2022年产万吨谷氨酸厂发酵罐设计方案.docx

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1、长江师范学院年产 2 万吨谷氨酸厂发酵罐设计说明书设计人 :龙丹学号:202109021120班级:2021 级生物工程 1 班设计时间 :2021.12.512.25指导老师 :陈今朝成果:23 / 20目录1 前言12 设计理念与方案33 任务书设计主体43.1 谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据43.1.1 谷氨酸发酵工艺流程示意图43.1.2 工艺技术指标及基础数据53.1.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算53.1.4 20000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表73.2 2 发酵罐的设计与选型83.2.1 1 发酵罐的选型83.2.2 2 发酵罐的生产才能、容积及个数的确定83

2、.2.3 3 主要尺寸的运算83.2.4 冷却面积的确定93.2.5 搅拌器设计103.2.6 搅拌轴功率的确定113.2.7 设备结构的工艺设计123.2.8 竖直蛇管冷却装置设计123.2.9 设备材料的挑选153.2.10 发酵罐壁厚的运算153.2.11 接管设计164 设计结果与争论181前 言味精，又名为谷氨酸钠，是烹饪中常用的一种鲜味调味品；烹饪时在菜里2或汤里略加少许味精，马上可使菜肴的味道更佳鲜香浓郁、味美可口； 2004 年全球的 味精 市场 约为 1700000t ， 其年 增长率 估计 为 4%， 2021 年已 达到2100000t 1 ；由于我国味精产量增加，各项技

3、术指标提高幅度大，产品成本降低，在国际市场上具有较强竞争力， 2005 年出口味精达 100000t ；341909 年味精作为商品问世以来已有102 年历史 ；早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从 1956 年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产快速进展，目前世界各国均以此法进行生产；实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，制造味精是后续加工完成的；566谷氨酸学名是 - 氨基戊二酸，结构式为HOOC-C2 H-CH2-CHNH2-COOH；谷氨酸在水中溶解度小，但其钠盐溶解度较大；谷氨酸分子中有两个羧基，一 个氨基，具有酸味，中和成一钠盐后，酸味消逝而鲜味增加；7当前

4、，我国的味精生产发酵法占统治位置，而发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐；它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供应微生物生长繁衍、发酵和代谢所需要的氧气；它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成 ；32现在国内最常用的发酵罐为200400m ，有关通用式发酵罐的系列尺寸如表 1-1 所示；1.0m3900mm1800mm250mm2300mm0.112m 0.487m 0.826m1.14m35.0m31500mm3000mm400mm3800mm5.3m310m31800mm3600m

5、m475mm4550mm9.15m320m32300mm4600mm615mm5830mm 1.76m19.1m3表 1-1通用发酵罐的系列尺寸公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总高封头容积圆柱部分容积50L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm1000mm150mm1300mm21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L不计上封头的容积全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW25mm夹

6、套112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夹套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夹套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夹套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夹套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夹套9.98m310.8m3630mm145r/min13kW65mm夹套20.86m322.6m3770mm125r/min23kW80mm列管51m355.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m118m1350mm列管213m3230m

7、31700mm列管350m33100mm6200mm815mm100m34000mm8000mm1040mm7830mm10080mm 12600mm4.2m39.02m346.8m3100m3200m35000mm10000mm1300mm16.4m3197m333近几年，随着味精生产的不断进展，产量快速增加，生产规模不断扩大， 作为发酵生产最关键的设备发酵罐也在不断向大型化的方向进展；在发酵 设备向大型化进展的同时，人们更加重视对设备结构上的改进；通过改进设备， 增强了设备性能，降低造价，节省能源，提高了效益；应用新的现代化技术成 果来提高设计水平，增加技术含量，不断改进发酵罐的结构设计是

8、现在和今后 的进展趋势；3我国独立研发设计的 790m超大型发酵罐 2006 年已胜利投产，该设备由沈阳宏成生物工程技术研发中心设计的，这是至今国内外最大容积的谷氨酸发酵罐2 ；此设备充分考虑了传质；传热、溶氧、功耗、细菌生长和发酵水平诸多因素；该设备投产、运行稳固，掌握性能好，发酵产酸率和转化率都比较高；2设计理念与方案本任务书拟挑选味精发酵生产中最关键的设备，发酵罐作为设计主题，并以年产 2 万吨为规模进行模拟设计，并打算选用历史比较悠久，资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐，作为任务书的主要设计目标依据常识，一个良好的发酵罐应满意以下要求：结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以

