立方米通風(fēng)式發(fā)酵罐設(shè)計課程設(shè)計

1、課程設(shè)計考核表設(shè)計題目15m3通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計姓名班級設(shè)計（論文）起始時間2011 年 6 月 27 日至 2011 年 7 月 9 日設(shè)計完成情況： 獨立完成，達到要求 能夠完成，達到要求 能夠完成，基本達到要求 不能按時完成，達不到基本要求說明書（論文）敘述 清楚 比較清楚 基本清楚 不清楚工作態(tài)度情況（學(xué)生對設(shè)計的認真程度、紀律及出勤情況）： 認真 較認真 一般 不認真圖面是否清晰 清晰 比較清晰 基本清晰 不清晰計算是否正確 正確 基本正確 不正確設(shè)計（論文）是否符合規(guī)范要求 規(guī)范 基本規(guī)范 不規(guī)范成績評定: 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日課程設(shè)計任務(wù)書題目名

2、稱15M3機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計學(xué)生學(xué)院專業(yè)班級姓 名學(xué) 號一、課程設(shè)計的內(nèi)容1、通過查閱機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的有關(guān)資料，熟悉基本工作原理和特點。2、進行工藝計算3、主要設(shè)備工作部件尺寸的設(shè)計4、繪制裝配圖 5、撰寫課程設(shè)計說明書二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)設(shè)計15M3機械通風(fēng)發(fā)酵罐，應(yīng)用菌株發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸，產(chǎn)物是初級代謝產(chǎn)物，牛頓型流體，二級發(fā)酵。發(fā)酵罐高徑比為2.5，生產(chǎn)場地為南方某地，蛇管冷卻，初始水溫：19,出水溫度26三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1課程設(shè)計說明書（紙質(zhì)版和電子版） 各1份2設(shè)備裝配圖（A3號圖紙）1張四、課程設(shè)計進程安排序號設(shè)計各階段內(nèi)容地點起止日期1上午布置及講解設(shè)計任務(wù)；

3、下午查閱資料及有關(guān)文獻圖書館6.272有關(guān)工藝設(shè)計計算宿舍6.27至7.13裝配圖繪制教1-2167.1至7. 44撰寫課程設(shè)計說明書圖書館7. 4至7.8五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1 鄭裕國. 生物工程設(shè)備M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20072 李功樣, 陳蘭英, 崔英德. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計M. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，20063 陳英南, 劉玉蘭. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計M. 杭州：華東理工大學(xué)出版社，20054 陳寧，江潔，氨基酸工藝學(xué)M. 北京：中國輕工業(yè)出版社，2010.8發(fā)出任務(wù)書日期： 2011 年 6 月 27 日 指導(dǎo)教師簽名：計劃完成日期： 2011 年 7 月

4、 9 日 基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：主管院長簽章：摘 要本文對北京棒桿菌AS1.563為原料合成賴氨酸的主要反應(yīng)設(shè)備作了設(shè)計和計算，包括發(fā)酵罐的容積及主要部件尺寸的確定，攪拌器的選型及功率計算，冷卻設(shè)備的計算等。關(guān)鍵詞：北京棒桿菌AS1.563賴氨酸發(fā)酵罐 目 錄1 設(shè)計方案的擬定12 幾何尺寸的確定22.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)22.2幾何尺寸的確定23 主要部件尺寸的設(shè)計計算4 3.1罐體4罐體筒壁厚4封頭壁厚53.2攪拌器5 3.3人孔和視鏡53.4接口管63.4.1管道接口63.4.2儀表接口73.5擋板74 冷卻裝置設(shè)計84.1冷卻方式84.2裝液量84.3冷卻水耗量94.4冷卻面積的計

5、算95 拌軸功率的計算105.1不通氣條件下的軸功率的P0計算105.2通氣攪拌功率Pg的計算115.3電機及變速裝置選用116 設(shè)計小結(jié)137 參考文獻13 1設(shè)計方案的擬定 我設(shè)計的是一臺15m3的機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸。經(jīng)查閱資料得知生產(chǎn)賴氨酸的菌種有高絲氨酸缺陷、黃色短桿菌的蘇氨酸或蛋氨酸缺陷、黃色短桿菌的高絲氨酸缺陷菌株，它們可分別積累賴氨酸50g/L、34g/L、23g/L等，目前國內(nèi)所使用的賴氨酸生產(chǎn)菌主要有：中國科學(xué)院微生物研究所的北京棒桿菌AS1.563和鈍齒棒桿菌PI-3-2；上海工業(yè)微生物研究所選育的黃色短桿菌AIII；黑龍江輕工業(yè)研究所的241134；廣西輕

