醉心客巛
范文一：【doc】大型氨基酸发酵罐的放大方法
大型氨基酸发酵罐的放大方法
第33卷第4期发酵科技通讯
1搅拌功率的放大
大型氨基酸发酵罐的放大方法
冯容保
(上海工业微生物研究所上海200233) 以单位体积搅拌功率N0相等方法放大,其中 N.=l(n/m,K为搅拌叶功率准数,n为转数/分, (r.P.m),d为搅拌叶直径[m】,在通气条件下的搅 拌功率为N
N2nd0
(1)Na=0?156(—)..
Q为工作条件下的通气量Q:
式中P为发酵液的罐压加液挂压力(绝对压) (2)根据通气准数计算功率降低:Na—,Q 为工作条件下的通气量[m3/min】
当Na>0.035时
Pa0
i0.62+85音
当Na<0.035时
Pa0
1—12.6音
式中Pa,Pa为通气及不通气时的搅拌功率 『kw1
2通气条件的放大
(1)发酵罐为系列相似时:
通气比(wM):罐1的通气比×()中
D
D.D为罐1及罐2的直径(m)或搅拌叶径(m) (2)?以100m罐为依据:3.6×lOm, H
2?78
V.=0.785×3.6×10=1O1.7m V底=+0.785x3.62xO. 06
=
6.10+0.61=6.71m V公称=101.7m+6.71:108.4m 通气比平均为0.25VVM
?200m罐,4.6×11.5m,Ho/D=2.5 V.=0.785×4.6×11.5=191m V底=3.14×4.6
+0.785×4.6×0.06=
r24
12.7+1=13.7m.
V公称=191+13.7=204.7m 通气比为0.25×(三):o.25×0.85: 4.6
O.21VVM
?300m罐,5.6×12m,Ho/D=2.14 V.=0.785×5.6×12=295m
v底:24+0.785×5.6×0.06=
23+1.5=24.5m
V公称=295+24.5=319.5m 通气比为o.25×(旦)z:o.25×o.74: 3.6
0.185VVM
?5(kn罐,43.2×6.4m,Ho/D=2 V.=0.785×3.2×6.4=51.4m
V底=3.14×3.2
+0.785×3.2×0.05=
r24
4.3+0.4=4.7m
V公称=51.4+4.7=51.6m 通气比为o.25×(生):o.25×1.o8: 3.2
O.27VVM
(3)以液层深度放大
?10(ha3罐,公称108.4,n3,放罐75%,81.2m3 (下转第40页)
发酵科技通讯
明溶液中的谷氨酸钠分子密度较小,介稳区较窄, 极易产生伪晶和面子;温度如果高于80cc,液中 的大量色素解析,焦谷氨酸钠的量也明显升高,夹 套蒸气与晶浆的温差也相应变小,这样造成的"恶 果"很多,如晶浆的沸腾度,晶体的生长速度,晶体 的纯度和色泽等.
选择结晶温度的较高区间70,80cc,可使溶 液的粘度降低溶解度增大,谷氨酸钠分子的密度 表3
适宜,分子运动正常,结晶的速度又稳又快,从而 使得蒸发与结晶的平衡,中后期罐固相物质的提 高更便于控制.同时,由于温度高而适宜,增加了 盐份和其它杂质的溶解度,有利于晶体纯度,光泽 度和规则度的提高.
在晶种,料液道数,操作工一致的基础上,我 们用同一只结晶罐做了两批30目味精,实验结果 如表3.
结晶批次结晶温度(?)过饱和度结晶周期(h)液的pH值晶体轴长(1nlT1)
4.84,84,74.95,05,14.9 批次A62,70较高12.26.24.85.14.95,04.94.95.04.9
4.94.84.8??????
6.36.25.96.05.96,26.16.1
—80一般15.36.66.06.16.16,26.26,16.06.1 批次B76
6.16.1……
诚然,表3的数据还达不到"窥一斑而知全 豹"的目的,大量的精制生产实践才是生产长型味 精最好的教科书.我们可以列举出很多影响晶体 味精向轴长发展的因素:过饱和度,温度过高或过 低,干稀度太低,结晶时间过长或过短,加水频率 过高,加水量过大或过小,结料时间过长,结晶罐 的构造,搅拌的类型和转速……
3结束语
3.1味精的长短是当前一些味精市场上的 消费喜好,且不论其完全正确与否,有道是:"顾客 永远是对的".由于各个厂家的工艺,设备以及很 多生产制衡的条件不尽相同,生产长型味精的要 求也就不尽相同.
3.2各种原材物料的质量也不同程度地影 响着味精的晶型和长度,如带人料液中的数量不 一
的can,Mg等杂质影响着晶体味精的生长速 度和最终长度.
:)z_+...?
=7.64+0.96=8.6m
?200m罐,公称204.7m,放罐75%,153.5m 液层深度:z=』+?.?5+
0.06=8.8+1.21=lOm 通气比=0.25xJ=0.25~0.93 =0.23VVM
?300m罐,公称319.5m3,放罐75%,293.6m 239.6+9.6—24.5
液层深度:Z=——一+1?4+
0.06=9.13+1.46=10.59m 匕=0"25x
I8.6-0.25~0.9
=
0.225VVM
?50m罐,公称56.1m,放罐75%,42m 液层深度:Z=:?:二4_:+0.8+
0.785×3.2
通气比:0.25×8.6一
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6.59
0.285VVM
3对比
f12/3300m20@n100m50m3 Dz0
.1850.210.250.27
lZl0.2250.230.250.285 Z2121.6%109.5%1o0%105.5%
范文二：发酵罐的设计
大型发酵罐设计及实例
2008年12月03日 星期三 12:57 P.M.
上海医药工业设计院(200040) 石荣华
全国化工设备设计技术中心站(200040) 虞 军
随着生化技术的提高和生化产品的需求量不断增加,对发酵罐的大型化、节能和高效提出了越来越高的要求。目前国际抗生素发酵罐的容积以80～200 米3 为主,而轻工的氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300 米3 ,国际上最大标准式发酵罐为美国ADM 公司赖氨酸发酵罐,其容积为10 万加仑,折合公称容积为380 米3 。众所周知发酵是一个无菌的通气(或厌氧) 的复杂生化过程,需要无菌的空气和培养基的纯种浸没培养,因而发酵罐的设计,不仅仅是单体设备的设计,而且涉及培养基灭菌、无菌空气的制备、发酵过程的控制和工艺管道配制的系统工程。
1 国内发酵罐现况
改革开放后,国内发酵罐的装备得到了显著改善,具体表现在:
容积:抗生素发酵扩大至100～150m3 。
赖氨酸发酵已达200m3 。
材质:逐步由碳钢改为不锈钢。
传热:由单一的罐内多组立式蛇管改为罐壁半圆形外盘管为主,辅之罐内冷却管。 减速机:由皮带减速改为齿轮减速机。
搅拌机:由单一径向叶轮改为轴向和径向组合型叶轮。
但由于发酵罐的系统设计没有受到人们普遍重视,有许多抗生素生产人员往往仅重视发酵工艺和菌种,或限于资金和发酵厂房现状,对发酵罐的大型化和优化缺乏足够重视。就发酵罐而言,目前头国内基本上在原有50m3 基础上进行改革, 罐径为3.00 毫米,罐筒体略有变化,形成57m3 、60m3 等罐体,电机相应作些变化有75 、95 和1.5kW 不等,传热为立式蛇管和搅拌叶轮基本不变为六叶蜗轮,减速采用皮带轮。因而同国际上存在不少的差距,有必要通过对发酵罐系统设计的认识提高,将我国抗生素发酵装备水平向前推进。
2 发酵罐的设计
2.1 发酵罐的型式
发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养来完成,从生产工艺来说可分为间隙分批、半连续和连续发酵等,但是工业化大规模的发酵过程,则以通气纯种培养为主。
通过纯种培养的发酵罐有自吸式发酵罐、标准式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动,形成真空将空气吸入罐内,由于叶轮转动产生的真空,其吸入压头和空气流量有一定限制,因而仅适用对通气量要求不高的发酵品种;塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内,在罐底部通入无菌空气,通过气体分散进行氧的传递,但其供氧量也受到一定限度;
气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或通过旋转的喷射管和罐外喷射泵将发酵液进行一定规律的运动,从而达到气液传质,目前气升式发酵罐在培养基较稀薄,供氧量要求不过分高的条件下(如(V1C 发酵) 得到了较为广泛使用,其它喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐也有一定的用途;但在发酵工业中,仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍,标准式发酵罐被广泛使用抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。
2.2 标准式发酵罐
随着发酵产品需求量增加,发酵过程控制和检测水平提高,发酵机理的了解和最优化的机理认识水平提高,以及空气无菌处理技术水平的提高,发酵罐的容积增大已成为抗生素工业的趋势。
2.2.1 罐的几何尺寸
主要是关心发酵罐的H/ D ,一般随着罐体高度和液层增高、氧气的利用率将随之增加,容积传氧系数KLa 随之提高,但其增长关系不是线性关系,随着罐体增高, KLa 的数值增长速率随之减慢,而随着罐体容积增大,液柱增高,进罐的空气压力随之提高,伴随空压机的出口压力提高和能耗的增加,而且压力过大后,特别是在罐底气泡受压后体积缩小,气液界面的面积可能受到影响,过高的液柱高度,虽增加了溶氧的分压,但同样增加溶解二氧化碳分压,增加了二氧化碳浓度,对某些发酵品种又可能抑制其生长,而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。因而发酵罐的H/ D 之比,既有工艺的要求,也应考虑经济和工程问题必须综合考虑后予以确定。 对于细菌发酵罐来说,在筒体高度H/ 罐直径D
宜为2～2.5 ,对于放线菌的发酵罐的H/ D 一般为1.8～2.2 。
2.2.2 通气和搅拌
