機械攪拌通風發(fā)酵罐的設計

1、課程設計任務書題目名稱100M機械攪拌通風發(fā)酵罐的設計學生學院專業(yè)班級姓 名學 號、課程設計的內容1、通過查閱機械攪拌通風發(fā)酵罐的有關資料，熟悉基本工作原理和特點2、進行工藝計算3、主要設備工作部件尺寸的設計4、繪制裝配圖5、撰寫課程設計說明書二、課程設計的要求與數據高徑比為2.5,南方某地，蛇管冷卻，初始水溫 18C,出水溫度26c1 .應用基因工程菌株發(fā)酵生產賴氨酸， 此產物是初級代謝產物。牛頓型流體，二級發(fā)酵。 學號末尾數為0 : 15M3發(fā)酵罐；1號：50M3發(fā)酵罐；2_號：200 M3發(fā)酵罐2,應用基因工程菌株發(fā)酵生產檸檬酸， 此產物是初級代謝產物。牛頓型流體，二級發(fā)酵。 3號：60

2、M3發(fā)酵罐；生號75M3發(fā)酵罐；5_號100 M3發(fā)酵罐3 .應用黑曲霉菌株發(fā)酵生產糖化酶，此產物是初級代謝產物。非牛頓型流體，三級發(fā)酵。 6號：15M3發(fā)酵罐；7 號：20 M3發(fā)酵罐；8_號：40 M3發(fā)酵罐；9_號：200 M3發(fā)酵罐 （公稱體積）三、課程設計應完成的工作4 .課程設計說明書（紙質版和電子版）各1份5 .設備裝配圖（A2號圖紙420*594mm 1張四、課程設計進程安排廳P設計各階段內容地點起止日期1上午布置及講解設計任務； 下午查閱資料及有關文獻2有關工藝設計計算3裝配圖繪制4撰寫課程設計說明書五、應收集的資料及主要參考文獻1鄭裕國.生物工程設備M.北京：化學工業(yè)出版社

3、，20072李功樣，陳蘭英，崔英德.常用化工單元設備的設計M.廣州：華南理工大學出版社,20063陳英南，劉玉蘭.常用化工單元設備的設計M.杭州：華東理工大學出版社，20054王福源主編.現代發(fā)酉技術（第二版）M.北京：中國輕工業(yè)出版社，20045潘紅良，郝俊文 主編.過程設備機械設計.杭州：華東理工大學出版社，20066吳思方主編.發(fā)酵工廠工藝設計概論M.北京：中國輕工業(yè)出版社，20057鄭裕國主編，薛亞平副主編.生物工程設備M.北京：化學工業(yè)出版社，20078黃福源主編，生物工藝技術 M.北京：中國輕工業(yè)出版社，2006摘要本文對黑曲霉菌株為原料生產檸檬酸的生產流程和主要反應設備作了設計和

4、計算。本設計根據給定的設計條件選擇合適的菌種黑曲霉菌株為原料生產檸檬酸，并通過查閱相關資料確定該菌種的最適生長和生產溫度、pH以及所需的培養(yǎng)基，然后再通過一系列的計算得出發(fā)酵罐的幾何尺寸，最后畫出裝配圖。在本文的流程設計中，簡述了以黑曲霉菌株為原料生產檸檬酸，和機械通風發(fā)酵罐的作用和結構組成，通過對發(fā)酵條件的綜合分析確定發(fā)酵的條件和工藝，然后根據所選定的條件確定罐體的幾何尺寸、計算罐體主要部件的尺寸，如封頭的選型、罐體和封頭的壁厚、攪拌器、人孔和視鏡的選取等。并且本文還對卻裝置的設計和攪拌器軸功率的計算。整個設計過程作了必要的說明。關鍵詞：黑曲霉 檸檬酸 發(fā)酵 機械通風1 設計方案的擬定1.2

