發(fā)酵工程設(shè)計(jì)概論課件第七講

1、例1：啤酒廠糖化鍋的設(shè)計(jì)計(jì)算一、糖化鍋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、糖化鍋是圓柱筒體器身，徑高比D:H= 2:1，鍋底為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（帶夾層）和錐形頂蓋的容器。 2、糖化鍋采用蒸汽夾套加熱形式。 3、為了保持醪液的濃度和溫度均勻，在靠近鍋底處，設(shè)有槳式攪拌器旋轉(zhuǎn)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器直接帶動(dòng)攪拌器旋轉(zhuǎn)。 4、鍋蓋的頂部設(shè)有排氣管，高約15m，筒頂設(shè)有風(fēng)帽 。 12二、糖化鍋的設(shè)計(jì)計(jì)算1、主體尺寸的確定設(shè)一批糖化過(guò)程中： 麥醪質(zhì)量G=33792kg 米醪質(zhì)量G=20726kg 麥醪密度=1068kg/m3 米醪密度=1018kg/m3 糖化鍋填充系數(shù)=0.65所以V有效=G麥醪/麥醪+ G米醪/米醪 V總=V

2、有效/ = 33792/1068+20726/1018 =52/0.65 =52m3 =80 m33采用圓柱筒體器身 徑高比D：H=2：1。鍋底為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 短半軸長(zhǎng)D/4。所以，V總=*（D/2）2*H+*D3/24*經(jīng)計(jì)算 D=5.35 m 取 D=5400 mm，H=2700 mm。鍋底封頭高度hD/41350mm 升氣筒直徑D1D/(40)0.55.4/(40)0.50.865(m)42、部分管徑尺寸的計(jì)算 （1） 糊化醪進(jìn)入糖化鍋管徑d1 Q=w*（d1/2）2*3600 d1=18.8(Q/w)1/2 單位mm糊化醪體積 V=G/r r-為糊化醪的密度，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，取無(wú)縫鋼管外徑108mm，壁厚4mm。Q流體流量 （m3/h） W流體流速（m/s） w進(jìn)料速度，取2.5m/s t 進(jìn)料時(shí)間，取20min5（2）出料管直徑d2 糖化醪 G=54518kg 體積 V=54518/1068=51 m3 設(shè)糖化醪在30分鐘內(nèi)打入過(guò)濾槽，速度w=2m/s. Q=V/t=51/0.5=102m3/h 則 d 2=18.8(Q/w)1/2 =134 mm 查表12，取無(wú)縫鋼管外徑為159mm, 壁厚為4.5 mm6(3)進(jìn)料管徑d3設(shè)進(jìn)料

4、速度為4 m/s, 進(jìn)料麥芽醪為33792 kg, 設(shè)下料時(shí)間為 10min 麥芽醪體積 V=33792/1068=31.6m3麥芽醪下料流量 Q=V/t=(31.6/10)*60=190 m3/h d 3=18.8(Q/w)1/2 =129.6 mm查表12，取無(wú)縫鋼管外徑為159 mm, 壁厚為4.5mm.以上三個(gè)管的進(jìn)出物料最終由同一個(gè)管打入（打出）糖化鍋，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選用公稱(chēng)直徑d150mm，外徑159mm，壁厚4.5mm的無(wú)縫鋼管。7(4)蒸汽管管徑d4 由熱量衡算，糖化鍋蒸汽耗量為2367941 KJ， 用時(shí)15 分鐘（0.25h），則蒸汽流量 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 查生物工程工廠設(shè)計(jì)概論P(yáng)179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，取無(wú)縫鋼管外徑為219 mm, 壁厚為6mm.83、攪拌器選取二折葉螺旋槳攪拌器，攪拌槳葉角=60 轉(zhuǎn)數(shù) N=30r/min=0.5r/s。 攪拌器直徑 D0=2/3*D=3.6 m， 則 雷諾準(zhǔn)數(shù) Re= D02*N*/ =3.6*3.6*0.5*1068/0.002 =

6、3460320 10000 故為湍流狀態(tài)。D=5.4 m粘度=0.002 N.s/m29攪拌功率準(zhǔn)數(shù) 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攪拌葉寬度，0.2m； H液面高度（m）； D糖化鍋的直徑，5.4m ； D0攪拌器的直徑，3.6m； 攪拌葉與旋轉(zhuǎn)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 代入數(shù)值，可求得 NP=0.0987液面高度H =（

