1、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tW TttWTWQd冷却水3 管外热流体对外壁的对流传热对流传热为：设为管壁的导热系数，s为管壁厚，则管壁间的传导热传导热为：内管壁对管内冷流体的对流传热对流传热为1111111AtTTAqwmwwmAsttTAq222232231AtttAqwq为热流密度，W/m2分三段计算传热：管外、管壁、管内分三段计算传热：管外、管壁、管内A1、A2 、Am分别为管外、内壁表面积，管壁平均表面积管外、内壁表面积，管
2、壁平均表面积，1、2为管外、内流体的传热系数，则：4n则在稳定传热时，有发酵罐所需传的热量Qq1=q2=q3,即有：n即：其中，A即为平均传热面积 Am。n定义 为总传热系数。 考虑到管内垢层传热，设垢层的热阻为)11()(1111112211221122113212232111AAsAAtTAAAsAtTAAsAtttAtAstAtQmmmmmm2111)(stTAQ111121SK5b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：b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。b对于蛇管冷却，有：其中d1、d2为管内外直径。2121lg303.
3、2)()(tttttttttFFFFmmtKQAlddldAm 22162、发酵热、发酵热Q通气发酵过程总热量为：Q = Q1+Q2-Q3nQ1生物合成热n Q2机械搅拌放热，且 Q23600Pg (kJ)；q Pg搅拌功率，kW；q 功热转化率，经验值为0.92；n 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 Q320%Q1。 7序号发酵液名称发酵热KJ/(m3 h)Kcal/(m3 h)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
4、氨酸3340080008柠檬酸1170028009酶制剂14700-188003500-4500各类发酵液的发酵热各类发酵液的发酵热 Q唐孝宣，发酵工厂工艺设计8例例1.2冷却面积计算举例n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=4.4105kJ/h，搅拌热Q2=7.2104 kJ/h，查有关资料得汽化热及辐射损失Q3 =1104 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=188 kJ/ (mh)，根据
5、经验数据取传热系数1和2分别为 2.7103和1.45103 kJ/(m2h) ，另外，管壁水垢层的热阻 16750 kJ /(m2h ) ，试求发酵罐冷却水耗量、冷却面积以及竖式蛇管总长度。 9解解:1.总的热量总的热量 Q=Q1+Q2-Q3 =4.4105+7.2104-1104 =5.02105(kJ/h)2.冷却水耗量冷却水耗量=1.33104 (kg/h)(12ttCQWp)1625(186.41002.55103.对数平均温度差对数平均温度差4.K值的计算值的计算= 1.931103 kJ/(M2 h)(9.10lg303.2)()(2121CtttttttttoFFFFm1111
6、21SK1675011880035.014501270011115.冷却面积冷却面积根据生产实际情况取整：根据生产实际情况取整： A = 25 M2mtKQA)(85.239.1019311002.525M6.冷却蛇管总长度冷却蛇管总长度=140.17 (m)dAL0565.014.32512二、搅拌功率计算n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：n单层搅拌、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算n功率计算的修正n多层搅拌器的功率计算n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单层搅拌器、不通气
7、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：q搅拌罐直径Dq搅拌器直径dq液体高度HLq搅拌转速Nq液体粘度 q液体密度 q搅拌器形式、有无档板等nPF（N，d, ， ）前三项都可用d 来表示14n在全档板条件下，对于牛顿型流体全档板条件下，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） ：液体的密度（公斤/米3） ：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mNddNPK)(253015 n是一个无因
