发酵工程设计概论课件 第七讲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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。,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/m,3,米醪密度,=1018kg/m,3,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,有效,/,=33792/1068+20726/1018 =52/0.65,=52m,3,=80 m,3,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+,*D,3,/24*,经计算,D=5.35 m,取,D=5400 mm,，,H=2700 mm,。,锅底封头高度,h,D/4,1350mm,升气筒直径,D,1,D/(40),0.5,5.4/(40),0.5,0.865(m),2,、部分管径尺寸的计算,（,1,）糊化醪进入糖化锅管径,d,1,Q=w*,（,d,1,/2,）,2,*3600,d,1,=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/m,3,V=20736/1018=20.4 m,3,Q=V/t=20.4*60/20=60.12 m,3,/h,可求得,d,1,=93 mm,查表,12,，取无缝钢管外径,108mm,，壁厚,4mm,。,Q,流体流量,（,m,3,/h,）,W,流体流速,（,m/s,）,w,进料速度，取,2.5m/s,t,进料时间，取,20min,（,2,）,出料管直径,d,2,糖化醪,G=54518kg,体积,V=54518/1068=51 m,3,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=102m,3,/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 mm,(3),进料管径,d,3,设进料速度为,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=31.6m,3,麦芽,醪,下料流量,Q=V/t=(31.6/10)*60=190 m,3,/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,d,150mm,，外径,159mm,，壁厚,4.5mm,的无缝钢管。,(4),蒸汽管管径,d,4,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(I,i),=,2367941/0.25(2725.3,561.47)95,=4607.7 kg/h,蒸汽密度,r,1.621/m,3,蒸汽流量,V=4607.7/1.621=2842.5,m,3,/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,d,4,=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.,3,、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,D,0,=2/3*D=3.6 m,，,则,雷诺准数,Re=D,0,2,*N*,/,=3.6*3.6*0.5*1068/0.002,=3460320,10000,故为湍流状态。,D=5.4 m,粘度,=0.002 N.s/m,2,搅拌功率准数,Np,=A/,Re+B,（,1000+1.2*Re,0.66,）,/,（,1000+3.2*Re,0.66,）,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,；,D,0,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(D,0,/D,0.6),2,185,B,10exp1.3,4(B/D,0.5),2,1.14D,0,/D,P,1.1,4B/D,2.5(D,0,/D,0.5),2,代入数值，可求得,N,P,=0.0987,液面高度,H=,（,V,有效,-V,封头底,）,4/,（,D,2,）,+1.350,=,（,52-20.6,）,4/,（,3.145.4,2,）,+1.350,=2.72,（,m,）,则搅拌功率,P,0,=N,3,*D,0,5,*,*,N,P,/1000,=0.5,3,*3.6,5,*1068*0.0987/1000,=7.96,kw,所以 电机功率,P=K*(K,1,*P,0,+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,；,K,1,-,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,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=32.29,（,m,2,）,G,1,=,F,=32.290.017900,=2535(kg),（,2,）,锅身重,G,2,=*D*H*,2,*,=3.14*5.4*2.7*0.008*7900,=2894.84 kg,密度,=7900kg/m,3,锅底壁厚,1,=10mm,锅身壁厚,2,=8mm,（,3,）锅顶重,G,3,=(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,=3mm,（,4,）升气筒重,G,4,=*d*H“*,3,*,=3.14*0.865*15*0.003*7900,=949.3 kg,（,5,）估计其它附件重,G,5,=650 kg,（,6,）锅体重量,G=G,1,+G,2,+G,3,+G,4,+G,5,=2535+2894.8+607+949.3+650,=7636.1 kg,3,=3mm,升气筒高,H“=15m,糖化锅的主要技术参数表,项目,参数,有效容积（,m,3,）,52,总容积（,m,3,）,74.3,锅内工作压力（,kg/cm,3,）,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,）,7636,例,2,：厌氧发酵罐的设计计算,1,二氧化碳排出,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,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、,CO,2,排放管、,CIP,洗涤设备、压力传感器。