酒精发酵罐的设计

生物工程专业《化工原理课程设计》说明书

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学生姓名

指导教师

2011 年10 月31 日

目录

一设计方案的确定 (1)

1.1设计条件 (1)

1.2发酵工艺 (2)

1.3发酵罐尺寸及整体设计 (3)

1.3.1发酵罐尺寸确定 (3)

1.3.2发酵罐整体设计 (3)

1.3.2.1加热、冷却系统的设计 (3)

1.3.2.2 pH调节系统的设计 (3)

二计算 (4)

2.1发酵罐尺寸计算 (4)

2.1.1发酵罐直径和高度 (4)

2.1.2发酵罐表面积 (4)

2.1.3罐体壁厚 (4)

2.2传热量的计算 (4)

2.2.1发酵液量的确定 (4)

2.2.2总的发酵热 (4)

2.2.3冷却水耗量W的计算 (5)

2.2.4对数平均温度差ΔT m的计算 (5)

2.2.5传热总系数K的确定 (6)

2.2.6冷却面积的主要尺寸的确定 (6)

三设备选型 (7)

3.1换热器的选择 (7)

3.2人孔的选择 (7)

3.3支座的选择 (7)

3.4接口管的选择 (7)

3.5仪表接口的选择 (7)

四附录及图纸 (8)

附录 1 (8)

附录 2 (8)

五总结 (9)

六参考文献及资料 (10)

一设计方案的确定

酒精是一种无色透明﹑易挥发，易燃烧，不导电的液体。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇，分子式C2H6O。现在的酒精主要还是通过发酵发开制备的。酒精制备的原料主要有淀粉质和纤维质为主，通过各种酶的作用而产生酒精的，酒精生产也带来了很多副产品，比如说杂醇油、甲醇、二氧化碳等。

1.1设计条件

本次课程设计条件是用10m3发酵罐，发酵生产酒精。

表1发酵条件的确定

项目条件备注发酵罐类型嫌气发酵罐由参考文献[1]确定

发酵菌种酵母菌由参考文献[3]确定

发酵罐体积10m3由老师所给的条件确定温度30℃由参考文献[3]确定

pH 4.0 由参考文献[3]确定

压力4

2⨯Pa 由参考文献[3]确定

10

10

2⨯~5

发酵液密度1076kg·m3-由参考文献[3]确定

冷却方式沉浸式冷却蛇管由参考文献[1]确定

1.2 发酵工艺[3]

用甘蔗糖蜜经过硫酸处理让淀粉分子从原料细胞中游离出来以后，再通过稀释、调配、灭菌等操作，然后通过酒母发酵产生酒精。

其工艺流程图为

↓

↓

↓pH 4.0

↓

↓

↓

↓

↓发酵温度30℃、 pH 4.0

↓

图1以甘蔗糖蜜为原料的酒精生产工艺流程图

1.3 发酵罐的尺寸及整体设计 1.3.1 发酵罐尺寸的确定

酒精发酵罐多为圆柱形、底部和顶部均为蝶形或锥形的立式金属容器 带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：

V=D 4

π2(H+

3

h 1+3h 2

) D —罐的直径 H —圆柱部分高度 h 1—罐底高度 h 2—罐盖高度

发酵罐罐体高度，底、盖高度和罐直径的关系如下： H=1.1~1.5D h 1=0.1~0.4D h 2=0.05~0.1D 由以上关系确定发酵罐尺寸 1.3.2 发酵罐的整体设计

酵母菌在无氧条件下培养，主要进行发酵作用，可使糖分转变为酒精和CO 2。酵母菌在有氧条件下进行酒精发酵时，由于进行了呼吸作用，酒精产量大大降低，糖的消耗速度在单位时间内也减慢。所以在发酵过程中不需要设计通风系统；由于不需要通风系统，且采用沉浸式蛇管冷却，所以本设计不需要搅拌系统。

1.3.

2.1 加热、冷却系统的设计[1]

由于发酵罐的体积比较大，罐顶喷水淋于管外壁表面进行冷却不能满足要求所以采取罐内蛇管冷却，为沉浸式蛇管换热器。所以采用的冷却系统为沉浸式蛇管换热器

1.3.

2.2 pH 调节系统的设计[1]

在本设计中，主要加入氨水来调节pH 值。这样既可以调节pH ，又可以提供氮源。

二 计算

2.1发酵罐尺寸计算 2.1.1发酵罐直径和高度

由发酵罐尺寸确定中计算直径和高度

选取结构尺寸比例：H=1.4D ，h 1= h 2=0.1D

由全容积公式得：D=2.05m H=2.87m h 1= h 2=0.205m

2.1.2发酵罐表面积S(圆柱体表面积S 1和罐底、罐顶表面积S 2、S 3)

S 1=πDH=3.14×2.05×2.87=18.47 m 2

S 2=S 3=2

12h R πR + =22205.0025.1025.114.3+⨯=3.36m 2 所以表面积S 为：S= S 1+ S 2+ S 3=25.19m 2

2.1.3罐体壁厚

[]C p

σ2pD δ1+-=ϕ(mm)=()mm 6.0230.4

0.817022050

0.4≈+-⨯⨯⨯ ，取6mm

D —罐体直径(mm) p —耐受压强 (取0.4MPa) ϕ—焊缝系数，双面焊取0.8

[σ]—设计温度下的许用应力(kgf/c 2m )(16MnR 钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa)

C —腐蚀裕度，当δ－C<10mm 时，C ＝3mm 2.2 传热量的计算[4]

2.2.1 发酵液量V q 的确定

发酵罐全容积与发酵液量的关系为：V=ϕ

q

V

式中V 为全容积，V q 为发酵液量，ϕ为装液系数(一般取0.85～0.90) 取装液系数为0.85

则发酵液量V q =V×ϕ=10×0.85=8.5m³ 2.2.2 总的发酵热Q

()321Q Q Q Q +-=

Q 1—生物合成热 Q 2—蒸发热损失

Q 3—罐向周围散失的热损失