8、次数，称为 功率准数 NP 。n是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 ReMnNP ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数K，mq当ReM10时，液体为层流状态，m=-1；q当ReM104时，液体为湍流状态， m=0；多数发酵罐搅拌器在此范围，故多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数常数K，查图得查图得Np 。530DNPNd216n由搅拌雷诺数ReM，可查图表得到的搅拌功率准数NP。17n故，常用到的搅拌轴功率计算公式为：P0 = NP d5 N3 = K d5 N3 18例例1.3n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
9、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。解：由题：d=0.7 米n=150/602.5 转/秒， 1050 kg/m3 ， 0.1Pa*s4422101029. 11 . 010507 . 05 . 2RendM注意单位的换算，按注意单位的换算，按P14页括页括号中的单位为统一单位号中的单位为统一单位19nNP 由查由查ReM Np图表图表 （中的（中的3号曲线）号曲线） 得得 4.7，即，即n故故不通气下不通气下的搅拌功率的搅拌功率 ：7 . 4530dnPNp瓦1296010507 . 05 . 27 . 47 . 453530dnp推论推论：对于相同
10、对于相同d、N的三种涡轮搅拌器，的三种涡轮搅拌器，在湍流状态在湍流状态时测量得：时测量得：复习前节课的结论：相同d、N的三种涡轮搅拌器，功率消耗功率消耗平叶弯叶箭叶平叶弯叶箭叶202. 搅拌功率的修正n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：nPfP0q其中，P0为按图查出的Np值算得的功率；nf为修正系数， dHdDfL/31213.多层搅拌器的功率Pm计算n在单层搅拌器功率计算的基础上，乘上一个系数。n一种简单的估算方法是，nPm：多层搅拌器的功率，nm：搅拌器的层数。mPPm6 . 04 . 0224
11、.通气状态下的搅拌功率 Pgn不通气时的功率不通气时的功率P0已知，再用包含通气量的经验公式已知，再用包含通气量的经验公式（形式多样）求得（形式多样）求得Pg n如，发酵液密度如，发酵液密度: 8001650 kg/m3，粘度，粘度: 0.00090.1 pas ，d/D=1/3时，涡轮搅拌器有：时，涡轮搅拌器有：qP0、Pg：不通气、通气时的搅拌功率，单位均为kWqd，搅拌叶轮直径，mqN，转/分qQ，工作状况下的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nQ与标准状况下（温度为273K、压力为1013
12、25Pa）的通气量 Q0 之间的换算关系，可按气体状态方程：qt：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(1013.01013.0273273LtHgPtQQ24通气比 VVMn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/minn常是已知装液量与VVM值，不知Q值。n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。25n如已知 例1.3 中通气量Q1.40米3分，则代入上式得，Pg=10.82 KWP012.9 KW 单位换算n通气量增大，搅拌功率下降通气量增大，搅拌功率下降n例：30立
13、方罐体，55kw电机，180rpm下，不通气时电流130安，通气后vvm 1:1时，电流可以降到8085安，所以开搅拌前，一般先通风。26作业作业1n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。q注：发酵产酸水平，指成熟发酵液中产品的质量百分含量。27n某细菌醪为牛顿型流体，发酵罐q罐直径D1.8(米)q圆盘六弯叶涡轮直径d0.60米，一只涡轮q罐内装四块标准挡板 q搅拌器转速N168转分q通气量Q1.42米3分(已换算为罐内状态的气流量
14、)q罐压P1.5绝对大气压q醪液粘度1.9610-3牛秒米2q醪液密度1020公斤米3n要求计算Pg作业作业2：28其它注意事项其它注意事项非牛顿流体非牛顿流体的搅拌轴功率的计算的搅拌轴功率的计算n粘度随搅拌转速而变化n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 牛顿型流体牛顿型流体：剪切力与速度梯度（）成正比q塑性流体塑性流体：q拟塑性流体：拟塑性流体：m1dndwdndwdndw0mdndwK30胀塑性流胀塑性流n拟塑性流：表观粘度随剪切梯度的增加而减少多数发酵液多数发酵液。n胀塑性流：表观粘度随剪
15、切梯度的增加而增加淀粉与阿拉伯树胶有此特点。n制霉菌素的发酵液在整个发酵过程中均为牛顿型流体。n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。牛顿流牛顿流拟塑性流拟塑性流剪应力剪应力速度梯度速度梯度0 0表观粘度可看作曲线的斜率。31n每 m3 培养液 3 kW 电机功率左右nP电机（PmPT）/，其中PT为轴封的摩擦损失功率， 为传动效率，按传动机构不同取 0.850.9。nPm，根据不同情况选取：n若采用连续灭菌，则用通气功率Pgn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
