生物发酵工程课程设计.docx

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生物发酵工程课程设计

课程设计

课程名称生物工程设备课程设计

题目名称100M3机械搅拌酒精发酵罐

学生学院环境工程学院

专业班级生物工程

学号0905151081

学生姓名续云昊

指导教师陈祖玉

2011年12月12号

1设计方案的拟定.......................................................................................

2罐体几何尺寸的确定.........................................................

2.1夹套反应釜的总体结构.................................................

2.2几何尺寸的确定.......................................................................

3罐体主要部件尺寸的设计计算.......................................................

3.1罐体..................................................................................................

3.2罐体壁厚........................................................................

3.3封头壁厚计算.....................................................................

3.4搅拌器..........................................................................

3.5人孔和视镜..............................................................

3.6接口管...................................................................

3.6.1管道接口.....................................................................

3.6.2仪表接口...............................................................

4灭菌装置

4.1灭菌方法及设备

4.2实罐灭菌的计算

4冷却装置设计.........................................................

4.1冷却方式.......................................................................

4.2装液量........................................................................................

4.3冷却水耗量.........................................................................

4.4冷却面积......................................................................

5搅拌器轴功率的计算...............................................

5.1不通气条件下的轴功率P0计算...................................

5.2通气搅拌功率Pg的计算...........................................

5.3电机及变速装置选用................................................

6设计小结.......................................................................

7参考文献............................................................................

1设计方案的确定

我组设计的是一台100M3的密闭式机械搅拌发酵罐，用于生产酒精。

酒精的化学名称是乙醇，分子式C2H5OH，相对分子质量46.07.分析纯级的无水乙醇是无色透明、易挥发、具有特殊芳香和强烈刺激味的易燃液体等性质。

酒精的用途俺需求量多少可分为三方面：

用量最大的燃料酒精；调制酒精饮料用的食用酒精；化工医药用酒精。

目前中国酒精产品以食用酒精（GB10343—2002）为主产品，此外还有一定产量的高纯度酒精、化学试剂用无水酒精、化学试剂95%分析纯酒精和工业酒精等。

中国发酵法生产酒精的原料主要是玉米、小麦、大米、薯类、糖蜜等，陈化粮也开始有一定比例的使用。

工艺方法：

利用玉米为原料，双酶糖化，添加酒精酵母连续发酵、三塔蒸馏的工艺是目前最成熟、最典型的生产工艺。

主要工艺参数主要工艺参数

主要工艺参数

玉米含水：

15%

玉米粉产率：

87%

玉米含淀粉：

63%玉米淀粉实际出酒率：

53%

发酵周期：

55-60h

原料粉碎度：

1.5-2.5mm

原料加水比：

1：

3

α-淀粉酶用量：

5-6u/g原来

蒸煮温度：

90-110℃

蒸煮时间：

100min

糖化酶用量：

100-150u/g原料

糖化温度：

58～60℃

糖化时间：

45min

糖化醪固形物浓度：

16～18%

糖化醪PH值：

4.0～4.5

接种量：

10%～20%

稀释速度：

0.05～0.1

发酵温度：

31～33℃

发酵罐装料系数：

85～90%

发酵醪酒精浓度：

8～10%（V）

发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，灭菌装置，人孔和其它的一些附件组成。

这次设计就是要对100M3的密闭式机械搅拌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，灭菌装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。

2.罐体几何尺寸的确定

酒精发酵罐罐筒体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形，罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪.表接口管。

罐底装有排料口和排污口，罐身上下装有取样口和温度计接口，为了便于维修清洗，在近罐底也装有人孔。

2.1夹套反应釜的总体结构

夹套反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔，工艺接管和一些附件组成。

搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为为带动搅拌装置设置的，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。

