化工学院 优秀毕业设计-年产30000吨味精厂发酵罐的设计与选型

年产30000吨味精厂发酵罐的设计与选型摘要味精是烹饪中常用的一种鲜味调味品，主要以发酵法生产。本论文以年产30000吨为规模，针对味精发酵生产过程中最主要的设备发酵罐进行了模拟设计和选型。本论文设计分发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算和发酵罐的设计与选型两个部分，包括发酵罐型的选择和发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等计算，并绘制了发酵罐结构图和发酵设备图。关键词：味精发酵罐设计选型DESIGNANDCHOICEOF30000tMONOSODIUMGLUTAMATEFERMENTORABSTRACTMonosodiumglutamate，aflavorcookingspices，isgenerallyproducedbyfermentation.Thefermentor，majorfermentationproductionequipmentof30,000tonsofmonosodiumglutamatewasoneyear，wasdesignedandpickedoutinthispaper.Thepapercalculatedtheamountofusedsteamtosterilizetheemptyfermentor，sizeofthefermentor,materielsbalance，aswellastheotherjoinedequipments.Inaddition，Thefermentationequipmentplanswerealsogiveninthepaper.Keywords：FermentorMonosodiumglutamateDesignChoice目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IABSTRACT II1前言 12论文设计理念与方案 33论文设计主体 43.1发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算 43.1.1发酵罐体加热用蒸汽量 43.1.2填充发酵罐空间所需蒸汽量 43.1.3灭菌过程的热损失 53.1.4罐壁附着洗涤水升温所需蒸汽量 53.2发酵罐的设计与选型 53.2.1发酵罐的选型 53.2.2生产能力、数量和容积的确定 53.2.3主要尺寸的计算 63.2.4冷却面积的确定 73.2.5搅拌器设计 83.2.6搅拌轴功率的确定 93.2.7设备结构的工艺设计 103.2.8竖直蛇管冷却装置设计 103.2.9设备材料的选择 143.2.10发酵罐壁厚的计算 143.2.11接管设计 154设计结果与讨论 17参考文献 21谢辞 221前言味精，又名为谷氨酸钠，是烹饪中常用的一种鲜味调味品。烹调时在菜里或汤里略加少许味精，立刻可使菜肴的味道更佳鲜香浓郁、味美可口。2004年全球的味精市场约为1700000t，其年增长率预计为4%，2010年已达到2100000t[1]。由于我国味精产量增加，各项技术指标提高幅度大，产品成本降低，在国际市场上具有较强竞争力，2005年出口味精达100000t[2]。1909年味精作为商品问世以来已有101年历史[3]。早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产[4]。实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，制造味精是后续加工完成的。谷氨酸学名是α-氨基戊二酸，结构式为HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH[5]。谷氨酸在水中溶解度小，但其钠盐溶解度较大[6]。谷氨酸分子中有两个羧基，一个氨基，具有酸味，中和成一钠盐后，酸味消失而鲜味增加[6]。当前，我国的味精生产发酵法占统治地位，而发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需要的氧气。它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成[7]。现在国内最常用的发酵罐为200~400m3[2]，有关通用式发酵罐的系列尺寸如表1-1[8]所示。表1-1通用发酵罐的系列尺寸公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总高封头容积圆柱部分容积50L320mm640mm105mm850mm52L100L400mm800mm125mm1050mm100L200L500mm1000mm150mm1300mm197L500L700mm1400mm200mm1800mm540L3900mm1800mm250mm2300mm3331500mm3000mm400mm3800mm3310m31800mm3600mm475mm4550mm3320m32300mm4600mm615mm5830mm3350m33100mm6200mm815mm7830mm33100m34000mm8000mm1040mm10080mm3100m3200m35000mm10000mm1300mm12600mm3197m3不计上封头的容积全