100t糖化罐的设计.docx
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100t糖化罐的设计
生物工程课程设计说明书
题目：
玉米淀粉糖化罐设计
院系：
生物工程学院
姓名：
王家昕
学号：
1204s209
指导老师：
徐庆阳
1前言······························································2
2课程设计任务······················································2
3设计方案的拟定····················································2
4物料衡算··························································2
4.1制糖工序的物料衡算（每吨）·····································3
4.2衡算结果·····················································4
5热量衡算··························································4
5.1液化工序热量衡算·············································4
5.2糖化工序热量衡算·············································5
6水衡算····························································6
6.1糖化工序水衡算···············································6
7设备计算··························································6
7.1调浆槽·······················································6
7.2液化喷射系统·················································7
7.3调酸罐·······················································8
7.4糖化罐······················································9
7.5糖化罐外接管道··············································12
7.6板框压滤机·················································13
7.7糖液储罐···················································13
7.8高位碱罐···················································13
7.9生产中使用的泵·············································13
1.前言
双酶法是通过淀粉酶将淀粉液化和糖化酶将其糖化成葡萄糖的生产工业。
整个工业可分为两步：
第一步，液化过程，用α-淀粉酶将淀粉液化为糊精及低聚糖，使淀粉可溶性增加。
第二步，糖化，利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖。
其优点在于：
酶的专一性，水解糖液浓度高。
酶解条件温和，降低设备强度，可在较高的淀粉浓度下水解，水解液还原糖浓度高达30%以上，淀粉乳浓度高，制得的糖色浅无苦味，质量好，也适用于粗淀粉。
其缺点：
酶反应时间长，夏天糖液容易变质，糖液过滤困难，设备较多，须具备专门酶培养条件。
综上所述，本设计将拟采用双酶法制糖工艺。
工艺技术要点：
1.调浆配料，根据需要，将淀粉乳调成15-20°Bé。
用Na2CO3水溶液调pH6.4-6.5。
CaCl2用量为干淀粉的0.15-0.3%，如果水中Ca2+超过50mg/l,也可不加CaCl2。
α-淀粉酶加量按10-12单位u/g干淀粉计算。
2.喷射液化，其规格根据需要选定，一般工作蒸汽压力0.4MPa，淀粉乳供料泵压力0.2-0.4MPa。
