200立方米谷氨酸发酵罐设计.docx

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1、200立方米谷氨酸发酵罐设计生物工程设备课程设计200m3 谷氨酸发酵罐设计院系：生物与化学工程学院 专业：生物工程 班级： 学号：姓名：指导老师：日期：2012 年5月11日生物反应工程与设备课程设计任务书机械搅拌生物反应器设计一、课程教学目标生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践 教学环节，要求学生综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来 解决生化工程实际问题，对培养学生全面的理论知识与工程素养，健全合理的 知识结构具有重要作用。在本课程设计中，通过生化过程中应用最为广泛的设 备，如机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、动植物细胞培养反应器，蒸发结晶设 备、蒸馏

2、设备等的设计实践，对学生进行一次生化过程发酵设备设计的基本训 练，使学生初步掌握发酵设备设计的基本步骤和主要方法，树立正确的设计思 想和实事求是，严肃负责的工作作风，为今后从事实际设计工作打下基础。二、课程设计题目设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器三、课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。3、动力消耗、设备结构的工艺设计。四、课程设计的要求课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大 体相同，主要基本内容及要求如下：1、工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量

3、衡算，主体设备工艺尺 寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括：（1）工艺设计 设备结构及主要尺寸的确定（D, H, Hj V, V Di等） 通风量的计算 搅拌功率计算及电机选择 传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计 壁厚设计（包括筒体、封头和夹套） 搅拌器及搅拌轴的设计 局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等） 冷却装置的设计（包括冷却面积、列管规格、总长及布置等）2、设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书,目录、前言、设计方案论述,工艺设计和 计算,设计结果汇总、符号说明,设计结果的自我总结评价和参考资料等。3、绘制设备图一张设备图绘制,应标明设备的主要结构与

4、尺寸。目录第 1 章 概述11.1发酵罐设计前景11.2微生物生物反应器的研究与应用概述11.3 微生物反应器的研究和应用进展 2第 2 章 设计依据32.1、本次设计内容32.2、基本参数32.2.1 发酵罐的型式 32.2.2 发酵罐的用途 32.2.3冷却水及冷却装置42.2.4设计压力 4第 3 章 通用发酵罐的系列参考尺寸531通用发酵罐的系列尺寸53.2 发酵罐主要设计条件6第4 章 谷氨酸生产工艺流程简介74.1谷氨酸发酵工艺技术参数74.2谷氨酸生产原料及处理74.3谷氨酸生产工艺流程图10 第 5 章 发酵罐选型及工艺计算 115.1 发酵罐的设计与选型 115.1.1 发酵

5、罐的选型 115.1.2 生产容积的确定 115.2主要尺寸的计算115.3 冷却面积的确定125.4 搅拌器设计 135.5 、搅拌轴功率的确定 152.5.1 计算Re m155.5.2 不通气条件下的轴功率计算165.5.3 通气发酵轴功率计算 165.5.4 求电机功率 P 17电5.6 设备结构的工艺设计175.7 竖直蛇管冷却装置设计 185.8 备材料的选择 215.9 发酵罐壁厚的计算 215.10 接管设计23 第 6 章 设计结果与讨论 256.1 发酵罐参数设计汇总 256.2 辅助设备有关参数 266.3 搅拌器有关参数 276.4 主要符号说明 27 第 7 章 发酵

6、罐设计心得体会 29 参考文献 30 设计图 31第 1 章 概述1.1 发酵罐设计前景生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是 21世纪生物工程发展的重要 前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物 与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技 术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。生物反应器(bioreac tor)是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物 功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心 内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。 微生物反应器和酶反应

7、器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备， 其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、 压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低 消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。细 胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。转基 因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物 反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位 表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在

8、动物 的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因 植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。1.2微生物生物反应器的研究与应用概述微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上， 间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前 已发展了釜 /罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前 已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应 器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物 团块反应器根据催化剂

9、相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种 型式的生物反应器；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展 至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段：实验室阶段一微生 物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或13L反应器中进行；中试阶段 5500L规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；工厂化规模 生产实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述 的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。 在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、 传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物

10、酶、细胞充分与外界接触并完成 生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类 型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面 也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应 器在污水处理中的研究和应用不断发展。1.3 微生物反应器的研究和应用进展膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进 展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机 等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为 合理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技 术(超声

