50M3机械搅拌通风发酵罐的设计说明书

1、产物是初级代谢产物， 牛顿蛇管冷却， 初始水温： 18，设计 50M3 机械通风发酵罐， 应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸， 型流体， 二级发酵。发酵罐高径比为 2.8，生产场地为南方某地， 出水温度 26。1. 设计方案的拟定我设计的是一台 50M3机械搅拌通风发酵罐 , 发酵生产柠檬酸。经查阅资料 1 ，得知生产 链霉素的菌种有黑曲霉、温氏曲霉、梨形毛霉、淡黄青霉、二歧拟青霉、棒曲霉、泡盛曲 霉、芬曲霉、丁二烯酸曲霉、斋藤曲霉及宇佐美曲霉、绿色目霉、黑粉霉等，综合生产能 力、菌种稳定性、传统经验等因素选择黑曲霉，该菌种最适发酵温度为30， pH为 2-3 ，培养基为蔗糖发酵培养基，主要由蔗糖

2、、硝酸铵、盐酸和水合硫酸镁等所组成。发酵罐主要由罐体、封头、冷却蛇管、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它 的一些附件组成。这次设计就是要对机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力， 温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产 生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系 列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定 , 完成整个装备图，完成 这次设计。这次设计包括一套图样，主要是装配图，还有一份说明书。而绘制装配图是生物工程 设备的机械设计核心内容，绘制装配图要有合理的选择基本视图和各种表达方式，有

3、合理 的选择比例，大小，和合理的安排幅面。说明书就是要写清楚设计的思路和步骤，把整个 设计的运算过程和相应的表格列明。表 1-1 发酵罐主要设计条件步骤项目及代号参数及结果备注1发酵菌种黑曲霉根据参考文献【 1】选取2工作压力0.20Mpa由工艺条件确定3设计压力0.25Mpa由工艺条件确定4发酵温度30 C根据参考文献【 1】选取5设计温度150 C由工艺条件确定6冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定7培养基蔗糖发酵培养基根据参考文献【 1】选取由工艺条件确定8工作 pH23由工艺条件确定9设定 pH312 罐体几何尺寸的确定2.1 夹套反应釜的总体结构夹套反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置

4、，轴封装置，支座，人孔，工艺接 管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低 压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是 为为带动搅拌装置设置的，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动 密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完 整的夹套反应釜。2. 2 几何尺寸的确定根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比 H /D=2.8 ，则 H=2.8D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（ 50m3 ）公称体积 V 罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和V D2 hb 1

5、D D2H0 504 b 6 4 0 2 2 发酵罐全体积近似： （公称体积 上封头体积） V0 4 D2H 0.15D2 可得罐体直径 D2879m，m取整 D=2900m，mH=2.8D=8120mm 根据直径 D查文献资料 7 可得封头总高度 765mm，封头体积 3.12 m3，H0=8120-7652=6590mm，由此可得 Di = 1/3D= 1/3 2900=966.77mm 取整 970mmB 挡板宽度 ha 椭圆封头短半轴长度 S 搅拌叶间距B = 0.1D=0.1 2900=290mmS = 3Di=3 970=2910mmC = Di=970mmHa=0.25D=0.2

6、52900=725mmHb=765-725=40mm hb椭圆封头的直边高度C 底搅拌叶至底封头高度Di 搅拌叶直径D罐体直径Ho 罐体直筒部位高度表 2-1 大中型发酵罐技术参数公称容筒体高度筒体直换热面转速电机功量 m3H（mm）径 mm积 m2r/min率 kw1032001800121507.521470022002115430306600240034180455070002800-300038-60160556080003000-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表 2-2 50

7、m3 发酵罐的几何尺寸步骤项目及代号参数及计算结果备注1公称体积50m3计算2全体积353.12 m3计算3D2900mm计算计算3计算45678910HH0BSCHaHb8120mm6190mm290mm2910mm970mm725mm40mm2.3 罐体主要部件尺寸的设计计算2.3.1 罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式因柠檬酸呈酸性（ pH 值为 2-3 ），对金属罐体很容易腐蚀腐蚀，所以罐体和封头都使 用 16MnR钢，内涂环氧树脂防腐，封头设计为标准椭圆封头，因 D500m，m 所以采用双面缝 焊接的方式与罐体连接。2.3.2 罐体壁厚pD2pC(mm)0.25 29002

8、 137 0.8 0.253 6.3(mm)D罐体直径（ mm） p耐受压强 （ 取 0.25MPa） 焊缝系数，双面焊取 0.8 ，无缝焊取 1.0 设计温度下的许用应力（ kgf/c m2 ）（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa)C 腐蚀裕度，当 C10mm时， C3mm2.3.3 封头壁厚计算pDy2C(mm)0.25 2900 2.32 137 0.83 10.6(mm)D罐体直径（ mm） p耐受压强 （ 取 0.25MPa） y开孔系数，取 2.3 焊缝系数，双面焊取 0.8 ，无缝焊取 1.0 设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150， 137MPa

