发酵罐-计算
发酵罐设计计算20151114
发酵罐的选择与计算
4.1.2.1发酵罐个数的确定年产1000吨琥珀酸,全年的生产天数为330天，则每天产1000/330=3.03吨，需要发酵液的体积为：28*3.03=84.84(m^3)发酵罐的填充系数φ=70%；则每天总共有发酵罐的体积为V 0）（3m 2.1217.0/84.847.0/V 0== 发酵周期为48小时，生产周期为80小时发酵罐个数的确定：现选取公称体积为100m 3的发酵罐，总体积为118m 3（个））（）（总67.324*7.0*110/80*84.8424*V /V N 01===φτ取公称体积100m 3 发酵罐4个，其中1个留作备用。
实际产量验算：年）（吨/1059.09330/3.54%71%21.57.0110=⨯⨯⨯⨯⨯富裕量%91.5100010001059=- 能够满足生产需要。
4.1.2.2主要尺寸的计算公称容积，是指罐的圆柱部分和底封头容积之和。
并圆整为整数：上封头因无法装液，一般不计入容积。
罐的全容积，是指罐的圆柱部分和两封头容积之和。
1 罐径与罐体高度现在按公称容积100m3，全罐的体积为：118m3，取高径比为H ：D=2，封头与圆柱罐体的焊接处的直边高度不纳入体积，则：3m 118V 2V =+=封全筒V根据圆柱体体积与椭圆的体积计算公式有： ()3221182414314V m D D H D =⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=ππ全 ()332118242785.0m D D D V =+⨯⨯=π全解方程得： ()333118242m D D =+ππ()m D 1.413241183=⨯⨯=π 直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系数[12]，查吴思方的《生物工程工厂设计概论》2007年版，附表25（281）通用式发酵罐系列尺寸表，则D取4.0m ,H=2D=2×4.0＝8.0(m) 查阅文献，当公称直径D 为4.0m 时，标准椭圆封头的曲面高度H 为D/4，即1.0m ，焊接处的直边高度h 为0.05则总深度为：）（m 05.105.00.1h H =+=+ 封头容积 ：V 封）（封33m 38.80.424V =⨯=π 圆柱部分容积： ）（筒32m 53.1000.420.44V =⨯⨯⨯=π 两者之和为全容积全V ' 3m 118V 2V =+=封全筒V全全V V ≈'则设计的发酵罐其尺寸符合要求，能够满足生产工艺的需要。
2010_第一章_发酵罐2-计算解读
经验系数K，m：由搅拌器的型式，挡板的尺寸及 流体的流态决定
3
P0
N 3 D 5
是一个无因次数，称为 功率准数 NP 。
d 2 N
是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 ReM
NP ~ ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数K，m
当ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1；
当ReM＞104时，液体为湍流状态， m=0；
3 5 3 5
推论： 对于相同d、N的三种涡轮搅拌器，在湍流状态时测量得：
复习前节课的结论：相同d、N的三种涡轮搅拌器，功率消耗 平叶＞弯叶＞箭叶
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2. 搅拌功率的修正
若各种参数如D/d、HL/d等不符合所查图表中(在17页表中 表示为T/D, HL/D)的曲线特性，则先查出值，计算后再进 行修正：
P＊＝f×P0 其中，P0为按图查出的Np值算得的功率； f为修正系数，
1 f 3
D / d H L/ d
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3.多层搅拌器的功率Pm计算
在单层搅拌器功率计算的基础上，乘上一个系数。 一种简单的估算方法是，
Pm P0.4 0.6m
Pm：多层搅拌器的功率， m：搅拌器的层数。
剪应力τ
拟塑性流：表观粘度随剪切梯度 的增加而减少－－多数发酵液。
速度梯度
表观粘度可看作曲线的斜率。
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发酵罐的搅拌电机配置
每 m3 培养液 3 kW 电机功率左右 P电机＝（Pm＋PT）/η，其中PT为轴封的摩擦损失功率， η 为传动效率，按传动机构不同取 0.85－0.9。
发酵设计相关计算
发酵罐的工艺尺寸常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸已标准化设计。
其几何尺寸比例如下：H0/D=1.7～3.5 H/D=2～5 d/D=1/3～1/2 W/D=1/12～1/8B/D=0.8～1.0 h/D=1/4 单位全部为m发酵罐大小用公称体积表示，V0=∏D2×H/4+0.15D3其中：H0-发酵罐圆柱形筒身高度D-发酵罐内径H-罐顶到罐底的高度D-搅拌器直径W-挡板宽度B-下搅拌器距罐底的距离S-搅拌器间距h-底封头或顶封头高度香菇多糖包括胞内与胞外多糖，以每100ml发酵液中菌丝体干重2.5克计，则每100ml发酵液中粗多糖总量为52.2mg即0.522kg/m3 。
按标准曲线绘制方法，依据粗多糖在蒸馏水中的吸光度可知，其纯多糖含量为80.96％，最终纯化产品纯度96％。
年生产香菇多糖1吨，年生产日300天，发酵周期为96h,清理及维修发酵罐的总时间为1天，则总的发酵时间为5天，装料系数为70%。
一年需放罐的次数：300/5=60次所需发酵罐体积：1000/60/0.522/70％/80.96％×96％=54.09m3所以选用V=10m3发酵罐，则需6个。
