发酵工程设备设计

1、江苏科技大学发酵罐设计说明书题目：设计生产红霉素机械搅拌通风发酵罐 2009年5月任务书1、 题目 题目：机械搅拌通风发酵罐的设计2、 设计依据、条件 1、应用基因工程菌株发酵生产红霉素，此产物是次级代谢产物。 2、发酵罐体积：50 3、高径比为2，南方某地，蛇管冷却。 4、初始水温20，出水温度28。 5、非牛顿型流体，三级发酵。三、设计项目、要求（1）确定工艺参数几何尺寸，以及主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率等。（2）对整个设计方案进行分析、拟定（3）一定情况下结合具体的图形来解释说明（4）考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐

2、体和封头的壁厚（5）对整个发酵罐的设计进行总结，得出规范的说明书目录1 设计条件（设计方案的分析）52 机械通风发酵罐设计6 2.1夹套反应釜的总体结构6 2.2几何尺寸的确定6 2.3主要部件尺寸的设计计算8 2.3.1罐体材料8 2.3.2罐体筒壁厚8 2.3.3封头壁厚9 2.4挡板9 2.5搅拌器 10 2.6人孔和视镜10 2.7接口管11 2.8冷却装置设计12 2.8.1冷却方式选择12 2.8.2冷却用水量计算12 2.8.3冷却面积的计算13 2.9搅拌轴功率的计算14 2.9.1不通气条件下的轴功率P0计算 14 2.9.2通气搅拌功率Pg的计算 153设计小结18 4参考

3、文献18摘要 此为我设计的发酵罐说明书，我设计的是一台50的机械搅拌通风发酵罐，发酵生产红霉素，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，再确定主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率。本说明书结合了个人所学知识绘制出装配图，让机械搅拌通风发酵罐具体形象的展现在眼前，一目了然。通过精细的计算和设计绘制，使此次设计的发酵罐能达到生产最优标准，应用并服务于生产实践。关键词 机械搅拌通风发酵罐 红霉素 设计绘制 生产第1章 设计方案的分析、拟定 我设计的是一台50M

4、3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、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算

5、；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=(1.051.1)Pw 当无安全阀时，Pd=(1.

6、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2工作压力00.1MPa由工艺条件确定3设计压力0.20.3MP

7、a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

8、，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 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=2Di 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设H

9、/D=2.3，且公称体积为50 Di = 1/3D Ho = 2 D B = 0.1D ha = 0.25D S = 3Di C = Di由图得则=50得D=3.015m查表得当公称体积为50时D=3000mm所以取D=3m则H=2.3D=6.9mDi = 1/3D=1mHo = 2 D=6m B = 0.1D=0.3mha = 0.25D=0.75mS = 3Di=3mC = Di=1m全体积=表2-1 50m3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50设计条件2全体积57.63D3m46m查表5B0.3mB=0.1D6S3mS=3Di=D7C1mC=Di=D/38ha0

10、.75mha=0.25D2.3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

11、：取决于罐径及罐压的大小取D=3m, p=0.3MPa, 双面焊缝=0.8， =137MPa, C=3mm则D罐体直径（mm）p耐受压强 (设计压力) 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(不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa)C 腐蚀裕度，当 C10mm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，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

12、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：常大于罐体壁厚已知：取双面焊=0.8、D=3000mm、P=0.3MPa、K=2.3、t=1求得：D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（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa） C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm 2.4挡板通常挡板宽度b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

13、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=3m,得叶径d=0.35D=1.05m所以：盘径: di= 0.75 d=0.7875m 叶高: h = 0.3d=0.315m 叶长: b = 0.25 d=0.2625m 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

14、号为： HG215151995 人孔（RA2707） 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2个视镜，开在顶封头上，位置：角度 。 2.7接口管 管道接口： 进料口：采用法兰接口，法兰型号：PN0.6,DN50,HG20592-1997，接口管直径3.5mm，开在封头上，位置：角度45度； 排料口：采用法兰接口，法兰型号：PN0.6,DN50,HG20592-1997，接口管直径4.2mm，开在罐底； 进气口： 3.2mm，开在封头上，位置：角度75度 ； 排气口： 3.6mm，开在封头上，位置：角60度 ； 冷取水进、出口：采用法兰接口，法兰型号：P

