100M3机械搅拌通风发酵罐的设计.doc

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1、课程设计任务书一、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 ： 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： 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

2、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，20072 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广

3、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.现代发酵技术(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计算。本设计根据给定的设计条件选择合

4、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目 录1设计方案的拟定12罐体几何尺寸的确定22.1通风发酵罐的总

5、体结构22.2 几何尺寸的确定23罐体主要部件尺寸的设计计算53.1 罐体53.2 罐体壁厚53.3 封头壁厚计算53.4 搅拌器63.5人孔和视镜63.6接口管63.6.1 管道接口63.6.2 仪表接口74冷却装置设计84.1 冷却方式84.2 装液量84.3 冷却水耗量94.4 冷却面积95搅拌器轴功率的计算115.1不通气条件下的轴功率P0计算115.2通气搅拌功率Pg的计算125.3电机及变速装置选用126设计小结147参考文献141 设计方案的拟定我设计的是一台100M3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

6、择黑曲霉N-558菌株，该菌种最适发酵温度为35，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；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

7、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視图，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13表1-1 发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵菌种黑曲霉N-588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

8、作温度）35根据参考文献1选取设计温度150由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定培养基薯干粉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210-3Pa.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

9、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（） 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通过计算出 罐体直径 ，取整 罐体总高度其他相关尺寸：搅拌叶直径椭圆封头短半轴长度搅拌叶间距底搅拌叶至底封头高度查阅文献2 ，当公称直径时，标准椭圆封头的总深度，内表面积，容积罐体直筒部位高度 则此时与前面的假设相等，

10、故可认为是合适的椭圆封头的直边高度公称体积调整为: 发酵罐的全体积 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kw 10 3200 1800 12 150 7.5 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215 表2-2

11、100m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积设计条件全体积计算罐体直径计算发酵罐总高计算搅拌叶直径计算椭圆封头短半轴长计算搅拌叶间距计算底搅拌叶至封头高度计算椭圆封头直边高度计算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），其中发酵液对钢腐蚀性不大的，故可以选用16MnR钢；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罐体壁厚取整为D罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.25MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 设计温度下的许用

12、应力（）（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm3.3封头壁厚计算取整为D罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.25MPa)y开孔系数，取2.3 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm3.4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可知发酵罐采用六弯叶涡轮式搅拌器则可以计算出叶径，盘径，叶高叶长本设计用

13、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： HG215201995 人孔（RA2707） 450，直径为65025mm，高度为230mm，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3.6.1 管道接口进料口：直径，开在封头上；排料口：，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；3.6.2

14、 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计算封头壁厚计算搅拌器类型六平叶涡轮式搅拌器根据参考文献3选取搅拌叶直径计算搅拌器层数3层由工艺条件确定人孔1个，标准号HG2151895根据参考文献3选取视镜2个，标准号HG215051992根据参考文献3选取进、排料口直径根据参考

15、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Pt100型，D100mm压力表采用标准：型号：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：发酵罐装料液体积：不计算下封头时的装液体积：装液高度：单位时间传热量发酵热装料量 即：表4-1 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2

16、5100红霉素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制剂14700188004.3 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=35， 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=188 kj/ (M h )，根据生产经验数据可取传热系数1和2分别为2.7

17、103 kj/(M2 h )和 1.45104kj/(M2 h )，另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 M2 h /kj=1.931103 kJ/(m2 h)tm 对数平均温度差K传热总系数，取1.931103 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 573.5mm其中外径取5080mm，壁厚取3.55mm 每圈蛇管长度Dp蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取0.15m蛇管总圈数，则每组5圈。蛇管总高度验算每组蛇管堆叠的厚度：因蛇管对称分布，则d=2 =1.77m,再加上搅拌叶的直径Di=1.3m即D=d+Di=1.77+1.3=3

18、.07m因DD=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4-2 200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不通气条件下的轴功率P0计算鲁士顿(Rushton J. H.)公式：已知在充分湍流状态时，圆盘直叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 6 因Re104，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无通气搅

19、拌输入的功率（W）；NP功率准数，是搅拌雷诺数Re的函数；涡轮转速（r/min）；L液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；D 涡轮直径（m）；由于一般发酵罐中 ，因此搅拌功率可用下式校正： f为校正系数，它由下式来确定：发酵罐直径（D）、搅拌器直径(d)、液柱高度(HL)对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：m-搅拌器层数。5.2通气搅拌功率Pg的计算根据设计Q取 P0无通气搅拌输入的功率（kW）涡轮转速（r/min）Di 涡轮直径（m）Q通气量（），取16 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。搅拌轴功率 轴封摩擦损

20、失功率 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%，则电机的功率表5-1机械传动的效率传动机械h，%三角皮带9095伞齿轮9095正齿轮9095涡轮（三线或四线）7090涡轮（双线）6080表5-2 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YJL128-10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

21、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柠檬酸的发酵生产，发酵温度为35。反应器的材料为不锈钢；几何尺寸为3900mm；采用六平叶涡轮式三层搅拌器，利用电动机通过3900mm的轴驱动；冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长为282m，分为6组。7参考文献1 齐香君. 现代生物制药工艺学M. 北京：化学工业出版社，2003.92 潘红良 赫俊文. 过程设备机械设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2006.43 吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.74 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20075 郑裕国 薛亚平 金利群等.生物加工过程与设备M. 北京：化学工业出版社，2004.76 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，20067 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，20058 微生物工程M, 北京：吴松刚主编，科学出版社