80立方米味精发酵罐设计课程设计.doc

合 肥 学 院Hefei University 发酵设备课程设计题 目: 80立方米味精发酵罐设计 系 别: 专 业: 学 号: 姓 名: 指导教师: 2013年 1月 3日 发酵工程与设备课程设计任务书一、课程设计的内容1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐或厌氧发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点。2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、撰写课程设计说明书二、课程设计的要求与数据生物工程10-2班：味精发酵罐设计任务：80M3味精发酵罐设计 具体要求： 按要求进行味精工艺设计及说明 发酵罐具体设计及计算 发酵罐装配图纸一张(2号图纸)三、设计论文的内容组成：1、设计任务书2、目录3、设计方案简介4、生产工艺设计及说明（发酵菌株、生产条件、原料、工艺流程等）5、发酵罐设计（发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果）（1）罐体（2）罐体壁厚（3）封头壁厚计算（4）搅拌器（5）仪表接口（6）挡板等（7）人孔和视镜（8）管道接口（9）冷却装置设计其他内容自己可以设计参考文献1 潘红良 赫俊文. 过程设备机械设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2006.42 吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.73 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20074 郑裕国 薛亚平 金利群等.生物加工过程与设备M. 北京：化学工业出版社，2004.75 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，20066 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2005目录一、味精生产工艺1.1味精的概述 （5）1.2味精生产工艺简述 （5）1.3原料预处理及淀粉水解糖制备 （6）1.3.1原料的预处理 （6） 1.3.2淀粉水解糖制备 （6）1.4种子扩大培养及谷氨酸发酵 （6）1.5谷氨酸的提取 （6）1.6谷氨酸制取味精及味精成品加工 （6）二、设备的主要配件计算及说明、辅助设备的设计和选型计算2.1筒体的直径和高度(包括封头） （6）2.1.1公称直径的确定 （6）2.1.2封头 （6）2.1.3实际容积的校核 （7）2.2确定筒体和封头的壁厚并强度校核 （7）2.2.1筒体壁厚的计算 （7）2.2.2封头壁厚的计算 （7）2.2.3水压试验及强度校核 （8）2.3搅拌器、搅拌轴和联轴器的设计和计算 （8）2.3.1搅拌器设计和搅拌功率计算 （8）2.3.2搅拌轴轴径的计算 （10）2.3.3联轴器的设计 （11）2.4蛇管的设计与计算 （11）2.4.1冷却面积的计算 （11）2.4.1.1热负荷的计算 （11）2.4.1.2传热面积F计算 （13）2.4.2蛇管设计 （14） 2.4.3灭菌后冷却要求计算 （16）2.4.4培养基灭菌蒸汽消耗量计算 （17）2.5接管设计 （17）2.5.1排料管设计 （17） 2.5.2通风管设计 （18） 2.6选择搅拌传动装置和密封装置 （18） 2.6.1传动装置设计 （18）2.6.2密封装置的设计 （19）2.7有关零部件的设计和选用 （19）2.7.1消泡器的设计 （19）2.7.2人孔 （19）2.7.3容器法兰 （19）2.7.4空气分布器 （19）2.7.5发酵罐的支座选型 （20）2.7.6挡板的设计 （20）2.8管口设计 （20）三、设计结果汇总3.1发酵罐参数设计汇总 （21）3.2辅助设备有关参数汇总 （21）3.2.1冷却装置 （21）3.2.2辅助设备 （21）3.2.3搅拌器有关参数 （21）四、设计评述五、参考文献一、味精生产工艺1.1味精的简述味精是人们熟悉的鲜味剂，是L谷氨酸单钠盐(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa·H20)，具有旋光性，有D型和L型两种光学异构体。味精具有很强的鲜味(阈值为0. 03%)，现已成为人们普遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。谷氨酸发酵是通气发酵,也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业。该生产工艺和设备具有很强的典型性，本文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍，有助于巩固通气发酵工艺和主要设备的有关知识。