发酵罐中，高径比为1.74，取H/D=2.5；搅拌器直径为1/3直径；取d/D=1/3；档板为0.1倍直径，取d1/D=0.1；下部搅拌器到底部距离为：B/D=1；S/D=2.5；W/D=1/8由公式V全=πD2[H+2(hb+D/6)]/4，H=2D， hb可忽略， V全=10m3，代入得2.224D3=10，得出：D=1.65mH=2×1.7=3.4md=1.65/3=0.55md1=0.1×1.7=0.17mW=1.7/8=0.2125mB=D=1.65S=2×1.65/3=1.1mh=D/4=0.4125液面高度=0.7×（H+h）=2.66875m本发酵过程中选用机械搅拌式发酵罐，国内普遍采用六弯叶或六箭叶圆盘涡轮式，本设计中因罐小要求加强轴向混合，故选用六箭叶圆盘涡轮式。
发酵罐-计算..PPT精品文档58页
tm
(tF t1)(tF t2) 2.303lgtF t1
tF t2
tF、t1、t2分别为发酵液温度、冷却水进口温度、冷却水
出口温度。
对于蛇管冷却，有：Admld1 2d2l
其中d1、d2为管内外直径。
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2、发酵热Q
通气发酵过程总热量为：Q = Q1+Q2-Q3
8
解:
1.总的热量
Q=Q1+Q2-Q3 =4.4×105+7.2×104-1×104
=5.02×105(kJ/h)
2.冷却水耗量
W
Q
5.02105
Cp (t2 t1) 4.186(2516)
=1.33×104 (kg/h)
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3.对数平均温度差
tm(t2 F.3 t1 0)l 3 g(ttF F tt12)10 .9(oC) tFt2
Q1—生物合成热 Q2—机械搅拌放热，且 Q2＝3600Pgη
Pg—搅拌功率，kW； η—功热转化率，经验值为η＝0.92；
(kJ)；
Q3—发酵过程排气带出的水蒸汽的热量，以及发酵 罐壁对环境的辐射热量。
通常可取 Q3≈20%Q1。
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各类发酵液的发酵热 Q
－－唐孝宣，《发酵工厂工艺设计》
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例1.2 冷却面积计算举例
某抗菌素厂30M3种子罐，装料系数为60%，已计算出主发酵 期生物合成热Q1=4.4×105kJ/h，搅拌热Q2=7.2×104 kJ/h， 查有关资料得汽化热及辐射损失Q3 =1×104 kJ/h。发酵温度 为32℃，冷却水进口温度为16℃，出水温度为25℃，冷却水 的平均比热取为4.186 kJ/ (kg·℃)， 罐内采用竖式蛇管冷 却，蛇管规格为 53/60 (mm)，壁厚3.5mm，其导热系数 λ=188 kJ/ (m·h·℃)，根据经验数据取传热系数α1和α2分别 为 2.7×103和1.45×103 kJ/(m2·h·℃) ，另外，管壁水垢层 的热阻 δ ＝16750 kJ /(m2·h ·℃) ，试求发酵罐冷却水耗量 、冷却面积以及竖式蛇管总长度。
发酵罐搅拌功率计算方法
发酵罐搅拌功率计算方法1. 前言嘿，朋友们！今天咱们来聊聊一个听上去有点儿高大上的话题——发酵罐搅拌功率的计算。
别担心，不用紧张，咱们尽量把它说得轻松点，让你也能轻松搞明白！发酵罐就像一个大锅，里面装着那些可爱的小微生物，它们在里面“嗨皮”地发酵，而搅拌的功率就好比是给它们加油打气的动力。
说到动力，咱们先来捋一捋，搅拌功率到底是啥意思。
2. 搅拌功率的重要性2.1 搅拌的作用首先，搅拌在发酵过程中可是扮演着举足轻重的角色。
想象一下，如果发酵罐里的液体不搅拌，那可就麻烦了，所有的小生物都在各自的小角落里发呆，根本没有办法好好“社交”。
而搅拌就像是一场派对，让大家都能“见面”，更好地进行发酵。
搅拌得当，发酵的效果才会像火箭一样蹭蹭往上涨！所以说，计算好搅拌功率，绝对是我们成功的第一步。
2.2 发酵过程的平衡除了促进微生物的交流，搅拌还帮助氧气和营养物质在液体中均匀分布。
就好比你喝水时，水里有些糖不容易溶解，但如果摇一摇，糖立马就融进水里了。
这种均匀的状态，才能让发酵过程顺利进行。
如果搅拌功率不足，可能导致发酵不均匀，结果可就有点尴尬了，可能就会影响到产品的质量。
3. 搅拌功率的计算方法3.1 影响因素好了，咱们现在进入正题，怎么计算这个搅拌功率呢？其实，它并不是一个简单的公式就能搞定的，得考虑不少因素。
首先要看发酵罐的大小，液体的黏度，甚至搅拌器的类型。
这些都像是构成一首交响曲的不同乐器，缺一不可。
3.2 计算公式那么，有啥公式可以参考吗？有的！一般来说，咱们可以用下面这个简单的公式：P = K cdot N^3 cdot D^5 cdot mu 。
其中：( P ) 是功率，单位是瓦特（W）；( K ) 是一个常数，通常取决于搅拌器的类型。
( N ) 是搅拌器的转速，单位是转每分钟（RPM）。
( D ) 是搅拌器的直径，单位是米（m）。
( mu ) 是液体的黏度，单位是帕斯卡·秒（Pa·s）。
发酵罐设计计算内容简介
发酵罐设计计算内容简介孟根其其格(内蒙古石油化工学校) 摘 要 发酵罐是一种搅拌反应器,主要利用浆叶搅拌,使参加反应的物料混合均匀,使气体在液相中很好地分散、强化相间的传热、传质。
搅拌设备在工业生产中应用范围很广,尤其在化工生产过程中,它是重要的操作单元之一。
所以,简单地介绍一下,发酵罐的设计、计算内容。
本设计、计算内容的依据是国家及部一级具有权威的单位编制的设计用书及标准规范,如《化工设备设计全书》的《搅拌设备设计》手册,《钢制压力容器》等,都是在实践中证明了的正确的并具有实用价值的理论书籍。
关键词 结构 作用 内容 步骤 搅拌反应器主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三部分组成。
