毕业设计（论文）-设计100m3红霉素机械搅拌通风反应器.doc

目录第1章 概述31.1 红霉素的简介31.1.1性质：31.1.2 发现和分类 ：31.1.3作用机理：31.1.4 作用与用途：3第2章 设计依据42.1 本次设计内容42.2 基本参数42.2.1 发酵罐的型式42.2.3冷却水42.2.4 设计压力5第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸53.1 通用发酵罐的系列尺寸53.2 发酵罐主要设计条件6第4章 红霉素生产工艺流程简介64.1本设计的工艺原则和流程的确定64.2 红霉素生产原料74.3 红霉素生产工艺流程图7第5章 发酵罐选型及工艺计算85.1 发酵罐的设计与选型85.1.1 发酵罐的选型85.1.2 生产容积的确定85.2 主要尺寸的计算85.3 冷却面积的确定95.4 搅拌器设计105.5 搅拌轴功率的确定125.5.1 计算Rem125.5.2不通气条件下的轴功率计算：125.5.3 通气发酵轴功率计算：135.5.4 求电机功率P135.6设备结构的工艺设计145.7 竖直蛇管冷却装置设计（需包含校核的步骤）145.8 发酵罐壁厚的计算15第6章 设计结果与讨论176.1 发酵罐参数设计汇总176.2 搅拌器有关参数17第7章 设计结果的自我评价18第8章 参考文献18第9章 附录（附图纸）19第1章 概述1.1 红霉素的简介1.1.1性质：红霉素碱易溶于醇类，醚，丙酮，氯仿和醋酸乙酯，醋酸戊酯，不甚溶于水，在水中的溶解度与一般化合物不同，如：60，1.14mg/mL；40，1.28mg/mL；19，3.10mg/mL；7，14.20mg/mL；1，15.00mg/mL。红霉素在水中的溶解度是随温度升高而减少，以55时为最小，因此工业上利用此性质加温至4555并保温，使红霉素碱从水中析出结晶1红霉素为白色或类白色饿结晶或粉末；无臭，苦味，微有引湿性。起水合物熔点为135140，熔融后又固化的无水物熔点为190193。易溶于甲醇、乙醇或丙酮，微溶于水。无水乙醇（20mg/mL）中比旋度为7178。红霉素抗菌谱窄，水溶性小，只能口服，半衰期是12h，而且在酸中不稳定，易被胃酸破坏，易分解迅速失去活性，因此早期对红霉素的结构修饰为增加红霉素的稳定性和水溶性，主要将红霉素制成各种酯类和盐类的前体药物。为了增加起在水中的溶解性，用红霉素与乳糖醛酸成盐，得到红霉素乳糖醛酸盐，可供注射使用。1.1.2 发现和分类 ：红霉素为大环内酯类抗生素，是在1952年由红色链丝菌产生的抗生素，是由红。主要成分，C的活性较弱，只为A的1/5，而毒性则为A的5倍，B不仅活性低且毒性大。通常所说的红霉素即指红霉素A，而其他两个分视为杂质。1.1.3作用机理：红霉素可以透过细菌细胞膜，在接近供位（P位）与细菌核糖体的50S亚基成可逆性结合，阻断转移核糖核酸（t-RNA）结合在P位上，同时也阻断多肽链自受位（A位）至P位的转移，从而抑制细菌蛋白质合成。1.1.4 作用与用途：本品为大环内酯类抗生素，抗菌谱和青霉素相似，主要是对革兰阳性菌如金葡菌、溶血性链球菌、肺炎球菌、白喉杆菌、炭疽杆菌及梭形芽胞杆菌等，均有强大抗菌作用。对革兰阴性菌如脑膜炎双球菌、淋球菌、百日咳杆菌、流感杆菌、布氏杆菌、部分痢疾杆菌及大肠杆菌等有一定作用。特点是对青霉素产生耐药性的菌株，对本品敏感。作用机制主要是与核糖核蛋白体的50S亚单位相结合，抑制肽酰基转移酶，影响核糖核蛋白体的移位过程，妨碍肽链增长，抑制细菌蛋白质的合成，系抑菌剂。 第2章 设计依据2.1 本次设计内容设计100m3红霉素机械搅拌通风反应器2.2 基本参数机械搅拌通风发酵罐高径比：H/D=2.0-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：Di=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D挡板宽度：B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2.2.1 发酵罐的型式机械搅拌通风发酵罐2.2.2 发酵罐的用途用于红霉素生产的发酵罐，有关设计参数如下装料系数：0.7发酵液物性参数： 密度1200kg/m3粘度1.8510-3N.s/m2导热系数0.621W/m.比热4.174kJ/kg.高峰期发酵热2.63104kJ/h.m3溶氧系数：6-910-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：0.2-0.4vvm2.2.3冷却水冷却水进口温度：20冷却水出口温度：28发酵温度：312.2.4 设计压力罐内0.3MPa发酵罐主要由罐体和冷却列管，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100M3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。第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸3.1 通用发酵罐的系列尺寸表1 发酵罐系列尺寸公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总高封头容积圆柱部分容积50L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm1000mm150mm1300mm21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm0.112m31.14m35.0m31500mm3000mm400mm3800mm0.487m35.3m310m31800mm3600mm475mm4550mm0.826m39.15m320m32300mm4600mm615mm5830mm1.76m319.1m350m33100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m3100m34000mm8000mm1040mm10080mm9.02m3100m3200m35000mm10000mm1300mm12600mm16.4m3197m3表2 