课程设计书(70M3发酵罐)

1、 第一章 设计方案的分析、拟定 我设计的是一台70M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产红霉素。经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红色链霉菌、红霉素链霉菌、红色糖多孢菌，综合最适发酵温度、PH、等因素选择红霉素链霉菌，该菌种最适发酵温度为31，pH为6.67.2，培养基为发酵培养基，主要成分为淀粉10%、黄豆饼粉5%、硫酸铵0.5%、磷酸二氢钾0.2%、碳酸钙2%。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，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

2、、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視图，和各种表达方式，有合理的选择比例，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。压力P除注明外，压力均指表压力，单位用MPa表示。工作压力指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。 一般在装有安全阀时Pd

3、=(1.051.1)Pw 当无安全阀时，Pd=(1.01.05)*1、设计压力 容器的设计压力是指相应的设计压温度下，用以确定壳体厚度的压力，其值不得小于最高工作压力。容器的最高工作压力是指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高表压力。*2、设计温度 设计温度是指容器在正常操作情况，在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件的金属温度大于等于0时设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，当元件金属温度低于0时设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。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发酵菌种红色链霉菌由工艺条件确定

4、2工作压力00.1MPa由工艺条件确定3设计压力0.20.3MPa由工艺条件确定4发酵温度31根据参考文献“现代工艺级生物学”选取5设计温度温度100140由工艺条件确定6冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定7培养基发酵培养基，主要成分为淀粉10%、黄豆饼粉5%、硫酸铵0.5%、磷酸二氢钾0.2%、碳酸钙2%根据参考文献“现代工艺级生物学”选取 第二章 机械通风发酵罐设计 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，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

5、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=1.8 初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积。 公称体积 罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。1、 全体积公称体积和上封头体积之和：H/D=1.73.5Di/D=1/21/3B/D=1/81/12C/Di=0.81.0S/Di=25/D=1.3Di 搅拌叶直径D罐体直径 罐体直筒部位高度 B 挡板宽度ha 椭圆封

6、头短半轴长度S 搅拌叶间距C 底搅拌叶至底封头高度hb椭圆封头的直边高度假设H0/D=1.3，根据设计条件罐的公称体积为70m3由公称体积的近似公式V=0.785×D2×1.3D+0.15D3=70，解得D=3910mm ,取整为4000mm。H=1.8D=1.8×4000=7200mm查阅文献7 ，当公称直径DN=4000mm时，标准椭圆封头的曲面高ha=1000mm，直边高度hb=50mm，总深度为Hf=1050mm，容积=0.785×42×(0.05+1/6×4)=9.0013mm3可得罐直筒高度H0=H-2×1050

7、=5100mm则此时H0/D=5100/4000=1.2753，与假设相近，故D=4000合适。发酵罐的公称体积V=0.785×42×5.1+9.0013=73.07m3全体积V0=0.785×42×5.1+9.0013×2=82.07 m3搅拌叶直径Di=1/3×D=1/3×4000=1334mm搅拌叶间距S=3DI=4000mm底搅拌叶至底封头高度C= DI=1334mm表2：75m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积m370设计条件全体积m382.07计算罐体直径D mm4000计算总高度H mm7200

8、计算筒体高度H0 mm5100计算搅拌叶直径Di mm1334计算封头曲面高度ha mm1000计算椭圆封头直边高度hb mm50计算底搅拌叶至底封头高度C mm1334计算搅拌叶间距S mm4000计算2.3主要部件尺寸的设计计算2.3.1考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式 发酵罐材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢等。相对其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀不大，但必须能耐受一定的压力和温度，通常要求耐受130150 的温度和0.3MPa的压力。 例如：腐蚀性不大的发酵液，如酶制剂发酵可以选用16MnR钢；柠檬酸为弱酸，对罐体使用A3钢会有腐蚀，使用不锈钢成

9、本较高。考虑使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。即可达到要求，又降低成本。 综合各因素，该发酵罐发酵生产红霉素，由于发酵液腐蚀性不大，我们选择不锈钢16MnR钢2.3.2 罐体壁厚：取决于罐径及罐压的大小1=+C=+3=7.42mm 取整为1=8mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (设计压力取0.4MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 罐体金属材料在设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C<10mm时，C3mm 压力容器设计规范和制造技术标准全国压力容器标准化技术委员会： GB150钢制压力容器在1989年3月第一版，

