发酵工厂设计概论课程设计模版

1、发酵工厂设计概论课程设计模版空气系统：1 .空气压缩机：无菌空气消耗量：（150*0.7*18+10*0.7*6 ）*0.2= 386.4（ m3/min），查化工工艺设计手册（第二版）初选固定式空气压缩机 72- 100/8型。排气量100 m3/min，外形尺寸2950X 1850X 2890,取四台并联工作2 .空气贮罐：V = 0.2W = 0.2X（ 100X 4）= 80m3拟选用两台相同容积的空气贮罐，各40 m3 ,设高径比2.5： 1n 2贝U D2.5D = 40，贝y D = 2.74m, H = 2.5D = 6.85m43 .第一冷却器：压缩空气温度125 C 35C

2、冷却水温度33 C 28 C t1=92C t2= 7Ct平均92- 733.0经绘图试排，得管中心一排管子为15 根，即 n l=15取总传热系数 K = 7.5 kcal/(m 2 h ) = 87.20 w/(m 2 C )换热面积：AQ =8.6105 103299.3m2K t平87.20 33.0（据各厂经验，每 1m3空气需冷却空气 0.751m2） 拟选用公称换热面积为 40m2的列管式换热器8台。附：40m2的列管式换热器的设计计算。采用25X 2的无缝钢管，取每根管长为 3米。 .管子的排列及管体直径：A管子数目：n A-d平IA=40m 2, d 平=1 / 2 X (2

3、5+21) = 23mm = 0.023m, l=3m403.14 0.023 3185(根)管子采用三角形排法。取管中心距t=1.3X d 外=1.3 X 0.025= 0.0325 米取 32mm壳体直径D内=t（ni i）+d外+2=0.032 X (15 1) + 0.025+2 X 0.032 = 0.537m取D内为0.55m壳体壁厚及长度：18按内压圆筒计算壁厚PD内2取设计压力P=0.5MPa，内径 D 内=0.55m = 55cmP108)S =127MPa , A 1焊缝系数，1= 0.28cm（发酵工厂设计概论0.5 552 127 1 0.30.28 0.39( cm)

4、取为S=4mm壳体长度 L=6 D 内=6X 0.55 = 3.3m（壳体长度与直径之比以46为宜 （发酵工厂设计概论）管板厚度（不带法兰）s 9外i8d外=25mm，取l=12mm （腐蚀裕度（发酵工厂设计概论）S=25 / 8+12=15mm若是带法兰，则按法兰规定取S=2mm.挡板：采用圆缺形挡板，取缺口高度为直径的25%, （10%40%）则切去的弓形高度=0.55X 1 /4= 0.1375m 取为0.137m)挡板距0.55 X 1/2 = 0.275m（壳体直径的1 /31 /2 （化工设计手册挡板块数=3/ 0.275 1 = 10块4 第二冷却器：平均温度差 t平压缩空气温度

5、35 C> 25C冷却水温度23 C>18C t1= 12C t2= 7C t 平=（12 7） /Ln（12 / 7）= 9.3 C取总传热系数 K=150千卡/米2 时C= 174.40W/m2C换热面积 A = 1.432 1088.3 m2K t平 174.40 9.3Q = 6.547 103 K t平50 73.617.8m2拟选用公称换热面积为 40m2的列管式换热器3台。平均温度差 t平压缩空气温度25 U，34 C冷却水温度on厂x.4 on c80 C，130 C t1 = 55 C t2= 96 C t 平=(96 55)/ Ln(96 /55) = 73.6

6、 C取总传热系数K=50W/m 2 C（列管式换热器5 .加热器:换热面积拟选用公称换热面积为 25m2的列管式换热器1台。附：40m2的列管式换热器的设计计算。采用25X 2的无缝钢管，取每根管长为 3米。.管子的排列及管体直径：管子数目116(根)3.14 0.023 3管子采用三角形排法。取管中心距t=1.3 X d 外= 1.3X 0.025 = 0.0325 米取 32mm经绘图试排，得管中心一排管子为12 根，即 n 1=12壳体直径D内=| 1)+d外+2t=0.032X (12 1) + 0.025+2 X 0.032= 0.442m 取D内为0.45m壳体壁厚及长度：按内压圆

