发酵罐-计算.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,*,*,德州市鸿泰环保设备有限公司,第一节机械搅拌通风发酵罐,2 计算：换热面积、搅拌功率、K,La、,放大,1,一、传热系统计算,1、传热公式的推导,T,热流体平均温度,t,冷流体平均温度,壁温T,W,壁温t,W,T,t,t,W,T,W,冷却水,2,管外,热流体对外壁的,对流传热,为：,设,为管壁的导热系数，s为管壁厚，,则,管壁间,的,传导热,为：,内管壁对,管内,冷流体的,对流传热,为,q为热流密度，W/m,2,分三段计算传热：管外、管壁、管内,A,1,、A,2,、A,m,分别为,管外、内壁表面积，管壁平均表面积,，,1,、,2,为管外、内流体的传热系数，则：,3,则在稳定传热时，有发酵罐所需传的热量Qq,1,=q,2,=q,3,即有：,即：,其中，A即为平均传热面积 A,m,。,定义,为总传热系数。,考虑到管内垢层传热，设垢层的热阻为,4,对于进出口温度不同的冷却蛇管而言，其传热面积计算公式应为：,对数平均温差：,t,F、,t,1、,t,2,分别为发酵液温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度。,对于蛇管冷却，有：,其中d,1,、d,2,为管内外直径。,5,2、发酵热Q,通气发酵过程总热量为：Q=Q,1,+Q,2,-Q,3,Q,1,生物合成热,Q,2,机械搅拌放热，且 Q,2,3600P,g,(kJ)；,P,g,搅拌功率，kW；,功热转化率，经验值为0.92；,Q,3,发酵过程排气带出的水蒸汽的热量，以及发酵罐壁对环境的辐射热量。,通常可取 Q,3,20%Q,1,。,6,解:,1.总的热量,Q=Q,1,+Q,2,-Q,3,=4.410,5,+7.210,4,-110,4,=5.0210,5,(kJ/h),2.冷却水耗量,=1.3310,4,(kg/h),9,3.对数平均温度差,4.K值的计算,=1.93110,3,kJ/(M,2,h),10,5.冷却面积,根据生产实际情况取整：A=25 M,2,6.冷却蛇管总长度,=140.17 (m),11,二、搅拌功率计算,搅拌器轴功率,搅拌器以既定的速度转动时，用以克服介质的阻力所需要的功率，即搅拌器,输入搅拌液体的功率,。,电机功率,提纲：,单层搅拌、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算,功率计算的修正,多层搅拌器的功率计算,通气搅拌功率的计算,12,1.单层搅拌器、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算,搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素：,搅拌罐直径D,搅拌器直径d,液体高度H,L,搅拌转速,N,液体粘度,液体密度,搅拌器形式、有无档板等,PF（N，d,，,）,前三项都可用d 来表示,13,在,全档板条件下，对于牛顿型流体,，由因次分析与实验验证，得：,式中 P,0,：不通气时搅拌器的功率（瓦，即,牛.米/秒,）,：液体的密度公斤/米,3,）,：液体的粘度（,牛.秒/米,2,，即 帕.秒,）或公斤.秒/米,2,d：搅拌器涡轮直径（,米,）,N：转速（,转/秒,）,经验系数K，m：由搅拌器的型式，挡板的尺寸及,流体的流态决定,14,是一个无因次数，称为 功率准数 N,P,。,是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 Re,M,N,P,Re,M,的关系：实测找出规律，即经验系数K，m,当Re,M,10时，液体为层流状态，m=-1；,当Re,M,10,4,时，液体为湍流状态，m=0；,多数发酵罐搅拌器在此范围，故N,p,=常数K，,查图得N,p,。,15,由搅拌雷诺数Re,M,，可查图表得到的搅拌功率准数N,P,。,16,故常用到的搅拌轴功率计算公式为：,P,0,=N,P,d,5,N,3,=K d,5,N,3,17,例1.3,问题1.今有一发酵罐，内径为2米，安装一个,六弯叶涡轮,搅拌器，搅拌器直径为0.7米，转速为150转/分，设发酵液密度为1050 kg/m,3,，粘度为0.1Pa*s，试求不通气状态下搅拌器功率。,解：由题：,d=0.7 米,n=150/602.5 转/秒，,1050 kg/m,3,，,0.1Pa*s,注意单位的换算，按P14页括号中的单位为统一单位,18,N,P,由查Re,M,N,p,图表（中的3号曲线）得 4.7，即,故,不通气下,的搅拌功率：,推论,：,对于相同d、N的三种涡轮搅拌器在湍流状态,时测量得：,复习前节课的结论：相同d、N的三种涡轮搅拌器，,功率消耗,平叶弯叶箭叶,19,2.,搅拌功率的修正,若各种参数如D/d、H,L,/d等不符合所查图表中(在17页表中表示为T/D,H,L,/D)的曲线特性，则先查出值，计算后再进行修正：,P,fP,0,其中，P,0,为按图查出的N,p,值算得的功率；,f为修正系数，,20,3.,多层搅拌器的功率,P,m,计算,在单层搅拌器功率计算的基础上，乘上一个系数。