9、利于灭菌完全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，以维护生物反应最是温度；有可行的管道比例和外表掌握，适用于灭 菌操作和自动化掌握；发酵罐的设计与选型，除了运算发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等，仍应当绘动身酵罐结构图和发酵设备图；依据以上思路，初步考虑任务书进行过程可以分为三个阶段：第一阶段：查阅资料确定谷氨酸的生产工艺流程并初步考虑发酵罐及相关设备轮廓；其次阶段：任务书进入实行阶段，包括物料衡算、发酵罐选型运算以及绘图等；第三阶段：完善任务书和数

10、据阶段；3 任务书设计主体3.1 谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据3.1.1. 谷氨酸发酵工艺流程示意图谷氨酸发酵采纳淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点- 离子交换法提取的工艺；其工艺流程示意图如图3-1 所示；菌种淀粉空气斜面培育调浆高效前置过滤器空气压缩机摇瓶扩大培育喷射液化除铁冷却种子罐扩大培育淀粉水解糖过滤丝网分别器脱色过滤除菌配料浓缩结晶发酵干燥等电点调剂粉碎沉淀过滤离心粗谷氨酸母液成品尝精粗谷氨酸离子交换处理溶解粗谷氨酸溶液中和制味精图 3-1 谷氨酸精制生产总工艺流程图3.1.2 工艺技术指标及基础数据生产方法采纳淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，

11、等电点 - 离子交换法提取的工艺年生产天数d/a300产品日产量t/d66.67产品质量纯度99%发酵周期h41淀粉糖化转化率%109糖酸转化率%61谷氨酸提取率发酵初糖%Kg/m 315096流加高浓糖%500麸酸谷氨酸含量%95味精对谷氨酸产率%122倒罐率%0.22）主要材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为 80%，含水 14%；3）二级种子培育基 g/L ）水解糖 50，蜜糖 20，磷酸二氢钾 1.0，硫酸镁0.6，玉 M 浆 510，泡敌 0.6，生物素 0.02mg，硫酸锰 2mg/L，硫酸亚铁2mg/L；4）发酵初始培育基 g/L ）水解糖 150，蜜糖 4，硫酸镁 0.6，氯化钾

12、0.8，磷酸 0.2，生物素 2g，泡敌 1.0.接种量 8%；3.1.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算第一运算生产1000Kg 纯度为 100%的味精需要耗用的原材料以及其他物料量；（1） 发酵液量设发酵初糖和溜加高浓度糖最终发酵液总糖浓度为220 Kg/m 3，就发酵液量为：31000V1=6.38m220 61%96%99.8% 122%式中 220 发酵培育基终糖浓度 （3） 二级种子液量V2=8% V 1=0.5104m3（4） 二级种子培育液所需水解糖量m2=50 V2=25.52Kg）式中 50二级种子液含糖量 Kg/m3）（5） 生产 1000Kg 味精需水解糖总量m=m1+m2=

13、1429.12Kg）（6） 耗用淀粉原料量理论上， 100Kg 淀粉转化生成葡萄糖量为 111Kg，故耗用淀粉量为：1429.12m淀粉=1476.49 发酵培育基耗糖蜜量为：4V1=25.52Kg 合计耗用糖蜜 35.728 Kg（9） 氯化钾耗用量m3=0.8V 1=5.14Kg（10） 磷酸二氢钾 （11） 硫酸镁MgSO4 7H2O）耗用量m5= 0.6V1+V2 ）=4.13424 Kg）（12） 消泡剂泡敌）耗用量m6=1.0 V1=6.38Kg）（13） 玉 M 浆耗用量 8g/L ）m7=8 V2=4.038（15） 硫酸锰耗用量m9=0.002V2=1.020g）（16） 硫