发酵罐相关参数不计上封头的容积全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW25mm夹套112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夹套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夹套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夹套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夹套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夹套9.98m310.8m3630mm145r/min13kW65mm夹套20.86m322.6m3770mm125r/min23kW80mm列管51m355.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m3118m31350mm列管213m3230m31700mm列管3.2 发酵罐主要设计条件表3 设计参数项目及代号参数及结果备注发酵产品红霉素工作压力0.3MPa由任务书确定设计压力0.3MPa由任务书确定发酵温度（工作温度）31根据任务书选取设计温度31由工艺条件确定冷却方式列管冷却由工艺条件确定发酵液密度1200kg/m3由工艺条件确定发酵液黏度1.8510-3N.s/m2由工艺条件确定第4章 红霉素生产工艺流程简介4.1本设计的工艺原则和流程的确定 进行工艺流程设计，必须考虑的几个原则：（1）保证产品的质量符合国家标准，国家规定原料药红霉素产品中红霉素A的含量必须大于80%。而本设计成品种红霉素含量按85%计算。（2）尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能迅速投产，在短期内到达设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。从本设计的总体来看，菌种选用的是德国进口的发酵效价很高的一种，生产工艺来看是国内用的比较多的一种，其中补料系统和空气处理系统是国内很先进的设备。（3）尽量减少三废排放量，有合理的三废处理措施。本设计完全满足要求。（4）安全生产，以保证人身和设备的安全。（5）生产过程几乎全部采用的机械化，部分系统自动化。能稳产、高产4.2 红霉素生产原料表2 小、中、大罐中培养基的成分配比成分小罐%（g/mL）中罐%（g/mL）大罐%（g/mL）黄豆饼粉1.51.62.33玉米浆0.70.72.2淀粉1.81.55.0NaCl0.30.30.65CaCO30.50.50.6（NH4）2SO40.120.120.18豆油0.80.80.4糊精1.21.50.5有机硅油2鑫氮素0.674.3 红霉素生产工艺流程图第5章 发酵罐选型及工艺计算5.1 发酵罐的设计与选型5.1.1 发酵罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐。5.1.2 生产容积的确定 选用公称容积为100m3的发酵罐。公称容积为100m3的发酵罐，其全容积为118m3。5.2 主要尺寸的计算发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。V总=V筒+2V封=118m3封头体积V封=D2hb+D2ha hb为封头的直边高度 取hb=0.05mha椭圆封头短半轴长度 ha=D所以为了提高空气利用率，罐的高径比取2。 V全（近似公式）)m(118D24D2D785.0V2VV332=*2+=+=封筒全解得D=4.01m,取4.0mH=2D=8m圆柱部份容积V为：V筒=0.785*4.02 *8=1OO.48m3 上、下封头体积V封为：V封=/24*43*2=16.755 全容积验算2：)m(1172D24D2D785.0V2VV332=p+=+=封筒全符合设计要求，可行。罐内径D值（m）罐筒高H值（m）总高度H总（m）单个封头容积V封（m3）圆筒容积V筒（m3）罐的总容积V总（m3）4.08.010.089.02100.48117.25.3 冷却面积的确定 根据部分红霉素厂的实测和经验数，红霉素放得发酵热高峰值约2.63104kJ/(m3h)2，则冷却面积按传热方程式计算如下：式中 S冷却面积，m2 Q换热量，kJ/h Dtm平均温度差， K总传热系数，kJ/(m2h) 118m3灌装液量为：11870%=82.6 m3KJ/h2.17210682.610463.2Q= 设发酵液温度31，冷却水进口温度20，出口温度28，则平均温度差为：采用竖式蛇管换热器取经验值K取4.18500kJ/(m2h)，)m(98.168850018.42.172106tKQS2m=D=5.4 搅拌器设计搅拌器设计：机械搅拌通风发酵的搅拌涡旋轮有三中形式，由于红霉素发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4现将主要尺寸列后3：搅拌器叶径Di为：)m(33.1343DDi= 取1.35m。叶宽B为：)m(27.03.12.0D2.0Bi=弧长L为：1.35=0.50(m)底距C为： 取1.35m 盘径di为：)m(012.135.175.0D75.0dii= 叶弧长L为：)m(338.035.125.0D25.0Li= 叶距Y为：)m(4DY=弯叶板厚：=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V(单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同)为基准放大求得. 