6、工業(yè)研究所的NO.G12-6等。綜合溫度、PH等因素選擇北京棒桿菌AS1.563菌種，該菌種最適發(fā)酵溫度為32-34oC，培養(yǎng)基為糖蜜、大豆餅粉。主要生產(chǎn)工藝過程如下表表1-1 種子擴大過程的基本培養(yǎng)條件種子擴大階段基本培養(yǎng)條件斜面種子培養(yǎng)溫度30-32oC，培養(yǎng)時間10-24h一級種子以1000ml三角瓶裝200ml，搖床為沖程76mm，頻率100-12r/minn；培養(yǎng)溫度30-32oC，培養(yǎng)時間為15-16h二級種子培養(yǎng)溫度30-32oC，通風(fēng)量1：0.2（V/V.min）,攪拌轉(zhuǎn)速200r/min,培養(yǎng)時間8-11h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

7、一些附件組成。這次設(shè)計就是要對20m3發(fā)酵罐的幾何尺寸進行計算；考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐體和封頭的壁厚。根據(jù)發(fā)酵微生物產(chǎn)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(shè)計、計算；分居上面的一系列計算選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置和人孔等一些附件的確定，完成整個裝備圖，完成這次設(shè)計。這次設(shè)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(shè)備的機械設(shè)計核心內(nèi)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(shè)計的思路和步驟。表1-2 發(fā)酵罐主要設(shè)計條件項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注發(fā)酵產(chǎn)品

8、賴氨酸發(fā)酵菌種北京棒桿菌AS1.563根據(jù)參考文獻4選取工作壓力0.3MPa由工藝條件確定設(shè)計壓力0.4MPa由工藝條件確定發(fā)酵溫度33oC根據(jù)參考文獻4選取設(shè)計溫度140oC由工藝條件確定冷卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定培養(yǎng)基玉米漿1.5%，豆餅粉2.5%根據(jù)參考文獻4選取發(fā)酵液密度=1080kg/m3由工藝條件確定發(fā)酵液黏度=2.0*10-3N.s/m2由工藝條件確定2 罐體幾何尺寸的確定2.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)夾套反應(yīng)釜主要由攪拌容器、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柱成。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

9、攪拌軸組成，其形式通常由工藝設(shè)計而定；傳動裝置是為帶動攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機、減速器、聯(lián)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，工藝連接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜。圖2-12.2幾何尺寸的確定根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部分幾何尺寸：高徑比H/D=2.5,則H=2.5D 初步設(shè)計：設(shè)計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（15m3）公稱體積V罐的筒身體積和底封頭體積之和全體積Vo公稱體積和上封頭體積之和 封頭體積 V封=V=D2Ho+0.15D3（近似公式）假設(shè)Ho/D=2.5,根據(jù)設(shè)計條件發(fā)酵罐的公稱體積為15m3，由公稱體積的近似公式V=D2H

10、o+0.15D3可以計算出罐體直徑D=2058mm罐體總高度：H=2.5D=2.5×2058=5154mm 查閱文獻：當公稱直徑DN=2000時，標準橢圓封頭的曲面高度ha=500mm，直邊高度,hb=50mm，總深度為Hf=6.501m2，容積Vf=1.2043m3可得罐筒身高:Ho=H-2Hf=5154-2×550=4054mm則此時H/D=5154/2000=2.577，與前面假設(shè)相近，故可認為D=2000是合適的。發(fā)酵罐的全體積V=D2Ho+2Vf315m3攪拌葉直徑取Di=700mm，其中Di/D=700/2000=3.5，符合Di/D=1/3-1/2攪拌葉間距S

11、=3Di=3×700=2100mm底攪拌葉至底封頭高度C=Di=700mm表2-1 大中型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù)公稱體積m3 筒體高度H(mm) 筒體直徑mm 換熱面積m2 轉(zhuǎn)速r/min 電機功率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

