10万吨年味精项目糖化罐制造工艺及自控设计.docx
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10万吨年味精项目糖化罐制造工艺及自控设计
2012届毕业设计（论文）
10万吨/年味精项目-糖化罐制造工艺及自控设计
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最终评定成绩
2016年5月
摘要
本文主要进行了10万吨/年味精项目-糖化罐制造工艺及自控设计。
味精。
谷氨酸是氨基酸的一种，也是蛋白质的最后分解产物。
本设计通过查阅味精生产的相关规范、标准和文献，了解和掌握了糖化罐的制造背景、技术参数、技术要求等，对糖化罐的制造工序进行设计。
为了提高糖化罐的生产效率，在完成糖化罐设计的基础上，设计基于PID的糖化罐控制系统。
该设计工艺具有结构紧凑简洁，运行控制灵活等特点。
为味精生产的理想途径。
具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。
关键字：
味精；糖化罐；制造；控制
ABSTRACT
Thepapermainlycarriedoutthe100thousandtons/yearofmonosodiumglutamateproject-theproductionprocessandthedesignofautomaticcontrol.Glutamicacidisakindofaminoacid,anditisthefinalproductofprotein.Thisdesignthroughaccesstotheproductionofmonosodiumglutamaterelatednorms,standardsandliterature,tounderstandandmastertheproductionbackgroundoftheglycosylatedtank,technicalparameters,technicalrequirements,thedesignofthemanufacturingprocessofthe.Inordertoimprovetheproductionefficiencyoftheglycosylatedtank,basedonthecompletionofthedesignoftheglycosylatedtank,thedesignofthecontrolsystemofthePIDbased.Thedesignprocesshasthecharacteristicsofcompactstructure,simpleoperation,flexibleoperationandsoon.Idealwayfortheproductionofmonosodiumglutamate.Hasgoodeconomicbenefits,environmentalbenefitsandsocialbenefits.
Keywords:
monosodiumglutamate;Mashtank;manufacture;control
目录
摘要2
ABSTRACT3
1前言5
1.1研究的意义及目的5
1.2研究目标和关键问题5
1.3研究现状和内容5
1.4糖化5
1.5设计方案的确定6
1.6糖化的工艺流程6
2糖化罐的设计8
2.1工艺计算8
2.1.2物料的计算8
2.2设备的计算与选型11
2.4锅底厚度的计算校核12
2.5搅拌器设计13
3制造工艺16
3.1筒节成型16
3.2封头制造17
3.3焊接工艺17
3.4探伤检测17
4控制系统设计24
4.1控制系统方案设计24
4.2PID控制算法24
4.3PID控制流程25
总结26
参考文献26
谢辞27
1前言
1.1研究的意义及目的
为加强对味精发酵的理解。
了解味精发酵的工艺流程，主要熟悉味精发酵过程中对糖化罐、搅拌器和冷却管尺寸和材料的选取及物料平衡、热平衡、水平衡和无菌空气平衡的计算，掌握糖化罐的制造工艺和糖化罐的控制系统设计。
1.2研究目标和关键问题
研究目标是理解味精发酵的流程工艺及生产工艺，关键问题是对味精发酵过程中涉及的糖化罐、搅拌器和冷却管尺寸和材料的选取及物料平衡、热平衡、水平衡和无菌空气平衡的计算，糖化罐的制造工艺和糖化罐的控制系统设计。
1.3研究现状和内容
本设计为年产10万吨味精项目糖化罐的制造工艺和PID控制系统设计，首先根据味精生产工艺的要求，计算糖化罐的参数，设计糖化罐；然后，根据设计的糖化罐，对糖化罐进行制造工序的设计。
