味精工厂发酵车间的物料衡算.docx

味精工厂发酵车间的物料衡算.docx

《味精工厂发酵车间的物料衡算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《味精工厂发酵车间的物料衡算.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

味精工厂发酵车间的物料衡算

2 发酵罐及种子罐的设计与选型

2.1 味精工厂发酵车间的物料衡算

2.1.1 工艺技术指标及基础数据 

（1）查《发酵工厂工艺设计概论》P326表3味精行业国家企业标准［5］，选用主要指标如表1

表1味精发酵工艺技术指标

指标名称单位指标数

生产规模t/a15000（味精）

生产方法中糖发酵，一次等电点提取

年生产天数d/a300

产品日产量t/a50

产品质量纯度%99

倒灌率%1.0

发酵周期h48

发酵初糖Kg/m3150

淀粉糖转化率%95

糖酸转化率%48

麸酸谷氨酸含量%90

谷氨酸提取率%80

味精对谷氨酸产率%112

（2）主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。

（3）二级种子培养基（g/L）水解糖25，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氢二钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆5~10，泡敌0.6，硫酸镁0.002，硫酸亚铁0.002。

（4）发酵培养基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸氢二钠0.2，硫酸亚铁0.002，硫酸锰0.002，尿素（总尿）40，泡敌0.6，植物油1.0。

（5）接种量为2%。

2.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算

首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。

（1）发酵液量V1 

式中 150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）

      48%——糖酸转化率

     80%——谷氨酸提取率

     99%——除去倒灌率1%后的发酵成功率

     112%——味精对谷氨酸的精制产率

（2）发酵液配制需水解糖量G1 

以纯糖算，    

（3）二级种液量V2

（4）二级种子培养液所需水解糖量G2

式中 25——二级种液含糖量（kg/m3）

（5）生产1000kg味精需水解糖总量G为：

（6）耗用淀粉原料量 

  理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量G淀粉为：

式中 80%——淀粉原料含纯淀粉量

     95%——淀粉糖转化率

（7）尿素耗用量 

二级种液耗尿素量为V3

发酵培养基耗尿素为V4

故共耗尿素量为627.5kg

（8）甘蔗糖蜜耗用量 

二级种液耗用糖蜜量V5

发酵培养基耗糖蜜量V6

合计耗糖蜜69.9kg

（9）氯化钾耗量GKCl 

（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4•7H2O）耗量G3 

（11）硫酸镁（MgSO4•7H2O）用量G4 

（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5 

（13）植物油耗用量G6

（14）谷氨酸（麸酸）量 

发酵液谷氨酸含量为：

实际生产的谷氨酸（提取率80%）为：

2.1.3 15000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果 

由上述生产1000kg味精（100%纯度）的物料衡算结果，可求得15000t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算。

具体计算结果如表2

物料名称生产1t味精（100%）的物料量15000t/a味精生产的物料量每日物料量

发酵液（m3）15.662.35×105783

二级种液（m3）0.313469515.65

发酵水解用糖（kg）23493.52×1071.17×105

二级种培养用糖（kg）7.831.18×105391.5

水解糖总量（kg）2356.83.53×1071.18×105

淀粉（kg）2793.74.19×1071.40×105

尿素（或液氨）627.59.41×1063.14×104

糖蜜（kg）69.91.05×1063495

氯化钾（kg）12.531.88×105626.5

磷酸氢二钠（kg）3.134.70×104156.5

硫酸镁（kg）9.581.44×105479

泡敌（kg）9.41.40×105470

植物油（kg）23.53.53×1051175

谷氨酸（kg）8931.34×10744650

表215000t/a味精厂发酵车间的物料衡算

2.2 设备设计与选型

2.2.1 发酵罐 

（1）发酵罐的选型 

选用机械涡轮搅拌通风发酵罐

（2）生产能力、数量和容积的确定 

①发酵罐容积的确定：

选用200m3罐 

②生产能力的计算：

现每天生产99%纯度的味精50t，谷氨酸的发酵周期为48h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。

则每天需糖液体积为V糖。

每天产纯度为99%的味精50t，每吨100%的味精需糖液15.66m3

设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。

③发酵罐个数的确定：

公称体积为200m3的发酵罐，总体积为230m3 

取公称体积200m3发酵罐11个，其中一个留作备用。

实际产量验算：

富裕量

能满足产量要求

（3）主要尺寸的计算：

取高径比H：

D=2：

1[6]

