设备计算与选型

1设计依据
发酵罐（大罐）体积：53m3
装料系数：0.75
发酵补料：接后体积48%
蒸发损失：接后体积20%
种子罐损失：小罐（一级种子罐）消后体积12%
中罐（二级种子罐）消后体积8% 种子罐装料系数：0.6%
接种量（以消后体积为准）：中罐9%
大罐15%
通气比（VVm）：大罐 1:0.8
中罐 1:1.5
小罐 1:1.5
发酵温度：32℃
冷却水温度：进水 18℃
出水 23℃
2 发酵阶段物料衡算
发酵罐体积：53m3
V
放= V
×η
=53×0.75=39.75m3
发酵部分物料恒算图：
V
V
放+V
蒸发损失
=V
配料
+V
冷凝水
+V
接种量
+V
补料
=V
消后+V
接种量
+V
补料
=V
接后+V
补料
由物料衡算：
V
接后+V
补
=V
蒸发
+V
放
∴ V
放= V
接后
+V
补
-V
蒸发
= V
接后+48%V
接后
-20%V
接后
=1.28 V
接后
=39.75 m3
∴ V
接后
=31.05m3
又∵V
接后=V
消后
+V
接种
= V
消后
+15% V
消后
=1.15 V
消后
=31.05m3
∴V
消后
=27.0m3
V
接种=15% V
消后
=4.05m3
V
补=48% V
接后
=14.90m3
V
蒸发=20% V
接后
=6.21m3
V
冷=1.05GC（t
2
-t
1
）／ r
＝1.05×39.75×（125-25）／523.5×1000 ＝0.797×10-2m3
∴V
配料=V
消前
= V
消后
-V
冷
= 27.0-0.797×10-2=26.996m3
V
进= V
配料
+V
补
+V
接种
+V
冷
=27.0+14.90+4.05=46.0 m3
V
出= V
蒸发
+V
放
=6.21+39.75=46.0m3
∵V
进
= V
出
∴假设正确二级种子罐
V
放= V
接种
=4.05m3
V 0= V
接种
／η
=4.05／0.6=6.75m3圆整为7m3
由物料衡算：
V
消后+V
接种
= V
放
+V
损失
V
消后+9% V
消后
=4.05+8% V
消后
1.01V
消后
=4.05 m3
∴ V
消后
=4.010m3
V
接种=9% V
消后
=0.361m3
V
损失=8% V
消后
=0.321m3
V
冷=1.05GC（t
2
-t
1
）／r
=1.05×4.05×（125-25）／523.5×1000 =0.812×10-3m3
∴V
配料=V
消前
= V
消后
-V
冷
= 4.010-0.812×10-3=4.009m3
V
进= V
配料
+ V
接种
+V
冷
=4.010+0.360=4.37 m3
V
出= V
损失
+V
放
=0.32+4.05=4.37m3
∵V
进= V
出
∴假设正确一级种子罐
V
放= V
接种
=0.361m3
V 0= V
接种
／η
=0.361／0.6=0.602m3圆整为1m3 由物料衡算：
V
消后+V
接种
= V
放
+V
损失
（V
接种
可忽略）
V
消后
=0.361+12% V
消后
0.88V
消后
=0.361
∴ V
消后
=0.41m3
V
损失=12% V
消后
=0.0492m3
V
冷=1.05GC（t
2
-t
1
）／r
=1.05×0.361×（125-25）／523.5×1000 =7.2×10-5m3
∴V
配料=V
消前
= V
消后
-V
冷
=0.41-7.2×10-5=0.4099m3
V
进= V
配料
+ V
冷
= V
消后
=0.41m3
V
出= V
损失
+V
放
=0.0492+0.361=0.41m3
∵V
进
= V
出
∴假设正确
3 发酵阶段主要设备计算与选型3.1 发酵罐
3.1.1 几何尺寸
V
大罐=53 m3设H
／D=3 V
1
=45 m3
V
1=π/4 D2H
=45
∴ D=2.67m
取D=3 m
H
=3×D=9 m
又∵H
a =D/4=0.75 m H
b
=0.05 m
∴V
2=π/4 D2（H
b
+D/6）
=π/4×32×（0.05+1/6×3）=3.89 m3
V= V
1+ 2V
2
= 45+2×3.89=52.78 m3
基本符合要求，所以假设合理。

