【正文】 情況下的攪拌功率可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算： N=φn3D5ΡN1 式中： N——不通風(fēng)情況下的攪拌功率(W) φ——攪拌器的組數(shù)(取2組) n——攪拌器的轉(zhuǎn)速(r/s) D1——攪拌器的直徑(m) ρ——攪拌液的密度(kg/m3) N1—— 攪拌功率準(zhǔn)數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)功率準(zhǔn)數(shù))，它是攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的函數(shù)當(dāng)Re=nD12ρ/μ﹥10000時(shí)，N1是一個(gè)只與攪拌器形式有關(guān)的常數(shù)：六平葉形式渦輪漿的N1值= D1=(m) 取轉(zhuǎn)速n=140r/min 液體黏度μ= ρ=1060kg/m3解得：Re=nD2ρ/μ=[(140/60)1060] 103/=107﹥10000(湍流)根據(jù)通風(fēng)公式：Nr=解得：Nr=2(140/60)31060=2156462(W)② 啟動(dòng)功率攪拌器在啟動(dòng)時(shí)要克服轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件和液體的慣性，所以啟動(dòng)功率比正常轉(zhuǎn)時(shí)所需功率要大得多，以往在設(shè)計(jì)時(shí)往往選用較大的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明：?jiǎn)?dòng)功率僅與攪拌器型式，轉(zhuǎn)數(shù)和啟動(dòng)時(shí)間有關(guān)。啟動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短是由電動(dòng)機(jī)的大小和轉(zhuǎn)動(dòng)需要功率的大小來(lái)決定的，只要電動(dòng)機(jī)能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的負(fù)荷，在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)過(guò)載，所以只須按照攪拌功率選用所需電動(dòng)機(jī)就了，對(duì)于較大的電動(dòng)機(jī)要采用啟動(dòng)器以延長(zhǎng)時(shí)間。⑶ 攪拌器的間距①最低一組攪拌器距離底的距離(s) S===(m) 式中：D1——攪拌器直徑②二組攪拌器之間的間距 S1=()/2=(m) 式中：HL——液體深度。檔板的作用是改變液體的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。豎立的蛇管，列管，排管，也可以起擋板作用，本人選用列管，所以在此不用設(shè)擋板?，F(xiàn)在普遍采用的空氣分布裝置是單管式空氣分布裝置，向下的管口與罐底的距離約30～60mm，為了防止分布管吹入的空氣直接噴擊底部，加速罐底腐蝕，在分布裝置的下部裝置不銹鋼的分散器，可延長(zhǎng)罐底的壽命。單管管徑由下式計(jì)算確定 d= (m)式中：Q——通風(fēng)量(，20 oC) p——出口壓力=罐壓+ Z——液柱高度(m) t——發(fā)酵液溫度(oC) ω——空氣流速，取20m/s解得：d= (m)罐的換熱裝置有三種形式，分別是：⑴夾套式換熱裝置：其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，罐內(nèi)無(wú)冷卻設(shè)備，死角小，有利于發(fā)酵等。缺點(diǎn)為傳熱壁厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差，要是發(fā)酵時(shí)不好控制溫度。⑵豎式蛇管換熱裝置：其優(yōu)點(diǎn)為冷卻水在管內(nèi)流速大，傳熱系數(shù)高，用水量小等。缺點(diǎn)為在高溫地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時(shí)降溫困難，影響發(fā)酵生產(chǎn)率，因此用冷凍水或冷凍鹽水，這樣就增加了設(shè)備的成本。