在完成糖化罐制造工艺的基础上，对糖化罐的自控系统进行设计，自控系统采用PID的控制策略。
糖化罐是味精生产中的重要设备，糖化的效率关系到味精生产的产量和品质。
我国的味精生产，近十年来得到很大的发展。
1992年我国全国产味精34万吨，2001年味精产量达71.4万吨，味精产量以每年10%速度递增。
目前，我国的味精总产量居世界第一位，但人均消费水平仍然较低，随着我国人民生活水平的提高，味精消费量将会持续增长。
按年人均消费600克计算，估计每年需求72万吨。
糖化罐是味精生产中的重要设备，糖化罐是味精生产质量和效率的关键。
1.4糖化
薯类和谷类以及野生植物原料经过加压蒸煮，淀粉糊化成为溶解状态，但是还不能直接被酵母菌利用进行发酵。
因此，经过蒸煮以后的糊化醪，在发酵前必须加入一定量的糖化剂，使溶解状态的淀粉，变为酵母能够发酵的糖类，这一个由淀粉转变为糖的过程，称为糖化。
糖化过程是淀粉酶或酸水解的作用，把淀粉糖化变成可发酵性糖。
将淀粉质原料进行蒸煮的第一个目的就是；原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作用，使原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂，即破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。
这个过程叫糊化，采用的方法是用加热蒸汽加热蒸煮。
蒸煮的第二个目的是借助蒸汽的高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物进行灭菌，以保证发酵过程中原料无杂菌污染，使酒精发酵能顺利进行。
1.5设计方案的确定
根据生产设计的要求，由味精生产工艺，根据需要糖化淀粉的质量，设计糖化罐及相关设备的选型，通过物料衡算和热量衡算计算，求出糖化锅的的结构尺寸等，然后对设计糖化罐的制造工艺。
完成糖化罐的设计和相关设备的选型后，对糖化罐的控制系统进行设计，采用的控制策略为PID控制。
1.6糖化的工艺流程
糖化工艺流程图如下图1.1所示。
淀粉乳
调浆
高温维持
喷射液化
闪蒸
降温
调PH（盐酸或石灰水、碳酸钠）、酶
层流液化
酶、调PH
过滤
过滤
糖化
升温灭酶
过滤
NaCO3
过滤
图1.1糖化艺流程图
1．淀粉液化的目的
是为了给糖化酶的作用创造条件，而糖化酶水解糊精及低聚糖等分子时，需先与底物分子生成络合结构，然后才发生水解作用，使葡萄糖单位逐个从糖苷键中裂解出来，这就要求被作用的底物分子有一定的大小范围，才有利于糖化酶生成这种结构，底物分子过大或过小都会妨酶的结合和水解作用速度。
液化达到终点后，酶活力逐渐丧失，为避免液化酶对糖化酶的影响，需对液化液进行灭酶处理，一般液化结束，升温至100℃保持10min即可完成，然后降低温度，供糖化用。
2．淀粉液化的方法
（1）水解动力的不同：
酸法、酶法、酸酶法、机械液化法
（2）工艺的不同：
间歇式、半连续式、连续式
（3）设备的不同：
管式、罐式、喷射式
（4）加酶方式的不同：
一次加酶、两次加酶、三次加酶
（5）原料的精粗不同：
淀粉质原料直接液化、精制淀粉液化
本设计糖化工段的主要工艺是连续操作，双酶法。
3.糊化和糖化的控制
本设计采用自动化设备对液化糖化过程进行控制，主要控制回路有调浆罐温度及pH值控制、一次喷射温度控制、糖化温度控制。
调浆罐定容可采用流量或液位测量方式;调浆罐温度用进入盘管的蒸汽量控制在30℃；pH值用纯碱溶液控制在4.2。
这些系统均采用单回路PID控制，只要控制器参数调整适宜，都能满足控制要求。
制糖过程的另一个重要控制系统是糖化罐的温度控制，要在整个糖化时间内保持稳定的温度，以利于液化淀粉转换成葡萄糖。
因为糊化及糖化属于原料处理阶段，所以卫生及自动化要求可以相对低一些。
2糖化罐的设计
2.1工艺计算
2.1.1味精生产糖化阶段工艺流程
淀粉浆—预蒸—糊化—气液分离—真空冷却—糖化—压虑，其中，糖化的主要工艺参数如下表2-1所示。
表2-1糖化的主要工艺参数
液化来料DE值：
15～19%
糖化前pH值：
4.2±0.1
加酶量：
100-300u/g淀粉
糖化温度：
58-60℃
糖化时间：
60min
糖化结束pH值：
4.8～5.0
灭酶温度：
75-80℃后
灭酶保温时间：
30min
2.1.2物料的计算
糖化工段物料衡算如图2-1所示。
商品淀粉
配料水
30%糖液
糖化工段
液化酶
CaCl2
糖化酶
滤渣
蒸汽冷凝水及洗水量
图3-1制糖工序物料衡算图
2.1.3味精厂的总物料衡算
味精厂的总物料衡算如下表2-2所示。