,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,2,3,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。,圆锥底部分,圆锥底的夹角一般为,70,75,一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）。,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=1:3,4,锥底排出角为,73-75,5,采用不锈钢材质，,=7900 kg/m,3,6,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,（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,=D,2,/4*H+D,3,/24+,/3,（,D,2,/4,）,(D/2)ctg(73/2),=462.364/0.85,经计算,D=6 m,H=3D=18 m,罐顶,h,1,=0.25*D,=1.5 m,罐底,h,2,=D/2*ctg(73/2),=4.05 m,发酵罐总高,H,总,=18+1.5+4.05=23.55 m,（二）重量计算,(1),罐身,G,1,=DH,=3.14*6*18*0.008*7900,=21039.5 kg,(2),罐顶,F,封,=0.35D,2,+Dh,1,=0.35*3.14*36+Dh,1,=67.8 m,2,G,2,=F,封,=67.8*0.008*7900,=4285 kg,(3),罐底,G,3,=(1/2)D(D/2/sin36.5),=3.14*3*(3/sin36.5)*0.01*7900,=4465 kg,总重,G=G,1,+G,2,+G,3,=29789.5 kg,（三）发酵罐个数,N=V,0,z/24V,总,+1,=(667*480)/(24*575*0.85)+1,=,28.3,Z,发酵周期,h,，,480h,；,V,0,每天需发酵液体积,m,3,V,总,发酵罐总容积,m,3,（四）冷却面积,(1),发酵最旺盛时放出的热量,Q,1,假设发酵最旺盛时每小时糖度下降,1,P,即,S=1%=0.01,麦芽糖发酵,q,1,=100 kcal/kg,糖,=418kJ/kg,Q,1,=GS q,1,=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,(2),散失于周围空间的热量,Q,2,Q,2,=,k,F,表,(t,表,-t,空,),其中：,k,=4.187(8+0.05 t,表,),=35 kJ/m,2,h k,F,发酵罐表面积,m,2,k,对流辐射联合的给热系数,kJ/m,2,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：,Q,2,=35*463*(8-20),=-194460 kJ/h,t,表,=8,t,空,=25,(3)CO,2,带走的热量,Q,3,按经验值 取,Q,1,的,5%,，,则,Q,3,=0.05 Q,1,=0.05*1971341=98567 kJ/h,(4),实际通过冷却面积传递的热量,Q,Q=Q,1,-(Q,2,+Q,3,),=1971341-(-194460+98567),=2067234 kJ/h,(5),求对数平均温度差,t,m,在发酵旺盛时,醪液温度,T=8,已知冷媒温度,t,1,=-5,终温,t,2,=1,t,m,=(T-t,1,)-(T-t,2,)/(T-t,1,)/(T-t,2,),=(8+5)-(8-1)/(8+5)/(8-1),=9.7,(6),传热系数,K,值,按经验,K=2300 kJ/m,2,h k,(7),冷却面积,F,F=Q/,Kt,m,=2067234/2300*9.7,=92.7m,2,(8),冷却管的尺寸,采用,76*3 mm,钢管,管长,L=92.7/,（,0.07*,）,=421 m,（五）,CO,2,排出管直径的计算,CO,2,排出量,V,由发酵反应式知,C,12,H,22,O,11,+H,2,O=4C,2,H,5,OH+4CO,2,342 4*44,每小时发酵糖量,462364*1.02*0.01,=4716.11 kg/h,伴随产生的,CO,2,量为,(,标准状态,),(4716.11/342)*4*44/3600=0.674 kg/s,V,标,=0.674/1.977=0.34 m,3,/s,CO,2,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,m,3,/s,取,CO,2,排出速度,=5,m/s,(,一般,5-8,m/s,),CO,2,排出管直径的计算,d=(4V/),=(4*0.233/3.14*5),=0.243 m,V CO,2,排出量,m,3,/s;CO,2,排出速度,m/s,一、发酵罐的结构,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,1,、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。,2,、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,风管内空气流速取,20m/s,3,、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,4,、,搅拌器和档板,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,。