7、筒计算壁厚PD内2取设计压力P=0.5MPa，内径 D 内=0.45m = 45cmS =127MPa ,(= 1 焊缝系数 ，1= 0.28cm（发酵工厂设计概论P108）0.5 452 127 1 0.30.280.37(cm)取为S=4mm壳体长度 L=6D 内=6X 0.55 = 3.3m（壳体长度与直径之比以46为宜（发酵工厂设计概论）管板厚度（不带法兰）Sl8d外=25mm，取l=12mm （腐蚀裕度（发酵工厂设计概论）S=25/ 8+12=15mm若是带法兰，则按法兰规定取S=2mm.挡板：采用圆缺形挡板，取缺口高度为直径的25%, （10%40%）则切去的弓形高度=0.45X

8、1 /4= 0.1125m取为0.112m挡板距 0.45 X 1/2 = 0.225m（壳体直径的1/31/2（化工设计手册）挡板块数=3/ 0.225- 1 = 12块6 .总过滤器：选用棉花纤维过滤器，选棉花纤维直径d=16m，填充系数a= 8%通风量386.4m3/min , p = 4kg/cm2，发酵周期72小时假设进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，空气流速v s= 0.1m/s查得 K'= 0.135cm-1 ，倒灌率 0.1%由 Lg（N 2/N1）= K'L 得 L= Lg（N 2/N 1）/- K'N1 = 5000X 386.4 X 60

9、X 72= 8.346X 109（个）N2= 10-3（个）39过滤层厚度L Lg（10 /8.424 10）95.745cm0.135过滤器直径D:空气压力 P1 = 1kg/cm2, P2= 4 kg/cm2V1 = 6.42m3/sV5 V1 -PlT5 6.42 1 307 =1.64（m3/s）F5 T14 301,'4VT ,4 1.64 、Y s 0.1'）计算过滤器压力损失:0.11 0.080.109(m/s)P5 To4 2732、-1.293= 4.600(N s/m )P0 T51 273+341.9 x 10 6 kg s/m2= 18.633 x 1

10、0 6(n s/m2)纤维直径df= 1.6 x 106md f vRe=16 10_6 0.109 4.600i18.6 10= 0.4313以棉花为过滤介质100cRe1000.4313231.857 P = cL2 v2 mn d f231.857 95.745102 4.600 0.1092 0.081.45n 16 10= 12399.62( Pa)m实验指数， m = 1.45c阻力系数，棉花介质c= 100/Rea介质填充系数，a= 8 %7 管道设计：.空气管道：取流速15m/s(发酵工厂设计概论P173)d(mm) 18.8包V u(m/s)空压机> 贮罐：Q2 = V

11、2= 2.12m3/s= 7632m3/hd 18.8, °2424.1(mm) u贮罐> 一冷：d = 424.1mm一冷> 二冷：Q3= V3= 1.64m3/s= 5904m3/hQd 18.83373.0(mm)V u二冷>加热器：Q4 = V4= 1.59m3/s= 5724m3/h367.3(mm)加热器>总过滤器Q5 = V5= 1.64m3/s= 5904m3/h18.8匸u373.0(mm)以上管壁厚均取4mm一冷冷却水管：取流速u= 1.5m/s,28 °C：996.2 kg/m 3 ,33 C :994.65 kg/m(发酵工厂

12、工艺设计概论)W= 41.20kg/s'V1 4120 3600= 149.00(m3 /h)(996.2994.65)2d 18.8 V1 188 149.°°187.4(mm)u1.5二冷冷却水管：取流速u= 1.5m/s,18 C：3998.5 kg/m ,23 C :997.45 kg/mW= 6.86kg/s（发酵工厂工艺设计概论 ）V2 : 3600= 24.75(m3/h)(998.5 997.45)24.75 1.576.4(mm)加热器蒸汽管道> 进管：取流速u = 30m/s（饱和水蒸汽）（发酵工厂工艺设计概论）D= 0.0275 kg/s

13、V 储 3600= 66.27(m3/h) /00d 18.818.8 Io 28.0(mm)出管：80C水，取流速u= 2 m/sD 水=D 水蒸汽=0.0275 kg/s0 02753V3600= 0.102(m3/h)971.84.3(mm)2.6原材料、动力（水、电、汽、气）消耗定额及消耗量:2.6.1原材料消耗定额及消耗量表：序号名称规格消耗定额/每吨产品消耗量/年备注1薯干原料淀粉含量65.0%,水分w 15%1.65t32946t2a -淀粉酶液体，30000单位0.009t172.8t3(NH 4)2SO40.0026t51.9t4CaCO3含量98%细度90.0-95.0%

