2015化工学院毕业设计(优秀)--年产30000吨味精厂发酵罐的设计与选型解读_1.pdf
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1、 北京理工大学 毕业设计 年产 30000 吨味精厂 发酵罐的设计与选型 学 院:化工与材料学院 专 业:姓 名:指导老师:生物工程 学 号:职 称:教授 中国 二一五年五月 北京理工大学毕业设计 诚信承诺书 本人郑重承诺:我所呈交的毕业设计年产 30000 吨味精厂发酵罐的设计与选型是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。承诺人签名:日期:年 月 日 北京理工大学本科生毕业论文 2 年产 30000 吨味精厂发酵罐的设计与选型 摘 要 味精是烹饪中常用的一种鲜味调味品,主要以发酵法生产。本论文以年产3000
2、0 吨为规模,针对味精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。本论文设计分发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算和发酵罐的设计与选型两个部分,包括发酵罐型的选择和发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等计算,并绘制了发酵罐结构图和发酵设备图。关键词:味精 发酵罐 设计 选型 北京理工大学本科生毕业论文 2 DESIGN AND CHOICE OF 30000t MONOSODIUM GLUTAMATE FERMENTOR ABSTRACT Monosodium glutamate,a flavor cooking spices,is generally produced by fe
3、rmentation.The fermentor,major fermentation production equipment of 30,000 tons of monosodium glutamate was one year,was designed and picked out in this paper.The paper calculated the amount of used steam to sterilize the empty fermentor,size of the fermentor,materiels balance,as well as the other j
4、oined equipments.In addition,The fermentation equipment plans were also given in the paper.Key words:Fermentor Monosodium glutamate Design Choice 北京理工大学本科生毕业论文 2 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 前言.1 2 论文设计理念与方案.3 3 论文设计主体.4 3.1 发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算.4 3.1.1 发酵罐体加热用蒸汽量.4 3.1.2 填充发酵罐空间所需蒸汽量.4 3.1.3 灭菌过程的热损失.5 3.1.4 罐
5、壁附着洗涤水升温所需蒸汽量.5 3.2 发酵罐的设计与选型.5 3.2.1 发酵罐的选型.5 3.2.2 生产能力、数量和容积的确定.5 3.2.3 主要尺寸的计算.6 3.2.4 冷却面积的确定.7 3.2.5 搅拌器设计.8 3.2.6 搅拌轴功率的确定.9 3.2.7 设备结构的工艺设计.10 3.2.8 竖直蛇管冷却装置设计.10 3.2.9 设备材料的选择.14 3.2.10 发酵罐壁厚的计算.14 北京理工大学本科生毕业论文 2 3.2.11 接管设计.15 4 设计结果与讨论.17 参考文献.21 谢 辞.22 北京理工大学本科生毕业论文 2 不计上封头的容积 全容积 搅拌桨直径
6、 搅拌转数 电动机功率 搅拌轴直径 冷却方式 58.3L 64.6L 112mm 470r/min 0.4kW 25mm 夹套 112L 123L 135mm 400r/min 0.4kW 25mm 夹套 218L 239L 168mm 360r/min 0.6kW 25mm 夹套 595L 649L 245mm 265r/min 1.1kW 35mm 夹套 1.25m3 1.36m3 315mm 220r/min 1.5kW 35mm 夹套 5.79m3 6.27m3 525mm 160r/min 5.5kW 50mm 夹套 9.98m3 10.8m3 630mm 145r/min 13kW
7、 65mm 夹套 20.86m3 22.6m3 770mm 125r/min 23kW 80mm 列管 51m3 55.2m3 1050mm 110r/min 55kW 110mm 列管 109m3 118m3 1350mm 列管 213m3 230m3 1700mm 列管 近几年,随着味精生产的不断发展,产量迅速增加,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发展。在发酵设备向大型化发展的同时,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,节约能源,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、现在和今后的发展趋势。我国独立研发设计的 790m3超大型发酵罐 2006 年已成功投产,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、运行稳定,控制性能好,发酵产酸率和转化率都比较高。北京理工大学本科生毕业论文 2 2 论文设计理念与方案 本论文拟选择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 30000吨为规模进行模拟设计,并决定选用历史比较悠久,资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐,作为论文的主要设计目标 根据常识,一个良好的发酵罐应满足下列要求:结构严密,经得起
9、蒸汽的反复灭菌,内壁光滑,耐腐性好,以利于灭菌彻底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,以维持生物反应最是温度;有可行的管道比例和仪表控制,适用于灭菌操作和自动化控制。本论文设计原理是基于强化传质、传热等操作,将生物体活性控制在最佳状态,降低总的操作费用。另外,发酵罐内部状态也是不可忽视的影响因素。初步确定主要技术指标如表1-2所示。表1-2 主要技术指标 指标名称 单位 指标数 生产规模 t/a 30000(味精)生产方法 采用淀粉原料,双酶法糖化,中初糖发酵流加高糖,等