1.2 味精生产工艺概述味精发酵法生产的总工艺流程，如下：菌种斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养原料预处理水解过滤淀粉水解糖配料发酵空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌等电点调节沉淀离心粗谷氨酸溶解中和制味精 母液细谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精 味精生产全过程可划分为四个工艺阶段：(1)原料的预处理及淀粉水解糖的制备；(2)种子扩大培养及谷氨酸发酵；(3)谷氨酸的提取及谷氨酸单钠的制备；(4)味精精制。1.3原料预处理及淀粉水解糖制备1.3.1原料的预处理此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎。1.3.2淀粉水解糖制备在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。1.4种子扩大培养及谷氨酸发酵种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成生产菌种的扩大培养任务。从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。 1.5谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等电点离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点锌盐法、盐酸水解等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制。1.6谷氨酸制取味精及味精成品加工精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。粗品经提纯、加工、包装，得到成品。二、设备的主要配件计算及说明、辅助设备的设计和选型计算2.1确定筒体的直径和高度（包括封头）2.1.1公称直径的确定：一般高径比为1:73，取高径比为1:3，公称容积为80，材料为不锈钢。经圆整后，取D=3200mm2.1.2封头采用标准椭圆型封头，查发酵工厂工艺设计概论附录15，查得封头的主要尺寸如下：曲面高度：800mm ；直边高度：50mm；内表面积：11.6；容积：4.69 2.1.3实际容积的校核发酵罐计算容积： 而发酵罐的设计容积为80，所以取筒体高度为8.8m。因此，符合设计要求实际装液面高度:取装液系数为0.7，即70%则2.2确定筒体和封头的壁厚并强度校核2.2.1筒体壁厚的计算罐灭菌压力2atm，罐设计受压4atm（表压），材料：不锈钢。式中：P：罐的设计压力，取最高工作压力的1.05倍（MPa） ， P=0.4MPaD：罐径（cm），D=320cm：焊缝系数，一般取0.51之间，取=0.7C：壁厚附加量（cm） 代入上式得： C=0.8+2+0=2.8:钢的允用应力，=127MPa经圆整，取壁厚12mm。2.2.2封头壁厚的计算标准椭圆封头的厚度计算公式如下：内筒体水压试验压力：封头水压试验压力：2.3搅拌器、搅拌轴和联轴器的设计和计算2.3.1搅拌器设计及搅拌功率的计算考虑到发酵罐径高比较高，为了使发酵液充分混匀，保持均一，根据经验，本设计采用六叶涡轮搅拌器。搅拌器主要尺寸计算搅拌器的各部分尺寸与罐径有一定的比例关系，主要尺寸如下：搅拌器叶径叶宽弧长底距盘径叶弦长叶距弯叶板厚搅拌桨的确定经计算，设计第一档搅拌桨距罐底的高为1.1m。第二档的高度为1.1+3.2=4.3m，第三档高为4.3+3.2=7.5m，液体装液高只有0.638+0.05+0.8=7.23m。因此采用两档搅拌。通过计算，第二档叶片离液面的距离为2.93m。转速校正根据经验，的发酵罐搅拌器直径1050mm，转速，以为基准放大。得 搅拌轴功率的计算（用修正的迈凯尔搅拌功率）计算Rem：式中： 视为湍流，则搅拌功率准数。计算不通气时的搅拌轴功率式中：在湍流搅拌状态时，其值为常数4.7 计算通气时的轴功率式中：不通气时的功率（KW），KW ：轴转速（r/min）， ：搅拌器直径(cm)， :通风量（ml/min），本次工艺中通风比=0.20.25vvm，取最小设计通风比为0.2vvm,如通风量变大，会小，为安全。则： 求电机功率采用三角带传动效率：滚动轴承效率：滑动轴承效率：端面密封增加的功率为1%电机选型：，同步转速(4级)，频率，额定电压，功率。2.3.2搅拌轴轴径计算发酵罐竖直安装，皮带轮直接安装于支座边旁，无弯曲载荷影响，仅考虑扭转作用，轴径计算主要以扭转强度与扭转刚度。按扭转强度计算轴上最大剪应力轴材料允许的剪应力，即：推得：式中:：实心轴直径（mm）P：轴功率(KW)，P=77.3KW ：轴的转速（），：降低后的扭转许用剪应力（MPa）。