16、进行的，功率消耗大于通气功率。32另一个讨论：搅拌功率的分配另一个讨论：搅拌功率的分配n搅拌功率，即单位时间所做的功搅拌功率，即单位时间所做的功n可以分配为翻动量可以分配为翻动量Q（单位时间所输送的流量）与动压头（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（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：得的动能），又因： 由即是由即是故有，在故有，在P0为定值时为定值时 ，有或，有或以及，或以及，或22dnH 3ndQ 0P53dnHQP035 dn53 nd38dHQ58 nHQndHQ33n故，功率一定时，故，功率一定时，大直径、
17、低转速搅拌器，更多的功率用于总体流动，有大直径、低转速搅拌器，更多的功率用于总体流动，有利于宏观混和；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。提高湍动，即气液传质速率。 因为其 d/n 值大n已知涡轮搅拌器三者的粉碎气泡的能力（H）间的关系：q平叶弯叶箭叶n则，相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力（Q）必有：q平叶弯叶箭叶34n解：设原参数为解：设原参数为n0，d0，新参数为新参数为n1，d1，则据要求有：则据要求有：n同时保证同时保证n解上两式，最后得到：解上两式，最后得到： n同时，有，同时，有，
18、P11.3P0 3 . 1131130010dndnQQ12121202010dndnHH00114. 13 . 1ddd00188. 03 . 11nnn例例1.41.4：一发酵罐，经实验证明翻动情况不良，现进行改进，不一发酵罐，经实验证明翻动情况不良，现进行改进，不考虑通气时，要求考虑通气时，要求Q Q 提高提高30%30%，H H不变，问改进后：转速不变，问改进后：转速n n有何变化？搅拌器直径有何变化？搅拌器直径d d有何变化？搅拌功率有何变化？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n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
19、工作状态下计。n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/min2DQVsLVQvvm0Q与Q0的关系见PPT23页公式36nVs ，即Q，则Pg（相同搅拌条件下）n相反，若Vs下降，即使在搅拌条件不变的情况下，Pg也会增加作用于发酵液的剪切作用增加。故：较低的通较低的通气率会使敏感细胞受损气率会使敏感细胞受损。nVs 增大，则通气后发酵液体积也增大。控制气速1.752.0m/minn故发酵液的量计量时一般是称重，而不是量体积。通气对于发酵过程的影响通气对于发酵过程的影响372.传氧nOTR-氧传递速率（摩/米3小时），即：每立方米液体中每小时的溶氧量。n
20、 kLa-体积溶氧系数（1/小时或1/秒）。nC-相应温度、相应压强下的饱和溶氧浓度nC -发酵液中的实际溶氧浓度)(*CCkOTRL382、提高C* C*是发酵条件下，能达到的最大溶氧浓度n在空气中通入纯氧n在可能时提高罐内操作压力n降低发酵温度1、提高kLa提高传氧速率的途径提高传氧速率的途径39影响影响kLa的因素的因素nKLa与操作变量的关系：经验公式之一为与操作变量的关系：经验公式之一为sgLvVPKK)(b可看出，体积溶氧系数与输入单位体积液体的通气搅拌功率、通气线速度相关，而系数K、 则与不同的容器类型、搅拌器类型有关。b注意，两个参数间并非无关：由于vs对于Pg有影响，故单独提
21、高vs（空截面气速）未必能提高传氧速率。40竖式蛇管做挡板：六弯叶涡轮搅拌器，以六箭叶涡轮搅拌器时：六弯叶涡轮搅拌器时：六平叶涡轮搅拌器时：并拟合的。用亚硫酸钠氧化法测定，二层搅拌器，实验是在经验公式之二：578. 0755. 0713. 000. 1488. 0933. 0L83. 809.192 .331dS ,101DW2DH,31DdsLgLasLgLasLgLaLavVPKvVPKvVPKK417 . 07 . 056. 0i8 . 2286. 1NL4200010031NvVPNKsLgiLa为搅拌器的层数。拟合的，式中亚硫酸钠氧化法测定并的发酵罐，容积为层弯叶涡轮搅拌器，实验在经
22、验公式之三：为气体扩散系数其中据拟合出：涡轮式搅拌器得到的数，以平浆式及在不同大小的搅拌罐中以水及甘油为介质，经验公式之三：VwdHQKBBLgLa5 . 05 . 1325 . 08 .406Qg ：工作状态下的通气量，dB, WB分别为气泡平均直径（米），和气泡上升速度（米/秒）42研究影响研究影响kLa的因素，找出关系公式，以便于：的因素，找出关系公式，以便于：n知道哪些变量对其影响大，调整kLa时，从哪些变量下手n进行反应器放大设计n在反应器设计中，计算设计条件下的kLa的值，与实际所需值（小试得来，或由细胞的耗氧速率等理论值间接计算）进行比较，以判定设计的可行性。43（1）增加搅拌器
