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发酵罐的规格尺寸及冷却面积的计算方法

作者:发酵罐 时间:2017-12-26 10:14
冷却面积的计算:为了保证发酵罐在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷下来,必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下,冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下,设计冷却面积。 信息摘要:
发酵罐 工艺设计及主要尺寸计算 小型 发酵 罐工艺设计及计算: (1) 生产能力、数量和容积的确定 ①发酵罐容积 V=25m ②生产能力计算:现每天产99%纯度的味精2t ,谷氨酸发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作

发酵罐的规格尺寸及冷却面积的计算方法

发酵罐热工设计计算

 

一、计算依据

计采用A3刚作发酵罐材料,用8号槽钢做冷却夹套,分三段冷却,筒体二段,椎部一段,夹套工作压力为2.5kg/cm2冷媒为20%(V/V)酒精溶液,T=-4℃,T为-2℃,麦汁发酵温度维持12℃(主要发酵5-6天,封头及筒体部分保温层厚度为200mm,椎底部分为98mm)

二、总发酵热计算

 

 

Q=q*v=119*70=8330kg/hr

 

 

q为每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时的放热量;

 

 

v为发酵麦汁量

1、冷却夹套型号选择

 

 

选取8号槽钢起截流面积为A=hb-截面积=8*4.3-10.24=24.16cm2

 

 

冷却剂流量为(三段冷却)

 

 

3*24.16*10-4*1=7.284*10-3m3/s

 

 

查得20%(V/V)酒精溶液Δt平=-3℃下的ρ=976kg/m3

 

 

Cρ=1.04kcal/kg·℃

冷却剂的冷却能力为:

Q=7.248*103*976*1.041*2*3400=49131.3kcal/hr

故可选取8号钢槽为冷却夹套。

2、发酵罐冷却面积的计算

 

 

考虑生产过程中,随着技术的改进,工艺曲线可能更改,按目前我国工艺曲线看,日降温量较大的为13℃到5℃,为了将来工艺更改留下余量,设计取13-5=8℃为设计的日降温量,取0.6℃/hr为设计的小时降温量,则由Q=KAΔtm求得冷却面积。

2.1传热系数K的确定

2.1.1醪液α1的计算

α1=0.64*C*=0.64*185*=185.3kcal/m2·h·℃

 

 

2.1.2冷却夹套的α2的计算

湿润周边=80+(80+4*8.0)+2*(43-1)

de=(4*流体流动截面面积)/湿润周边

=204mm=20.4cm

de=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m

20%(V/V)酒精在定性温度t=(-4-2)/2=-3℃下

μ=5.05CP=5.05*103Pa·s

λ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃

Cp=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg℃

ρ=976kg/m2

μ=1m/s

Re=duρ/μ=9160=104

故可视为强制湍流流动得n=0.4

α2=0.023λ/d(Re)0.8(Cpμ/λ)0.4=1348.4kcal/hr·m·℃

因为计算时冷却盘管为直管的,先修正:

α=α(1+1.77d/R)

=1348.4*(1+12)*0.0474/1.829

=1410.3kcal/hr·m·℃

 

 

 

 

 

  1.  

    筒体部分传热系数K

 

 

 

1/KA2=1/α1A1+Rs1/A1+b/λA2+1/α2A3+Rs2/A3

 

 

代入数据可得:

 

 

1/K=7.325*10-3

 

 

所以:K=136.5kcal/m2·℃

 

 

注:h为假设夹套高度(m)

3、锥形罐筒体需冷却的热量

1)醪液放热 Q=Q1 + Q2

Q1= 62110×0.055×146.6 = 4552.7kcal / hr

Q2= 62110×0.9519×0.6 = 35473kcal / hr

所以,Q =Q1+Q2= 40026kcal / hr

2)外界与罐体的传热量

a. 封头部分Q1= KF(t外平+t0附-t

带入数据得KF=0L.2

Q1= KF(t外平+t0附-t

=2.02×(10%+1)×(32+8.5-5)

