75M3机械搅拌通风谷氨酸发酵罐的设计.doc

课 程 设 计75M3机械搅拌通风谷氨酸发酵罐的设计课程名称 生物工程设备 学生学院 轻工化工学院 专业班级 生物工程一班 学 号 学生姓名 * 指导教师 * 2010 年 6 月 20 日广东工业大学课程设计任务书题目名称75M3机械搅拌通风谷氨酸发酵罐的设计学生学院轻工化工学院专业班级生物工程一班姓 名*学 号一、课程设计的内容1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点。2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图 5、撰写课程设计说明书二、课程设计的要求与数据设计75M3机械通风发酵罐，应用TG866菌株发酵生产谷氨酸，产物是次级代谢产物，非牛顿型流体，三级发酵。发酵罐高径比为2.6，生产场地为南方某地，蛇管冷却，初始水温：20三、课程设计应完成的工作1课程设计说明书（纸质版和电子版） 各1份2设备装配图（A3号图纸）1张四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1上午布置及讲解设计任务；下午查阅资料及有关文献教一，图书馆6. 11日2有关工艺设计计算宿舍6 .12日至6. 15日3装配图绘制2-2016. 16日至6. 20日4撰写课程设计说明书图书馆6. 20日至6. 22日五、应收集的资料及主要参考文献1 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，2007.2 李功样，陈兰英，崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，2006.3 陈英南，刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2005.4 GB/T 14690-1993-1993，技术制图比例S北京：中国标准出版社，19935 梁世中. 生物工程设备M. 北京: 中国轻工业出版社，2007.6 田洪涛. 现代发酵工艺原理M. 北京: 化学工业出版社，2007.7 JBT4746-2002，钢制压力容器用封头S北京：中国标准出版社，2002发出任务书日期：2012 年 6 月 11 日 指导教师签名：计划完成日期： 2012 年 6 月 22 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：课程设计考核表设计题目75M3机械搅拌通风谷氨酸发酵罐的设计姓名*班级生物一班设计（论文）起始时间 2012 年 6 月 11 日至 2012 年 6 月 22 日设计完成情况： 独立完成，达到要求 能够完成，达到要求 能够完成，基本达到要求 不能按时完成，达不到基本要求说明书（论文）叙述 清楚 比较清楚 基本清楚 不清楚工作态度情况（学生对设计的认真程度、纪律及出勤情况）： 认真 较认真 一般 不认真图面是否清晰 清晰 比较清晰 基本清晰 不清晰计算是否正确 正确 基本正确 不正确设计（论文）是否符合规范要求 规范 基本规范 不规范成绩评定: 优秀 良好 中等 及格 不及格指导教师签字： 年 月 日摘 要本次设计的是一台75M3机械搅拌发酵罐，发酵生产谷氨酸。发酵罐主要由罐体和冷却装置、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它的一些附件组成。罐体材料为A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐，厚度为10mm。采用标准椭圆封头，壁厚为16mm，与发酵罐采用双面缝焊接方式连接。发酵罐的高9360mm，直径为3600mm，罐内采用二层，六弯叶涡轮式搅拌器。搅拌轴直径为1200mm，由130KW电动机驱动，并采用轴封与罐体密封。冷却装置为763.5mm的冷却蛇管342m，分6组安装在罐内。最后绘制了该发酵罐的装配图。关键词：机械搅拌发酵罐，封头，搅拌器，端面轴封，冷却装置目 录1 设计方案的拟定12罐体主要尺寸的确定22.1 罐体体积22.2罐体总高度33 罐体主要部件尺寸的设计计算43.1 罐体43.2 罐体壁厚43.3 封头壁厚的计算43.4 搅拌器53.5 人孔和视镜53.6 接口管的选择63.6.1 排料管的选择计算63.6.2 气管直径的选择73.6.3 仪表接口73.7 管道接口73.8 支座的选择84 冷却装置的确定94.1 冷却方式94.2 装液量104.3 冷却水耗量104.4 冷却面积105 搅拌器轴功率的计算115.1不通气条件下的轴功率P0115.2通气搅拌功率Pg的计算125.3电机及变速装置选用126 结束语147 参考文献14 1 设计方案的拟定我设计的是一台75M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产谷氨酸。L-谷氨酸是生物机体内按代谢的基本氨基酸之一，也是连接糖代谢与氨基酸代谢的枢纽之一，在代谢上具有比较重要的意义。L-谷氨酸单钠盐，俗称味精，具有强烈的鲜味，是一种十分重要的调味品，广泛应用于烹调和食品加工。目前国内谷氨酸发酵的主要菌种有：天津短杆菌及其诱变株FM8209、FM-415、CMTC-6282、TG863、TG866、S9144、D85等菌株；钝齿棒杆菌AS1.542及其诱变菌株B9、B9-17-36、F-263等菌株；北京棒杆菌AS.1299及其诱变菌株7338、D110、WTH-1等菌株。综合温度、PH等因素选择菌株，该菌种最适发酵温度为32-37，pH为7.0-7.5。主要生产工艺过程为如下：原料液的处理与培养基配制；种子制备与扩大培养；发酵；谷氨酸提取与精制。其具体过程如图1:味精生产总工艺流程图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75m3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表 1-1发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵菌种工作压力设计压力发酵温度设计温度冷却方式培养基发酵液密度发酵液粘度TG8660.4MPa0.4MPa35120蛇管冷却玉米浆，马铃薯淀粉，豆饼粉=1050Kg/m3=1.310-3N*s/m2根据参考文献6选取由工艺条件确定由工艺条件确定由参考文献6确定由工艺条件确定由工艺条件确定由参考文献6确定由工艺条件确定由工艺条件确定由工艺条件确定2罐体主要尺寸的确定2.1 罐体体积根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.6则H=2.6初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（75m3）公称体积V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0公称体积和上封头体积之和封头体积 （近似公式）假设H0/D=2.0,根据设计条件罐的公称体积为75m3由公称体积的近似公式V=0.785D22D+0.15D3=75，解得D=3519mm ,取整为3600mm，2.2罐体总高度H=2.6D=2.63600=9360mm查阅文献7 ，当公称直径DN=3600mm时，标准椭圆封头的曲面高ha=900mm，直边高度hb=40mm，总深度为Hf=940mm，容积=0.7850.362(0.04+1/60.36)=6.5111mm可得罐直筒高度H0=H-2940=7480mm则此时H0/D=7480/36002，与前面的假设相近，故可认为D=3600是合适的发酵罐的公称体积V=0.7853.627.48+6.5111=82.61m3全体积V0=0.7853.627.48+6.51112=89.12 m3搅拌叶直径Di=1/3D=1/33600=1200mm搅拌叶间距S=3DI=31200=3600mm底搅拌叶至底封头高度C= DI=1200mm表2-1 75m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积m375设计条件全体积m359.12计算罐体直径mm3600计算发酵罐总高度mm9360计算发酵罐筒体高度mm7480计算搅拌叶直径mm1200计算椭圆封头半轴长mm900计算椭圆封头直边高度mm40计算底搅拌叶至底封头高度1200计算搅拌叶间距mm3600计算3 罐体主要部件尺寸的设计计算3.1 罐体考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式因谷氨酸是为偏酸性，故选用使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。