7、V有效- V封頭底）4/（D2）+1.350 =（52-20.6）4/（3.145.42）+1.350 =2.72（m）11 則攪拌功率 P0=N3*D05* NP/ 1000 = 0.53*3.65*1068*0.0987/ 1000 =7.96 kw所以 電機(jī)功率 P=K*(K1*P0+ 0.5) /總 =1.2*（1.1*7.96+0.5）/0.4 =27.77 kw K-電機(jī)功率貯備系數(shù),取1.2； K1-阻力系數(shù)取1.1；總-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總效率取0.4; 0.5-傳動(dòng)過(guò)程中摩擦損失率選30kw的電機(jī)12 4、糖化鍋鍋體重量 （1）鍋底重 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭 Dg540010 內(nèi)表面積 F=

8、32.29 （m2） G1=F = 32.290.017900 =2535 (kg) （2）鍋身重 G2=*D*H*2* =3.14*5.4*2.7*0.008*7900 =2894.84 kg密度=7900kg/ m3鍋底壁厚 1=10mm鍋身壁厚 2=8mm（3）鍋?lái)斨?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）升氣筒重 G4=*d *H“*3* =3.14*0.865*15*0.003*7900 =949.3 kg（5）估計(jì)其它

9、附件重 G5=650 kg（6）鍋體重量 G=G1+G2+G3+G4+G5 =2535+2894.8+607+949.3+650 =7636.1 kg3=3mm升氣筒高H“=15m14糖化鍋的主要技術(shù)參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)有效容積（m3）52總?cè)莘e（m3）74.3鍋內(nèi)工作壓力（kg/cm3）常壓鍋身直徑（mm）5400鍋筒體高度（mm）2700封頭高度（mm）1350升氣筒直徑（mm）865升氣筒高度（mm）15000鍋身壁厚（mm）8鍋?lái)敱诤瘢╩m）3鍋底壁厚（mm）10鍋底夾層厚度（mm）10攪拌器直徑（m）3.6攪拌器轉(zhuǎn)速（r/min）30電動(dòng)機(jī)功率（kw）30重量（kg）763615例2：厭氧

10、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)計(jì)算16171二氧化碳排出2洗滌器3冷卻夾套4加壓或真空裝置5人孔6發(fā)酵液面7冷卻劑進(jìn)口8冷卻劑出口9溫度控制記錄器10溫度計(jì)11取樣口12麥汁管路13嫩啤酒管路14酵母排出15洗滌劑管路18一、發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)罐頂部分 罐頂為一圓拱形結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，設(shè)有壓力安全閥、真空安全閥、人孔、CO2排放管、CIP洗滌設(shè)備、壓力傳感器。19罐體部分罐體為圓筒體，設(shè)有溫度傳感控制器、取樣閥罐體外部用于安裝冷卻裝置和保溫層，冷卻夾套可采用無(wú)縫鋼管盤(pán)成蛇管，并分成23段，用管道引出與冷卻介質(zhì)進(jìn)管相連，冷卻層外覆以聚氨酯塑料等保溫材料，保溫層外再包一層鋁合金或不銹鋼板。20圓錐底部分 圓錐底的夾角

11、一般為7075一般罐的錐底高度占總高度的1/4左右。圓錐底的外壁設(shè)冷卻層，有利于酵母的沉降和冷卻保存。安裝進(jìn)出管道、閥門(mén)、視鏡、測(cè)溫和測(cè)壓等傳感元件。 啤酒是酸性飲料（pH 4-5），易造成罐壁材料腐蝕。制罐材料可用不銹鋼或碳鋼，若使用碳鋼，罐內(nèi)壁涂以對(duì)啤酒口味沒(méi)有影響且無(wú)毒的涂料（如環(huán)氧樹(shù)脂）。21二、設(shè)計(jì)：1 主發(fā)酵、后發(fā)酵在一個(gè)罐中完成2 儲(chǔ)酒在清酒灌中完成3 D/H = 1:34 錐底排出角為73-755 采用不銹鋼材質(zhì)，= 7900 kg/m36 采用低溫低壓 (-3，0.03MPa)液態(tài)冷媒(20%-30%酒精溶 液)。冷卻夾層分為三段,上段距發(fā)酵液面15cm向下排列, 中段在筒體

12、下端距支撐裙座15cm向上排列.錐底冷卻夾層 盡可能接近排酵母口,向上排列.7 罐身壁厚 8 mm，封頭及罐底厚 10 mm 22（一）主體尺寸 每批進(jìn)入發(fā)酵罐的冷麥汁為 462364 L 發(fā)酵罐容積系數(shù) = 0.85 H=3D 則發(fā)酵罐容積 V = V圓柱+V封+V底 =D2/4 *H+D3/24+/3（D2/4）(D/2)ctg(73/2) =462.364/0.85 經(jīng)計(jì)算 D = 6 m 23H = 3D=18 m罐頂 h1 =0.25*D = 1.5 m罐底 h2 =D/2*ctg(73/2) = 4.05 m發(fā)酵罐總高 H 總= 18+1.5+4.05 = 23.55 m24（二）

