年产6万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计

1、 生物工程与设备课程设计说明书年产6万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计专业班级：生物工程 作者学号：201106011158 作者姓名：张晓勇指导老师：王君高 王兰芝设计日期:2013年6月18日至2013年6月21日山 东 轻 工 业 学 院课 程 设 计 任 务 书食品与生物工程 学院 11 级 生物工程 专业 学生 张晓勇 题目：年产6万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计一、主要内容：1、物料恒算，计算发酵罐总容积；2、求发酵罐个数，取单罐公称容积200m3；3、公称容积200m3发酵罐设计（罐体尺寸、壁厚、搅拌器类型选择及尺寸设计、搅拌功率计算、搅拌轴直径计算、冷却面积计

2、算与设计）二、基本要求1、编写计算设计说明书（有前言、设计参数、物料恒算、发酵罐工艺设计，设计体会）2、用cad绘出发酵罐结构图。三、设计参数1、 糖酸转化率61% 2、发酵产酸水平11%3、 发酵周期32小时 4、发酵罐充满系数为0.75、 味精分子式187.13（c5h8no4na）.h2o 6、谷氨酸分子式147.13(c5h9no4)7、谷氨酸密度取1.553g/cm3 8、残还原糖0.8%，干菌体1.7% 9、谷氨酸提取率97.5%。 10、谷氨酸生产味精精制率为125% 11、空罐灭菌压力0.25mpa 12、年工作日安330天计算 四、主要参考资料1郑裕国生物工程设备化学工业出版

3、社20072高孔荣发酵设备 轻工业出版社1991.103梁世中生物工程设备轻工业出版社2002.24化工设备设计全书编辑委员会编搅拌设备设计上海科学技术出版社19855吴思方发酵工厂工艺设计概论中国轻工业出版社2007（6）化工工艺设计手册（7）于令信味精工业手册（8）张克旭氨基酸发酵工艺学轻工业出版社完成期限：自2013年 6月 18 日至 2012 年 6 月 21日指导教师：王君高 王兰芝 教研室主任：一、计算设计说明书前言机械搅拌式发酵设备和技术在整个制药、生物产品的开发过程中起着特别重要的作用。在众多类型的发酵设备中，兼具通气又带机械搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍，广泛使用于抗生素、

4、氨基酸、柠檬酸等各个领域。标准式发酵罐设计的技术关键在于搅拌技术复杂的气液两相流动问题上。机械搅拌式发酵罐不仅能为制药企业节省可观的投资，还可大大节省能耗等运行费用，同时提高产品产量与收率。在许多过程中，气液接触是十分重要的，气体需要与液体进行充分且有效的接触以提供足够的质量传递或热量传递能力。比如有的氯化和磺化反应是快反应，这需要搅拌器能提供很高的传质强度；有的反应需要吸收难以溶解的氧气，这又需要搅拌器能提供很高的分散能力。 早期研究认为，气液分散是气体直接被搅拌器剪切成细小的气泡而形成的。但近年的研究表明，气液分散是受气穴控制的。当气速过大或搅拌转速过低时，整个搅拌器被气穴包裹，气体穿过搅

5、拌器直接上升到液面，发生气泛。 气液接触过程的主要有有以下几种：气相和液相需要的停留时间分布、允许压力降、相对质量流率、是否逆流接触、局部混合能力、是否需要补充或移出热量、腐蚀条件、泡沫行为与相分离、反应时需要的流型、反应与传质的关系、层流和过渡区的流变行为等。这些因素又大都与搅拌器关系密切。搅拌槽内的气体分散大致有以下几个状态：气泛状态（大部分气体未分散，气泡沿搅拌轴直接上升到液面），载气状态（气体基本得到分散，分布器以下分布不良），完全分散状态。1、课程设计的性质 通过本次设计使同学对生物工程与设备的理论知识有更深刻的理解，生物工程与设备课程设计为必修课。同时也为将来走上设计岗位的同学打下

