发酵罐设计说明书

1000m3的柠檬酸机械搅拌通风发酵罐设计说明书目录前言1第一章、概述21.1、柠檬酸21.2、柠檬酸的生产工艺21.3、机械搅拌通风发酵罐31.3.1、通用型发酵罐的几何尺寸比例31.3.2、 罐体31.3.3、搅拌器和挡板31.3.4、消泡器41.3.5、联轴器及轴承41.2.6、变速装置41.3.7、通气装置41.3.8、轴封51.3.9、附属设备5第二章、设备的设计计算与选型52.1、发酵罐的主要尺寸计算52.1.1、圆筒体的内径、高度与封头的高度52.1.2、圆筒体的壁厚72.1.3、封头的壁厚72.2、搅拌装置设计82.2.1、搅拌器82.2.2、搅拌轴设计82.2.3、电机功率102.3、冷却装置设计102.3.1、冷却方式102.3.2、冷却水耗量102.3.3、冷却管组数和管径122.4零部件132.4.1 人孔和视镜132.4.2 接管口132.4.3、梯子152.5发酵罐体重152.6支座的选型16第三章、计算结果的总结16设计总结17附录18符号的总结18参考文献2021生物工程设备课程设计任务书一、课程设计题目“1000m3的机械搅拌发酵罐”的设计。二、课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。3、动力消耗、设备结构的工艺设计。三、课程设计的要求 课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体相同，主要基本内容及要求如下： 1、工艺设计和计算 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括：（1）工艺设计设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL，V，VL，Di等）通风量的计算搅拌功率计算及电机选择传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）搅拌器及搅拌轴的设计局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等) 2、设计说明书的编制 设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。 3、 绘制设备图一张 4、 设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。4、 设计的基本依据1、机械搅拌生物反应器的型式通用式机械搅拌生物反应器，其主要结构标准如下：高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：Di=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D挡板宽度：B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2、反应器用途用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐0.50-0.65 发酵罐0.65-0.8发酵液物性参数：密度1080kg/m3 ；粘度2.010-3N.s/m2 ； 导热系数0.621W/m.； 比热4.174kJ/kg.高峰期发酵热3-3.5104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐5-710-6molO2/ml.min.atm ；发酵罐6-910-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐0.4-0.6vvm；发酵罐0.2-0.4vvm3、冷却水及冷却装置冷却水：地下水18-20冷却水出口温度：23-26发酵温度：32-33冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。4、设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25 M Pa前言机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需的氧气。有机酸的种类很多，此次选择的是柠檬酸。柠檬酸发酵为好氧发酵，所以采用机械搅拌通风发酵罐。本设计说明书主要说明了罐体和附件的选材、选型、结构尺寸、壁厚等方面。此次的设计参数如下：项目及代号参数项目及代号参数工作压力罐内0.36MPa；夹套0.23MPa发酵液粘度 2.010-3N.s/m2设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25MPa发酵液导热系数0.621W/m.