好氧发酵是一个复杂的气、液、固三相传质和传热过程,良好的供氧条件和培养基的混和是保证发酵过程传热和传质必要条件。
好氧发酵需要通入充沛的空气,以满足微生物需氧要求,因而空气量通入量越大,微生物获得氧有可能越多;其次培养液层高度越大,空气在培养基停留时间就有可能增加,有益于微生物利用空气中的氧;但是空气中氧是通过培养基传递给微生物,传递速率很大程度上取决气液相的传质面积,也就是说取决气泡的大小和气泡的停留时间,气泡越小和越分散就使微生物可以越充沛获得氧气,但是强化气泡的粉碎单靠气体分布器的形式和结构是不够的,或者说效果是不明显的,只有通过发酵罐内的叶轮转动将气泡粉碎,才可获得最佳的发酵供氧条件。通过搅拌器的搅拌作用,使培养基在发酵罐内
得到充分宏观混和,尽可能使微生物在罐内每一处均能得到充足氧气和培养基中的营养物质,此外良好的搅拌有利于微生物发酵过程产生的热量传递给冷却管和发酵罐的冷却内表面。这就是具有通气和搅拌的标准式发酵罐普遍使用在生化工程的原因。
2.2.3 搅拌叶轮
发酵罐内安装搅拌器首先用来分散气泡以得到
尽可能高的传质系数KLa 。此外还要使被搅拌的发酵液循环来增加气泡的平均停留时间,并在整个系统中均匀分布,阻止其聚并。
早先在机械搅拌式发酵罐通常装有数个径向圆盘涡轮搅拌器,但容易使被搅拌的介质分层而形成几个区,因而在罐下部和上部之间形成氧分压梯度,导致罐内上、下部之间的KLa 值的差异。
近来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部安装一个用来分散空气的涡轮搅拌器,其上再安装一组轴流式搅拌器,用来循环培养介质、均匀分布气泡、加强热量传递和消除罐内上、下部之间含氧量梯度差。
2.2.3.1 搅拌叶型式
(1) 带圆盘敞式涡轮搅拌叶———高湍流,径向流。
(2) 倾斜叶片(pitched biade) 涡轮(p - 4) ———45°四叶片,轴向流。
(3) 反向倾斜(Reversing pitch) 搅拌叶———二个向上,二个向下,径向流。
(4) 高效轴流式搅拌叶———A3.0 ,轴向流。
(5) 混合流搅拌叶———A3.5 ,轴向流,少量径向流。
(6) 凹叶径流式搅拌叶( Concave blade radial) ———CD - 6 ,径向流。
2.2.3.2 叶轮选型
为了在气体分散系统中,加强速度梯度或剪切率,形成高湍流以减少气相和液相之间的传质阻力,并保持整个混合物的均匀,将径向流涡轮搅拌器与高效轴向流搅拌叶组合起来是较佳选择。
在分散气体作业的罐内,搅拌叶的数目取决于通气的液面高度和罐直径之比。 而搅拌叶之间的距离不得小于最小搅拌叶的直径。轴流式搅拌叶的直径约为径流式搅拌叶直径的1.3 倍。径流式搅拌叶直径为罐直径的013～014倍,高效轴流搅拌叶直径为罐直径的014～0165 倍。空气分配器位于最底部的搅拌叶之下。 气一液反应器的流动型式决定分散的均匀度,并且影响气体的截留率(gas hold up) 、传质速率和局部溶氧浓度。
当气体流量一定时,罐内流型取决于搅拌叶的速度。搅拌叶转速低时,搅拌叶的作用被上升气流吞没,增加搅拌速度,气体就在整个罐内形成循环,此时这个出现了完全分散的搅拌速度,以Ncd 表示:以后再加大搅拌叶转速,罐内整体流型保持不变、增加搅拌强度也就增加了气体截留率和传质速率。
在整体流型变化的同时,围绕着搅拌叶叶片的流动也在变化。在气体流速低时,气体在叶片后部形成涡流。随着气体流量的增加,空穴(cavity) 逐渐加大,直到空穴依附到叶片后缘。气流速度更高时就形成一系列大的空穴。
搅拌叶所需功率的多少与空穴生成的过程和相应通气的流型密切相关。空穴增大则搅拌叶功率减小,相对功率需求(即:通气功率Pg 与不通气功率PN 之比) 是在夫劳德准数不变时的通气准数的函数。
进行搅拌器设计时,需同时计算出Pg 和PN 。
搅拌叶的不通气功率可用下式计算。
PN = NpρN3D5
功率准数NP 是搅拌叶的雷诺准数NRe的函数。
容积传氧系数KLa 数值的求取,文献报导有很多,最成功的是将其与气体表面线速度和单位体积输入功率相关联:
KLa = C( PgV)αηβ
C —受液体性质的强烈影响,此外还包括表面
活性剂、不溶性油等。
Pg —通气功率;
V —发酵液体积;
η—空气线速度;
α、β—指数。
2.2.3.3 轴向流和径向流相结合的叶轮对于泵或者搅拌器而言,功率就是流量和压头的乘积,即: P ∞QH。“压头”一项不但包括了流体净排出压头,而且还包括由于涡流损失、内部再循环和磨擦等形成的内部压头损失。如果搅拌叶的直径和转速已定,增加其功率准数(例如,采用更多、更宽的叶片,更陡的投入角等) ,压头的增加要大于流量的增加。
在多数发酵过程中流量往往显得更为重要。如果为了分散气体而加大压头,则可在罐底部用一个径向涡轮搅拌叶来分散气体。罐内其余的搅拌叶则采用低功率、高流量的轴向流搅拌叶。后者增加了向罐底部的涡轮搅拌叶供给的流体量,也有
助于分散作用。并可减少气泡的聚并(coalescence) ,改善传质。
2.2.4 传热
发酵过程中微生物的生化反应要产生大量热量,这些热量必须及时被带出罐体,否则培养基温度升高,就会影响发酵最佳条件,引起微生物发酵中断。
一般抗生素在发酵过程中会产生每米3 ,每小时约16～25MJ (即4000～6000 大卡/ 米3·时) ,另外培养基经实消和连消后温度较高,需要将其冷却至培养温度,这就需要发酵罐具有足够的传热面积和合适的冷却介质,将热量及时带出罐体。 冷却介质一般应采用低温水和循环水。某些北方的工厂“因地制宜”采用深井水冷却,如果深井水目前水需付较高的费用,也许会认为可降低生产成本,但是发酵罐冷却水量极大,如果采用深井水,这对于水资源是极大浪费,因而是不可取的。 发酵罐的冷却,主要是考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量。此外还要考虑,发酵罐消毒的冷却或实消后的冷却时间。目前一般发酵罐的冷却传热面的型式,小型罐(5 米3 以下) 为夹套、大型发酵罐为几组立式蛇管。立式蛇管虽具有传热系数高的优点,但他占据了发酵罐容积,据计算罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %容积,若罐内的蛇管一旦发生泄漏,将造成整个罐批的发酵液染菌、此外罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。
近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管,该蛇管具有传热系数高,罐体容易清洗,增强罐体强度,因而可大大降低罐体壁厚,使整个发酵罐造价降低,且提高发酵罐的容积,增大放罐体积,因而是值得推广的新技术,国内已经建立了专业的制造厂,解决了对蛇管加工技术难关,为发酵罐设计开创一个新的罐型。外蛇管的设计主要要解决外蛇管的冷却介质的流速和阻力降,因而外蛇管的大小和分组,需要通过计算才能获得满意的效果。
2.2.5 变速搅拌
由于发酵过程中,微生物的培养要求是不同的,往往在发酵中期,微生物处于旺盛生长时间对氧的需要量较高,而在发酵初期和发酵后期微生物的需氧量较低,特别是发酵后期,菌丝体已处于老化阶段,培养基的粘度也较高,剧烈的搅拌会加速菌丝体的自溶,影响发酵水平的提高。如果能设计一个变速搅拌,按照微生物需氧量来调节搅拌转速,这样不但能创造最佳的培养条件,也能节约发酵过程的能量消耗,因而不少生物工程设备人员试图在大型发酵罐上采用变速搅拌。
由于抗生素品种的不同,微生物在发酵全过程对氧需求变化的程度不一,在中小型罐内的变速搅拌获得了成功,据文献介绍,可提高发酵单位10～20 % ,降低搅拌能耗10～30 % ,但是在大型罐内,由于变速装置的复杂性和投资增加限制了它的推广使用。
在大型发酵罐如果培养基采用实罐消毒时,为了使消毒时培养基的传热较为理想,因而需要开动搅拌,但此时往往不通入空气,因而使搅拌功率上升,如果操作不当,就有可能损坏电机。目前发酵罐设计时,推荐使用多极电机,可以在实消时低速搅拌,在正常发酵时搅拌全速运行,目前这种双速马达已使用于发酵过程中满足不同需氧量的搅拌操作。
2.2.6 发酵罐的能量消耗
发酵罐的能量消耗主要由如下三部分组成:搅拌器电机耗能、通入无菌空气的制备能量及培养基消毒和冷却能量。培养基消毒和冷却能量主要取决于工艺过程和菌种特性,而搅拌功率和无菌空气消耗能量两者的目的相同,主要是为了供应微生物足够的氧气。
如一个50 米3 抗生素发酵罐,搅拌功率为75～95kW ,通气量为35 标米3/ 分,
要制备35 标米3/ 分无菌空气,空压站大约需要消耗175kW 电能,也即该50 米3 发酵罐消耗270kW 电能,从上述数字可以获知发酵罐的60～70 %能量用于无菌空气的制备,为了剖析搅拌功率和无菌空气消耗能量的关系,我们采用溶氧速率KLa 来分析:
KLa =α( Pg
V
)αηβ
式中Pg
V 为单位发酵液的耗能,η为空气在罐内线速度,α、β为指数,根据实验测定α的数值要远大于β数值,也就是说适当降低通气量或适当增加搅拌功率,可以获得同样的供氧速率。但是无菌空气的制备需要投资较大的空压站,而且空气量的增大,降低了发酵罐装料系数,增加了发酵液在尾气中的夹带,而且也增加了无菌过滤系统的费用,相对而言,增加搅拌功率化费的投资就较少。因而国外抗生素发酵的一条经验为:适当增加电机功率和降低通气量,对发酵的总能耗降低是非常有利的。 3 测量仪表和控制
发酵过程的自动化依赖于对发酵过程中工艺参数的检测,测量的物理参数为温度、压力、流量、泡沫(液位) 、搅拌转速、功率、浊度、粘度。化学参数为pH、氧化还原电位、溶解O2 、溶解CO2 、排气成分、糖、氮、磷及效价分析。 目前使用得比较普遍的是罐温、罐压、pH、补糖、补水和加油消沫的测量及自动控制;空气流量、发酵液体积、溶氧、电机电流和功率进行检测。由于生化工程的要求,这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染。
在生物合成中必须对生长环境中各个控制变量进行综合、进行过程的监控和得到新的状态变量,如呼吸商、碳平衡等,利用计算机的在线控制和离线控制,获得最佳的控制效果。
目前国内华北制药厂、山东新华济宁抗生素厂、哈尔滨制药厂、新昌制药厂等数十个发酵车间已经使用计算机来控制发酵生产,有些工厂已经实现全厂计算机管理,取得了良好效果。