11、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等)、蛋白质纯化技术(沉 淀法、色谱分离法和超滤法等)等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平 的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的 快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌(Geobacter sulfurreducens)、泥土杆 菌科(Geobacteraceae)的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜(PEM)的技术进步，共同推动了微生物燃料电池(MFC)技术的发展和应用。第 2 章 设计依据2.1本次设计内容设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器2.2 基本参数2.2.1发酵罐的型式机械搅拌通风发酵罐 高径比：H

12、/D=1.74.0 搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,片叫:L:B=20:15:5:4 搅拌器直径：Di=D/3 搅拌器间距：S= (0951.05) D 最下一组搅拌器与罐底的距离：C= (0.81.0) D 挡板宽度：B=01D,当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2.2.2 发酵罐的用途用于谷氨酸生产的发酵罐，有关设计参数如下： 装料系数：种子罐 0.500.65发酵罐 06508 发酵液物性参数：密度1080kg/m3粘度 2.0 X103N.s/m2导热系数0621W/m. C比热 4. 174kJ/kg. C 高峰期发酵热335 X 104kJ/h.m3 溶氧系数：种子罐57 X 10

13、6molO /ml.min.atm2发酵罐 69X106molO /ml.min.atm2 标准空气通风量：种子罐0.40.6vvm发酵罐 0.20.4vvm2.2.3 冷却水及冷却装置冷却水：地下水 1820C冷却水出口温度：2326C发酵温度：3233C 冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。2.2.4设计压力罐内 0. 4MPa ；夹套 0.25 MPa发酵罐主要由罐体和冷却列管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔 和其它的一些附件组成。这次设计就是要对200M3通风发酵罐的几何尺寸进行计 算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头 的壁厚；根据

14、发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷 却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置， 和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。第 3 章 通用发酵罐的系列参考尺寸3. 1通用发酵罐的系列尺寸表1 发酵罐系列尺寸公称 罐内 圆柱 容积 径 高罐体 封头 总高 容积分容积320m640m105850m50Lmmmmm6.3L52L100L400m800m125105011.5100LmmmmmmL500m1000150130021.3200L197LmmmmmmmL700m1400200180054.5500L540LmmmmmmmL1.0

15、m900m180025023000.111.14m33mmmmmmm2m35.0m1500300040038000.485.3m33mmmmmmmm7m31800360047545500.8210m39.15m3mmmmmmmm6m32300460061558301.7620m319.1m3mmmmmmmmm331006200815783050m34.2m3 46.8m3mmmmmmmm100m4000800010410089.02100m33mmmm0mm0mmm3200m50001000130126016.4197m33mm0mm0mm0mmm3表 2 发酵罐相关参数不计 上封 头的 容积

16、搅拌桨直搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式58.3L112L218L595L1.25m35.79m39.98m320.86m351m364470r/112mm0.4kW 25mm6Lmin123400r/135mm0.4kW 25mmLmin239L168mm 360r/ 0.6kWmin649265r/245mmLmin1.1kW25mm35mm1.3220r/315mm1.5kW 35mm6m3min6.2160r/525mm5.5kW 50mm7m3min10. 630mm 145r/ 13kW 65mm8m3min22. 770mm 125r/ 23kW 80mm6m3min55.

17、1050m 110r/ 55kW 110mm2m3 m min夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 列管 列管列管列管118 1350m109m3m3m230 1700m 213m3m3m3.2 发酵罐主要设计条件表 3 设计参数项 及代号目参数及结 果备注发酵谷氨酸产品工作0.4MPa由任务书压力确定设计0.4MPa由任务书压力确定发酵33C根据任务温度书选取（工作温度）设计150C由工艺条温度件确定冷却列管冷却 由工艺条方式件确定发酵P二1080Kg / m3由工艺条液密度件确定发酵卩=2.0 x 10 一3 N s / m 2由工艺条液黏度件确定根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要

18、求： 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； 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； 在保持生物反应要求的前提下，降低能耗； 有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度； 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第 4 章 谷氨酸生产工艺流程简介4.1 谷氨酸发酵工艺技术参数表 4 主要工艺技术参数生产工序参数名称指标淀粉质 原料糖蜜原 料1制糖(双酶淀粉糖化转$98法)化率%2发酵产酸率 g/dlM80$8.03发酵糖酸转化率%$50$554谷氨酸提 取提取收率%$86$804.2 谷