发酵温度33发酵液比热4.174kJ/kg.冷却水：地下水温度18高峰期发酵热3.4104kJ/h.m3冷却装置列管冷却溶氧系数810-6molO2/ml.min.atm发酵液密度1080kg/m标准空气通风量0.3vvm装料系数0.7冷却水出口温度25第一章、概述1.1、柠檬酸柠檬酸是一种重要的有机酸，又名枸橼酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。结晶时控制适宜的温度可获得无水柠檬酸。在工业，食品业，化妆业等具有极多的用途。柠檬酸发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵 3种方法。固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。采用固态发酵生产柠檬酸，设备简单，操作容易。液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。深层发酵生产柠檬酸的主体设备是发酵罐。微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。原料培养基配置 粉碎实罐液化环境空气原始菌种预处理连消实罐灭菌试管斜面过滤发酵麸曲菌种空压机种子罐空气进化系统无菌空气发酵成熟醪去柠檬酸提取工段1.2、柠檬酸的生产工艺 1.3、机械搅拌通风发酵罐此设计的柠檬酸发酵方法用的是深层发酵法。现多采用通用发酵罐。它的主要部件包括罐体、搅拌器、冷却装置、空气分布装置、消泡器，轴封及其他附属装置。发酵罐径高比例一般是1:2.5，应能承受一定的压力，并有良好的密封性。除通用式发酵罐外，还可采用带升式发酵罐、塔式发酵罐和喷射自吸式发酵罐等。此设计采用的是通用式发酵罐中的机械搅拌通风发酵罐。它主要由罐身、搅拌器、挡板、空气分布器、消泡器、冷却装置、联轴器及承轴、变速装置、轴封、人孔、视镜等组成。1.3.1、通用型发酵罐的几何尺寸比例本设计的发酵罐高径比选取为：H/D2.5；最下一组搅拌器与罐底的距离：C=0.5D 。 1.3.2、 罐体罐体由圆筒体和椭圆形封头焊接而成，材料用不锈钢，且必须能承受一定温度和压力，通常要求耐受130和0.25MPa(绝压)。1.3.3、搅拌器和挡板 搅拌的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气液界面，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。因此，搅拌器在设计时搅应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌器大多采用涡轮式，涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。涡轮式搅拌器轴向混合差，搅拌强度随着与搅拌轴距离的增大而减弱。当培养液较黏稠时，混合效果就下降。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。本设计根据设计要求采用涡轮式搅拌器。挡板的作用是防止液面中央形成漩涡流动，增强湍动和溶氧传质。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。 当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板，无需安装挡板；此设计就不需安装挡板。1.3.4、消泡器消泡有两种方法：一是加入消泡剂；二是使用机械消泡装置。消泡装置可分为两类：一类是置于罐内，防止泡沫外溢，安装在搅拌轴或罐顶另外引入的轴上；另一类是置于罐外，从排出的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。1.3.5、联轴器及轴承搅拌轴较长时，常分为二至三段，用联轴器连接。第一只联轴节的安装位置，对于小型发酵罐可设置在罐顶外机械密封上部；但大型发酵罐将其放置在罐内机械密封下方，上轴一般采用不锈钢材料。本设计将其放置在罐内机械密封下方，材质用不锈钢16MnR ；而轴选用45碳素钢为材料。发酵罐的搅拌轴为超细长轴，常设置底轴承和中间轴承来防止轴的摆动。小型发酵罐用拉杆调节式，大型发酵罐用桁架固定式。本设计采用推力滑动轴系。1.2.6、变速装置发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。本设计采用的是三角皮带传动，它的结构简单、制造成本低、维修量少且方便、噪声小等，因此在柠檬酸行业广泛使用。