发酵罐-计算

德州市鸿泰环保设备有限公司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2一、传热系统计算1、传热公式的推导T热流体平均温度t冷流体平均温度壁温TW壁温tWTttWTWQd冷却水3管外热流体对外壁的对流传热为：设λ为管壁的导热系数，s为管壁厚，则管壁间的传导热为：内管壁对管内冷流体的对流传热为1111111AtTTAqwmwwmAsttTAq222232231AtttAqwq为热流密度，W/m2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：4则在稳定传热时，有发酵罐所需传的热量Q＝q1=q2=q3,即有：即：其中，A即为平均传热面积Am。定义为总传热系数。考虑到管内垢层传热，设垢层的热阻为δ)11()(1111112211221122113212232111AAsAAtTAAAsAtTAAsAtttAtAstAtQmmmmmm2111)(stTAQ111121SK5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：对数平均温差：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：其中d1、d2为管内外直径。2121lg303.2)()(tttttttttFFFFmmtKQAlddldAm22162、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(kJ)；Pg—搅拌功率，kW；η—功热转化率，经验值为η＝0.92；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。7序号发酵液名称发酵热KJ/(m3h)Kcal/(m3h)1青霉素丝状菌2300055002青霉素球状菌1380030003链霉素1880045004四环素2510060005红霉素2630063006谷氨酸2930070007赖氨酸3340080008柠檬酸1170028009酶制剂14700-188003500-4500各类发酵液的发酵热Q－－唐孝宣，《发酵工厂工艺设计》8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=7.2×104kJ/h，查有关资料得汽化热及辐射损失Q3=1×104kJ/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4.186kJ/(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=188kJ/(m·h·℃)，根据经验数据取传热系数α1和α2分别为2.7×103和1.45×103kJ/(m2·h·℃)，另外，管壁水垢层的热阻δ＝16750kJ/(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。9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=1.33×104(kg/h))(12ttCQWp)1625(186.41002.55103.对数平均温度差4.K值的计算=1.931×103kJ/(M2·h·℃))(9.10lg303.2)()(2121CtttttttttoFFFFm111121SK1675011880035.014501270011115.冷却面积根据生产实际情况取整：A=25M2mtKQA)(85.239.1019311002.525M6.冷却蛇管总长度=140.17(m)dAL0565.014.32512二、搅拌功率计算搅拌器轴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。电机功率提纲：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131.单层搅拌器、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算搅拌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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）前三项都可用d来表示14在全档板条件下，对于牛顿型流体，由因次分析与实验验证，得：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2d：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mNddNPK)(253015是一个无因次数，称为功率准数NP。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。530DNPNd216由搅拌雷诺数ReM，可查图表得到的搅拌功率准数NP。17故，常用到的搅拌轴功率计算公式为：P0=NPd5N3ρ=Kd5N3ρ18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1050kg/m3，粘度为0.1Pa*s，试求不通气状态下搅拌器功率。解：由题：d=0.7米n=150/60＝2.5转/秒，ρ＝1050kg/m3，μ＝0.1Pa*s4422101029.11.010507.05.2RendM注意单位的换算，按P14页括号中的单位为统一单位19NP由查ReM~Np图表（中的3号曲线）得4.7，即故不通气下的搅拌功率：7.4530dnPNp瓦1296010507.05.27.47.453530dnp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202.