发酵工程设计概论课件第七讲

1、例1：啤酒厂糖化锅的设计计算一、糖化锅的结构设计 1、糖化锅是圆柱筒体器身，径高比D:H= 2:1，锅底为标准椭圆形封头（带夹层）和锥形顶盖的容器。 2、糖化锅采用蒸汽夹套加热形式。 3、为了保持醪液的浓度和温度均匀，在靠近锅底处，设有桨式搅拌器旋转，由电动机通过减速器直接带动搅拌器旋转。 4、锅盖的顶部设有排气管，高约15m，筒顶设有风帽 。 12二、糖化锅的设计计算1、主体尺寸的确定设一批糖化过程中： 麦醪质量G=33792kg 米醪质量G=20726kg 麦醪密度=1068kg/m3 米醪密度=1018kg/m3 糖化锅填充系数=0.65所以V有效=G麦醪/麦醪+ G米醪/米醪 V总=V

2、有效/ = 33792/1068+20726/1018 =52/0.65 =52m3 =80 m33采用圆柱筒体器身 径高比D：H=2：1。锅底为标准椭圆形封头 短半轴长D/4。所以，V总=*（D/2）2*H+*D3/24*经计算 D=5.35 m 取 D=5400 mm，H=2700 mm。锅底封头高度hD/41350mm 升气筒直径D1D/(40)0.55.4/(40)0.50.865(m)42、部分管径尺寸的计算 （1） 糊化醪进入糖化锅管径d1 Q=w*（d1/2）2*3600 d1=18.8(Q/w)1/2 单位mm糊化醪体积 V=G/r r-为糊化醪的密度，取1018kg/m3 V

3、=20736/1018=20.4 m3 Q=V/t=20.4*60/20=60.12 m3/h 可求得 d1=93 mm 查表12，取无缝钢管外径108mm，壁厚4mm。Q流体流量 （m3/h） W流体流速（m/s） w进料速度，取2.5m/s t 进料时间，取20min5（2）出料管直径d2 糖化醪 G=54518kg 体积 V=54518/1068=51 m3 设糖化醪在30分钟内打入过滤槽，速度w=2m/s. Q=V/t=51/0.5=102m3/h 则 d 2=18.8(Q/w)1/2 =134 mm 查表12，取无缝钢管外径为159mm, 壁厚为4.5 mm6(3)进料管径d3设进料

4、速度为4 m/s, 进料麦芽醪为33792 kg, 设下料时间为 10min 麦芽醪体积 V=33792/1068=31.6m3麦芽醪下料流量 Q=V/t=(31.6/10)*60=190 m3/h d 3=18.8(Q/w)1/2 =129.6 mm查表12，取无缝钢管外径为159 mm, 壁厚为4.5mm.以上三个管的进出物料最终由同一个管打入（打出）糖化锅，根据以上计算结果，选用公称直径d150mm，外径159mm，壁厚4.5mm的无缝钢管。7(4)蒸汽管管径d4 由热量衡算，糖化锅蒸汽耗量为2367941 KJ， 用时15 分钟（0.25h），则蒸汽流量 D = Q/t(Ii) = 2

5、367941/0.25(2725.3561.47)95 = 4607.7 kg/h蒸汽密度 r1.621/m3 蒸汽流量V=4607.7/1.621=2842.5 m3/h 查生物工程工厂设计概论P179表7-1 蒸汽流速 W=20-40 m/s，取30 m/s d4 = 18.8(V/w)1/2 = 183 mm查表12，取无缝钢管外径为219 mm, 壁厚为6mm.83、搅拌器选取二折叶螺旋桨搅拌器，搅拌桨叶角=60 转数 N=30r/min=0.5r/s。 搅拌器直径 D0=2/3*D=3.6 m， 则 雷诺准数 Re= D02*N*/ =3.6*3.6*0.5*1068/0.002 =

6、3460320 10000 故为湍流状态。D=5.4 m粘度=0.002 N.s/m29搅拌功率准数 Np=A/Re+B（1000+1.2*Re0.66）/（1000+3.2*Re0.66）P（H/D）（0.35+B/D0）(sin)1.2 式中：B搅拌叶宽度，0.2m； H液面高度（m）； D糖化锅的直径，5.4m ； D0搅拌器的直径，3.6m； 搅拌叶与旋转平面所成角度，取=60 A 14(B/D)670(D0/D0.6)2185 B10exp1.34(B/D0.5) 21.14D0/DP 1.14B/D2.5(D0/D0.5)210 代入数值，可求得 NP=0.0987液面高度H =（

