20M3机械搅拌通风发酵罐

1、课程设计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生物与化学工程学院专业班级学号J24学生姓名指导教师1设计方案的拟定2.2罐体几何尺寸的确定4.2.1夹套反应釜的总体结构4.2.2几何尺寸的确定4.3罐体主要部件尺寸的设计计算9.3.1 罐体9.3.2罐体壁厚.103.3封头壁厚计算7.3.4搅拌器103.5人孑L和视镜.1.13.6接口管8.3.6.1 管道接口1.13.6.2 仪表接口1.14冷却装置设计124.1冷却方式.124.2装液量134.3冷却水耗量1.34.4冷却面积.145搅拌器轴功率的计算1.55.1不通气条件下的轴功率P0计算1.55.2通气

2、搅拌功率Pg的计算165.3电机及变速装置选用1.66设计小结177参考文献181设计方案的拟定我设计的是一台20M机械搅拌通风发酵罐，发酵生产糖化酶。糖化酶，也称葡萄糖淀粉酶(EC3.2.1.3)，主要用途是作为淀粉糖化剂。它与a-淀粉酶结合可将淀粉酶转化为葡萄糖，可供葡萄糖工业，酿洒工业和氨基酸工业等应用，是工业生产中最重要的酶类之一，也是我国产量最大的酶制剂产品。黑曲霉A.S.3.4309是国内糖化酶活性最高的菌株之一。糖化酶生产菌重要的有：雪白根霉，德氏根霉，河内根霉，爪哇根霉，台湾根霉，臭曲霉，黑曲霉，河枣曲霉，宁佐美曲霉，红曲霉，扣囊拟内抱霉，泡盛曲霉，头抱霉，甘薯曲霉，罗耳伏革菌

3、。综合温度、PH等因素选择黑曲霉A.S.3.4309菌株，该菌种最适发酵温度为32-34C,pH为4.5，培养基为玉米粉2.5%，玉米浆2%豆饼粉2%&成。主要生产工艺过程为如下：菌种用蔡式蔗糖斜面丁32C培养6天后，移植在以玉米粉2.5%，玉米浆2%组成的一级种子培养基中，与32C摇瓶培养24-36h,再接入（接种量1%种子罐（培养基成分与摇瓶发酵相同），并与32C通气培养搅拌24-36h,然后再接入（接种量5%-7%发酵罐。发酵培养基由玉米粉2.5%，玉米浆2%豆饼粉2洌成（先用a-淀粉酶液化），发酵温度为32C，在合适的通气搅拌条件下发酵96小时酶活性可达16000uml。发酵液滤去菌体

4、，如有影响糖化效率的葡萄糖甘转移酶存在，则通过调节滤液PH等方法使其除去，再通过浓缩将酶调整到一定单位，并加入防腐剂（如苯甲酸）。如制备粉状糖化酶，则可通过盐析或加洒精使酶沉淀，沉淀经过压滤，滤泥再通过压条烘干，粉碎，即可制成商品酶粉。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20M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

5、，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祖图，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。说明书就是要写活楚设计的思路和步骤表1-1发酵罐主要设计条件项目及代号发酵菌种工作压力设计压力发酵温度（工作温度）设计温度冷却方式备注根据参考文献1选取由工艺条件确定由工艺条件确定根据参考文献1选取由工艺条件确定由工艺条件确定根据参考文献1选取参数及结果黑曲霉A.S.3.4309菌株0.3MPa0.3MPa33C150C蛇管冷却玉米粉2.5%，玉米浆2%豆饼粉2%&成发酵液密

6、度。=1020kg/m3由工艺条件确定发酵液黏度=1.9610-Ns/m2由工艺条件确定2罐体几何尺寸的确定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，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

7、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（20m3）公称体积V-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封头体积=-：.4D2（hb1D）6V=（时4p2H+0.15D3（近似公式）假设H0/D=1.98,根据设计条件发酵罐的公称体积为20M由公称体积的近似公式V=3/4）D2H0+0.15D3可以计算出罐体直径D=2272.451644mm,罐体总高度H=2.5D=2.5X2272.451644mm=5681.12911mm,m1-2n机械提掉通风找稀的.几荷尺寸Mii膏D监眄一瓦昴叶轮A控丘一挡c下at辞叶晚斗11胜壬5相算撞抻