1.3.7、通气装置 通气装置是将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口向下管口与罐底的距离约为40mm。另一种是开口向下的多孔环形管，现已很少使用本设计采用的是一单孔管通气装置。1.3.8、轴封轴封的作用是防止泄漏和染菌。在发酵罐中动密封有填料密封和机械密封。在柠檬酸行业，一般采用非平衡式单端面机械密封。所选用的材料动环：硬质合金或氧化铝陶瓷；静环：酚醛浸渍石墨或单质石墨；动环密封圈：氟橡胶或耐热橡胶；弹簧：轴径50mm用单弹簧，轴径50mm用多个小弹簧。1.3.9、附属设备附属设备有人孔、视镜能方便的观察发酵液的情况；压力表、温度计接口、热电偶接口可以随时测定罐内的温度、压力等；放料口、取样管、取样口、进料口、补料口、进气口、回流口能方便的进行各种操作；楼梯方便进入罐内。第二章、设备的设计计算与选型2.1、发酵罐的主要尺寸计算 2.1.1、圆筒体的内径、高度与封头的高度 发酵罐由圆筒体和椭圆封头构成；由于柠檬酸发酵的PH=23，具有很强的腐蚀性，所以选用不锈钢16MnR作为罐体的材质。根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；由前面可知，高径比为H/D=2.5，则H=2.5D。设计条件给出的是发酵罐的公称体积（1000m），而 罐的全体积（V）：VV0+2V1 公称体积：筒身体积+底封头体积 有效体积：罐的实际装料体积，它等于罐的全体积V乘以罐的装料系数（） 根据设计条件：H/D=2.5，发酵罐的公称体积为1000m；由参考文献1可得：而发酵罐的公称体积近似为：V公=（/4）D2H+0.15D3, 将数据代入上述公式可得 1000=（/4）D2(2.5D)+0.15D3 D=7.79m圆整后取7800mm，则H=2.5D=19500mm。椭圆形封头体积： 全体积 ：V=V公+V1 由 钢制压力容器用封头（JB/T 4746-2002)标准可知，标准椭圆形封头,带入D可得=1950mm；因此，当公称直径D=7800mm时，标准椭圆封头的曲面高度=1950mm；而=50mm。椭圆形封头的体积为： = =64.48(m3)圆筒体的体积为： = =931.31(m3)则公称体积为： = =995.79（m3）全体积为： =995.79+64.48 =1060.27(m3)有效体积为： = =742.189(m3)公称体积验证：1000995.79，即，因此可认为D=7800mm是合适的.2.1.2、圆筒体的壁厚根据前面所作的分析，可知本发酵罐选用不锈钢16MnR制作罐体和封头。设计壁厚： ，式中：p表示设计压力，p=0.4MPa；=7800； =170MPa（参考文献3钢板许用应力表）；=1.0（双面对接焊缝，100%探伤，焊接头系数表）；,其中C1=0.8（参考文献3钢板负偏差C1表），=1(低合金钢单面腐蚀)。数据代入上式可得：圆整后取=14厚的16MnR钢板制作罐体。2.1.3、封头的壁厚由前面可知本设计采用标准椭圆形封头。设计壁厚d ，按下列公式计算：式中：=1.0，符号同前面。圆整后取 =14厚的16MnR钢板制作封头。校核罐体与封头水压试验强度，根据下列公式： 式中： ； = =14-1.8=12.2,=345（参考文献3钢板许用应力表）160.09=0.9345=310.5上式成立，所以水压试验满足强度要求。因此封头的壁厚为14mm。2.2、搅拌装置设计2.2.1、搅拌器选用涡轮搅拌器，根据设备要求以及参数要求，本设计选用六弯叶涡轮搅拌器。尺寸要求搅拌器直径D1=D/3，D1:d1:L:B=20:15:5:4,搅拌器间距S=D,根据发酵罐直径D可以确定相关搅拌器的尺寸。 搅拌器直径D1=2.6m；盘径d1=1.95m；叶长L=O.63m； 叶高B=0.52m ；最下一组搅拌器与罐底距离C=0.5D=0.57.8=3.9m 。 2.2.2、搅拌轴设计搅拌轴选用45碳素钢材料，相关参数如下：硬度（HBS）抗拉强度屈服点弯曲疲劳极限剪切疲劳极限 A值217-255640355275155103（1）、搅拌轴的直径计算 搅拌轴的直径d搅=A 式中：P-轴传递功率； A-取决于材料许用剪切力的系数； n-轴的转速。 P=Kn3D15 式中：K取湍流值为4.7；D1搅拌器的直径2.6；n转速；柠檬酸发酵液密度1080kg/m3。 搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V(单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同)为基准放大求得.即：其中：n1模型搅拌器的转速，n=110r/min； d1模型搅拌器直径，d=2.6m； d2放大的搅拌器直径，d=1.7m。 