545000=19125000 kJ/h 日運轉(zhuǎn)發(fā)酵罐 臺，總發(fā)酵熱： Q=19125000=16830000KJ/h= kw 選用 2 臺 NG84M 溴化鋰制冷機。每臺制冷量 7033kw，使用 蒸汽，耗汽量 。冷媒水用量 1008m3/h，冷卻水用量 1706m3/h。 2 臺溴化鋰制冷機按 1臺運轉(zhuǎn)計算，需蒸汽 ，需用循環(huán)冷卻水： 1706m3/h。再加上培養(yǎng)基滅菌后用冷卻水 1123t/h，合計用冷卻水為 2829m3/h。 循環(huán)冷卻水采用無填料噴霧冷卻塔進行降溫，選用 800m3/h 冷卻塔 3 臺。冷卻水在循環(huán)使用中約損失 4%（ 摻入部分生產(chǎn)過程用水），需補充新鮮水量： 28294%= m3 /h 第四章 設備選型 29 第四章 設備選型 發(fā)酵罐 發(fā)酵罐的選型及容積 （ 1）發(fā)酵罐的選型 選用機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐 （ 2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定 當前，我國谷氨酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機械渦輪攪拌，就是大家說的通用罐。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豐富的經(jīng)驗，成功率高。 （ 3）發(fā)酵罐容積的確定 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。一般來說單罐容量越大，經(jīng)濟性能越好，但風險也越大，要求技術(shù)管理水平也越高?，F(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)成熟，使得大型發(fā)酵罐使用越來越廣泛，且大型發(fā)酵罐效益好，考慮到這方面，我們決定用 500 的發(fā)酵罐。 發(fā)酵罐個數(shù)的確定 生產(chǎn)能力的計算 ， 每噸 99%純度的味精需要 ： V=1000 247。（ 220%%%122%） = m3 生產(chǎn) 100000t/a 味精為 ： 100000=105 m3 工作 330 天，每天需糖液體積： V 糖 =652022/330= m3 若取發(fā)酵罐的填充系數(shù) υ=85%，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)萘繛椋? V0=V 糖 /85%= 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 30 先選用公稱體積 500m3 的機械發(fā)酵罐，其全容量為 550m3。那么每天需要550m3 發(fā)酵罐個數(shù)為： （個）5550/00 ?? VN 共需要的發(fā)酵罐數(shù)為： N1=V0 τ247。(V 總 24)≈ 8 (個 ) 每天應有 5 個發(fā)酵罐出料，每年工作 330 天， 實際產(chǎn)量檢驗算： 550 85% 5 330247。 =118309 t 設備富裕量為 ： （ 118309100000） 247。100000 = % 經(jīng)過計算， 能滿足生產(chǎn)要求。 取公稱體積 500m3 發(fā)酵罐 9 個，其中一個留作備用。 主要尺寸設計 35 5 0 m2 ??? 封筒全 VVV 則有： 32 ????? DDDV π全 因為 H=，所以 解方程得： ??D H== m 封頭容積： V 封 =247。24=41 m3 圓柱部分容積： V 筒 ==468 m3 驗算全容積 V 全 ： 3550m4124682 ?????? 封筒‘ 全 VVV V 全 =V’全 符合設計要求，可行。 第四章 設備選型 31 冷卻面積 對谷氨酸發(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)驗值 K= 500kJ/(m3 h℃ )[8]。平均溫差 Δtm： 2121mtΔtΔlntΔtΔtΔ ?? 32℃ 32℃ 20℃ 27℃ 12 5 代入： ℃Δ 8512ln 512t m ??? 換熱面積： ??? ????mtKQF 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 有一定比例關系 攪拌器葉徑： ??? DD i 葉寬： i ???? DB 弧長： mdl 7 7 ???? 底距： ??? DC 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 32 盤踞： ???? ii Dd 葉弦長： ???? iDL 葉距： ??DY 彎葉板厚： δ=14mm 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。以等 P0/V 為基準 [6]放大求得： m in/ 3/23/22112??????????????????DDNN （ 2）攪拌軸功率 淀粉水解糖液低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。 ①計算 Rem μ ρNDm 2Re ? 式中 D—— 攪拌器直徑， D= N—— 攪拌器轉(zhuǎn)速， ρ—— 醪液密度， ρ=1050kg/m3 μ—— 醪 液粘度， μ= 103N s/m2 將數(shù)代入上式： 432 ＞?? ???m 視為湍流，則攪拌功率準數(shù) Np= 第四章 設備選型 33 ②計算不通氣時的攪拌軸功率 P0： ρ530 DNNP P? 式中 Np—— 在湍流攪拌狀態(tài)時其值為常數(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計算通風時的軸功率 Pg ? ?kWQ NDPP g ??????????? ? 式中 P0—— 不通風時攪拌軸功率（ kW）， 5220 ???P N—— 軸轉(zhuǎn)速， N= D—— 攪拌器直徑（ cm）， D3=106=107 Q—— 通風量（ ml/min），設通風比 VVm=~，取低限，如通風量變大， Pg 會小，為安全?，F(xiàn)取 ， Q=106=107ml/min 代入上式： ????????? ?????? ?gP ④ 求電機功率 P 電： 321 g ?? ???