12、 142 215 表2-2 15m3發(fā)酵罐的幾何尺寸項目及代號參數(shù)及結(jié)果設(shè)計條件公稱體積m315設(shè)計條件全體積m315.14計算罐體直徑mm2000計算發(fā)酵罐總高mm5154計算發(fā)酵罐筒體高度mm4000計算攪拌葉直徑mm700計算橢圓封頭短半軸長mm500計算橢圓封頭直邊高度mm 50計算底攪拌葉至封頭高度mm700計算攪拌葉間距mm2100計算3 主要部件尺寸的設(shè)計計算3.1罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和風(fēng)投材料，封頭結(jié)構(gòu)與罐體了解方式。因賴氨酸是偏酸性，對罐體不會有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使用16MnR鋼為材料，封頭設(shè)計為標準橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面

13、縫焊接的方式與罐體連接。罐體筒壁厚=+3=5.208mm，取6mmD罐體直徑（mm）p耐受壓強 (設(shè)計壓力，MPa) 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0 罐體金屬材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，137MPa）C 腐蝕裕度，當 C<10mm時，C3mm 封頭壁厚的計算=9.3mm，取10mmD罐體直徑（mm）p耐受壓強 (取0.3MPa)K開孔系數(shù)，取2.3 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，137MPa）C 腐蝕裕度，當 C<10mm時，C3mm3.2攪拌器采用渦輪式攪拌器，選擇

14、攪拌器種類和攪拌器層數(shù)，根據(jù)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)兩大，攪拌功率消耗也大查閱文獻知15m3發(fā)酵罐采用6-6彎葉式攪拌葉徑d=670mm，則可以計算出盤徑di=0.75d=502.5葉高h=0.3d=201葉長b=167.5 圖3-1 3.3人孔和視鏡人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。 本次設(shè)計只設(shè)置了1個人孔，查閱文獻，選取標準號HG2151897、公稱壓力為2.5MPa、直徑為500mm、高度為393mm的人孔，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸500mm處。視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計設(shè)置了2個視鏡

15、，標準號HG215051992，直徑為DN=100mm，高度為52mm，開在頂封頭上，位于右邊軸線離中心軸500mm處，與人孔位于同一水平線上。3.4接口管以進料口為例計算：液體進料流速一般為u=1.，取，1.3排盡。取發(fā)酵罐裝料系數(shù)為0.7，則發(fā)酵罐裝料液體積：V1=10.5996m3物料體積流量：Q= V1/1.3=8.153m3/h則排料管的直徑d= =53.7mm取無縫鋼管，查閱資料，平焊鋼管法蘭和HG20593-97，取公稱直徑50，57×3.5。其他管道也是如此計算管道接口（采用法蘭接口）進料口：采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97），接口直徑，

16、大約人孔與視鏡中間。角度垂直。排料口：采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97），接口直徑，開在罐底中間通風(fēng)管旁。進氣口：57×3.5，開在封頭上，角度與水平線夾角45度排氣口：57×3.5 ，開在封頭上進氣口以封頭很人孔中心連線為對稱軸的對稱位置上，角度與水平線夾角45度。冷卻水進、出口：采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97）接口直徑 57×3.5，角度與水平線夾角45度。補料口： 57×3.5，開在封頭上；角度與水平線夾角45度。取樣口：57×3.5，開在封頭上；角度與水平線夾角90度儀表接口

17、溫度計；裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，D100mm，開在罐身上；壓力表；彈簧管壓力表（徑向型），d1=20mm，精度2.5，型：Y-250Z ，開在封頭上溶氧探頭：SE-N-DO-F；pH探頭：PHS型；液位計：采用標準：HG5-1368，型號：R6-1；法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97）3.5擋板擋板寬度：B=0.1D=200mm，裝設(shè)4-6個即可滿足全擋板條件。根據(jù)下式計算擋板數(shù)n：0.5，由此可得n=5式中，B-擋板寬度，mm；D-罐內(nèi)經(jīng)，mm；n-擋板數(shù)表3-1 發(fā)酵罐主要部件尺寸的實設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注罐體材料焊接方式罐體筒壁厚封頭壁厚攪拌器類型

18、攪拌葉直徑攪拌器層數(shù)人孔視鏡進、排料口直徑進、出氣口直徑冷卻水進、出口直徑補料口直徑取樣口直徑 溫度計壓力表液位計溶氧探頭pH探頭擋板數(shù)16MnR鋼雙面縫焊接6mm10mm六彎葉渦輪式攪拌器700mm31個，標準號HG21522-972個，標準HGJ501-86-1757×3.557×3.557×3.557×3.557×3.5裝配式熱電阻溫度傳感器，Pt100型，D=100mm Y-250ZR-61SR-N-DO-F PHS-2型5由工藝條件確定由工藝條件確定計算計算根據(jù)參考文獻1選取計算由工藝條件確定根據(jù)參考文獻4選取根據(jù)參考文獻1選取根據(jù)參