9、）C 腐蚀裕度，当 C10mm时， C3mm2.4 、挡板挡板宽度 b 取 0.1D，装设 46 块即可满足全挡板条件。根据下式计算挡板数 n：0.5由此可得 n=5b 0.1 D nnDD式中 b 挡板宽度， mm； D 罐内径， mm； n 挡板数， mm。2.5 搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据 d确定 h和 b的值尺寸：六 弯叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也 大；查阅文献 3可知 50 m3发酵罐采用 6-6-6 箭叶式搅拌叶 叶径 : d=1000mm盘径: di= 13/20d=13/20 1000=650mm叶高

10、: h = 3.5/20d =3.5/201000=175mm叶长: b = 0.25 d=0.25 1000=250mm2.6 人孔和视镜 人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设计只设置了 1 个人孔， 标准号为： HG215201995 人孔（RA2707） 500-1.0 ， 直径为 600mm，高度为 260mm，开在顶封头上，左边轴线位于离中心轴 1000mm处 视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了 2 个视镜，标准号为 PN1.6，DN100A HG21505-1992直径为 DN150m，m高度为 52mm，开在顶封头上，位于俯视面左下 45 度和

11、右上 45 度距离中心轴线 1200mm处2.7 接口管2.7.1 管道接口：（ 采用法兰接口）进料口：法兰型号为PN0.6 DN150,接口管规格159 4.5mm，开在封头上。排料口：法兰型号为PN0.6 DN200,接口管规格209 4.5mm，开在罐底。进气口：法兰型号为PN0.6 DN150,接口管规格159 4.5mm，开在封头上。排气口：法兰型号为PN0.6 DN150,接口管规格159 4.5mm，开在封头上冷却水进、出口： 89 4mm，开在罐身；补料口：法兰型号为 PN0.6 DN150,接口管规格 159 4.5mm，开在封头上 取样口：法兰型号 PN0.6 DN65,接

12、口管规格 ，开在封头上。2.7.2 仪表接口 ：温度计：DN32mm压力表：DN25mm液位计：采用标准： HG5 1368 型号： R-61直径： 550（260 14）mm ，开在罐身上；溶氧探头： TN-2509pH探头： YP-100A表 2-3 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果步骤项目及代号参数及结果备注1罐体材料16MnR 钢由工艺条件确定2罐体壁厚6.3mm计算3封头壁厚10.6mm计算4人孔一个 DN600根据参考文献【 2】选取5视镜两个 DN150根据参考文献【 2】选取6搅拌器种类六箭叶根据参考文献【 2】选取7搅拌器层数3层根据参考文献【 2】选取8搅拌器直径1000m

13、m根据参考文献【 2】选取9进料口直径159 4.5mm根据参考文献【 3 】选取10排料口直径159 4.5mm根据参考文献【 3 】选取11冷却水进、出口894mm根据参考文献【 3】选取12进气口159 4.5mm根据参考文献【 3 】选取根据参考文献【 3】选取根据参考文献【 3】选取6根据参考文献【 3】选取13排气口159 4.5mm14补料口159 4.5mm15取样口DN65mm16温度计DN32mm17压力表DN25mm18液位550(260 14)mm19溶氧探头DN63mm20PH 探头DN60mm2.8 冷却装置设计2.8.1 冷却方式：发酵罐容量大，罐体的比表面积小。

14、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。2.8.2 装液量发酵罐装料系数： 80%发酵罐装料液体积： v1=全体积装料系数 =53.12 80%=42.5m3 不计算下封头时的装液体积： v 柱 =v1- 下封头体积v柱 v1 4D2 hb 61 D242.52.92439.0 m310.04 2.9622装液高度： h1 v柱 / 0.785 D2 39.0 /(0.785 2.92) 5.91m单位时间传热量发酵热装料量，即：53Q=Q发v1=1170042.5=4.98 105 KJ/m3表 2-4 各类发酵液的发酵热发酵液发酵热(

15、KJ/m3 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14700-18800QCp (t2 t1)2.8.3 冷却水耗量( W) 由课题给出进出口水温为 18 、26，则4.186 (26 18) 1.49 104(kg/h)Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取 4.186 kJ/ (kg ) t2 t1 冷却水进出口温度差对数平均温度差 ，由工艺条件知道 tF =30， t1 冷却水进口温度 t2 冷却水出口温度 tF 发酵温度tm(tF t 1) (tF t2)(30 18) (

