100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器 南阳理工学院(DOC)

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：学生姓名：张志立张志立专业班级：专业班级：10级生物工程级生物工程2班班学号：学号：105010540096指导教师：指导教师：罗建成罗建成设计时间：设计时间：2013年年5月月25日日100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器学院学院生物与化学工程学生物与化学工程学院院专业班级专业班级生物工程生物工程2班班姓名姓名张志立张志立所在组别所在组别第第7组组设计题目设计题目100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器谷氨酸机械搅拌通风反应器完成时间完成时间2013年年5月月25日日设计内容及设计内容及要

2、求要求课程设计内容课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。的确定。2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及、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。传热面积的确定。3、动力消耗、设备结构的工艺设计。、动力消耗、设备结构的工艺设计。课程设计的要求课程设计的要求1、工艺设计和计算（、工艺设计和计算（1）工艺设计（）工艺设计（2）设备设计）设备设计2、设计说明书的编制、设计说明书的编制3、绘制设备图一张、绘制设备图一张工作进度及工作进度及安排安排1、2013.5.21阅读设计指导书，査阅资料，拟定设

3、计程阅读设计指导书，査阅资料，拟定设计程序和进度计划。序和进度计划。2、2013.5.22调查、收集有关数据，奠定设计基础。调查、收集有关数据，奠定设计基础。3、201352325设计计算，绘图，编写说明书。设计计算，绘图，编写说明书。指导教师指导教师: :罗建成罗建成2013年年5月月25日日100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器2摘要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

4、发酵罐的仔细图。关键词关键词：机械搅拌发酵罐，封头，搅拌器，端面轴封，冷却装置AbstractAbstractThedesignofmechanicalagitationisaventilationfermenter100m3,glutamicacidfermentation.Mainlybyfermentationtankandthecoolingdevice,astirringdevice,transmissiondevice,theshaftsealingdevice,anumberofmanholesandotheraccessories.Emphasisinthedesignofth

5、eactualproductionprocess,andlearnotherfermenterdesignexperience,takingintoaccountglutamateaerobichabits,inthefermentationprocess,paymoreattentionpaidattheendofthefermentationtankcarefullymap.KeywordsKeywords：mechanicalagitationfermentor,head,blender,endseals,coolingdevice100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器3目录目录第第 1 1

6、 章章概述11.1 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第第 2 2 章章设计依据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第第 3 3 章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 Re7m3.5.2不通气条件下的轴功率计算 83.

7、5.3 通气发酵轴功率计算 85.5.4求电机功率 P9电3.6 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 153.11 人孔及视镜的设置 17100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器4第第 4 4 章章设计结果与讨论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第第 5 5 章章参考文献20第第 6 6 章章课程设计心得体会22设计图22100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器i1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

8、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

9、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1高径比：H/D=2.42搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,D:d:L:B=20:15:5:4ii100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器23搅拌器直径：D=D/34搅拌器间距：S=(0.95-1.05)D5最下一组搅拌器与罐底的距离：C=

10、(0.8-1.0)D6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：1装料系数：种子罐 0.50-0.65发酵罐 0.65-0.82发酵液物性参数：密度 1080kg/ms粘度 2.0X10-3N.s/m2导热系数 0.621W/m.C比热 4.174kJ/kg.C3高峰期发酵热 3-3.5X104kJ/h.m34溶氧系数：种子罐 5-7X10-6molO/ml.min.atm2发酵罐 6-9X10-6molO/ml.min.atm25标准空气通风量：种子罐 0.4-0.6vvm发酵罐 0.2-0.4vvm2.

11、2.3 冷却水及冷却装置冷却水：地下水 18-20C100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器3冷却水出口温度：23-26C发酵温度：32-33C100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器4冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。2.2.4 设计压力罐内 0.4MPa；夹套 0.25MPa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

12、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 发酵罐的选型糖蜜一二级种子罐纯生物素一实消斜面f-级种子、降温液氮f二级种培养f淀粉1一匍萄糖消泡剂水定容罐一配料罐一一无机盐糖蜜连消器玉米浆纯生物素维持罐1换热器消泡剂发酵罐一高浓度糖液A液氨消泡剂一一水一V无机盐配料罐 f 定容罐100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器5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

13、产能力的计算：若取发酵罐的填充系数9=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。V二V+2V二110(m3)全筒封为了提高空气利用率，罐的高径比取 2.4。H=2.4Dn(nV二V+2V二D22.4D+2h+D全筒封416J二110(m3)椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。V二V+2V二0.785D2x2.4D+nD3x2二110(m3)解方程得全筒封241110D=3而=371取3鼻。H二2.4D二8.88(m)100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器6圆柱部份容积 V筒为:1