14、（通过 200 目）0.722t14430tQ/JX01-20005H2SO4含量98% 砷w 0.0002%0.68t13564.5tGB/T534-2002 优等品6活性炭0.02t405t2.6.2动力消耗定额及消耗量表:序号名称单位消耗定额/吨消耗量/年备注1新鲜水立方3264万30%2循环水立方70140万70%3自发电KWH8001600 万4外供电KWH5001000 万5蒸汽吨918万6烟煤吨1.224000263主要节能措施：本厂采用薯干原料发酵，原料易得便宜，发酵过程十分简单。在发酵过程中，将发酵罐灭菌蒸汽冷凝水和蛇管冷却水用于加热物料和后续精制工序，作为循环水使用。发酵分

15、批进行，保证生产顺利进行和设备的合理运用。设备一览表设备名 称技术参数规格设备位号个数生产厂家发酵罐公称容积150m3，罐内径4600mm，搅拌轴功率112.89KW，电机功率 127.74KW高 11.54m直径4600mmF-301-a-p18个上海咼机生 物工程公司种子罐容积10 m3F-302-a-f6个上海咼机生 物工程公司空气压 缩机72- 100/8型，排气量100 m3/min ,2950X1850X 2890J-504-a-d4台北京复盛机 械有限公司空气贮 罐容积40 m3D = 2.74mH = 6.85mR-506-a-b2台龙飞集团有 限公司列管式 换热器公称换热面积

16、为40m2H-50311台塞斯波国际 集团列管式 换热器公称换热面积为25m2H-5031台塞斯波国际 集团棉花纤 维过滤 器棉花纤维直径d=16 m，填充系数a= 8%直径4.5m上海一鸣过 滤技术有限 公司旋风分离器R-406上海一鸣过 滤技术有限公司分过滤 器R-303-a-p18个上海一鸣过 滤技术有限公司3.2材料表3.3.2公用系统流程图及平衡图新鲜水606.6t/d366t/d139.633t/d102t/d调浆 发酵罐锅炉空压冷冻站873.6t/d4.2-1水平衡图附表1：工艺计算年提供柠檬酸的20000 t,发酵产酸率13%，转化率100%，提取 率为90%，发酵染菌率为1%

17、,薯干淀粉量65%,年工作日为300天， 发酵周期64hr,辅助时间8hr,平均通过气比1： 0.2一.总物料衡算：一年发酵液量：V = 20000/ ( 13% X 90% X 99%)= 172666.84 (t/a)日产发酵液：172666.84/300 = 575.556 (t/d)每日提取柠檬酸量：575.556X 13% X 90% = 67.34(t/d)柠檬酸废母液量(以排出废母液含柠檬酸0.7g/dl计):(575.556X 13% - 67.34) /0.7% = 1068.9 ( m3/d)发酵罐培养基配方：薯干粉：18%, a -淀粉酶0.1%种子罐培养基配方：薯干粉：

18、18%,(NH4) 2SO4：0.5%接种量 6% , 种子液量：6% X 575.556 = 34.53 (t/d)薯干原料：(575.556 + 34.533)X 18% = 109.82 (t/d)a -淀粉酶:575.556 X 0.1% = 0.576 (t/d)(NH4) 2SO4= vX 0.5% = 34.533X 0.5% = 0.173 (t/d)中和时：100kg 柠檬酸(-水)需 100%CaC0371.43kg ；则 CaCO3用量：67.34X 10 X 71.43/1000=48.1 (t/d)H2SO4 用量约为 CaCO3 用量的 94% : 48.1 X 0

19、.94=45.215 (t/d) 活性炭用量约为柠檬酸量的2%: 67.34*2%=1.35 (t/d)一年消耗原料：薯干原料a -淀粉酶(NH4) 2SO4100%CaCO398% H 2SO4活性炭32946t172.8t51.9t14430t13564.5t405t配料桶中加水量G :109.82*65%/ (G+109.82) =13% 宀 G=439.28 (t/d)配料桶中物料总量：439.28+109.82=549.1 (t/d)发酵过程中从排风中带走的水分：设进风温度为34度，相对湿度为60%，水气分压42.2mmhg，压力为1.5个大气压(表)， 排风温度为34度，相对湿度为