控制系统采用集散型微机,它是一种中小规模DCS 控制系统,由操作工作站现场控制(或监视) 单元、信号转换单元、通讯总站组成,系统可靠性高,具有良好的人机接口界面。
生化反应过程中,补料和调节pH 是一个较为复杂系统、一般采用流量计测量加之调节阀补料、也有使用计量泵定量控制流量或采用定量小罐脉冲定数补料。 为了保证计算机控制顺利完成操作,稳定和优质的仪表是关键,仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的流型进行合理的布点,以避免测得的参数仅表示局部的指标,此外仪表使用一段时间后的纠偏也十分重要。
为了更好发挥计算机控制的长处,尽可能完美的工艺目标数据确定和开展对发酵生化机理的研究越来越显得重要。
4 设计实例
4.. 范围和用途
我院自90 年代初就开始了对新型发酵罐进行系统研究和开发,为了更好地学习兄弟厂的先进发酵罐装备,和将国外的成熟经验向国内同行进行宣传,因而成立了发酵罐及其系统协作组,并同有关设备制造厂联合共同对新型搅拌叶轮和传动装置进行完善和提高。
自1992 年起我院在乙酰螺旋霉素、青霉素、黄原胶、可的松、酶制剂、柠檬酸、
维生素B、利福霉素、赤霉素、红霉素、泰乐霉素及中药保健品等品种中采用了新型发酵罐,其发酵罐体积为抗生素发酵罐最大为150 米3 、柠檬酸发酵罐最大为280 米3 。搅拌型式为轴向流和径向流的组合叶轮。该搅拌器适用于低通气量的发酵罐、各种球状菌、丝状菌、真菌和霉素。发酵罐和气、液、固多相的反应,特别在高粘度的发酵液中取得了良好效果(如黄原胶发酵罐) ,近年来,我院已设计了新型发酵罐图纸30 余套,绝大多数已用于生产实践。据返回的信息表明,其性能均优于单纯径向流的传统发酵罐,在能量消耗的降低、空气量的减少、发酵单位的提高、操作稳定性等指标上取得了较好的效果。现将设计的主要发酵罐列表如下:
我院设计的主要发酵罐一览表
发酵罐
容积
发酵罐几
何尺寸
规格用于品种备注
15 米3
37kW 180 转/ 分
弯叶+ SPIDI - 轴I 型
利福平种子罐
25 米3
55kW 138 转/ 分
弯叶+ SPIDI - 轴I 型
可的松氧化反应罐
50 米3
95kW 130 转/ 分
弯叶+ SPIDI - 轴I 型
可的松氧化反应罐
1.0kW 120 转/ 分
弯叶+ 三档SPIDI - 轴I 型
利福霉素
75kW 135 转/ 分
喷射搅拌+ SPIDI - 轴I 型
乙酶螺旋霉素
60 米3
75kW 130 转/ 分
SPIDI - 径Ⅰ型+ SPIDI - 轴Ⅱ型
赤霉素
65 米3
132kW 129 转/ 分
直叶+ SPIDI - 轴Ⅰ型
红霉素
100 米3
132kW 129 转/ 分
SPIDI - 径Ⅰ型+ SPIDI - 轴Ⅱ型
赤霉素
1.0 米3
155kW 1.0 转/ 分
SPIDI - 径Ⅰ型+ SPIDI - 轴Ⅱ型
泰乐霉素
150 米3
155kW 1.0 转/ 分
弯叶+ SPIDI - 轴Ⅰ型
利福霉素
4.2 生化反应罐
氢化可的松是重要的激素产品,每年出口为国家赢得了大量外汇,山东新华制药厂氢化可的松车间是该产品我国最主要的生产装置之一,该厂原有为15 米3 氧化反应发酵罐,通气比为1∶01.～012 ,搅拌为蜗轮式叶轮,生产工艺为实消。
氢化可的松氧化发酵罐的功能是将空气均匀分散于液相中,在微生物的催化下进行氧化反应,为了提高气液相的分散效果,提高氧的溶氧浓度和传质速率,设备直径
(1) 使整个罐体的发酵液得到较均匀混合,此外由于径向流和轴向流搅拌叶轮组合,加强了气泡的分散,提高了发酵液中的溶氧浓度,提高了氢化可的松氧化反应的收率。
(2) 同时经实际测定,实耗电流有所下降,也就是说能耗有所降低。
(3) 此外采用了轴向流和径向流组合搅拌器后,由于强化宏观混和,因而减少由于操作人员和物料理化性质带来的反应收率的波动,缩小了罐批之间的质量波动,稳定了生产的技术经济指标。
为了扩大生产,厂方决定将氢化可的松的氧化发酵罐放大至50 米3 ,该容积在氢化可的松生产中是我国最大的生化反应罐,在总结25 米3 发酵罐基础上,于1999 年开始了放大设计,放大设计不仅对罐体的几何尺寸,传质传热效率,搅拌叶轮的混和时间,溶氧速率,气泡占容和叶轮对菌体的剪切力等因素进行了综合考虑确定,罐体直径为
从该发酵罐的设备设计而言,采用外盘管作为传热面,取消了50 米3 发酵罐的内蛇管,使罐内变得空畅,增加了约1 %体积,且方便了清洗,对减少罐内染菌起到了有益的帮助;外盘管不仅获得了良好传热效果,而且也可作为罐体的加强圈,因而大大减少了直筒体的壁厚,节约了材料,降低了造价;搅拌轴上增设了稳定器,减少了轴的晃动,因而在50米3 发酵罐中取消了底轴承;采用了三分式的联轴器,方便了搅拌轴的检修。
抗生素发酵罐是抗生素工业中关键设备,由于它对发酵水平和能耗高低起到至关重要的作用,因而一直是我们重视发酵罐设计的关注点。
4.3.1 红霉素发酵罐
陕西某药厂红霉素是全国非常重要的生产企业,近几年来在各大专院校、科研院所和厂方努力下,红霉素的生产水平得到了大幅度的提高,发酵水平提高70 %以上,我院配合该药厂在65 米3 红霉素发酵的搅拌系统做了一定的工作,为该厂红霉素发酵水平的提高,在装备上提供了一些可能,在此基础上对原有的50 米3 发酵罐也进行了改造,并且配合开展了100 米3 新的红霉素发酵罐的设计工作。现对65 米3 红霉素新型发酵罐设计进行介绍:
65 米3 红霉素发酵罐的设备直径:3200mm ;
筒体高度:7500mm ;
搅拌叶轮:组合叶轮;
其中:一挡直叶涡轮(径向流) ;
三挡SPIDI - 轴I 型(轴向流) ;
搅拌转速:129 转/ 分;
电机功率:132kW;
传热:四组半圆管+ 六块平板式内蛇管(兼作全挡板) ;
传动:减速机、噪音低。
该发酵罐1999 年设计完成后,即加工投入生产。在各方面科技人员全力支持和合作下,该发酵罐运行正常,设备维修工作量极小,特别是生产环境的噪音大大低于现有50 米3 发酵罐,特别可喜的是在工艺的带动下,发酵单位提高了70 %左右,根据统计,其振幅大大高于原有50 米3 发酵罐,且在能量消耗、罐批之间波动性均得到了优化。
接下来对该65 米3 发酵罐的设备设计作一介绍:
(1) 搅拌叶轮下端部,设置了稳定器,可使搅拌系统的振动大大降低。
(2) 搅拌轴的支承考虑取消底轴承,利用减速机的轴承及机架上的轴承作为主要支承点,并在罐内设置一个中间轴承,在轴端设置稳定器。
(3) 该罐所选用的机械密封也与常规的不同,采用了静环为剖分式的202F 型单端面小弹簧外流式机械密封,除了保留带短节联轴器以方便调换机械密封以外,可在不拆卸带短节联轴器及机架轴承的情况下,更换机械密封的静环,缩短维修时间,减轻劳动强度。
(4) 该罐的传热系统采用外半圆夹套与内传热挡板相结合的形式。
(5) 发酵罐的传热主要靠外半圆夹套,设置了四组Φ150mm 的外半圆管夹套。
(6) 发酵液冷却夏天使用低温水,冬天使用循环水,为了尽可能延长循环水冷却使用时间,降低全年耗能费用。因而经计算后认为,单纯采用外半圆管磁罐的传热面积略感不足,因此加设了六组内排管以增加传热面积,此排管采用直排结构,管子间的间隙用钢棒填充,使其同时能起到全挡板的作用,因而不必在罐内另行设置挡板。
(7) 为了便于冷却水接管的布置,六组内传热挡板通过两组Φ200mm 的外半圆管将其联结起来,从而使其冷却水的进出口与外半圆管的进出口保持一致的方向。
(8) 为了减少罐内的管路,取消了通常采用的视镜冲洗管,采用具有冲洗口的带灯视镜。
(9) 该罐根据用户的要求,对罐内壁及罐内部件均采取抛光处理。
1996 年我院为江西某药厂设计了70 米3 赤霉素发酵罐,该发酵罐设备直径3200mm ,直筒高度8500mm ,采用一挡径向流和二挡轴向流的组合叶轮,搅拌转速125 转/ 分,电动功率155kW ,投入运行后取得了较好的效果,提高了赤霉素发酵单位。
但是我们对该设备进行了分析,由于新型组合叶轮在同样功率消耗的情况下,提供了较高的溶氧浓度,不但满足了菌体生长的需要,而且还有富裕。为此在2001 年为湖南某厂设计100 米3 赤霉素发酵罐时,我们在总结前阶段工作的经验上,结合该厂的实际生产数据,对其现有的60 米3 发酵罐进行了改进,摸索最佳条件,从而为进一步提高新型发酵罐的技术水平作出努力。该60 米3 的试验发酵罐采用了类似国外半圆管式SPIDI 径向I 型和改进型SPI2DI 轴向II 型组合叶轮,搅拌转速为130 转/ 分,进行试车,实测电流为1.0～1.5A ,也就是说实耗功率为50～55kW ,在如此低的搅拌能耗情况下,取得了和原有全部由涡轮式径向叶轮相当的发酵水平,而且经多批试验,发酵周期在180 小时的发酵液各项理化指标和发酵单位达到了原来200 小时的数据,也就是说为该品种的发酵周期缩短至180 小时提供了可能。据此我们进行了100 米3 发酵罐设计,其主要技术参数如下: 直径:Φ3800 ;
筒体高度:9000mm ;
传热面积:140 米2 ;
搅拌转速:125 转/ 分;
设计功率:135kW;
叶轮:一挡SPIDI 径向I 型叶轮;
三挡SRIDI 一轴向II 型叶轮;
传动:减速机。
目前该罐图纸已经交付,正在施工,不久即可以投产运行。
范文三：发酵罐的设计
目 录
第一章 啤酒发酵罐结构与动力学特征 ................................................ 3
一、概述 ..................................................................................................... 3
二、啤酒发酵罐的特点 ............................................................................ 3
三、露天圆锥发酵罐的结构 .................................................................... 4