三个组成部分各起如下的作用:搅拌装置:由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成,由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转,以实现搅拌的目的。
轴封:为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封,以封住罐内的流体不致泄漏。
搅拌罐:罐体、加热装置及附件。
它是盛放反应物料和提供传热量的部件。
搅拌设备设计包括化学工程和机械结构两个部分,化学工程设计提出了机械设计的原始条件,即给出生产量、操作方式、最大工作压力最高工作温度、工作介质物性和腐蚀情况等。
有时还需提出传热面的型式和传热面积、搅拌器的形式、搅拌的转速和功率,对于机械设计,应对搅拌设备的容积、搅拌装、传动装置和轴封装置进行合理的选型,强度计算和结构计算、设计。
设计、计算步骤如下:一、搅拌装置的设计11设计符号说明21传动装置的设计31搅拌轴的设计41联轴器的选取51轴承的选取及其轴承寿命的核算61密封装置的选取71搅拌器的设计81搅拌轴的临界转速二、设备本体的设计11计算符号说明21罐体的设计①筒体的设计、计算②封头的设计、计算③罐体压力试验时应力校核及容积验算31附件的选取①工艺接管及观测部件a1接管尺寸的选择b1法兰的选取c1开孔及开孔补强②人孔及其它③传热部件的计算④挡板、中间支承、扶梯的选取三、设备的强度及稳定性检验11设备承受各种载荷的计算①设备重量载荷的计算②设备地震弯矩的计算③偏心载荷的计算21塔体强度及稳定性检验31裙座的强度计算及校核①裙座计算②基础环的计算③地脚螺栓计算④裙座与筒体对接焊缝验算参考文献〔1〕《钢制压力容器》(一)(二)(三)〔2〕《搅拌设备设计》〔3〕《机械设计手册》(上)(中)(下)〔4〕《化工容器及设备简明设计手册》收稿日期:2002年1月5日28 内蒙古石油化工 第27卷 。
酒精发酵计算
第九章厌氧发酵设备厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系主讲教师：敬科举•发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供了一个适应微生物生命活动和生物代谢的场所。
•由于微生物分厌氧和通风两大类，故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不相同。
•不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素。
本章主要讲述的内容第一节酒精发酵设备及计算•满足酒精发酵的工艺要求–满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件–将发酵产生的热量及时移走•有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。
一、酒精发酵罐的结构1，基本结构•酒精发酵罐筒体为圆柱形•底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器•罐顶装有废汽回收管，进料管，按种管，压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等•罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔2，发酵罐的冷却装置–中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；–大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。
–此外，也有采用罐外列管式喷琳冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率3，发酵罐的洗涤装置二、酒精发酵罐的计算1，发酵罐结构尺寸的确定发酵罐全容积的计算：式中：V-发酵罐的全容积（米3）V 0-发酵罐中的装液量（米3）φ-装液系数（一般取0.85~0.90）•带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：式中D ：罐的直径(米)H ：罐的圆柱部分高度(米)h 1：罐底高度(米)h 2：盖高度(米)通常：H=1.1~1.5D, h 1=0.1~0.4D,2，发酵罐罐数的确定对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：式中N ：发酵罐个数（个）n ：每24小时内进行加料的发酵罐数t ：发酵周期（小时）3，发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方 程式来确定，即：F =Q K∆tm式中F：冷却面积(米2) Q：总的发酵热(焦耳/小时) K：传热总系数(焦耳/米2.小时.˚C) Δtm：对数平均温度差(˚C)（1）总发酵热的估算 微生物在厌氧发酵过程中总的发酵 热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损 失Q2， 罐壁向周围散失的热损失Q3 等三部分热量所组成。
发酵罐蒸汽量计算