表2-2味精厂的总物料衡算
原料消耗的计算：
主要原料为淀粉，其他原料有α－淀粉酶、糖化酶、尿素
中间产品：
蒸煮醪、糖化醪、发酵醪量等。
成品、副产品以及废气、废水、废渣等
生产工艺采用双酶法糖化、间接发酵和等电点结晶、流化床干燥。
2.1.4主要工艺参数及经济指标
味精主要工艺参数及经济指标如下表2-3。
表2-3味精主要工艺参数及经济指标
生产规模（t/a）
80000t/a味精
生产方法
双酶法糖化间接发酵等电点结晶
生产天数
每年30天
味精日产量
60t
产品质量
味精纯度99％
原料淀粉80％，水份12％
α－淀粉酶8u/g原料，
糖化酶150u/g原料
尿素
204.59kg/t味精
2.1.5原料消耗的计算
1．淀粉原料生产味精的总化学反应式为：
糖化：
（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6
发酵：
C6H12O6＋NH3＋1.5O2→C5H9NO4＋CO2+3H2O
2．生产1吨味精的理论淀粉消耗量1.6096t
3．α-淀粉酶消耗量：
应用酶活力为2000u/g的α－淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗。
α-淀粉酶的用量按8u/g原料计算。
用酶量为：
4．糖化酶消耗量：
若所用糖化酶的活力为20000u/g，使用量为150u/g原料，则糖化酶消耗量为：
5．尿素的用量：
204.59kg/t味精
3.1.6蒸煮醪量的计算
生产5000吨味精大米原料消耗量：
根据基础数据给出，大米原料含淀粉80%[11]，故5000吨味精耗大米量为：
5000×1.6096×103/80%=1.006×107kg/a
根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1：
3，故粉浆量为：
1.006×107×（1+3）＝4.024×107kg/a
蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟器和汽液分离汽减压蒸发、冷却降温。
在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行，因而十分复杂。
为简便计算，可近似求解。
已知蒸煮醪比热容为3.62[kJ/（㎏·K）],水的比热容为4.18[kJ/（㎏·K）],假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变。
1.经蒸煮柱加热后蒸煮醪量为：
4.024×107×3.62×（88−50）/（2748.9−88×4.18）+4.024×107=4.256×107kg/a
式中2748.9——蒸煮柱和后熟器加热蒸汽的焓（kJ/K）
2.后熟器出来的蒸煮醪量为：
4.024×107+4.024×107×3.62×（84−50）/2288.3=4.24×107kg/a
式中2288.3——后熟器的温度为84℃下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
3.经后熟器后的蒸煮醪为：
4.24×107+4.24×107×3.62×（115−84）/（2748.9−115×4.18）=4.45×107kg/a
式中115——灭酶温度（℃）
2748.9——饱和蒸汽的焓（kJ/K）
4.经汽液分离器后的蒸煮醪量：
4.45×107+4.45×107×3.62×（115−104.3）/2245=4.53×107kg/a
式中2245——104.3℃下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
5.经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：
4.53×107+4.53×107×3.62×（104.3−63）/2351=4.82×107kg/a
式中2351——真空冷却温度为63℃下的饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
2.2设备的计算与选型
本设计采用的糖化设备具有搅拌器和冷却器，底呈弧形，是一个矮而肥的圆柱形。
上面有轻便的盖子。
一般糖化罐的容积有9、12/和19立方米的，但是要根据工厂的生产规模来决定，一般以不小于3立方米为宜，因为容积太小，不易保持糖化的温度，太大则后冷却较慢，容易引起杂菌污染。
本设计采用9立方米的糖化罐：
设圆柱高H=2D，则：
