生产50L维生素C的发酵罐的设计.doc

生物工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称 50L发酵罐，发酵生产维生素C 专业班级 09生物工程2班 学 号 学生姓名 指导教师 博士 2011年10月31日11目录一、设计方案11.1设计条件11.2维生素C发酵工艺流程（莱式法）11.2.1山梨醇发酵菌种21.3 发酵罐的尺寸及整体设计31.3.1发酵罐的整体几何尺寸31.3.2发酵罐圆筒壁厚的计算31.3.3发酵罐封头的计算41.4手孔设计4二、计算52.1通风量的计算52.2传热量的计算52.2.1冷却水量计算52.2.2冷却器面积计算52.3叶轮的计算62.4消泡器的计算62.3夹套的尺寸计算62.4接管的设计6三、设备的选型83.1人孔83.2视镜83.3接口管83.3.1管道接口8四、附录及图纸9五、总结10六、参考文献1150L维生素C的发酵罐设计一、设计方案维生素C生产最早靠从柠檬、辣椒、肾上腺等动植物组织中提取。但仅靠天然存在的这种价格昂贵的维生素C远远不能满足人们的需要，目前，维生素C的工业生产方法主要有莱氏法和两步发酵法。1.1设计条件50L维生素C 发酵罐，分批发酵和主发酵罐的尺寸及附件的设计；1.2维生素C发酵工艺流程（莱式法） 维生素C生产菌的选育一般是以D-葡萄糖为原料，经催化氧化的方法变为D-山梨醇，然后用生物氧化的方法产生L-山梨糖，为了保护所有的羟基（除第一位羟基外），将它在酸性液中丙酮化。用高锰酸钾把生成的双丙酮-L-山梨糖在碱性液中氧化成双丙酮-2-酮基-L古龙酸，再将其去丙酮后生成维生素C的重要前体2-酮基-L-古龙酸，然后加以内脂化和烯醇化，得到L-抗坏血酸。表1.维生素C发酵流程D-葡萄糖 D-山梨醇 氢气氧化弱氧化醋酸杆菌L-山梨糖双丙酮-L-山梨糖 化学氧化双丙酮-2-酮基-L-古龙酸2-酮基-L-古龙酸甲基-2-酮基-L-古龙酸盐L-抗坏血酸1.2.1山梨醇发酵菌种 本设计采用生黑葡萄糖酸酐菌R-30型，弱氧化醋酸杆菌1.3 发酵罐的尺寸及整体设计1.3.1发酵罐的整体几何尺寸维生素C的发酵是适用自吸式发酵罐，它可以自行吸入空气而不需要对空气进行压缩，也不用搅拌器发酵罐体部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.74倍左右。确定发酵罐直径和高度自吸式发酵罐的筒体高度和直径比发酵罐的高径比：取H/D=2发酵罐体积的近似计算：V0=Vb+Vd=1/4D2+0.15D3 V0：发酵罐的公称容积，已知V0为0.05m3；Vb：发酵罐的筒身容积，m3；Vd：发酵罐的下封头容积，m3；D：发酵罐的筒体直径，m；H：发酵罐的筒体高度，m求得D=0.307m，H=0.614m。取整得：D=0.30m，H=0.61m ，H/D=2.03在取值范围内符合要求，则有H=2D=0.6 m Di=1/3D=0.1 m S=3Di=30.1=0.3m ha=0.25D=0.250.3=0.075 m C=Di=0.3 m H：发酵罐的筒体高度，mS：两组搅拌器的间距，mC：下端搅拌器与罐底的距离，mha：发酵罐弧形的高度，mDi：搅拌器的宽度， m根据参考文献3可知，发酵罐的设备 hb=30 mm。h=ha + hb =0.075+0.03=0.105m1.3.2发酵罐圆筒壁厚的计算计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下：计算壁厚：式中：-计算壁厚，m；P 计算压力，(取0.3MPa)D内径，m；设计温下的许用应力（kgf/cm2 )(钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa)焊封系数(与焊接方法及无损探伤有关)，取0.85；设计壁厚设+ C 式中：C = C1 + C2；C1钢板负偏差(质星加工偏差系数)；C2腐蚀量(每年腐蚀的量)计算结果 圆筒壁厚：=0.3300/（2170-0.3）+3=3.264 mm取3.5mm1.3.3发酵罐封头的计算发酵设备椭圆封头壁厚的一些参数如下：y 开孔系数， 取2.3计算结果椭圆封头壁厚：2=0.33002.3/（21700.8）+3=3.761mm取4mm1.4手孔设计手孔的设计，参考中华人民共和国机械行业标准锅炉手孔装置，选择实际的尺寸，手孔选择为D 809485 JB/T 2191二、计算2.1通风量的计算本次课程设计是维生素C的设计，发酵罐采用自吸式发酵罐，它可以自行吸入空气而不需要对空气进行压缩。2.2传热量的计算发酵罐的传热装置有夹套、内蛇管、外盘管。一般容积较小的发酵罐采用夹套为传热装置，所以本设计选用夹套为传热装置。