19、考文獻4選取根據(jù)參考文獻4選取由工藝條件確定根據(jù)參考文獻4選取由工藝條件確定計算4 冷卻裝置的設(shè)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，綜合比較蛇管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質(zhì)是，選用蛇管。4.2 裝液量設(shè)計發(fā)酵罐的裝料系數(shù)：取70%發(fā)酵罐裝料液體積：V1=全體積×80%=15.138×0.7=10.5996m3不計算下封頭時的裝液體積：V柱=V1-下封頭體積 V柱= 10.5996-1.2043=9.3923m3裝液高度： 單位時間傳熱量=發(fā)酵熱×裝料量Q=Q發(fā)×V1=33400×10.5996

20、=354026.6kJ/h表4-1各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱發(fā)酵液發(fā)酵熱（kJ/m3·h）青霉素絲狀菌青霉素球狀菌鏈霉菌四環(huán)素紅霉素谷氨酸賴氨酸檸檬酸酶制劑230001380018800251002630029300334001170014700-188004.3冷卻水耗量由實際情況選用進出口水溫為19oC、26oC，則= =12079kg/hQ單位時間傳熱量Cp冷卻水的平均比熱，取4.187 kJ/ (kg · ) t2-t1冷卻水進出口溫度差對數(shù)平均溫度差，由工藝條件知tF=33OC，=10.1oCt1冷卻水進口溫度t2冷卻水出口溫度 t發(fā)發(fā)酵溫度4.4冷卻面積=18.45m2

21、，根據(jù)實際情況取整為20m2tm 對數(shù)平均溫度差K傳熱總系數(shù)，取1.9×103 kJ/(m2 ·h·)=127.39m，取整L=120m，分為四組，每組長Lo=30md蛇管內(nèi)徑，d外徑壁厚外徑取5080mm，壁厚取3.55mm每圈蛇管長度=9.3mDp 蛇管圈直徑，3mhp 蛇管圈之間的距離，取0.15m每組蛇管圈數(shù)=3圈，則總?cè)?shù)為3×4=12圈蛇管總高度表4-2 15m3發(fā)酵罐冷卻裝置設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注裝料系數(shù)70%由工藝條件確定裝料體積10.5996m3計算裝料高度2.99m計算總發(fā)酵熱354026.6kJ/h計算冷卻水耗量120

22、79kg/h計算冷卻面積20m2計算冷卻蛇管總長度120m計算冷卻蛇管總高度計算蛇管組數(shù)4組由工藝條件確定每組蛇管圈數(shù)3圈計算冷卻蛇管規(guī)格57×3.5根據(jù)參考文獻4選取5 攪拌器軸功率的計算5.1不通氣條件下的軸功率Po 取發(fā)酵醪液黏度=2.0×103，密度=1080kg/m3，攪拌轉(zhuǎn)速則雷諾準數(shù)=8.82×105>10000因為Re，所以發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流狀態(tài)，即有效功率系數(shù)=4.7魯士頓(Rushton J. H.)公式：=4.7×（200/60）3×1080×0.75=31.6kWP0無通氣攪拌輸入的功率（W）；功率準數(shù)，是

23、攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪 NP4.7渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）；液體密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；渦輪直徑（m）對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：=31.6×(0.4+0.6×3)=69.52kwm-攪拌器層數(shù)。5.2通氣攪拌功率Pg的計算因為是牛頓流體，所以用以下公式計算=50kWPo-無通氣條件下的功率（kW）-攪拌器轉(zhuǎn)速（r/min）Di-攪拌渦輪直徑（m）Q-通氣量（m3/min），取1-6m3/min，通氣量的大小取決于菌種需氧量及發(fā)酵液黏度大小。5.3電機及變速裝置選用根據(jù)攪拌功率選用電動機時，應(yīng)考慮傳動裝置的機械效率。攪拌軸功率軸封摩擦損失功率，一般為傳動機構(gòu)效率根據(jù)生產(chǎn)需要選擇三角皮帶電機。三角皮帶的效率是 0.92，滾動軸承的效率是 0.99，滑動軸承的效率是0.98，端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的 1%，則電機的功率 ×（1+1%）=56.58kW攪拌軸直徑，n為轉(zhuǎn)速（單位為轉(zhuǎn)/分），系數(shù)A可以取97-1