由于V=9m3，
所以
得：
D=1.79m
本设计的糖化锅选型如下表3-2。
表3-2糖化罐选型表
设备名称
糖化罐
设备型号
J47101-0Z
主要技术参数
有效容积：
7.83立方米，直径：
1790mm，总高：
3580mm，加热面积：
6平方米，主要材料：
Cr18Ni9Ti
配套动力（kW）
7
设备重量（kg）
3500
2.2.1封头的设计
封头的结构形式有椭圆形、蝶形、锥形等，最广泛采用的是椭圆形封头。
当介质的黏度较大时，为利于出料一般采用锥形。
这里上封头采用120°锥形封头。
故计算上锥形封头距锅身h=
=
2.3罐身壁厚的计算及强度校核
罐身采用不锈钢材料1Cr18Ni9Ti
σb＝520MPaσs＝206MPa查安全系数ｎb≥3.0ｎs≥1.5
则[σ]t＝σb/ｎb＝173MPa
＝σs/ｎs＝137MPa
取二者中较小者所以[δ]t＝137MPa
查《化工设备机械基础》P92焊接接头系数φ＝0.8则
式中，
—罐体直径（mm）
—耐受压强（取0.139MPa）
—焊缝系数，双面焊取0.8，无焊缝取1.0
—设计温度下的许用应力（kgf/cm2）
—腐蚀裕度，当
<10mm时，
=3mm
P95圆整取
＝10mm
水压实验
σT＝
＝
＝124.23MPa
0.9φσs＝0.9×0.8×206＝148.32MP＞124.23MPa
满足设计强度要求
锥形封头采用与锅身同一规格设计。
2.4锅底厚度的计算校核
查文献P8紫铜的导热系数λ＝384.95
弹性模量E＝1.12×105
夹套中通入的蒸汽压力为0.2MPa而锅内最高工作压力为0.126MP所以计算锅底厚度采用外压容器壁厚计算方法计算
设锅底厚度为25mm
夹套蒸汽P＝0.2MPaPc＝1.1P＝0.22MPa
锅底外半径：
R0＝
D＋
＝
＋25＝3525mm
A＝
＝
＝0.00089
B＝2/3×1.12×105×0.00089
＝66.2MPa
[P]＝
＝0.236MP＞P＝0.2MPa
所以，
=25mm
2.5搅拌器设计
2.5.1搅拌器尺寸计算
为保持糖化醪液的浓度与温度均匀，使酶充分发挥作用，糖化罐中，装有涡轮式、螺旋桨式或平桨式搅拌器。
考虑到在相同的搅拌功率下，平桨式叶片粉碎气泡的能力大于其他两种,在这里采用二叶旋桨式搅拌器,产生轴向推力可促使醪液循环和混合良好。
搅拌器的材料为不锈钢。
则
根据设计要求
—搅拌器直径D—糖化锅直径
B—搅拌桨叶宽度
则
＝0.7D＝4900mm圆整取4900mm
B＝0.04D＝280mm圆整取280mm
2.5.2搅拌器轴功率的计算及选型
1.雷诺准数
Re＝
＝
—搅拌器搅拌叶直径γ—醪液容重
n—搅拌器转速μ—液体绝对粘度
ρ—醪液密度取μ＝2厘泊＝0.002kg/m.s[1]
对于桨式搅拌器一般粘度大时取小值，速度范围为20-40r/min[4]，本设计搅拌器转速取n＝30r/min＝0.5r/s。
γ＝1068kg/m3
则
Re＝
＝6410670
2.功率准数
Np＝
式中
—搅拌浆叶长度（m）
n—桨叶转数（r/s）
ρ—流体密度（kg/m3）
μ—流体粘度（N·s/m2）（Pa·s）
D—糖化罐直径（m）
B—搅拌浆叶宽度（m）
θ—搅拌叶与旋转平面所成的角度，一般为45°或60°，本设计为60°
-锅内液面高度（m）
＝
＝2.4m
搅拌桨叶宽度B＝280mm
A=
=
=28.1
=0.45
=1.1+4
-2.5
-7
=0.73
则Np＝
=
=0.1234
3.搅拌器需要功率
N需＝
=
=46.53KW
电机功率N电＝
其中，η—传动机构总效率，取0.4-0.5取0.4
K—电机功率储备系数1.2-1.4
K1—搅拌阻力系数1.1-1.3取1.3
—克服转动机构和轴封阻力所需的功率，一般取搅拌器运转所需功率N需的10%，即
=10%N需=4.65KW
若取K＝1.2则N电＝195.42kw
若取K=1.4则N电＝227.99kw
所以本设计采用250KW电机
4.相关选型
查由文献，可选用电机为型号YR355M-4，功率为250KW，转速为1481r/min
本章首先介绍了糖化罐的工艺参数，通过计算，确定糖化罐的结构尺寸，然后对糖化罐进行设计，设计了糖化罐的壁厚、封头等结构，然后对搅拌器进行选型。
3制造工艺
本章对糖化罐的制造工艺进行设计，主要包括筒节成型、封头制造、焊接工艺及探伤检测进行设计。
3.1筒节成型
罐体筒节利用对称式三银成形机进行滚压成形的过程,首先是上银下行,与两下棍一起对板材进行压弯，该过程是典型的板料弯曲变形过程；随后,两下棍在电机作用下发生转动，在下辑和板料间产生摩擦力，板料在该摩擦力的作用下发生连续的局部塑性变形。