6、良好的基础。2、课程设计目的与任务任务：年产6万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计。目的：通过课程设计，使同学对工艺参数确定，物料恒算、发酵罐体积及尺寸确定、罐体机械强度、搅拌功率、搅拌轴及搅拌浆叶强度等计算能力得到锻炼。掌握工程设计基本程序及内容，熟练掌握电脑绘图及绘图质量。二、设计参数1、糖酸转化率61% 2、发酵产酸水平11%3、发酵周期32小时 4、发酵罐充满系数为0.75、味精分子式187.13（c5h8no4na）.h2o 6、谷氨酸分子式147.13(c5h9no4)7、谷氨酸密度取1.553g/cm3 8、残还原糖0.8%，干菌体1.7% 9、谷氨酸提取率97.5% 10、谷

7、氨酸生产味精精制率为125% 11、取（kw） 12、空罐灭菌压力0.25mpa13、年工作日安330天计算 三、物料衡算1、发酵罐总容积计算发酵罐总容积，决定于年工作日、每天生产谷氨酸量、发酵产酸水平、谷氨酸发酵周期、谷氨酸提取率、谷氨酸精制味精得率等。（1）年谷氨酸的产量=年味精产量125% =60000/1.25=48000t（2） 每天的谷氨酸产量=年谷氨酸的产量330 =48000/330=145.45t（3）发酵液密度（4）每天生产发酵液体积=145.45/1.050(11%97.5%)=1291.60m3 （5）发酵罐的总容积=每天生产发酵液体积发酵周期（小时）/24=（1291

8、.6032）/24=1722.1m32、求发酵罐个数，取单罐公称容积200m3查表6-2（发酵工厂工艺设计概论p102）得公称容积是200的发酵罐全容积为230。取充满系数为0.7.(1)单罐的有效容积计算=单罐公称容积罐的利用率=2000.7=140m3(2)发酵罐个数n计算n=/=1722.1/140=12.3 故取13个发酵罐。四、发酵罐工艺设计1、发酵罐直径及罐体高度计算根据发酵罐的公称容积，确定发酵罐的尺寸。已知发酵罐直径d，筒体部分高，发酵罐总高h。常见的发酵罐的几何尺寸比例如下：h/d=1.72.5 di/d=1/21/3 取1/3b/d=1/81/12 c/di=0.81.0s

9、/di=22.5 h0/d=2 通常，对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。所谓“公称体积”， 是指罐的通身（圆柱）体积和底封头体积之和。其中底封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。标准椭圆形封头体积为： -(1)式中：椭圆封头的直边高度，椭圆短半轴长度，标准椭圆。故发酵罐全体积为： -(2) （m3） -(3)发酵罐公称体积： 其中 =200 d=4.9m取发酵罐直径d=5 m 故发酵罐高=2d=10 m 取封头直角边，一般取值范围为5055mm，此处取封头直边为50mm. 发酵罐公称容积=(h+) =55(10+0.05+5)=213.58 m3发酵罐总高度=+2(+

10、)=10+2(0.05+54)=12.60m封头体积：=55(0.05+5)=17.33 m3发酵罐全容积v=+=213.58+17.33=230.89 m3 与查表得公称体积一致。2、 发酵罐壁厚计算式中：耐受压强，kg/cm2，表压；罐径，cm；焊缝系数，双面焊缝=0.8，无焊缝=1.0；腐蚀裕度，当-c1cm时，c=3mm；使用不锈钢0cr19ni9，其中钢板许用应力=130mpa 设计压力为0.25 1.15=0.3mpa表压=绝对压力-大气压力=0.3-0.1=0.2mpa取不锈钢板厚7mm。3、 搅拌器类型选择与设计搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌叶轮大

11、多采用涡轮式，最常用的是六直叶圆盘涡轮搅拌器、六弯叶圆盘涡轮搅拌器、六箭叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘作用是避免底部通入的空气从罐中心上升走短路。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌体系。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上。搅拌叶轮直径与罐径之比di/d=1/21/3。搅拌叶轮类型的选择主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。1、单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算式中 po-不通风时搅拌器输入的功率（w）n-涡轮转数（r/s）d-搅拌器直径（m） -醪液密度（kg/m3）np-功率准数若po单位为kw，n单位为r/min

12、。则： 已知六弯叶涡叶搅拌器叶轮直径di，盘径di,叶弦长l，叶宽b，di：di：l：b=20:15:5:4 搅拌器叶轮直径di=d由di/d=1/21/3，此时取di/d=2/5，即：di=1/3 d=1.7m。由标准圆盘涡轮搅拌器尺寸di：d：l：b=20:15:5:4得： 圆盘涡轮直径d= di 15/20=1.715/20=1.3m, 桨叶长l= di 5/20=1.75/20 =0.43m， 桨叶宽b= di 4/20=1.74/20=0.34m， 采用标准六弯叶圆盘涡轮搅拌器。2、多只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算 若是多档搅拌器，两档间距s，非牛顿流体s取2d，牛顿流体s取2.