3.1罐体部分 ...................................................................................... 4
3.2温度控制部分 .............................................................................. 5
3.3操作附件部分 .............................................................................. 5
3.4仪器与仪表部分 .......................................................................... 5
四、发酵罐发酵的动力学特征 ................................................................ 6
第二章 发酵罐的化工设计计算 .............................................................. 7
一 、发酵罐的容积确定 .......................................................................... 7
二、 基础参数选择 .................................................................................. 7
三、 D、H的确定 .................................................................................... 7
四、发酵罐的强度计算 ............................................................................ 9
4.1 罐体为内压容器的壁厚计算 ..................................................... 9
五、锥体为外压容器的壁厚计算 .......................................................... 11
六、锥形罐的强度校核 .......................................................................... 13
6.1内压校核 .................................................................................... 13
6.2外压实验 .................................................................................... 14
6.3刚度校核 .................................................................................... 14
第三章 发酵罐热工设计计算 ................................................................ 14
一、计算依据........................................................................................... 14
二、总发酵热计算 .................................................................................. 15
第四章 发酵罐附件的设计及选型 ........................................................ 19
一、人孔 ................................................................................................... 19
二、接管 ................................................................................................... 19
三、支座 ................................................................................................... 20
第五章 发酵罐的技术特性和规范 ...................................................... 21
一、技术特性........................................................................................... 21
二、发酵罐规范表 .................................................................................. 22
参考文献 ................................................................................................... 24
发酵罐设计实例
第一章 啤酒发酵罐结构与动力学特征
一、概述
啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点
1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；
2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；
3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；
4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；
5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；
6、制作相应要比其他发酵罐简单；
7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
三、露天圆锥发酵罐的结构
3.1罐体部分
露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中： 灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。 圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径S1，使发酵速度 3区＞1区；导致B3P1而形成压力差推动发酵液对流；
3、由于发酵时控制t3＞t1，形成温度差对流。
第二章 发酵罐的化工设计计算
一 、发酵罐的容积确定
实际需要选用V有效=60m3的发酵罐
则V全=V有效／ =60／85%=71 m3
二、 基础参数选择
1. D:H 选用D:H=1:3
2.锥角：取锥角为70°
3.封头：选用标准椭圆封头
4.冷却方式：选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却（罐体两段，锥体一段，槽钢材料为A3钢，冷却介质采用20%、-4℃的酒精溶液）
5.罐体所承受最大内压：2.5㎏／cm3
外压：0.3㎏／cm3
6.锥形罐材质：A3钢外加涂料，接管均用不锈钢
7.保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜
8.内壁涂料：环氧树脂
三、 D、H的确定
由D:H=1:3 ，则锥体高度H1=D／2tg35°=0.714D
封头高度H2=D／4=0.25D
圆柱部分高度H3=（3.0-0.714-0.25）D=2.04D
π2ππ又因为VD
全=V锥+V封+V柱=34×H1+24×D3＋4×D2×H3
=0.187D3+0.13D3+1.60D3=71
得D=3.33m
查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm 再由V全=71 cm3 ，D=3.4m
得径高比为D:H=1:2.8
由D=3400mm查表得椭圆形封头几何尺寸为：
h1=850mm
h0=50mm
F=13.0m2
V=5.6m3
筒体几何尺寸为：
H=5940mm
F=63.44 m2
V=56.22m3
锥体封头几何尺寸为：
H0=50mm
r=510m
H=3115mm
F=πd2／4-[(0.7+0.3COSa)2
Sina+0.64]=7.75 m2
V=πd3／24[（0.7+0.3COSa）2／tga+0.72]=4.91 m3
则：锥形罐总高：H=850+50+5940+50+3115=10005mm
总容积：V=5.6+56.22+4.91=66.73m3
实际充满系数：60／66.73=89.91%
罐内液柱高：
60-4.91
2，H=?102+（3115+50）=3203mm 4
四、发酵罐的强度计算
4.1 罐体为内压容器的壁厚计算
1. 标准椭圆封头
设计压力为:1.1*2.5=2.75㎏／cm2
PDg
S=2?σt-P+C 式中：P=2.75㎏／cm2
[σ]t：A3钢工作温度下的许用力取1520㎏／cm2
?：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3
查表得：C1:钢板厚度的负偏差取0.8mm负偏差
C2:腐蚀裕量取2mm
C3:制造减薄量取0.6mm
则： 2.75?3400+3.4=6.8mm 2?1520?0.9-2.75
取 S0=7mm
直边高：h0=40mm
校核
σ=PD中?D中?
4s??2h??