1、充填发酵罐空间所需蒸汽量D填的计算（1）蒸汽进罐加热罐内冷空气升温的蒸汽消耗量D1的计算P T T w V全V占单位Mpa℃℃m3m3数值0.2101272608（2）填充发酵罐空间所需空气量D2的计算V r D2单位m3kg/m3kg252 1.129284.470（3）D填=D1+D2D1D2D填单位kg kg kg数值17.088284.470301.5582、罐内壁及罐内物件上所附着的洗涤水膜层升温的蒸汽消耗量D膜的计算F壁F管F架F桨F轴单位m2m2m2m2m2数值23236830673、发酵罐体及冷却管等加热从t升温到t w的蒸汽消耗量D体的计算M C罐D体单位kg kcal/kg·℃kg数值500000.111239.7614、保温保压灭菌过程热损失D散计算（1）对流给热系数αc的计算A'T1αc单位——℃kcal/m2·h·℃数值 1.2980 5.316（2）总辐射系数c1-2、辐射给热系数αR和联合给热系数αT的计算ελc1-2αRαT单位——kcal/m2·h·(K/100)^4kcal/m2·h·(K/100)^4kcal/m2·h·℃kcal/m2·h·℃数值0.8 4.88 3.904 5.08310.399（3）D散=F壁·αT·(T1-T)/(I-i)D散单位kg/h数值325.3625、空罐灭菌燕汽消耗量D空的计算(热损失10%) D空=（D填+D膜+D体+D散）*1.1D空单位kg/h数值2213.526r空C空i I D1kg/m3kJ/(kg·℃）kJ/kg kJ/kg kg1.248 1.009533.8302706.58017.088的计算膜F梯D F总D膜m2m m2kg30.001646145.616。
精选发酵工程07第七章发酵生产的设备
一、发酵罐
发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。
发酵罐系统
一个优良的发酵罐装置和组成（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表
发酵罐容积
发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形盖，选取结构尺寸的比例关系如下：
由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积．罐体圆柱部分表面积F1和罐底罐顶表面积F2，F3分别为：
2．冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
假定罐壁不包扎保温层，壁温最高可达35t，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32℃。
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
Q3=全罐总表面积× ac ×(t2-t1)
主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
(4)传热总系数K值的确定选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：
啤酒发酵容器的变迁过程
（2）开放式发酵容器向密闭式转变。小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。
50L发酵罐设计计算书
50L机械搅拌发酵罐设计机械搅拌发酵罐主要由发酵罐、搅拌装置、传动装置和轴封装置等部分组成。
发酵罐包括罐体和传热装置，他是提供反应空间和反应条件的部件。
搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，靠搅拌轴传递动力，由搅拌器达到搅拌目的。
传动装置包括电动机、减速机及机座、连轴器和底座等附件，它为搅拌器提供搅拌动力和相应的条件。
轴封装置为发酵罐和搅拌轴之间的密封装置，以封住罐体内的流体不致泄漏,并使得罐内流体不受外界污染。
第一章发酵罐结构一,发酵罐结构选型机械搅拌发酵罐的主要部分是一圆柱形容器，其结构形式与传热方式有关。
常用的传热方式有夹套式壁外传热结构和罐体内部蛇管传热结构。
根据工艺要求，罐体上还需安装各种工艺接管。
根据已知条件：罐体全容积Ｖ＝50L，设计压力P=0.25Mpa，设计温度T=1300C查搅拌罐使用范围规格表得：选择41型搅拌罐，其罐底为焊接的标准椭圆型封头，顶盖为可拆连接的平盖，换热器型式为整体夹套式。
二，罐体尺寸确定发酵罐包括罐体和装焊在其上的各种附件。
１，罐体的高径比和装料量在知道发酵罐的全容积（Ｖ＝50Ｌ）以后，首先要选择适宜的高径比（H/D i）和装料量，确定筒体的直径和高度（1）罐体的高径比选择罐体的高径比应考虑的主要因素有三个方面：<1>，高径比对搅拌功率的影响一定结构形式搅拌器的浆叶直径同与其装配的搅拌罐罐体内径通常有一定的比例范围.随着罐体高径比的减小，即高度减小而直径放大，搅拌器浆叶直径也相应放大。
在固定的搅拌轴转数下，搅拌器功率与搅拌器浆叶直径的5次方成正比。
所以随着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多。
<2>，罐体高径比对传热的影响罐体高径比对夹套传热有显著影响。
容积一定时高径比越大则罐体盛料部分表面积越大，夹套的传热面积也越大。
同时高径比越大，则传热表面距离罐体中心越近，物料温度梯度就越小，有利于提高传热效果。
<3>，物料特性对罐体高径比的要求发酵罐的搅拌反应对罐体的高径比有着特殊要求，为了使通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的高度，就希望高径比取的大一点。
发酵设计相关计算
发酵罐的工艺尺寸常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸已标准化设计。
其几何尺寸比例如下：H0/D=1.7～3.5 H/D=2～5 d/D=1/3～1/2 W/D=1/12～1/8B/D=0.8～1.0 h/D=1/4 单位全部为m发酵罐大小用公称体积表示，V0=∏D2×H/4+0.15D3其中：H0-发酵罐圆柱形筒身高度D-发酵罐内径H-罐顶到罐底的高度D-搅拌器直径W-挡板宽度B-下搅拌器距罐底的距离S-搅拌器间距h-底封头或顶封头高度香菇多糖包括胞内与胞外多糖，以每100ml发酵液中菌丝体干重2.5克计，则每100ml发酵液中粗多糖总量为52.2mg即0.522kg/m3 。
按标准曲线绘制方法，依据粗多糖在蒸馏水中的吸光度可知，其纯多糖含量为80.96％，最终纯化产品纯度96％。