7、V有效- V封头底）4/（D2）+1.350 =（52-20.6）4/（3.145.42）+1.350 =2.72（m）11 则搅拌功率 P0=N3*D05* NP/ 1000 = 0.53*3.65*1068*0.0987/ 1000 =7.96 kw所以 电机功率 P=K*(K1*P0+ 0.5) /总 =1.2*（1.1*7.96+0.5）/0.4 =27.77 kw K-电机功率贮备系数,取1.2； K1-阻力系数取1.1；总-传动机构总效率取0.4; 0.5-传动过程中摩擦损失率选30kw的电机12 4、糖化锅锅体重量 （1）锅底重 选用标准椭圆封头 Dg540010 内表面积 F=

8、32.29 （m2） G1=F = 32.290.017900 =2535 (kg) （2）锅身重 G2=*D*H*2* =3.14*5.4*2.7*0.008*7900 =2894.84 kg密度=7900kg/ m3锅底壁厚 1=10mm锅身壁厚 2=8mm（3）锅顶重 G3=(D/2+d/2)(D/2-d/2) /sin60 =3.14(5.4/2+0.865/2) (5.4/2-0.865/2) 0.0037850 / sin60 =607(kg)3=3mm13（4）升气筒重 G4=*d *H“*3* =3.14*0.865*15*0.003*7900 =949.3 kg（5）估计其它

9、附件重 G5=650 kg（6）锅体重量 G=G1+G2+G3+G4+G5 =2535+2894.8+607+949.3+650 =7636.1 kg3=3mm升气筒高H“=15m14糖化锅的主要技术参数表项目参数有效容积（m3）52总容积（m3）74.3锅内工作压力（kg/cm3）常压锅身直径（mm）5400锅筒体高度（mm）2700封头高度（mm）1350升气筒直径（mm）865升气筒高度（mm）15000锅身壁厚（mm）8锅顶壁厚（mm）3锅底壁厚（mm）10锅底夹层厚度（mm）10搅拌器直径（m）3.6搅拌器转速（r/min）30电动机功率（kw）30重量（kg）763615例2：厌氧

10、发酵罐的设计计算16171二氧化碳排出2洗涤器3冷却夹套4加压或真空装置5人孔6发酵液面7冷却剂进口8冷却剂出口9温度控制记录器10温度计11取样口12麦汁管路13嫩啤酒管路14酵母排出15洗涤剂管路18一、发酵罐结构罐顶部分 罐顶为一圆拱形结构，采用标准椭圆封头，设有压力安全阀、真空安全阀、人孔、CO2排放管、CIP洗涤设备、压力传感器。19罐体部分罐体为圆筒体，设有温度传感控制器、取样阀罐体外部用于安装冷却装置和保温层，冷却夹套可采用无缝钢管盘成蛇管，并分成23段，用管道引出与冷却介质进管相连，冷却层外覆以聚氨酯塑料等保温材料，保温层外再包一层铝合金或不锈钢板。20圆锥底部分 圆锥底的夹角

11、一般为7075一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右。圆锥底的外壁设冷却层，有利于酵母的沉降和冷却保存。安装进出管道、阀门、视镜、测温和测压等传感元件。 啤酒是酸性饮料（pH 4-5），易造成罐壁材料腐蚀。制罐材料可用不锈钢或碳钢，若使用碳钢，罐内壁涂以对啤酒口味没有影响且无毒的涂料（如环氧树脂）。21二、设计：1 主发酵、后发酵在一个罐中完成2 储酒在清酒灌中完成3 D/H = 1:34 锥底排出角为73-755 采用不锈钢材质，= 7900 kg/m36 采用低温低压 (-3，0.03MPa)液态冷媒(20%-30%酒精溶 液)。冷却夹层分为三段,上段距发酵液面15cm向下排列, 中段在筒体

