發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、目錄前言2設(shè)計(jì)方案的擬定3(1) 、機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器的型式.3(2) 、反應(yīng)器用途3(3) 、冷卻水及冷卻裝置.3、設(shè)計(jì)壓力罐內(nèi)0.4MPa；夾套0.25Mpa4表-發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)4工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算.5(1) 生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定.5(2) 主要尺寸計(jì)算5(3) 冷卻面積的計(jì)算6(4) 攪拌器設(shè)計(jì)6(5) 攪拌軸功率的計(jì)算.7(6) i求最高熱負(fù)荷下的耗水量W.8ii冷去口管組數(shù)和管徑9iii冷卻管總長(zhǎng)度L計(jì)算10iv每組管長(zhǎng)10和管組高度10V每組管子圈數(shù)n010Vi校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積10(7) 設(shè)備材料的選擇10(8) 發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算11(9) 接管設(shè)計(jì)12支座選擇13

2、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總14參考資料.14發(fā)酵罐設(shè)計(jì)心得體會(huì).15附錄及設(shè)計(jì)圖刖日生化工程設(shè)備課程設(shè)計(jì)是生物工程專(zhuān)業(yè)一個(gè)重要的、綜合性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)如生化反應(yīng)工程與生物工程設(shè)備課程來(lái)解決生化工程實(shí)際問(wèn)題，對(duì)培養(yǎng)我們?nèi)娴睦碚撝R(shí)與工程素養(yǎng)，健全合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)具有重要作用。在本課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)生化過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備，如機(jī)械攪拌發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器，蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備、蒸館設(shè)備等的設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)我們進(jìn)行一次生化過(guò)程發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練，使我們初步掌握發(fā)酵設(shè)備設(shè)計(jì)的基本步驟和主要方法，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和實(shí)事求是，嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，為今后從事實(shí)際設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)

3、。設(shè)計(jì)方案的擬定我們?cè)O(shè)計(jì)的是一臺(tái)25M3機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)味精。設(shè)計(jì)基本依據(jù)(1) 、機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器的型式通用式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，其主要結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)如下： 高徑比：H/D=1.7-4.0 攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器，Di：di：L:B=20:15:5:4 攪拌器直徑：D=D/3 攪拌器問(wèn)距：S=(0.95-1.05)D 最下一組攪拌器與罐底的距離：C=(0.8-1.0)D 擋板寬度：B=0.1D,當(dāng)采用列管式冷卻時(shí)，可用列管冷卻代替擋板(2) 、反應(yīng)器用途用于味精生產(chǎn)的各級(jí)種子罐或發(fā)酵罐，有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：裝料系數(shù)：種子罐0.50-0.65發(fā)酵罐0.65-0.8發(fā)酵液物性參數(shù)：密度1

4、080kg/m3粘度2.0x10-3N.s/m2導(dǎo)熱系數(shù)0.621W/m.C比熱4.174kJ/kg.C 高峰期發(fā)酵熱3-3.5x104kJ/h.m3溶氧系數(shù)：種子罐5-7x10-6molQ/ml.min.atm發(fā)酵罐6-9x10-6molQ/ml.min.atm標(biāo)準(zhǔn)空氣通風(fēng)量：種子罐0.4-0.6vvm發(fā)酵罐0.2-0.4vvm、冷卻水及冷卻裝置冷卻水：地下水18-20C冷卻水出口溫度：23-26C發(fā)酵溫度：32-33C冷卻裝置：種子罐用夾套式冷卻，發(fā)酵罐用列管冷卻。（4）、設(shè)計(jì)壓力罐內(nèi)0.4MPa；夾套0.25MPa發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻列管，以及攪拌裝置，傳動(dòng)裝置，軸封裝置，人孔和其它的