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式112mm470r/min25mm夹套112L123L135mm400r/min25mm夹套218L239L168mm360r/min25mm夹套595L649L245mm265r/min35mm夹套33315mm220r/min35mm夹套33525mm160r/min50mm夹套33630mm145r/min13kW65mm夹套33770mm125r/min23kW80mm列管51m331050mm110r/min55kW110mm列管109m3118m31350mmΔΔΔ列管213m3230m31700mmΔΔΔ列管近几年，随着味精生产的不断发展，产量迅速增加，生产规模不断扩大，作为发酵生产最关键的设备——发酵罐也在不断向大型化的方向发展。在发酵设备向大型化发展的同时，人们更加重视对设备结构上的改进。通过改进设备，增强了设备性能，降低造价，节约能源，提高了效益。应用新的现代化技术成果来提高设计水平，增加技术含量，不断改进发酵罐的结构设计是现在和今后的发展趋势。我国独立研发设计的790m3超大型发酵罐2006年已成功投产，该设备由沈阳宏成生物工程技术研发中心设计的，这是至今国内外最大容积的谷氨酸发酵罐[2]。此设备充分考虑了传质。传热、溶氧、功耗、细菌生长和发酵水平诸多因素。该设备投产、运行稳定，控制性能好，发酵产酸率和转化率都比较高。2论文设计理念与方案本论文拟选择味精发酵生产中最关键的设备，发酵罐作为设计主题，并以年产30000吨为规模进行模拟设计，并决定选用历史比较悠久，资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐，作为论文的主要设计目标根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：①结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；②有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；③在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；④有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；⑤有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。本论文设计原理是基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳状态，降低总的操作费用。另外，发酵罐内部状态也是不可忽视的影响因素。初步确定主要技术指标如表1-2所示。表1-2主要技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a30000(味精)生产方法采用淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点-离子交换法提取的工艺年生产天数d/a300产品日产量t/d100产品质量纯度99%设想设计分发酵罐应该包括空罐灭菌蒸汽用量计算和发酵罐的设计与选型两个部分，发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算有助于发酵罐的改进，达到节约能源、降低生产成本的目的。其次还应该选择发酵罐罐。决定发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等计算，此外，还应该绘出发酵罐结构图和发酵设备图。根据以上思路，初步考虑论文进行过程可以分为四个阶段：第一阶段：查阅资料、构思、初步考虑发酵罐及相关设备轮廓。第二阶段：论文进行实施阶段，包括计算、绘图等。第三阶段：论文写作、完善数据阶段。第四阶段：递交初稿，根据导师要求修改、定稿，准备答辩。3论文设计主体3.1发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算3.1.1发酵罐体加热用蒸汽量发酵罐公称容积200m3，材料为碳钢，发酵罐罐体重32.78t，比热容0.5kJ/(kg·℃)，使用0.4MPa蒸汽(表压)灭菌，发酵罐罐压保持在0.15MPa(表压)下，由20℃升至127℃，维持1h[2]。其蒸气用量为：(3.1.1-1)式中2748.5——0.4MPa(表压)蒸汽热焓，kJ/kg[2]——0.15MPa，127℃时蒸汽凝结水热焓，kJ/kg[2]每日用蒸汽量为：(3.1.1-2)平均用蒸汽量为：(3.1.1-3)3.1.2填充发酵罐空间所需蒸汽量公称容积200m3发酵罐的全容积为230m3，其蒸气用量为：(3.1.2-1)式中ρ——加热蒸汽的密度，ρ3[2]发酵罐灭菌(0.15MPa，表压)1h。每日用蒸汽量为：(3.1.2-2)平均用蒸汽量为：(3.1.2-3)3.1.3灭菌过程的热损失辐射与对流联合给热系数α，罐外壁温度60℃[2]。(3.1.3-1)200m32[2]，消耗蒸汽量为：(3.1.3-2)3.1.4罐壁附着洗涤水升温所需蒸汽量(3.1.4-1)——附壁水平均厚度，m[2]3.2发酵罐的设计与选型3.2.1发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。