10、1998年第二版 JB4732钢制压力容器-分析设计标准 1995年 JB/T4735钢制焊接常压容器 1989年 JB/T4700-4707压力容器法兰 2000年 钢材的使用上限不超过GB150-1999的各许用应力表的各钢号所对应的上限温度。2.3. 3封头壁厚计算：常大于罐体壁厚2=+C=+3=13.15mm取整得2=14mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.3MPa)K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（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C 腐蚀裕度，当 C<10mm时，C3mm 2.4挡板通常挡板宽度b

11、取(0.10.12)D，装设46块即可满足全挡板条件。根据下式计算挡板数n：取b=0.1D, 得出挡板数n=5块式中 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：六平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；叶径: d=(0.30.4)D 盘径: di= 0.75 d叶高: h = 0.3d叶长: b = 0.25 d根据D=4m,叶径: d=1/3D=1/3×4000=1333.3333mm盘径: di= 0.75 d=1000mm叶高: h =

12、0.3d=444.4444mm 叶长: b = 0.25 d=333.3333mm 2.6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： HG215151995 人孔（R·A2707） 450，开在顶封头上，位置：角度。视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了1个视镜，开在顶封头上，位置：角度 。 2.7接口管2.7.1 排料管的选择计算设装料系数为75%，3小时内排空，则有：罐实际醪料量为82.07×75%=61.55 m3物料体积流量Q=V1/3h=61.55/（4000×3）=0.0051m3/

13、s取流速v=1m/s则排料管截面积F=Q/v=0.0051/1=0.0051m3又排料管截面积F=0.785d2,算得d=0.081(m)取 108×4mm无缝管,108mm>89mm,可以满足工艺要求。核算：物料流量Q=0.0051 m3/s，流速v=1m/s;管道截面积F=0.785×0.1082=0.0092m2在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为n=则排料时间：t=3×0.55=1.65h进料管径其管径与排料口相同。2.7.2 气管直径的选择 按通风管计算，压缩空气在0.3MPa下，支管气速为2025m/s。现通风

14、比0.10.18vvm，为常温下20，0.1MPa下的情况，要折算0.3MPa、32 状态。风量Q1取大值Q1=25×0.18=4.5m3/min=0.075m3/s利用气态方程式计算工作状态下的风量QfQf=0.075××=0.22m3/s取风速v=20m/s，则风管截面积Ff为Ff=Qf/v=0.22/20=0.0110m2则气管直径d气为：d气=取 159×4.5mm无缝管，159mm>118.382mm,可满足工艺要求。2.7.3 仪表接口温度计：PT100铂电阻-DOCOROM常用温度传感器型号-TR/02125装配式热电阻，开

15、在罐身上；压力表：弹簧管压力表（径向型），精度2.5，型号：Y150，开在封头上；液位计：采用HG5-1366-80反射式玻璃板液位仪，开在罐身上；溶氧探头：A1-900MAX；pH探头：SBH03-871PH-3P1A-3型；2.8 管道接口进料口：  108×4mm排料口：  108×4mm进气口：  159×4mm排气口：  159×4mm冷却水进、出口： 108×4mm补料口：  108×4mm取样口：  108×4mm2.9 支座的选择根据技术，查阅文献，

16、要求选择序号是8的A型耳式支座。 A型耳式支座表2-2  发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果项目及代号参数及结果备注罐体材料16MnR钢工艺条件确定罐体壁厚8mm计算人孔HG21518-95 一个由文献【2】选取封头JB/T4746-2002 两个由文献【7】选取封头壁厚14mm计算焊接方式双面焊取由工艺条件确定搅拌器种类六弯叶涡轮式搅拌器由工艺条件确定搅拌器层数2层由工艺条件确定搅拌器直径1334mm计算视镜1个由工艺条件确定进、排料口直径108×4mm由工艺条件确定进、出气口直径108×4mm由工艺条件确定冷却水进出口直径76×3.5mm由工艺条件确定

17、补料口直径108×4mm由工艺条件确定取样口直径108×4mm由工艺条件确定温度计TR/02125 一个由文献【1】选取压力表Y150 一个由文献【1】选取液位计HG5-1366-80 一个由文献【1】选取溶氧探头A1-900MAX 一个由文献【1】选取PH探头SBH03-871PH-3P1A-3由文献【1】选取支座A型 四个由文献【1】选取2.8冷却装置的设计（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，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质。 （2）装料量装料系数取75%，则实际装液量V1=V075%=82.07×75%=61.55m3V