5、一些附件組成。這次設(shè)計(jì)就是要對(duì)25M通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)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(jìn)行冷卻裝置的設(shè)計(jì)、計(jì)算；根據(jù)上面的一系列計(jì)算選擇適合的攪拌裝置，傳動(dòng)裝置，和人孔等一些附件的確定，完成整個(gè)裝備圖，完成這次設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)包括一套圖樣，主要是裝配圖，還有一份說(shuō)明書(shū)。而繪制裝配圖是生物工程設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)核心內(nèi)容，繪制裝配圖要有合理的選擇基本祖圖，和各種表達(dá)方式，有合理的選擇比例，大小，和合理的安排幅面。說(shuō)明書(shū)就是要寫(xiě)活楚設(shè)計(jì)的思路和步驟。表-發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件發(fā)酵廣品味精工作壓力0.4MP

6、a由任務(wù)書(shū)確定設(shè)計(jì)壓力0.4MPa由任務(wù)書(shū)確定發(fā)酵溫度33C根據(jù)任務(wù)書(shū)選?。üぷ鳒囟龋┰O(shè)計(jì)溫度150C由工藝條件確定冷卻方式列管冷卻由工藝條件確定發(fā)酵液密度1080Kg/m3由工藝條件確定發(fā)酵液黏度322.0103N?s/m2由工藝條件確定25m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算： 生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定發(fā)酵罐容積V=25m3 生產(chǎn)能力計(jì)算：現(xiàn)每天產(chǎn)99%屯度的味精2t，谷氨酸發(fā)酵周期為48h(包括發(fā)酵罐活洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間),則每天需糖化液體積為V糖。每天產(chǎn)純度為99%勺味精2t,每噸100%勺味精需糖液15.66m3oV糖=15.66X2X99%=3im設(shè)發(fā)酵罐填充系數(shù)

7、4=70%則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e為V。(發(fā)酵周期 為48h)V0=V糖/4=31/0.7=44.3m3發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：計(jì)算發(fā)酵罐容積時(shí)有幾個(gè)名稱(chēng)需明確。a、裝液高度系數(shù)，指圓筒部分高度系數(shù)，封底則與冷卻管、輔助設(shè)備體積相抵消。b、公稱(chēng)容積，指罐的圓柱部分和底封頭容積之和，并圓整為整數(shù)。c、罐的全容積，指罐的圓柱部分和兩封頭容積之和。本次設(shè)計(jì)所需發(fā)酵罐個(gè)數(shù)為：N%=3.5個(gè)取圓整得：N=4個(gè)實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：250.72300=677.42t/a15.5富裕量：677.42600100%=12.9%能滿(mǎn)足產(chǎn)量要求。600主要尺寸計(jì)算發(fā)酵罐全體積為V0=25n3橢圓形封頭體積：V=D2hbD2ha

8、46式中：hb-橢圓封頭的直邊高度，mhb=0.05mha-橢圓封頭短半軸長(zhǎng)度，ha=1D4而，V=D2H2V1-D2H0.26D3（忽略hb）=2544將H/D=2代入上式得：D=2.4mH=2D=4.8m221=D2ha-D2hb-2m3646公稱(chēng)體積VN=V0-V封=25-2=23m3驗(yàn)算全容積V全：D2H42(D2hbD2ha)D2(1.2?暖)q25.7(3)冷卻面積的計(jì)算:平均溫差tm:E=2t2322012代入tm：J32CCt26C6126cCEC=8.656C.12In-6為了保證發(fā)酵罐在最旺盛、微生物消耗基質(zhì)最多以及環(huán)境氣溫最高時(shí)也能冷下來(lái)，必須按發(fā)酵生成熱量高峰、一年中最

9、熱的半個(gè)月的氣溫下，冷卻水可能達(dá)到最高溫度的惡劣條件下，設(shè)計(jì)冷卻面積。計(jì)算冷卻面積使用牛頓傳熱定律公式，即：F=?發(fā)酵過(guò)程的熱量計(jì)算有許多方法，但在工程計(jì)算時(shí)更可靠的方法仍然是實(shí)際測(cè)得的每1m3發(fā)酵液在每1h傳給冷卻器的最大熱量。對(duì)谷氨酸發(fā)酵：高峰期發(fā)酵熱，3X104KJ/h.m3采用豎式蛇管換熱器,取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18X500KJ/(n3.h.C)對(duì)總?cè)萘繛?5m3的發(fā)酵罐，每罐實(shí)際裝液量為V0=31/2=15.5m3Q總=QX15.5=3X104KJ/h.m3X15.5m3=4.65X105KJ5換熱面積：F=一=.=25.7m2ktm4.185008.656(4)攪拌器設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)