⑶豎式列管(排管)換熱裝置：其優(yōu)點(diǎn)為加工方便，適用于高溫，水源地區(qū)等。缺點(diǎn)為傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量較大。 F=Q總/K tm(m)式中： Q總——主發(fā)酵期發(fā)酵液每小時(shí)放出最大的熱量(kJ/h) K ——換熱裝置的傳熱系數(shù)[kj/(m2hk)] tm——平均溫度差(oC) 設(shè)夏天主發(fā)酵每小時(shí)升溫t=12 oC，發(fā)酵液比熱C=[kj/(kgK)] Q總=GCt =140106012 =7069776(kj/h) 設(shè)采用深井水進(jìn)行冷卻，水溫從10 oC進(jìn)20 oC出，發(fā)酵液溫度控制不超過(guò)36 oC則 ：tm=[(t－t1)－(t－t2)]/ln = = 總傳熱系數(shù)取K =450[kj/(m2hk)] 傳熱面積： F=Q總/K tm=7069776/(450)=(m2)這個(gè)面積較大，為了減少列管冷卻面積，夏天在主發(fā)酵時(shí)可考慮外淋冷卻，其冷卻效果相當(dāng)列管的50%，現(xiàn)圓筒表面積為： F圓筒=πDH0 = =143(m2)相當(dāng)列管面積：14350%=(m2)發(fā)酵罐內(nèi)列管實(shí)際面積：=(m2)選冷卻管徑的外徑φ=65mm，則管長(zhǎng)：L=== (m)如果把列管分為4組，則每組長(zhǎng)：==147(m)，聯(lián)軸器和軸承軸封的作用是使罐頂或罐底與攪拌軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。現(xiàn)在普遍使用端面軸封結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明：端面軸封具有清潔、密封性能好、無(wú)死角，摩擦損失小以及軸無(wú)磨損現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，是一種適用于密封要求畫(huà)稿的發(fā)酵罐攪拌軸的密封方法。常用的端面軸封結(jié)構(gòu)見(jiàn)339，這是一種單端面外置式不平衡型端面軸封裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的密封是由一對(duì)摩擦副接觸處的緊密性來(lái)保證，摩擦副一般采用硬質(zhì)合金(也有用青銅和不銹鋼，但較易磨損)與不銹性石墨組成硬質(zhì)合金堆難焊于隨軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)上，接觸面需磨光至△8以上，不透性石墨一般作為靜環(huán)。兩接觸面的蜜蜂需要有一定的壓力。完全由彈簧來(lái)保證這種壓力的叫做不平衡型，利用罐內(nèi)壓力來(lái)抵消本身的壓力而僅由彈簧產(chǎn)生密封壓力的叫平衡型。平衡型端面軸封的使用壓力要比不平衡型大，因?yàn)榘l(fā)酵罐的操作壓力一般≤，所以一般采用不平衡型就可以了。彈簧的作用很重要，安裝是彈簧的壓力必須調(diào)整均勻，不然受力不均勻引起泄漏。壓力過(guò)大則石墨密封環(huán)磨損太快，并會(huì)發(fā)生都過(guò)熱等不正?，F(xiàn)象。端面密封目前還沒(méi)有完整的計(jì)算方法，一般是選用經(jīng)驗(yàn)值或者是近似值計(jì)算，下面分別討論其基本構(gòu)件。⑴ 環(huán)和靜環(huán) 有動(dòng)環(huán)和靜環(huán)所組成的摩擦副是機(jī)械密封最重要的元件。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)是在介質(zhì)中做相對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦滑動(dòng)，由于摩擦生熱，磨損和泄漏等現(xiàn)象，因此摩擦副設(shè)計(jì)應(yīng)使密封在約定的條件下，工作負(fù)荷最輕，密封效果最好，使用壽命最長(zhǎng)。動(dòng)環(huán)的材料可用鑄鐵、硬質(zhì)合金、高合金鋼管等，靜環(huán)最常用浸漬石墨或填充聚四氟乙烯。動(dòng)靜環(huán)要保持一定的浮動(dòng)性，使之摩擦損耗后仍能保持摩擦面的緊密配合。