14、酸亚铁耗用量m10=0.002V2=1.0208g）（17） 磷酸耗用量m11=0.2 V1=1.276 Kg）（18） 谷氨酸量发酵液谷氨酸含量为：m161%10.2%）=854.48 Kg） 实际生产的谷氨酸 提取率 96%）为854.4896%=820.30 Kg）3.1.4 20000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表由上述生产 1000Kg 谷氨酸 20000 t/a谷氨酸 每日物料量的物料量生产的物料量发酵液量 ./m36.38127.6103425.3546二级种液量 /m30.5104310.20810发酵水解用糖量/Kg1403.6280.72105二级种培育用糖量25.5

15、23510.4 10/Kg水解糖总量 /Kg1429.12285.82410534.02836893.578 1031701.4195.279 103淀粉用量 /Kg1476.49295.29810598.437 103液氨用量 /Kg42084105328.001410糖蜜用量 /Kg35.7287.14561052.3819 103氯化钾用量 /Kg5.1451.028 10342.6磷酸二氢钾用量/Kg0.51041.020810434.028硫酸镁用量 /Kg4.134248.2684104275.630泡敌用量 /Kg6.38127.6 103425.3546玉 M 浆用量/Kg4.

16、03848.07610269.213生物素用量 /g0.022968459.361.5313硫酸锰用量 /g1.0202.04 10468.0034硫酸亚铁用量 /g1.020842.0416 1068.056磷酸用量 /Kg1.2762.55210485.07谷氨酸用量 /Kg820.30106.0610554.689 10表3 333.2 发酵罐的设计与选型321 发酵罐的选型发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐；3 2.2发酵罐的生产才能、容积及个数的确定1发酵罐容积的确定：3选用公称容积为 450m的发酵罐2 生产才能的运算：每天需糖液体积 V 糖为：3V糖=6.3810099%=631

17、.62的发酵液量， m3）如取发酵罐的填充系数a=75%，就每天需要发酵罐总容积 V0 为V糖 631.623V 0 = =842.16 发酵罐个数的确定：33公称容积为 450m的发酵罐，其全容积为 500m；每日需要的发酵罐数 N0 为： V 0842.16N 0= =个V 总 500共需要的发酵罐数 N1 为:V0842.16 41N1=个24V 总24500每天应有 2 个发酵罐出料，共需要 3 个发酵罐；500 75%2300实际产量验算：= 35622.684t 6.3899%35622.684-20000设备富余量为： = 78.11%20000能满意生产要求；3 2.3 主要尺

18、寸的运算发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成；V全V筒2V封3500m 2为了提高空气利用率，罐的高径比取2；H=2D23V全=V 桶+2V封=D /2D+2h+D=500m46椭圆形封头的直边高度忽视不计，以便利运算；233V全V筒2V封0.785D2D24D2500 m 解方程得 D=6.42m）取 6.5圆柱部分容积 V 桶为： V 桶=0.785D22D=43033上下封头体积 V 封为： V 封=D = 34.524全桶封全容积验算： V =V +2V=430+34.5 2=499V全V 全符合设计要求，可行3.2.4 冷却面积的确定依据部 分味 精厂 的实 测和体会 数， 谷

19、氨 酸放得发 酵热 高峰 值约 4.18 6000kJ/m 3h8 ，就冷却面积按传热方程式运算如下：S2式中 S冷却面积， m Q换热量， kJ/ht m平均温度差，QKt m23.2.4-12K总传热系数， kJ/m h3500m3 灌装液量为500 75%=375mQ=3754.18 6000=9405000kJ/ h设发酵液温度 32，冷却水进口温度 20，出口温度 27，就平均温度差t m为：32tm2032ln 3220278 C322728K值取 4.18 500kJ/mShQ，9405000562.5m2 3.2.5 搅拌器设计Ktm4.1850088由于谷氨酸发酵过程中有中间

20、补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器；该搅拌器的各部尺寸与罐径 D有肯定比例关系，现将主要尺寸列后：搅拌器叶径 Di 为：DD6.5i332.16 m取 2.2m；叶宽 B 为：弧长 l 为：B0.2Di0.22.20.44 mil0.375D0.3752.20.825m底距 C为：d取 2.2m；盘径 di 为：CD6.5 2.16 m33ii叶弧长 L 为：0.75D0.752.21.65 mi叶距 Y 为：L0.25D0.252.270.55mY=D=6.5 m以单位体积液体所安排的搅拌轴功率相同这一准就进行的反应器的放大，即:2d13n 2n1d 2式中 n2放大的搅拌器