罐体总高：H= H
0+2（H
a
+ H
b
）=9+2×（0.75+0.05）=10.6 m
液柱高：H
L = H
η+ H
a
+ H
b
=9×0.75+0.75+0.05=7.55 m
3.1.2 搅拌器功率
3.1.2.1 不通气时
搅拌器直径：D
i
=D/3 =1/3×3=1m
挡板宽度：B=0.1D=0.3 m
搅拌叶间距：S=2×D
i
=2×1=2m
搅拌叶与罐底距离：C= D
i
= 1 m
C +3S =1+3×2=7m ＜ H
L
=7.55 m
C +4S =1+4×2=9m ＞ H
L
=7.55 m
∴取4层搅拌器
令流体为牛顿型流体，符合全挡板条件：
ρ=1050㎏/ m3 n=140r/min μ=0.1 N·S/㎡
则：R
em = D
i
2ρn／μ
=12×140／60×1050／0.1 =2.45×104＞104属湍流
设搅拌器采用六箭叶涡轮搅拌器，查《发酵设备》，N
p
=3.7
轴功率：P
0 = N
p
D
i
5ρn3
=3.7×15×（140/60）3×1050=49.35 KW
f
校正=1/3[（D/ D
i
）（H
L
/D
i
）]1/2
=1/3[3×7.55/1）]1/2 =1.586
∴实际轴功率P*= f
校正×P
=1.586×49.35=78.29 KW
四层搅拌功率P= P* [1+0.6×（4－1）]=219.21 KW 3.1.2.2 通气时
P
工况=P
罐
+1/2ρg H
L
=1.01×105+0.03×106+1/2×1050×9.81×7.55 =1.699×105 Pa
Q
标=VVm×V
放
=0.8×39.75=31.8 m3/min
Q
g = Q
标
P
标
T
工况
／（P
工况
T
标
）
=31.8×1.01×105×（273+32）／（1.699×105×273）=21.12 m3/min
通气准数：
N a = Q g／（D
i
3n）=21.12／140×13=0.151＞0.035
通气轴功率：
P g =P（0.62－1.85 N
a
）
=219.21×（0.62－1.85×0.151）=74.67 KW
N
实际=1.02 P
g
／（η
1
η
2
η
3
）
=1.02×74.67／0.95×0.98×0.99 =82.63 KW
η
1 =0.95(皮带) η
2
=0.98(轴皮带) η
3
=0.99(轴) 查《化工工艺设计手册》，选用Y315M1-6型电机功率：90 KW，转数：980 r/min，效率：92%
检验：90×92%=82.8 KW＞82.63KW
∴所选合格
3.1.2.3 通气管道
通气管径入口罐压：
P g = P
罐
+1/2ρg H
L
=1.01×105+0.03×106+1/2×1050×9.81×7.55
=1.699×105Pa
Q g = Q
标
P
标
T
工况
／P
工况
T
标
=31.8×1.01×105×（273+32）／1.699×105×273 =21.12 m3/min
取4根通气管
空气管道取W
s
=6 m/s
d=4×Q
g /（60×W
s
×π）=21.12×4／（60×6×π）=0.075 m
查《化工工艺设计手册》，选φ83×4㎜
3.1.3 蛇管冷却
取水在蛇管内流速Ws =0.8 m/s 发酵热q=16800KJ/ m3·h
则：Q
总=q V
放
=16800×39.75=6.678×105 KJ/ h
发酵温度 32℃——32℃
冷却水温度 23℃——18℃
Δt 9℃——14℃
Δt m= （14－9）／ln14/9=11.32 ℃
查《发酵设备》，取K=450×4.2=1890 KJ/ m3h℃
传热面积：F= Q
总／（KΔt
m
）=6.678×105／1890×11.32=31.21㎡
冷却水用量：W
水= Q
总
／KΔt
=6.678×105／4.2×（23－18）=3.2×104㎏/h
V
水
=3.2×104／1000×3600=0.009 m3/s
取5根蛇管：
V′= V
水
／5=0.009／5=0.0018 m3/s
F′=F／5=31.21／5=6.24㎡
D
内
=（4 V′／Wsπ）1/2
=（4×0.0018／0.8π）1/2
=0.054m
查《化工工艺设计手册》，选φ60×3㎜
R
e
= d uρ／μ=0.054×0.8×1000／1105.59×10-5=3.91×104＞104 属于湍流
L = F′／（πD
内
）=6.24／0.054π=36.80m
设每根长6.5 m，则36.80／6.5=5.66 取6根
所以每根长6.5 m，每组6根。

3.2 二级种子罐
3.2.1 几何尺寸
V
中放=7 m3设H
／D=2.5 V
1
=6.5m3
V
1=π/4 D2H
=6.5
∴ D=1.49 H
=2.5D=3.73m
又∵H
a =1/4D=0.373m H
b
=0.025m
∴封头容积 V
2 =π/4 D2（H
b
+1/6D）
=π/4×1.492×（0.025+1/6×1.49）=0.476 m3
校核 V= V
1+ 2V
2
= 6.5+2×0.476=7.15m3
∴假设合理。

