华南理工大学发酵工厂设计第六章设备的设计与选型final

• 1．生产能力的确定
– 对于连续操作的设备，其生产能力是在保证生产工艺 条件的基础上，单位时间通过设备的物料量，由工厂 的规模与物料衡算确定。
• 2．设备容积的计算
– 已知物料的流量V和逗留时间τ，可以计算出设备的有效 容量V有效：
• 3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设备数量的计算
• 4．设备主要尺寸计算
（三）专用设备设计常识 ——发酵罐
惯性冲击滞留机理
图1
拦截滞留作用机理
• 气流速度降到临界速度以下，微粒不能因惯性碰 撞而滞留于纤维上，捕+集效率显著下必,但随时 着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率 又有回升。原因是微生物直径很细，质量很轻， 它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的 主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕 过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流 区。滞流区的气流速度更慢,进到这滞留区的微粒 慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留,称为拦截滞留 作用
(一)间歇操作设备的设计计算
• 1．间歇操作设备生产能力的确定
– 生产能力的表示方法，一般为t／(罐·批)或m3／(罐·批)。 例如3000t／a味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能 力为：
– 100×70％×15％×48％×80％×112％ (1-1％)＝4.47[t ／(罐·批)]
– 100——发酵罐容积(t) 15％——发酵初糖浓度
谷氨酸发酵罐
1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承。 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封 8、冷却装置
发酵罐制造
• 发酵罐为封闭式，一 般都在一定罐压下操 作，同时还需用蒸汽 进行空罐或实罐灭菌， 所以罐体是一个受压 容器，见图2。要根据 最大使用压力(一般采 用灭菌时的蒸汽压力， Pg＝0.25 MPa)来决定 钢板的厚度。罐体是 一个圆柱体，罐顶和 罐底采用椭圆形或碟 形封头，因为这种封 头比其他型式的封头 在同样使用压力下可 用较薄的钢板，
• 2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大 中型发酵罐大多是整体焊接。为了便于清洗，小型发酵罐 罐顶设有清洗用的手孔 ，大中型发酵罐则要装设人孔，并
在罐内设置爬梯，人孔的大小不但要考虑操作人员能方便 进出，还要考虑安装和检修时，罐内最大部件能顺利放入 或取出。罐顶还装有 视镜和灯孔以便观察罐内情况，在视
第六章 设备的设计与选型
一、专业设备设计与选型的依据
• 由工艺计算确定的成品量、物料量、耗汽 量、耗水量、耗风量、耗冷量等。
• 工艺操作的最适外部条件(温度、压力、真 空度等)。
• 设备的构造类型和性能。
二、专业设备设计与选型的程序和内容
• (1)设备的工艺操作任务、工作性质、工作参数的确定。 • (2)设备选型及该型号设备的性能、特点评价。 • (3)设备生产能力的确定。 • (4)设备数量计算。 • (5)设备主要尺寸的确定。 • (6)设备的传动搅拌和动力消耗计算。 • (7)设备结构的工艺设计。 • (8)支撑方式的计算选型。 • (9)壁厚的计算选择。 • (10)材质的选择和用量计算。 • (11)其他特殊问题的考虑。
• 直径确定后，可根据关系求出其他尺寸。
(二)连续操作设备的设计计算
• 设计的依据：
– (1)物料流量V(m3／s或t／s)：物料的流量V，是根据生 产规模，通过计算确定。
– (2)物料在设备中的逗留时间τ(s)：物料在连续操作设备 中的逗留时间则取决于生产工的要求。
– (3)物料在设备各部位的流速ω(m／s)。
搅拌桨
平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘呢 ？
• 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆 盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴 部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总 表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快， 走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘 的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的 搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数
思考？
• 口罩真能过滤细菌吗？
过滤除菌机理
• 常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5～2微 米之间，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直 径一般为16~20微米。充填系数为8%时，棉花纤 维所形成网格的孔隙为20～50微米，微粒随气流 通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前 进，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向， 绕过纤维前进，这些改变引起微粒以对滤层纤维 产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静 电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
空气净化系统
• 一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数 量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中 含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000 个／立方米。
• 介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过 滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中， 而达到除菌的目的。目前常用的过滤介质有棉花、 活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料 过滤介质、烧结金属过滤介质等。
料应取0.6～0.8，酒精发酵罐等取0.8～0.85，汽液分离器取0.7等
4．设备主要尺寸的计算
• 发酵工厂的设备多为容器型设备。不同的设备， 高径比有很大差别。锥形底制作容易，排料干净， 间歇操作采用较多。
• 通常根据已知容量V以及高径比、封头高度，列出 数学方程求出各部尺寸。
• 直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直 径系数。然后校核总容量是否可满足工艺计算的 容量要求。如偏差太大，还要作相应调整，直到 符合要求。
镜和灯孔近旁，必要时还装设无菌压缩空气或蒸汽的吹管， 用以冲洗玻璃。装于罐顶的接管有：进料口、补料口、排 气口、接种口和压力表等，装于罐身的接管有：冷却水进 出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐顶上面 的排气口位置靠近罐中心的位置。这样，不仅防止或减少 气泡的逃逸，而且由于抽吸作用，也减少了泡沫的产生。
– 70％——填充系数
48％——发酵转化率
– 80％——提取率
112％——精制收率
– 1％——染菌率
3．设备容积的计算
• 式中
– V 设备的总容积(m3) – Va——24h内加工的成品或半成品的容积() – r——操作周期，包括预备时间、操作和清洗等辅助操作时间(h) – ϕ ——设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置的或产生泡沫多的物