100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器 南阳理工学院

1、100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器生物与化学工程学院课程设计报告 题目 ： 100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器 学生姓名： 张志立 专业班级： 10级生物工程2班 学 号： 105010540096 指导教师： 罗建成 设计时间： 2013年5月25日 学 院生物与化学工程学院专业班级生物工程2班姓 名张志立所在组别第7组设计题目 100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器完成时间2013年5月25日设计内容及要求课程设计内容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。课程设计的要求 1、工艺

2、设计和计算 （1）工艺设计（2）设备设计 2、设计说明书的编制 3、绘制设备图一张 工作进度及安排1、2013.5.21阅读设计指导书，查阅资料，拟定设计程序和进度计划。2、2013.5.22调查、收集有关数据，奠定设计基础。3、2013.5.2325设计计算，绘图，编写说明书。 指导教师 ：罗建成 2013年5 月 25 日摘要 本次设计的是一台100m3机械搅拌通风发酵罐，发酵生产谷氨酸。发酵罐主要由罐体和冷却装置、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它的一些附件组成。在设计的过程中注重实际生产，并吸取其他发酵罐设计的经验，考虑到谷氨酸的好氧习性，在发酵过程中，多加注意，在结尾附发酵罐的

3、仔细图。 关键词： 机械搅拌发酵罐，封头，搅拌器，端面轴封，冷却装置Abstract The design of mechanical agitation is a ventilation fermenter 100m3, glutamic acid fermentation. Mainly by fermentation tank and the cooling device, a stirring device, transmission device, the shaft sealing device, a number of manholes and other accessories

4、. Emphasis in the design of the actual production process, and learn other fermenter design experience, taking into account glutamate aerobic habits, in the fermentation process, pay more attention paid at the end of the fermentation tank carefully map.Keywords: mechanical agitation fermentor, head,

5、 blender, end seals, cooling device目录第1章 概述1 1.1发酵罐设计前景11.2微生物生物反应器的研究与应用概述1第2章 设计依据12.1、本次设计内容12.2、 基本参数12.2.1 发酵罐的型式12.2.2 发酵罐的用途22.2.3冷却水及冷却装置22.2.4设计压力 32.3谷氨酸生产工艺流程图3 第3章 发酵罐选型及工艺计算33.1 发酵罐的设计与选型33.1.1 发酵罐的选型33.1.2 生产容积的确定43.2主要尺寸的计算43.3 冷却面积的确定53.4 搅拌器设计63.5 、搅拌轴功率的确定73.5.1 计算Rem 73.5.2不通气条件下的

6、轴功率计算83.5.3 通气发酵轴功率计算85.5.4 求电机功率93.6设备结构的工艺设计93.7 竖直蛇管冷却装置设计103.8备材料的选择133.9 发酵罐壁厚的计算133.10 接管设计15 3.11 人孔及视镜的设置17 第4章 设计结果与讨论184.1发酵罐参数设计汇总 184.2 搅拌器有关参数 184.3主要符号说明 19 第5章参考文献20 第6章课程设计心得体会22 设计图223第1章 概述1.1 发酵罐设计前景生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人

7、瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充

8、床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 ；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。第2章 设计依据2.1 本次设计内容设计100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器2.2 基本参数2.2.1 发酵罐的型式机械搅拌通风发酵罐高径比：H/D=2.4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2.2.2 发酵罐的用途用于谷氨酸生产的发酵罐，有关设计参数如下

9、：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2.0×10-3N.s/m2 导热系数0.621W/m. 比热4.174kJ/kg.高峰期发酵热3-3.5×104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐5-7×10-6molO2/ml.min.atm 发酵罐6-9×10-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐0.4-0.6vvm 发酵罐0.2-0.4vvm2.2.3 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

10、管冷却。 2.2.4 设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25 MPa发酵罐主要由罐体和冷却列管，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100M3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。2.3 谷氨酸生产工艺流程图 淀粉 消泡剂 葡萄糖 消泡剂 水 水无机盐 配料罐定容罐 定容罐配料罐 无机盐 糖蜜 糖蜜玉米浆 二级

