机械搅拌通风发酵罐

1 机械搅拌通风发酵罐设计书 第一章 设计方案的分析、拟定 我设计的是一台 70械搅拌通风发酵罐 ,发酵生产红霉素。经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红色链霉菌、红霉素链霉菌、红色糖多孢菌，综合最适发酵温度、 因素选择红霉素链霉菌，该菌种最适发酵温度为 31， 养基为发酵培养基，主要成分为淀粉 10%、黄豆饼粉 5%、硫酸铵 磷酸二氢钾 碳酸钙 2%。 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。这次设计就是要对机械搅 拌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。 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。 压力 P 除注明外，压力均指表压力，单位用 示。 工作压力 指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 设计压力 指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。 一般在装有安全阀时 w 当无安全阀时， *1、设计压力 容器的设计压力是指相应的设计压温度下，用以确定壳体厚度的压力，其值不得小于最高工作压力。容器的最高工作压力是指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高表压力。 *2、设计温度 设计温度是指容器在正常操作情况，在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件的金属温度大于等于 0时设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，当元件金属温度低于 0时设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。 表 1发酵罐主要设计条件 步骤 项目及代号 参数及结果 备注 1 发酵菌种 红色链霉菌 由工艺条件确定 2 工作压力 0 工艺条件确定 3 设计压力 工艺条件确定 4 发酵温度 31 根据参考文献“现代 工艺级生物学”选取 5 设计温度 温度 100140 由工艺条件确定 6 冷却方式 蛇管冷却 由工艺条件确定 2 7 培养基 发酵培养基，主要成分为淀粉 10%、黄豆饼粉 5%、硫酸铵 磷酸二氢钾 碳酸钙 2% 根据参考文献“现代工艺级生物学”选取 第二章 机械通风发酵罐设计 套反应釜的总体结构 夹套反应釜主要由搅拌容器，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 整的夹套反应釜。 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=步设计：设计条件给出的是发酵罐的公 称体积。 公称体积 罐的筒身（圆柱）体积和 底封头体积之和。 1、 全体积公称体积和上封头体积之和： H/D=i/D=1/21/3 B/D=1/81/12 C/5 0H/D=i 搅拌叶直径 D罐体直径 0H 罐体直筒部位高度 B 挡板宽度 椭圆封头短半轴长度 S 搅拌叶间距 C 底搅拌叶至底封头高度 圆封头的直边高度 3 假设 =根据设计条件罐的公称体积为 70公称 体积的近似公式 2304 0 . 1 5V D H DV=20，解得 D=3910取整为 4000 H=4000=7200阅文献 7 ，当公称直径 000， 标准椭圆封头的曲面高 000边高度 0深度为 050积 2 14 h )6 D封 （ =2(4)=得罐直筒高度 050=5100此时 =5100/4000=，与假设相近， 故 D=4000 合适 。 发酵罐的公称体积 V=2体积 2=拌叶直径 D=1/34000=1334拌叶间距 S=3000搅拌叶至底封头高度 C= 334 2： 75酵罐的几何尺寸 项目及代号 参数及结 果 备注 公称体积 0 设计条件 全体积 算 罐体直径 D 000 计算 总高度 H 200 计算 筒体高度 H0 100 计算 搅拌叶直径 Di 334 计算 封头曲面高度 ha 000 计算 椭圆封头直边高度 hb 0 计算 底搅拌叶至底封头高度 C 334 计算 搅拌叶间距 S 000 计算 4 要部件尺寸的设计计算 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 发酵罐材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢等。