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
8
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
9
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。
19
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。
5
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)
9
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。
6
各类发酵液的发酵热 Q
－－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。
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。
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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