年生产香菇多糖1吨，年生产日300天，发酵周期为96h,清理及维修发酵罐的总时间为1天，则总的发酵时间为5天，装料系数为70%。
一年需放罐的次数：300/5=60次所需发酵罐体积：1000/60/0.522/70％/80.96％×96％=54.09m3所以选用V=10m3发酵罐，则需6个。
发酵罐中，高径比为1.74，取H/D=2.5；搅拌器直径为1/3直径；取d/D=1/3；档板为0.1倍直径，取d1/D=0.1；下部搅拌器到底部距离为：B/D=1；S/D=2.5；W/D=1/8由公式V全=πD2[H+2(hb+D/6)]/4，H=2D， hb可忽略， V全=10m3，代入得2.224D3=10，得出：D=1.65mH=2×1.7=3.4md=1.65/3=0.55md1=0.1×1.7=0.17mW=1.7/8=0.2125mB=D=1.65S=2×1.65/3=1.1mh=D/4=0.4125液面高度=0.7×（H+h）=2.66875m本发酵过程中选用机械搅拌式发酵罐，国内普遍采用六弯叶或六箭叶圆盘涡轮式，本设计中因罐小要求加强轴向混合，故选用六箭叶圆盘涡轮式。
发酵罐的工艺计算
第一节 发酵罐的化工设计计算一、发酵罐的容积确定需要选用V 全=30m 3的发酵罐 则V 有效= V 全*Φ=30*80%=24m 3二、基础参数选择1、D ：H ：选用D ：H=1：42、锥角：取锥角为7003、封头：选用标准椭圆形封头4、冷却方式：选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却（罐体两段，锥体一段，槽钢材料为A 3钢，冷却价质采用20%、-4℃的酒精溶液5、罐体所承受最大压力：2.5kg/cm 3 外压：0.3kg/cm 36、锥形罐材质A 3钢外加涂料，接管均用不锈钢7、保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm8、内壁涂料：环氧树脂三、D 、H 的确定由D ：H=1：4，则锥体高度H 1=D/2tg350=0.714D 封头高度H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度H3=（4.0-0.714-0.25）D=3.04D 又因为V 全=V 锥+V 封+V 柱=3π342414232XH D D H D⨯+⨯+⨯⨯ππ =0.187 D 3+0.13 D 3+1.60 D 3=30 得D=2.23m查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2400mm 再由V 全=30m 3，D=2.4m 得径高比为： D ：H=1：3.32由D=2400mm 查表: 椭圆形封头几何尺寸为： h 1=600mm h 0=40mm F=6.52m 2 V=2.00m 3筒体几何尺寸为： H=5654mmF=7.55*5.654=42.69m 2 V=4.524*5.654=25,58m 3 锥体封头几何尺寸为： h0=40mm v=360mm H=2215mmF=22204.1064.0sin )3.07.0(4/m a COSa d =⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎢⎣⎡++-πV=[]32375.372.0/)cos 3.07.0(24/m tga a d =++π 则：锥形罐体总高： H=600+5654+40+40+2215=8549mm总容积：V=2+25.58+3.75=31.33m 3 实际充满系数%6.7633.31/24=：ψ 罐内液柱高：mm H 27034022151044.275.32422=++⨯⨯-='）（π 四、发酵的强度计算（一）罐体为内压容器的壁厚计算1、标准椭圆封头设计压力为1.1*2.5=2.75kg/cm 2[]C pPDgS t+-=ϕσ2 式中：P=2.75kg/cm 2[]t σ：A3钢工作温度下的许用力取1520.kgcm 2ϕ：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤0.9壁厚附加量：C=C 1+C 2+C 3查表得：C 1 ：钢板厚度的负偏差取0.8mm 负偏差C 2：腐蚀裕量取2mmC 2：制造减薄量取0.3mm则：mm S 814.54.375.29.015202240075.2=+-⨯⨯⨯=取S O =8mm直边高H O =40mm 校核⎭⎬⎫⎩⎨⎧=h D s PD 24中中σ =[]tσ≤=++12.369900*2)82400(*6*4)82400(*75.22、筒体2/42.361.05.2*1.1)(1.1cmkg P p p =+=+⨯=）（静工作没[]mmC C C C PPDS 2.62.342.39.0*1520*22400*42.3)6.0,2,6.0(2322=+-===+-=取ψσ取S=7mm 校核 []tsPD σψσ≤==0.58822中3、锥形封头1）过渡区壁厚[]CPDg KP S t+-=5.02ψσ没[]mmC PDgKP S K cm kg P t43.5369.026.0)74.3*5.09.0*1520*2/(2400*14.3*75.05.0275.0)9.0(/74.39.05.2*1.12=+++-=+-===+=ψσ没没为静压）（ （2）锥体[][]13.759.026.094.394.3)60.0(74.3*5.09.0*15202400*74.3*60.05.0*5.0*=+++=+==-=-=+-=C S S f PPDgf S C PPDgf S O t O t查表为ψσψσ取S=8mm h 0=40mm校核锥体所受最大应力处：[]tS PD σσ≤=+==14.68735cos *10*2)82400(*74.335cos 20中（二）、锥体为外压容器的壁厚计算1、标准椭圆封头 设S O =5mmR 内=0.9D g =0.9*2400=2160mm