13、 重量計(jì)算(1) 罐身 G1 = DH = 3.14*6*18*0.008*7900 = 21039.5 kg(2) 罐頂 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 總重 G = G1+ G2 + G3 = 29789.5 kg25（三）發(fā)酵罐個(gè)數(shù) N = V0z/24V總+1 = (667*480)/(24*575*0.85)

14、 +1 = 28.3 Z發(fā)酵周期h，480h； V0每天需發(fā)酵液體積 m3 V總發(fā)酵罐總?cè)莘e m326（四）冷卻面積 (1)發(fā)酵最旺盛時(shí)放出的熱量Q1 假設(shè)發(fā)酵最旺盛時(shí)每小時(shí)糖度下降1P,即 S = 1% =0.01 麥芽糖發(fā)酵,q1 = 100 kcal/kg糖 = 418kJ/kg Q1 = GS q1 = 115591.4*4*1.02*0.01*418 = 1971341 kJ/h G發(fā)酵罐內(nèi)料液量 kg； S主發(fā)酵時(shí)糖度的下降百分?jǐn)?shù) 27(2)散失于周?chē)臻g的熱量 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、發(fā)酵罐表面積 m 2 k對(duì)流輻射聯(lián)合的給熱系數(shù) kJ/m2 h k t表發(fā)酵罐表面溫度 ,取8 t空周?chē)諝鉁囟?, 取20 所以： Q2 = 35*463*(8-20) = -194460 kJ/ht表 = 8t空 = 2528(3) CO2帶走的熱量Q3 按經(jīng)驗(yàn)值 取Q1的5%， 則 Q3 = 0.05 Q1 = 0.05*1971341 = 98567 kJ/h(4) 實(shí)際通過(guò)冷卻面積傳遞的熱量Q Q = Q1-(Q2+Q3) = 1971341-(-194460+98567) = 2067234 kJ/h29(5) 求對(duì)數(shù)平均溫度差tm 在發(fā)酵旺盛時(shí),醪液溫度 T = 8 已知冷媒溫度

16、t1 =-5, 終溫t2 = 1 tm = (T-t1)-(T-t2)/(T-t1)/(T-t2) = (8+5)-(8-1)/ (8+5)/(8-1) = 9.7 30(6) 傳熱系數(shù)K值 按經(jīng)驗(yàn) K = 2300 kJ/m2 h k(7) 冷卻面積 F F = Q/Ktm = 2067234/2300*9.7 = 92.7m2(8) 冷卻管的尺寸 采用 76*3 mm 鋼管,管長(zhǎng) L = 92.7/（0.07*） = 421 m 31（五）CO2排出管直徑的計(jì)算 CO2排出量V,由發(fā)酵反應(yīng)式知 C12H22O11+H2O = 4C2H5OH + 4CO2 342 4*44每小時(shí)發(fā)酵糖量 4

17、62364*1.02*0.01 = 4716.11 kg/h伴隨產(chǎn)生的CO2量為(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) (4716.11/342) *4*44/3600 = 0.674 kg/s V標(biāo) =0.674/1.977=0.34 m3/sCO2的壓力,設(shè)為1.5個(gè)大氣壓,溫度與發(fā)酵溫度相同 8 V = V標(biāo)T/pT標(biāo) = 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排出管直徑的計(jì)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、發(fā)酵

18、罐的結(jié)構(gòu)密封式受壓設(shè)備。包括罐身、攪拌器、軸封、消泡器、聯(lián)軸器、攪拌軸、空氣分布器、擋板、冷卻裝置、人孔以及管路等。 例3:機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)計(jì)算341、罐體罐體：圓筒體，兩端為橢圓形封頭，焊接或法蘭連接材料：不銹鋼設(shè)計(jì)壓力：2.5kg/平方厘米（0.25MPa）罐頂上的接管：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管。罐身上的接管：冷卻水進(jìn)出管，進(jìn)空氣管，溫度電極、pH計(jì)等測(cè)控儀表接口。352、空氣分布裝置 吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置：?jiǎn)喂苁?。管口：?duì)正罐底中央，與罐底的距離約為40毫米?？諝庥煞植脊?chē)姵錾仙龝r(shí)，被攪拌器打碎成小氣 泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳遞效果風(fēng)管內(nèi)空氣