罐体总高：H= H
0+2（H
a
+ H
b
）=3.73+2×（0.373+0.025）=4.526 m
液柱高：H
L = H
η+ H
a
+ H
b
=3.73×0.6+0.373+0.025=2.636m
3.2.2 搅拌器功率
3.2.2.1 不通气状况下搅拌功率
搅拌器直径：D
i
=1/3D =1.5/3=0.50 m
挡板宽度：B=0.1D=0.149 m
搅拌叶间距：S=2 D
i
=1.0 m
搅拌叶与罐底距离：C= D
i
= 0.50m
C +2S =0.50+2=2.5 m ＜ H
L
=3.1 m
C +3S =0.50+3=3.5 m > H
L
=3.1 m∴取3层搅拌器令流体为牛顿型流体，符合全挡板条件：
ρ=1050 ㎏/ m3 n=170 r/min μ=0.1 N S/㎡
则：Rem = D
i
2ρn／μ= 0.52×240×1050／（60×0.1）
=1.05×104＞104属湍流
采用六箭叶涡轮搅拌器，查《发酵设备》，N p=3.7
轴功率：P
0= N p D
i
5ρn3=3.7×0.5×（240/60）3×1050
=7.77KW
∵H
L
/D≠2.5
f
校正=1/3[（D/ D i）（H
L
/D
i
）]1/2=1.33
∴实际轴功率P*= f
校正×P
=1.33×7.77=10.30KW
三层搅拌功率P= P* [1+0.6×（3－1）]=22.66KW 3.2.2.2 通气下的搅拌功率
P
工况=P
罐
+1/2ρg H
L
=1.01×105+0.03×106+1/2×1050×9.81×2.636=1.44×105 Pa
Q
标=VVm×V
放
=1.5×4.05=6.075 m3/min
Q g = Q
标
P
标
T
工况
／（P
工况
T
标
）
=6.075×1.01×105×（273+32）／1.44×105×273 =4.76 m3/min
通气准数：
N a = Q g／（D
i
3n）
=4.76／240×0.503 =0.159＞0.035
通气轴功率：
P g =P（0.62－1.85 N
a
）
=22.66×（0.62－1.85×0.159）=7.38KW
N
实际=1.02 P
g
／η
1
η
2
η
3
=1.02×7.38／0.95×0.98×0.99 =8.17KW
η 1 =0.95(皮带) η 2 =0.98(轴皮带) η 3 =0.99(轴) 查《化工工艺设计手册》，选用Y160M-4型电机
功率：11 KW，转数：1460 r/min，效率：88%
检验：11×88%=9.68 KW＞8.17 KW
∴选型合适
3.2.3 通气管道
通气管径入口罐压：
P g = P
罐
+1/2ρg H
L
=1.01×105+0.03×106+1/2×1050×9.81×2.636 =1.44×105 Pa
Q
g = Q
标
P
标
T
工况
／（P
工况
T
标
）
=6.075×1.01×105×（273+32）／1.44×105×273 =4.76 m3/min
通气管取2根, W
s
=10m/s
d=（Q g／2×60×Ws×π/4）1/2
=[4.76／（2×60×10×π/4）]1/2
=0.071m
查《化工原理》，选φ83×3.5㎜3.3 一级种子罐
3.3.1 几何尺寸
V
小罐=1 m3设H
／D=2 V
1
=0.8 m3
V
1=π/4 D2H
=0.8
∴ D=0.8m H
=2D=1.60m
又∵H
a =1/4D=0.2m H
b
=0.025m
封头容积V
2=π/4 D2（H
b
+1/6D）
=π/4×0.802×（0.025+1/6×0.80）=0.080 m3
校核V= V
1+ 2V
2
= 0.80+2×0.080=0.960 m3
∴假设合理。

罐体总高：H= H
0+2（H
a
+ H
b
）=1.60+2×（0.2+0.025）=2.05 m
液柱高：H
L = H
η+ H
a
+ H
b
=1.60×0.6+0.2+0.025=1.2 m
3.3.2 通气管道（取1根）P
工况=P
罐
-P
标
=1.01×105+0.5×105－1.01×105=0.5×105Pa
Q
标=VVm×V
放
=1.5×0.361=0.54 m3/min
Q
g = Q
标
P
标
T
工况
／（P
工况
T
标
）
=0.54×1.01×105×（273+32）／0.5×105×273 =1.22 m3/min
取Ws=5m/s
空气管道d=[Q g／（60×Ws×π/4）]1/2
=[1.22／（60×10×π/4）]1/2
=0.051m查《化工原理》，选φ60×3㎜。