8、叶健:间距取整为5680mm。查阅文献【2】，当公称直径DN=2300mm时，标准椭圆封头的曲面高度h,=575mm,直边高度九=40mm，总深度为Hf=615mm,内表面积Af=6.0m2，容积Vf=1.76m3可得罐筒身高H0=H-2Hf=5680-2615mm=4450mm则此时H/D=4450/2300=1.934782609,与前面的假设相近，故可认为D=2300mm是合适的发酵罐的全体积Vn班/4D2H02Vf=21.999m320.0m3搅拌叶直径取Di=700mm，其中Dj/D=700/2300出0.3，符合Dj/D=(0.3:0.4)搅拌叶间距S=2Di=2700mm=140

9、0mm底搅拌叶至底封头高度C=Di=700mm表2-1大中型发酵罐技术参数筒体筒体直径换热转速称容高度mm面积r/min功率量H(mm)2mkw3m132001800121507.502470022002115430136600240034180450570002800-300038-60160550680003000-32006516065078000320084165100519400360011417013000211500460022114221500表2-2200m3发酵罐的几何尺寸参数及结果公称体积m320设计条件全体积m322计算罐体直径mm2300计算发酵罐总高mm5680计算

10、发酵罐筒体高度mm4450计算搅拌叶直径mm700计算椭圆封头短半轴长mm575计算椭圆封头直边高度mm40计算底搅拌叶至封头高度mm700计算搅拌叶间距mm1400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4.5）,对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnF为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D500mm所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接3.2罐体壁厚pD(mm)=0.32300321700.8-0.35.54(mm)，取6mmA罐体直径（mmp一耐受压强（取0.3MPa）4一焊缝系

11、数，双面焊取0.8。一设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150C,170MPaC一腐蚀裕度，当aC10mm寸，C=3mm3.3封头壁厚计算(mm)0.323002.321370.8+3=8.8mm,取9mm。a-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=38r弯=(1/2)d-r箭=(1/4)d1D一罐体直径（mmp耐受压强（取0.3MPa）y一开孔系数，取2.34焊缝系数，双面焊取0.8b一设计温度下的许用应力（16

12、MnF压冈焊接压力容器许用应力为150C,170MPa3.4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20m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径d=700mm,则可以计算出盘径dj=0.75d=525mm,叶高h=0.3d=210mm叶长b=175mm3.5人孔和视镜人孔的设置是为了安装、拆卸、活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：人孔RFU(RG)450-0.6HG21522-1995公称直径450,开在顶封头上，位丁左边轴线离中心轴

13、750mmt视镜用丁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，位丁前后轴线离中心轴750mm为，标记为视镜UPN1.0DN80HGJ501-86-173.6接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为v=1m/s,2h排尽。发酵罐装料液体积：V1=15.4m3物料体积流量Q=V1/2h=15.4/(3600x2)=0.00213m3/s,则排料管截面积F=Q/v=0.00213/1=0.00213m2,乂F=0.785d2，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50,57x3.5mm。其他管道也是如此计算。3.6.1管

14、道接口(采用法兰接口)进料口：直径巾57乂3.5mm,开在封头上，排料口：*57x3.5mm,开在罐底；进气口：57x3.5mm,开在封头上；排气口：57x3.5mm,开在封头上；冷却水进、出口：*57x3.5mm,开在罐身；补料口：阴7x3.5mm,开在封头上；取样口：57x3.5mm,开在封头上；3.6.2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)，d1=20mm,精度2.5,型号：丫-250Z,开在封头上；液位计：采用标准：HG5-1368型号：R-61直径：*550(2614)mm，开在罐身上；溶氧探头：SENDOF；

15、pH探头：PHS_2型;表2-3发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果罐体材料16MnF冈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6mm计算封头壁厚9mm计算搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据亲文献3选取搅拌叶直径700mm计算搅拌器层数3由工艺条件确定人孔1个，标准号根据亲文献3选取HG21522-1995视镜2个，标准号根据亲文献3选取HGJ501-86-17进、排料口直径573.5mm根据亲文献3选取进、出气口直径573.5mm根据亲文献3选取冷却水进、出口直径573.5mm由工艺条件确定补料口直径573.5mm根据亲文献3选取取样口直径573.5mm由工艺条件确定温度计装配式热