相对其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀不大，但必须能耐受一定的压力和温度，通常要求耐受 130 150 的温度和 压力。 例如：腐蚀性不大的发酵液，如酶制剂发酵可以选用 16； 柠檬酸为弱酸，对罐体使用 会有腐蚀，使用不锈钢成本较高。考虑使用 为材料，内涂环氧树脂防腐。即可达到要求，又降低成本。 综合各因素，该发酵罐发酵生产红霉素，由于发酵液腐蚀性不大，我们选择不锈钢 16体壁厚：取决于罐径及罐压的 大小 1=+C=+3= 取整为 1=8罐体直径（ p耐受压强 (设计压力取 焊缝系数，双面焊取 缝焊取 罐体金属材料在设计温度下的许用应力（ 16 焊接压力容器许用应力为 150 ，137 C 腐蚀裕度，当 以满足工艺要求。 7 核算： 物料流量 Q=m3/s，流速 v=1m/s; 管道截面积 F=相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为 n= 则排料时间： t=3料管径 其管径与排料口相同。 管直径的选择 按通风管计算，压缩空气在 ，支管气速为 2025m/s。现通风比 常温下 20 ， 的情况，要折算 32 状态。 风量 大值 5s 利用气态方程式计 算工作状态下的风量 f= =s 取风速 v=20m/s，则风管截面积 f/v=0=2785.0 dF f 则气管直径 d 气 为： d 气 = 取 159159满足工艺要求。 表接口 温度计： 电阻 用温度传感器型号 2125 装配式热电阻，开在罐身上； 压力表：弹簧管压力表（径向型），精度 型号： 在封头上； 8 液位计：采用 射式玻璃板液位仪，开在罐身上； 溶氧探头： 头： ； 道接口 进料口： 1084料口： 1084气口： 1594气口： 1594却水 进、出口： 1084料口： 1084样口： 1084座的 选择 根据技术 ，查阅文献， 要求选择序号 是 8 的 A 型耳式支座 。 A 型耳式支座 9 表 2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 16 工艺条件确定 罐体壁厚 8算 人孔 个 由文献【 2】选取 封头 4746个 由文献【 7】选取 封头壁厚 14算 焊接方式 双面焊取 由工艺条件确定 搅拌器种类 六弯叶涡轮式搅拌器 由工艺条件确定 搅拌器层数 2 层 由工艺条件确定 搅拌器直径 1334算 视镜 1 个 由工艺 条件确定 进、排料口直径 108 4工艺条件确定 进、出气口直径 108 4工艺条件确定 冷却水进出口直径 76 工艺条件确定 补料口直径 108 4工艺条件确定 取样口直径 108 4工艺条件确定 温度计 2125 一个 由文献【 1】选取 压力表 个 由文献【 1】选取 液位计 个 由文献【 1】选取 溶氧探头 个 由文献【 1】选取 头 文献【 1】选取 支座 A 型 四个 由文献【 1】选取 10 却装置的设计 （ 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，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质。 （ 2）装料量 装料系数取 75%，则实际装液量 075%=5%= 柱 = 液 高度 V 柱 /（ = 2） = 3）单位时间传热量 单位时间传热量发酵热 装料量 ,查得红霉素发酵热为 26300kJ/m3*h 即： 3371 / 0 01063.2 发查阅文献得 各类发酵液的发酵热 （ 4） 冷却水用量（ W） 单位时间传热量 Q=Q 发 V 1=2630006KJ/h 冷却水耗量 W=Q/=106/(23=104kg/h (= （ 5） 冷却面积（ A） 6 231 . 9 5 9210 7 9 . 4 4 ( )1. 0 1 2 . 3 30 取整为 80= 发酵液 发酵热 kJ/m3*h 青霉素丝状菌 23000 青霉素球状菌 13800 链霉素 18800 四环素 25100 红霉素 26300 谷氨酸 29300 赖氨酸 33400 柠檬酸 11700 酶制剂 1470011 取整 80却管总长度 L=整 L=336，分为 6 组，每组长 6m 其中， d 取 76厚 取 03 h ） 分 6 组，每组 56m 每圈蛇管长度 L= =蛇管圈直径， 3m 蛇管圈之间的距离，取 组蛇管圈数 0/L=56/6 故总圈数为 3 6=18 蛇管总高 度 ( 1 ) (1 8 1 ) 0 . 1 9 3 . 