23、转速N，以提高Pg，可以有效地提高kLa。（2）加大通气量Q（提高vs）。需注意的是，在低通气量时，提高Q可以显著增大 kLa。但当通气量已经很高时，进一步提高Q，Pg也将随之剧烈降低，其综合效果将不会使kLa增加，甚而可能下降。只有在增大Q的同时也相应提高搅拌转速N，使Pg不至过分降低的情况下，才能最有效地提高 kLa。提高提高kLa44四反应器的放大n以某些关键性参数放大后不变为原则，进行放大设计。n内容q几何尺寸放大q空气流量放大q搅拌功率与转速的放大计算n难点，是放大后的：q空气流量q搅拌功率消耗与搅拌转速选空压机搅拌电机451. 几何尺寸放大：按几何相似原则设V1、V2分别为模型罐和
24、生产罐，已知V1/V2=m，据几何相似有：则：故有：2121DDHH3121212222144DDHDHDmVV132DmD132HmH132dmd462.空气流量放大n在已知大罐的尺寸后，接下来计算大罐的 VVM 与 vs。n空气流量放大，常用的有三种放大原则qVVM1VVM2qVs 1= vs 2qKLa 1= KLa 247原则一：若设VVM1VVM22112122:pppDDvvpDVVMDpVVVMvsss故为工作压力其中，由线速度的定义，有6010)21(1013. 01013. 0273273 LtHgPtQQ48原则二：若设Vs 1= Vs 2211212DDppVVMVVMv
25、vmVVM故，同理可得：的定义，有：由Dvps49原则三：若设KLa 1= KLa 2123221123112123232222321115 . 05 . 1325 . 038 .406ppDDVVMVVMDDvvDHDVDvQHVQHVQKVwdHQKssLsgLgLgLaBBLgLa，以及式代入上式，得到：，将此，并且又因为：则有：与其它变量的关系时，来关联此时，若选用公式这两页中的小写p为放大前后罐内平均压力，前后文中大写的P指功率PPT41页50放大原则VVMVs小罐大罐小罐大罐VVM1VVM21113.33Vs 1= vs 210.311KLa 1= KLa 210.51311.71
26、下表是在：下表是在：V2125V1，D25D1，p21.5p1时，采用不同放大方法，计算出来的。时，采用不同放大方法，计算出来的。通常放大后，VVM下降，而线速度上升513.搅拌转速及功率的放大n求放大后的转速N2，与功率P2（此时放大后的通气条件已经计算确定了）n搅拌转速及功率的常见放大原则qP0/VL常数单位体积发酵液所消耗不通气功率相同qPg/VL=常数单位体积发酵液所消耗通气功率相同qKLa =常数52P0/VL常数n由于有故保持上式在放大中不变，则有3120120ddPP322112ddNN230dNVP530dNP 解释了发酵罐体积增大解释了发酵罐体积增大，而搅拌速度反而减小而搅拌
27、速度反而减小53Pg/VL=常数3121224. 012765. 212010208. 012745. 02112252. 0346. 215. 3252. 0346. 515. 3PPVddPPvvddvvddNNvdNPvdNPggsssssgsg故有在放大中不变。，故由某经验公式，有：P22页54KLa =常数967. 021667. 31212681. 02140. 312100223. 021533. 0211246. 256. 032. 1252. 0346. 215. 37 . 07 . 056. 07 . 07 . 056. 0PP,V,8 . 2286. 1ssggsssss
28、LasgsLgLasLgiLavvddPPvvddvvddNNNvdKvdNPNvVPKNvVPNK，则有若此式放大前后不变代入上式，得将即，作为放大基准，在众多关联式中，选用PPT 41页公式55例例1.51.5若有一中试发酵罐，装料量为0.28m3，D0.6m，搅拌器直径为0.2m，搅拌转速为420r/min，不通气搅拌功率为0.9kW，通气时为0.4kW，空气线速度为50 m/h，若将其放大125倍，求生产罐的主要尺寸及主要工艺操作条件。201233112121323132321111111VVMQ，小罐的Q1.5pp3.1m/h 5 .8555012 . 0536 . 01253512
29、528. 0/504 . 0P9 . 0P420N2 . 06 . 0D28. 0同理计算：作业的为：常数的原则，放大后其空气线速度根据故主要尺寸有：，解：已知，若DDvvKmdmdmDmDmVhmvdVssLaLsgL56。为常数时，转速，功率：同理计算以作业常数，有：若选择与功率的计算：对于放大后的搅拌速率V3.24 .875 .85502 . 00 . 14 . 01485 .85502 . 00 . 19 . 0PP5 .1575 .85500 . 12 . 0420967. 0667. 3967. 021667. 31212681. 040. 3681. 02140. 3121223. 0533. 023. 021533. 02112gssggssssLaPvvddPPvvddvvddNNK57n发酵罐放大时，罐尺寸参数按几何比例放大发酵罐放大时，罐尺寸参数按几何比例放大但是其它参数并不按几何比例放大但是其它参数并不按几何比例放大n要清楚放大发酵罐计算时，假设的是什么参数变化，什么不变要清楚放大发酵罐计算时，假设的是什么参数变化，什么不变n不同的放大标准，选定不同的放大标准，选定不同的不变参数，其最终计算出来的放不同的不变参数，其最终计算出来的放大结果也不同大结果也不同，通过实际选用最优。，通过实际选用最优。