19、氨酸生产原料及处理表 5 原料及动力单 耗表序 物料名号称单耗(t/t)规格 淀粉原 大米原 糖蜜原料料料玉米淀含淀粉2121 粉 86% 2.122 大米 含淀粉3.070%3糖蜜含糖 50%3.974硫酸98%0.450.450.455液氨99%0.350.350.356纯碱98%0.340.340.347活性炭0.030.020.108水3093093099电2000Kw2000Kw2000Kwh/th/th/t10蒸汽11.411.411.4谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷 烃(液体石蜡)等。国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少 数厂家是

20、以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处 理。(一)糖蜜的预处理 谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中特别 是甘蔗糖蜜中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。故在以糖蜜为原料进行 谷氨酸发酵时，常常采用一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下 几种。(1) 活性炭处理法 用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多 达糖蜜的30%40%,成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜, 可减少活性炭的用量。(2) 水解活性炭处理法 国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜,再用活性 炭处理的方法去除生物素的实验,并应用于生产。(3) 树脂处理法

21、 甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素,这样可以大 大提高谷氨酸对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜,使其浓度达到 10%, pH达2.5,然后在120C下加压灭菌20min,再用氢氧化钠调pH至4.0, 通过脱色树脂交换柱后，将所得溶液调pH至70,用以配制培养基。(二)淀粉的糖化绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行 谷氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。可用来制成淀 粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀 粉或大米制备水解糖。淀粉水解的方法有三种：1酸解法 用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下：原料(淀粉、水、

22、盐酸)调浆f糖化f冷却f中和脱色f过滤除杂f糖液(1) 调浆原料淀粉加水调成1011 Be的淀粉乳，用盐酸调pHl5左右， 盐酸用量(以纯盐酸计)约为干淀粉的0.5%08%。(2) 糖化 首先要在水解锅内加部分水，加水后将水解锅预热至 100 105C,(蒸汽压力为0102MPa)随后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温， 在表压为0250.4MPa之间保压，一般水解时间控制在1020min，即可将淀 粉转化成还原糖。(3) 冷却 中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大， 过滤困难。因此，生产上一般将糖化液冷却到80C以下。(4) 中和 淀粉水解完毕，酸解液 pH 仅为 15 左右

23、需用碱中和后才能用 于发酵。中和的终点 pH 一般控制在 4.55.0 左右，以便使蛋白质等胶体物质 沉淀析出。(5) 脱色 酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。脱色可采用 活性炭吸附，活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末，不溶于任何 溶剂，质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。它将具有脱色与助滤两 方面作用。(6) 过滤除杂 经中和脱色的糖化液要充分沉淀12h，待液温降到45 50C，用泵打人过滤器除杂质，过滤后的糖液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉 糖化过程全部结束，制成的糖化液供发酵使用。2酶解法 先用a-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊 精和低聚糖

24、进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常 状态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。这样的菌体对环 境条件是敏感的。也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上的， 是受多种发酵条件支配的。因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要 条件。在谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH+、pH、氧传4 递率、排气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体 增殖与产物形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物 最大限度地利用糖合成主产物。为了实现发酵过程工艺条件最佳化，可采用电

25、子计算机进行资料收集、数据解析、程序控制。收集准确的数据，如搅拌转速 液量、冷却水人口温度和流量、通风量、发酵温度、pH、溶解氧、氧化还原电 位等，还可准确地取样。控制操作者要求进行检测和及时处理比增殖速度、比 产物形成速度、比营养吸收速度、氧的消耗速度等数据，使操作条件最佳化4.3 谷氨酸生产工艺流程图淀粉消l泡剂一生物工程设备课程设计发酵罐葡萄糖消泡剂水I无机盐水f配料罐f定容罐定容罐一配料罐无机盐糖蜜II玉米浆 连消器 纯生物素I糖蜜 二级种子罐玉米浆I纯生物素实消维持罐II斜面一级种子降温换热器II消泡剂液氮一二级种培养发酵罐高浓度糖液液氨无菌空气图1谷氨酸发酵工艺流程图第 5 章 发

26、酵罐选型及工艺计算5.1发酵罐的设计与选型5.1.1发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。5.1.2生产容积的确定(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：若取发酵罐的填充系数9=70%,(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。5.2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V 二 V + 2V 二 23O(m3)全 筒封为了提高空气利用率，罐的高径比取2H 二 2D冗(冗)V = V + 2V = D22D + 2h + _ D全筒封 41 6丿=230(m3)椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算