,一种简单的估算方法是，,P,m,：多层搅拌器的功率，,m：搅拌器的层数。,21,4.通气状态下的搅拌功率 P,g,不通气时的功率P,0,已知，再用包含通气量的经验公式形式多样）求得P,g,如，发酵液密度:8001650 kg/m,3,，粘度:0.00090.1 pa,s，d/D=1/3时，涡轮搅拌器有：,P,0,、P,g,：不通气、通气时的搅拌功率，单位,均为,kW,d，搅拌叶轮直径，m,N，转/分,Q，,工作状况下的,通气量，m,3,/min，,22,Q 的换算：,只知道标准状态通气量时,Q与标准状况下（温度为273K、压力为101325Pa）的通气量 Q,0,之间的换算关系，可按气体状态方程：,t：度；密度：kg/m,3,；H,L,：m；P,t,：表压，Pa,因分子单位为Mpa，故分母上有10,-6,23,通气比,VVM,定义：每分钟的通气体积（以标准状态计，即为Q,0,）与实际料液体积之比。1/min,常是已知装液量与,VVM,值，不知,Q,值。,此时先算出,Q,0,，再按前页公式转换计算出,Q,，才可代入,P,g,计算公式。,24,如已知 例1.3 中通气量Q1.40米,3,分，则代入上式得，P,g,=10.82 KWP,0,12.9 KW,单位换算,通气量增大，搅拌功率下降,例：,30,立方罐体，,55kw,电机，,180rpm,下，不通气时电流,130,安，通气后,vvm,1:1,时，电流可以降到,80,85,安，所以开搅拌前，一般先通风。,25,作业1,一年产5万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。假定发酵罐的装液系数为85%，问每天需要多少发酵液？选用合适大小的发酵罐，并计算所需数量。,注：发酵产酸水平，指成熟发酵液中产品的质量百分含量。,26,某细菌醪为牛顿型流体，发酵罐,罐直径D1.8(米),圆盘六弯叶涡轮直径d0.60米，一只涡轮,罐内装四块标准挡板,搅拌器转速N168转分,通气量Q1.42米,3,分(已换算为罐内状态的气流量),罐压P1.5绝对大气压,醪液粘度,1.9610,-3,牛秒米,2,醪液密度,1020公斤米,3,要求计算P,g,作业2：,27,其它注意事项,非牛顿流体,的搅拌轴功率的计算,粘度随搅拌转速而变化,计算思路：,先知道粘度与搅拌速度的关系,计算不同搅拌速度下的粘度，和Re,m,再根据实验绘出其 N,p,-Re,m,曲线。,28,牛顿型流体与非牛顿型流体,牛顿型流体,：剪切力与速度梯度（）成正比,塑性流体,：,拟塑性流体：m1,29,胀塑性流,拟,塑性流：,表观粘度,随剪切梯度的增加而减少,多数发酵液,。,胀塑性流：表观粘度随剪切梯度的增加而增加淀粉与阿拉伯树胶有此特点。,制霉菌素的发酵液在整个发酵过程中均为牛顿型流体。,链霉素发酵液在发酵24小时前为塑性流体，48-96小时间为牛顿型流体，120小时后为拟塑性流体。,牛顿流,拟塑性流,剪应力,速度梯度,0,塑性流体,表观粘度可看作曲线的斜率。,30,每 m,3,培养液 3 kW 电机功率左右,P,电机,（P,m,P,T,）/,，其中P,T,为轴封的摩擦损失功率，,为传动效率，按传动机构不同取 0.850.9。,P,m,，根据不同情况选取：,若采用连续灭菌，则用通气功率P,g,若采用实罐灭菌，则用不通气功率P,0,发酵罐的搅拌电机配置,因为实消时搅拌器开动是在不通气状态下进行的，功率消耗大于通气功率。,31,另一个讨论：搅拌功率的分配,搅拌功率，即单位时间所做的功,可以分配为翻动量Q（单位时间所输送的流量）与动压头H（对单位重量流体所做的功，或单位重量流体从搅拌所获得的动能），又因：,由即是,故有，在P,0,为定值时，有或,以及，或,32,故，功率一定时，,大直径、低转速搅拌器，更多的功率用于总体流动，有利于宏观混和；,小直径、高转速搅拌器，更多的功率用于湍动，有利于提高湍动，即气液传质速率。,因为其 d/n 值大,已知涡轮搅拌器三者的粉碎气泡的能力（,H,）间的关系：,平叶弯叶箭叶,则，相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力（,Q,）必有：,平叶弯叶箭叶,33,解：设原参数为n,0,，d,0,，新参数为n,1,，d,1,，则据要求有：,同时保证,解上两式，最后得到：,同时，有，,P,1,1.3P,0,例1.4：,一发酵罐，经实验证明翻动情况不良，现进行改进，不考虑通气时，要求Q 提高30%，H不变，问改进后：转速n有何变化？