选用为材料，查的=1525MPa，取20MPa按扭转刚度计算应满足轴上最大扭转角度许用的扭转角度可得式中：实心轴直径（mm）P：轴功率(KW)，P=77.3KW ：轴的转速（），综上所述，设计搅拌轴轴径圆整后为130mm（实心轴直径）。2.3.3联轴器的设计 联轴器的主要功能为用于电动机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌器之间的连接，来传递运动和转矩的。本设计使用的是夹壳联轴器，其标记为：联轴器 HG5213652.4蛇管的设计与计算2.4.1冷却面积的计算为了保证发酵在最旺盛，微生物消耗基质最多以及环境温度最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。计算冷却面积使用牛顿传热定律公式，即：2.4.1.1热负荷的计算生物合成热根据实际测定，谷氨酸发酵每立方发酵液每小时传最大发热量约。搅拌热的计算根据经验公式：式中：P：搅拌功率（KW），汽化热式中：工作状态下通入发酵罐的空气质量流量（kg干空气/h） ：发酵罐空气进口热焓（KJ/kg干空气） ：发酵罐空气出口热焓（KJ/kg干空气）空气比容计算进罐空气状态：，干空气的流量计算取通风比为0.20vvm出罐空气状态，所以出罐空气绝对湿度：热焓计算式中：t：空气湿度（） H：空气湿含量（kg水/kg干空气）进罐空气热焓：出罐空气热焓：辐射热计算根据经验：热负荷计算2.4.1.2传热面积F的计算求最高热负荷下的耗水量W：式中：热负荷：冷却水的比热容，：冷却水的终温，：冷却水初温，将各值代入上式蛇管传热系数，取经验值。平均温差：发酵液：冷却水：代入换热面积2.4.2蛇管设计冷却管截面计算取冷却管组数n=6,冷却水流量：为1m/s查表，取冷却管长度设计取竖直蛇管圈部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为：冷却管长度计算：每组管长计算：管组高度H计算：蛇管排布要求：上不露液面，下不低于封头直边。可排蛇管高度即圆柱部分静液面高度。由前计算可知，取6m有效值。两端弯管长，两端弯管总高500mm，则直管部分高。一圈管长。设每组管子圈数则：经圆整取管子中心距一般为2.53.5，本设计取,考虑便于安装、清洗和传热，管与管壁的距离应不小于150mm,现取150mm。管组高度：式中：每组管子圈数， t：管子的中心距，t=0.15875m ：冷却蛇管外径，桨叶与管组间距的验算根据经验，桨叶与管组距离不小于200mm。桨叶与管组距离：式中：搅拌器叶径， ：管组高度， ：发酵罐内径，符合设计要求。换热面积验算式中： 2.4.3灭菌后冷却要求计算：设计冷却时间为4小时，发酵液冷却热量式中：G：发酵液重量， C：发酵液热比，取0.91×4.187 ：灭菌后冷却终温，32 ：灭菌温度，121其中：冷却水采用自来水， K取 因此，经灭菌后冷却校核，符合设计要求。2.4.4培养基灭菌蒸汽耗量计算整齐压力为4个大气压，该状态下整齐热焓为，培养基从25升至121，平均比热为。因此考虑到实罐灭菌后大约1吨的冷凝水，因此每批投料量为58360kg。则发酵罐培养液的灭菌最大蒸汽消耗量为：保温20分钟，消耗蒸汽为占升温时间的20%即：空罐灭菌消耗蒸汽约占升温时间的20%即：灭菌平均在1.5小时内完成，则每小时蒸汽用来灭菌而消耗的量：2.5接管设计2.5.1排料管设计： 发酵罐装液量为,设2小时内排空，则发酵液体积流量：发酵醪液流速取，排料管截面积为：查表，取的无缝钢管。2.5.2通风管设计：压缩空气0.4MPa，支管气体流速为2025m/s，现通风比为0.20.25vvm，空压机进口空气温度t=20，压强P=0.1MPa。发酵罐入口无菌空气温度t=36，通风量Q取最大值。利用气态方程式计算工作状态下的风量 取风速V=25m/s因通风管也是排料管，经查表，取的无缝钢管。2.6选择搅拌传动装置和密封装置2.6.1传动装置设计减速机价格较贵，制造困难，因此，若速比不大，可采用皮带减速。本设计采用三角皮带传动，其带有配套的机座。皮带型号的确定选用V型皮带。小皮带轮的直径的确定大皮带轮的直径的确定式中：电机转速，1460r/min:转轴速，106.6r/min，经圆整，取1720mm满足设计要求。皮带转速的确定根据经验，一般两皮带轮中心距取为1500mm2.6.2密封装置的设计本设计采用机械密封。机械密封是一种功耗小、泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。本设计采用的机械密封为外装式、小弹簧、旋转式的结构。根据搅拌轴的轴径选择202型标准机械密封结构，d=130mm。2.7有关零件的设计和选用2.7.1消泡器的设计型式：耙式，材料：不锈钢规格：=0.65D=0.65x3200=2080mm 2.7.2人孔选择直径为600mm的人孔，圆形人孔。2.7.3容器法兰允许工作压力为0.381MPa，工作温度为200，材料为16Mn,查表的应选用PN0.6的标准法兰。2.7.4空气分布器对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即：多孔式和单管式。