将各值代入上式：n2=110=59.92r/min=1.0r/sP=Kn3D15=4.71.032.651080=603.098KWd搅=A=103=0.2m（2）、搅拌轴的高度底距选择0.2D=0.27.8=1.56m，即搅拌轴高度设计为19.5-1.56=17.94m，经综合考虑选择18m。（3）、搅拌器的间距和层数此发酵罐容器选用搅拌器3层，最后一组搅拌器到罐底的距离设计为C=0.5D=3.9m，搅拌器的间距根据要求参考设计为r=6m。（4）、轴承与联轴器选用轴承选用推力滑动轴系，两个轴承（一个中间轴承和一个底轴承），搅拌轴较长，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连接。选用鼓形联轴器。（5）、搅拌轴功率计算不通气条件下的轴功率根据以上P0的确定，P0=603.098KW通气条件下的轴功率根据设计要求QG=6m3/min,则Pg=C,C值为0.101-0.157，n为搅拌转速r/min，QG为工况下的通气量m3/min,P为搅拌器的轴功率。即Pg=0.157=728.5732kw2.2.3、电机功率 选择大功率型的电动机： 采用三角带传动1=0.92；滚动轴承2=0.99，滑动轴承3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：2.3、冷却装置设计2.3.1、冷却方式发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。2.3.2、冷却水耗量 各类发酵液的发酵热发酵液发酵热(kJ/h)青霉素丝状菌23000青霉素球状菌13800链霉素18800四环素25100红霉素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制剂1470018800 由上表可得柠檬酸的发酵热为：Q=KJ/（h.） =KJ/h（1） 对数平均温度差发酵液温度为33，冷却水进口温度为18，出口温度25，则平均温度差tm为： （2）总传热系数 根据经验取值为： K=2100KJ/()（3） 冷却面积根据传热面积传热方程式计算如下所示： 式中：S传热面积，m2 Q单位时间传热量，kJ/h tm平均温度差， K总传热系数，kJ/(m2h) S= 实际情况采用。（4） 冷却水耗用量由实际情况选用进出口水温为18、25，则根据公式： 式中：Q发单位时间传热量，kJ/hCP冷却水的平均比热，取4.186kJ/(kg)t2-t1冷却水进出口温度差把 W=冷却水体积流量为，取冷却水在竖直蛇管中的流速为=1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积： 2.3.3、冷却管组数和管径设冷却管总表面积为，管径，组数为n，则取n=10，求管径。由上式得： 其中查金属材料表选取1083.5mm无缝管。冷却管总长L： 每圈列管的长度： I=其中：D冷-蛇管圈直径； h-蛇管间距离每组蛇管圈数： 总圈数：（圈）冷却管总高度：2.4零部件2.4.1 人孔和视镜（2） （1）人孔视镜是用来观察设备内部的情况和物料液面的变化情况。本设计根据NBT 47017-2011选用DN150 的不带颈视镜，并且带有非设计人孔的作用是为了方便发酵罐内部附件安装、修理及对内部设备的检查、清洗。根据发酵罐是在常温及最高工作压力为0.36MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为0.6MPa的等级选取。从人孔类型系列标准可知，公称压力为0.6MPa的人孔类型很多。本设计考虑人孔盖易于打开，且密封性好，故选用回转盖板式平焊法兰人孔。查HG/T 215142005选用DN500mm 人孔，密封面形式为凸面，安装位置在上封头处。该人孔标记为：HG/T 215162005 人孔RF（A.G）5000.6（3） 视镜防爆型射灯和冲洗装置；视镜的材质为不锈钢，防爆等级为EEx d IIC T3。视镜分别安装在上封头对称的两侧。 该视镜标记为：视镜 PN0.6 DN150 IISBW 2.4.2 接管口（1）接管的直径是根据工艺计算而来的，例如以下所示：排料管设发酵醪液流速v=2m/s，2h 排尽。 发酵罐料液体积：V1=742.189m，物料体积流量Q=742.189/（36002）=0.1031m/s，则排料管截面积F=Q/v=0.052m2，又F=0.785d2，得d=0.26m。查化工原理上册附录17，选用2736.5mm的无缝钢管。配用具有凸面密封的带颈平焊管法兰，法兰标记：HG20594 法兰SO2600.6 RF Q235A。 