搅拌器直径d有何变化？搅拌功率有何变化？,34,三、通气与传氧,1.通气 的两个常用参数,空截面气速V,s,：在,没有发酵液时,通入罐内空气的线速度，m/s。式中,Q以工作状态下计,。,通气比VVM：每分钟的通气体积（,以标准状态计,，即为Q,0,）与实际料液体积之比。1/min,Q与Q,0,的关系见PPT23页公式,35,V,s,，即Q，则P,g,（相同搅拌条件下）,相反，若Vs下降，,即使在搅拌条件不变的情况下,，Pg也会增加作用于发酵液的剪切作用增加。故：,较低的通气率会使敏感细胞受损,。,Vs 增大，则通气后发酵液体积也增大。控制气速1.752.0m/min,故发酵液的量计量时一般是称重，而不是量体积。通气对于发酵过程的影响,36,2.传氧,OTR-氧传递速率（摩/米,3,小时），即：每立方米液体中每小时的溶氧量。,k,La,-体积溶氧系数（1/小时或1/秒）。,C,-相应温度、相应压强下的饱和溶氧浓度,C -发酵液中的实际溶氧浓度,37,2、提高C*C*是发酵条件下，能达到的最大溶氧浓度,在空气中通入纯氧,在可能时提高罐内操作压力,降低发酵温度,1、提高k,La,提高传氧速率的途径,38,影响k,La,的因素,K,L,a与操作变量的关系：经验公式之一为,可看出，体积溶氧系数与,输入单位体积液体的通气搅拌功率、通气线速度,相关，而系数,K,、,、,则与不同的容器类型、搅拌器类型有关。,注意两个参数间并非无关：,由于,v,s,对于,P,g,有影响，故单独提高,vs,（空截面气速）未必能提高传氧速率。,39,40,Q,g,：工作状态下的通气量，d,B,W,B,分别为气泡平均直径（米），和气泡上升速度（米/秒）,41,研究影响k,La,的因素，找出关系公式，以便于：,知道哪些变量对其影响大，调整k,La,时，从哪些变量下手,进行反应器放大设计,在反应器设计中，计算设计条件下的k,La,的值，与实际所需值（小试得来，或由细胞的耗氧速率等理论值间接计算）进行比较，以判定设计的可行性。,42,（1）增加搅拌器转速N，以提高P,g,，可以有效地提高k,L,a。,（2）加大通气量Q（提高v,s,）。,需注意的是，在低通气量时，提高,Q,可以显著增大,k,L,a,。,但当通气量已经很高时，进一步提高,Q,，,P,g,也将随之剧烈降低，其综合效果将不会使,k,L,a,增加，甚而可能下降。,只有在增大,Q,的同时也相应提高搅拌转速,N,，使,P,g,不至过分降低的情况下，才能最有效地提高,k,L,a,。,提高k,La,43,四反应器的放大,以某些,关键性参数放大后不变,为原则，进行放大设计。,内容,几何尺寸放大,空气流量放大,搅拌功率与转速的放大计算,难点，是放大后的：,空气流量,搅拌功率消耗与搅拌转速,选空压机,搅拌电机,44,1.几何尺寸放大：按,几何相似原则,设V,1、,V,2,分别为模型罐和生产罐，已知V,1,/V,2,=m，据几何相似有：,则：,故有：,45,2.空气流量放大,在已知大罐的尺寸后，接下来计算大罐的 VVM 与 v,s,。,空气流量放大，常用的有,三种放大原则,VVM,1,VVM,2,V,s 1,=,v,s,2,K,La,1,=,K,La,2,46,原则一：若设VVM,1,VVM,2,47,原则二：若设V,s 1,=V,s 2,48,原则三：若设,K,La 1,=K,La 2,这两页中的小写p为放大前后罐内平均压力，前后文中大写的P指功率,PPT41页,49,下表是在：,V,2,125V,1,，D,2,5D,1,，p,2,1.5p,1,时，采用不同放大方法，计算出来的。,通常放大后，VVM下降，而线速度上升,50,3.搅拌转速及功率的放大,求放大后的转速N,2,，与功率P,2,（此时放大后的通气条件已经计算确定了）,搅拌转速及功率的常见放大原则,P,0,/V,L,常数单位体积发酵液所消耗不通气功率相同,P,g,/V,L,=,常数单位体积发酵液所消耗通气功率相同,K,La,=,常数,51,P,0,/V,L,常数,由于有,故,保持上式在放大中不变，则有,解释了发酵罐体积增大，而搅拌速度反而减小,52,P,g,/V,L,=常数,P22页,53,K,La,=常数,PPT 41页公式,54,例1.5,若有一中试发酵罐，装料量为0.28m,3,，D0.6m，搅拌器直径为0.2m，搅拌转速为420r/min，不通气搅拌功率为0.9kW，通气时为0.4kW，空气线速度为50 m/h，若将其放大125倍，求生产罐的主要尺寸及主要工艺操作条件。,55,56,发酵罐放大时，罐尺寸参数按几何比例放大,但是其它参数并不按几何比例放大,要清楚放大发酵罐计算时，假设的是什么参数变化，什么不变,不同的放大标准，选定,不同的不变参数，其最终计算出来的放大结果也不同,，通过实际选用最优。,57,