20、100%，水气分压为 42.2mmhg，压力为0.5个大气压(表)， 则进出空气的湿含量差为：X 进=0.622* (42.2*0.6/ (2.5*760-42.2*0.6 ) =0.0084kg 水/kg 干空气X 出=0.622* (42.2*100%/ (1.5*760-42.2*100% ) =0.0239kg 水/kg 干空气带走水量：575.556*0.15*60*72*1.147*(0.0239-0.0084 ) =6.63 (t)每天带走水量：6.63/3=2.21 (t/d)检测及放罐损失：0.5t发酵罐内粉浆量为：549.1-549.1*0.1=494.19 (t/d)根据

21、物料平衡加入的水量：575.556+6.63+0.5-494.19-0.5783-34.533=53.39 (t/d)采用121度，0.4mpa的蒸气进行加热粉浆干物质浓度：109.82*87%/549.1=17.4%粉浆比热：C=C0*x/100+ C 水* (100-x) /100=3.722 ( KJ/kg k)水比热：4.18 (KJ/kg k)1 蛇管蒸气加热阶段：物料温度变化：5度>80度121度水蒸气的汽化潜热为：2723.83 kJ/kg每罐的物料量为：(494.19+0.576+53.39 ) /6=91.36 (t)根据热量平衡：91.36*1000*3.722* (

22、 80-5) = ( 2723.83+4.18* (121-70) *G取冷凝水出口温度为 70度冷凝水量： G=8683.37 ( kg)2 直接蒸气加热阶段：物料温度变化：80度>121度根据热量平衡：91.36*1000*3.722* (121-80) =2723.83*G '取最终温度为121度蒸气量 G' 5118.42 (kg)若有 5% 的损失，蒸气每天平均用量：(8683.37+5118.42) *6/ (24*0.95 ) =3.632 (t/d)补水量：53.39-5.12=48.27 (t/d)每罐补水：48.27/6=8.045 (t/d)3 冷却

23、阶段：将培养基冷却至34度，取冷凝水出口均温为80度，进口温度为30度，则:m 水*C 水*( 80-30)=g*c* ( 121-34)m 水*4.18* ( 80-30)=91.36*1000*3.722*( 121-34)m 水=141.549( t/d)每天冷却水用量：6*141.549=849.29 ( t/d)平均用量：849.29/24=35.387( t/d)设冷却时间为 3h,高峰用量为：849.29/3=283.1 (t/d)=78.64( kg/s)30度时水的密度为995.7kg/m3，则体积流量为：78.64/995.7=0.079m 3/s三空气系统：1 发酵罐耗气

24、：单罐发酵过程用气量 V :填充系数：0.7通气比：1： 0.2V=150 *0.7*0.2*60=1260( ni/h )单罐年用气量Va：发酵周期64h，每年单罐发酵批次：100Va=V*64*100=8.064*10 6 ( n3)2 .种子罐耗气：单罐发酵过程用气量 V'：无菌空气取发酵罐的25% V ' =25%*1260=315 (nf/h )单罐年用气量：Va' =25%*8.064*106=2.016*10 6 (M5)3.发酵车间无菌空气高峰用量：Vmax=6*315+18*1260=24570 ( n3/h ) =409.5 (niVmin ) =6

25、.825 ( m/s )4 .发酵车间无菌空气年耗量：V=2.016*10 6*6+8.064*10 6*18=1.57*10 8 (m5)发酵罐公称容积发酵罐耗气量种子罐耗气量咼峰耗气量年空气耗量150m51260m3/h315用巾24570m5/h1.57*10 8m55 水衡算：由空气过滤系统进入发酵车间的空气量为409.5 ( n?/min ),即6.825 (nf/s ),此时空气的温度应控制在 32C，换算成空气系统的采风量。设采风口空气平均温度为28C，即n=28 CV采气=6.825 273+ 28 = 6.735(m3/s)273+ 32.压缩前：T1= 273 + 28 =