10、酵管的攪拌渦輪有三種形式，可根據(jù)發(fā)酵特點(diǎn)、基質(zhì)以及菌體特性7選用。本次設(shè)計(jì)，由丁谷氨酸發(fā)酵過(guò)程有中間補(bǔ)料操作，對(duì)混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一定比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列出：攪拌器葉徑Dj=D/3=2.4/3=0.8m取d=0.8m葉寬B=0.2Di=0.2X0.8=0.16m弧長(zhǎng)l=0.375d=0.375X0.8=0.3m底距C=0.8D=0.8X2.4=1.9m盤(pán)徑dj=0.75X9=0.75X0.8=0.6m葉弦長(zhǎng)L=0.25D=0.25X0.8=0.2m葉距S=D=2.4m彎葉板厚a=12mm1.05W一，、110()3=132(r/min)0

11、.8取兩檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)50尚罐，攪拌器直徑1.05m,轉(zhuǎn)速N,=110r/min,，八,d、，D.-以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得：N2=N1(也)3D2(4) 攪拌軸功率的計(jì)算通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐，攪拌軸功率的計(jì)算有許多種方法，現(xiàn)用修正的邁凱爾式求攪拌軸功率，并由此選擇電機(jī)。淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體，計(jì)算步驟如下：計(jì)算Rem_2_=d2np式中N-一攪拌器直徑，攪拌器轉(zhuǎn)速,P-醪液密度,em=D=0.8mN=132r/hp=1080Kg/m3卜一醪液粘度，k=2.0X103N.S/m22*i將數(shù)代入上式：Rem=DP.2.0.81323080=4.56X1072.010 1

12、04視為湍流計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0: P0NpN3D57式中Np在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7N攪拌轉(zhuǎn)速，N=132r/hD=0.8m,p=1080Kg/m3代入上式，得：P0，=4.72.230.85108017.7Kw兩檔攪拌：P0=2p),=35.42Kw計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg：3Pg2.25103(P)0.39(KWQ式中，P0不通風(fēng)時(shí)軸功率(KW,P0=35.42KwQ通風(fēng)量(ml/min)，取通風(fēng)比為0.2,則Q=0.2X15.5X106=3.1x106ml/minQ0.08=3.306代入上式，得Pg2.25103(叫？)0.39.u。 Q_2_3=2.25103(25.

13、4213280)0.393.306=25.8Kw求電機(jī)功率P電：P電=業(yè)1.01123采用三角帶傳動(dòng)71=0.92，滾動(dòng)軸承72=0.99，滾動(dòng)軸承73=0.98,端面密封增加的功率為1%代入公式得PgP電=1.011231.01=25.8_0.920.990.98=29.2Kw查手冊(cè)選取合適的電機(jī)。i求最高熱負(fù)荷下的耗水量W8W=Q總Cp(t2t式中：Q總每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積：Q總=QX15.5=3X104KJ/h.m3X15.5m2=4.65X105KJCp冷卻水的比熱容，4.18KJ/(Kg.K)t2冷卻水終溫，26Ct1冷卻水初溫，20C將各值代入

14、上式，W=湍=3&515kg/sp冷卻水體積流量為5.15Kg/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速1m/s,根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S總為：S總絲v式中，w冷卻水體積流量，w=5.15X103n3/sV冷卻水流速，v=1m/s代入上式，S總=5.15X103m2ii冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)管徑為d,組數(shù)為n,則2S總=n.0.785.d0根據(jù)本罐情況，取n=3,求管徑，由上式得:S總5.151030.0467md0.785n.30.785查金屆材料表選取不銹鋼無(wú)縫鋼管表，選取中51X2.0無(wú)縫管，d內(nèi)=47mmd內(nèi)d0,滿(mǎn)足要求，d平均=49mm現(xiàn)取豎蛇管圈端部u型彎管曲徑為250mm則兩直管