12、下端距支撑裙座15cm向上排列.锥底冷却夹层 尽可能接近排酵母口,向上排列.7 罐身壁厚 8 mm，封头及罐底厚 10 mm 22（一）主体尺寸 每批进入发酵罐的冷麦汁为 462364 L 发酵罐容积系数 = 0.85 H=3D 则发酵罐容积 V = V圆柱+V封+V底 =D2/4 *H+D3/24+/3（D2/4）(D/2)ctg(73/2) =462.364/0.85 经计算 D = 6 m 23H = 3D=18 m罐顶 h1 =0.25*D = 1.5 m罐底 h2 =D/2*ctg(73/2) = 4.05 m发酵罐总高 H 总= 18+1.5+4.05 = 23.55 m24（二）

13、 重量计算(1) 罐身 G1 = DH = 3.14*6*18*0.008*7900 = 21039.5 kg(2) 罐顶 F封 = 0.35D2+Dh1 = 0.35*3.14*36+Dh1 = 67.8 m2 G2 = F封 = 67.8*0.008*7900 = 4285 kg(3) 罐底 G3 = (1/2)D(D/2 / sin36.5) = 3.14 *3*(3/sin36.5)*0.01*7900 = 4465 kg 总重 G = G1+ G2 + G3 = 29789.5 kg25（三）发酵罐个数 N = V0z/24V总+1 = (667*480)/(24*575*0.85)

14、 +1 = 28.3 Z发酵周期h，480h； V0每天需发酵液体积 m3 V总发酵罐总容积 m326（四）冷却面积 (1)发酵最旺盛时放出的热量Q1 假设发酵最旺盛时每小时糖度下降1P,即 S = 1% =0.01 麦芽糖发酵,q1 = 100 kcal/kg糖 = 418kJ/kg Q1 = GS q1 = 115591.4*4*1.02*0.01*418 = 1971341 kJ/h G发酵罐内料液量 kg； S主发酵时糖度的下降百分数 27(2)散失于周围空间的热量 Q2 Q2 = kF表(t表-t空) 其中： k = 4.187(8+0.05 t表) = 35 kJ/m2 h k F

15、发酵罐表面积 m 2 k对流辐射联合的给热系数 kJ/m2 h k t表发酵罐表面温度 ,取8 t空周围空气温度 , 取20 所以： Q2 = 35*463*(8-20) = -194460 kJ/ht表 = 8t空 = 2528(3) CO2带走的热量Q3 按经验值 取Q1的5%， 则 Q3 = 0.05 Q1 = 0.05*1971341 = 98567 kJ/h(4) 实际通过冷却面积传递的热量Q Q = Q1-(Q2+Q3) = 1971341-(-194460+98567) = 2067234 kJ/h29(5) 求对数平均温度差tm 在发酵旺盛时,醪液温度 T = 8 已知冷媒温度

16、t1 =-5, 终温t2 = 1 tm = (T-t1)-(T-t2)/(T-t1)/(T-t2) = (8+5)-(8-1)/ (8+5)/(8-1) = 9.7 30(6) 传热系数K值 按经验 K = 2300 kJ/m2 h k(7) 冷却面积 F F = Q/Ktm = 2067234/2300*9.7 = 92.7m2(8) 冷却管的尺寸 采用 76*3 mm 钢管,管长 L = 92.7/（0.07*） = 421 m 31（五）CO2排出管直径的计算 CO2排出量V,由发酵反应式知 C12H22O11+H2O = 4C2H5OH + 4CO2 342 4*44每小时发酵糖量 4

17、62364*1.02*0.01 = 4716.11 kg/h伴随产生的CO2量为(标准状态) (4716.11/342) *4*44/3600 = 0.674 kg/s V标 =0.674/1.977=0.34 m3/sCO2的压力,设为1.5个大气压,温度与发酵温度相同 8 V = V标T/pT标 = 0.34*(273+8)/(1.5*273) = 0.233 m3/s32取CO2排出速度 =5 m/s (一般5-8 m/s)CO2排出管直径的计算 d = (4V/) = (4*0.233/3.14*5) = 0.243 m V CO2排出量 m3/s; CO2排出速度 m/s33一、发酵

