机械搅拌通风发酵罐的设计

1、课程设计任务书题目名称100M机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院专业班级姓 名学 号、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 18C,出水温度26c1 .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 : 15M3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：60

2、M3发酵罐；生号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4 .课程设计说明书（纸质版和电子版）各1份5 .设备装配图（A2号图纸420*594mm 1张四、课程设计进程安排厅P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； 下午查阅资料及有关文献2有关工艺设计计算3装配图绘制4撰写课程设计说明书五、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

3、，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，20054王福源主编.现代发酉技术（第二版）M.北京：中国轻工业出版社，20045潘红良，郝俊文 主编.过程设备机械设计.杭州：华东理工大学出版社，20066吴思方主编.发酵工厂工艺设计概论M.北京：中国轻工业出版社，20057郑裕国主编，薛亚平副主编.生物工程设备M.北京：化学工业出版社，20078黄福源主编，生物工艺技术 M.北京：中国轻工业出版社，2006摘要本文对黑曲霉菌株为原料生产柠檬酸的生产流程和主要反应设备作了设计和

4、计算。本设计根据给定的设计条件选择合适的菌种黑曲霉菌株为原料生产柠檬酸，并通过查阅相关资料确定该菌种的最适生长和生产温度、pH以及所需的培养基，然后再通过一系列的计算得出发酵罐的几何尺寸，最后画出装配图。在本文的流程设计中，简述了以黑曲霉菌株为原料生产柠檬酸，和机械通风发酵罐的作用和结构组成，通过对发酵条件的综合分析确定发酵的条件和工艺，然后根据所选定的条件确定罐体的几何尺寸、计算罐体主要部件的尺寸，如封头的选型、罐体和封头的壁厚、搅拌器、人孔和视镜的选取等。并且本文还对却装置的设计和搅拌器轴功率的计算。整个设计过程作了必要的说明。关键词：黑曲霉 柠檬酸 发酵 机械通风1 设计方案的拟定1.2

5、 罐体几何尺寸的确定2.2.1 通风发酵罐的总体结构2.2.2 几何尺寸的确定2.3 罐体主要部件尺寸的设计计算5.3.1 罐体 53.2 罐体壁厚5.3.3 封头壁厚计算5.3.4 搅拌器 63.5 人孔和视镜6.3.6 接口管63.6.1 管道接口6.3.6.2 仪表接口7.4 冷却装置设计 84.1 冷却方式8.4.2 装液量 84.3 冷却水耗量9.4.4 冷却面积9.5 搅拌器轴功率的计算1.1.5.1 不通气条件下的轴功率 P0计算1.15.2 通气搅拌功率Pg的计算1.25.3 电机及变速装置选用1.2.6 设计小结1.5.7 参考文献1.5.1 设计方案的拟定我设计的是一台10

6、0M机械搅拌通风发酵罐，发酵生产柠檬酸。经查阅资料得知生产柠檬 酸的菌种有毛霉，桔青霉，棒曲霉，黑曲霉等，综合等因素选择黑曲霉N-558菌株，该菌种最适发酵温度为35C, pH为2.5,培养基为薯干粉232kg,水827kg组成。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100M 3发酵罐的几何尺寸进行计算，确定在本设计中采用的有关参数，衡算整体体积与相关的设计要求；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、选定封头的类型、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

7、；根据计算发酵搅拌所需的功率选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定；在参考相关的市场相关生产产品对其他的接管进行设计，选择法兰、进出料管的规格和大小；完成上述的各项要求的计算和选择，对整体发酵罐的设计进行布局，确定各个部件的装配位置，完成整个装备图，综合考虑整个生产设计，重新核算各组数据的合理性，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3表1-1发酵罐主要设计条件发酵菌种黑曲霉N-5

8、88菌株根据参考文献1选取工作压力0.25MPa由工艺条件确定设计压力0.25MPa由工艺条件确定发酵温度（工作温度）35 c根据参考文献1选取设计温度150 c由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定A口加工薯干粉232kg;水827kg根据参考文献8选取发酵液密度1059kg/m由工艺条件确定发酵液黏度2 10-3Pa.s由工艺条件确定2罐体几何尺寸的确定2.1 通风发酵罐的总体结构通风发酵罐主要由搅拌容器，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

9、常由工艺设计而定；传动装置是为带动 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，构成完整的生物反应 器。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H=2.5D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（100m3）公称体积Vo-罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V-公称体积和上封头体积之和1封头体积V封=I4 D ( hb D)6Vo =(n/4 )D2Ho +0.15D3 (近似公式)假设Ho/D = 1.9794 ,根据设计条件发酵罐的公称

10、体积为100M3由公称体积的近似公式V。= :.4 D2Ho 0.15D3可以通过 V0 = -: 4 D3H0/D 0.15D3=100M3计算出罐体直径 D=3883.45mm ,取整 D = 3900mm罐体总高度 H =2.5D =2.5 3900mm =9750mm其他相关尺寸：搅拌叶直径 Di =1/3D =1300mm椭圆封头短半轴长度ha =0.25D =0.25 3900mm = 975mm a搅拌叶间距 S=3Di =3 1300mm = 3900mm底搅拌叶至底封头高度C =Di =1300mm查阅文献2,当公称直径DN=3900mm时，标准椭圆封头的总深度面积 Af =