排料管开在罐底。进风管由前面的设计可知标准空气通风量为0.3vvm.5根据换算公式：通气比=通气速率（单位：m3/min）/发酵液体积（单位：m3）；则通风量Q风为：=3.711（m3/s）把通风量在常温20、0.1MPa的情况下，要折算成0.4MPa、33的状态下。则此时的通风量为： 根据气态方程式可得： ；若取风速Vf=25(m/s)，则进风管截面积Af为：而；则进风管直径df为：查化工原理上册附录17，选取2457.5的无缝管。管法兰：HG20594 法兰SO2300.6 RF Q235A。 进风管开在最下端一个搅拌器下的罐身上。（2） 管道接口（采用带颈平焊法兰连接）排料口：2736.5mm，开在罐底；法兰标记：HG20594 法兰SO2690.6 RF Q235A。进风口：2457.5mm，开在最下端一个搅拌器下的罐身上；进料口：2736.5mm，开在上封头上；取样管：503mm，开在上封头上；取样口：503mm，开在上封头上；补料口：1024mm，开在上封头上；进气口：2036mm，开在上封头上；回流口：1945mm，开在上封头上；冷却水的进、出口：开在罐身。（3）仪器接口温度计接口：装配式热电阻温度传感器Pt100 型，D=100mm，开在罐身上；热电偶接口：选用S型热电偶，202mm，开在罐身上；压力表接口：弹簧管压力表，d1=20mm，精度1.6，型号Y-250，开在封头上（参考杭州富阳华博仪表有限公司生产标准）；开在上封头上。2.4.3、梯子梯子是为了在维修，清洗等方面方便。本设计选用的是直梯，一直从人孔往到罐底；梯子的材质采用20的圆钢，间距为宽度350mm，高度300mm。2.5发酵罐体重 已知发酵液的体积为742.189m3，发酵液的密度1080kg/m，不锈钢的密度为7930kg/m；发酵罐的壁厚是14mm，筒体高为19500mm，封头的直边高为50mm，曲面高为1950mm。根据这些参数，即可计算出发酵罐的体重。（1） 封头质量（m1）根据压力容器封头GB/T25198-2010的封头质量计算公式： = =348.6（20.371+0.3907） =7.24103（）则两个封头的质量为：（2） 圆筒体的质量（m2）把筒体看作长方体，则圆筒体的体积为： = =6.69(m3)则圆筒体的质量为： =5.31104（）（3） 发酵液的质量（m3） =742.1891080 =8.02105（）（4） 附件质量（m4）附件的质量约为1000，即m4=1000。（5） 总质量（m总） =1.448103+5.31104+8.02105+1.0103 =8.57548105（）2.6支座的选型（N）8.41103（KN）则根据以上的计算结果选用支承式支座，6个。 第三章、计算结果的总结罐 体名称或符号结果名称或符号结果公称直径（D）7800mm罐体高度（H）19500mm直径7824mm封头直边高度（H1）50mm壁厚14mm封头曲面高度（hb）1950mm公称体积（V公）995.79(m3)全体积（V）1060.27(m3)有效体积（V有）742.189(m3)搅拌器搅拌器直径（D1）2.6m盘径（d1）1.95m叶长（L）O.63m叶高（B）0.52m最下一组搅拌器与罐底距离（C）3.9m搅拌轴的高度18m搅拌轴直径（d搅）0.2m搅拌轴的间距（r）6m搅拌轴不通气的轴功率（P）603.098KW搅拌轴通气的轴功率（Pg）728.5732kw电机功率(P电)825KW冷却管冷却水耗用量（W）（）冷却管型号1083.5（mm）冷却面积（S）380（m2）冷却管组数10（组）冷却管圈数120（圈）附件人孔公称直径500mm视镜公称直径150mm排料管29915mm进风口24510mm进料口29915mm取样管503mm取样口503mm补料口1024mm进气口2036mm回流口1945mm压力表接口公称直径20mm温度计接口公称直径100mm热电偶接口202mm梯子宽度350mm，高度300mm。设计总结在这次课程设计中，我们组设计的课题是机械搅拌通风式生物反应器。通过这次设计，我学会了怎么设计罐体壁厚以及封头壁厚，并学会了设计机械通风反应器的基本步骤。从最开始的计算到数据的整理在到画图，以及在后来的说明书的的拟订。虽然是困难重重，但终于完成了。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。没人可以一步登天，脚踏实地才是最重要的。总观总个设计过程中翻阅了学过的各种关于力学，制图，公差方面的书籍，综合运用了这些知识，感觉提高许多。对于各种线宽度，没有实际的概念，再比如标注较混乱。此刻才明白课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习