对通风量较小的设备，应加环型或直管型空气分布器;而对通气量大的发酵罐，则使用单管通风，由于进风速度高，又有涡轮板阻挡，叶轮打碎、溶氧是没有问题的。本罐使用单管进风，风管直径计算见接管设计。2.7.5支座选择：发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座。其中立式支座分为三种即：悬挂支座，支承式和裙式支座。本发酵罐选择裙式支座。 设搅拌器、电机200、减速器等其他配件设备质量为200Kg发酵罐总质量：即发酵罐负荷。2.7.6挡板的设计2.8管口设计管口设计如下表管口设计表符号公称尺寸连接尺寸及标准连接面形式用途或名称 ADN100HG20592-97平面出料口BDN50HG20592-97平面进气CDN20HG20592-97螺纹热电偶接口DDN600600平面人孔EDN80HG20592-97平面进水口FDN80HG20592-97平面出水口GDN20HG20592-97螺纹温度计HDN15HG20592-97平面取样口IDN50HG20592-97平面压力表JDN200YHS4-80-78-15嵌入视镜KDN100HG20592-97平面排气口LDN100HG20592-97平面回流口MDN100HG20592-97平面接种口NDN100HG20592-97平面补料口ODN100HG20592-97平面进料口各管口在半径为1300mm的圆周上开孔。三、设计参数汇总3.1发酵罐参数设计汇总发酵罐选型：机械涡轮搅拌通风发酵罐发酵罐全容积：80发酵罐直径：3200mm发酵罐圆柱高度：8800mm封头高度：800mm发酵罐壁厚：12mm封头壁厚：12mm3.2辅助设备有关参数汇总3.2.1冷却装置冷却管实际传热面积：67.2最高热负荷下的耗水量：53121kg/h冷却管数：6冷却管型号：67.53.0的无缝钢管冷却管长度：376.8m每组管长：12.57m管组高度：0.15875m每组管子圈数：53.2.2辅助设备通风管直径：0.0553 m通风管型号：的无缝钢管空气分布器：单管进风支座选择：裙式支座密封方式：双面机械密封3.2.3搅拌器有关参数搅拌器选型：六弯叶涡轮搅拌器搅拌器的有关参数：叶径：1100mm 弧长：412.5mm 盘径825mm 弯叶板厚：12mm叶宽：220mm 底距：1100mm 叶弦长：275mm 两搅拌器间距：3200mm搅拌器转速：106.6r/min 搅拌器功率： 89.6KW通气轴功率：68.3KW电机功率：77.3KW搅拌轴径：130mm四、设计评述本次课程设计我设计的是80立方米的味精搅拌通风发酵罐。开始接触这个课题时，我并没有立即就着手去做，因为一点头绪都没有。后来，经过吴老师的四十分钟讲解后，心中有点眉目，大致了解了该怎么去做。第一次想真正的、好好地写这次的课程设计，之后的一个星期就在图书馆和自习室中来回跑，感觉挺充实的。在设计中遇到不懂的，我也经常跑老师办公室和打电话询问。总之，经过这次的课程设计，让我巩固和完善了发酵设备的知识，也更加清楚了“生化是一家”的含义。发酵罐的设计要综合各种参数，要有计划地进行设计，层次性很强，不容有一点含糊。在本次设计的发酵热的计算中，我特意选择了谷氨酸发酵所产生的最大生物热，保证充足的冷却面积，使得在极端条件下也能有效的散热；在支座的选型时，所算的承重重量加上了补料的重量，确保了支座的安全性和牢固性。整个设计过程中，我们小组的成员们查了很多相关资料，力求我们的设计能满足工艺要求，对每一个数字的得出及圆整，我们都经过多次反复计算及资料核查，使其接近于实践生产。尽管如此，我想我们的设计中仍会不可避免地出项一些疏漏，限于所学知识及实践能力的缺乏。希望老师在看了我的课程设计任务书后能指出我的错误和给我一点建议。最后，此次设计是我与同学们一同探讨出的结果，在这个过程中让我明白了团队的重要性。五、参考文献1张克旭. 氨基酸发酵工艺学. 中国轻工业出版社.1992.4 P2792802吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.7 P104105、1083茅晓东、李建伟. 典型化工设备机械设计指导.华南理工大学出版. 1995.8 P77、117、1524徐岩. 发酵工程.高等教育出版社 2011.6 P156、1615电机常用技术数据速查手册.中国电力出版社，2009.6 P2256王凯、虞军. 搅拌设备.化学工业出版社.2003.8 P1831897姚汝华. 微生物工程工艺原理.华南理工大学出版社.1996.3 P1881898王志奎、刘丽英、刘伟. 化工原理.化工工业出版社.2012.1 P299305、3509赵军、段成红. 化工设备机械基础.北京：化学工业出版社.2007 P19619710蔡纪宁、张莉彦. 化工工程设备机械基础课程设计指导书.化学工业出版社.2012.5 P15611高孔荣. 发酵设备.中国轻工业出版社.1991.10 P13712卓震、林钧雷. 化工容器及设备.中国石化出版社.2008.3