5、 罐體幾何尺寸的確定2.2.1 通風發(fā)酵罐的總體結構2.2.2 幾何尺寸的確定2.3 罐體主要部件尺寸的設計計算5.3.1 罐體 53.2 罐體壁厚5.3.3 封頭壁厚計算5.3.4 攪拌器 63.5 人孔和視鏡6.3.6 接口管63.6.1 管道接口6.3.6.2 儀表接口7.4 冷卻裝置設計 84.1 冷卻方式8.4.2 裝液量 84.3 冷卻水耗量9.4.4 冷卻面積9.5 攪拌器軸功率的計算1.1.5.1 不通氣條件下的軸功率 P0計算1.15.2 通氣攪拌功率Pg的計算1.25.3 電機及變速裝置選用1.2.6 設計小結1.5.7 參考文獻1.5.1 設計方案的擬定我設計的是一臺10

6、0M機械攪拌通風發(fā)酵罐，發(fā)酵生產檸檬酸。經查閱資料得知生產檸檬 酸的菌種有毛霉，桔青霉，棒曲霉，黑曲霉等，綜合等因素選擇黑曲霉N-558菌株，該菌種最適發(fā)酵溫度為35C, pH為2.5,培養(yǎng)基為薯干粉232kg,水827kg組成。發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動裝置, 軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設計就是要對100M 3發(fā)酵罐的幾何尺寸進行計算，確定在本設計中采用的有關參數，衡算整體體積與相關的設計要求；考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、選定封頭的類型、罐體和封頭的壁厚；根據發(fā)酵微生物產生的發(fā)酵熱、發(fā)酵罐的裝液量、冷卻方式等進行冷卻裝置的設計、計算

7、；根據計算發(fā)酵攪拌所需的功率選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置，和人孔等一些附件的確定；在參考相關的市場相關生產產品對其他的接管進行設計，選擇法蘭、進出料管的規(guī)格和大??；完成上述的各項要求的計算和選擇，對整體發(fā)酵罐的設計進行布局，確定各個部件的裝配位置，完成整個裝備圖，綜合考慮整個生產設計，重新核算各組數據的合理性，完成這次設計。這次設計包括一套圖樣，主要是裝配圖，還有一份說明書。而繪制裝配圖是生物工程設備的機械設計核心內容，繪制裝配圖要有合理的選擇基本視圖，和各種表達方式，有合理的 選擇比例，大小，和合理的安排幅面。說明書就是要寫清楚設計的思路和步驟3表1-1發(fā)酵罐主要設計條件發(fā)酵菌種黑曲霉N-5

8、88菌株根據參考文獻1選取工作壓力0.25MPa由工藝條件確定設計壓力0.25MPa由工藝條件確定發(fā)酵溫度（工作溫度）35 c根據參考文獻1選取設計溫度150 c由工藝條件確定冷卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定A口加工薯干粉232kg;水827kg根據參考文獻8選取發(fā)酵液密度1059kg/m由工藝條件確定發(fā)酵液黏度2 10-3Pa.s由工藝條件確定2罐體幾何尺寸的確定2.1 通風發(fā)酵罐的總體結構通風發(fā)酵罐主要由攪拌容器，攪拌裝置，傳動裝置，軸封裝置，支座，人孔，工藝接管 和一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由封頭和筒體組成，多為中、低壓壓 力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通

9、常由工藝設計而定；傳動裝置是為帶動 攪拌裝置設置的，主要由電機，減速器，聯軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般 采用機械密封或填料密封；它們與支座，人孔，工藝接管等附件一起，構成完整的生物反應 器。2.2 幾何尺寸的確定根據工藝參數和高徑比確定各部幾何尺寸；高徑比 H/D=2.5,則H=2.5D初步設計：設計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（100m3）公稱體積Vo-罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和全體積V-公稱體積和上封頭體積之和1封頭體積V封=I4 D ( hb D)6Vo =(n/4 )D2Ho +0.15D3 (近似公式)假設Ho/D = 1.9794 ,根據設計條件發(fā)酵罐的公稱

