1、 生物工程与设备课程设计说明书年产 6 万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计专业班级：生物技术及应用作者学号：201006062060 作者姓名：王友真指导老师：王君高 王兰芝设计日期:2013 年 3 月 4 日至 2013 年 3 月 15 日山 东 轻 工 业 学 院课 程 设 计 任 务 书食品与生物工程 学院 10 级 生物技术及应用 专业 学生 题目：年产 6 万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计一、主要内容：1、物料恒算，计算发酵罐总容积；2、求发酵罐个数，取单罐公称容积 200m3；3、公称容积 200m3 发酵罐设计（罐体尺寸、壁厚、搅拌器类型选择及尺寸设计、搅拌
2、功率计算、搅拌轴直径计算、冷却面积计算与设计）二、基本要求1、 编 写 计 算 设 计 说 明 书 （ 有 前 言 、 设 计 参 数 、 物 料 恒 算 、 发 酵 罐 工 艺 设 计 ， 设 计体 会 ）2、 用 CAD 绘 出 发 酵 罐 结 构 图 。三 、 设 计 参 数1、 糖酸转化率 61% 2、发酵产酸水平 11%3、 发酵周期 32 小时 4、发酵罐充满系数为 0.75、 味精分子式 187.13（C 5H8NO4Na）.H 2O 6、谷氨酸分子式 147.13(C5H9NO4)7、谷氨酸密度取 1.553g/cm3 8、残还原糖 0.8%，干菌体 1.7% 9、谷氨酸提取率
3、 97.5%。 10、谷氨酸生产味精精制率为 125% 11、空罐灭菌压力 0.25MPa 12、年工作日安 330 天计算 四、主要参考资料1郑裕国生物工程设备化学工业出版社 20072高孔荣发酵设备 轻工业出版社 1991.103梁世中生物工程设备轻工业出版社 2002.24化工设备设计全书编辑委员会编搅拌设备设计上海科学技术出版社 19855吴思方发酵工厂工艺设计概论中国轻工业出版社 2007（6）化工工艺设计手册（7）于令信味精工业手册（8）张克旭氨基酸发酵工艺学轻工业出版社完成期限：自 2013 年 3 月 4 日至 2012 年 3 月 15 日指导教师：王君高 王兰芝 教研室主任
4、：一、前言1、课程设计的性质通过本次设计使同学对生物工程与设备的理论知识有更深刻的理解，生物工程与设备课程设计为必修课。同时也为将来走上设计岗位的同学打下良好的基础。2、课程设计目的与任务任务：年产 6 万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计。目的：通过课程设计，使同学对工艺参数确定，物料恒算、发酵罐体积及尺寸确定、罐体机械强度、搅拌功率、搅拌轴及搅拌浆叶强度等计算能力得到锻炼。掌握工程设计基本程序及内容，熟练掌握电脑绘图及绘图质量。二、设计参数1、 糖酸转化率 61% 2、 发酵产酸水平 11%3、 发酵周期 32 小时 4、 发酵罐充满系数为 0.75、 味精分子式 187.13（C5H8
5、NO4Na）.H2O 6、 谷氨酸分子式147.13(C5H9NO4)7、 谷氨酸密度取 1.553g/cm3 8、 残还原糖 0.8%，干菌体1.7% 9、 谷氨酸提取率 97.5% 10、谷氨酸生产味精精制率为125% 11、取 （kw） 12、空罐灭菌压力 0.25MPa01LPV13、年工作日安 330 天计算 三、物料衡算1、 发 酵 罐 总 容 积 计 算发 酵 罐 总 容 积 ， 决 定 于 年 工 作 日 、 每 天 生 产 谷 氨 酸 量 、 发 酵 产 酸 水 平 、谷 氨 酸 发 酵 周 期 、 谷 氨 酸 提 取 率 、 谷 氨 酸 精 制 味 精 得 率 等 。（ 1
6、） 年 谷 氨 酸 的 产 量 =年 味 精 产 量 125%=60000/1.25=48000T（ 2） 每 天 的 谷 氨 酸 产 量 =年 谷 氨 酸 的 产 量 330=48000/330=145.45T（ 3） 发 酵 液 密 度 33 3/105/05.1 5.928.70.68.286mKgTTm（ 4） 每 天 生 产 发 酵 液 体 积谷 氨 酸 提 取 率发 酵 产 酸 水 平每 天 生 产 谷 氨 酸 量V=145.45/1.050(11%97.5%)=1291.59m3 （ 5） 发 酵 罐 的 总 容 积 = 每 天 生 产 发 酵 液 体 积 发 酵 周 期 （ 小