19、流速取20m/s363、軸封軸封作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。其優(yōu)點(diǎn)：清潔密封可靠使用壽命長(zhǎng)摩擦功率耗損小軸或軸套不受磨損374、攪拌器和檔板38攪拌器的作用是打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中。檔板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向 流，促使流體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。通常檔板寬度為0.1D。39二、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)計(jì)算1、生產(chǎn)能力的計(jì)算 現(xiàn)每天產(chǎn)純度99%的味精33.4噸，谷氨酸生產(chǎn)周期為48h，每噸100%的味精需發(fā)酵糖液13.36m3 。則每天需發(fā)酵液體積為V發(fā)酵：V發(fā)酵=13.3633.499%=442（m3）402、發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定選

20、擇公稱(chēng)容積為100 m3 （總?cè)莘eV總=118 m3）的六彎葉渦輪機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，則需要發(fā)酵罐個(gè)數(shù)NN= V發(fā)酵/（V總24）=44248/（1180.7524）=9.98個(gè)則需要取公稱(chēng)容積為100 m3的發(fā)酵罐10個(gè) 413、罐體尺寸計(jì)算： 徑高比H：D=2：1 V總=2V封+V筒=23.14D3/24+0.785D22D=118m3 解得D=4m， H=2D=8m封頭高H封=ha+hb =1000+50=1050mmH總=H+2H封=8+21.05=10.1m424、攪拌功率的計(jì)算淀粉水解糖液細(xì)菌醪，可視為牛頓流體，計(jì)算步驟如下：（1）計(jì)算Re： Re=D2N/式中：D攪拌器直徑1.3

21、m； N攪拌器轉(zhuǎn)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， 視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)為Np=4.7(選取圓盤(pán)六彎葉渦輪)43（2）計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0： P0=NpN3D5 =4.71.5831.351050=72272W=72.3KW 兩擋攪拌 P0= 2P0=144.6KW 44（3）通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg： Pg=2.2510-3(P02ND3/Q0.08)0.39 (KW) 式中： Q為通風(fēng)量，設(shè)通風(fēng)比vvm=0.11，則 Q=79.10.11106=8

22、.7106（ml/min） Pg=2.2510-3(144.62951303/Q0.08)0.39 =116100W=116.1KW45(4)求電機(jī)功率P電： P電=Pg/(123)1.01 采用： 三角帶傳動(dòng)1=0.92； 滾動(dòng)軸承2=0.99； 滑動(dòng)軸承3=0.98； 端面密封增加的功率為1%，代入公式計(jì)算數(shù)值得： P電=116.1/(0.920.990.98)1.01 =130.1KW465、壁厚計(jì)算(1) 筒體壁厚sP設(shè)計(jì)壓力(MPa)，最高壓力的1.05倍。D 設(shè)備內(nèi)徑（cm） 鋼材的許用應(yīng)力，如A3的=127MPa。 焊縫系數(shù)，0.5-1之間，取0.7。C 壁厚附加量（cm）C=C

23、1+C2+C3C1 鋼板負(fù)偏差，根據(jù)鋼板厚度查表得，0.13-1.3mm，取0.8mmC2 腐蝕裕量，單面腐蝕取1mm，雙面腐蝕取2mm，取2mmC3 加工減薄量，冷加工取0，熱加工封頭C3 =S10%。（cm）47C=0.8+2+0=2.8(mm)=0.28(cm)查附表13碳鋼與普低鋼制內(nèi)壓圓筒壁厚，選用12mm厚A3鋼發(fā)酵罐的筒壁厚計(jì)算48（2）封頭壁厚：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭厚度計(jì)算公式如下：式中： P0.4MPa; D400cm; 鋼材的許用應(yīng)力，如A3的=127MPa。 焊縫系數(shù)，取0.5-1之間，取0.7。C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）查附表16碳鋼橢圓形封頭最大許用內(nèi)部應(yīng)力，圓整為S=14mm496、接管直徑的確定（1）排料管管徑的計(jì)算：該罐實(shí)裝液量1180.75=88.5m3，設(shè)2小時(shí)之內(nèi)排空，則物料體積流量 Q=88.5/36002=0.0123（m3/s）發(fā)酵醪液流速取v=1m/s,則排料管截面積為F， F=Q/v=0.0123/1=0.0123m2則管徑 d=（F/0.785）1/2 =（0.0123/0.785）1/2=0.125m取無(wú)縫鋼管1334，管內(nèi)徑為125mm，滿(mǎn)足要求。 50（2）進(jìn)料管直徑：40min打入88.5m3物料，