10、體積為100M3由公稱體積的近似公式V。= :.4 D2Ho 0.15D3可以通過 V0 = -: 4 D3H0/D 0.15D3=100M3計算出罐體直徑 D=3883.45mm ,取整 D = 3900mm罐體總高度 H =2.5D =2.5 3900mm =9750mm其他相關尺寸：攪拌葉直徑 Di =1/3D =1300mm橢圓封頭短半軸長度ha =0.25D =0.25 3900mm = 975mm a攪拌葉間距 S=3Di =3 1300mm = 3900mm底攪拌葉至底封頭高度C =Di =1300mm查閱文獻2,當公稱直徑DN=3900mm時，標準橢圓封頭的總深度面積 Af =

11、 16.9775m2 ,容積 Vf = 8.2427m3罐體直筒部位高度 H0 =H -2Hf =9750 -2 1015mm = 7720mm則此時H0/D =7720/3900 =1.9794與前面的假設相等，故可認為D =3900mm是合適的橢圓封頭的直邊高度hb = H f -ha =1015 -975mm = 40mm公稱體積調整為：V0 = - 3.92 7.72 - 8.2427 =100.42m34ffi 1-2-H機械攪掉通風 發(fā)醉席的幾何尺寸 出一 身高作一常位高 Hl悻富 口嫌在 口，一攪拌葉輪良輕 J!-擋囪更 匚一下授排時輪與底面 5一相鄰攪拌吐輪間距H f = 10

12、15mm ,內表發(fā)酵罐的全體積 Vh霆/4D2H0 2Vf 二輿/4 39002 H0 2Vf -108.66m3表2-1大中型發(fā)酵罐技術參數m3H(mm)mm2 mr/minkw1032001800121507.521470022002115430306600240034180455070002800-300038-60160556080003000-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表2-2 100m 3發(fā)酵罐的幾何尺寸項目及代號參數及結果備注公稱體積100m3設計條件全體積3108.

13、66m3計算罐體直徑3900mm計算發(fā)酵罐總高9750mm計算攪拌葉直徑1300mm計算橢圓封頭短半軸長975mm計算攪拌葉問距3900mm計算底攪拌葉至封頭高度1300mm計算橢圓封頭直邊高度40mm計算53罐體主要部件尺寸的設計計算3.1罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結構、與罐體連接方式因糖化酶是偏酸性（pH值為4.5）,其中發(fā)酵液對鋼腐蝕性不大的，故可以選用16MnFRS;封頭設計為標準橢圓封頭，因 D>500mm所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。3.2 罐體壁厚(mm)二3 =7.453(mm)0.25 39002 137 0.8 0.25取整為二1

14、 =8（mm）D罐體直徑（mrmp耐受壓強（取0.25MPa）小 一焊縫系數，雙面焊取0.8,無縫焊取1.0（7 設計溫度下的許用應力（kgf/cm2）（不銹鋼焊接壓力容器許用應力為 150 C, 137MPaC 腐蝕裕度，當 6 C<10mmf, C= 3mm3.3 封頭壁厚計算pDy0.25 3900 2.3、2C （mm）3 = 13.23mm2 一. .2 137 0.8取整為。2 =14mmD罐體直徑（mrmp 耐受壓強（取0.25MPa）y 開孔系數，取2.3小 一焊縫系數，雙面焊取0.8,無縫焊取1.0（7 設計溫度下的許用應力（不銹鋼焊接壓力容器許用應力為150C, 13

15、7MPaC 腐蝕裕度，當 6 -C<10mrmf, C= 3mm3.4攪拌器采用渦輪式攪拌器，選擇攪拌器種類ha-六平葉 b- 六彎葉 c- 六箭葉圖6-1通用的渦輪式攪拌器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 彎=(1/2)d- r箭=(1/4)d1和攪拌器層數，根據d確定h和b的值 尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標準化， 稱為標準型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大；查閱文獻2可 知100m3發(fā)酵罐采用六彎葉

16、渦輪式攪拌器 則可以計算出葉徑 d =1/3 D =1300mm ,盤徑 di =0.75d = 975mm,葉高 h =0.3d =390mm 葉長 b = 325mm本設計用內冷凝水管，可以省略擋板3.5 人孔和視鏡人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備內部的裝置。本次設計只設置了 1個人孔，標準號為：HG21520- 1995 人孔(RA 2707) 450,直徑為-650X25mm高度為230mm開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸 750mmt視鏡用于觀察發(fā)酵罐內部的情況。本次設計設置了2個視鏡，直徑為DN150mm高度為54mm開在頂封頭上，位于中心軸線上。3.6 接口管3.6.

