通用式发酵罐的设计与计算
一、通用式发酵罐的尺寸及容积计算
1. 发酵罐的尺寸比例
不同容积大小的发酵罐,几何尺寸比例在设计时已经规范化,具体设计时可根据发酵种类、厂房等条件做适当调整。通用式发酵罐的主要几何尺寸如下图。 (1)高径比:H0︰D=(1.7~4)︰1。 (2)搅拌器直径:Di=
1
D。 3
(3)相邻两组搅拌器的间距:S=3Di。
(4)下搅拌器与罐底距离:C=(0.8~1.0)Di。 (5)挡板宽度:W=0.1 Di,
挡板与罐壁的距离:B=((6)封头高度:h=ha+hb,
式中,对于标准椭圆形封头,ha=
11
~)W。 85
1
D。 4
当封头公称直径≤2 m时,hb=25 mm;当封头的公称直径>2 m时,hb=40 mm。 (7)液柱高度:HL=H0η+ha+hb,
式中,η为装料系数,一般情况下,装料高度取罐圆柱部分高度的0.7倍,极少泡沫的物料可达0.9倍,对于易产生泡沫的物料可取0.6倍。
2. 发酵罐容积的计算 圆柱部分容积V1:
V1=
π
4
D2H0
式中符号所代表含义见上图所示,下同。 椭圆形封头的容积V2:
V2=
π
4
D2hb+
π
6
D2ha=
π
4
D2(hb+
1D) 6
公称容积是指罐圆柱部分和底封头容积之和,其值为整数,一般不计入上封头的容积。其计算公式如下:
V公=V1+V2=
罐的全容积V0:
π
4
2D(H0+hb+
1
D) 6
V0=V1+2V2=
π
4
D2[H0+2(hb+
1
D)] 6
如果填料高度为圆柱高度的η倍,那么液柱高度为:
HL=H0η+ha+hb
装料容积V:
V=V1η+V2=
装料系数η:
π
4
D2(H0η+hb+
1D) 6
η=
二、通用式发酵罐的设计与计算
VV0
1. 设计内容和步骤
通用式发酵罐的设计已逐渐标准化,其设计内容及构件见表6-6。
表6-6 发酵罐设计内容及构件
设计内容 设备本体的设计 附件的设计与选取
构件的选取与计算
筒体、封头、罐体压力、容积等
接管尺寸、法兰、开孔及开孔补强、人孔、传热部件、挡板、中间轴承等
传动装置、搅拌轴、联轴器、轴承、密封装置、搅拌器、搅拌轴的临界转速等
设备重量载荷、设备地震弯矩、偏心载荷、塔体强度及稳定性、裙座的强度、裙座与筒体对接焊缝验算等
搅拌装置的设计
设备强度及稳定性检验
2. 发酵罐的结构及容积的计算
【例1】某厂间歇式发酵生产,每天需用发酵罐3个,发酵罐的发酵周期为80h,问需配备多少个发酵罐?
根据公式
N =
3⨯80
+1=11(个) 24
根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵液的量,再根据这一数据确定发酵罐的容积。
【例2】一年产5万吨柠檬酸的发酵厂,发酵产酸水平平均为14%,提取总收率90%,年生产日期为300天,发酵周期为96小时。问需要多少个发酵罐?
每日的产量:m0=50000/300=166.7(吨)
每日所需发酵液的量:VL=166.7/(0.14×0.9)=1322.8(m3) 假定发酵罐的装液系数为85%,则每日所需发酵罐容积:
V总=1322.8/0.85=1556(m3)
取发酵罐的公称容积为250 m3,则每日需要6个发酵罐,发酵周期为4天,考虑放罐洗罐等辅助时间,整个周期为5天。
则所需发酵罐的总数:n=5×6+1=31个(其中一个备用)
【例3】公称容积250m3柠檬酸发酵罐单罐的结构尺寸及容积计算。 (1)公称容积可近似为圆柱体的容积,设H0=2.5D,则
V=(π/4) D2 H0 ⇒ 250=0.785D2×2.5 D
罐直径:D=[250/(0.785×2.5)]1/3=5.0(m) 罐圆柱高:H0 =2.5 D=2.5×5=12.5(m) (2)搅拌器直径
采用六弯叶涡轮搅拌器,搅拌器直径为
Di=D/3=5/3=1.7(m)
(3)罐体总高及上下封头高
由于罐直径D>2 m,hb=40 mm,则
封头高:h=ha+hb=D/4+hb=5/4+0.04=1.3(m) 罐总高:H=H0+2h=12.5+2×1.29=15.1(m) (4)椭圆封头容积
V2=
π
4
D2hb+
π
6
D2ha=
π
4
D2(hb+
1
D)=0.785×52 (0.04+5/6)=17.1(m3) 6
(5)圆柱部分容积
V1=(π/4) D2 H0=0.785×52×12.5=245(m3)
(6)罐的全容积
V0 =V1+2V2=245+2×17.1=279.2(m3)
(7)冷却面积
发酵罐采用内部列管式蛇管换热,外部表面采用喷淋冷却方式。
--
按经验值,夏天主发酵时每小时发酵液升温⊿t=12℃,液体比热容c为4 kJ·kg1·℃1,装填系数η为0.7。
发酵液量:V=(245+17.1)×0.7=257(m3)
-
放出热量:Q=mc⊿t=257 × 1050 × 4 ×12=1.3×107(kJ·h1)
-
式中,发酵液密度ρ为1050 kg·m3。 采用井水或河水冷却,进水温度为20℃,出水温度为30℃,醪液温度不超过36℃。对数平均温差⊿tm为
传热系数参考工厂测定值及设计数据,k选用4.187×900 kJ·m·h·℃1。故传热面积F
为
2m)
若用外淋罐壁方式辅助冷却,效果相当50%的列管冷却面积,现圆筒外表面面积F0
为:
F0=πDH0=3.14×5×12.5=196.3(m2)
相当于列管面积为:196.3×50%=98.2(m2)
所以,发酵罐内列管冷却面积为:338.2-98.2=240(m2)
设安排6组列管冷却,则每排列管冷却面积为:240÷6=40(m2) 根据上述数据,可绘制发酵罐的结构尺寸图。