13、5-3d；静液面至上档间距取0.5-2d, 下档搅拌器至罐底距离c取0.5-1d。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍：取（kw/m3） 两档搅拌 p0=163kw所以 n =63.1r/min所以n =64 r/min。不通风时实际功率：所以=170 kw3 、 通风时搅拌功率（）计算(kw) -（a）式中：、通风与不通风时的搅拌功率，单位kw。n搅拌转速（r/min）d搅拌器直径（m）q通风量（m3/min） 设通风比vm=0.22 则q=1630.2210=35.8610ml/min=35.86/min 代入式a 得通风时搅拌轴功率=148 kw 170kw故通风时

14、搅拌功率要比不通风时搅拌功率低，由于气泡存在使搅拌的液体密度下降。 4、 搅拌轴直径计算搅拌轴直径决定于搅拌轴的材料、转速、搅拌功率等。轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算，以便保证搅拌轴能安全平稳的运转。（1） 轴的强度计算对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。轴扭转的强度条件是：式中：截面上最大剪应力（kgf/cm2）；轴所传递的扭矩（kgf/cm）；抗扭截面系数（cm3）；降

15、低后的扭转许用剪应力（kgf/cm3）；轴扭转时材料的许用剪应力值是根据扭转实验所得的屈服极限或强度极限，再除以安全系数来决定的。轴直径为d，则 其中采用45号钢，按表1取=360，=，取d=140mm.（2）轴的刚度计算为了防止转轴产生过大的扭曲变形，以免在运转中引起震动造成轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，这就是设计中的扭转刚度条件，为此，搅拌轴要进行刚度计算。工程上以单位长度的扭转角，不得超过许用扭转角作为扭转的刚度条件。即：式中：轴扭转变形的扭转角（）剪切弹性模术，对于碳钢及合金钢g=8.1105（kgf/cm2）截面的极惯性矩（cm4）从式中可以看出，扭转变形的扭转

16、角的大小与扭矩成正比，与成反比。值越大，扭转变形越小。关于扭转角的选择应按实际情况而定，一般有如下规定：在精密稳定的转动中，可选取1/41/2。在一般转动和搅拌轴的计算中可选取1/21。对精度要求低的转动中可选取1。为了使用方便，以g=8.1105kgf/cm2 =为条件=955025367.1875n.m, =0.048根据搅拌设备设计计算,取b=10, 13.92cm即小于强度计算值，故轴径依强度计算为准，取轴直径为140mm.5、冷却面积计算及设计1.冷却面积影响发酵罐冷却面积的因素很多，诸如：不同的菌种系统、基质浓度、材质、冷却水温、水质、冷却水流速等。为保证发酵在最旺盛、微生物消耗基

17、质最多以及环境温度最高时也能冷却下来发酵热，必须按发酵生成热最高峰计算冷却面积。取每1 m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量为4.186000 kj，进水温度为t1=18，出水温度为t2=25，醪液温度t=33,传热系数k=4.18500 kjm2.h.对容积200m3的发酵罐，每罐的实际装液量为：v液=v全填充系数=2000.7=140 m3q总=4.186000140=3.5112106kjhtm=（t- t1）-（t-t2）ln（t- t1t-t2）=（33-18 ）-（33-25）ln（33- 1833-25）=11.1f= q总ktm=3.51121064.1850011.1=151