喷射温度100-105℃，层流罐维持95-100℃，液化时间60min，以点色反应程棕红色即可。
然后液化液经130-140℃灭酶5-10min，再经板式换热器，冷却至70℃以下，进入糖化罐。
从换热器出来的热水供配料和洗滤渣用。
3.糖化，糖化温度60±1℃，pH4.0-4.4,糖化酶加量按100-12u/g干淀粉计算。
糖化时间30-40h，以无水乙醇检查无白色沉淀为终点，终点DE值为95-98%。
然后将物料加热至80-85℃，灭酶30min。
4.过滤，糖液先用Na2CO3水溶液调至pH4.6-4.8，不加或少量加助滤剂珍珠岩或活性炭，然后过滤，不加助滤剂的滤渣可用作饲料。
所得糖液为淡黄或无色透明液体，还原糖含量25-38%。
2.课程设计任务
设计年产99.9%谷氨酸33000吨工厂淀粉糖化罐。
3.设计方案的拟定
设定的技术指标：
年产量99.9%以上的谷氨酸33000吨;采用85%以上纯度的玉米淀粉为原料；全年生产天数为340天；气候条件：
极端高温42℃，最低气温0-23℃，一般为10-30℃，主导风向，冬夏均为北风。
粉糖转化率98%；
产酸率：
13g/dl；
糖酸转化率：
61%；
提取收率：
96%；
糖化周期40hr；
双酶法制糖生产周期48hr。
4.物料衡算
常用的酶法制糖工艺流程为：
调浆—→配料—→一次喷射液化—→液化保温—→二次喷射—→高温维持—→二次液化—→冷却—→糖化
此工艺有如下五点：
1.连续喷射液化：
此法是利用喷射器将蒸汽直接喷射入淀粉乳薄层，在短时间内达到要求的温度，完成淀粉糊化、液化。
从生产情况可以看出，此法液化效果较好，蛋白质杂质凝结在一起，使糖化液过滤性好，同时该设备简单，便于连续化操作。
2.层流罐的应用：
众所周知，淀粉液化的目的是为糖化酶作用创造条件，而糖化酶水解糊精及低聚糖时，需要先与底物分子结合生成络合结构，然后才发生水解作用，使葡萄糖单位逐个从糖甘键中裂解出来，这就要求被作用的底物分子具有一定的大小范围，才有利于于糖化酶生成这种络合物，为了保证底物分子大小在一定范围内，客观上要求液化要均匀。
传统的液化保温罐，先进入的料液不能保证先出去，造成先进料液液化过头，后进料液液化不完全，如此前后液化不均匀。
为此设计了一层流罐。
本关细而高，料液从上部切线进料以防料液走短路，料液从下部排出，从而保证了料液先进先出，最后液化均匀一致。
3.快速升温灭酶：
高温处理时，通过喷射器快速升温至120-145℃，快速升温比逐步升温产生的“不溶性淀粉颗粒”少，所得的液化液既透明又易过滤，淀粉出糖滤高，同时由于采取快速升温法，缩短了生产周期。
4.高温分散：
通过喷射器加热到120-145℃，在维持罐内维持5-10分钟左右，使已形成的“不容性淀粉颗粒”在高温作用下分散，同时蛋白质进一步凝固。
5.真空闪急冷却：
液化液浓度可以增高，同时利用高压差淀粉会进一步分散，出糖率可以增高。
4.1.制糖工序的物料衡算（每吨）
1．淀粉浆及加水量：
1：
1.5，1000kg工业淀粉加水量为
1000×1.5=1500kg
产淀粉浆量为：
1000×（1+1.5）=2500（kg）
2．淀粉浆干物质浓度：
（1000×85%）/2500×100%=34%
3．液化酶量：
2500×0.25%=6.25（kg）
4．CaCl2量：
2500×0.25%=6.25（kg）
5．糖化酶量，用液体糖化酶：
2500×0.25%=6.25（kg）
6．糖化液产量：
（1000×85%×1.111×98%）/30%=3082（kg）
30%的糖液相对密度为1.113
糖化液体积：
3082/1.113=2769（L）
7．加珍珠岩量为糖液的0.15%
3082×0.15%=4.6（kg）
8．滤渣产量为含水70％的废珍珠岩
4.6/（1-70%）=15.3（kg）
9．生产过程中进入的蒸汽和洗水量：
3082+15.3-2500-6.25×3-4.6=574（kg）
由于设计需留一定余量，故按每日处理吨淀粉进行糖化罐设计。
4.2.衡算结果
根据总物料衡算，日投入工业淀粉200t，物料衡算汇总列如下：
工业淀粉200000kg200t
配料水300000kg300t
液化酶1250kg1.25t
CaCl21250kg1.25t
糖化酶1250kg1.25t
珍珠岩920kg0.92t
洗水和蒸汽114800kg114.8t
糖液616400kg616.4t
滤渣3060kg3.06t
5.热量衡算
5.1.液化工序热量衡算
1．粉浆
（1）淀粉浆量
根据物料衡算，日投工业淀粉200t；连续液化
200/24＝8.33（t/h）