,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,13.36m,3,。,则每天需发酵液体积为,V,发酵,：,V,发酵,=,13.3633.499%=442,（,m,3,）,2,、发酵罐个数的确定,选择公称容积为,100 m,3,（总容积,V,总,=118 m,3,）的六弯叶涡轮机械搅拌通风发酵罐，则需要发酵罐个数,N,N=V,发酵,/,（,V,总,24,）,=44248/,（,1180.7524,）,=9.98,个,则需要取公称容积为,100 m,3,的发酵罐,10,个,3,、罐体尺寸计算：,径高比,H,：,D=2,：,1,V,总,=2V,封,+V,筒,=23.14D,3,/24+0.785D,2,2D=118m,3,解得,D=4m,，,H=2D=8m,封头高,H,封,=h,a,+h,b,=1000+50=1050mm,H,总,=H+2H,封,=8+21.05=10.1m,4,、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=D,2,N/,式中：,D,搅拌器直径,1.3m,；,N,搅拌器转速，,95/60=1.58r/s,；,醪液密度，,1050kg/m,3,醪液粘度，,1.310,-3,N.s/,Re=1.3,2,1.581050/,（,1.310,-3,）,=2.210,6,10,4,，,视为湍流，则搅拌功率准数为,Np,=4.7,(,选取圆盘六弯叶涡轮,),（,2,）计算不通气时的搅拌轴功率,P,0,：,P,0,=N,p,N,3,D,5,=4.71.58,3,1.3,5,1050=72272W=72.3KW,两挡搅拌,P,0,=2P,0,=144.6KW,（,3,）通风时的轴功率,Pg,：,Pg=2.2510,-3,(P,0,2,ND,3,/Q,0.08,),0.39,(KW),式中：,Q,为通风量，设通风比,vvm,=0.11,，则,Q=79.10.1110,6,=8.710,6,（,ml/min,）,Pg=2.2510,-3,(144.6,2,95130,3,/,Q,0.08,),0.39,=116100W=116.1KW,(4),求电机功率,P,电,：,P,电,=Pg/(,1,2,3,)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,=130.1KW,5,、壁厚计算,(1),筒体壁厚,s,P,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,1,+C,2,+C,3,C,1,钢板负偏差，根据钢板厚度查表得，,0.13-1.3mm,，取,0.8mm,C,2,腐蚀裕量，单面腐蚀取,1mm,，双面腐蚀取,2mm,，取,2mm,C,3,加工减薄量，冷加工取,0,，热加工封头,C,3,=S,10%,。,（,cm,）,C=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,A,3,钢,发酵罐的筒壁厚计算,（,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=14mm,6,、接管直径的确定,（,1,）排料管管径的计算：,该罐实装液量,118,0.75=,88.5m,3,，设,2,小时之内排空，则物料体积流量,Q=88.5/36002=0.0123,（,m,3,/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=0.0123m,2,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,。,（,2,）进料管直径：,40min,打入,88.5m,3,物料，则物料流量,V,物,=88.560/,（,403600,）,=0.037 m,3,/s,物料流速,v=0.5m/s,，则管道截面为,F=V,物,/v=0.037/0.5=0.074,管径,d=(F/0.785),1/2,=(0.074/0.785),1/2,=0.308m,取无缝钢管,3258,，管内径为,309mm,，满足要求。,（,3,）进水管管径计算,最高热负荷下的冷却用水量（来自于热量衡算）：,W=58900kg/h,=16.37kg/s=1.63710,-2,m,3,/s,冷却水在管中的流速为,1m/s,，则冷却管总截面积为：,S,总,=W/v=1.63710,-2,/1,=0.01637m,2,冷却水总管直径,d,水,=,（,S,总,/0.785,）,1/2,=,（,0.01637/0.785,）,1/2,=0.142m,冷却管组数与管径：,设冷却管总横截面积为,S,总,，管径,d,0,，组数为,n,，则：,S,总,=n0.785d,0,2,选择竖直蛇管组数,n=8,则管径,d,0,=,（,S,总,/0.785n,）,1/2,=0.049(m),查表，选取,573.5,无缝钢管，,d=50mm,d,0,可满足要求,冷却管总长度,L,计算,由热量计算，冷却管总传热面积,F=154.95,现取无缝钢管,573.5,mm,，,d,平均,=54mm,，,每米长冷却面积,F,0,=3.140.0541=0.168,则,L=F/F,0,=154.95/0.168=922m,每组管长,L,0,L,0,=L/n=922/8=115.3m,8,、重量估算,（,1,）罐体重：,G,1,=3.14DH0.0127900,=3.14410.10.0127900=12025kg=12t,其中,0.012,壁厚（,m,）；,7900,不锈钢的密度（,kg/m,3,）,（,2,）两封头重量：查书后附录表可得，封头的表面积,S=17.9,则重量,G,2,=S0.0147900,=17.90.0147900=2005kg=1979kg=2t,G,封,=2G,2,=22=4t,（,3,）其余附件重量：冷却排管重（估计）为,6t,