3.2.2生产能力、数量和容积的确定(1)发酵罐容积的确定：选用公称容积为200m3的发酵罐。(2)生产能力的计算：每天需糖液体积V糖为：(3.2.2-1)——生产1t味精(100%)的发酵液量，m3[8]若取发酵罐的填充系数=75%，则每天需要发酵罐总容积V0为：(3.2.2-2)(3)发酵罐个数的确定：公称容积为200m3的发酵罐，其全容积为230m3。每日需要的发酵罐数N0为：(3.2.2-3)共需要的发酵罐数N1为：(3.2.2-4)每天应有4个发酵罐出料，共需要7个发酵罐。实际产量验算：(3.2.2-5)设备富余量为：(3.2.2-6)能满足生产要求。3.2.3主要尺寸的计算发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。(3.2.3-1)为了提高空气利用率，罐的高径比取2[2]。(3.2.3-2)(3.2.3-3)椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。(3.2.3-4)解方程得(3.2.3-5)取5m。(3.2.3-6)圆柱部份容积V筒为：(3.2.3-7)上、下封头体积V封为：(3.2.3-8)全容积验算：(3.2.3-9)(3.2.3-10)符合设计要求，可行。3.2.4冷却面积的确定×6000kJ/(m3·h)[8]，则冷却面积按传热方程式计算如下：(3.2.4-1)[2]式中S——冷却面积，m2Q——换热量，kJ/htm——平均温度差，℃K——总传热系数，kJ/(m2·h·℃)230m3灌装液量为：(3.2.4-2)(3.2.4-3)设发酵液温度32℃，冷却水进口温度20℃，出口温度27℃，则平均温度差tm为：(3.2.4-4)×500kJ/(m2·h·℃)[8]，(3.2.4-5)3.2.5搅拌器设计由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列后[8]：搅拌器叶径Di为：(3.2.5-1)取1.7m。叶宽B为：(3.2.5-2)弧长l为：(3.2.5-3)底距C为：(3.2.5-4)取1.7m。盘径di为：(3.2.5-5)叶弧长L为：(3.2.5-6)叶距Y为：(3.2.5-7)以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，即：(3.2.5-8)[7]式中n2——放大的搅拌器的转速，r/minn1——模型搅拌器的转速，n=110r/min[8]d1——[8]d2——将各值代入上式(3.2.5-9)取两档搅拌，搅拌转速79.78r/min。3.2.6搅拌轴功率的确定(1)不通气条件下的轴功率计算：(3.2.6-1)[7]式中Np——功率数,Np[7]n——d——ρ——流体密度，ρ=1070kg/m3[7]将各值代入上式(3.2.6-2)(2)通气发酵轴功率计算：(3.2.6-3)[7]式中P——n——d——搅拌器直径，d=170cmQ——工况下的通气量，(3.2.6-4)将各值代入上式(3.2.6-5)通常谷氨酸发酵按1kW/m3[8]发酵醪；对于200m33则应选取功率≥172.5KW的立式电机。本罐采用三角带传动。3.2.7设备结构的工艺设计(1)空气分布器：本罐使用单管进风，风管直径计算见3.2.11。(2)挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。(3)消泡浆：本罐使用圆盘放射式消泡浆。(4)密封方式：本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。(5)冷却管布置：使用的是竖直蛇管冷却装置。3.2.8竖直蛇管冷却装置设计(1)求最高热负荷下的耗水量W为：(3.2.8-1)[8]式中Q——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，(3.2.8-2)Cp——冷却水的比热容，Cp=4.18kJ/(kg·℃)[8]t2——冷却水终温，t2=27℃t1——冷却水初温，t1=20℃将各值代入上式(3.2.8-3)3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为：(3.2.8-4)[8]式中W——3/sυ——冷却水流速，υ=1m/s代入上式(3.2.8-5)进水总管直径d总为：(3.2.8-6)查表12选取Dg225×7[8]。(2)冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为A总，管径d0，组数为n，则(3.2.8-7)[8]现根据本罐情况，取n=8，求管径。由上式得(3.2.8-8)查表10-25选取Φ89×4.5无缝管，d内=80mm，d平均[2]。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，两弯管总长度l0为：(3.2.8-9)(3)冷却管总长度L计算：2。现取无缝钢管Φ89×4.5，(3.2.8-10)冷却管占有体积V管为：(3.2.8-11)取冷却管组n=8。(4)每组管长L0为：(3.2.8-12)另需连接管1.8m，(3.2.8-13)3，则总占有体积为：(3.2.8-14)筒体液面为：(3.2.8-15)竖直蛇管总高H管为：(3.2.8-16)取管间距为0.6m。又两端弯管总长l0为：(3.2.8-17)两端弯管总高1.2m。