粉浆量为
500/24＝20.83（t/h）
（2）粉浆干物质浓度：
（200×85%/500）×100%＝34%
（3）粉浆比热C
C＝C0X/100＋C水（100-X）/100
C＝1.55×34/100＋4.18×（100-34）/100＝3.29[kJ/（kg·K）]
（4）蒸汽用量
D＝[GC（T2－T1）]/（I－λ）＝[20830×3.29×（90-20）]/（2738－377）＝2032（kg/h）
2．灭菌用蒸汽量
灭菌时将液化液由90℃加热至100℃，在100℃时的λ为419kJ/kg
D灭＝[20830×3.29×（100-90）/（2738－419）]＝290（kg/h）
要求在20min内使液化液由90℃升至100℃，则蒸汽高峰量为：
290×60/20＝870（kg/h）
以上两项合计，平均量
2032＋290＝2322（kg/h）
每日用量
2.3×24＝55.2（t/d）
高峰量
2032＋870＝2902（kg/h）
3．液化液冷却用水量
使用板式换热器，将物料由100℃降至65℃，使用二次水，冷却水进口温度20℃，出口温度58.7℃，需冷却水量（W）
W＝[（20830＋2032）×3.29×（100-65）]/[（58.7-20）×4.18]＝16274（kg/h）＝390（t/d）
5.2.糖化工序热量衡算
日产30％的糖液616t，即
616/1.113＝553（m3）
糖化操作周期48h，其中糖化时间40h，糖化罐150m3，装料112.5m3，需糖化罐（553/112.5）×（48/40）＝5.9，取6台。
使用板式换热器，使糖化液（经灭菌后）由85℃降至60℃，用二次水冷却，冷却水进口温度20℃，出口温度45℃，平均用水量为
[22862×3.29×（85－60）]/[（45-20）×4.18]＝17994（kg/h）
式中22862为糖化液量（糖化液＋蒸汽冷凝水＝20830＋2032）
要求在2h把112.5m3糖化液冷却至40℃，高峰用水量为
（17994/22862）×（112500×1.113/2）＝49276（kg/h）
每日糖化罐同时运转
6×40/48＝5罐
每投（放）料罐次
553/112.5＝4.9罐次
每日冷却水用量
17.9×24＝429.6（t/d）
6.水衡算
6.1．糖化工序用水量
1．配料用水量：
日投工业淀粉200t，加水比1:
1.5，
用水量为
200×1.5＝300（t/d）
因连续生产，平均水量＝高峰水量为
300/24＝12.5（t/h）（用新鲜水）
2．液化液冷却用水量：
平均量＝高峰量为
390（t/d）＝16.25（t/h）（二次水）
3．糖液冷却水用量（使用二次水）：
每日用冷却水量
429.6t/d
平均量
429.6/24＝17.9t/h
高峰量
49t/h
7.设备计算
7.1．调浆槽
1.34%的淀粉乳波密度为19.1，相对密度为1.1519，淀粉干基含量390.160g/L，淀粉干基体积百分含量33.941%。
每日处理淀粉乳体积
500/1.1519=434m3
取装填系数80%
则需调浆槽体积
434/80%=542.5m3
故取200m3调浆槽3个。
D/H=1:
1.5D=（4V/1.5π）1/3=5.538m
取D=5600mm故H=8400mm
调浆槽用水泥，瓷砖砌成即可。
2.搅拌器作用为均匀淀粉乳，故选用两挡六叶涡轮式搅拌器即可。
叶径
d=0.6D=0.6×5.6=3.36m3
叶宽
b=0.2d=0.672m
转速
n=260r/min=4.3r/s
已知搅拌器功率准数
Np=4.8
淀粉乳
ρ=1.1519kg/m3
则
P0=Npd5n3ρ=4.8×3.365×4.33×1.1519=188kf
选择电机型号为JS2-355M2-2额定功率190kW转速为1476r/min。
7.2.液化喷射系统
1.液化喷射器
每小时淀粉浆量
500/24=20.83（t/h）。
HYW—7型喷射液化器处理量为
10t/h（干物质）
30m3/h（液化计）
则数量为2个
选用不锈钢材料。
2.缓冲罐，层流罐，灭酶罐的选择
缓冲罐1200×50002个材质A3
层流罐1000×1000010个材质A3
灭酶罐1000×26002个材质A3
3.淀粉乳进口直径和蒸汽进口直径
进材料
30m3/h（液化计）
d=18.8（V/v）1/2
d—管道内径（mm）V—介质容积流量（m3/h）v—介质平均流速
d=18.8×（30/0.7）1/2=123mm
查<<化工原理>>上册取直径为12.5无缝钢管选用133×4材料为不锈钢。