15、距離為500mm兩端彎管總長(zhǎng)度1010D3.145001570mm)9iii冷卻管總長(zhǎng)度L計(jì)算：有前知冷卻管總面積F=25.7m2現(xiàn)取無(wú)縫鋼管中51X2.0，每米長(zhǎng)冷卻面積為F03.140.04910.15m2則L=-芝J=172mF00.15冷卻管占有體積V=0.785X0.0512X172=0.35m3iv每組管長(zhǎng)I。和管組高度:10L17257.3mn3另需連接管4m1實(shí)際=L+4=176m可排豎直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m3,貝U:3V總V液V管V附件15.50.350.516.35m3豎直蛇管總高H管3.20.1253.3253.4m

16、乂兩端彎管總長(zhǎng)lo=1570mm兩端彎管總高為500mm則直管部分高度：h=H-500=3400-500=2900(mm則一圈管長(zhǎng)l2h12290015707370mmV每組管子圈數(shù)nnL7.37現(xiàn)取管間距為2.5D外2.50.0510.12m,豎直蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計(jì)算出與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小丁200mmVi校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積：F實(shí)nd平均L實(shí)0.04917627m2而前有F=25.7m2,F實(shí)F,可滿(mǎn)足要求(5) 設(shè)備材料的選擇設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)，是將設(shè)備的主要輔助裝置的工藝要求交代活楚，供制造加工和采購(gòu)時(shí)取得資料依據(jù)。其內(nèi)容包括： 空氣分布器：對(duì)

17、丁好氣發(fā)酵罐，分布器主要有兩種形式，即：多孔式和單管式。對(duì)通風(fēng)量較小的設(shè)備，應(yīng)加環(huán)型或直管型空氣分布器；而對(duì)通氣量大的發(fā)酵罐，則使用單管通風(fēng)，由丁進(jìn)風(fēng)速度高，乂有渦輪板阻擋,葉輪打碎、溶氧是沒(méi)有問(wèn)題的。本罐使用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑計(jì)算見(jiàn)接管設(shè)計(jì)。 擋板：擋板的作用是加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，促進(jìn)液體上下翻動(dòng)和控制流型，防止產(chǎn)生渦旋而降低混合與溶氧效果。如管內(nèi)有相當(dāng)丁擋板作用的豎式冷卻蛇管，扶梯等也可不設(shè)擋板。為減少泡沫，可將擋板上沿略低丁正常液面，利用攪拌在液面上形成的渦旋消泡。本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板。 密封方式：隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械密封已在發(fā)酵行業(yè)普遍采用，本罐擬采用雙面機(jī)械密封方式，處理

18、軸與管的動(dòng)靜問(wèn)題。 冷卻管布置：對(duì)丁容積小丁5m3的發(fā)酵罐，為了便丁活洗，多使用夾套冷卻裝置。隨著發(fā)酵罐容量的增加，比表面積變小，夾套形成的冷卻面積已無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，丁是使用管式冷卻裝置。蛇管因易沉積污垢且不易活洗而不采用；列管式冷卻裝置雖然冷卻效果好，但耗水量過(guò)多，因此廣泛使用的是豎直蛇管冷卻裝置。在環(huán)境溫度較高的地區(qū)，為了進(jìn)一步增加冷卻效果，也有利用罐皮冷卻的。 設(shè)一快開(kāi)式人孔，中56cm。形圈密封。(6) 發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算計(jì)算法確定發(fā)酵罐的壁厚SPDSzC(cm)2【1P式中，P設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1.05倍，P=0.4MpaD發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=400cm3】一一A3鋼的許用應(yīng)力，

19、3】=127Mpa4焊縫系數(shù)，取4=0.7C壁厚附加量，C=C1C2C3Ci鋼板負(fù)偏差，取Ci0.8mmC2為腐蝕欲量，取C2=2mmC3加工減薄量，取C3=0,代入上式得C=CiC2C3=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm0424050.4240_0.280.82cm21270.70.4選用8mmffA3鋼板制作，查附錄表17知，直徑2.4m,厚8mm筒高4.8m,每米高重356Kg,G筒=356X4.8=1708.8Kg封頭壁厚計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計(jì)算公式如下:S2DC(cm)2【1P11式中，P=0.4MpaD=240cm【=127MpaC1=0.08cm,C2=0.2cm,C