27、兀V 二 V + 2V 二 0.785D2 x 2D + D3 x 2 二 230(m3) 全 筒封24解方程得230D飞吊二5004(m)取5m。H 二 2D 二 10(m)圆柱部份容积V筒为:V 二 0.785D2 X 2D 二 0.785 x 52 x 10 二 196.25(m3)筒上、下封头体积VR兀兀v封二 24D3 二站53 二 1625(m3)全容积验算：V 厶二 V + 2V 二 196.25 + 2x 16.25 二 228.75(m3)全 筒封V全 V全符合设计要求，可行。5.3 冷却面积的确定3.3X根据部分谷氨酸厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约104kJ/

28、m3h)，则冷却面积按传热方程式计算如下：QKAtm式中S冷却面积，m2Q换热量，kj/hAt一一均温度差，。CmK总传热系数，kJ/(m2hC)230m3灌装液量为:230X70%=161 m3Q = 3.3 )104 x161 = 5.313X106 KJ/h设发酵液温度33C,冷却水进口温度19C，出口温度25C,则平均温度差At为：m(33 -19) - (33 - 25)InU33 - 25=10.27C采用竖式蛇管换热器取经验值K取4.18X500kJ/(m2hC)1,QK At晟赭=3叽)5.4 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

29、搅拌器。该搅拌器的各部尺寸与罐径 D 有一定比例关系, 六弯叶涡轮搅拌器,D:d:L:B=20:15:5:4现将主要尺寸列后1：搅拌器叶径必为：D =一 = ? = 1.67 (m)i 33取 1.7m。叶宽B为：B 二 0.2D 二 0.2 x 1.7 二 0.34(m)弧长l为:1 二 0.375D 二 0.375 x 1.7 二 0.64(m)i底距C为:取17m。盘径d为:d 二 0.75D 二 0.75 x 1.7 二 1.275(m)ii叶弧长L为:L 二 0.25D 二 0.25 x 1.7 二 0.425(m)i叶距Y为:Y 二 D 二 5(m)弯叶板厚：8 =12 (mm)取

30、两挡搅拌，搅拌转速N可根据50m3罐，搅拌直径1.0 5m,转速N=110r/min。21以等P /V（单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同）为基准放大求得.0即：r d)1-ld丿 2 y式中n放大的搅拌器的转速，r/minn模型搅拌器的转速，n=110r/min1d模型搅拌器直径，d=1.05mi1d放大的搅拌器直径，d=1.7m2n = n2123 二 110 X将各值代入上式23 二 79.78(r/min)二 1.33(r/s)取两档搅拌，搅拌转速79. 78r/min。5.5 搅拌轴功率的确定5.5.1 计算Rem淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体R D 2N pRe =m U

31、式中 D搅拌器直径，D=170mN搅拌器转速，N =孚60P醪液密度，P =1080 kg/m3U醪液粘度，u=2X 10-3N s/m2将数代入上式：Rem1.72 X 1.33 X10802 x 10-3=20.76 x 105 104视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.75.5.2不通气条件下的轴功率计算：P = N n3d5pp式中N功率数,N=473ppn搅拌器的转速，n=133r/sd搅拌器直径，d=17mP流体密度，P =1080kg/m33将各值代入上式P 二 N n3d5p 二 4.7 x1.333 x1.75 x1080 二 169559.12(W)二 169.56(KW)

32、p553通气发酵轴功率计算：P = 2.25 x10-3 xgP2nd30.39.Qo.08 丿式中P不通气条件下的轴功率，P=16956KWn搅拌器的转速，n=7978r/mimd搅拌器直径，d=170cmQ工况下的通气量，（发酵罐通风比：设通风比 VVm=0204,取低限，如通风量变大，Pg会小，为安 全，现取02则Q = 230 x 70% x 0.2 = 32.2 x 106( ml/min )将各值代入上式“P2nd3)039(1 656 2x79.78x1703。他P = 2.25x10_3x= 2.25x10_3x 1656 2 798 1703 = 161 50KW)gI Q0