=2.75?(3400+7)3400+
4?7?8
2?900
=633.5≤[σ]t
2. 筒体
P设=1.1×（P工作+P静）
=1.1*（2.5+0.61）=3.42㎏／cm2 S= PD
2σ?-P+C （取C2=0.6,C2=2,C3=0.6） =3.42?3400
2?1520?0.9-3.42+3.2=7.5mm
取S=8mm
校核
σPD中
2=2s=771.2≤?[σ]t
3. 锥形封头
(1) 过渡区壁厚
S= KP设Dg
2?σ-0.5P+C
P设=1.1*（2.5+0.9）=3.745㎏／cm2（0.9为静压）
K=0.75
S=KP设Dg
2-0.5P+C
=0.75?3.74?3400
2?1520?0.9-0.5?3.74+C
=3.49+C
=3.49+0.6+2+0.369
=6.46mm
(2) 锥体
S=f*PDg?σt-0.5P+C
Sf*PDg
0=?σt-0.5P=0.60?3.74?3400
1520?0.9-0.5?3.74=5.6（f查表为0.60）
S=S0+C=5.6+0.6+2+0.59=8.57
取S=10mm h0=40mm
校核锥体所受最大应力处：
σ=PD中
2sCos35? =3.74?3410
2?10?cos35?==778.5≤[σ]t
=824.1≤[σ]t
五、锥体为外压容器的壁厚计算
1.标准椭圆封头
设S0=5mm
R内=0.9Dg3240mm
R内/100S=3240/100*5=6.48
查图表4-1及B=275
[P]=B*S0/R内=275*5/3240=0.43kg/cm2>0.3kg/cm2
满足要求
取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm
则S=S0+C=8mm
2.筒体
设S0=6mm
L/D=0.69
D=3400/6=567
查图表4-1及B=210
[P]=210*6/3400=0.357kg/cm2>0.3kg
S0=6mm
故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
则S=S0+C=9.2mm或10mm
3.锥形封头
因为：
α=35°
所以 22.50°<><>
按第四章发酵罐设计的中封头可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：
2 * 2740/2 *tg35°=1918.6mm
取加强圈中心线间锥体长度为1370mm
设S0=6mm
L/D=1370/3400=0.4
D/S0=3400/6=567
查图表4-1及B=320
[P]=BS0/D=320*6/3400=0.56>0.3kg/cm2
故取S0=6mm
C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
所以 S=S0+C=6+3.2=9.2
取S=10mm
综合前两步设计，取两者中较大的有生产经验确定
标准椭圆型封头厚度为 10mm h0=40mm
圆筒壁厚 10mm
标准形封头壁厚 12mm h0=40mm
六、锥形罐的强度校核
6.1内压校核
液压试验 P试=125P设
由于液体的存在，锥体部分为罐体受压最重之处即最危险
设计压力 P=3.74kg/cm2
液压实验 P试=1.25P=4.68kg/cm2
查得A3钢σ=2400kg/cm3
σ试=P试[Dg+（S-C）]/2(S-C)
=4.68*[3400+(12-3.2)]/2*(12-3.2)
=906.4kg/cm2
0.9ψσ=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2>σ试
可见符合强度要求，试压安全
6.2外压实验
以内压代替外压
P=1.5*(0.3+1.2)=2.25kg/cm2
P试=1.25P=2.8kg/cm2<>
故可知试压安全
6.3刚度校核
本例中允许 S=2*3400/1000=6.8mm
而设计时取壁厚为S=10mm，故符合刚度要求（公式：S最小=2D内/1000）
第三章 发酵罐热工设计计算
一、计算依据
计采用A3刚作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，椎部一段，夹套工作压力为2.5kg/cm2冷媒为20%（V/V）酒精溶液，T进=-4℃，T出为-2℃，麦汁发酵温度维持12℃（主要发
酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，椎底部分为98mm）
二、总发酵热计算
Q=q*v=119*70=8330kg/hr
q为每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时的放热量；
v为发酵麦汁量
1、冷却夹套型号选择
选取8号槽钢起截流面积为A=hb-截面积=8*4.3-10.24=24.16cm2
冷却剂流量为（三段冷却）
3*24.16*10-4*1=7.284*10-3m3/s
查得20%（V/V）酒精溶液Δt平=-3℃下的ρ=976kg/m3
Cρ=1.04kcal/kg·℃
冷却剂的冷却能力为：
Q=7.248*103*976*1.041*2*3400=49131.3kcal/hr
故可选取8号钢槽为冷却夹套。
2、发酵罐冷却面积的计算
考虑生产过程中，随着技术的改进，工艺曲线可能更改，按目前我国工艺曲线看，日降温量较大的为13℃到5℃，为了将来工艺更改留下余量，设计取13-5=8℃为设计的日降温量，取0.6℃/hr为设计的小时降温量，则由Q=KAΔtm求得冷却面积。
2.1传热系数K的确定
2.1.1醪液α1的计算
α1=0.64*C*t1-t2 =0.64*185*-5
=185.3kcal/m2·h·℃
2.1.2冷却夹套的α2的计算
湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）
de=（4*流体流动截面面积）/湿润周边
=204mm=20.4cm
de=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m
20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下
μ=5.05CP=5.05*103Pa·s
λ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃
Cp=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg℃
ρ=976kg/m2
μ=1m/s
Re=duρ/μ=9160=104
故可视为强制湍流流动得n=0.4
α2=0.023λ/d（Re）0.8（Cpμ/λ）0.4=1348.4kcal/hr·m·℃
因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：
α、=α（1+1.77d/R）
=1348.4*（1+12）*0.0474/1.829
=1410.3kcal/hr·m·℃
1） 筒体部分传热系数K
1/KA2=1/α1A1+Rs1/A1+b/λA2+1/α2A3+Rs2/A3
代入数据可得：
1/K=7.325*10-3
所以：K=136.5kcal/m2·℃
注：h为假设夹套高度（m）
3、锥形罐筒体需冷却的热量
1）醪液放热 Q?醪=Q1 + Q2?
Q1? = 62110×0.055×146.6 = 4552.7kcal / hr
Q2?= 62110×0.9519×0.6 = 35473kcal / hr
所以,Q 醪=Q1?+Q2? = 40026kcal / hr
2）外界与罐体的传热量
a. 封头部分Q1 = KF(t外平+t0附-t内）
带入数据得KF=0L.2
Q1 = KF(t外平+t0附-t内）
=2.02×（10%+1）×（32+8.5-5）
78.72kcal / hr
b. 筒体部分：
带入数据：
1/KF=1/αA1 + δ1/λ1A2 +δ2/λ2A2+δ3/λ2A4+1/αA5
得： KF = 15.67kcal/K·°C
Q2=KF(t外平+t0附-t内）
=1.1×15.6（32+8.5-5）
= 6119kcal/hr
4、筒体冷却面积A初定
?tm(?t1-t2)/ln(?t1/?t2)=(14-9)/ln(14/9)=11.3?C
Q=KAΔtm
A=40716.8/136.5×11.3=26.4m2
则醪液的冷却负荷为：
26.4/62110=0.425m2/T>0.3m3/T
故冷却面积能够满足要求。
5、发酵罐冷却面积的确定
1）筒体部分
由前面叙述可知，筒体部分相同的冷却段，选用8#槽钢筒体冷却段面积为26.4m2，则槽钢长=26.4/0.08=330
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长：
l0=[(3.14×3.62)2+0.122]1/2 = 11.367m
330m长的槽钢可绕圈数330/11.367 ≈30圈
则二段各绕15圈
冷却段高度为：
15×（80+40）-40=1760mm
筒体时机冷却面积为：
30×11.367×0.08=1.439m2/T
2）锥底部分
锥体部分醪液量为4.91×1.0484=5.32
锥体部分冷却面积为
5.32×0.439=2.33m2
则槽钢长为2.33/0.08=29.1m
绕制高度为1000mm
第四章 发酵罐附件的设计及选型
一、入孔
1、选用入孔BIIPg6Dg450×8H1=220JB-64-28材料A3钢
2、补强圈尺寸确定如下
D内=484mm
D外=760mm
补强圈的厚度S补
按下式计算，考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量，故 补强圈取8mm
S补=(d×S0)/(D2-D1)=(45×0.52)/(76-484)=0.85cm
二、接管
1、CO2回收接管
YB804-70 Dg40无缝钢管 重3.6kg/m
法兰 Pg6Dg40HG5010—58 重1.219kg
2、温度计取样接管
见发酵罐总装图
3、冷却剂进口接管
YB804-70 Dg50无缝钢管 重4.65kg/m 法兰 Pg6Dg50HG5010—58 重1.348kg
4、滤酒管
YB804-70 Dg50不锈钢管 重7.15kg/m 法兰 Pg6Dg50HG5010—58 重2.38kg 去滤酒馆于管内高度为1.2m即1200mm
5、麦汁进料及Y排放接管
Dg125球阀控制酒量
Dg50玻璃视镜观测Y排放情况
Dg50接管
三、支座
见发酵罐总装图
第五章 发酵罐的技术特性和规范
一、技术特性
1、本例按JB741—80钢制焊接压力容器技术条件：及“SB5111”不锈钢耐酸性钢及碳钢、II类设备进行制造试验。
2、设备制造完毕后，设备内壁所有内表面焊缝须打磨光滑平缓过渡，但须保证用材料同样厚度。
3、立板焊接时应与底轴垂直，两块立板之间得分布误差不大于0.10 4、设备安装后轴线对基础的不垂直度在全场上不大于10mm，设备在现场就位安装。
5、设备组焊后，封头筒体锥形底的Ф400轴线在总高度范围内的不垂直度<>
6、设备应进行下列实验：
1）液压实验 罐 内 3.5kgf/cm2 夹套内 3.5kgf/cm2 2）气压实验 罐 内 3kg/cm2 夹套内 3kg/cm2 7、设备内应涂白色7535底漆层及面漆2层 8、设备碳钢外露表面应涂Y351-1红丹油防锈漆2层 9、设备保温罐外喷聚氨厚度200mm
二、发酵罐规范表
85m3圆柱锥底发酵罐的规范表
参考文献
[1] 娄爱娟，吴志泉，吴叙美．化工设计．上海：华东理工大学出版社，2002。 [2] 国家医药管理局上海医药设计院．化工工艺设计手册(第二版)．北京：化学工业出版社， 1996。
[3] 时钧，汪家鼎等．化学工程手册(第二版)．北京：化学工业出版社， 1996。 [4] 绉兰，闫传智． 化工工艺设计．成都：成都科技大学出版社，1998。 [5] 魏崇光，郑晓梅． 化工工程制图．北京：化学发工业出版社，1994。 [6]戚世岳．化工工程制图．北京：化学工业出版社，2005。