20、3=0.1cmC=C1C2C3=0.38cm,=0.7代入上式，得S204240一0.380.92cm9.2mm21270.70.4查鋼材手冊(cè)圓整為S2=9.5mm(7) 接管設(shè)計(jì)各接管的長(zhǎng)度h根據(jù)直徑大小和有無(wú)保溫層，一般 接管的長(zhǎng)度h設(shè)計(jì)： 取100200mm接管直徑的確定：主要根據(jù)流體力學(xué)方程式計(jì)算。已知物料的體積流量，乂知各種物料在不同情況下的流速，即可求出管道截面積，計(jì)算出直徑。計(jì)算出的直徑再休整到相近的鋼管尺寸即可。通風(fēng)管的管徑計(jì)算：該罐實(shí)裝醪量15.5m3,設(shè)0.5h內(nèi)排空，則物料體積、一155o流量Q0.0086m3/s36000.5發(fā)酵醪流速取V=1m/s則排料管截面積為F物

21、Q0.00860.0086m2V1F物0.785d2,則管徑dJ-FI0-00860.10mV0.785V0.785取無(wú)縫鋼管中108x4適用若按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在0.4Mpa下，支氣管氣速為20m/s通風(fēng)比0.2wm200C,0.1Mpa下，Q=15.5x0.2=3.1m3/min0.052m3/s計(jì)算到0.4Mpa,30C狀態(tài)下，0.1273303Qf0.052-0.013m3/s0.427320取風(fēng)速v=20m/s,則風(fēng)管截面積Ff為:FfQf0.01320.00065mv20Ff0.785d切則氣管直徑d氣為:0.03md=108x4無(wú)縫管，則滿(mǎn)足工藝要流速v=1m/s,】0.00

22、065d氣v一0.785因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值，取求。12排料時(shí)間復(fù)核：物料流量Q=0.0086m3/s,管道截面積F=0.7850.120.00785m2在相同流速下，流過(guò)物料因管徑較原來(lái)計(jì)算結(jié)果小,則相應(yīng)流速比為P0.00861.09倍，F(xiàn)V0.007851排料時(shí)間t=0.5x1.09=0.55h(8) 支座選擇：發(fā)酵設(shè)備常用支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式支座乂分為支腿，圈型支座，鞍型支座三種。立式支座也分為三種即：懸:掛支座，支撐式和裙式支座。對(duì)丁75m3以上的發(fā)酵罐，由丁設(shè)備總重量較大，應(yīng)選用裙式支座。本設(shè)計(jì)選用裙式支座。13設(shè)計(jì)結(jié)果匯總項(xiàng)目結(jié)果總體積V25公稱(chēng)體積V

23、n23實(shí)際裝液量V，15.5罐徑D2.4m罐身高H4.8m封頭高Hl0.65m罐壓P0.4Mpa通氣量Q3.1x106ml/min通風(fēng)時(shí)攪拌抽功率（Pg）/不通氣時(shí)軸功率（攪拌轉(zhuǎn)速n2渦輪攪拌器直徑Dj發(fā)酵罐壁厚S1封頭壁厚S2接管直徑d冷卻面積F列管規(guī)格列管總長(zhǎng)L列管布置人孔直徑冷卻水用量W冷卻介質(zhì)溫度Po)25.8Kw/35.42Kw132r/min0.8m8mm9.5mm108乂425.7m251x2.0(mm)172m3組，每組8圈56cm5.15Kg/s20C/26C【參考資料】 生物工程設(shè)備化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)攪拌設(shè)備設(shè)計(jì).梁世忠，2009年7月.曲文海，朱有庭，2005年6月.陳乙崇等，1988年11月發(fā)酵罐設(shè)計(jì)心得體會(huì)攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)需要綜合各種參數(shù)，是有計(jì)劃、有目的,由所需設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐的體積，一步一步計(jì)算而來(lái)。需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)的年產(chǎn)量及罐的容積填充系數(shù)，發(fā)酵周期計(jì)算所需罐數(shù)。有冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫度及發(fā)酵過(guò)程中傳熱量得出傳熱面積。