33、08 丿I 322000000.08 丿B呼554求电机功率p电PP = g x 1.01电 q q q123采用三角带传动n =092；滚动轴承n =0.99,滑动轴承n =0.9 8；端面密123 封增加功率为1%；代入公式数值得：二 161.50 x 1.01 二 182.74( KW) 电 0.92 x 0.99 x 0.985. 6设备结构的工艺设计(1) 空气分布器：本罐使用单管进风。(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

34、管冷却装置。5. 7竖直蛇管冷却装置设计(1) 求最高热负荷下的耗水量W为:QW =总一C (t -1 )p 2 1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,总二 333104161 二 5-31110(刃/h)C 冷却水的比热容，C =4.18kJ/(kg C) ppt冷却水终温，t =25C 22t冷却水初温，t= 19C 11将各值代入上式QW =总C (t -1)p 2 15.31x1064.18 x (25 -19)=2.12 x105( Kg / h) = 58.89( Kg / s)冷却水体积流量为0.0589m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s,

35、根据 流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为：总式中W冷却水体积流量，W=00411m3/sV冷却水流速，V=1m/s代入上式A总=V=0-0589(m2)进水总管直径d为:总d 总总 _ 0.7850.785589 二 0.274(m)查表选取D 299X7。g(2) 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为A总，管径d，组数为n则总0A = n - 0.785d2总0现根据本罐情况，取n=9,求管径。由上式得总 二 0.0589 二 0.091(m) n x 0.7859 x 0.785经査表选取108X5无缝管，d =98mm, d =103mm。内 平均现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300

36、mm，则两直管距离为600mm，两弯管 总长度l为：01。=兀 D = 3.14 x 600 = 1884(mm)(3) 冷却管总长度L计算：冷却管总面积S=31776m2。现取无缝钢管108X5,丁 S 317.76993(、L = 993(m)S 0.320冷却管占有体积V管为:管V = 0.785x 0.1082 x 993 = 9.09(m3)管取冷却管组n=9。每组管长L为:0L 993L=-n=丁=11033(m)另需连接管1 8m，L = L -1.8 = 110.33-1.8 = 108.53(m)实0可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底209mm。设发酵罐内附件占

37、有体积为063m3，则总占有体积为:V + V二 9.09 + 0.63 二 9.72( m3)管 附件筒体液面为：V x70% + (V + V )-V总管 附件 封二S截面230 x 70% + (9.09 + 0.63) -16.250.785 x 52二 7.87(m)竖直蛇管总高H为:管H 二 7.87 +1.2 二 9.07(m) 管取管间距为0 6m。又两端弯管总长l为:01。= 3.14 x 0.6 = 1.884(m)两端弯管总高1加。则一圈管长L为：L 二 2H + 2L 二 2x9.07 + 2xl.884 二 21.91(m)0每组管子圈数n为:0n = L = 110

38、33 = 5.04(圈)0 L 21.91取5圈。L、= 21.91 x 5 x 9 + (1.8 x 9) = 1002.15993(m)实现取管间距为：1.9 x D 二 1.9 x 0.108 二 0.20( m)竖蛇管与罐壁的最小距离为01 Om。最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为：0.2 x 4 + 0.10 + 0.108 x 5 二 1.44(m)与搅拌器的距离为：(5-1.7) /2 -1.44 = 0.21 A 0.2(m)在允许范围内。(6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：S 二兀dxL 二 3.14x0.103x1002.15 二 324.12 A 317.76(m2)实

39、 平均 实故可满足需求。58备材料的选择为了降低设备造价费用，本设备选用A碳钢材料，精制时用除铁树脂除3去铁离子。5 9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 GB15O-1998 钢制压力容器进行。内压圆筒厚度计算：5=pDi + C + C2lo-T -p12式中8圆筒的设计厚度，mmp设计压力，p=0 4MPaD圆筒的内直径，D=5000mmo t设计温度下圆筒材料的许应用力，ot=1245MPaid焊缝系数，d=091C一钢板的厚度负偏差，C =0.8mmi11C腐蚀裕量，C =1mm222 将各值代入上式。pD厂厂0.4 x 5000八。1、5= i+ C + C =+ 0.8 +1 = 10.74(mm)2qt p12 2 x 124.5 x 0.9 - 0.4査附表可选用12mm厚的碳钢钢板。査附表知：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：pDi5p式中6一一圆筒的设计厚度，mmp设计压力，p=0.4MPaD圆筒的内直径，D=5000mmot一一设计温度下圆筒材料的许应用力，ot=12 4. 5MPa