18、柱=V1-下封头体积=61.55-9.0013=52.55m3装液高度h1= V柱/（0.785D2）=52.55/（0.785×42）=4.18m（3）单位时间传热量单位时间传热量发酵热×装料量,查得红霉素发酵热为26300kJ/m3*h 即：查阅文献得各类发酵液的发酵热发酵液发酵热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14700-18800（4） 冷却水用量（W）单位时间传热量Q=Q发×V1=26300×61.55=1.619&#

19、215;106KJ/h 冷却水耗量W=Q/Cp（t2-t1）=1.619×106/4.186×(23-18)=7.74×104kg/htm=(tF-t1)-(tF-t2)/2.303lg(tF-t1)/(tF-t2)=11.314（5） 冷却面积（A）取整为80m2A=79.50m2 取整80m2冷却管总长度L=335.023m取整L=336，分为6组，每组长L0=56m其中，d取76mm，壁厚3.5mmK取1.8×103kJ/（m2·h·）分6组，每组56m每圈蛇管长度L= =9.42mD蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取0

20、.19m每组蛇管圈数Np=L0/L=56/9.42=5.946 故总圈数为3×6=18蛇管总高度表2-3 70发酵罐冷却装置设计计算结果项目及代号参数及结果备注装料系数75%由工艺条件确定装料体积m361.55计算装料高度m4.18计算总发酵热kJ/h1.619×106计算冷却水消耗量kg/h7.74×104计算冷却面积m280计算蛇管总长度m336计算蛇管总高度m3.23计算蛇管组数6由工艺条件确定每组蛇管圈数6计算蛇管规格mm57×3.5根据参考文献选取2.9 搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）2.9.1不通气条件下的轴功率P0计算取发酵醪液

21、黏度，密度=1000kg/m3，搅拌转速=130r/min 则雷诺准数Re=2.95×106因为Re，所以发酵系统为湍流状态，即有效功率系数=4.7鲁士顿(Rushton J. H.)公式：P0=Np3Di5=198.94kw15P0无通气搅拌输入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数Re的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7涡轮转速（r/min）；液体密度，取1050 kg/m3 ；涡轮直径（m）；对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：Pm=P（0.4+0.6m）=198.94×（0.4+0.6×2）=318.30kwm-搅拌器层数。2.9.2通气搅拌功率Pg的计算注：

22、P0无通气搅拌输入的功率（W） n=涡轮转速（r/min），取130 r/min涡轮直径（m），1.34mQ通气量（/min），取4/min计算Pg=178.13kw2.9.3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。搅拌轴功率轴封摩擦损失功率，一般为传动机构效率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=（Pg+PT）/=178.13/（0.92×0.98×0.99）×（1+1%）=201.56kw23搅拌轴直

23、径，n为转速（单位为转/分）取A=100故d=100×（201.56/130）1/3=115.74mm根据文献选轴径为130mm 机械搅拌发酵罐的结构1轴封 ； 2人孔； 3梯； 4联轴；5中间轴承； 6温度计接口；7搅拌叶轮； 8进风管；9放料口； 10底轴承；11热电偶接口；12冷却管；13搅拌轴； 14取样管；15轴承座； 16传动皮带；17电机； 18压力表；19取样口； 20人孔 21进料口； 22补料口； 23排气口； 24回流口； 25视镜； 图2.1 大型发酵罐结构图查阅文献知：机械传动的效率传动机械h，%三角皮带9095伞齿轮9095正齿轮9095涡轮（三线或四线）

24、7090涡轮（双线）6080搅拌轴直径的确定（1）轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。（2）在确定轴的结构尺寸时，还应考虑轴上键槽及开孔所引起的局部削弱，轴径应适当增大。（3）轴径应圆整到标准公称轴径系列，如30、40、50、65、80、95、110等。 d=A× (p/n) (1/3)系数A可以取97-149(根据所选轴的材料确定），P为功率（单位Kw），n为转速（单位转/分）表2-4  发酵罐搅拌功率的设计计算结果项目及代号参数及结果备注项目及代号转速r/min130由工艺条件确定转速r/min单层不通气时的轴功率kw198.94计算单层不通气时的轴功率kw多层搅拌器轴功率kw318.30计算多层搅拌器轴功率kw通气量m3/min4计算通气量m3/min通气搅拌功率kw178.13计