11、种子罐 连消器 玉米浆纯生物素 纯生物素 实消 维持罐 斜面一级种子 降温 换热器 消泡剂 液氮 二级种培养 发酵罐 高浓度糖液 液氨 无菌空气 图1 谷氨酸发酵工艺流程图 第3章 发酵罐选型及工艺计算3.1 发酵罐的设计与选型3.1.1 发酵罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐。3.1.2 生产容积的确定 (1) 发酵罐容积的确定： 选用公称容积为100m3的发酵罐。 (2) 生产能力的计算： 若取发酵罐的填充系数j=70%， (3) 发酵罐个数的确定： 公称容积为100m3的发酵罐，其全容积为110m3。3.2 主要尺寸的计算 发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。 为了提高空气利用率，

12、罐的高径比取2.4。 椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。 解方程得 取3.7m。 圆柱部份容积V筒为： 上、下封头体积V封为： 全容积验算： 符合设计要求，可行。3.3 冷却面积的确定 根据部分谷氨酸厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约3.3×104kJ/(m3·h)2，则冷却面积按传热方程式计算如下： 式中 S冷却面积，m2 Q换热量，kJ/h Dtm平均温度差， K总传热系数，kJ/(m2·h·)110灌装液量为：110×70%=77 KJ/h2.54×106771043.3Q=´×= 设发酵液温

13、度33，冷却水进口温度19，出口温度25，则平均温度差为： 采用竖式蛇管换热器取经验值K取4.18×500kJ/(m2·h·)1，5.4 搅拌器设计由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。 该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4 现将主要尺寸列后1： 搅拌器叶径Di为： 取1.24m。 叶宽B为： 弧长l为： 底距C为： 取1.24m。 盘径di为： 叶弧长L为： 叶距Y为： 弯叶板厚：=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N

14、1=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： 式中 n2放大的搅拌器的转速，r/min n1模型搅拌器的转速，n=110r/min1 d1模型搅拌器直径，d=1.05m1 d2放大的搅拌器直径，d=1.7m d2放大的搅拌器直径，d=1.24m 将各值代入上式取两档搅拌，搅拌转速98.45r/min。3.5 搅拌轴功率的确定3.5.1 计算Rem淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。 NDm2Re= 式中 D搅拌器直径，D=1.70m D搅拌器直径，D=1.24m N搅拌器转速，1.64r/s 醪液密度，=1080 kg/m3 醪液粘度，=

15、2×10-3N·s/m2将数代入上式： 视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7 3.5.2不通气条件下的轴功率计算： 式中 Np功率数,Np=4.73 n搅拌器的转速，n=1.64r/s d搅拌器直径，d=1.24m 流体密度，=1080kg/m33将各值代入上式 3.5.3 通气发酵轴功率计算： 式中 P不通气条件下的轴功率，P=65.639KW n搅拌器的转速，98.45r/min。 d搅拌器直径，d=124cm Q工况下的通气量，(发酵罐通风比：设通风比VVm=0.20.4，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全，现取0.2则 将各值代入上式。3.5.4 求电机功率 采

16、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：3.6设备结构的工艺设计 (1) 空气分布器： 本罐使用单管进风。 (2) 挡板： 本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。 (3) 消泡浆： 本罐使用圆盘放射式消泡浆。 (4) 密封方式： 本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 (5) 冷却管布置： 使用的是竖直蛇管冷却装置。3.7 竖直蛇管冷却装置设计(1) 求最高热负荷下的耗水量W为： . 式中 Q每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积， Cp冷却水的比热容，Cp=4.18kJ/(kg·

17、)2 t2冷却水终温，t2=25 t1冷却水初温，t1=19 将各值代入上式 冷却水体积流量为0.02814m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为： 式中 : W冷却水体积流量，W=0.02814m3/s V冷却水流速，V=1m/s代入上式 进水总管直径d总为： 查表选取Dg203×6。 (2) 冷却管组数和管径： 设冷却管总表面积为A总，管径d0，组数为n，则 现根据本罐情况，取n=8，求管径。由上式得 经查表选取76×6无缝管，d内=64mm，d平均=70mm。 现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为150mm，则两直管距离为3