4.蒸汽需要量：
蒸汽压力为
6kgf/cm2r=2113kJ/kgCp=4.18kJ/kgK
淀粉乳在冬天时为10℃
Q=MsCp△t=（500×85%）/（17×2%）×103×4.18×（110-10）=52.25×107kJ
故需蒸汽
52.25×107/2113=247.3×103kg取250t
由于连续液化即每小时蒸汽量为
250/24=10.4t/h
取蒸汽速度v=30m/s蒸汽比容为0.606m3/kg
蒸汽容积流量
10.4×107×0.606=6302m3/h
故
d=18.8×（6302/30）1/2=272.48mm
故选用273×5材料为不锈钢。
7.3.调酸罐
糖化前采用硫酸来调PH值到4.3—4.5。
罐的高径比D/H=1/1.5。
取糖化系统两套。
即每天调酸两次处理淀粉的液化液体积为550m3,考虑装填系数取为650m3取15个45m3调酸罐。
D=（4V/1.5π）1/3=（4×45/1.5×3.14）1/3=3.36m
取实际直径D=3400mmH=5100mm。
罐内需衬耐酸衬层以防止腐蚀为安全起见，需加善为调酸均匀，罐内应有搅拌系统。
选用两档二叶浆式搅拌器45度。
叶径
d=0.6D=0.6×3.4=2.04m
叶宽
b=0.1d=0.1×2.04=0.204m
转速
h=60r/min
故
Re=end2/u=1.1519×1×2.042/2.23×10-3=2.15×103
A=14+（b/D）[670×（d/D-0.6）0.6+185]
=14+（0.156/2.6）×[670×（1.56/2.6-0.6）0.6+185]
=25.1
B=10[1.3-4[b/D-0.5]2-1.14d/D]=0.694
P=1.1+4（b/D）-2.5（d/D-0.5）2﹣7（b/D）4=1.135
Np=A/Re+B[（103+1.2Re0.66）/（103+3.2Re0.66）]（D/A）（0.35+b/D）sin1.2θ
=9.83kW
选用Y180u—8电动机转速730r/min
7.4．糖化罐
日产30％的糖液616t
即
616/1.113＝553（m3）
糖化操作周期48h，其中糖化时间40h，糖化罐体积取150m3，装料比取75%
即112.5m3，需糖化罐（553/112.5）×（48/40）＝5.9，取6台。
1.罐体设计
取
D/H=1/1.5
取
D=（4V/1.5π）1/3=5.030m
取实际直径D=5100mmH=7650mm
罐体选用不锈钢制造，设备为常压容器，不需耐压
查得《味精工业手册》P791表9—19取壁厚δ=8mm
罐体圆筒内表面积和容积
F=πDH=3.14×5.056×7.65=121.5m2
V=1/4πD2H=1/4×3.14×5.0562×7.65=153.6m3
2.冷却装置设计
选型
糖化过程是一个放热过程，同时机械搅拌也会产生少量的热量。
从液化液到糖化液也需要降温。
因此，糖化罐中需冷却装置。
参考有关资料，结合设计要求，决定采用蛇管换热器，其形状为管子绕着圆柱体盘呈螺旋形。
冷却面积计算
液化二次喷射温度为130℃,放置温度为100℃,糖化温度为60℃,冷却水温度为13℃—21℃,取为15℃。
K总传热系数=1217—2930kJ/hrKm2
料液比热
C=3.29kJ/（kg·K）
取液化液进关时间为30分钟,每小时冷却料液量
153.6×1.1519×75%/0.5=265.4kg/h
冷却水的流量为液化液3倍,冷却水的终温
t2=288+265.4×103×3.29×（100-60）/（265.4×103×3×4.18）
=298.5K
平均温度差
373K—333K298.5K—288K
Δt=58.5℃
冷却面积
冷却水带走热量
Q=265.4×103×3.29×（100-60）=3.49×107J/h
取
K=2000kJ/khm2
Q=KA△t
A=3.49×107/（2000×58.5）=298.3（m2）
选择管型
管道环绕半径为
0.8×5100=4080mm
管道每个螺旋圈数:
18
展开后螺旋长度
18×3.14×4.08=230.6m
冷却管直径
230.6×3.14Dg=298.3Dg=0.412m
故选择Dg=426mm的无缝钢管。
3.搅拌装置设计
糖化管中搅拌器主要用于调匀液体.故选用浆式直叶搅拌器较合适,且设备简单,加工方便。
选用45度直叶浆式搅拌器:
叶径:
d=0.6D=0.6×5.1=3.06m
叶宽:
b=0.1d=0.1×3.06=0.306m
转速:
n=30r/min=0.5r/s