15、N0.6,DN25,HG20592-1997，接口管直径30mm，开在罐身圆柱体上； 补料口： 3.0mm，开在封头上； 取样口： 3.5mm ，开在封头上； 仪表接口： 液位计：采用标准：HG51368 型号：R61 法兰型号：； 直径： mm ，开在罐身上； 温度计：Pt100型，D=100mm 压力表：弹簧管压力表（径向表),d1=20mm,精度2.5，型号Y-250Z,开在封头上 溶氧探头：SE-N-DO-F pH探头：PHS-2型法兰的标准 国家标准（GB911129131-88）钢制管法兰 管法兰（HG50015028-58） 压力容器法兰标准（JB11571164-82）表2-2

16、 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7.1mm计算3人孔700查阅文献得4封头壁厚12.45mm计算5挡板宽度0.3m计算6挡板数5个计算7搅拌器种类6-6-6箭叶查阅文献得8搅拌器层数3查阅文献得9搅拌器直径1m计算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）装料量发酵罐装料系数：60%发酵罐装料液体积：v1=全体积装料系数=57.660%=34.56不计算下封头时的装液体积： =30.5则：装液高度：=4.32m （3）单位时间

17、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）已知Q=252.48kJ/m3,得：=/s注：Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg ) 冷却水进出口温度差已知=31,对数平均温差 =注：t1冷却水进口温度 t2冷却水出口温度 t发发酵温度（5） 冷却面积（A）已知：Q=252.48kJ/m

18、3 , 取K=kJ/(m2 h) =注： 对数平均温度差 K传热总系数，取1.62.1103 kJ/(m2 h)根据生产情况取整则A=75m2 不同的冷却蛇管的K值不同，发酵温度低的发酵液选择K值大（传热效率高）的冷却蛇管冷却面积() 查表得蛇管规格mm, 所以d=573.5*2=50mm冷却蛇管总长度(m) =根据生产实际情况取整L=480M，如果分为6组，则每组为80M。每圈蛇管长度：设Dp=2.8m, hp=0.15m =注：D蛇管圈直径hp 蛇管圈之间的距离每组蛇管总圈数：=477.5/8.8=54圈每组蛇管总高度：=（54-1）*0.15=7.95m表2-3 50发酵罐冷却装置设计计

19、算结果参数项目及代号参数及结果备注1发酵罐装料系数60%由工艺条件确定2装料量34.56v1=全体积装料系数3单位时间传热量252.48kg/m3*sQ=Q发*V14冷却水耗量（W）7.45kg/s5冷却面积（）73.86冷却蛇管规格（mm）查阅文献7冷却蛇管总长度(m)477.5m8冷却蛇管高度（m)7.95m2.9 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计算鲁士顿(Rushton J. H.)公式： 注：P0无通气搅拌输入的功率（W）；NP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

20、 kg/m3 ；Di涡轮直径（m）； 圆盘六平直叶涡轮 Np6圆盘六弯叶涡轮 Np4.7圆盘六箭叶涡轮 Np3.7已知：Np3.7， 查得=135r/min, Di=125mm 取液体密度得：由于一般发酵罐中 D/d3 , 因此搅拌功率可用下式校正：f为校正系数，它由下式来确定： 注：发酵罐直径（D）、搅拌器直径(d)、液柱高度()已知：D=3m, d=1000mm=1m,所以：所以：对于多层搅拌器的轴功率可按下估算：=*(0.4+0.6*3)=w注：m-搅拌器层数，查阅得m=3。2.9.2通气搅拌功率Pg的计算注：P0无通气搅拌输入的功率（W） 涡轮转速（r/min） Di 涡轮直径（m）

21、Q通气量（m3/min），取16 m3/min，通气量的大小取决于菌种需氧量及发酵液粘度大小已知：P0=w, =135r/min, Di=125mm, 取Q=5m3/min求得：=26.8w2.9.3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。注：Pg搅拌轴功率 轴封摩擦损失功率，一般为1% Pg 传动机构效率 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 已知：Pg=26.8w, 查表得为三角皮带，则=0.92，=1% Pg=0.268w23求得：机械搅拌发酵罐的结构1轴封 ； 2、20人孔； 3梯； 4联轴；5中间轴承； 6温度

22、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； 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）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,kWw计算2通气条件下的轴功率P,kW26.8w计算3轴转数n,r/min200有工艺条件决定4多层搅拌器的轴功率w计算5电动机功率29.4w计算6电动机选择Y280M875kw730r/min查表7轴径125mm查表8传动装置三角皮带查表第三章设计小结 在此次课