為此動(dòng)環(huán)與軸間應(yīng)留有一定的空隙，便于動(dòng)環(huán)的軸向移動(dòng)。～1mm，靜環(huán) 內(nèi)徑較軸徑大1～2mm，動(dòng)環(huán)的端面寬度應(yīng)比靜環(huán)大13mm。端面表面光潔度，對(duì)硬質(zhì)材料取△10～△11，對(duì)軟質(zhì)材料取△8～△9比較適合。⑵ 簧加荷裝置 彈簧加荷裝置的作用是產(chǎn)生壓緊力，使動(dòng)靜環(huán)面壓緊接觸，保證密封。一般軸徑￠28mm的情況下采用多彈簧結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是壓力勻稱(chēng)；軸徑￠22mm的采用單彈簧，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。彈簧座靠旋緊定螺釘固定在軸上，用來(lái)支撐彈簧。傳送扭具。彈簧壓板用來(lái)承受壓緊力，壓緊靜密封元件，傳動(dòng)扭具帶動(dòng)動(dòng)環(huán)。⑶ 輔助密封元件 輔助密封元件有動(dòng)環(huán)及靜環(huán)密封圈，用來(lái)密封動(dòng)環(huán)和軸及靜環(huán)與靜環(huán)座之間的縫隙。動(dòng)環(huán)密封圈隨軸一齊旋轉(zhuǎn)，故與軸和動(dòng)環(huán)是相對(duì)靜止的。靜環(huán)密封圈是完全靜止的。輔助密封元件有“O”形，“V”形，矩形等多種形式。常用的動(dòng)環(huán)密封圈為“O”形環(huán)，常用的靜環(huán)密封圈為平橡膠墊片。發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，而且軸徑是隨著扭矩大小有所變化的，為了加工，安裝，檢修方便，攪拌軸一般作成二節(jié)或三節(jié)，節(jié)與節(jié)之間用聯(lián)軸器連接起來(lái)。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼型兩種，小型發(fā)酵罐可采取法蘭將攪拌軸連接。為了使攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)靈活和減少震動(dòng)，需要在軸上裝上軸承，一般上軸承采用滾動(dòng)軸承(有的廠采用圓錐滾子軸承)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐還裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置都要求能適當(dāng)調(diào)節(jié)。中間軸承是安裝在罐內(nèi)的，可用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需家潤(rùn)滑又能防腐的滑動(dòng)軸承，一般可用硬木軸瓦或塑料軸瓦(如石棉酚醛塑料，聚四氯乙烯等。)軸瓦與軸之間的間隙要取的稍大一些，以適應(yīng)溫度差的變化，～%。底軸承可采用止推軸承，裝在軸的最下端，用支撐件加以固定。與罐內(nèi)軸承接觸處的軸頸極易磨損，尤其是低軸承處磨損更加嚴(yán)重，可以在與軸承接觸處的軸上添加一個(gè)軸套，用緊定螺釘與軸固定，這樣僅磨損軸套而軸不會(huì)磨損，檢修時(shí)只要更換軸套就可以了。 泡 裝 置谷氨酸發(fā)酵時(shí)會(huì)生成許多的泡沫浮在液面上，為了消除泡沫，除加消泡劑進(jìn)行消泡外，還要在發(fā)酵罐的攪拌軸上端裝有打泡器，位于液面略高之地方，其作用也是為了消泡(打碎泡沫)，常用的打泡器有梳齒式和耙式，～。 動(dòng) 裝 置小型發(fā)酵罐由于攪拌轉(zhuǎn)速較高，可采用電動(dòng)機(jī)與攪拌軸直聯(lián)的方式，而大多數(shù)中型發(fā)酵罐均須減速。減速裝置可采用三角皮帶傳動(dòng)、圓柱或螺旋圓錐齒輪減速傳動(dòng)機(jī)等。齒輪減速機(jī)的傳動(dòng)效率較高，但加工、安裝精度要求高。三角皮帶傳動(dòng)最為簡(jiǎn)易。可根據(jù)具體情況選用合適的減速裝置。溶氧系數(shù)通常都是由實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定的。