14、00m3谷氨酸机械搅拌通风反应器7V二0.785D2x2.4D二0.785x3.72x2x3.7二96.2(m3)筒上、下封头体积 V 为：封全容积验算:V仝二V+2V二96.2+2x6.1二108.4(m3)V全沁V全全筒封符合设计要求，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 3.3X104kJ/(m3h)，则冷却面积按传热方程式计算如下：QKAtm式中 S 冷却面积，m2Q换热量，kj/hAt平均温度差，。CmK 总传热系数，kj/(m2hC)110m3灌装液量为：110X70%=77m3Q=3.3X104x77=2.54X106KJ/h设发酵

15、液温度 33C，冷却水进口温度 19C，出口温度 25C，则平均温度差At为:m二nD32424x3.73二6.1(m3)100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器8采用竖式蛇管换热器取经验值 K 取 4.18X500kJ/(m2hC)i,2.54x1064.18x500X10.72tm5.4 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，D:d:L:B=20:15:5:4ii现将主要尺寸列后1:D371搅拌器叶径 D 为：D二二二1.237(m)取 1.24m。ii33叶宽 B 为：B=0.2=

16、0.2x1.24=0.248(m)i弧长 l 为：l二0.375d二0.375x1.24二0.465(m)iD371底距 C 为：C 二 y 二二 1.237(m)取 1.24m。盘径 d 为：d=0.75=0.75x1.24=0.93(m)iii叶弧长 L 为：L二0.25D二0.25x1.24二0.31(m)i叶距 Y 为：Y二D二3.71(m)弯叶板厚：(5=12(mm)取两挡搅拌，搅拌转速 N 可根据 50ms罐，搅拌直径 1.05m，转速 N=110r/min。以等21Atm(33-19)-(33-25)ln乂33-25二10.72CQKT二113.7(m2)100m3谷氨酸机械搅拌

17、通风反应器9P/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.0即:式中 n 放大的搅拌器的转速，r/min2n 模型搅拌器的转速，n=110r/mini1d模型搅拌器直径，d=1.05mi1d放大的搅拌器直径，d=1.7m2d放大的搅拌器直径，d=1.24m2将各值代入上式二110X二98.45(r/min)二1.64(r/s)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。ReD2NpM式中 D搅拌器直径，D=1.70mD搅拌器直径，D=1.24mrd)100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器10式中

18、 P不通气条件下的轴功率，P=65.639KW搅拌器的转速，98.45r/min。N搅拌器转速，1.64r/sp 醪液密度，p=1080kg/msM醪液粘度，p=2X10-sNs/m2将数代入上式：Rem1.242x1.64x10802x10-3=1.36x106104视为湍流，则搅拌功率准数 Np=4.73.5.2 不通气条件下的轴功率计算：P=Nn3d5pp式中 N 功率数,N=4.7sppn 搅拌器的转速，n=1.64r/sd搅拌器直径，d=1.24mp 流体密度，p=1080kg/m33将各值代入上式P=Nn3d5p=4.7x1.643x1.245x1080=65638.94=65.6

19、39(KW)p3.5.3 通气发酵轴功率计算：P=2.25x10-3xgP2nd3、0.39.Q0.08丿100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器11d搅拌器直径，d=124cmQ 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Q二110 x70%x0.2二15.4x106(ml/min)将各值代入上式。3-5-4求电机功率如Pgx1.01qqq123采用三角带传动 n=0.92；滚动轴承 n2=0.99,滑动轴承 n率为 1%；代入公式数值得：P+二x1.01二66.935(kw)电0.92x0.99x0.983.6 设备

20、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：p=2.25x10-3xg/p2nd30.39.Q0.08丿二2.25x10-3xf f656392x9845x竺厂i154000000.08丿二59.153(kw)=0.98；端面密封增加功3100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器12本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器13(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:Q

21、W=总一C(t-1)p21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,Q总二3-3x104x77二2-54x10(K/h)C冷却水的比热容，C=4.18kJ/(kgC)2ppt冷却水终温，t=25C22t冷却水初温，t=19C11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/sV冷却水流速，V=1m/s代入上式W二C(t-1)p212.54x1064.18x(25-19)二1.01x105(Kg/h)二28.14(Kg/s)1

22、00m3谷氨酸机械搅拌通风反应器140.028141二0.02814(m2)进水总管直径 d 为:总1Ad=总0.7850.785-0-02814=0.189(m)查表选取 D203X6。g(2)冷却管组数和管径:设冷却管总表面积为 A总，管径do,组数为 n,则A=n-0.785d2总 0现根据本罐情况，取 n=8,求管径。由上式得.0.02184d=0.059(m)0nx0.7858x0.785经查表选取76X6 无缝管，d=64mm,d=70mm。内平均现取竖蛇管圈端部 U 型弯管曲径为 150mm， 则两直管距离为 300mm,l为：01。二 nD二3.14x300二942(mm)(3