[7]刘道德等．化工设备的选择与设计（第三版）．长沙：中南大学出版社，2003。 [8]王静康．化工过程设计．北京：化学工业出版社，2006。
范文四：发酵罐的设计
工程大学课程设计任务书 班级:
姓名:
课题名称:生物反应器设计(啤酒露天发酵罐设计) 指定参数:
1. 全容:
2. 容积系数:
3. 径高比:
4. 锥角:
5. 工作介质:啤酒
设计内容:
1. 完成生物反应器设计说明书一份(要求用 A4纸打印) ⑴封面
⑵完成生物反应器设计化工计算
⑶完成生物反应器设计热工计算
⑷完成生物反应器设计数据一览表
2. 完成生物反应器总装图 1份(用 CAD 绘图 A4纸打印) 设计主要参考书:
1. 生物反应器课程设计指导书
2. 化学工艺设计手册
3. 机械设计手册
4. 化工设备
5. 化工制图
接受学生承诺:
本人承诺接受任务后, 在规定的时间内, 独立完成任务书中规定的任 务。
接受学生签字:
生物工程教研室 2010-11-15
发酵罐设计
第一节 发酵罐的化工设计计算 一、 发酵罐的容积确定
由指定参数:V 全 = 30m 3 ?=85%
则:V 有效 =V全 *?= 25.5 m3 二、 基础参数选择
1、 D :H :由指定参数选用 D :H=1:4 2、锥角:由指定参数取锥角为 900
3、封头:选用标准椭圆形封头
4、冷却方式:选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却(罐体两 段, 槽钢材质为 A 3
钢, 冷却介质采用 20%、 -4℃的酒精溶液) 5、罐体所承受最大内压:2.5KG/CM3
外压:0.3KG/CM3
6、锥形罐材质:A3钢外加涂料,接管均用不绣钢 7、保温材料:硬质聚氨酯泡沫塑料,厚度 200mm 8、内壁涂料:环氧树脂 三、 D 、 H 的确定
由 D :H=1:4,则锥体高度 H 1
=D/2tg450
=0.5D 封头高度 H 2=D/4=0.25D
圆柱部分高度 H 3
=(4.0-0.5-0.25) D=3.25D 又因为 V 全 =V锥 +V封 +V柱
=3π×D 2/4×H 1+24
π×D 3
+
4
π
×D 2×H 3
=0.131D2+0.131D2+2.551D2
=30 得 D=2.20m
查 JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》 取发酵直径 D=2400mm 再由 V 全 =30cm2
, D=2.4m 得径高比为: D:H=1:2.8 由 D=2400mm查表得
椭圆封头几何尺寸为: h 1=600mm (曲面高度) h 0=25mm (直边高度) F=6.41m
2
(内表面积) V=1.93m
3
(容积)
筒体几何尺寸为: H=6624mm F=36.90m2
V=22.14m3
锥体的几何尺寸为: h 0=25mm r=360mm H=1200mm F=()
2
20.70.3cos 0.644
sin d a a
ππ
??
-++?
???
=3.705m2
V=()230.70.3cos 0.7224d a tga π
π??++????
=2.80m2 则:锥形罐总高:H=600+25+4896+25+1200=6746mm 总容积:V=1.93+22.14+2.80=26.87m3 实际充满系数 ψ:25.5/26.87=94.9% 罐内液柱高:
H 丿
= (25.5-2.80) *4*102/2.42+(1200+25) =6260mm
三、 发酵罐的强度计算
(一) 罐体为内压容器的壁厚计算 1、 标准椭圆封头
设计压力为 1.1*2.5=2.75KG/cm2 S=
[]2t
PDg C P
+σ?-
式中:P=2.75 KG/cm2
[]t σ:A3钢工作温度下的许用力取 1520 KG/cm2 ? :焊接系数,本例采用双面对接焊作为局部无 探伤 0.9壁厚附加量:C=C1+C2+C3 查表得:C1; 钢板厚度的负偏差取 0.8mm 负偏差 C 2:腐蚀裕量取 2mm C 3; 制造减薄量取 0.6 则;
S=[2.75*2400/(2*1520*0.9-2.75)]+3.4=5.8 取 S 0=6mm
直角边 h 0=25mm
校核
?=(PD中 /4S)*(D中 /2h)
=[2.75*(2400+6)/(4*6) ]*[(2400+6)/ (2*600) ]=552.75<>
2. 筒体
P 设 =1.1*(p 工作 +p静 ) =1.1*(2.5+0.61) =3.42kg/cm2 S=[PD/([?]?-P)]+C(C 2=0.6,C2=2,C3=0.6)
=[(3.42*2400)/(2*1520*0.9-3.42)]+3.4=6.4mm
取 S=8mm
校核 ?=PD中 /2S=588<=[?]t>
3. 锥形封头
1)过渡区壁厚
S=[(K P设 Dg ) /(2[?]t -0.5P)]+C
P 设 =1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2(其中 0.9为静压)
K=0.75
S=[(K P设 Dg ) /(2[?]t -0.5P)]+C
=(0.75*3.74*2400)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C
=2.46+C=2.46+0.6+0.246=5.31mm
2)锥体
S=[(f* P设 Dg ) /( [?]t -0.5P)]+C
S 0=[(f* P 设 Dg )
/( [?]t -0.5P)]=(0.60*3.74*2400)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f查表为 0.60) 依据《化工设备机械基础》
=3.94
S=S0+C=3.94+0.6+2+0.394=6.937
取 S=8mm h0=25mm
校核锥体所受的最大压力处
?=PD中 /2Scos450
=3.74*(2400+8) /2*10* cos450
=636.81<>
(二 ) 、锥体为外压容器的壁厚计算
1、标准椭圆封头
设 S 0=5mm
R 内 =0.9Dg=2160mm
R 内 /100S0=2160/100*5=4.32
查表 4-1及 B=260(依据化工容器设备设计手册) [P]=B*S0/ R内 =260*5/2160=0.6kg/cm2>0.3 kg/cm2
满足要求
取 C1=0.5mm, C2=2mm, C3=0.5mm
则 S=S0+C=8mm
2. 筒体
设 S0=6mm L/D=0.69 D=2400/6=400
查表 4-1及 B=200
【 P 】 =200*6/2400=0.5 kg/? S0=6mm
故可取 C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm
则 S=S0+C=9.2mm,取 S=10mm
3. 锥形封头
因为:α=45°所以 22.50°﹤ α﹤ 60°
按第四章发酵罐设计中的封头设计可知,加强圈间中椎体截 面积最大直径为:2*2740/2*tan45°=1918.6mm
取加强圈中心线间椎体长度为 1370mm
设 S0=6mm L/D=1370/2400=0.57
D/ S0=2400/6=400
查图表 4-1可知及 B=250
【 P 】 =BS0/D=250*6/2400=0. 625﹥ 0.3 kg/? 故取 S0=6mm C1=0.6mm, C2=2mm, C3=0.6mm 所以 S=S0+C=9.2mm
综合前两步设计,取两者中较大的有生产经验确定
标准椭圆型封头厚度为 10mm h0=25mm
圆筒壁厚 10mm
标准形封头壁厚 12mm h0=25mm
五、锥形罐的强度校核
1、内压校核
液压试验 P 试 =125P设
由于液体的存在,锥体部分为罐体受压最重之处即最危
险
设计压力 P=3.74KG/cm2
液压实验 P 试 =1.25P=4.68KG/cm2查得 A 3钢 σ=2400kg/cm2
σ试 =
[]
()
2()
Dg S C
S C
??
+-
?
-
??
=4.68 ?(2400+12-3.2) /2*(12-3.2) =563.6kg/cm2
0.9?σ=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2>σ试
可见符合强度要求,试压安全
2、外压实验
以内压代替外压
P=1.5*(0.3+1.2) =2.25kg/cm2
P 试 =1.25P=2.8kg/cm2
故可知试压安全
3、刚度校核
本例中允许 S=2*2400/1000=4.8mm
而设计时取壁厚为 S=10mm,故符合刚度要求
(公式:S 最小 =21000D 内 )
第二节 发酵罐热工设计计算
一、 计算依据
计采用 A 3钢作发酵罐材料,用 8号槽钢做冷却夹套,分
三段冷却,筒体二段,锥部一段,夹套工作压力为 2.5kg /cm 2冷媒为 20%(v /v ) 酒精溶液, T 进 =-4℃, T 出 为 -2℃, 麦汁发酵温度维持 12o (主发酵 5-6天,封头及筒体部分 保温层厚度为 200mm ,锥底部分为 98mm )
二、 总发酵热计算
Q=q*v=119*24=8330kg/hr
q 每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时的放热量; v 为发酵麦汁量
三、 冷却夹套型号选择
选取 8号槽钢起截流面积为 A=hb-截面积
=8*4.3-10.24=24.16cm2冷却剂流量为(三段冷却)
3*24.16*10-4*1=7.284*10-3m 3/s
查得 20%(v /v )酒精溶液△ t 平 =-3℃下的
=976kg/m3
C=1.04kcal/kg·o C
冷却剂的冷却能力为:
Q=7.248×103×976×1.041×2×3600
=53021.4kcal/hr﹥ 8330kcal/hr
故可选取 8号槽钢为冷却夹套
四、 发酵罐冷却面积的计算
考虑生产过程中,随着技术的改进,工艺曲线可能更改,
按目前我国工艺曲线看,日降温量较大的为 13℃→ 5℃, 为了将来工艺更改留下余量,设计取 13-5=8℃为设计的 日降温量, 取 0.6℃ /hr为设计的小时降糖量, 则由 Q6=KA△ t m 求得冷却面积。
1. 传热系数 K 的确定
1) 醪液 α1的计算
α1=0.64×C ×4
=0.64×185×4
=185.3kcal/㎡ h °C
2) 冷却夹套的 α2的计算
湿润周边 =80+(80+4*8.0) +2*(43-1)
de=
=204mm=20.4cm
de=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m
20%(v /v )酒精在定性温度 t=(-4-2) /2=-3℃下
μ=5.05CP=5.05×103Pa ·s
=0.402kcal/hrm℃ =0.468W/m℃
Cp=1.041kcal/kg℃ =4.358×103J/kg℃
=976kg/㎡
μ=1m/s
Re=du /μ=9160=104
故可视为强制湍流流动得 n=0.4
α2=0.023 /d(Re)0.8(Cpμ/ )0.4=1348.4kcal/hr·m ·℃ 因为计算时冷却盘管为直径的,先修正: α’ =α(1+1.77d/R)
=1348.4×(1+12)×0.0474/1.829 =1410.3kcal/hr·m ·℃ 3)筒体部分传热系数 K =++ 代入数据可得: 1/k= =
所以:K=kcal/㎡ °C 注:h 为假设夹套高度 (m)
2. 锥形罐筒体需冷却的热量 1)醪液放热 Q 醪 =Q1+Q2 Q 1=kcal/hr Q 2=kcal/hr 所以 Q 醪 =Q1+Q2
2)外界与罐体的传热量 A. 封头部分 Q 1=KF 带入数据得 KF= Q 1=KF =
t t t +-外平 附 内 ()
t t t +-外平 附 内 ()
= B. 筒体部分: 带入数据: 123112233405111KF A A A A A δδδαλλλα=++++
得:KF=
Q 2=KF = =
3. 筒体冷却面积 A 初定
12m
12149
t 11.3C ln ln 9t t t ?-?-?==??