封头设计为标准椭圆封头因为D500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.2 罐体壁厚取整为1=10mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (设计压力取0.4MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 罐体金属材料在设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm3.3 封头壁厚的计算取整2=16mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.3MPa)K开孔系数，取2.3 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C89mm,可以满足工艺要求。核算：物料流量Q=0.0062 m3/s，流速v=1m/s;管道截面积F=0.7850.1082=0.0092m2在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为则排料时间：t=30.67=2.01(h)进料管径其管径与排料口相同。3.6.2 气管直径的选择 按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为2025m/s。现通风比0.10.18vvm，为常温下20，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30 状态。风量Q1取大值Q1=250.18=4.5m3/min=0.075m3/s利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf取风速v=20m/s，则风管截面积Ff为则气管直径d气为：d气=Ff/0.785=0.0155/0.785=140.52mm取1594.5mm无缝管，159mm140.52mm,可满足工艺要求。3.6.3 仪表接口温度计：PT100铂电阻-DOCOROM常用温度传感器型号-TR/02125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2.5，型号：Y150，开在封头上；液位计：采用HG5-1366-80反射式玻璃板液位仪，开在罐身上；溶氧探头：A1-900MAX；pH探头：SBH03-871PH-3P1A-3型；3.7 管道接口进料口： 1084mm排料口： 1084mm进气口： 1594mm排气口： 1594mm冷却水进、出口： 1084mm补料口： 1084mm取样口： 1084mm3.8 支座的选择根据技术要求选择序号是8的A型耳式支座，具体参数参考上表格 A型耳式支座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A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐由工艺条件确定罐体壁厚10mm人孔1个，标准号HG2151895根据文献2选取封头2个，JB/T 4746-2002根据文献7选取封头壁厚16mm计算焊接方式双面平焊工艺条件确定搅拌器种类六弯叶涡轮式搅拌器工艺条件确定搅拌器层数2工艺条件确定搅拌器直径1200mm计算视镜1个工艺条件确定进、排料口直径1084mm工艺条件确定进、出气口直径1084mm工艺条件确定冷却水进出口直径763.5mm工艺条件确定补料口直径1084mm工艺条件确定取样口直径1084mm工艺条件确定温度计1个，TR/02125根据文献1选取压力表1个，Y150根据文献1选取液位计1个，HG5-1366-80根据文献1选取溶氧探头1个A1-900MAX根据文献1选取PH探头SBH03-871PH-3P1A-3根据文献1选取支座A型，4个根据文献2选取4 冷却装置的确定4.1 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。4.2 装液量 装料系数取75%，则实际装液量V1=V075%=89.1375%=66.85m3V柱=V1-下封头体积=66.85-6.5111=60.34m3装也高度h1= V柱/0.785D2=60.34/0.7853.62=5.93m4.3 冷却水耗量单位时间传热量Q=Q发V1=2930066.85=1.959106KJ/h 冷却水耗量4.4 冷却面积取整为80m2冷却管总长度其中，d取76mm，壁厚3.5mmK取2.0103分6组，每组57m每圈蛇管长度D蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取0.19m每组蛇管圈数，则总圈数为36=18圈蛇管总高度75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66.85m3计算装料高度5.93m计算总发酵热1.959106kj/h计算冷却水耗量9.36104kg/h计算冷却面积80m2计算冷却蛇管总长度340m计算冷却蛇管总高度3.23m计算蛇管组数6由工艺条件确定每组蛇管圈数6计算5 搅拌器轴功率的计算5.1不通气条件下的轴功率P014取发酵醪液黏度，密度，搅拌转速则雷诺准数因为Re，所以发酵系统为湍流状态，即有效功率系数=4.7鲁士顿(Rushton J. H.)公式：P0无通气搅拌输入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7涡轮转速（r/min）；液体密度，取1050 kg/m3 ；涡轮直径（m）；对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：m-搅拌器层数。5.2通气搅拌功率Pg的计算因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算 多层搅拌输入的功率（kW）涡轮转速（r/min），取100 r/min涡轮直径（m），1.2mQ通气量（/min），取4/min计算5.3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。搅拌轴功率轴封摩擦损失功率，一般为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 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分）取A=100，根据文献选轴径为110m