21、的转速， r/minn1模型搅拌器的转速， n=110r/min d1模型搅拌器直径， d=1.65md2放大的搅拌器直径， d=2.2m将各值代入上式22d311.65n2=n1=1103d22.2=90.8取两档搅拌，搅拌转速90.8r/min ；3.2.6 搅拌轴功率的确定1不通气条件下的轴功率运算：式中 Np功率数,Np=4.8 N搅拌器的转速， n=1.51r/s D搅拌器直径， d=2.2mPN n3d5p流体密度， =1070kg/m将各值代入上式P=NPn3d5）W）=188.288545 通气发酵轴功率运算：P2.2510 3P2nd30.39gQ、.式中 P不通气条件下的轴

22、功率， P=188.288545kW N搅拌器的转速， n=90.8r/mimD搅拌器直径， d=220cmQ工况下的通气量，Q=50075%0.45=168750000gQ .1687500000.3833通常谷氨酸发酵按 1kW/m 发酵醪；对于 500m发酵罐，装液量 375m就应选取功率 172.5KW的立式电机；本罐采纳三角带传动；3.2.7 设备结构的工艺设计1空气分布器：本罐使用单管进风，风管直径运算见3.2.11 ；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：本罐拟采纳双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题；5冷却管布置：使用

23、的是竖直蛇管冷却装置；3.2.8 竖直蛇管冷却装置设计1 求最高热负荷下的耗水量W为：WQ总Cp t 2t1 3式中 Q每 1m 醪液在发酵最旺盛时， 1h 的发热量与醪液总体积的乘积，Q4.18总60003759405000kJ / h8C p冷却水的比热容， Cp=4.18kJ/kg t2冷却水终温， t 2 =27t1冷却水初温， t 1 =20将各值代入上式QCW总9405000321428.57 kg / h89 .29kg / sp21tt 4.1827203冷却水体积流量为 0.0411m /s ，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，依据流体力学方程式，冷却管总截面积总A 总为：

24、AW总3式中 W冷却水体积流量， W=0.1m/s冷却水流速， =1m/s 代入上式AW0.1总10.1m2 dA 总0.10.3569m取 Dg3509；总0.7850.7852冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为 A 总，管径 d0，组数为 n，就A 总n0.785d 20现依据本罐情形，取 n=12，求管径；由上式得dA 总0.10.103m0n 0.785120 .7852查表选取 1084 无缝管， d 内=100mm，d 平均=104mm；现取竖蛇管圈端部 U型弯管曲径为 250mm，就两直管距离为 500mm，两弯管总长度 l 0 为：lD03.145001570mm3冷却管总长

25、度 L 运算：2冷却管总面积 S=562.5m；现取无缝钢管 1084，SLS562.500.3271720. .2 m 冷却管占有体积 V 管为： 7V0.7850.1082.215.7m5 3 管1720取冷却管组 n=12；4每组管长 L0 为：LL172. 0. 143.35m0n12 2另需连接管 4.2m，L实4.21453.354.2139.15 m L3VV0可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底500mm；设发酵罐内附件占有体积为 1.5m ，就总占有体积为：筒体液面为：管附件15.751. 517.25 m 3 V75%总VV管附件S截面V封50075%17.25

26、0.78534.56.5210.79m竖直蛇管总高 H管为：H管取管间距为 0.5m；10.791 .011.79 m又两端弯管总长 l 0 为：l0两端弯管总高 1m；就一圈管长 L 为：3.140.51.57mL2HL02 11.79+1.57226.72 m 5每组管子圈数 n0 为：L143.35n05.36圈0L26.72取 6 圈；L26.72实6124.2 121974.241720.2m现取管间距为：2.5D2.50.1080.27 m8竖蛇管与罐壁的最小距离为 0.15m；最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为：0与搅拌器的距离为：.27 50.150.0541.554m6.52.2