通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示： 换热面积 发酵热效应 Q热发酵热效应,kJ/hQp 发酵热，30000kJ/m3hV液 发酵液体积，m3则 Q热= 30000(0.050.8)=1200 kJ/h2.2.1冷却水量计算发酵过程, 冷却水系统按季节气温不同, 采用冷却水系统也不同，为了保证发酵生产, 夏季必须使用冰水。冬季：采用循环水进口水温t115, 出口水温t 220；夏季：采用冰水进口水温t 210, 出口水温t 220。冬季冷却用循环水用量计算：（取裕量系数1.2）=1.23kg/h夏季冷却用循环水用量计算：W2=0.51 kg/h2.2.2冷却器面积计算 Q总发酵热效应,kJ/h;夹套的传热系数通常为6301050 kJ/(m2h)，取传热系数K为850 kJ/(m2h)。tm对数平均温差： = =10.3F=0.136m2.3叶轮的计算本发酵罐采用四弯叶轮，其叶轮外径和罐径的比例依风量要求而定，一般为1/3，叶轮厚度为叶轮直径的1/41/5.主要尺寸下：直径 d1=9.6820mm 取 d1=15mm 外径 d2=100mm 厚度 d=33.75mm 取 d=3.5mm2.4消泡器的计算其孔径约为10mm-20mm，取15mm，消泡器长度L=0.65D=0.195m2.3夹套的尺寸计算表2整体夹套直径的确定DN, mm300-400500-600700-18002000-3000Di, mmDN+40DN+50DN+100DN+200由表2可知筒体直径为300mm时候夹套的直径D为340mm。夹套的高度一般比料液高50-100mm。HL=H=6100.8=488 mmH夹=HL+50=538mm取整得H夹=540mm2.4接管的设计冷却水进出口接管设计一般管径按介质流速计算：d：接管直径，mm；Q：介质容积流量，6.6m3/h ；：介质平均流速，0.04 m/s ；数据代入式中 求得d=7.64mm三、设备的选型3.1人孔人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设置了1个人孔，标准号：HG215201995 人孔（R A2707）500-1.0，直径为600mm,高度为260mm，开在顶封头上3.2视镜视镜用于观察内部情况，标准号为PN1.6,DN100A HG215051992，直径为150mm，开在封头上3.3接口管3.3.1管道接口：进料口：法兰型号PN0.6 DN150，接管口规格1594.5mm，开在封头上，排料口：法兰型号PN0.6 DN200，接管口规格2094.5mm 开在罐底进气口：法兰型号PN0.6 DN150，接管口规格1594.5mm开在封头上，排气口：法兰型号PN0.6 DN150接管口规格1594.5mm开在封头上补料口：法兰型号PN0.6 DN150接管口规格1594.5mm，开在封头上取样口：法兰型号PN0.6 DN65，开在封头上3.3.2仪表接口温度计：DN32mm压力表：DN25mm液位计：采用标准 HG51368 型号：R61pH探头：VP100A溶氧探头：SENDOF四、附录及图纸附录1 发酵罐的主要部件尺寸及结果项目 结果单位罐体高H0.61m罐体直径D0.3m椭圆封头直边hb0.03m消泡器长度L0.195m叶轮直径 d0.1m封头壁厚4mm叶轮厚度 d13.5mm圆筒壁厚3.5mm夹套高度h540mm焊缝系数（）2.3发酵热 Q30000kJ/m3h发酵热效应 Q热1200kJ/h冬季循环水进口温度t115冬季循环水出口温度t220夏季循环水进口温度t110夏季循环水出口温度t220冬季冷却循环水用量W11.23/h夏季冷却循环水用量W20.51/h传热系数K850kJ/(m2h)夹套直径D0340mm接管直径d7.64mm五、总结我们这一组的发酵课程设计的题目是50L发酵维生素C的罐体设计，通过本次课程设计，我们学到很多的知识。这次设计不仅巩固了我们的专业知识，而且使我们认识到只凭自已所学的设计知识是远远不够的。所以说我们不仅需要扩充自已的视野，填充专业知识，而且要好好利用老师组织的实验教学，尽量弥补自已实践方面的不足。随着设计过程中很多参数的确定一路一路的计算过来，在设计过程中出现一个一个的问题。比如说，消泡器、pH、各种罐体接口的选择和尺寸的确定。我们查阅了很多的文献资料，但是由于各种物性参数的不足，在一些选择上只能凭借文献的经验结果。所以说我们的课程设计还有许多的不足。但是，我们在设计时，小组成员分工明确，小组讨论是我们一起解决一系列的问题，这使我充分的认识团队的力量是强大的。同时大家对维生素C的生产过程及作用都有了更加深刻的认识。在文档的编辑过程中，要根据老师的要求进行编写，这使我们发现自已对办公软件的不熟悉。通过这次设计使我们学习了更多对与办公软件的使用知识。通过这次课程设计，我相信