23、)冷却管总长度 L 计算：冷却管总面积 S=113.7m2。现取无缝钢管108X5,两弯管总长度S113.7S0.320=355.3(m)冷却管占有体积 V管为:V=0.785x0.0762x355.3=1.611(m3)管100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器15取冷却管组 n=8。(4)每组管长 L 为:0rL355.3L=0n8另需连接管 0.94m,L二L-0.94二44.4-0.94二43.5(m)实 0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：V+V二1.61+0.39二2(m3)管附件筒体液面为：Vx70%+

24、(V+V)-V110 x70%+(1.61+0.39)-6.1一、-总管附件封二二3.717(m)S截面竖直蛇管总高 H 为：管H二3.717+0.6二4.317(m)管取管间距为 0.6m。又两端弯管总长 l 为:0l二3.14x0.3二0.942(m)0两端弯管总高 1.2m。则一圈管长 L 为：L二2H+2L二2x4.317+2x0.942二10.518(m)=44.4(m)0.785x52100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器160(5)每组管子圈数 n 为：0L444n=0=4.22(圈)0L10.518取 5 圈。L二10.518x7x8+(1.8x8)=603.4A355(m)买现取

25、管间距为：1.9xD D 二1.9x0.108二0.20(m)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：0.2x6+0.10+0.108x7二2.506(m)与搅拌器的距离为：(7-1.24)/2-2.506二0.824A0.24(m)在允许范围内。(6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：S二兀dxL二3.14x0.07x603.408二132.63A113.7(m2)实平均实故可满足需求。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

26、此，其设100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器17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100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器18(1)内压圆筒厚度计算:5=pDi+C+C2lo-T-p12式中 6 圆筒的设计厚度，mmp 设计压力，p=0.4MPaD圆筒的内直径，D=3700mm1iaT设计温度下圆筒材料的许应用力，oh=124.5MPai屮焊缝系数，屮=0.91C钢板的厚度负偏差，C=0.8mmi11C 腐蚀裕量，C=1mm222将各值代入上式0.4x37002x124.5x0.90.4查附表可选用 10mm 厚的碳钢钢板。查附表知：公称直径为 370

27、0mm，壁厚为 10mm,1m高筒节钢板质量为 981kg。(2)椭圆形封头厚度计算：pD.5p式中6圆筒的设计厚度，mmp 设计压力，p=0.4MPa进行。+0.8+1=8.42100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器19D圆筒的内直径，D=3700mmii100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器20aT设计温度下圆筒材料的许应用力，ah=124.5MPa屮焊缝系数，屮=0.9将各值代入上式0.4x37002x124.5x0.9-0.4x0.5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

28、层的，查表接管长度可取 h=150mm】2。(2)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，贝 V 排料时的物料体积流量 q 为：vq=卫=0.014(m3/s)v3600 x1.5取发酵醪流速 V=1(m/s)，则排料管截面积 A物为:A=0.785d2物则排料管直径 d 为:pDi21-0.5p=6.61(mm)q0.014v=V1=0.014(m2)100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器21JA10.014我、d二 4 二二0.134(m)0.7850.785查表选取146X6 无缝管，d 内=134mm,d

29、=140mm2。平均以通风管为例计算管径，通风量 Q 为：1Q二77x0.4二30.8(m3/min)二0.51(m3/s)1利用气态方程式计算工作状态下的风量 Q 为：f0.1273+33Q=0.51xx=0.314(m3/s)f0.40273+20如取风速 V=25(m/s)，则风管截面积为:A二Q=0134二0.0053(m2)fV25A二0.785d2f气则气管直径d气为:d气二專二。皿因通风管也是排料管，故取两者的大值。即取 e152X6 无缝管，可满足工艺要求。排料时间复核:物流量 Q 为:Q=卫=0.014(m3/h)3600 x1.5查表选取 e102X4 无缝管,d二94mm

30、，d=98mm。内平均100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器22物料流速 V=1(m/s)，则管道截面积 A 为:A二0.785x0.1342二0.014(m3)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:P=-Q=艷xi=1A0.014v排料时间 t 为:t=1.5X1=1.5(h)3.11 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(RA2707)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IIPN1.6,DN100AHG21505-1992 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(倍)100m3谷氨酸机械搅拌通风反应器23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100m3发酵罐总体积110m3发酵罐直径 D3.7m封头高 H1m圆柱高 H8.