2.2几何尺寸的确定

发酵罐采用圆柱型器身，底和顶为锥形盖，选取结构尺寸的比例关系如下：

H=1.2D

发酵罐全容积V=

（H+

+

）

式中D——罐的直径,m

H——罐的圆柱部分高度，m

H1——罐底高度，m

H2——罐底高度，m

酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸可推荐如下

H=1.1~1.5D

H1=0.1~0.14D

H2=0.05~0.1D

根据此次所设计的发酵罐体积选取以下H/D等

算出D=4.7（米）

H=1.2D=5.6（米）

=0.47（米）

由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积，罐底圆柱部分表面积

和罐底、罐顶表面积

分别为：

式中R—罐底得半径，m

所以全罐表面积

3罐体主要部件尺寸的设计计算

3.1罐体

考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。

因糖化酶是偏酸性，对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用

16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。

3.2罐体壁厚

δ1=

+C（mm）=

+3≈8.12mm取8.5mm

D－罐体直径（mm）

p－耐受压强（取0.3MPa）

φ－焊缝系数，双面焊取0.8

[σ]－设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为

150℃，170MPa）

C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm

3.3封头壁厚计算

δ2=

+C=

+3=14.85mm取15mm

[σ]－设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）

D－罐体直径（mm）p－耐受压强（取0.3MPa）

y－开孔系数，取2.3φ－焊缝系数，双面焊取0.8

3.4搅拌器

采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸：

六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献[2]可知100M3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径D=1100mm，则可以计算出盘径d=0.75D=825，叶高h=0.3D=330mm

3.5人孔和视镜

人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。

本次设计设置了2个人孔，一个位于罐顶，一个位于罐底。

标准号为：

人孔RFⅡ（R·G）450-0.6HG21522-1995，

公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处

视镜用于观察发酵罐内部的情况。

本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封

头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜ⅡPN1.0DN80HGJ501-86-17

3.6接口管

以进料口为例计算，设发酵醪液流速为v=2m/s，4h排尽。

发酵罐装料液体积：

V1=100M3物料体积流量Q=V/3=4h=100/（3600×4）=0.00694m3/s，

则排料管截面积F=Q/v=0.0694/2=0.00347m2，

又F=0.785d2，得d=0.0665m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97[2]，取公称直径65，ɸ76/0.1mm

3.6.1管道接口（采用法兰接口）

进料口：

直径ɸ76/0.1mm，开在封头上，

排料口：

ɸ76/0.1mm，开在罐底；

冷却水进、出口：

ɸ76/0.1mm，开在罐身；

补料口：

ɸ76/0.1mm，开在封头上；

取样口：

ɸ76/0.1mm，开在封头上；

喷淋水管：

ɸ30/2.5，在罐体内部；

3.6.2仪表接口

温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm，开在罐身上；

压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：

Y−250Z，开在封头上；

液位计：

采用标准：

HG5−1368型号：

R−61直径：

φ550（260×14）mm，开在罐身上；

溶氧探头：

SE−N−DO−F；pH探头：

PHS−2型；

发酵罐主要参数:

4冷却面积和冷却装置主要结构尺寸的确定

发酵罐容量大，罐体的比表面积小。

夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。

因地理位置靠近汤逊湖，所以可以直接抽取汤逊湖湖水冷却.

（1）总的发酵热

式中m—每罐发酵醪量（kg）

S—糖度降低百分值（%）

q—每公斤糖发酵放出的热量（J）

—主发酵期

所以

=24×4×1000×1%×418.6=4×

（KJ/h）

=5%×4×

=0.2×

（KJ/h）

假定罐壁不包扎保护层，壁温最高可达35℃，查阅有关资料，武汉江夏地区夏季的平均最高气温为３１．７℃，夏季的平均最低气温为２４．９℃。

平均温度约为27℃[1]

（2）冷却水耗能的计算

（3）对数平均温度差的计算

主发酵期控制发酵液温度t

为30℃,本发酵罐采用直接冷凝水冷却，查相关资料可知湖底湖水夏季平均温度大概为

=20℃。

，由工艺条件知道，冷却水出口温度分别为

=20℃，

=25℃

=

=7.2℃

（4）传热总系数K值的确定

选取蛇管为水、煤气钢管其规格为53/60（mm）,则管的横截面积为：

0.785×（0.053）

=0.0022（m

）

考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为:

设蛇管圈的直径为3m，并由水温查表得A=6.45

值按生产经验数据取2700

故传热总系数K为：

式中188—管壁的导热系数，

1/16750—管壁水污垢的热阻，

0.00265—管子壁厚，m

（5）冷却面积的主要尺寸的确定

所求冷却面积F为：

两蛇管总长度

式中

—蛇管的平均直径，m

每圈蛇管的长度l为：

式中

—蛇管圈直径，m

—蛇管圈之间的间距（m），取为0.15m

两列蛇管总圈数

两列蛇管总高度

参考文献

[1]武汉气象局资料

[2]法兰化学行业标准HG20592-97

[3]梁世忠生物工程设备[M].北京：

中国轻工业出版社，2006.

[4]陈国豪俞俊棠生物工程设备[M].北京：

化学工业出版社，2007

[5]陈洪章生物过程工程与设备[M]北京：

化学工业出版社，2004