则有：

H=2D；

解方程得：

取D=5m

H=2D=10m；

封头高：

封头容积：

V封=16.4（m3）

圆柱部分容积：

V筒=197m3

验算全容积V全：

V全=V’全

符合设计要求，可行。

（4）冷却面积的计算

对谷氨酸发酵，每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/（m3•h）[5]。

采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500kJ/（m3•h•℃）[8]。

平均温差Δtm：

32℃     32℃

20℃     27℃

12      5

代入

对公称容量200m3的发酵罐，每天装5罐，每罐实际装液量为

换热面积

（5）搅拌器计算选用六弯叶涡轮搅拌器[6]。

  该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系

搅拌器叶径

取d=1.7（m）

叶宽：

弧长：

底距：

盘踞：

叶弦长：

叶距：

弯叶板厚：

δ=12（mm）

取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。

以等P0/V为基准[6]放大求得：

（6）搅拌轴功率的计算 

  淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。

①计算Rem[8] 

式中 D——搅拌器直径，D=1.7m

      N——搅拌器转速，

      ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3

      μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N•s/m2

 将数代入上式：

视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7

②计算不通气时的搅拌轴功率P0：

式中 Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7

     N——搅拌转速，N=80r/min=1.33r/s

     D——搅拌器直径，D=1.7m

     ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3 代入上式：

两挡搅拌：

③计算通风时的轴功率Pg 

式中  P0——不通风时搅拌轴功率（kW），

N——轴转速，N=80r/min

      D——搅拌器直径（cm），D3=1.73×106=4.9×106

      Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。

现取0.11；

则Q=155×0.11×106=1.7×107（ml/min）

代入上式：

④求电机功率P电：

采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%[7]；代入公式数值得：

（7）设备结构的工艺计算 

①空气分布器：

本罐采用单管进风，风管直径φ133×4mm。

②挡板：

本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板 

③密封方式：

本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。

④冷却管布置：

采用竖式蛇管[7] 

Ⅰ最高负荷下的耗水量W

式中 Q总——每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积

     cp——冷却水的比热容，4.18kJ/（kg•K）

     t2——冷却水终温，t2=27℃

     t1——冷却水初温，t1=20℃

 将各值代入上式

冷却水体积流量为3.69×10-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S总为：

式中W——冷却水体积流量，W=3.69×10-2m3/s

     V——冷却水流速，v=1m/s

代入上式：

进水总管直径：

Ⅱ冷却管组数和管径：

设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则：

取n=8，求管径。

由上式得：

查金属材料表选取φ89×4mm无缝管[9]，  ，，认为可满足要求，。

现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，两端弯管总长度为：

Ⅲ冷却管总长度L计算：

由前知冷却管总面积

现取无缝钢管φ89×4mm，每米长冷却面积为

则:

冷却管占有体积：

Ⅳ每组管长L0和管组高度：

另需连接管8m：

可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。

设发酵罐内附件占有体积为0.5m3，则：

总占有体积为

则筒体部分液深为：

竖式蛇管总高

又两端弯管总长，两端弯管总高为600mm，

则直管部分高度：

则一圈管长：

Ⅴ每组管子圈数n0：

现取管间距为，竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。

Ⅵ.校核布置后冷却管的实际传热面积：

而前有F=232.5m2，，可满足要求。

（8）设备材料的选择[10]

选用A3钢制作，以降低设备费用。

（9）发酵罐壁厚的计算

①计算法确定发酵罐的壁厚S

 （cm）

式中  P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa

      D——发酵罐内经，D=500cm

     〔σ〕——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPa

      φ——焊接缝隙， φ=0.7

      C——壁厚附加量（cm）

式中  C1——钢板负偏差，现取C1=0.8mm

      C2——为腐蚀余量，现取C2=2mm

      C3——加工减薄量，现取C3=0

选用14mm厚A3钢板制作。

②封头壁厚计算：

标准椭圆封头的厚度计算公式[5]如下：

 （cm）

式中 P=0.4MPa

     D=500cm

〔σ〕=127MPa

C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）

φ=0.7

（10）接管设计

①接管的长度h设计：

各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm。

②接管直径的确定：

按排料管计算：

该罐实装醪量155m3，设4h之内排空，则物料体积流量

发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。

管径：

取无缝管φ133×4mm，125.mm〉118mm，认为合适。

按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20~25m/s。

现通风比0.1~0.18vvm，为常温下20℃，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30℃状态。