測(cè)定的方法很多，最早的是亞硫酸鹽氧化法，用亞硫酸鹽氧化法測(cè)定的溶氧系數(shù)叫做亞硫酸鹽氧化值，以Ki表示，我國(guó)某科研單位經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，將操作條件與Ki值整理成函數(shù)關(guān)系式，得出機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的Ki可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 六平葉渦輪攪拌器： Ki=107()(W) 式中：Ki——溶氧系數(shù)(亞硫酸鹽氧化值)[mol/(mLmin大氣壓) N——通風(fēng)時(shí)的攪拌功率(kgm/s) V——發(fā)酵罐的液體體積(m3) W——空氣在壓力狀態(tài)下，在液體平均高度的通氣線(xiàn)速度(m/s) 如果通風(fēng)量指的是在吸入狀態(tài)下時(shí)，W必須采用下式計(jì)算： W=[Q/(60D2)] [(273+t)/(273+20)] {1/[P+(HLr/2)]} 式中：Q——通風(fēng)量(m3/min)(吸入狀態(tài)) D——發(fā)酵罐直徑(m) t——發(fā)酵液溫度(oC) P——罐壓(大氣壓)(絕壓) HL——液柱高度(m) r——發(fā)酵液相對(duì)密度(m)對(duì)于六葉渦輪攪拌器適用于HL/D=2的發(fā)酵罐。對(duì)于本人設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐而言D= HL= t=35 oC Q=(m3/h) 罐壓P=通風(fēng)時(shí)的攪拌功率N=2156462(W) 相對(duì)密度r=(kg/m3) 則： W= =(m/s)單位體積功率 ：=2156462/140=[kgm/(sm3)]本設(shè)計(jì)采用的是六平葉渦輪攪拌器 則： Ki=107()(W) =107 =106[mol/(mLmin大氣壓)] KLα，Kσα和Ki總稱(chēng)為溶氧系數(shù)，他們的換算關(guān)系大致如下：Ki和Kσ的意義相同，僅表示單位不同。因飽和溶氧濃度與操作壓力之間存在比關(guān)系，又液相中的溶氧濃度為0，相對(duì)的樣分壓也是0，所以用大氣壓作推動(dòng)力是合理的：Ki和Kσ的計(jì)算：Ki= Kσ103/(10660)=105 Kσ所以：Kσ=[mol氧/(mLmin大氣壓)]KLα，Kσα的換算：用亞硫酸鹽氧化法實(shí)驗(yàn)時(shí)，1個(gè)大氣壓下，t=25oC的飽和溶解濃度C*=，氧的分壓p=，根據(jù)式：KLα/ Kσα=(PP*)/( C*C)=(大氣壓L/mmol氧)=106(大氣壓mL/mol氧)KLα，Kσα和Ki的換算：Ki是以大氣壓為推動(dòng)力，而不是以氧分壓為推動(dòng)力。Ki=Kσα/60Kσα=104 [mol 氧/(mLh大氣壓)]因而Ki=()(KLα/106)(KLα的單位為1/h)但如果Ki是以氧分壓作為推動(dòng)力時(shí)，則： Ki= KLα/(90106)所以：KLα= 104 [mol氧/mLmin大氣壓] 發(fā)酵罐技術(shù)性能表表9 罐技術(shù)性能表公稱(chēng)容積(m3)200管身直徑(m)罐體高度(m)罐體總高(m)罐身壁厚(mm)14封頭厚度(mm)16攪拌器轉(zhuǎn)速(r/min)140罐內(nèi)工作壓力(mPa)冷卻形式列管冷卻冷卻面積(m2)攪拌軸功率2156電機(jī)功率(kw)2438發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)(個(gè))745沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn)[1] [M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社, 1999: 2029.[2] [M].中國(guó)輕工業(yè)出版社, 1985: 2629.[3] [M].北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 1999: 3235.[4] [M],上海: 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