27、1.5542 7460.2 m在答应范畴内；6校核布置后冷却管的实际传热面积：SdL实平均实3.140.1041974.24645.03562.5m2 3.2.9 设备材料的挑选为了降低造价，本设备选用碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子；3.2.10 发酵罐壁厚的运算依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；设计运算须按GB150-1998钢制压力容器进行；1内压圆筒厚度运算：pDi T2C1C 2p式中 圆筒的设计厚度， mm p设计压力， p=0.4MPaD i 圆筒的内直径， Di =6500mm T设计温度下圆筒材料的许

28、应用力， T=124.5MPa焊缝系数， =0.9 C1钢板的厚度负偏差， C1 =0.8mmC 2腐蚀裕量， C2=1mmCC将各值代入上式pDi2Tp120.42124.565000.90.40.8113.42mm选用 14mm厚的碳钢钢板；2椭圆形封头厚度运算：pD iT20.5p式中 圆筒的设计厚度， mm p设计压力， p=0.4MPaD i 圆筒的内直径， Di =6500mm T设计温度下圆筒材料的许应用力， T=124.5MPa焊缝系数， =0.9 将各值代入上式pDi0.465001.1.61 mm 2 T- 0.5p2 124.50.90.50.42选用 12mm厚的碳钢钢

29、板 ；3.2.11 接管设计1接管的长度 h 设计：8各接管的长度 h 依据管径大小和有无保温层，进行挑选；本罐的输料管可挑选不带保温层的，查表 5-2 接管长度可取 h=150mm；2接管直径的确定：接管直径的确定，主要依据流体力学方程式运算；3以排料管为例运算管径；本罐实装375m，设 2h 之内排空，就排料时的物料体积流量 qv 为：q375v360020.052m3/ s取发酵醪流速 =1m/s，就排料管截面积 A 物为：qAv0.052物10.052m2物就排料管直径 d 为：A0.785d 2Ad物0.7850.0520.7850.26 m选取3258 无缝管， d 内=309mm

30、平d均 =260mm ,认为适用；以通风管为例运算管径，通风量Q1 为：Q13750.35131.255m3/ min2.19 m3 / s利用气态方程式运算工作状态下的风量Qf 为：Qf2.190.10.3527330273200.65 m3 / s如取风速 =25m/s，就风管截面积 Af 为：AQf0.65f250.026 m2气fA0.785d 2就气管直径 d 气为：d0.026气0.7850.18m因通风管也是排料管，故取两者的大值；即取3258 无缝管，可满意工艺要求；排料时间复核：物流量 Q为：Q375.360020.052m3 / h物料流速 =1m/s，就管道截面积 A 为

31、：A0.7850.30920.075m3 在相同的流速下，流过物料因管径较原先运算结果大，就相应流速比P 为：排料时间 t 为：PQ0.0521A v0.0750.693倍t20.6931.386h4设计结果与争论公称容积 /罐内径 /mm圆柱高 /mm全容积 /m3罐体体重填充系数冷却面积 /m材料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搅拌器；主要运算结果如表4-2 所示；表 4-2搅拌器叶径/m2.16叶宽/m弧长 /m底距/m盘径 /m叶弧长 /m叶距 /m0.440.8252.161.650.556.5本罐选用功率 172.5KW 的立式电机，采纳三角带

32、传动；详细运算结果如表 4-3 所示；表 4-3搅拌轴功率搅拌转速 r/min/kW90.8不通气条件下的轴功率188.289通气发酵轴功率 /kW117.497本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板；消泡浆方面使用的是圆盘放射式消泡浆；本罐拟采纳双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题；冷却方式是竖直蛇管冷却，详细运算结果如表进水总管直径/mmDg350 9冷却管组数4-4 所示；表 4-4冷却管总长度管径 /mm/m每组管长 /m每组管子圈数12 108 41720.2143.356依据其次章的设计理念和方案，以年产20000 吨味精厂发酵罐为设计对象， 通过发酵罐空罐灭菌蒸汽用量运算，对发酵罐进行设计与选型，并绘制出了发酵罐结构图和发酵设备图；现将经过运算和选型后，本论文所得到的各项详细结果列后：本罐选用机械搅拌通风发酵罐，主要运算结果如表4-1 所示；表 4-13m/t/%345065001000050032.7875562.5碳钢发酵罐内圆桶选用 14mm 厚的碳钢钢板 ,椭圆形封头选用 12mm 厚的碳钢钢板；