则一圈管长L为：(3.2.8-18)(5)每组管子圈数n0为：(3.2.8-19)取6圈。(3.2.8-20)现取管间距为：(3.2.8-21)[8]。最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为：(3.2.8-22)与搅拌器的距离为：(3.2.8-23)在允许范围内。(6)校核布置后冷却管的实际传热面积：(3.2.8-24)3.2.9设备材料的选择为了降低造价，本设备选用碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子。3.2.10发酵罐壁厚的计算根据《压力容器安全技术监察规程》规定，发酵罐属于一级压力容器，因此，其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按GB150-1998《钢制压力容器》进行。(1)内压圆筒厚度计算：(3.2.10-1)[2]式中δ——圆筒的设计厚度，mmp——Di——圆筒的内直径，Di=5000mm[σ]T——设计温度下圆筒材料的许应用力，[σ]T[8]φ——焊缝系数，φ[8]C1——钢板的厚度负偏差，C1[8]C2——腐蚀裕量，C2=1mm[8]将各值代入上式(3.2.10-2)查附表22可选用12mm厚的碳钢钢板。查附表22知：公称直径为5000mm，壁厚为12mm，1m高筒节钢板质量为1483kg[2]。(2)椭圆形封头厚度计算：(3.2.10-3)[2]式中δ——圆筒的设计厚度，mmp——Di——圆筒的内直径，Di=5000mm[σ]T——设计温度下圆筒材料的许应用力，[σ]Tφ——焊缝系数，φ将各值代入上式(3.2.10-4)查附表22可选用10mm厚的碳钢钢板[2]。3.2.11接管设计(1)接管的长度h设计：各接管的长度h根据管径大小和有无保温层，进行选择。本罐的输料管可选择不带保温层的，查表5-2接管长度可取h=150mm[8]。(2)接管直径的确定：接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。3，设2h之内排空，则排料时的物料体积流量qv为：(3.2.11-1)取发酵醪流速υ=1(m/s)，则排料管截面积A物为：(3.2.11-2)(3.2.11-3)则排料管直径d为：(3.2.11-4)查表12选取Φ194×6无缝管，d内=182mm，d平均=188mm[8]。以通风管为例计算管径，通风量Q1为：(3.2.11-5)利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf为：(3.2.11-6)如取风速υ=25(m/s)，则风管截面积Af为：(3.2.11-7)(3.2.11-8)则气管直径d气为：(3.2.11-9)查表12选取Φ133×4无缝管，d内=125mm，d平均=129mm[8]。因通风管也是排料管，故取两者的大值。即取Φ194×6无缝管，可满足工艺要求。排料时间复核：物流量Q为：(3.2.11-10)物料流速υ=1(m/s)，则管道截面积A为：(3.2.11-11)在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比P为：(3.2.11-12)排料时间t为：(3.2.11-13)4设计结果与讨论根据第二章的设计理念和方案，以年产30000吨味精厂发酵罐为设计对象，通过发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算，对发酵罐进行设计与选型，并绘制出了发酵罐结构图和发酵设备图。现将经过计算和选型后，本论文所得到的各项具体结果列后：本罐选用机械搅拌通风发酵罐，主要计算结果如表4-1所示。表4-1公称容积/m3罐内径/mm圆柱高/mm全容积/m3罐体体重/t填充系数/%冷却面积/m3材料20050001000023075碳钢由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。主要计算结果如表4-2所示。表4-2搅拌器叶径/m叶宽/m弧长/m底距/m盘径/m叶弧长/m叶距/m5本罐选用功率≥172.5KW的立式电机，采用三角带传动。具体计算结果如表4-3所示。表4-3搅拌转速r/min搅拌轴功率不通气条件下的轴功率/kW通气发酵轴功率/kW本罐使用单管进风，风管管径Φ194×6。挡板的作用是加强搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合与溶氧效果。本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。消泡浆方面使用的是圆盘放射式消泡浆。本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。冷却方式是竖直蛇管冷却，具体计算结果如表4-4所示。表4-4进水总管直径/mm冷却管组数管径/mm冷却管总长度/m每组管长/m每组管子圈数Dg225×786本罐内压圆筒选用12mm厚的碳钢钢板，椭圆形封头选用10mm厚的碳钢钢板。发酵罐附图如：图4-1发酵罐结构图图4-2发酵罐设备图在论文设计过程中，特别在选用消泡浆时，本人查阅了较多资料，经过反复对各种消泡浆的性能和成本进行比较，最后选定了合适的消泡浆，希望达到既经济又能达到预期目标的结果。传统发酵罐多用梳齿式消泡浆，此桨