7、 时 ） 总V/24=（ 1291.5932） /24=1722.12m32、 求 发 酵 罐 个 数 ， 取 单 罐 公 称 容 积 200m3查 表 6-2（ 发 酵 工 厂 工 艺 设 计 概 论 P102） 得 公 称 容 积 是 200 的3m发 酵 罐 全 容 积 为 230 。 取 充 满 系 数 为 0.7.(1)单 罐 的 有 效 容 积 计 算=单 罐 公 称 容 积 罐 的 利 用 率 =2000.7=140m3有 效V(2)发 酵 罐 个 数 n 计 算n= / =1722.12/140=12.3总 有 效故 取 13 个 发 酵 罐 。四、发酵罐工艺设计1、发酵罐直径
8、及罐体高度计算根据发酵罐的公称容积，确定发酵罐的尺寸。已知发酵罐直径 D，筒体部分高 ，发酵罐总高 H。0常见的发酵罐的几何尺寸比例如下：H/D=1.73.5 Di/D=1/21/3B/D=1/81/12 C/Di=0.81.0S/Di=25 H0/D=2取 H/D=2.0，采用标准椭圆形封头。已知罐公称容积 为 200m3 0V通常，对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。所谓“公称体积” ， 是指罐的通身（圆柱）体积和底封头体积之和。其中底封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。标准椭圆形封头体积为：-(1)DhDhVbab 614642221 式中： 椭圆封头的直边高度
9、，椭圆短半轴长度，标准椭圆 。ahha41故发酵罐全体积为：-(2)DhHDVb6124020近似计算式为：（m3） -(3)32015.4发酵罐公称体积： 其中 642DHV22331()04624.9()0.785.16VDHm取发酵罐直径 D=5 m 故发酵罐高 =2D=10 m 0H取封头直角边 ，一般取值范围为 5055mm，此处取封头直边为 5mm. bh发酵 罐 公 称 容 积 = (H+ + )0V24Dbh61= 55(10+0.05+ 5)=213.62 m3发 酵 罐 总 高 度 = +2( + )=10+2(0.05+54)=12.60mH0ba封 头 体 积 ：223
10、1().785(.)7.()466DVh发酵罐全容积 V= + =213.62+17.34=230.96 m30V1与 查 表 得 公 称 体 积 一 致 。2、发酵罐壁厚计算 CpD2式 中 ： 耐 受 压 强 ， Kg/cm2， 表 压 ；罐 径 ， cm；焊缝系数，双面焊缝 =0.8，无焊缝 =1.0；腐 蚀 裕 度 ， 当 -C 1cm 时 ， C=3mm；C许用应力（kg/cm 2） ，C= + 对不锈钢当介质的腐蚀性极微时，2取 =0，查表 14-7（生物工程设备 ）取 =0.6mm。2 1使用不锈钢 0Cr19Ni9，其中钢板许用应力 =130MPa取不锈钢板厚 7mm。3、搅拌
11、器类型选择与设计搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌叶轮大多采用涡轮式，最常用的是六直叶圆盘涡轮搅拌器、六弯叶圆盘涡轮搅拌器、六箭叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘作用是避免底部通入的空气从罐中心上升走短路。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌体系。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上。搅拌叶轮直径与罐径之比 Di/D=1/21/3。搅拌叶轮类型的选择主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。1、 单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算式 中 Po-不通风时搅拌器输入的功率（W）n-涡轮转数（r/s）D-搅拌
12、器直径（m） -醪液密度（kg/m 3）Np-功率准数m62.025.8102553iPoDnN若Po单位为kW，n单位为r/min。则：已 知 六 弯 叶 涡 叶 搅 拌 器 叶 轮 直 径 Di， 盘 径 di,叶 弦 长 L， 叶 宽 B，Di： di： L： B=20:15:5:4 搅 拌 器 叶 轮 直 径 Di= D)213(由 Di/D=1/21/3，此时取 Di/D=2/5， 即 ： Di=2/5 D=2 m。由标准圆盘涡轮搅拌器尺寸 Di：d：L：B=20:15:5:4 得：圆盘涡轮直径 d= Di 15/20=215/20=1.5m, 桨叶长 L= Di 5/20=25/2
