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發酵罐的規格尺寸及冷卻面積的計算方法

作者:發酵罐 時間:2017-12-26 10:14
冷卻面積的計算:為了保證發酵罐在最旺盛、微生物消耗基質最多以及環境氣溫最高時也能冷下來,必須按發酵生成熱量高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下,冷卻水可能達到最高溫度的惡劣條件下,設計冷卻面積。 信息摘要:
發酵罐 工藝設計及主要尺寸計算 小型 發酵 罐工藝設計及計算: (1) 生産能力、數量和容積的确定 ①發酵罐容積 V=25m ②生産能力計算:現每天産99%純度的味精2t ,谷氨酸發酵周期為48h(包括發酵罐清洗、滅菌、進出物料等輔助操作

發酵罐的規格尺寸及冷卻面積的計算方法

發酵罐熱工設計計算

 

一、計算依據

計采用A3剛作發酵罐材料,用8号槽鋼做冷卻夾套,分三段冷卻,筒體二段,椎部一段,夾套工作壓力為2.5kg/cm2冷媒為20%(V/V)酒精溶液,T=-4℃,T為-2℃,麥汁發酵溫度維持12℃(主要發酵5-6天,封頭及筒體部分保溫層厚度為200mm,椎底部分為98mm)

二、總發酵熱計算

 

 

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

 

 

q為每立方米發酵麥汁在主發酵期間每小時的放熱量;

 

 

v為發酵麥汁量

1、冷卻夾套型号選擇

 

 

選取8号槽鋼起截流面積為A=hb-截面積=8*4.3-10.24=24.16cm2

 

 

冷卻劑流量為(三段冷卻)

 

 

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·℃

冷卻劑的冷卻能力為:

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

故可選取8号鋼槽為冷卻夾套。

2、發酵罐冷卻面積的計算

 

 

考慮生産過程中,随着技術的改進,工藝曲線可能更改,按目前我國工藝曲線看,日降溫量較大的為13℃到5℃,為了将來工藝更改留下餘量,設計取13-5=8℃為設計的日降溫量,取0.6℃/hr為設計的小時降溫量,則由Q=KAΔtm求得冷卻面積。

2.1傳熱系數K的确定

2.1.1醪液α1的計算

α1=0.64*C*=0.64*185*=185.3kcal/m2·h·℃

 

 

2.1.2冷卻夾套的α2的計算

濕潤周邊=80+(80+4*8.0)+2*(43-1)

de=(4*流體流動截面面積)/濕潤周邊

=204mm=20.4cm

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

20%(V/V)酒精在定性溫度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

故可視為強制湍流流動得n=0.4

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

因為計算時冷卻盤管為直管的,先修正:

α=α(1+1.77d/R)

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

=1410.3kcal/hr·m·℃

 

 

 

 

 

  1.  

    筒體部分傳熱系數K

 

 

 

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

 

 

代入數據可得:

 

 

1/K=7.325*10-3

 

 

所以:K=136.5kcal/m2·℃

 

 

注:h為假設夾套高度(m)

3、錐形罐筒體需冷卻的熱量

1)醪液放熱 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)外界與罐體的傳熱量

a. 封頭部分Q1= KF(t外平+t0附-t

帶入數據得KF=0L.2

Q1= KF(t外平+t0附-t

=2.02×(10%+1)×(32+8.5-5)

78.72kcal / hr

b. 筒體部分:

帶入數據:

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、筒體冷卻面積A初定

Q=KAΔtm

A=40716.8/136.5×11.3=26.4m2

則醪液的冷卻負荷為:

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

故冷卻面積能夠滿足要求。

5、發酵罐冷卻面積的确定

 

 

 

 

 

  1.  

    筒體部分

 

由前面叙述可知,筒體部分相同的冷卻段,選用8#槽鋼筒體冷卻段面積為26.4m2,則槽鋼長=26.4/0.08=330

取相鄰兩槽鋼間距為40mm

一圈槽鋼長:

l0=[(3.14×3.62)2+0.122]1/2= 11.367m

330m長的槽鋼可繞圈數330/11.367 ≈30圈

則二段各繞15圈

冷卻段高度為:

15×(80+40)-40=1760mm

筒體時機冷卻面積為:

30×11.367×0.08=1.439m2/T

 

 

 

 

 

  1.  

    錐底部分

 

錐體部分醪液量為4.91×1.0484=5.32

錐體部分冷卻面積為

5.32×0.439=2.33m2

則槽鋼長為2.33/0.08=29.1m

繞制高度為1000mm

 

發酵罐的規格尺寸及冷卻面積的計算方法

發酵罐工藝設計及主要尺寸計算

小型發酵罐工藝設計及計算:

(1) 生産能力、數量和容積的确定

①發酵罐容積 V=25m³

②生産能力計算:現每天産99%純度的味精2t ,谷氨酸發酵周期為48h(包括發酵罐清洗、滅菌、進出物料等輔助操作時間),則每天需糖化液體積為V 。每天産純度為99%的味精2t,每噸100%的味精需糖液15.66m³。

V =15.66×2×99%=31m³

設發酵罐填充系數φ=70%,則每天需要發酵罐的總容積為V (發酵周期為48h)

V = V /φ=31/0.7=44.3m³

③發酵罐個數的确定:計算發酵罐容積時有幾個名稱需明确。

a、 裝液高度系數,指圓筒部分高度系數,封底則與冷卻管、輔助設備體積相抵消。

b、公稱容積,指罐的圓柱部分和底封頭容積之和,并圓整為整數。

c、罐的全容積,指罐的圓柱部分和兩封頭容積之和。

本次設計所需發酵罐個數為:N= =3.5個

取圓整得:N=4個

實際産量驗算: =677.42t/a

富裕量: =12.9% 能滿足産量要求。

(2) 主要尺寸計算

發酵罐全體積為V =25m³

橢圓形封頭體積:V = 式中: -橢圓封頭的直邊高度,m =0.05m

-橢圓封頭短半軸長度, = 而,V = ≈ =25

将H/D=2代入上式得:D=2.4m,H=2D=4.8m

V = ≈2m³

6

公稱體積V = V -V =25-2=23m³

驗算全容積 V :

V =V +2 V = = ≈25.7

(3) 冷卻面積的計算:為了保證發酵罐在最旺盛、微生物消耗基質最多以及環境氣溫最高時也能冷下來,必須按發酵生成熱量高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下,冷卻水可能達到最高溫度的惡劣條件下,設計冷卻面積。

計算冷卻面積使用牛頓傳熱定律公式,即:F= 發酵過程的熱量計算有許多方法,但在工程計算時更可靠的方法仍然是實際測得的每1m³發酵液在每1h傳給冷卻器的最大熱量。對谷氨酸發酵:高峰期發酵熱,3×10 KJ/h.m³

采用豎式蛇管換熱器,取經驗值 K=4.18×500KJ/(m³.h.℃)

平均溫差△t :△t = 32℃→32℃

20℃→26℃

12 6

代入 △t = =8.656℃

對總容量為25m³的發酵罐,每罐實際裝液量為V =31/2=15.5m³

Q =Q×15.5=3×10 KJ/h.m³×15.5m³

=4.65×10 KJ

換熱面積:F= = =25.7㎡

 

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