11、 16.9775m2 ,容积 Vf = 8.2427m3罐体直筒部位高度 H0 =H -2Hf =9750 -2 1015mm = 7720mm则此时H0/D =7720/3900 =1.9794与前面的假设相等，故可认为D =3900mm是合适的椭圆封头的直边高度hb = H f -ha =1015 -975mm = 40mm公称体积调整为：V0 = - 3.92 7.72 - 8.2427 =100.42m34ffi 1-2-H机械搅掉通风 发醉席的几何尺寸 出一 身高作一常位高 Hl悻富 口嫌在 口，一搅拌叶轮良轻 J!-挡囱更 匚一下授排时轮与底面 5一相邻搅拌吐轮间距H f = 10

12、15mm ,内表发酵罐的全体积 Vh霆/4D2H0 2Vf 二舆/4 39002 H0 2Vf -108.66m3表2-1大中型发酵罐技术参数m3H(mm)mm2 mr/minkw1032001800121507.521470022002115430306600240034180455070002800-300038-60160556080003000-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表2-2 100m 3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积100m3设计条件全体积3108.

13、66m3计算罐体直径3900mm计算发酵罐总高9750mm计算搅拌叶直径1300mm计算椭圆封头短半轴长975mm计算搅拌叶问距3900mm计算底搅拌叶至封头高度1300mm计算椭圆封头直边高度40mm计算53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4.5）,其中发酵液对钢腐蚀性不大的，故可以选用16MnFRS;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(mm)二3 =7.453(mm)0.25 39002 137 0.8 0.25取整为二1

14、 =8（mm）D罐体直径（mrmp耐受压强（取0.25MPa）小 一焊缝系数，双面焊取0.8,无缝焊取1.0（7 设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（不锈钢焊接压力容器许用应力为 150 C, 137MPaC 腐蚀裕度，当 6 C<10mmf, C= 3mm3.3 封头壁厚计算pDy0.25 3900 2.3、2C （mm）3 = 13.23mm2 一. .2 137 0.8取整为。2 =14mmD罐体直径（mrmp 耐受压强（取0.25MPa）y 开孔系数，取2.3小 一焊缝系数，双面焊取0.8,无缝焊取1.0（7 设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150C, 13

15、7MPaC 腐蚀裕度，当 6 -C<10mrmf, C= 3mm3.4搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类ha-六平叶 b- 六弯叶 c- 六箭叶图6-1通用的涡轮式搅拌器h : b : d- : d = 4 : 5 : 13 : 20h : b : d- : d = 4 :5.5 :13 :20e : h : b :d1:d=3:3.5 : 5 : 13 : 20a=380r 弯=(1/2)d- r箭=(1/4)d1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100m3发酵罐采用六弯叶

16、涡轮式搅拌器 则可以计算出叶径 d =1/3 D =1300mm ,盘径 di =0.75d = 975mm,叶高 h =0.3d =390mm 叶长 b = 325mm本设计用内冷凝水管，可以省略挡板3.5 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：HG21520- 1995 人孔(RA 2707) 450,直径为-650X25mm高度为230mm开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴 750mmt视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计设置了2个视镜，直径为DN150mm高度为54mm开在顶封头上，位于中心轴线上。3.6 接口管3.6.

17、1 管道接口进料口：直径 阴27M 4.5mm,开在封头上；排料口： $127 m 4.5mm,开在罐底；进气口：曲27父4.5mm,开在封头上；排气口： *127X4.5mm,开在封头上；冷却水进、出口： 轲6M3.5mm,开在罐身;补料口： $127父4.5mm,开在封头上；取样口：轲6 M 3mm ,开在封头上；73.6.2仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器 Pt100型，D= 100mm,开在罐身上;压力表；弹簧管压力表(径向型)，di=20mm,精度2.5,型号： Y250Z,开在封头上；液位计：采用标准：HG5-1368型号：R-61直径：*550(260x14) mm ,开在

18、罐身上；溶氧探头：SE NDOF;pH探头：PHS2型；表3发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果罐体材料不锈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8mm计算封头壁厚14mm计算搅拌器类型六平叶涡轮式搅拌器根据参考文献3选取搅拌叶直径1300mm计算搅拌器层数3层由工艺条件确定人孔1个，标准号HG21518- 95根据参考文献3选取视镜2 个，标准号 HG21505- 1992根据参考文献3选取进、排料口直径127 4.5mm根据参考文献3选取进、出气口直径127 4.5mm根据参考文献3选取冷却水进、出口直径76 3mm由工艺条件确定补料口直径127 4.5mm根据参考文献3选

19、取取样口直径76 3mm由工艺条件确定温度计Pt100 型，D = 100mm压力表采用标准：Y-250Z型号：R -61液位计HG5-1368溶氧探头SE-N -DO -FpH探头PHS -2 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：70%发酵罐装料液体积： 3 V1 =全体积 M装料系数 =108.66 M 70% = 76.062m不计算下封头时的装液体积：Vtt =V 下封头体积 3V柱=V1-下圭寸头体积 =76.062 8.24

