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＝31D。（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＝0.1Di，挡板与罐壁的距离：B＝（81~51）W。（6）封头高度：h＝ha＋hb，式中，对于标准椭圆形封头，ha＝41D。当封头公称直径≤2m时，hb＝25mm；当封头的公称直径＞2m时，hb＝40mm。（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V1：0214HDV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：)61(4642222DhDhDhDVbab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：)6140221DhHDVVVb（公罐的全容积V0：)]61(2[4202210DhHDVVVb如果填料高度为圆柱高度的η倍，那么液柱高度为：baLhhHH0装料容积V：)61(40221DhHDVVVb装料系数η：0VV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=124n可知：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。【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250m3，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)D2H0250＝0.785D2×2.5D罐直径：D＝[250/(0.785×2.5)]1/3＝5.0（m）罐圆柱高：H0＝2.5D＝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＞2m，hb＝40mm，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)61(4642222DhDhDhDVbab＝0.785×52(0.04＋5/6)＝17.1（m3）（5）圆柱部分容积V1＝(π/4)D2H0＝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4kJ·kg－1·℃－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·h－1）式中，发酵液密度ρ为1050kg·m－3。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)(2.1030362036lg3.2)3036()2036()()(⊿t2121m℃tTtTIntTtT传热系数参考工厂测定值及设计数据，k选用4.187×900kJ·m－2·h－1·℃－1。故传热面积F为2.3832.10900.1874103.1t△7mkQF总（m2）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。