2 3 h m 表 20 3m 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 75% 由工艺条件确定 装料体积 算 装料高度 m 算 总发酵热 kJ/h 106 计算 冷却水消耗量 kg/h 104 计算 冷却面积 0 计算 蛇管总长度 m 336 计算 蛇管总高度 m 算 蛇管组数 6 由工艺条件确定 每组蛇管圈数 6 计算 蛇管规格 57 据参考文献选取 12 拌器轴功率的计算（单只搅拌桨） 通气条件下的轴功率 算 取发酵醪液黏度 321 . 3 1 0 /N s m ，密度 =1000kg/拌转速 =130r/则雷诺准数 106 因为 410 ，所以发酵系统为湍流状态，即有效功率系数士顿 (. H.)公式： 通气搅拌输入的功率（ W） ； 率准数，是搅拌雷诺数 函数；圆盘六弯叶涡轮 涡轮转速（ r/ L液体密度，取 1050 kg/ 轮直径（ m）；对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算： （ =（ 2） = 气搅拌功率 计算 注： 通气搅拌输入的功率（ W） n=涡轮转速（ r/取 130 r/轮直径（ m）， 通气量（ 3m /取 4 3m /13 2 3 计算 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。 拌轴功率 封摩擦损失功率，一般为 00 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 动轴承的效率是 动轴承的效率是 面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率 P=（ T） / = （ 1+1%） =拌轴直径 1 / 3( / )d A P n ， n 为转速（单位为转 /分） 取 A=100 故 d=100 （ 30） 1/3=据文献选轴径为 130机械搅拌发酵罐的结构 1轴封 ； 2人孔； 3梯； 4联轴； 5中间轴承； 6温度计接口； 7搅拌叶轮； 8进风管； 9放料口； 10底轴承； 11热电偶接口； 12冷却管； 13搅拌轴； 14取样管； 15轴承座； 16传动皮带； 17电机； 18压力表； 19取样口； 20人孔 21进料口； 22补料口； 23排气口； 24回流口； 25视镜； 14 图 大型发酵罐结构图 查阅文献知：机械传动的效率 传动机械 ， % 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 搅拌轴直径的确定 （ 1）轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。 （ 2）在确定轴的结构尺寸时，还应考虑轴上键槽及开孔所引起的局部削弱，轴径应适当增大。 （ 3）轴径应圆整到标准公称轴径系列，如 30、 40、 50、 65、 80、 95、 110 等。 d=A (p/n) (1/3) 系数 A 可以取 97据所选轴的材料确定）， P 为功率（单位 n 为转速（单位转 /分） 表 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 项目及代号 转速 r/30 由工艺条件确定 转速 r/层不通气时的轴功率 算 单层不通气时的轴功率 层搅拌器轴功率算 多层搅拌器轴功率 气量 m3/ 计算 通气量 m3/气搅拌功率 算 通气搅拌功率 机功率 算 电机功率 机选择 50 根据文献【 1】确定 电机选择 径 30 根据文献【 1】确定 轴径 动装置 三角带 根据文献【 1】确定 传动装置 15 第三章设计小结 在此次课程设计中，我设计了机械通风发酵罐，该反应器利用红霉素链霉菌进行红霉素的发酵生产 . 通过这次设计，我学会怎么设计机械通风反应器，并学会一些基本的设计的步骤，以及认真的态度。这次我的设计是由最开始的计算到数据的整理在 到画图，以及在后来的说明书的的拟订。在整个设计过程之中都是我自己一个人的劳动成果，虽然是困难重重，但我们每一个人都是认真的作好每一个环节，才会按时完成我的设计。完成整个设计后，我深刻体会到了工业生产的艰难，给予我学习的动力，为以后埋下扎实的基础。 在设计计算过程中，我了解了确定几何尺寸的基本步骤，并能初步确定机械搅拌通风发酵罐主要部件的尺寸，能设计冷却装置，能选择其冷却方式并计算出其冷却面积和冷却水用量，最后计算出发酵罐的搅拌轴功率，完成整个发酵罐的设计。通过咨询老师、翻阅书本、文献以及各种资料，我能初步了 解发酵罐设计的整个流程，并且对各个流程都熟悉了解，每步都要求做到更好。 参考文献 1 郑裕国 . 生物工程设备 M. 北京： 化