20、27 = 68.3773m 装液高度：h1 =Y柱 0.785 D2 =68.3773； 0.785 3.92 =5.7268m 单位时间传热量=发酵热X装料量即：Q=Q发 Mv1=11700 M76.062=8.8993 父105 kj/h表4-1各类发酵液的发酵热(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红毒素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制剂14700- 188004.3 冷却水耗量 由实际情况选用进出口水温为18 c、26 C,则_5= 2.6574 104(kg/h)Q 8.8993 10W 二二Cp

21、(t2 -t1)4.186 (26 -18)Q-单位时间传热量Cp-冷却水的平均比热，取 4.186 kJ/ (kg - C)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=35C,tm(tF -t1) -(tF -t2)(35 -18)-(35 -26)=12.58 C2.3031g 温35-182.303lg35-2611t1 冷却水进口温度t2 冷却水出口温度 tF发酵温度4.4 冷却面积不同的冷却蛇管的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，罐内采用竖式蛇管冷却，蛇管为水煤管，其规格为60(mm),壁厚3.5mm,其导热系数入=188 kj/(

22、M - h C),根据生产经验数据可取传热系数a 1和a 2分别为2.7X 103kj/(M 2 hC)和1.45X 104kj/(M 2 h ),另外管壁水垢层的热阻取1/16750 M2 h /kj1100035 1：1： 22700 14500 188 16750=1.931 X 103 kJ/(m2 h - C) _58.8993 1051.931 103 二 73=36.64mtm 对数平均温度差K传热总系数，取 1.931 X 103 kJ/(m2 h - C )冷却面积（m2） A=兀dL冷却蛇管总长度（m）L =-A=36.643 = 233.37m,分为 6组，每组长 38.

23、89m二 d 3.14 （57 -7） 10取整为 47m,则 L = 282m, A = 44m3d 蛇管内径，d =外径壁厚，取 57X 3.5mm其中外径取50-80mm壁厚取3.5 -5mm 每圈蛇管长度l 二（二Dp）2 hp2 =、；（3.14二）L0.15=9.42mDp-蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取 0.15m蛇管总圈数L 282Np =之30圈，则每组5圈。 l 9.42蛇管总高度H =（Np -1）hp =（28 -1） 0.15 = 4.05m验算每组蛇管堆叠的厚度：d蛇=5 X 0.057 + 4x 0.15 = 0,885 m因蛇管对称分布，则d'

24、; =2d蛇=1.77m,再加上搅拌叶的直径Di=1.3m即 D' =d' +Di=1.77+1.3=3.07m因D' <D=3.9m所以蛇管能全部放进发酵罐内部，而且高度低于液柱高度, 故蛇管的设计符合要求。表4-2200 m3发酵罐冷却装置设计计算结果装料系数70%由工艺条件确定装料体积76m3计算装料高度5.73m计算总发酵热5.38.90 10 kj . m h计算冷却水耗量2.66 104(kg/h)计算冷却面积44m3计算冷却蛇管总长度282m计算冷却蛇管总高度3.57m计算蛇管组数6组由工艺条件确定每组蛇管圈数5圈计算5搅拌器轴功率的计算5.1不通气

25、条件下的轴功率P0计算鲁士顿(Rushton J. H.) 公式：p =NP 83 PLDi5Np = 6Re Di：；(90/60) 1.3 10592成= 1.03 106已知在充分湍流状态时，圆盘直叶涡轮搅拌器的功率准数因Re>104,所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数 NP =6 ,故叶轮的不通气时搅拌 功率P0为P0 =NP 3 ：LDi5 = 6 1.53 1 059 1.35 = 79.62 1 03w = 79.62kwP。无通气搅拌输入的功率（W；2功率准数，是搅拌雷诺数 Re的函数；一涡轮转速（r/min ）;p l 液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一

26、般取 800-1650 kg/m3 ; D 涡轮直径（项；由于一般发酵罐中D/d #3,Hl #3 ,因此搅拌功率可用下式校正:* _P =fPf为校正系数，它由下式来确定：f =1 （D）*（HL）* J（3900）（5726.8）=i.2i3 d d 3 13001300发酵罐直径（D）、搅拌器直径（d）、液柱高度（HL）P =fF0=1.21 79.62 =96.48kW对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：Pm =P（0.4 0.6m） =96.48 （0.4 0.6 3） =212.26kwm搅拌器层数。1.2 通气搅拌功率Pg的计算根据设计Q取5m3 / minP =2.25父10*( gP2 Di30i0.08Q0.39_ _ 3)=2.25 10(79.622 90 1306、0.08(5 10 )310 39_ _ _-)=72.68kwP0无通气搅拌/&入的功率（kW一涡轮转速（r/min ）Di 涡轮直径（mQ通气量（m3/min ）,取 16 m3/ min1.3 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。P_T PPm-搅拌轴功率Pt-轴封摩擦损失功率4-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