78.72kcal / hr

b. 筒体部分:

带入数据:

1/KF=1/αA1+ δ11A222A232A4+1/αA5

得: KF = 15.67kcal/K·°C

Q2=KF(t外平+t0附-t

=1.1×15.6(32+8.5-5)

= 6119kcal/hr

4、筒体冷却面积A初定

Q=KAΔtm

A=40716.8/136.5×11.3=26.4m2

则醪液的冷却负荷为:

26.4/62110=0.425m2/T>0.3m3/T

故冷却面积能够满足要求。

5、发酵罐冷却面积的确定

 

 

 

 

 

  1.  

    筒体部分

 

由前面叙述可知,筒体部分相同的冷却段,选用8#槽钢筒体冷却段面积为26.4m2,则槽钢长=26.4/0.08=330

取相邻两槽钢间距为40mm

一圈槽钢长:

l0=[(3.14×3.62)2+0.122]1/2= 11.367m

330m长的槽钢可绕圈数330/11.367 ≈30圈

则二段各绕15圈

冷却段高度为:

15×(80+40)-40=1760mm

筒体时机冷却面积为:

30×11.367×0.08=1.439m2/T

 

 

 

 

 

  1.  

    锥底部分

 

锥体部分醪液量为4.91×1.0484=5.32

锥体部分冷却面积为

5.32×0.439=2.33m2

则槽钢长为2.33/0.08=29.1m

绕制高度为1000mm

 

发酵罐的规格尺寸及冷却面积的计算方法

发酵罐工艺设计及主要尺寸计算

小型发酵罐工艺设计及计算:

(1) 生产能力、数量和容积的确定

①发酵罐容积 V=25m³

②生产能力计算:现每天产99%纯度的味精2t ,谷氨酸发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间),则每天需糖化液体积为V 。每天产纯度为99%的味精2t,每吨100%的味精需糖液15.66m³。

V =15.66×2×99%=31m³

设发酵罐填充系数φ=70%,则每天需要发酵罐的总容积为V (发酵周期为48h)

V = V /φ=31/0.7=44.3m³

③发酵罐个数的确定:计算发酵罐容积时有几个名称需明确。

a、 装液高度系数,指圆筒部分高度系数,封底则与冷却管、辅助设备体积相抵消。

b、公称容积,指罐的圆柱部分和底封头容积之和,并圆整为整数。

c、罐的全容积,指罐的圆柱部分和两封头容积之和。

本次设计所需发酵罐个数为:N= =3.5个

取圆整得:N=4个

实际产量验算: =677.42t/a

富裕量: =12.9% 能满足产量要求。

(2) 主要尺寸计算

发酵罐全体积为V =25m³

椭圆形封头体积:V = 式中: -椭圆封头的直边高度,m =0.05m

-椭圆封头短半轴长度, = 而,V = ≈ =25

将H/D=2代入上式得:D=2.4m,H=2D=4.8m

V = ≈2m³

6

公称体积V = V -V =25-2=23m³

验算全容积 V :

V =V +2 V = = ≈25.7

(3) 冷却面积的计算:为了保证发酵罐在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷下来,必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下,冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下,设计冷却面积。

计算冷却面积使用牛顿传热定律公式,即:F= 发酵过程的热量计算有许多方法,但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际测得的每1m³发酵液在每1h传给冷却器的最大热量。对谷氨酸发酵:高峰期发酵热,3×10 KJ/h.m³

采用竖式蛇管换热器,取经验值 K=4.18×500KJ/(m³.h.℃)

平均温差△t :△t = 32℃→32℃

20℃→26℃

12 6

代入 △t = =8.656℃

对总容量为25m³的发酵罐,每罐实际装液量为V =31/2=15.5m³

Q =Q×15.5=3×10 KJ/h.m³×15.5m³

=4.65×10 KJ

换热面积:F= = =25.7㎡

 

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