R 内/100S o =21600/100x5=4.32 查图表4-1及B=2.75[]220/3.0/64.02160/575.2/*cm kg cm kg R S B P =⨯==内满足要求取C 1=0.5mm ， C 2=2mm C 3=0.5mm 则S= S O +C=8mm2、筒体设S O =6mm L/D=0.69D=2400/6=600 查图表4-1及B=210[]]/3.0/35.02400/6*21022cm kg cm kg P ==S O =6mm故可取C 1=6mm ， C 2=2mm ，C 3=0.6 则S=S O +C=9.2mm 取S=10mm3、锥形封头因为：6050.2235 αα所以=按第四章发酵罐设计的中封头设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：mm tg 6.1918352/274020=⨯⨯取加强圈中心线间锥体长度为1370mm 设S O =6mmL/D=1370/2400=0.57 D/SO=2400/6=400 图表表4-1及B=320[]mmS C S S mm C mm C mm C mmS cm kg D BS P 102.92.366.0,2,66/3.080.02400/6*320/0321020==+=+========取所以故取综合前两步设计，取两者中较大的有生产经验确定 标准椭圆型封头厚度为8mm h o =40mm 圆筒壁厚 10mm标准形封头壁厚 10mm h o =40mm五、锥形罐的强度校核1、内压校核液压试验P 试=125P 设由于液体实验的存在，锥体部分为罐体受压最重之处即最危险 设计压力实验P=1.25p=4.68/cm 2查得A3钢3/2400cm kg =σ可见符合强度要求，试压安全2、外压实验以内压代替外压故可知试压安全内试试P cm kg P p cm kg P 22/8.225.1/25.2)2.13.0(*5.1*5.1===+=3、刚度校核本例中允许S=2*2400/1000=4.8mm而设计时取壁厚为S=10mm ，故符合刚度要求 （公式：10002内最小D S =）第二节 发酵罐热工设计计算[][]试试试）（σψσσ 2/19442400**9.0*9.09.0/52.640)2.312(2)2.312(240068.4)(2cm kg cmkg C S C S Dg P ===--+⨯=--+=一、计算依据计采用A 3钢作发酵材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，锥部一段，夹套工作压力为2.5kg/cmp 2 冷媒为20%（V/V ）酒精溶液，，为出进C T C T 002,4--麦汁发酵温度维持120（主发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm ，锥底部分为98mm ）二、总发酵热计算Q=q*v=119*24=2856kg/hrQ 每立方米发酵麦汁在闰发酵期间每小时的放热量； V 为发酵麦汁量三、冷却夹套型号选择选取8号槽钢起截流面为A=hb —截面积=8*4-10.24=24.16cm 2 冷却剂流量为（三段冷却） 3*24.16*10-4*1=7.284*10-3=m 3/s查得20%（V/V ）酒溶液△t 平=-30C 下的 P=976kg/m 3Cp=1.04kcal/kg ●0 C 冷却剂的冷却能力为：Q=7.248X103X976X1.041X2X2400 =34430.8kcal/hr>8330kcal/hr 故可选取8号槽钢为冷却夹套。
啤酒发酵罐设计
啤酒发酵罐设计：一罐法发酵，即包括主、后发酵和贮酒成熟全部生产过程在一个罐内完成。
1）发酵罐容积的确定：根据设计，每个锥形发酵罐装四锅麦汁，则每个发酵罐装麦汁总量V＝59.35×4＝237.4 m3锥形发酵罐的留空容积至少应为锥形罐中麦汁量的25%，则发酵罐体积至少应为237.4(1＋25%)＝296.75 m3,为300 m3。
取发酵罐体积V全2）发酵罐个数和结构尺寸的确定：发酵罐个数N＝nt/Z＝8×17/4＝34 个式中n—每日糖化次数t—一次发酵周期所需时间Z—在一个发酵罐内容纳一次糖化麦汁量的整数倍锥形发酵罐为锥底圆柱形器身，顶上为椭圆形封头。
设H﹕D＝2.5﹕1，取锥角为70°，则锥高h＝0.714DV全＝лD2H/4＋лD2h/12＋лD3/24得D＝5.1 m H＝2.5D＝12.8 m h＝3.6 m查表知封头高h封＝h a＋h b＝1275＋50＝1325 mm罐体总高H总= h封＋H＋h＝1325＋12800＋3600＝17725 mm3）冷却面积和冷却装置主要结构尺寸确定：因双乙酰还原后的降温耗冷量最大，故冷却面积应按其计算。
已知Q＝862913 kJ/h发酵液温度14℃3℃冷却介质（稀酒精）-3℃2℃△t1＝t1－t2′＝14－2＝12℃△t2＝t2－t1′＝3－（-3）＝6℃平均温差△t m＝(△t1－△t2)/㏑(△t1/△t2)＝(12－6)/ ㏑(12/6)＝8.66℃其传热系数K取经验值为4.18×200 kJ/(m2﹒h﹒℃)则冷却面积F＝Q1/K△t m＝862913/（4.18×200×8.66）＝119.2 m2工艺要求冷却面积为0.45～0.72 m2/ m3发酵液实际设计为119.2/237.4＝0.50 m2/ m3发酵液故符合工艺要求。
选取Ф109×4.5半圆形无缝钢管作为冷却管，d内＝100mm,d平均＝105mm每米管长冷却面积F0＝105×10-3×1＝0.105 m2则冷却管总长度L＝F/ F0＝119.2/0.105＝1135 m筒体冷却夹套设置二段，且均匀分布。
发酵罐计算举例
2、发酵热Q
通气发酵过程总热量为：Q = Q1+Q2-Q3
Q1—生物合成热 Q2—机械搅拌放热，且 Q2＝3600Pgη
Pg—搅拌功率，kW； η—功热转化率，经验值为η＝0.92；
(kJ)；