17、1 管道接口進料口：直徑 陰27M 4.5mm,開在封頭上；排料口： $127 m 4.5mm,開在罐底；進氣口：曲27父4.5mm,開在封頭上；排氣口： *127X4.5mm,開在封頭上；冷卻水進、出口： 軻6M3.5mm,開在罐身;補料口： $127父4.5mm,開在封頭上；取樣口：軻6 M 3mm ,開在封頭上；73.6.2儀表接口溫度計；裝配式熱電阻溫度傳感器 Pt100型，D= 100mm,開在罐身上;壓力表；彈簧管壓力表(徑向型)，di=20mm,精度2.5,型號： Y250Z,開在封頭上；液位計：采用標準：HG5-1368型號：R-61直徑：*550(260x14) mm ,開在

18、罐身上；溶氧探頭：SE NDOF;pH探頭：PHS2型；表3發(fā)酵罐主要部件尺寸的設計計算結果罐體材料不銹鋼由工藝條件確定焊接方式雙面縫焊接由工藝條件確定罐體筒壁厚8mm計算封頭壁厚14mm計算攪拌器類型六平葉渦輪式攪拌器根據參考文獻3選取攪拌葉直徑1300mm計算攪拌器層數3層由工藝條件確定人孔1個，標準號HG21518- 95根據參考文獻3選取視鏡2 個，標準號 HG21505- 1992根據參考文獻3選取進、排料口直徑127 4.5mm根據參考文獻3選取進、出氣口直徑127 4.5mm根據參考文獻3選取冷卻水進、出口直徑76 3mm由工藝條件確定補料口直徑127 4.5mm根據參考文獻3選

19、取取樣口直徑76 3mm由工藝條件確定溫度計Pt100 型，D = 100mm壓力表采用標準：Y-250Z型號：R -61液位計HG5-1368溶氧探頭SE-N -DO -FpH探頭PHS -2 型#4冷卻裝置設計4.1 冷卻方式發(fā)酵罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用蛇管冷卻，綜合比較 列管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質時，選用列管。4.2 裝液量設計發(fā)酵罐裝料系數：70%發(fā)酵罐裝料液體積： 3 V1 =全體積 M裝料系數 =108.66 M 70% = 76.062m不計算下封頭時的裝液體積：Vtt =V 下封頭體積 3V柱=V1-下圭寸頭體積 =76.062 8.24

20、27 = 68.3773m 裝液高度：h1 =Y柱 0.785 D2 =68.3773； 0.785 3.92 =5.7268m 單位時間傳熱量=發(fā)酵熱X裝料量即：Q=Q發(fā) Mv1=11700 M76.062=8.8993 父105 kj/h表4-1各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱(kJ/ m3 h)青霉素絲狀菌23000青霉素球狀菌13800鏈霉素18800四環(huán)素25100紅毒素26300谷氨酸29300賴氨酸33400檸檬酸11700酶制劑14700- 188004.3 冷卻水耗量 由實際情況選用進出口水溫為18 c、26 C,則_5= 2.6574 104(kg/h)Q 8.8993 10W 二二Cp

21、(t2 -t1)4.186 (26 -18)Q-單位時間傳熱量Cp-冷卻水的平均比熱，取 4.186 kJ/ (kg - C)t2-t1 冷卻水進出口溫度差對數平均溫度差,由工藝條件知道tF=35C,tm(tF -t1) -(tF -t2)(35 -18)-(35 -26)=12.58 C2.3031g 溫35-182.303lg35-2611t1 冷卻水進口溫度t2 冷卻水出口溫度 tF發(fā)酵溫度4.4 冷卻面積不同的冷卻蛇管的K值不同，發(fā)酵溫度低的發(fā)酵液選擇K值大(傳熱效率高)的冷卻蛇管，罐內采用豎式蛇管冷卻，蛇管為水煤管，其規(guī)格為60(mm),壁厚3.5mm,其導熱系數入=188 kj/(

22、M - h C),根據生產經驗數據可取傳熱系數a 1和a 2分別為2.7X 103kj/(M 2 hC)和1.45X 104kj/(M 2 h ),另外管壁水垢層的熱阻取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 對數平均溫度差K傳熱總系數，取 1.931 X 103 kJ/(m2 h - C )冷卻面積（m2） A=兀dL冷卻蛇管總長度（m）L =-A=36.643 = 233.37m,分為 6組，每組長 38.