即： 式中 n2放大的搅拌器的转速，r/min n1模型搅拌器的转速，n=110r/min1 d1模型搅拌器直径，d=1.05m1 d2放大的搅拌器直径，d=1.35m 将各值代入上式.min)/r(0.9335.105.1110ddnn32322112=取两档搅拌，搅拌转速93.0r/min。5.5 搅拌轴功率的确定5.5.1 计算RemNDm2Re=式中 D搅拌器直径，D=1.35m N搅拌器转速，N=1.55r/s 发酵液密度，=1200kg/m3 发酵液粘度，=1.8510-3Ns/m2将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.75.5.2不通气条件下的轴功率计算：式中 Np功率数,Np=4.7 n搅拌器的转速，n=1.55r/s d搅拌器直径，d=1.35m 流体密度，=1200kg/m 将各值代入上式5.5.3 通气发酵轴功率计算：C45.056.032gQndPP=式中 Cd/D=1/2时，C=0.101P不通气条件下的轴功率，P=94.2KWn搅拌器的转速，n=93r/mimd搅拌器直径，d=135cmQ工况下的通气量，(发酵罐通风比：设通风比VVm=0.20.8，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全，现取0.2则Q =1180.70.3106=2.48107 mL/min。 将各值代入上式=208 kwC45.056.032gQndPP=5.5.4 求电机功率P电采用三角带传动1=0.92；滚动轴承2=0.99，滑动轴承3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：=235.4KW采用额定功率为250kW的电机。5.6设备结构的工艺设计 (1) 空气分布器： 本罐使用单管进风。 (2) 挡板： 本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。 (3) 消泡浆： 本罐使用圆盘放射式消泡浆。 (4) 密封方式： 本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 (5) 冷却管布置： 使用的是竖直蛇管冷却装置。5.7 竖直蛇管冷却装置设计(1) 求最高热负荷下的耗水量W为：. 式中 Q每1m3发酵液在发酵最旺盛时，1h的发热量与发酵液总体积的乘积， Cp冷却水的比热容，Cp=4.18kJ/(kg) 3 t2冷却水终温，t2=28 t1冷却水初温，t1=20 将各值代入上式 冷却水体积流量为0.0167m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为：式中 W冷却水体积流量，W=0.0167m3/s V冷却水流速，V=1m/s代入上式 进水总管直径d总为：（2）冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为A总，管径d，组数为n，则： A总 = n0.785d2根据本罐的情况，取n = 6，求管径。有上式得：m 查金属材料表选择633.5无缝管，d内 = 56mm，d内d，认为可以满足要求，d平均60mm。现取竖蛇管圈端部U型弯曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为L0。L0 =D = 3.14500 = 1570 mm（3）冷却管总长度L计算：有前知冷却管总面积F=171.81m2；现取无缝管633.5，每米长冷却面积为：F03.140.0610.188 m2，则： m冷却管占有体积：V=0.7850.0632898.8 = 2.80m3（4）每组管长L0和管组高度：m另需连接管6m：L实=L+6 =904.8 m可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5 m3，则总占有体积为V总V液+V管+V附件61.7+2.8+0.5=65.0（m3）则筒体部分液深为：m竖蛇管总高：H管=4.2+0.25=4.45m两端弯管总长：l01570mm，两端弯管总高为500mm，则直管部分高度：h = H管-500=4450-500=3950mm则一圈管长：l = 2h +l0 =23950+1570=9470 mm（5）每组管子圈数n：现取管间距为2.5D外=2.50.063=0.16 m，竖蛇管与管壁的最小距离为0.15m，则计算出蛇管和搅拌器之间的距离不小于200mm。符合要求。（6）校核布置后冷却管的实际传热面积：m2 而前有F = 168.98m2，F实F，可以满足要求。5.8 发酵罐壁厚的计算 根据压力容器安全技术监察规程规定，发酵罐属于一级压力容器，因此，其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按GB150-1998钢制压力容器进行。 (1) 内压圆筒厚度计算： 式中 圆筒的设计厚度，mm p设计压力，p=0.3MPa Di圆筒的内直径，Di=4000mm T设计温度下圆筒材料的许应用力，T=124.5MPa 焊缝系数，=0.9 C1钢板的厚度负偏差，C1=0.8mm C2腐蚀裕量，C2=1mm 将各值代入上式)mm(16.718.03.09.05.124240003.0CCp2Dp21Ti=+-=+-Fs=d查附表可选用8mm厚的碳钢钢板。 (2) 椭圆形封头厚度计算： 式中 圆筒的设计厚度，mm p设计压力，p=0.3MPa Di圆筒的内直径，Di=4000mm T设计温度下圆筒材料的许应用力，T=124.5MPa 焊缝系数，=0.9 将各值代入上式)mm(36.53.05.09.05.1242400030.0.5p-2