功率计算
Re=1.1519×0.5×2.542/1.193×10-3=3.11×103
A=14+（b/d）[670×（d/D-0.6）0.6=185]=25.1
=14+（0.264/4.4）[670×（2.64/4.4-0.6）0.6+185=25.1
B=10[1.3-44×b/D-0.5]2-1.14b/D]
P=1.1+4（b/D）-2.5（d/D-0.5）2-7（b/D）4=1.135
N=A/Re=B[103+1.2Re0.66]（103+3.2Re0.66）]p（D/A）（0.35+b/D）sin1.2θ=7.66kW
因搅拌轴上装有两个搅拌器故功率应为:
N=2Np=2×7.66=18.6（kW）。
搅拌器安装
查<<发酵设备>>搅拌器安装部分
下面搅拌器离罐底一般超过一个搅拌器的直径高度取为2.0m
上面搅拌器在液层以下1.7m
两搅拌器相距4.80m
4.搅拌轴设计
查<<化学工程手册>>
轴直径估算公式:
d≥（71620/0.2[T]k）1/2（N/n）1/3
=（71620/0.2×400）1/2（1.576/30）1/3
=23.1cm
轴分三段,考虑到干槽的影响,轴径可加0.5%液体轴的腐蚀,加裕量8mm
则轴径:
d=23.1+23.1×0.5%+0.8=23.9cm
取直径为240mm
5.轴承设计
参考<<材料与零件>>上轴承
搅拌器受到轴向力和径向力的共同作用.故轴承选择双向心，球面滚轴承GB286—64较宽系列。
中间轴承
中间轴承仅为防止轴承来回摆动和固定轴的作用，无轴向力。
为防止轴磨损，在轴上安装部位焊上厚的磨铁（KT—2）。
选用结构简单的滑动轴承即可。
联轴器
轴分三段选用两只联轴器联结，具有优点为折装方便，折装时无轴向运动。
查《材料与零部件》P547选用HG5-213-65立式夹壳适量轴承器。
轴封形式
轴封在此处是罐顶与轴之间缝隙加以密封。
防止泄漏和染菌。
常用轴封有填料与端面轴封两种。
由于填料函轴封缺点多，故此初选用端面轴封，优点为清洁，密封可靠，使用时间长，不会泄漏，无死角可防污染，寿命长；功率损耗小，对轴的零动敏感性好，轴和轴套，不受磨损。
6.传动力装置
传动装置为搅拌系统提供动力
搅拌器采用电动机拖动，三角皮带传动。
三角皮带传动效率：
η=0.94，立式夹壳式联轴器连接效率η=0.98，灌内装滚动轴承，传动效率η=0.97，罐外装两只滑动轴承，传动效率为η=0.98。
故总传动功率为：
N传=N/（0.942×0.982×0.97）=14.73kW
选用JO2-71-2（W）型电动机。
7.5．糖化罐的外接管道
1.进料管：
150m3容积糖化罐的填充系数75%，要求30分钟加充料，则流量：
Q=150×75%/（30×60）=0.0625m3/s
取流速
V=1.2m/s
则管径
d=（1.273Q/V）1/2=257mm
查《材料与零部件》P123,取Dg=260mm
选φ273×7的无缝钢管，材料为1G18Ni9Ti。
2.排料管：
要求30分钟排完糖化液
取流速为
V=1.2m/s
d=（1.273Q/V）1/2=257mm
取Dg=260mm
选用φ273×7的无缝钢管，材料为1G18Ni9Ti。
3.取料管：
仅供取样用。
无特殊要求，选φ273×7的无缝钢管，材料为1G18Ni9Ti.
4.排气管：
因糖化罐不是耐压容器，故排气管无特殊要求，选φ273×7的无缝钢管，材料为1G18Ni9Ti。
5.温度计选用及接口设计：
为了便于观察和自动控制，选用热点耦温度计。
型号为WRK，测量温度范围为0℃-600℃。
温度计的接口应和热点耦温度计紧密配合，接口处的高度距罐底3米，在罐壁上取一小孔，焊接好即可。
6.保温层的设计：
为了糖化温度维持在60℃-65℃。
罐外需加保温层，查《化工工艺手册》第二册，保温层厚度为100mm，材料选用毡式硅藻土。
7.人孔，人梯的设计：
糖化罐为150m3大罐，为检修方便，需设人孔或人梯，人孔查《材料与零部件》，选用JB583-64,水平吊盖人孔，公称直径：
Dg=800mm。
人孔由工程单位自行确定。
8.底座：
根据罐体和装液量的计算，选择25个JB1166-73底座，允许负荷80吨/个。
7.6.板框压滤机
双酶法制糖，淀粉转化率高，吨糖成本低，糖的浓度高，糖的质量高，故推广普及迅速，然而，它的糖化液过滤相当困难，虽然近年来取得了重大的进展和突破，但仍须重视。
影响过滤速度的因素主要有两大物质：
一类为
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