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，dHdDfL//31213.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：多层搅拌器的功率，m：搅拌器的层数。mPPm6.04.0224.通气状态下的搅拌功率Pg不通气时的功率P0已知，再用包含通气量的经验公式（形式多样）求得Pg如，发酵液密度:800~1650kg/m3，粘度:0.0009~0.1pa·s，d/D=1/3时，涡轮搅拌器有：P0、Pg：不通气、通气时的搅拌功率，单位均为kWd，搅拌叶轮直径，mN，转/分Q，工作状况下的通气量，m3/min，45.0)(157.056.0320QNdPgP23Q的换算：只知道标准状态通气量时Q与标准状况下（温度为273K、压力为101325Pa）的通气量Q0之间的换算关系，可按气体状态方程：t：度；密度：kg/m3；HL：m；Pt：表压，Pa因分子单位为Mpa，故分母上有10-66010)21(1013.01013.0273273LtHgPtQQ24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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。25如已知例1.3中通气量Q＝1.40米3／分，则代入上式得，Pg=10.82KW＜P0＝12.9KW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，不通气时电流130安，通气后vvm1:1时，电流可以降到80～85安，所以开搅拌前，一般先通风。26作业1一年产5万柠檬酸的发酵厂，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。假定发酵罐的装液系数为85%，问每天需要多少发酵液？选用合适大小的发酵罐，并计算所需数量。注：发酵产酸水平，指成熟发酵液中产品的质量百分含量。27某细菌醪为牛顿型流体，发酵罐罐直径D＝1.8(米)圆盘六弯叶涡轮直径d＝0.60米，一只涡轮罐内装四块标准挡板搅拌器转速N＝168转／分通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的气流量)罐压P＝1.5绝对大气压醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求计算Pg作业2：28其它注意事项非牛顿流体的搅拌轴功率的计算粘度随搅拌转速而变化计算思路：先知道粘度与搅拌速度的关系计算不同搅拌速度下的粘度，和Rem再根据实验绘出其Np-Rem曲线。29牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型流体：剪切力与速度梯度（）成正比塑性流体：拟塑性流体：m1胀塑性流体：m1dndwdndwdndw0mdndwK30拟塑性流：表观粘度随剪切梯度的增加而减少－－多数发酵液。胀塑性流：表观粘度随剪切梯度的增加而增加－－－淀粉与阿拉伯树胶有此特点。制霉菌素的发酵液在整个发酵过程中均为牛顿型流体。链霉素发酵液在发酵24小时前为塑性流体，48-96小时间为牛顿型流体，120小时后为拟塑性流体。剪应力τ速度梯度表观粘度可看作曲线的斜率。31每m3培养液3kW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。Pm，根据不同情况选取：若采用连续灭菌，则用通气功率Pg若采用实罐灭菌，则用不通气功率P0发酵罐的搅拌电机配置因为实消时搅拌器开动是在不通气状态下进行的，功率消耗大于通气功率。32另一个讨论：搅拌功率的分配搅拌功率，即单位时间所做的功可以分配为翻动量Q（单位时间所输送的流量）与动压头H（对单位重量流体所做的功，或单位重量流体从搅拌所获得的动能），又因：由即是故有，在P0为定值时，有或以及，或22dnH3ndQ0P53dnHQP035dn53nd38dHQ58nHQndHQ33故，功率一定时，大直径、低转速搅拌器，更多的功率用于总体流动，有利于宏观混和；小直径、高转速搅拌器，更多的功率用于湍动，有利于提高湍动，即气液传质速率。因为其d/n值大已知涡轮搅拌器三者的粉碎气泡的能力（H）间的关系：平叶＞弯叶＞箭叶则，相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力（Q）必有：平叶＜弯叶＜箭叶34解：设原参数为n0，d0，新参数为n1，d1，则据要求有：同时保证解上两式，最后得到：同时，有，P1＝1.3P03.1131130010dndnQQ12121202010dndnHH00114.13.1ddd00188.03.11nnn例1.4：一发酵罐，经实验证明翻动情况不良，现进行改进，不考虑通气时，要求Q提高30%，H不变，问改进后：转速n有何变化？搅拌器直径d有何变化？搅拌功率有何变化？35三、通气与传氧1.通气的两个常用参数空截面气速Vs：在没有发酵液时通入罐内空气的线速度，m/s。式中Q以工作状态下计。通气比VVM：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/min2DQVsLVQvvm0Q与Q0的关系见PPT23页公式36Vs，即Q，则Pg（相同搅拌条件下）相反，若Vs