18、罐的结构密封式受压设备。包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、搅拌轴、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔以及管路等。 例3:机械搅拌通风发酵罐的设计计算341、罐体罐体：圆筒体，两端为椭圆形封头，焊接或法兰连接材料：不锈钢设计压力：2.5kg/平方厘米（0.25MPa）罐顶上的接管：进料管、补料管、排气管、接种管。罐身上的接管：冷却水进出管，进空气管，温度电极、pH计等测控仪表接口。352、空气分布装置 吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置：单管式。管口：对正罐底中央，与罐底的距离约为40毫米。空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气 泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传递效果风管内空气

19、流速取20m/s363、轴封轴封作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。其优点：清洁密封可靠使用寿命长摩擦功率耗损小轴或轴套不受磨损374、搅拌器和档板38搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。档板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向 流，促使流体激烈翻动，增加溶解氧。通常档板宽度为0.1D。39二、发酵罐的设计计算1、生产能力的计算 现每天产纯度99%的味精33.4吨，谷氨酸生产周期为48h，每吨100%的味精需发酵糖液13.36m3 。则每天需发酵液体积为V发酵：V发酵=13.3633.499%=442（m3）402、发酵罐个数的确定选

20、择公称容积为100 m3 （总容积V总=118 m3）的六弯叶涡轮机械搅拌通风发酵罐，则需要发酵罐个数NN= V发酵/（V总24）=44248/（1180.7524）=9.98个则需要取公称容积为100 m3的发酵罐10个 413、罐体尺寸计算： 径高比H：D=2：1 V总=2V封+V筒=23.14D3/24+0.785D22D=118m3 解得D=4m， H=2D=8m封头高H封=ha+hb =1000+50=1050mmH总=H+2H封=8+21.05=10.1m424、搅拌功率的计算淀粉水解糖液细菌醪，可视为牛顿流体，计算步骤如下：（1）计算Re： Re=D2N/式中：D搅拌器直径1.3

21、m； N搅拌器转速，95/60=1.58r/s； 醪液密度，1050kg/m3 醪液粘度，1.310-3N.s/ Re=1.321.581050/（1.310-3） =2.2106104， 视为湍流，则搅拌功率准数为Np=4.7(选取圆盘六弯叶涡轮)43（2）计算不通气时的搅拌轴功率P0： P0=NpN3D5 =4.71.5831.351050=72272W=72.3KW 两挡搅拌 P0= 2P0=144.6KW 44（3）通风时的轴功率Pg： Pg=2.2510-3(P02ND3/Q0.08)0.39 (KW) 式中： Q为通风量，设通风比vvm=0.11，则 Q=79.10.11106=8

22、.7106（ml/min） Pg=2.2510-3(144.62951303/Q0.08)0.39 =116100W=116.1KW45(4)求电机功率P电： P电=Pg/(123)1.01 采用： 三角带传动1=0.92； 滚动轴承2=0.99； 滑动轴承3=0.98； 端面密封增加的功率为1%，代入公式计算数值得： P电=116.1/(0.920.990.98)1.01 =130.1KW465、壁厚计算(1) 筒体壁厚sP设计压力(MPa)，最高压力的1.05倍。D 设备内径（cm） 钢材的许用应力，如A3的=127MPa。 焊缝系数，0.5-1之间，取0.7。C 壁厚附加量（cm）C=C

23、1+C2+C3C1 钢板负偏差，根据钢板厚度查表得，0.13-1.3mm，取0.8mmC2 腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm，取2mmC3 加工减薄量，冷加工取0，热加工封头C3 =S10%。（cm）47C=0.8+2+0=2.8(mm)=0.28(cm)查附表13碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，选用12mm厚A3钢发酵罐的筒壁厚计算48（2）封头壁厚：标准椭圆封头厚度计算公式如下：式中： P0.4MPa; D400cm; 钢材的许用应力，如A3的=127MPa。 焊缝系数，取0.5-1之间，取0.7。C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）查附表16碳钢椭圆形封头最大许用内部应力，圆整为S=14mm496、接管直径的确定（1）排料管管径的计算：该罐实装液量1180.75=88.5m3，设2小时之内排空，则物料体积流量 Q=88.5/36002=0.0123（m3/s）发酵醪液流速取v=1m/s,则排料管截面积为F， F=Q/v=0.0123/1=0.0123m2则管径 d=（F/0.785）1/2 =（0.0123/0.785）1/2=0.125m取无缝钢管1334，管内径为125mm，满足要求。 50（2）进料管直径：40min打入88.5m3物料，