16、电阻温度传感器Pt100型，D=100mm压力表Y-250Z液位计R-61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：取70%发酵罐装料液体积：V1=全体积x装料系数=22乂70%=15.4m3不计算下封头时的装液体积：V柱=Vi-下封头体积W=V1-下封头体积=215.4-1.76=13.64m3装液高度：h1=vtt/3D2/4)=13.64/(0.785乂2.32)=3.284m3单位时间传热量=发酵热x

17、装料量即：Q=Q发xv1=16800x15.4=258720kJ/h各类发酵液的发酵热(kJ/m3-h)宵霉素丝状菌23000宵霉素球状菌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18C、26C,则Q258720W=7725.7525(kg/h)Cp(t2-t1)4.186(26-18)Q-单位时间传热量C广冷却水的平均比热，取4.186kJ/(kg-C)t2-t1一冷却水进出口温度差对数平均温度差，由工艺条件知道tF=33C,t_(tF-ti)一(tF2)_(3

18、3-20)-(33-28)_田=33-20=2.303lg-12.303lgtF-t233-28ti一冷却水进口温度t2一冷却水出口温度tF一发酵温度4.4冷却面积AK*m3=12.98m25872031.91010.492根据实际取86mtm一对数平均温度差K一传热总系数，取1.903kJ/(m2hC)冷却面积(m2)A=ML冷却蛇管总长度(m)L=12.98=82.68m,取整L=85m,分为4组，每组长L=21.25m二d3.140.05d一蛇管内径，d=外径一壁厚取*57X3.5mm(径取50-80mm壁厚取3.55mm)每圈蛇管长度l=.(二Dp)2hp2=、,(3.143)20.1

19、52=9.42mA蛇管圈直径，3mhp一蛇管圈之间的距离，取0.15m每组蛇管圈数=商=红羹乏3圈，则总圈数为3X4=12圈pl9.42蛇管总高度H=(Np-1)hp=(12-1)0.15=1.65m表2-350m3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15.4m3计算装料高度3.284mm计算总发酵热258720J/h计算冷却水耗量7725.75kg/h计算冷却面积12.98m3计算冷却蛇管总长度85m计算冷却蛇管总高度1.65m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5.1不通气条件下的轴功率R取发酵醪液黏度卜=1.96勺0质Ns/m2

20、,密度P=1020kg/m3,搅拌转速切=200r/min则雷诺准数Re=4=（200/6）.7：1020斗51051.9610项因为Re104,所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数Np=4.7鲁士顿（RushtonJ.H.）公式：P0=NP*LD5=4.7（型）310200.75=29.84（kw）60P）一无通气搅拌输入的功率（W;Np-功率准数，是搅拌雷诺数Re函数；圆盘六弯叶涡轮NPq4.73一涡轮转速（r/min）；Pl一液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取800-1650kg/m3;Di一涡轮直径（m；对丁多层搅拌器的轴功率可按下式估算：Pm=P(0.40.6m)=

21、29.84(0.40.63)=65.648kw搅拌器层数。5.2通气搅拌功率Pg的计算因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算DRDi0.45七-C0.56)QC一系数，D/Dj=3时，取0.157R一多层搅拌输入的功率（kW3涡轮转速(r/min)，取200r/minDj一涡轮直径（0.7m通气量(m3/min)，取16m3/min,取1.42m3/minPm，Dj、0.45,65.64822000.73045计算Pg=C(时).=。.157().=41.62岫5.3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。咤一搅拌轴功率Pt一轴封摩擦损失功率，一般为1%巳T-传动机

22、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=U=41.626土(1+1%)=47.10kw0.920.990.98搅拌轴直径d=A*P/n）1/3,n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149,47.1取A=100,已知P=47.1kW,n=200rpm,则得d=100乂()=61.75mm,根据又献选200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200r/min不通气条件下的轴功29.84kW率多层搅拌器轴率65.648kW根据参考文献3选取计算通气量通气