滚弯成形属于一种连续的局部塑性变形的回转加工过程,它可以看做是一种连续的压弯成形过程。
它具有成形准确、加工柔性大、设备造价低、操作简单等优点。
滚弯成形工艺是利用三点弯曲的成形原理,通过电机驱动两个下棍作回转运动使工件做连续三点弯曲成形,从而成形出等曲率的工件。
滚弯实验所用的设备为三親对称式滚弯机,成形过程分为三个阶段:
升高上棍，放置工件并校正,上棍压下并驱动两个下旋转。
在滚弯成形过程中,两个下棍是主动旋转棍,由电机驱动旋转;上棍作垂直运动,成形过程中受摩擦力作用而被动旋转。
在三个棍轮作用力和摩擦力的作用下，壁板运动并发生塑性变形,逐渐弯曲,最终成形为一定曲率的工件。
因此,滚弯工艺非常适合进行罐体筒节类零件的成形加工。
3.2封头制造
封头作为容器装备的重要受力部件,广泛用于铁路、石油化工、压力容器、核工业和食品加工等行业,其质量对装备运行安全起着至关重要的作用。
封头也是糖化罐罐体的重要组成零部件。
封头按形状可分为椭圆形、碟形和球形封头;按所用材料分有碳素钢封头、合金钢封头、不锈钢封头和有色金属封头等;按制造方法分为有冲压和旋压封头；按成形温度分有冷成形和热成形封头。
封头制造工艺包括下料、拼板、成形、割边等工序,其中成形工艺是封头制造的最重要工序。
封头冷压工艺存在产品质量优良、生产效率高等诸多优点,因此得到了快速发展。
近年来，封头制造商家加大了工艺、设备的投资，如南通中集、宜兴封头厂等封头制造商均釆用冷压工艺。
但由于国内容器制造企业的数量远远超过封头制造企业，供需的不平衡导致大部分封头生产厂家仍沿用采用热压、旋压工艺，生产出来的封头质量相差较大，这些问题的存在制约着容器制造水平的提高。
3.3焊接工艺
糖化罐罐体由于尺寸较大，其封头冲压成形前的还料制备过程一般采用两块钢板拼煙而成；筒节制备时，一般也是使用钢板滚压成形后进行对接拼燒而成；糖化罐罐体结构组装也是通过燥接工艺将封头和筒节组而得。
因此，糖化罐罐体制造加工过程中，焊接工艺是其重要的加工制造方法。
而封头、筒节及罐体组装等加工过程中，焊接使得零部件局部受热而产生不均匀的温度场，容易导致封头、筒节及罐体组装时产生热弹塑性变形，还有与变形相伴而生的焊接残余应力。
焊接工艺对糖化罐制造至关重要，因此，需要对糖化罐焊接工艺进行研究。
3.4探伤检测
为了保证制造的质量和糖化罐的可靠性，需要对糖化罐进行探伤检测。
随着无损检测技术在国内的引进，以及我国的科研工作者经过了大量的研究工作，研究出多种对于罐的离线检测和在线检测方法。
离线检测主要采用的是常规的无损检测方法。
在储罐的安全检测周期间，排空罐体内部的液体，采用超声、涡流、漏磁、磁粉和渗透等检测方法，进入到罐内对整个储罐底板进行检测；在线检测技术是在不开罐的情况下完成检测。
常用的在线检测技术主要有声发射以及超声导波在线检测技术等。
相对于离线检测，在线检测因其实施方便快捷且经济是储罐罐底检测的主要发展方向。
下面以封头的制造工艺为例，介绍糖化罐的制造工艺。
1下料操作
下料是封头制作的首道工序，下料下的好不好是一个封头质量最后是否过关的前提。
在下料的同时也要考虑到怎么样排列下料才会使用料最省，达到成本最低，并且在切割圆片的时候要考虑下料圆片公差-5～+5mm。
料作业标准：
（1）根据工艺卡对照实物，确认工艺流转卡（包括公务下达的排料图）的要求，材料规格确认是否与实物一致。
（2）确认板材厚度，材质，以及表面质量是否符合要求。
（3）材料入库检查时，每张钢板应该配有相应的材料质量保证书，这是钢板的检验数据，是钢板合格使用有确实的依据。
（4）根据工艺流转卡（或排料图）选择需要的材料。
（5）根据工艺卡确认下料直径，下料尺寸公差标准为±5，标记中心后画线下料。
[1]
（6）下料完成后将产品的指令号，单位号，形状，材质，炉批号，用油漆笔移植在同张板表面，如果有半圆，在半圆上也要移植同样内容，最后由检验员确认。
（7）根据工艺卡要求将在圆片压外的一面打上钢印，钢印内容为炉批号和材料牌号，如有特别指示按照要求打钢印，并将钢印内容拓印，以便复查，操作者要在拓印纸上签名。
（8）圆片在切割时，如圆片有一定的熔渣和飞溅物，一定要打磨干净彻底，否则在以后圆片搬运过程中相互摩擦容易给钢板表面带来划伤。
（9）圆片四周有缺口时，如果缺口深5mm以上，则以缺口为中心向两端30mm的范围打磨去除，一定要打磨光滑，缺口在5mm以上且坡口可以去除时，应提交焊接班补焊后打磨，如果坡口无法去除缺口，
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