26、 301 ( K)R= 1kg/cm2 = 98070PaV = V采气=6.735 m 3/s28C饱和水蒸气分压：Ps= 3815.4 Pa （化工原理化学工业出版社）相对湿度80%，即卩$ 1 = 80%空气湿含量：H,0.622 聖0.0200（kg/kg干空气）RPsi湿空气比容：273 t13(0.772 1.244H1)10.879(m'/kg)273湿空气重：G湿 1 = V1/ u = 6.735/0.879 = 7.662 ( kg/s ) 空气中水蒸气含量：1G 水 1= 0.02007 .6620.15 (kg / s)1 + 0 . 020干空气重量：G=G湿

27、 1-G水 1 = 7.662 0.15 = 7.512 ( kg/s ).压缩后:空气温度:m 11.25 1398K125 CT2匚(氏产301 (丄)方P14空气体积：V2 V1 -PlT1B T1139836.735 1 398 = 2.226(m3/s)4301设空气由P1= 1kg/cm2被压缩到 P2= 4 kg/cm2 , m为多变指数，取 1.25 .第一冷却器：设空气由125C冷却到35C，冷却水选用自来水，水温由28C上升到33C一级冷却后：空气温度：T3 = 273+ 35= 308K此温度下饱和水蒸气分压：PS3= 5621Pa （化工原理化学工业出版社）空气相对湿度

28、：03= 100 %空气压力：P3= P2= 4P1= 392280Pa空气体积：P3 T113086.735=1.723(m3/s)4301空气湿含量:0.622 -P33 Ps30.00904(kg/kg干空气)空气中水蒸气含量：G水3= G干 H3= 7.512*0.00904=0.0679( kg/s )空气冷却后冷凝水量：G冷=G水1-G水3 = 0.15-0.0679=0.0821(kg/s )空气由125 C冷却到35 C，定性温度:125 35280 C此条件下干空气比热 C干=0.24kcal/（kgC） = 1005 J/ （ kg K）水蒸汽比热 C蒸=0.465kcal

29、/（ kg C） = 1946 J/ （ kg K）（发酵生产设备轻工业出版社）冷却空气放出的热量：5Q1= G干C干(t2-t3 )= 7.512 X 1005X( 125 35)= 6.79 X 10 (J/s ) 冷却空气中水蒸气放出的热量：4Q2= G水 1C 蒸(t2-t3 )= 0.15 X 1946 X( 125 35)= 2.627 X 10 (J/s ) 冷凝空气中水蒸汽放出的热量：水蒸汽在35 C时汽化潜热丫= 2412.6 kj/kg(化工原理化学工业出版社)35Q3 = G冷丫 = 0.0821 X 2412.6 X 10 = 1.98 X 10 (J/s )5总热量：

30、Q总 1= Q1+ Q2+ Q3= 9.0327 X 10 (J/s )冷却用水量：=43.22(kg/s)9.0327 1054.18 103(3328).第二冷却器：设空气由35 C冷却到25C，冷却水选用深井水，水温由18C上升到23C二级冷却后：空气温度：T3 = 273+ 25= 298K此温度下饱和水蒸气分压：PS4= 3168Pa （化工原理 化学工业出版社）空气相对湿度：03= 100 %空气压力：P3= P2= 4P1 = 392280Pa空气体积：V4129836.735=1.667(m3/s)P44301空气湿含量：H40.622 -亠弘0.005064（kg /kg干空

31、气）P44Ps4空气中水蒸气含量：G水 4= G干7.512*0.005064=0.038( kg/s )空气冷却后冷凝水量:G冷 = G水 3 G水 4 = 0.0679-0.038=0.0299( kg/s )空气由35 C冷却到25 C,定性温度:30 CC 干=0.24kcal/(kg C) = 1005 J/ ( kg K)t 35 252此条件下干空气比热水蒸汽比热 C蒸=0.465kcal/( kg C) = 1946 J/ ( kg K)（发酵生产设备轻工业出版社）冷却空气放出的热量：Q1= G干C干（t3-t4 ）= 7.512 X 1005X（ 35 25）= 7.55 X 104 （J/s ）冷却空气中水蒸气放出的热量:Q2= G水3C蒸(t3-t4 )= 0.0679 X 1946X( 35-25)= 1321.334 (J/s )冷凝空气中水蒸汽放出的热量：水蒸汽在25C时汽化潜热丫= 2433.9 kj/kg(化工原理化学工业出版社)34Q3 = G冷丫 = 0.0299 X 2433.9 X 10 = 7.277 X 10 (J/s )5总热量：Q总 2= Q1