江西科技师范学院生物工程专业《化工原理课程设计》说明书题目名称80m3产葡萄糖酸发酵罐的设计专业班级09生物工程1班学号******** ******** ********学生姓名王俊马志双刘敏指导教师常军博士2011 年 10 月 31 日目录一、设计方案的确定 (1)1.1葡萄糖酸的发酵菌种 (1)1.2 发酵生产工艺及流程 (1)1.3 发酵罐的总体结构设计 (2)1.4人孔和视镜的设计 (2)1.5管道接口设计 (2)二、计算 (3)2.1 罐体几何尺寸的计算 (3)2.2 罐体壁厚的计算 (3)2.2.1发酵罐圆筒壁厚的计算 (3)2.2.2 封头壁厚计算 (3)2.3 搅拌器的计算 (4)2.3.1搅拌器轴功率的计算 (4)2.3.2不通气条件下的轴功率P0计算 (4)2.3.3通气搅拌功率P g的计算 (4)2.4 发酵热的计算 (5)2.5 冷却水耗量的计算 (5)2.6冷却面积的计算 (6)三、设备选型 (6)3.1 搅拌器的选择 (6)3.2仪表接口的选择 (6)3.3 挡板的选择 (7)3.4支座的选择 (7)3.5 冷却装置的选择 (7)3.6 电机及变速装置选择 (7)3.7 轴封的选择 (7)四、附录及图纸 (8)附录1 (8)附录2 (9)附录3 (9)五、总结 (10)六、参考文献及资料 (11)一、设计方案的确定葡萄糖酸常用作蛋白凝固剂、食品防腐剂和食品酸度调节剂，主要以发酵法生产。
本论文设计80m3的发酵罐用于发酵生产葡萄糖酸，针对葡萄糖酸发酵生产过程中最主要的设备发酵罐进行了模拟设计和选型。
本论文进行工艺计算、主要设备工作部件（如罐体、罐体壁厚、封头壁厚计算、搅拌器、仪表接口、人孔和视镜、管道接口等）尺寸的设计。
1.1葡萄糖酸的发酵菌种目前学者在生产葡萄糖酸的菌种方面做了不少研究。
其可以通过黑曲霉、醋酸菌、青霉菌（尤其是产黄青霉）、几种假单胞菌以及其他几种菌等发酵生产葡萄糖酸，由于黑曲霉发酵生产产量较高, 且发酵过程容易控制, 是目前国内外葡萄糖酸的主要生产方法，目前在工业生产上用得最多的是黑曲霉。
目前用于发酵葡萄糖酸的黑曲霉有多种，而本设计是采用黑曲霉(Aspergillus niger 2109)对葡萄糖发酵生产葡萄糖酸[1]。
1.2葡萄糖酸发酵工艺流程1.3 发酵罐的总体结构本实验选用机械搅拌通风发酵罐。
机械搅拌通风发酵罐主要由搅拌容器，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，构成完整的机械搅拌通风发酵罐。
1.4人孔和视镜的设计人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。
设备的直径大于900mm ，应开设人孔。
人孔的形状有圆形和椭圆形两种。
圆形人孔制造方便。
应用较为广泛。
人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，一便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。
本次设计只设置了1个人孔，标准号为： 人孔RF Ⅱ（R·G ）450-0.6 HG21522-1995，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Ⅱ PN1.0 DN80。
1.5管道接口的设计以进料口为例计算，设发酵液流速为v=1m/s ，2h 排尽。
发酵罐装量高度一般为圆柱部分高度的0.7倍，故发酵罐装料液体积：V 1=563m 物料体积流量：Q=V 1/2h=56/(3600×2)=0.008m³/s 则排料管截面积： 又2F 0.785d =，得d=0.0102m ，取无缝钢管，查阅无缝管规格表得：d=108mm 属于常用型号，且此型号最为接近102mm ，故取无缝管1087.5mm φ⨯，认为合适。
其他管道也是如此计算。
其他管道接口 （采用法兰接口） 进料口：1087.5mm φ⨯，开在封头上， 排料口：1087.5mm φ⨯，开在罐底； 进气口：1087.5mm φ⨯，开在封头上； 排气口：1087.5mm φ⨯，开在封头上； 冷却水进、出口：1087.5mm φ⨯，开在罐身； 补料口：1087.5mm φ⨯，开在封头上； 取样口：1087.5mm φ⨯，开在封头上。
2F Q /v 0.008/10.008m ===二、计算2.1发酵罐容积的计算：初步选用公称容积为80m 3的发酵罐。
公称体积V —罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。
全体积V 0—公称体积和上封头体积之和。
V 1为椭圆形封头的容积。
（近似公式）[2]求得：罐体直径D=3.6m ，取0H D 2=，罐体总高度H 0=7.2m 。
则有：D i =1/3D=1.2m S=3D i =3×1.2=3.6m C= D i =1.2m h a =0.25D=0.25×3.6=0.9m不同设备的厚度不同，b h 可取mm 30、mm 40、mm 50。
根据我们的发酵设备。
取h b =50 mm 。
h=h a +h b =0.9+0.05=0.95m 。
全容积V 0=(π/4)D 2H 0+2V 1，可求的V 0≈87.0m 3。
2.2 罐体壁厚的计算 2.2.1发酵罐圆筒壁厚的计算设计壁厚δ设＝计算壁厚+壁厚附加量C 。
式中：壁厚附加量C 是腐蚀裕度（取3mm ）。