Q3—发酵过程排气带出的水蒸汽的热量，以及发酵 罐壁对环境的辐射热量。 通常可取 Q3≈20%Q1。
常是已知装液量与VVM值，不知Q值。
此时先算出Q0，再按前页公式转换计算出Q， 才可代入Pg计算公式。
24
如已知 例1.3 中通气量Q＝1.40米3／分，则代入 上式得，Pg=10.82 KW＜P0＝12.9 KW 单位换算
通气量增大，搅拌功率下降 例：30立方罐体，55kw电机，180rpm下，不通气
0.1013 0.1013 ( P 1 g H ) 10 6 t L 2
HL：m； Pt：表压，Pa
t：度； 密度：kg/m3；
因分子单位为Mpa，故分母上有10-6
23
通气比 VVM
定义：每分钟的通气体积（以标准状态计，即为 Q0）与实际料液体积之比。 1/min
4.K值的计算
K 1 1 1 S 1
1
2
1 1 1 0.0035 1 2700 1450 188 16750
= 1.931×103 kJ/(M2 〃h〃℃)
10
5.冷却面积
Q A K t m
5.0 2 1 05 2 3.8 5( M 1 9 3 1 1 0.9
2
)
根据生产实际情况取整： A = 25 M2
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：D i ＝31D 。
（3）相邻两组搅拌器的间距：S ＝3D i 。
（4）下搅拌器与罐底距离：C ＝（0.8~1.0）D i 。
（5）挡板宽度：W ＝0.1 D i ，挡板与罐壁的距离：B ＝（81~51）W 。
（6）封头高度：h ＝h a ＋h b ，式中，对于标准椭圆形封头，h a ＝41D 。
当封头公称直径≤2 m 时，h b ＝25 mm ；当封头的公称直径＞2 m 时，h b ＝40 mm 。
（7）液柱高度：H L ＝H 0η＋h a ＋h b ，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V 1：0214H D V π=式中符号所代表含义见上图所示，下同。
椭圆形封头的容积V 2：)61(4642222D h D h D h D V b a b +=+=πππ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：)6140221D h H D V V V b ++=+=（公π 罐的全容积V 0： )]61(2[4202210D h H D V V V b ++=+=π如果填料高度为圆柱高度的η倍，那么液柱高度为：b a L h h H H ++=η0装料容积V ：)61(40221D h H D V V V b ++=+=ηπη 装料系数η：0V V =η二、通用式发酵罐的设计与计算 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构件的选取与计算 设备本体的设计筒体、封头、罐体压力、容积等 附件的设计与选取 接管尺寸、法兰、开孔及开孔补强、人孔、传热部件、挡板、中间轴承等搅拌装置的设计 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强度及稳定性检验设备重量载荷、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 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 =11124803=+⨯（个）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。
发酵罐蒸汽量计算
单位
数值 （3） D散=F 壁·αT· (T1T)/(I-i)
ε —
0.8
λ kcal/m2·h
· (K/100)^4
4.88
c1-2
αR
αT
kcal/m2·h· (K/100)^4
kcal/m2·h· ℃
kcal/m2·h·℃
3.904
5.083
10.399
单位 数值
D散 kg/h
325.362
1、充 填发酵 罐空间 所需蒸 汽量D 填的计 算
（1） 蒸汽进 罐加热 罐内冷 空气升 温的蒸 汽消耗 量D1的 计算
P
T
Tw
V全
V占
单位 Mpa
℃
℃
m3
m3
数值 0.2
10
127
260
8
（2） 填充发 酵罐空 间所需 空气量 D2的计 算
单位
（3） D填 =D1+D
2
单位 数值
V m3
252
D1 kg
单位
数值
4、保 温保压 灭菌过 程热损 失D散 计算
M kg
50000
C罐 kcal/kg·℃
0.11
D体 kg
1239.761
（1） 对流给 热系数 αc的计 算
A'
单位 ——
数值 1.29
T1
αc
℃ kcal/m2·h·℃
80
5.316
（2） 总辐射 系数c12、辐 射给热 系数α R和联 合给热 系数α T的计 算
17.088
r kg/m3
1.129
D2 kg
284.470
D2 kg
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7 赖氨酸
33400
8000
8 柠檬酸
11700
2800
9 酶制剂
1470018800
35004500
－－唐孝宣，《发酵工厂工艺设计》
7
例1.2 冷却面积计算举例
某抗菌素厂30M3种子罐，装料系数为60%，已计算出主发酵 期生物合成热Q1=4.4×105kJ/h，搅拌热Q2=7.2×104 kJ/h， 查有关资料得汽化热及辐射损失Q3 =1×104 kJ/h。发酵温度 为32℃，冷却水进口温度为16℃，出水温度为25℃，冷却水 的平均比热取为4.186 kJ/ (kg·℃)， 罐内采用竖式蛇管 冷却，蛇管规格为 53/60 (mm)，壁厚3.5mm，其导热系数 λ=188 kJ/ (m·h·℃)，根据经验数据取传热系数α1和α2分 别为 2.7×103和1.45×103 kJ/(m2·h·℃) ，另外，管壁水 垢层的热阻 δ ＝16750 kJ /(m2·h ·℃) ，试求发酵罐冷却 水耗量、冷却面积以及竖式蛇管总长度。