電P 采用三角帶傳動 η1=；滾動軸承 η2=，滑動軸承 η3=；端面密封增加功率為 1%[7]；代入公式數(shù)值得： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 34 ?????電P 設備結(jié)構(gòu)的設計 ① 空氣分布器：本罐采用單管進風。 ② 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板。 ③ 密封方式：本罐采用雙面機械密封方式，處理 軸與罐的動靜問題。 ④ 冷卻管布置：采用豎式蛇管 [7] Ⅰ 最高負荷下的耗水量 W ? ?12 ttc QW P ?? 總 式中 Q 總 —— 每 1m3 醪液在發(fā)酵最旺盛時， 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 式中 cp—— 冷卻水的比熱容， （ kgK） t2—— 冷卻水終溫， t2=27℃ t1—— 冷卻水初溫， t1=20℃ 將各值代入上式 ? ?? ? shkgW/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 ?? ????總S 進水總管直徑： 第四章 設備選型 35 2 ???? ?總總 Sd Ⅱ 冷卻管組數(shù)和管徑：設冷卻管總表面積為 S 總 ，管徑 d0，組數(shù)為 n，則取 n=12，求管徑。由上式得： 20?? ?????nSd 總 查金屬材料表選取φ 108 4mm 無縫管 [9]， mmd 100?內(nèi) g=， d內(nèi) d0，認為可滿足要求， d 平均 =104mm。 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，兩端彎管總長度為 l0： ???? Dl ? Ⅲ 冷卻管總長度 L 計算：由前知冷卻管總面積 mF ? 現(xiàn)取無縫鋼管 υ108 4mm，每米長冷卻面積為 20 ????F 則 : ??? FFL 冷卻管占有體積： 32 ????V Ⅳ 每組管長 L0 和管組高度： 30 ?? nLL 另需連接管 ： 2 ?? LL實 可排豎式直蛇管的高度，設為靜液面高度，下部可伸入封頭 500mm。設發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為 ，則總占有體積為： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 36 ??????? 附件管液總 VVVV 則筒體部分液深為： 2 ?? ???S VV 封總 豎式蛇管總高： 1 2 .0 7 m11 1 .0 7 ???管H 又兩端彎管總長 l0=，兩端彎管總高為 1m， 則直管部分高度： 1 1 .0 7 m11 2 .0 71 ????? 管Hh 則一圈管長： 0 ?????? lhl Ⅴ 每組管子圈數(shù) n0： 300 ??? lLn 取 10 圈 L 實 = 10 12＋（ 12） = 現(xiàn)取管間距為： 2 7 0 ???外D 豎蛇管與罐壁的最小距離為 ，則可計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際傳熱面積： 2m94528 ?????? 實平均實 LdF ? 而前有 F=， F 實 ＞ F，可滿足要求。 設備材料的選擇 選用 A3 鋼制作，以降低設備費用。 發(fā)酵罐壁厚的計算 第四章 設備選型 37 ①計算法確定發(fā)酵罐的壁厚 S ? ? cm2 CPPQS ??? ?? 式中 P—— 設計壓力，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 鋼的應用應力， σ=127MPa υ—— 焊接縫隙， υ= C—— 壁厚附加量 cm 321 CCCC ??? 式中 C1—— 鋼板負偏差，現(xiàn)取 C1= C2—— 為腐蝕余量，現(xiàn)取 C2=2mm C3—— 加工減薄量，現(xiàn)取 C3=0 ? ? ????? mmC ????? ??S 選用 18mm 厚 A3 鋼板制作。 ②封頭壁厚計算：標準橢圓封頭的厚度計算公式 [5]如下： ? ? CPPQS ??? ??2 cm 式中 P—— D—— 680cm σ—— 127MPa C—— ++= φ —— ????? ??S 接管設計 ① 接管的長度 h 設計：各接管的長度 h 根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取200~500mm。 ② 接管直徑的確定： 按排料管計算：該罐實裝醪量 ，設 2h 之內(nèi)排空，則物料體積流量 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 38 sQ / 3??? 發(fā)酵醪 流速取 v=1m/s。則排料管截面積為 F 物。 ?? vQF物 dF ?物 管徑： ??? 物Fd 取無縫管 υ325 8mm， 309mm＞ 287mm，認為合適。 按通風管計算，壓縮空氣在 下，支管氣速為 20~25m/s?，F(xiàn)通風比~，為常溫下 20℃， 下的情況，要折算 、 30℃狀態(tài)。風量 Q1 取大值： m i n/ i n/ 331 ???? mQ 利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài) 下的風量 Qf[8]： sQ f / 3?????? 取風速 v=25m/s，則風管截面積 Ff 為 ： ??? vQF ff 氣dFf ? 則氣管直徑 d 氣為： ??氣d 因通風管也是排料管，故取兩者的大值。取 υ3258mm 無縫管，可滿足工藝要求。 排料時間復核： 物料流量 Q=，流速 v=1m/s 管道截面積： 22 m0 7 0 8 ???F 第四章 設備選型 39 在相同的流速下，流過物料因管徑較原來 計算結(jié)果大，則相應流速比為： ???? FvQP 排料時間： ???t 支座選擇 生物工程工廠設備常用支座分為臥式支座和立式支座。立式支座也分為三種即懸掛支座，支承式支座和裙式支座。 對于 100m3 以上的發(fā)酵罐，由于設備的質(zhì)量較大，應選用裙式支座。 種子罐 發(fā)酵所需的種子從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴大至一級乃至二級種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。 種子罐容積和數(shù)量的確定 ①種子罐容 積的確定：接種量為 8%計算，則種子罐容積 V 種為： 344m%8550%8 ????? 總種 VV