计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下： 计算壁厚：δ=PD i / 2[σ]Φ-P 式中：δ—计算壁厚，mP —计算压力，Pa ，（耐受压强取0.5MPa ） D i —内径，m[σ]—设计温下的许用应力；许用应力标准为：[σ]＝137MPa(150℃) Φ—焊封系数（与焊接方法及无损探伤有关），取0.8圆筒壁厚： = ＝8.23mm 设δ＝8.23＋3＝11.23mm 2.2.2 封头壁厚计算计算发酵设备椭圆封头壁厚的一些参数如下：计算壁厚：=PD i Y/ 2[σ]Φ P —计算压力，Pa D i —内径，m[σ]—设计温下的许用应力6636105.0101378.02106.3105.0⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯δδ()21a V /4D (h 1/6D)=π+230V /4D H 0.15D =π+（）()201V /4D H V =π+Φ—焊封系数（与焊接方法及无损探伤有关），取0.8Y —开孔系数，对发酵罐取2.3椭圆封头壁厚：= =18.89mm ＝18.89＋3=21.89mm 2.3 搅拌器的计算搅拌器叶径 D i =D/3=3.6/3=1.2m叶宽 B=0.1D=0.1×3.6=0.36m 弧长 A=0.375×D i =0.375×1.2=0.45m 底距 C= D i =1.2m盘径 d i =0.75×D i =0.75×1.2=0.8m 叶弧长 h a =0.25D i =0.25×1.2=0.3m 叶距 S=D=3.6m 弯叶板距 α=12mm取两档搅拌，搅拌转速N ：135r/min ，醪液密度ρ：1080kg/m 3，黏度μ：2.0×10-3N·S/m 3。
表1 80m³发酵罐的几何尺寸项目及代号 参数及结果备注 单位 公称体积 80 设计条件 m³ 全体积 87 计算 m³ 罐体直径 3600 计算 mm 发酵罐总高 9100 计算 mm 发酵罐筒体高度 7200 计算 mm 搅拌叶直径 1200 计算 mm 椭圆封头短半轴长 900 计算 mm 椭圆封头直边高度 50 计算 mm 底搅拌叶至封头高度 950 计算 mm 搅拌叶间距3420计算mm2.3.1 搅拌器轴功率的计算 计算雷诺数Re=D i 2Nρ/μ 式中 D i —搅拌器直径，D i =1.2m N —搅拌器转速，N=135 r/min ρ—醪液密度，ρ=1080kg/m 3 μ—醪液黏度，μ=2.0×10-3N·S/m 3636101378.023.2106.3105.0⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯δ设δ代入数据：Re=[1.22×(135/60)×1080]/ 2.0×10-3=1.75×106得到Re ＞104，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数N p =4.7。
2.3.2 计算不通气时的搅拌轴功率P 0P 0=N p N 3D i 5ρ式中N p —功率准数，是搅拌雷诺数Re 的函数；为一常数 N p ≈4.7 N —搅拌器转速，N=135 r/min ρ—醪液密度，ρ=1080kg/m 3 D i —搅拌器叶径，D i =1.2m代入数据得：P 01=4.7×(135/60)3×1.25×1080=143.9kW 两挡搅拌P 0= P 01=287.8kW 2.3.3计算通气时的轴功率P gP g =2.25×10-3×(P 0NDi 3/Q 0.08)0.39式中P 0—不通风时的轴功率，P 0=287.8kWQ —通风量(mL/min)，取通风量为3.1×106 mL/min Q 0.08=3.306代入数据得：P g =214kW 2.4发酵热的计算通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示： Q 发酵=Q 生物+Q 搅拌-Q 蒸发-Q 显-Q 辐射 换热面积 发酵热效应Q 热= Q p ⨯V 液式中：Q 热—发酵热效应，kJ/hQ p —发酵热，29700 kJ/m 3•h （葡萄糖酸） V 液—发酵液体积，m 3 则h /KJ 106631.5629700Q 6⨯=⨯=热 2.5 冷却水量计算冬季：气温<17℃时，采用循环水进口水温18℃，出口水温26℃； 夏季：气温<17℃时，采用冰水进口水温10℃，出口水温26℃。
单位时间传热量＝发酵热×装料量即：h /KJ 106631.V Q Q 6p ⨯=⨯=液式中：Q —单位时间传热量C p —冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg · ℃)p 21Q 1663200W 49665.552(kg /h)C (t t ) 4.186(2618)===-⨯-m t K V Q F ∆=发酵t 2-t 1—冷却水进出口温度差 对数平均温度差，由工艺条件知道t F =33℃，式中：t 1—冷却水进口温度 t 2—冷却水出口温度 t F —发酵温度 2.6 冷却面积式中：△t m －对数平均温度差K －传热总系数，取1.9⨯310 kJ/(m 2 ·h·℃) 冷却面积：A=πdL冷却蛇管总长度：每圈蛇管长度L 9.42m ===D p —蛇管圈直径，3mh p —蛇管圈之间的距离，取0.15m每组蛇管圈数 ，则总圈数为2×6=12圈。