10.9(oC)
tF t2
4.K值的计算
K
1
1 1 S1
1 2
1
1 1 0.0035 1
2700 1450 188 16750
= 1.931×103 kJ/(M2 ·h·℃)
10
5.冷却面积
A
Q
K t m
5.02 10 5 23 .85(M 2 ) 1931 10 .9
根据生产实际情况取整： A = 25 M2
Q t1 t2 t3 t1 t2 t3
T t
Am (T t)
1 1 A1
s Am
1 2 A2
1s 1 1 A1 Am 2 A2
1s 1 1 A1 Am 2 A2
Am
(1 1 A1
s Am
1 2 A2
)
A(T t) 即： Q 1 s 1
1 2
其中，A即为平均传热面积 Am。
12
1.单层搅拌器、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算搅Leabharlann 器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素：
搅拌罐直径 D
搅拌器直径d 液体高度 HL
前三项都可用d 来表示
搅拌转速 N
液体粘度 μ 液体密度 ρ
搅拌器形式、有无档板等
P＝F（N，d, ρ， μ ）
13
在全档板条件下，对于牛顿型流体，由因次分析与实验验
出口温度。
对于蛇管冷却，有：A
dm
l
d1
2
d2
l
其中d1、d2为管内外直径。
5
2、发酵热Q
通气发酵过程总热量为：Q = Q1+Q2-Q3
Q1—生物合成热 Q2—机械搅拌放热，且 Q2＝3600Pgη
Pg—搅拌功率，kW； η—功热转化率，经验值为η＝0.92；
(kJ)；
Q3—发酵过程排气带出的水蒸汽的热量，以及发酵 罐壁对环境的辐射热量。
8
解:
1.总的热量
Q=Q1+Q2-Q3 =4.4×105+7.2×104-1×104
=5.02×105(kJ/h)
2.冷却水耗量
W
Q
5.02 10 5
C p (t2 t1 )
4.186 (25 16)
=1.33×104 (kg/h)
9
3.对数平均温度差
tm
(tF t1 ) (tF t2 ) 2.303 lg tF t1
通常可取 Q3≈20%Q1。
6
各类发酵液的发酵热 Q
序号 发酵液名称
发酵热 KJ/(m3 h) Kcal/(m3 h)
1 青霉素丝状菌 23000
5500
2 青霉素球状菌 13800
3000
3 链霉素
18800
4500
4 四环素
25100
6000
5 红霉素
26300
6300
6 谷氨酸
29300
7000
证，得：
K ( ) P0
N 3d 5
d 2N m
式中
P0：不通气时搅拌器的功率（瓦，即牛.米/秒） ρ：液体的密度（公斤/米3） μ：液体的粘度（牛.秒/米2，即 帕.秒）或公斤.秒/米2 d：搅拌器涡轮直径（米） N：转速（转/秒）
经验系数K，m：由搅拌器的型式，挡板的尺寸及 流体的流态决定
14
✓ 管外热流体对外壁的对流传热为： q1 1 A1 T Tw
t1 1
1 A1
✓ 设λ为管壁的导热系数，s为管壁厚，则管壁间的传导热为：
q2
Am Tw
tw
t 2 s
Am
✓ 内管壁对管内冷流体的对流传热为
q3 2 A2 tw t
t3 1
q为热流密度，W/m2
2 A2
3
则在稳定传热时，有发酵罐所需传的热量Q＝q1=q2=q3,即有：
15
由搅拌雷诺数ReM，可查图表得到的搅拌功率准数NP。
16
故，常用到的搅拌轴功率计算公式为：
P0 = NP d5 N3 ρ = K d5 N3 ρ
17
例1.3
问题1. 今有一发酵罐，内径为2米，安装一个六弯叶涡轮搅 拌器，搅拌器直径为0.7米，转速为150转/分，设发酵液密度 为1050 kg/m3，粘度为0.1Pa*s，试求不通气状态下搅拌器功 率。
定义
K
1 1 1 S1
为总传热系数。
1 2
考虑到管内垢层传热，设垢层的热阻为δ
4
对于进出口温度不同的冷却蛇管而言，其传热面积计
算公式应为： A Q
K t m
对数平均温差：
tm
(tF t1) (tF t2 ) 2.303 lg tF t1
tF t2
tF、t1、t2分别为发酵液温度、冷却水进口温度、冷却水
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第一节 机械搅拌通风发酵罐
2 计算：换热面积、搅拌功率、KLa、放大
一、传热系统计算
1、传热公式的推导
冷却水
T
t
热
冷
流 体
流 体
T
TW
平
平
均
均
温 度
温 dQ
度
tW t
壁温TW
壁温tW
2
分三段计算传热：管外、管壁、管内
A1、A2 、Am分别为管外、内壁表面积，管壁平均表面积，α1、α2为管 外、内流体的传热系数，则：
P0 是一个无因次数，称为 功率准数 NP 。
N 3 D5
d 2 N
是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 ReM
NP ~ ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数K，m
当ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1；
当ReM＞104时，液体为湍流状态， m=0；
多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数＝K，查图得Np 。
6.冷却蛇管总长度
L A
d
25
3.14 0.0565
=140.17
(m)
11
二、搅拌功率计算
搅拌器轴功率
电机功率
搅拌器以既定的速度转动时，用以克服介质的阻力 所需要的功率，即搅拌器输入搅拌液体的功率。
提纲： 单层搅拌、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算 功率计算的修正 多层搅拌器的功率计算 通气搅拌功率的计算