20M3机械搅拌通风发酵罐

1、课程名称 生物工程设备课程设计题目名称20M3机械搅拌通风发酵罐学生学院专业班级学 号学生姓名指导教师2008 年7月11日×××大学课程设计任务书题目名称20M3机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院专业班级姓名学号一、课程设计的内容1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点。2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图 5、撰写课程设计说明书二、课程设计的要求与数据高径比为2.5，南方某地，蛇管冷却，初始水温18，出水温度261应用基因工程菌株发酵生产赖氨酸，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，二级发酵。学号末尾数为0 ： 15M

2、3发酵罐；1号：50M3发酵罐；2号： 200 M3发酵罐2应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，二级发酵。3号： 60M3发酵罐；4号 75M3发酵罐 ； 5号 100 M3发酵罐3应用黑曲霉菌株发酵生产糖化酶，此产物是初级代谢产物。非牛顿型流体，三级发酵。6号： 15M3发酵罐； 7号: 20 M3发酵罐 ； 8号： 40 M3发酵罐； 9号：200 M3发酵罐(公称体积)三、课程设计应完成的工作1课程设计说明书（纸质版和电子版） 各1份2设备装配图（A2号图纸420*594mm）1张四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1上午布置及讲解设计任务；下

3、午查阅资料及有关文献1-40619周周一2有关工艺设计计算图书馆19周周二至五3装配图绘制宿舍20周周一至三4撰写课程设计说明书宿舍20周周四、五五、应收集的资料及主要参考文献1 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20072 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，20063 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2005发出任务书日期：2008 年 6 月 30 日 指导教师签名：计划完成日期： 2008 年 7 月 11 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：摘要本文以淀粉为原料发酵产生林可

4、霉素的主要反应设备作了设计和计算，包括发酵罐的搅拌器功率的确定及搅拌尺寸设计，蛇管冷却装置的设计及冷却水耗量确定。关键词：淀粉林可霉素发酵罐 目 录1 设计方案的拟定62 罐体几何尺寸的确定7夹套反应釜的总体结构72.2 几何尺寸的确定73 罐体主要部件尺寸的设计计算93.1 罐体93.2 罐体壁厚103.3 封头壁厚计算103.4 搅拌器10人孔和视镜11接口管113.6.1 管道接口113.6.2 仪表接口114 冷却装置设计124.1 冷却方式124.2 装液量134.3 冷却水耗量134.4 冷却面积145 搅拌器轴功率的计算15不通气条件下的轴功率P0计算15通气搅拌功率Pg的计算1

5、6电机及变速装置选用166 设计小结177 参考文献181 设计方案的拟定我表1-1  发酵罐主要设计条件2 罐体几何尺寸的确定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=2.5，则D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（） 公称体积V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0公称体积和上封头体积之和封头体积 （近似公式）假设，根据设计条件发酵罐的公称体积为由公称体积的近似公式可以计算出罐体直径，罐体总高度，取整为5680。查阅文献【2】 ，当公称直径时，标准椭圆封头的曲面高度，直边高度，总深度为，内表面积，容积可得罐筒身高则此时，与前面的假设

6、相近，故可认为是合适的发酵罐的全体积搅拌叶直径取，其中符合搅拌叶间距底搅拌叶至底封头高度表2-1大中型发酵罐技术参数公称容量筒体高度H(mm) 筒体直径mm换热面积转速r/min 电机功率kw10320018001215021 4700220021 15430306600240034180455070002800-300038-60160556080003000-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221 142215表2-2 200m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积20设计条件全体积22计

7、算罐体直径2300计算发酵罐总高5680计算发酵罐筒体高度4450计算搅拌叶直径700计算椭圆封头短半轴长575计算椭圆封头直边高度40计算底搅拌叶至封头高度700计算搅拌叶间距1400计算3 罐体主要部件尺寸的设计计算3.1 罐体考虑压力，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。因糖化酶是偏酸性（pH值为），对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.2 罐体壁厚，取6mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.3MPa) 设计温度下的许用应力（kgf/c）（16