18、.35m2为了保证发酵罐的冷却，单是计算出冷却面积是不够的，还要足够的管道截面积，以提供足够的冷却水通过。（1）最大热负荷下的耗水量w：（5）式中每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积=4.186000140=3.5112106kjh冷却水的比热容，4.18kj/（kgk）冷却水终温25冷却水初温18将各值带入上式查表知则冷却水体积流量为：冷却水体积流量为1/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积=式中 w冷却水体积流量，=0.033冷却水流速，=1m/s代入上式：进水总管直径（2）冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为，管径，组数n，则=n0.785取8组冷却，则查表知，取

19、898mm型号无缝钢管 73mm 认为可以满足要求72.5mm现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250mm 则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为 d3.14500=1570mm（3）冷却管总长度l计算:冷却管总面积f=151.35m2 现取无缝钢管898mm，每米长冷却面积0.23lf/658m冷却管占有体积：v=0.7850.0890.089658=4.1每组管长l/n=658/8=82.25m另需连接管8m:可竖排直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可深入封头250m 设发酵罐内附件占有体积为0.5则：总占有体积+=140+4.1+0.5=144.6则筒体部分液深为：/=144.6-15/

20、0.78555=6.60m竖蛇管总高度：6.6+0.25=6.85m又两端弯管总长3.14500=1570mm， 两端弯管总高为500mm则直管部分高度:h=-500=6850-500=6350mm则一圈管长l=2h+26350+1570=14270mm每组管子圈数：=/l =82.25/14.3=6圈现取管间距为2.5=2.50.089=0.2225m列管与罐内壁的最小间距为0.3m罐外径d=5m，叶轮直径di=1.7m叶轮外边沿到罐壁的距离为(4)校核布置后冷却管的实际传热面积：= =3.140.0725666=156.84 m2而前有f=151.35m2f ，可满足要求。五发酵罐附件的设

21、计与选型1人孔选用人孔pg10dg500jb589-58，材料不锈钢2视镜选用带颈视镜pg25，dg80，h=100，hgj502-86-6补强圈尺寸确定如下： 内径d1=130mm 外径d2=200mm补强圈的厚度 s补按 s补=d*s0/(d2-d1)=80*6/(200-130)=6.9考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm3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：该罐实装140m2，设一小时内排空，则排料时的物料体积流量为：qv=m3h取发酵液流速为1ms,则排料管截面积a物= qvv=0.04m2管径d=，取无缝钢管2457，管内径d内=245-72

22、=231230，认为实用。设计每一个发酵罐有空气除菌系统，通风量为q1=140o.22=0.51m3s气态方程式计算工作状态下的风量：qf=m3s如果风速v=25ms，则风管截面积af=qfv=0.2425=0.01m2因通风管也是排料管，故取两者最大值，即取d=2457无缝管，可满足工艺要求。4.温度计取样接管见发酵罐总装图5.支座见发酵罐总装图六、发酵罐的技术要求和规范（1）技术要求1、本设备按gb150-1998钢制压力容器和hgj18-89钢制化工容器制造技术要求进行设计。2、筒体采用电弧焊，焊条型号：1cr18ni9ti间a102，1cr18ni9ti与q235间a302，q235间

23、t422。冷却盘管需打坡口，并采用氩弧焊，按焊接规程jb/t4709-2000。3、焊接接头型式及尺寸除图中注明外，按gb985-88中规定，角焊缝的焊角尺寸按较薄的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准的规定。接管法兰焊接均要求双面焊接并满焊。4、容器上的a类的b类焊缝应进行射线探伤检查，探伤长度为每条焊缝长度的20%,且不小于250mm，并符合jb4730-94压力容器无损检测中的规定级为合格。5、罐体内部所有部件焊接要求满焊，不得有任何缺陷，焊缝成形要好，焊后要打磨，并要酸洗钝化处理，酸洗钝化的钝化膜用蓝点法检查无蓝点为合格。罐体内部所有部件抛光应达到ra0.8。6、备组装后，在搅拌轴上端密封处测定轴的径向摆动量不大于0.3mm，搅拌轴轴向串动量允差0.2mm，搅拌轴下端摆动量不大于1.0mm。7、拌轴旋转方向和图示相符，不得反转。8.设备应进行下列实验：1）液压实验 2）气压实验 （2）发酵罐规范表圆柱椭圆底通风发酵罐的规范表名称200m椭圆