m Q KA t =?
A= 则醪液的冷却负荷为:
故冷却面积能够满足要求。
4. 发酵罐冷却面积的确定 1)筒体部分
由前面叙述可知,筒体部分相同的冷却段,选用 8#槽 钢筒体冷却段面积为
㎡
则槽钢长 =
t t t +-外平 附 内 ()
Q' /A N
=
取相邻两槽钢间距为 40mm
一圈槽钢长:
l 0=
330m 长的槽钢可绕圈数
则二段各绕 圈
冷却段高度为
筒体实际冷却面积为
2)锥体部分
锥体部分醪液量为
锥体部分冷却面积为
则槽钢长为
绕制高度为
第三节 发酵罐附件的设计及选型
一.人孔
1. 选用人孔材料 A3钢
2. 补强圈尺寸确定如下:
D 内 =
D 外 =
补强圈的厚度 S 补
按下式计算,考虑罐体与人孔筒节均有一定的壁厚
裕量,故补强圈取 mm =
二.视镜 1. 选用带颈视镜
2. 补强圈尺寸确定如下:
内径 D 1= mm 外径 D 2=mm
补强圈的厚度 =
考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量,故补强圈取 三.接管 1.CO2回收接管
YB804— 70 Dg40无缝钢管 重 3.6kg/m 法兰 Pg6Dg40HG5010— 58 重 1.219kg
2. 温度计取样接管
见发酵罐总装图 3. 冷却剂进口接管
YB804— 70 Dg50无缝钢管 重 4.65kg/m 法兰 Pg6Dg50HG5010— 58 重 1.348kg
021
d S s D D ?=
-补
4. 滤酒管
YB804— 70 Dg50不锈钢管 重 7.15kg/m
法兰 Pg6Dg50HG5010— 58 重 2.38kg
取滤酒管于罐内高度 1.2m 即 1200mm
5. 麦汁进料及 Y 排放接管
Dg125球阀控制酒量
Dg50玻璃视镜观测 Y 排放情况
Dg50接管
四.支座
见发酵罐总装图
第四节 发酵罐的技术特性和规范
一、技术特性
1. 本课程设计按 JB741-80钢制焊接压力容器技术条件:及 “ SB5111” 不锈钢耐酸性钢及碳钢、 Ⅱ类设备进行制作试验。 2. 设备制造完毕后,设备内壁所有内表面焊缝须打磨平滑平 缓过渡,但须保证用材料同样厚度。
3. 立板焊接时应于底轴垂直,两块立板之间得分布误差不大 于 0.10
4. 设备安装后轴线对基础的不垂直度在全长上不大于 10mm , 设备在现场就位安装。
5. 设备组焊后,封头简体锥形底的 Φ400轴线在总高度范围 内的不垂直度﹤ 15mm 。
6. 设备应进行下列实验:
1)液压实验 罐 内 3.5kgf/?
夹套内 3.5kgf/?
2)气压实验 罐 内 3kgf/?
夹套内 3kgf/?
7. 设备内应涂白色 7435底漆层及面漆 2层。
8. 设备碳钢外露表面应涂 Y35-1红丹油防锈漆 2层。
9. 设备保温罐外喷聚氨厚度 200mm 。
二、发酵罐规范表
m3圆柱锥底发酵罐的规范表
范文五：酒精发酵罐的设计
生物工程专业《化工原理课程设计》说明书
题目名称 专业班级 学 号
学生姓名 指导教师
2011 年 10 月 31 日
目 录
一 设计方案的确定..................................................................................................................1
1.1设计条件.................................................................................................................1
1.2发酵工艺.................................................................................................................2
1.3发酵罐尺寸及整体设计.........................................................................................3
1.3.1发酵罐尺寸确定..........................................................................................3
1.3.2发酵罐整体设计..........................................................................................3
1.3.2.1 加热、冷却系统的设计..................................................................3
1.3.2.2 pH调节系统的设计.........................................................................3
二 计算....................................................................................................................................4
2.1发酵罐尺寸计算.....................................................................................................4
2.1.1发酵罐直径和高度......................................................................................4
2.1.2发酵罐表面积..............................................................................................4
2.1.3罐体壁厚......................................................................................................4
2.2传热量的计算.........................................................................................................4
2.2.1发酵液量的确定..........................................................................................4
2.2.2总的发酵热..................................................................................................4
2.2.3冷却水耗量W的计算................................................................................5
的计算.....................................................................5 2.2.4对数平均温度差ΔTm
2.2.5传热总系数K的确定.................................................................................6
2.2.6冷却面积的主要尺寸的确定......................................................................6
三 设备选型............................................................................................................................7
3.1换热器的选择.........................................................................................................7
3.2人孔的选择.............................................................................................................7
3.3支座的选择.............................................................................................................7
3.4接口管的选择.........................................................................................................7
3.5仪表接口的选择.....................................................................................................7 四 附录及图纸........................................................................................................................8
附录1.............................................................................................................................8
附录2............................................................................................................................8
五 总结...................................................................................................................................9
六 参考文献及资料................................................................................................................10
一 设计方案的确定
酒精是一种无色透明)易挥发，易燃烧，不导电的液体。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇，分子式CHO。现在的酒精主要还26
是通过发酵发开制备的。酒精制备的原料主要有淀粉质和纤维质为主，通过各种酶的作用而产生酒精的，酒精生产也带来了很多副产品，比如说杂醇油、甲醇、二氧化碳等。
1.1设计条件
3本次课程设计条件是用10m发酵罐，发酵生产酒精。
表1发酵条件的确定
项目 条件 备注
[1]发酵罐类型 嫌气发酵罐 由参考文献确定
[3]发酵菌种 酵母菌 由参考文献确定
3发酵罐体积 10m 由老师所给的条件确定
[3]温度 30? 由参考文献确定
[3]pH 4.0 由参考文献确定
[3]452，102，10压力 ~Pa 由参考文献确定
[3],3发酵液密度 1076kg?m 由参考文献确定
[1]冷却方式 沉浸式冷却蛇管 由参考文献确定
1
[3]1.2 发酵工艺
用甘蔗糖蜜经过硫酸处理让淀粉分子从原料细胞中游离出来以
后，再通过稀释、调配、灭菌等操作，然后通过酒母发酵产生酒精。
其工艺流程图为
甘蔗糖蜜
?
稀释(50%~60%糖液)
?
酸化?硫酸
?pH 4.0
营养盐?调配
?
灭菌?蒸汽或药物
?
澄清
?
稀糖液(22%~25%糖液)
?
发酵?酒母
?发酵温度30?、 pH 4.0
蒸馏
?