8、MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C 腐蚀裕度，当 C<10mm时，C3mm3.3 封头壁厚计算，取9mm。D罐体直径（mm）p耐受压强 (取MPa)y开孔系数，取2.3 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）3.4 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；查阅文献2可知发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径，则可以计算出盘径，叶高叶长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

9、，标准号为： 人孔RF（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜 PN1.0 DN80 HGJ501-86-17以进料口为例计算，设发酵醪液流速为，2h 排尽。发酵罐装料液体积：V1 =物料体积流量，则排料管截面积，又，得d=0.052m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径50，。其他管道也是如此计算。 管道接口（采用法兰接口）进料口：直径，开在封头上，排

10、料口：，开在罐底；进气口：，开在封头上；排气口：，开在封头上；冷却水进、出口：，开在罐身；补料口：，开在封头上；取样口：，开在封头上； 仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm，开在罐身上；压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：，开在封头上；液位计：采用标准：型号：直径：，开在罐身上；溶氧探头：；pH探头：型；表2-3  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钢由工艺条件确定焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定罐体筒壁厚计算封头壁厚计算搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献3选取搅拌叶直径计算搅拌器

11、层数3由工艺条件确定人孔1个，标准号HG21522-1995根据参考文献3选取视镜2个，标准号HGJ501-86-17根据参考文献3选取进、排料口直径根据参考文献3选取进、出气口直径根据参考文献3选取冷却水进、出口直径由工艺条件确定补料口直径根据参考文献3选取取样口直径由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm压力表液位计溶氧探头pH探头型4 冷却装置设计4.1 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。4.2 装液量设计发酵罐装料系数：取发酵罐装料液体积：不计算下封头时的装

12、液体积：装液高度：单位时间传热量发酵热×装料量即：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3 冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为、，则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=，t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 发酵温度 4.4 冷却面积根据实际取86 m2tm 对数平均温度差K传热总系数，取

13、 kJ/(m2·h·)冷却面积() A=dL 冷却蛇管总长度(m)d蛇管内径，d外径壁厚 取57×（径取5080mm，壁厚取3.55mm）每圈蛇管长度D蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取每组蛇管圈数，则总圈数为3×4=12圈蛇管总高度表2-3  50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70%由工艺条件确定装料体积计算装料高度计算总发酵热计算冷却水耗量计算冷却面积计算冷却蛇管总长度计算冷却蛇管总高度计算蛇管组数4组由工艺条件确定每组蛇管圈数3圈计算5 搅拌器轴功率的计算P0取发酵醪液黏度，密度，搅拌转速则雷诺准数因为

14、Re，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数=鲁士顿(Rushton J. H.)公式：P0无通气搅拌输入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP涡轮转速（r/min）；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；涡轮直径（m）；对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：m-搅拌器层数。因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算C系数，多层搅拌输入的功率（kW）涡轮转速（r/min），取200r/min涡轮直径（m），Q通气量（/min），取16 /min/min计算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

15、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%，则电机的功率搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149，取已知，根据文献选轴径为85mm。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转速根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率计算多层搅拌器轴率通气量由工艺条件确定通气搅拌功率计算电机的功率计算电机的选择型号Y280S-8功率转速根据参考文献3选取轴径根据参考文献3选取传动装置三角皮带根据参考文献3选取三角皮带型号和根数根据参考文献3选取小皮带轮直径根据参考文献3选取大皮带轮直径根据参考文献3选取6 设计小结在此次课程设计中，我设计了机械通风发酵罐，该反应器利用黑曲霉菌株菌种进行糖化酶的发酵生产，发酵温度为33C，反应器的材料为16MnR钢；采用涡轮六弯叶式三层搅拌器，利用740kw电动机通过85mm的轴驱动；冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长为85m，分为4组。通过这次设计，我学会怎么设计机械通风反应器，并学会一些基本的设计的步骤，以及认真的态度。这次我的设计是由最开始的计算到数据