18、00mm，两弯管总长度l0为： (3) 冷却管总长度L计算： 冷却管总面积S=113.7m2。现取无缝钢管108×5，. 冷却管占有体积V管为： 取冷却管组n=8。 (4) 每组管长L0为： 另需连接管0.94m， 可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底209mm。设发酵罐内附件占有体积为0.39m3，则总占有体积为： 筒体液面为：( 竖直蛇管总高H管为： 取管间距为0.6m。 又两端弯管总长l0为： 两端弯管总高1.2m。 则一圈管长L为： (5) 每组管子圈数n0为： 取5圈。现取管间距为： 竖蛇管与罐壁的最小距离为0.10m。 最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为： 与搅拌

19、器的距离为： 在允许范围内。 (6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：故可满足需求。3.8 备材料的选择 为了降低设备造价费用，本设备选用A3碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子。3.9 发酵罐壁厚的计算 根据压力容器安全技术监察规程规定，发酵罐属于一级压力容器，因此，其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按GB150-1998钢制压力容器进行。 (1) 内压圆筒厚度计算： 式中 圆筒的设计厚度，mm p设计压力，p=0.4MPa Di圆筒的内直径，Di=3700mm T设计温度下圆筒材料的许应用力，T=124.5MPa1 焊缝系数，=0.91 C1钢板的厚度负偏差，C1=0.8

20、mm1 C2腐蚀裕量，C2=1mm2 将各值代入上式 查附表可选用10mm厚的碳钢钢板。查附表知：公称直径为3700mm ，壁厚为10mm ，1m高筒节钢板质量为981kg 2。 (2) 椭圆形封头厚度计算： 式中 圆筒的设计厚度，mm p设计压力，p=0.4MPa Di圆筒的内直径，Di=3700mm T设计温度下圆筒材料的许应用力，T=124.5MPa 焊缝系数，=0.9 将各值代入上式 查附表可选用8mm厚的碳钢钢板。3.10 接管设计 (1) 接管的长度h设计： 各接管的长度h根据管径大小和有无保温层，进行选择。本罐的输料管可选择不带保温层的，查表接管长度可取h=150mm2。 (2)

21、 接管直径的确定：. 接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。 以排料管为例计算管径。本罐实装77m3，设1.5h之内排空，则排料时的物料体积流量qv为：)s/m(014.01.5360077q3v=´= 取发酵醪流速 V=1(m/s)，则排料管截面积A物为： 则排料管直径d为： 查表选取146×6无缝管，d内=134mm，d平均=140mm2。 以通风管为例计算管径，通风量Q1为： 利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf为： 如取风速V=25(m/s)，则风管截面积Af为： 则气管直径d气为： 查表选取102×4无缝管，d平均=98mm。. 因通风管也是排料

22、管，故取两者的大值。即取152×6无缝管，可满足工艺要求。 排料时间复核： 物流量Q为：)h/m(014.01.5360077Q3=´= 物料流速V=1(m/s)，则管道截面积A为： 在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果小，则相应流速比P为：)(11014.0014.0AQPv倍=´= 排料时间t为：t=1.5×1=1.5h3.11人孔及视镜的设置 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（R·A2707） 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DN150mm，高度为52mm，开在顶封头上，位于俯视面左下45度和右上45度距离中心轴线1200mm处第4章 设计结果与讨论4.1 发酵罐参数设计汇总表6 发酵罐参数发酵罐选型机械涡轮机搅拌通风发酵罐发酵罐容积100发酵罐总体积110发酵罐直径D3.7m封头高H1m圆柱高H8.8m发酵管壁厚S10mm冷却装置冷却管实际传热面积113.7最高热负荷下的耗水量28.14kg/s冷却管组数8型号1