13、0 =0.5 m， 桨叶宽 B= Di 4/20=24/20=0.4 m，采用标准六弯叶圆盘涡轮搅拌器。2、多只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算若是多档搅拌器，两档间距S，非牛顿流体S取2D，牛顿流体S取2.5-3D；静液面至上档间距取0.5-2D, 下档搅拌器至罐底距离C取0.5-1D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍：取 （kw/m 3） 两档搅拌 P0=280kw01LPV所以280=24.634.7 1050 ，所以n =57.63 r/min 。3n52913 、 通风时搅拌功率（ ）计算gP(kW) -（a）39.08.23.0QDog式中： 、 通风与不
14、通风时的搅拌功率，单位 kW。.on搅拌转速（r/min）D搅拌器直径（m）Q通风量（m 3/min）设通风比 vm=0.22 则 Q=280 0.22 10 =61.6 10 ml/min=61.6 /min 代入式663ma 得通风时搅拌轴功率 =249.43kW280kw.gP故通风时搅拌功率要比不通风时搅拌功率低，由于气泡存在使搅拌的液体密度下降。 95316.42iPDnN953106.4nNPPo4、 搅 拌 轴 直 径 计 算搅拌轴直径决定于搅拌轴的材料、转速、搅拌功率等。轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算，以便保证搅拌轴能安全平稳的运转。（ 1） 轴 的 强
15、 度 计 算对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。轴 扭 转 的 强 度 条件 是 ：pQWTmaxk式 中 ： 截面上最大剪应力（kgf/cm 2）；ax轴所传递的扭矩（kgf/cm）；QT抗扭截面系数（cm 3）；p降低后的扭转许用剪应力（kgf/cm 3）；k轴扭转时材料的许用剪应力值是根据扭转实验所得的屈服极限 或强度极限 ，sb再除以安全系数来决定的。轴直径为d，则 d3nNA其中 316
16、720k采用45号钢，按表1取 =360，k=36720kA2305.1672cm = ，取 d=140mm.d3nN.6.574.13（2）轴的刚度计算= = N.m, QTnP950723196.5740432DJP= 81POJG 0.18.45根据搅拌设备设计计算,取 B=10, cmnNBd48.1263.5744小于强度计算值，故轴径依强度计算为准。5、冷却面积计算及设计（1）冷却面积按每立方米发酵液 1m2冷却面积计算，即：dL40取规格为 653 的管子做冷却管所以，L= m13.790.65.14大型发酵罐一般对称取 8 组冷却管，美组冷却管累积长度取 7，每一排上下有2 个
17、冷却管。故冷却管子根数 N=719.13/(862)=7.49,取 8 根。冷却管体积： ，取 V=3 m3322 56.7065.7.04ldV五、设计体会通过此次课程设计，我对生物工程设备课上有关通风发酵设备的理论内容有了更好的掌握；通过一次次的摸索掌握了如何去设计出满足要求的发酵罐，懂得了如何去选择搅拌器、搅拌轴、联轴节、轴承，根据什么去选；并且在选材上也有了一定的基础；原来没有接触过 AutoCAD 的内容，通过这次操作使我熟悉了 AutoCAD 的操作，能较好的运用 AutoCAD 来绘制图形，为我即将结束的大学生活又添了多彩的一笔。更熟悉了 Word 的某些操作和功能；提高了自己的计算机技能，锻炼了动手能力，提升了专业知识的掌握水平。通过此次实际动手来做课程设计，使我加深了对一个道理的理解“学无止境”我相信这些道理将会对我未来的人生产生极大的影响，再次对各位老师深表感谢。六、教材及主要参考资料1化工工艺设计手册2于令信味精工业手册3张克旭氨基酸发酵工艺学轻工业出版社4化工设备设计全书编辑委员会编搅拌设备设计上海科学技术出版社1985（5）梁世中生物工程设备轻工业出版社 2002.2（6）高孔荣发酵设备 轻工业出版社 1991.10（7）华南工学院等编发酵工程与设备轻工业出版社 1981