16、30 26)2.303lgtF t 1 tF t22.303lg30 1830 267.282.8.4 冷却面积( A)QK tm535.42m4.98 1053103tm 对数平均温度差K传热总系数，取 1.931 103 kJ/(m 2 h)冷却面积 ( m2) A= dL 冷却蛇管总长度 (m)L A 35.42212.8m,取整 L 220m,分为 4组，每组长取 55md 3.14 0.053d蛇管内径，d外径壁厚 603.5mm外径取 60mm，壁厚取 3.5mm蛇管一般分为 4组，则每组长度： L/6 =55m 每圈蛇管长度l ( D p)2 hp2 (3.14 3)2 0.10

17、2 9.42mD蛇管圈直径， 3mhp 蛇管圈之间的距离，取 0.10m蛇管总圈数L 240Np L 240 23.35圈 取整 24 圈，每组 24/4=6 圈 p l 9.42蛇管总高度H (N p 1)hp (24 1) 0.10 2.3m验算每组蛇管堆叠的厚度： d蛇m 因 蛇 管 对 称 分 布 ， 则d =2 d蛇 =1.92m, 再加上搅拌叶的直径 Di=0.97m，靠近筒壁的蛇管与筒壁之间的距离为 0.1m，即 D=d+Di+(0.1 d外径 2)=1.92+0.97+(0.10.062)=2.91m因 DD=3.4m, 所以蛇管能全部放进发酵罐内部，而且高度低于液柱高度，故蛇

18、管的设计符合要求。3表 2-4 50m3 发酵罐冷却装置设计计算结果步骤 项目及代数参数及结果备注1发酵罐装料系数80%由工艺条件确定2装料量42.5m3计算3单位时间传热量4.98 105KJ/ m3计算4冷却水耗量（ W）41.49104kg/h计算5冷却面积（ m3）335.42m3计算6冷却蛇管规格（ mm） 303.5mm根据参考文献【 2】选取7冷却蛇管总长度（ m）220m计算8冷却蛇管高度（ m）2.3m计算2.9搅拌器轴功率的计算2.9.1 不通气条件下的轴功率 P0 计算鲁士顿 （Rushton J. H.） 公式： P0 N p 3 LDi5135 3 53.7 （ ）3

19、 1044 0.975 37.78kw60P0 无通气搅拌输入的功率（ W）；N p 功率准数，是搅拌雷诺数 ReM 的函数；涡轮转速（ r/min ）；L 液体密度（ kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取 8001650 kg/m3 ； D 涡轮直径（ m ）；圆盘六平直叶涡轮NP 6圆盘六弯叶涡轮NP 4.7圆盘六箭叶涡轮NP 3.7由于一般发酵罐中 D /d 3 ，HL 310因此搅拌功率可用下式校正：P fP0 1.42 kw f 为校正系数，它由下式来确定：1 (2900) (59103 970 9701.42发酵罐直径（ D）、搅拌器直径 （d） 、液柱高度 （HL）对于多层搅拌

20、器的轴功率可按下式估算：Pm P(0.4 0.6m) 53.65 (0.4 0.6 3) 118.03kwm 搅拌器层数。2.9.2 通气搅拌功率 Pg 的计算根据设计 Q取 3 m3 /minPg 2.25 10 (3P02 Di3)0.39Q0.08 )2.25 10 3( 37.782 135 973 )0.39( 30000000.08)34.33kwP0无通气搅拌输入的功率（ kW） 涡轮转速（ r/min ）Di 涡轮直径（ m）Q通气量（ m 3 /min ），可取 16 m 3 /min2.9.3 电机及变速装置选用根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率Pm 搅拌轴

21、功率PT 轴封摩擦损失功率传动机构11根据生产需要选择三角皮带电机。三角皮带的效率是 0.92 ，滚动轴承的效率是 0.99 ， 滑动轴承的效率是 0.98 ，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率 P Pm PT118.03（1 1%） =134kw0.92 0.99 0.98表 2-5 发酵罐搅拌功率的设计计算结果步骤项目及代号参数及结果备注1不通气条件下的轴功率 P,kw37.78kw计算2通气条件下的轴功率 P,kw34.33kw计算3轴转数 n,r/min135 r/min根据参考文献【 2】选取4多层搅拌器的轴功率118.03kw计算5电动机功率134kw计算型号： Y335-8根据参考文献【 2】选取6电动机选择功率 :145kw转速： 1000r.p.m7轴径125根据参考文献【 2】选取8传动装置三角皮带根据参考文献【 2】选取9减速装置三角皮带型号和根数D8根根据参考文献【 2】选取小皮带轮直径 /mm335根据参考文献【 2】选取大皮带轮直径 /mm1860根据参考文献【 2】选取3 设计小结在此次课程设计中， 通过设计了 50m3机械通风发酵罐， 该反应器利用黑曲霉菌种进行 柠檬酸的发酵生产，发酵温度为 310C。反应器的材料为 16MnR钢，内涂环氧树脂防腐蚀； 罐体几何尺寸为公称直径 29