风量Q1取大值，。

利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]

取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为

则气管直径d气为：

因通风管也是排料管，故取两者的大值。

取φ133×4mm无缝管，可满足工艺要求。

排料时间复核：

物料流量Q=0.0108m3/s，流速v=1m/s；

管道截面积：

，

在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为

排料时间：

（11）支座选择选用裙式支座

2.2.2 种子罐

发酵所需的种子从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。

种子罐冷却方式采用夹套冷却。

（1）二级种子罐容积和数量的确定

①二级种子罐容积的确定：

接种量为2%计算，则种子罐容积V种2为：

式中 V总——发酵罐总容积（m3）

②二级种子罐个数的确定：

种子罐与发酵罐对应上料。

发酵罐平均每天上5罐，需二级种子罐6个。

种子罐培养8h，辅助操作时间8~10h，生产周期16~18h，因此，二级种子罐6个已足够，其中一个备用。

③主要尺寸的确定种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。

H：

D=2：

1，则种子罐总容积量V'总为：

简化方程如下：

整理后

解方程得

D=1.4m

则

H=2D=2×1.4=2.8（m）

查得封头高H'封

罐体总高H'罐：

单个封头容量：

V'封=0.398（m3）

封头表面积：

S封=2.23m2

圆筒容量：

不计上封头容积：

 校核种子罐总容积V'总：

比需要的种子罐容积4.6m3大，可满足设计要求。

④冷却面积的计算采用夹套冷却

Ⅰ发酵产生的总热量：

Ⅱ夹套传热系数：

现取K=4.18×220kJ/（m2•h•℃）

Ⅲ平均温差：

发酵温度32℃；水初温20~23℃，取23℃；水终温27℃，则

平均温差：

Ⅳ需冷却面积F：

Ⅴ核算夹套冷却面积：

按静止液深确定夹套高度：

 静止液体浸没筒体高度：

 液深：

 夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和：

夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。

综上，传热需要的面积F=12.1（m2）

该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=13.6m2

S夹〉F，可满足工艺要求。

⑤设备材料的选择采用A3钢制作

⑥壁厚计算

Ⅰ夹套内罐的壁厚

式中 D——设备的公称直径，140cm

     m——外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3

     P——设计压力，与水压有关，P=0.4MPa

     E——金属材料的弹性模量[9]，对A3钢E=2×105MPa

     C——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18

     L——筒体长度，L=110cm

将数值代入公式：

取9mm

Ⅱ封头的厚度δ封：

查《发酵工厂工艺设计概论》P317表16碳钢椭圆封头最大需用内部压力

i 对于上封头，取δ封=6mm

ii对于下封头，取δ封=8mm

Ⅲ冷却外套壁厚：

查《发酵工厂工艺设计概论》P314表13碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，确定δ套=5mm

Ⅳ外套封头壁厚：

查《发酵工厂工艺设计概论》P316表15椭圆形封头（JBH54—73），确定δ套封=6mm

⑦设备结构的工艺设计

Ⅰ挡板：

根据全挡板条件，

式中　B——挡板宽度B＝（0.1-0.12）D=0.1×1400=140mm

     D——罐径　D＝1400mm

     Z——挡板数：

取Z＝6块

Ⅱ搅拌器：

采用六弯叶涡轮搅拌器

直径：

Di＝0.3~0.35D

现取：

叶片宽度：

弧长：

盘径：

叶弦长：

搅拌器间距：

底距：

搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大[6]，50L罐N1＝470r/min，

搅拌器直径Di=112mm

两挡搅拌。

Ⅲ搅拌轴功率的计算 

 淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。

i计算Rem[8]