23、89m二 d 3.14 （57 -7） 10取整為 47m,則 L = 282m, A = 44m3d 蛇管內徑，d =外徑壁厚，取 57X 3.5mm其中外徑取50-80mm壁厚取3.5 -5mm 每圈蛇管長度l 二（二Dp）2 hp2 =、；（3.14二）L0.15=9.42mDp-蛇管圈直徑，3mhp 蛇管圈之間的距離，取 0.15m蛇管總圈數L 282Np =之30圈，則每組5圈。 l 9.42蛇管總高度H =（Np -1）hp =（28 -1） 0.15 = 4.05m驗算每組蛇管堆疊的厚度：d蛇=5 X 0.057 + 4x 0.15 = 0,885 m因蛇管對稱分布，則d'

24、; =2d蛇=1.77m,再加上攪拌葉的直徑Di=1.3m即 D' =d' +Di=1.77+1.3=3.07m因D' <D=3.9m所以蛇管能全部放進發(fā)酵罐內部，而且高度低于液柱高度, 故蛇管的設計符合要求。表4-2200 m3發(fā)酵罐冷卻裝置設計計算結果裝料系數70%由工藝條件確定裝料體積76m3計算裝料高度5.73m計算總發(fā)酵熱5.38.90 10 kj . m h計算冷卻水耗量2.66 104(kg/h)計算冷卻面積44m3計算冷卻蛇管總長度282m計算冷卻蛇管總高度3.57m計算蛇管組數6組由工藝條件確定每組蛇管圈數5圈計算5攪拌器軸功率的計算5.1不通氣

25、條件下的軸功率P0計算魯士頓(Rushton J. H.) 公式：p =NP 83 PLDi5Np = 6Re Di：；(90/60) 1.3 10592成= 1.03 106已知在充分湍流狀態(tài)時，圓盤直葉渦輪攪拌器的功率準數因Re>104,所以發(fā)酵系統(tǒng)在充分湍流狀態(tài)，即有功率系數 NP =6 ,故葉輪的不通氣時攪拌 功率P0為P0 =NP 3 ：LDi5 = 6 1.53 1 059 1.35 = 79.62 1 03w = 79.62kwP。無通氣攪拌輸入的功率（W；2功率準數，是攪拌雷諾數 Re的函數；一渦輪轉速（r/min ）;p l 液體密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一

26、般取 800-1650 kg/m3 ; D 渦輪直徑（項；由于一般發(fā)酵罐中D/d #3,Hl #3 ,因此攪拌功率可用下式校正:* _P =fPf為校正系數，它由下式來確定：f =1 （D）*（HL）* J（3900）（5726.8）=i.2i3 d d 3 13001300發(fā)酵罐直徑（D）、攪拌器直徑（d）、液柱高度（HL）P =fF0=1.21 79.62 =96.48kW對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：Pm =P（0.4 0.6m） =96.48 （0.4 0.6 3） =212.26kwm攪拌器層數。1.2 通氣攪拌功率Pg的計算根據設計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無通氣攪拌/&入的功率（kW一渦輪轉速（r/min ）Di 渦輪直徑（mQ通氣量（m3/min ）,取 16 m3/ min1.3 電機及變速裝置選用根據攪拌功率選用電動機時，應考慮傳動裝置的機械效率。P_T PPm-攪拌軸功率Pt-軸封摩擦損失功率4-傳動機構效率根據生產需要選擇三角皮帶電機。三角皮帶的效率是 0.92 ,滾動軸承