10、电点-离子交换法提取的工艺 年生产天数 d/a 300 产品日产量 t/d 100 产品质量 纯度99%设想设计分发酵罐应该包括空罐灭菌蒸汽用量计算和发酵罐的设计与选型两个部分,发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算有助于发酵罐的改进,达到节约能源、降低生产成本的目的。其次还应该选择发酵罐罐。决定发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等计算,此外,还应该绘出发酵罐结构图和发酵设备图。根据以上思路,初步考虑论文进行过程可以分为四个阶段:第一阶段:查阅资料、构思、初步考虑发酵罐及相关设备轮廓。第二阶段:论文进行实施阶段,包括计算、绘图等。第三阶段:论文写作、完善数据阶段。第四阶段:递交初稿,根据导师
11、要求修改、定稿,准备答辩。北京理工大学本科生毕业论文 2 3 论文设计主体 3.1 发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算 3.1.1 发酵罐体加热用蒸汽量 发酵罐公称容积 200m3,材料为碳钢,发酵罐罐体重 32.78t,比热容 0.5kJ/(kg),使用 0.4MPa 蒸汽(表压)灭菌,发酵罐罐压保持在 0.15MPa(表压)下,由 20升至 127,维持 1h2。其蒸气用量为:)kg(43.7924.5355.2748)20127(5.01078.32D3(3.1.1-1)式中 2748.5 0.4MPa(表压)蒸汽热焓,kJ/kg2 535.40.15MPa,127时蒸汽凝结水热焓,kJ/kg2
12、 每日用蒸汽量为:)kg(72.3169443.792(3.1.1-2)平均用蒸汽量为:)h/kg(07.1322472.3169(3.1.1-3)3.1.2 填充发酵罐空间所需蒸汽量 公称容积 200m3发酵罐的全容积为 230m3,其蒸气用量为:)kg(.73199.31230VD(3.1.2-1)式中 加热蒸汽的密度,=1.39kg/m32 发酵罐灭菌(0.15MPa,表压)1h。每日用蒸汽量为:)kg(.812784.7319(3.1.2-2)平均用蒸汽量为:)h/kg(28.53248.1278(3.1.2-3)北京理工大学本科生毕业论文 2 3.1.3 灭菌过程的热损失 辐射与对流
13、联合给热系数,罐外壁温度 602。)Chm/(kJ 5.41)2060(19.09.332 (3.1.3-1)200m3发酵罐的表面积为 157.1m22,消耗蒸汽量为:)h/kg(84.1174.5355.2748)2060(5.411.157D(3.1.3-2)3.1.4 罐壁附着洗涤水升温所需蒸汽量)kg(75.314.5355.274818.4)20127(1000001.01.157(3.1.4-1)式中 0.001附壁水平均厚度,m2 3.2 发酵罐的设计与选型 3.2.1 发酵罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐。3.2.2 生产能力、数量和容积的确定 (1)发酵罐容积的确定:选用公
14、称容积为 200m3的发酵罐。(2)生产能力的计算:每天需糖液体积 V糖为:)m(5.4648%991005.56V3糖(3.2.2-1)式中 6.55生产 1t 味精(100%)的发酵液量,m38 若取发酵罐的填充系数=75%,则每天需要发酵罐总容积 V0为:)m(6.864%7545.648VV30糖(3.2.2-2)(3)发酵罐个数的确定:公称容积为 200m3的发酵罐,其全容积为 230m3。北京理工大学本科生毕业论文 2 每日需要的发酵罐数 N0为:)(42306.864VVN00个总(3.2.2-3)共需要的发酵罐数 N1为:)(723024406.864V24VN01个总(3.2
15、.2-4)每天应有 4 个发酵罐出料,共需要 7 个发酵罐。实际产量验算:)t(28.31922%9955.63004%75230(3.2.2-5)设备富余量为:%4.6300003000028.31922(3.2.2-6)能满足生产要求。3.2.3 主要尺寸的计算 发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。)m(230V2VV3封筒全(3.2.3-1)为了提高空气利用率,罐的高径比取 22。D2H (3.2.3-2)m(230D6h2D2D4V2VV32封筒全(3.2.3-3)椭圆形封头的直边高度忽略不计,以方便计算。)m(2302D24D2D785.0V2VV332封筒全(3.2.3-4
16、)解方程得 北京理工大学本科生毕业论文 2)m(004.583.1230D3(3.2.3-5)取 5m。)m(10D2H(3.2.3-6)圆柱部份容积 V筒为:)m(25.196105785.0D2D785.0V322筒(3.2.3-7)上、下封头体积 V封为:)m(25.16524D24V333封(3.2.3-8)全容积验算:)m(75.22825.16225.196V2VV3封筒全(3.2.3-9)全全VV(3.2.3-10)符合设计要求,可行。3.2.4 冷却面积的确定 根 据 部 分 味 精 厂 的 实 测 和 经 验 数,谷 氨 酸 放 得 发 酵 热 高 峰 值 约 4.18 60
17、00kJ/(m3h)8,则冷却面积按传热方程式计算如下:mtKQS(3.2.4-1)2 式中 S冷却面积,m2 Q换热量,kJ/h tm平均温度差,K总传热系数,kJ/(m2h)230m3灌装液量为:)m(5.172%752303(3.2.4-2)北京理工大学本科生毕业论文 2)h/kJ(43263005.172600018.4Q(3.2.4-3)设发酵液温度 32,冷却水进口温度 20,出口温度 27,则平均温度差 tm为:)C(827322032ln)2732()2032(tm(3.2.4-4)K 值取 4.18500kJ/(m2h)8,)m(75.258850018.44326300tK
18、QS2m(3.2.4-5)3.2.5 搅拌器设计 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。该搅拌器的各部尺寸与罐径 D 有一定比例关系,现将主要尺寸列后8:搅拌器叶径 Di为:)m(67.1353DDi(3.2.5-1)取 1.7m。叶宽 B 为:)m(34.07.12.0D2.0Bi(3.2.5-2)弧长 l 为:)m(64.07.1375.0D375.0li(3.2.5-3)底距 C 为:)m(67.1353DC(3.2.5-4)取 1.7m。盘径 di为:)m(275.17.175.0D75.0dii(3.2.5-5)北京理工大学本科生毕业论文 2
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