式中 D——搅拌器直径，D=0.49m

     N——搅拌器转速，

     ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3

     μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N•s/m2

将数代入上式：

视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7

ii计算不通气时的搅拌轴功率P0：

式中 Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7

     N——搅拌转速，N=176r/min=2.93r/s

     D——搅拌器直径，D=0.49m

     ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3 代入上式：

两挡搅拌

iii计算通风时的轴功率Pg

式中 P0——不通风时搅拌轴功率（kW），

     N——轴转速，N=176r/min

     D——搅拌器直径（cm），D3=0.493×106=1.12×105

     Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。

现取0.11；

则

Q=3.1×0.11×106=3.41×105（ml/min）

代入上式：

iv求电机功率P电：

采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：

Ⅳ进风管：

该管距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。

通风管管径计算：

设罐压0.4MPa，发酵温度t=32℃，风速v=20m/s，通风量为0.18VVm，

常压下t0=20℃，送风量V为：

将通风换算成工作状态，求通风管直径d1

圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管（YB231-70），管径采用25×3mm,内径25-2×3=19mm大于12mm，可满足生产要求。

Ⅵ进出物料管：

该管为物料进口，管底距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。

按输送物料算：

20min送完3.1m3物料

则物料流量为

管道截面为F，物料流速为v=0.5~1m/s，现取v=0.5m/s，则：

设管径为：

圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管（YB231-70），管径采用108×4mm,内径108-2×4=100mm大于80mm，可满足生产要求。

Ⅶ冷却水管：

由前知需冷却热量，冷却水温变化

23℃   27℃，

水比热容

则耗水量W为：

取水流速v=4m/s；则冷却管直径为

⑧支座选型选用支撑式支座

（2）一级种子罐

①一级种子罐的选型

选用机械搅拌通风发酵罐

②一级种子罐容积和数量的确定

种子罐容积的确定：

接种量按2%计算，则种子罐容积V种1为

故选用公称体积为100L的发酵罐，发酵罐的主要尺寸为：

罐内径400mm，圆柱高800mm，封头高125mm，罐体总高1050mm，封头容积11.5L，圆柱部分容积100L，不计上封头的容积112L，全容积123L，搅拌桨直径135mm。

冷却选用夹套冷却[10]。

一级种子罐个数的确定：

一级种子罐与二级种子罐对应上料。

二级种子罐平均每天上5罐，需一级种子罐6个。

种子罐培养8h，辅助操作时间8~10h，生产周期16~18h，因此，一级种子罐6个已足够，其中一个备用。

2.2.3 空气分过滤器

（1）二级种子罐分过滤器：

二级分过滤器风量的计算：

查《生物工程设备》P389表3-1-9JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-025型空气过滤器，过滤能力0.25m3/min，外型尺寸φ75×520mm,重量5kg，进出口管径φ20×20，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。

过滤能力0.25m3/min大于0.144m3/min，能满足生产要求。

数量与二级种子罐数量一致，共6只。

（2）一级种子罐分过滤器：

一级分过滤器风量的计算：

查《生物工程设备》P389表3-1-9JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-001型空气过滤器，过滤能力0.01m3/min，外型尺寸φ22×150mm,重量0.2kg，进出口管径φ6×1，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。

过滤能力0.01m3/min大于0.0043m3/min，能满足生产要求。

数量与一级种子罐数量一致，共6只。

（3）发酵罐分过滤器

①分过滤器滤层直径计算：

式中V——通过发酵罐分过滤器的空气流量（0.4MPa下）

    Vs——通过分过滤器的气速，现取0.2m/s

则  

②分过滤器直径：

。

现取：

查金属材料表，选无缝钢管，或用钢板卷制。

圆整倒推荐值：

D过滤器=1200mm

③分过滤器的壁厚：

设计压力P=0.5MPa

取S=6mm。

④进出气管：

进出气管直径可取与设备通风管一致，即φ133×4无缝管

⑤数量：

分过滤器与发酵罐相配合，每罐一个，共需11台。

⑥滤层厚度：

同种子罐，分过滤器5~6层超细玻璃纤维滤纸，经树脂处理过使用。

⑦分过滤器高度：

2.2.4 味精厂发酵车间设备一览表

味精发酵车间设备见表3

表315000t/a味精厂发酵车间设备一览表

位号设备名称台数规格与型号材料备注

F301-311发酵罐11φ5000×10000mmA3钢专业设备

F321-326二级种子罐6φ1400×2800mmA3钢专业设备

F331-336一级种子罐6φ400×800mmA3钢专业设备

R301-311发酵罐分过滤器11φ1200×1800mmA3钢专业设备

R321-326种子罐分过滤器6φ75×520mmA3钢专业设备

R331-336种子罐分过滤器6φ22×150mmA3钢专业设备