酒精(94.5%)
图1以甘蔗糖蜜为原料的酒精生产工艺流程图
2
1.3 发酵罐的尺寸及整体设计
1.3.1 发酵罐尺寸的确定
酒精发酵罐多为圆柱形、底部和顶部均为蝶形或锥形的立式金属容器
带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为:
hhπ212V=(H++) D433
D—罐的直径 H—圆柱部分高度 h—罐底高度 h—罐盖高度 12
发酵罐罐体高度，底、盖高度和罐直径的关系如下:
H=1.1~1.5D h=0.1~0.4D h=0.05~0.1D 12
由以上关系确定发酵罐尺寸
1.3.2 发酵罐的整体设计
酵母菌在无氧条件下培养，主要进行发酵作用，可使糖分转变为酒精和CO。酵母菌在有氧条件下进行酒精发酵时，由于进行了呼吸作用，酒精2
产量大大降低，糖的消耗速度在单位时间内也减慢。所以在发酵过程中不需要设计通风系统;由于不需要通风系统，且采用沉浸式蛇管冷却，所以本设计不需要搅拌系统。
[1] 1.3.2.1 加热、冷却系统的设计
由于发酵罐的体积比较大，罐顶喷水淋于管外壁表面进行冷却不能满足要求所以采取罐内蛇管冷却，为沉浸式蛇管换热器。所以采用的冷却系统为沉浸式蛇管换热器
[1] 1.3.2.2 pH调节系统的设计
在本设计中，主要加入氨水来调节pH值。这样既可以调节pH，又可以提供氮源。
3
二 计算
2.1发酵罐尺寸计算
2.1.1发酵罐直径和高度
由发酵罐尺寸确定中计算直径和高度
选取结构尺寸比例:H=1.4D，h= h=0.1D 12
由全容积公式得:D=2.05m H=2.87m h= h=0.205m 122.1.2发酵罐表面积S(圆柱体表面积S和罐底、罐顶表面积S、S) 123
2 S=DH=3.14×2.05×2.87=18.47 mπ1
2 2222πRR，hS=S= ==3.36m3.14，1.0251.025，0.205231
2 所以表面积S为:S= S+ S+ S=25.19m1232.1.3罐体壁厚
0.4，2050pD，，，3,6.02mm(mm)= ，取6mm δ,，C12，170，0.8,0.4,,,2σ,p
D—罐体直径(mm) p—耐受压强 (取0.4MPa)
,—焊缝系数，双面焊取0.8
2[]—设计温度下的许用应力(kgf/cm)(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>
[4]2.2 传热量的计算
2.2.1 发酵液量V的确定 q
Vq发酵罐全容积与发酵液量的关系为:V= ,
,式中V为全容积，V为发酵液量，为装液系数(一般取0.85,0.90) q
取装液系数为0.85
,则发酵液量V=V×=10×0.85=8.5m? q
2.2.2 总的发酵热Q
，，Q,Q,Q，Q 123
Q—生物合成热 1
Q—蒸发热损失 2
Q—罐向周围散失的热损失 3
4
Q,mSq 1
m—每罐发酵醪量(kg)
S—糖度降低百分值(%) q—每kg糖发酵放出的热量(J)
,3查得发酵液密度ρ=1076kg?m，每kg糖发酵放出的热量为418600 J
7Q=1076×8.5×1%×418600,3.83×10J 1
7Q=5%Q=5%×3.83×107=0.19×10 J 21
Q=S(T,T) α3cWB
假定罐壁不包扎保护层，壁温最高可达35?，生产厂所在地区的夏季
平均温度可查阅有关资料，现假定为32?。
α,α，αc对幅
44，，TT,,,,WBC,,,,,,,100100,,,,,,，，4,1.7t,t， WBt,tWB
44，，273，35273，32,,,,4.88,,,,,,,100100,,,,,,，，4,1.735,32， 35,32
2=8 kJ/(m,h,?)
7Q=25.19×8×3×10?=0.06×10 J 3
77所以总的发酵热，，Q,Q,Q，Q=×10 =3.58×10J/h ，，3.83,0.19,0.06123
2.2.3 冷却水耗量W的计算
，，Q,Q,WCt,tABP21
,1Q—酒精的总发酵热(J?h) A
,1Q—冷却水带走的热量(J?h) B
,1W—冷却水耗量(kg?h)
，tt,1,112C—在平均水温t=时水的比热容(J?kg??) p2
t、t—冷却水进、出口温度(?) 12
Q=Q=Q AB
7Q3.58，10,则 W==1221 kg/h C(t,t)418600，7p21
2.2.4 对数平均温度差ΔT的计算 m
t主发酵期控制发酵液温度Tr为30?，冷却水进出口温度分别为=20? 1
5
=27?。 t2
T,t,T,t，，，，，，，，30,20,30,27r1r2,ΔT,=5.8? m30,20T,tr1lnln30,27T,tr2
2.2.5 传热总系数K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:
220.785×(0.053)=0.0022(m)
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:
ν=1221/(2×3600×0.0022×1000)=0.077m/s
设蛇管圈的直径为1.5m,并由水温查表得A=6.45
0.8ρνD，，,, α,4.186A1，1.77,,20.7RD,,
其中ρ=1000 D=0.053m R=0.75m
2 则=7669 αkJ/(m,h,?)2
2值按生产经验数据取2700 αkJ/(m,h,?)1
故传热总系数K为:
12K==1425 kJ/(m,h,?)110.02651，，，7669270018816750
2 188—管壁的导热系数， kJ/(m,h,?)
21/16750—管壁水污垢的热阻， kJ/(m,h,?)
0.0265—管子壁厚，m
2.2.6 冷却面积的主要尺寸的确定
所求冷却面积F:
Q358002,F,=4.33m 1425，5.8K，ΔTm
两蛇管总长度L:
A4.33L,, =26.01 m 3.14，0.053πdp
d式中—蛇管的平均直径，m p
6
22每圈蛇管长度ι= πD，hpp
式中—蛇管圈直径，m —蛇管圈之间的间距，取为0.15米 Dhpp
22，，3.14，1.5，0.15ι==4.7m
两列蛇管总圈数N=L/ι=26.01/4.7=6
两列蛇管的总高度H=m ，，，，N,1h,6,1，0.15,0.75p
[2]三 设备选型
3.1换热器的选择
选择YSC系列沉浸式蛇管换热器，冷却温度范围:5~40?;液下沉深度:350~1000mm。
3.2人孔的选择
本次设计设置1个人孔，标准号为:人孔RF?(R?G)450-0.6 HG21522-1995，公称直径450mm在罐顶上，位于右边轴线离中心轴750mm处。
3.3支座的选择
本次设计采用A型支承式支座，标准号为:JB/T 4724，支座A3，材料为:
Q235-A? F/Q235-A?F。
3.4接口管的选择
3ν,1m/s设发酵醪液流速为，1h 排尽。发酵罐装料液体积:V=8.5m 1
V8.531物料体积流量Q===0.00236m/s 36001h
Q0.002362则排料管截面积，F===0.00236m 1ν
2F,0.785d又得d=0.054m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径50，。其他管道也是如此计算。 φ57，3.5mm
则管道接口为:
进料口:平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐顶， φ57，3.5mm
排料口:平焊钢管法兰HG20593-97，直径φ57，3.5mm，开在罐底;
排气口:平焊钢管法兰HG20593-97，直径φ57，3.5mm，开在罐顶;
冷却水进口:平焊钢管法兰HG20593-97，直径φ57，3.5mm，开在罐身;
冷却水出口:平焊钢管法兰HG20593-97，直径φ57，3.5mm，开在罐身;
φ57，3.5mm取样口:平焊钢管法兰HG20593-97，直径，开在罐身。 3.5仪表接口的选择
7
温度计:装配式热电阻温度传感器Pt100型，D,100mm，开在罐身;
Y,250Z压力表:弹簧管压力表(径向型)，d=20mm，精度2.5，型号: 1
开在罐顶。
[5]四附录2 传热量的计算结果总汇附录及图纸
附录1生产能力的计算结果总汇
项目 结果 单位
每天生产(d) 13 t
每周生产(D) 78 t 每天需要纯水的量 9.8 t 每天需要苹果醋的量 1.6 t 每天需要浓缩酵母菌1.7 t
培养液的量 每天需要醋酸菌培养1.9 t
液的量
项目 结果 单位 水的比热容(C1) 4.18 物料的比热容(C2) 3.583
物料流量(Q) 1091 加热蒸汽的焓(I) 2738 冷却水的进口温度20
8
(T1)
冷却水的出口温度50 (T2)
酒精发酵前灭菌用量 63.4 (W1)
酒精发酵前冷却水用1246.9 量 (M1)
热损失(W0) 191.3 装罐前灭菌用的蒸汽 269.6 量 (W2)
装罐后冷却水的用量 4763 (M2)
附录3发酵罐尺寸及水电估算汇总
结果 单位 项目
发酵罐容量() 10 混合密度按水密度计1000 算
装罐系数 80 % 泵的扬程(实际) 16.28 水的总体估算量 11762.4 t 电的总体估算量 15317 kw
五 总结
通过这次发酵课程设计，让我们对酒精的发酵有了一定的了解。在设
计的过程中，也是对发酵工程进一步的理解和掌握。
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由于酒精发酵过程不需要补充氧气，本次设计选择的是嫌气发酵罐。该发酵罐不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、操作时，都比好气性发酵设备简单的多。我们还设计了1个人孔。人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。发酵罐的冷却装置是沉浸式蛇管换热器，两种流体分别在管内外流动通过蛇管表面进行换热，其优点是结构简单，制造方便，能承受高压，缺点是容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小，传热效果可通过增设搅拌提高，此外传热面积有限，主要用于传热量不大的容器中。
在本次设计中需要用到CAD制图，由于我们没有开设过相关的课程，而且严格的CAD制图是存在一个国家标准的，所以在绘制发酵罐的比例图中，所作的图也存在一定的问题。
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六 参考文献及资料
[1]黄方一, 叶斌, 彭珍荣等. 发酵工程[M]. 武汉:直属师范大学华中师范大学出版社, 2008.
[2]邢晓林, 潘传九. 化工设备[M]. 北京:化学工业出版社, 2005. [3]凌长清. 利用高产酵母实现甘蔗糖蜜高浓度酒精发酵研究[J]. 食品与生物,2011,2(2):6-9.
[4]王志魁, 刘丽英, 刘伟. 化工原理[M]. 北京:化学工业出版社, 2011. [5]李广明. 工程制图[M]. 北京:科学出版社, 2006.
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