20M3机械搅拌通风发酵罐

键入文字 1 课课 程程 设设 计计 课程名称 生物工程设备课程设计 题目名称 20M3机械搅拌通风发酵罐 学生学院 生物与化学工程学院 专业班级 11430022 学 号 24 学生姓名 周力成 指导教师 2014 年 6 月 5 日 键入文字 2 目目 录录 1 设计方案的拟定 6 2 罐体几何尺寸的确定 7 2 1 夹套反应釜的总体结构 7 2 2 几何尺寸的确定 7 3 罐体主要部件尺寸的设计计算 9 3 1 罐体 9 3 2 罐体壁厚 10 3 3 封头壁厚计算 10 3 4 搅拌器 10 3 5 人孔和视镜 11 3 6 接口管 11 3 6 1 管道接口 11 3 6 2 仪表接口 11 4 冷却装置设计 12 4 1 冷却方式 12 4 2 装液量 13 4 3 冷却水耗量 13 4 4 冷却面积 14 5 搅拌器轴功率的计算 15 5 1 不通气条件下的轴功率 P0 计算 15 5 2 通气搅拌功率 Pg 的计算 16 5 3 电机及变速装置选用 16 6 设计小结 17 7 参考文献 18 1 1 设计方案的拟定设计方案的拟定 我设计的是一台 20M3机械搅拌通风发酵罐 发酵生产糖化酶 糖化酶 也称葡萄糖淀粉酶 EC3 2 1 3 主要用途是作为淀粉糖化剂 它与 a 淀 粉酶结合可将淀粉酶转化为葡萄糖 可供葡萄糖工业 酿酒工业和氨基酸工业等应用 是工业生产中最重要的酶类之一 也是我国产量最大的酶制剂产品 黑曲霉 A S 3 4309 是国内糖化酶活性最高的菌株之一 糖化酶生产菌重要的有 雪白根霉 德氏根霉 河内根霉 爪哇根霉 台湾根霉 臭曲霉 黑曲霉 河枣曲霉 宇佐美曲霉 红曲霉 扣囊拟内孢霉 泡盛曲霉 头孢霉 键入文字 3 甘薯曲霉 罗耳伏革菌 综合温度 PH 等因素选择黑曲霉 A S 3 4309 菌株 该菌种最适发酵温度为 32 34 pH 为 4 5 培养基为玉米粉 2 5 玉米浆 2 豆饼粉 2 组成 主要生产工艺过程为如下 菌种用蔡式蔗糖斜面于 32 培养 6 天后 移植在以玉米 粉 2 5 玉米浆 2 组成的一级种子培养基中 与 32 摇瓶培养 24 36h 再接入 接种 量 1 种子罐 培养基成分与摇瓶发酵相同 并与 32 通气培养搅拌 24 36h 然后再 接入 接种量 5 7 发酵罐 发酵培养基由玉米粉 2 5 玉米浆 2 豆饼粉 2 组成 先用 a 淀粉酶液化 发酵温度为 32 在合适的通气搅拌条件下发酵 96 小时酶活性 可达 6000u ml 1 发酵液滤去菌体 如有影响糖化效率的葡萄糖甘转移酶存在 则通过调节滤液 PH 等方法使其除去 再通过浓缩将酶调整到一定单位 并加入防腐剂 如苯甲酸 如制备 粉状糖化酶 则可通过盐析或加酒精使酶沉淀 沉淀经过压滤 滤泥再通过压条烘干 粉碎 即可制成商品酶粉 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 20M3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 表表 1 11 1 发酵罐主要设计条件发酵罐主要设计条件 项目及代号参数及结果备注 发酵菌种黑曲霉 A S 3 4309 菌株根据参考文献 1 选取 工作压力 0 3MPa 由工艺条件确定 设计压力 0 3MPa 由工艺条件确定 发酵温度 工作温度 33 根据参考文献 1 选取 设计温度 150 由工艺条件确定 键入文字 4 冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定 培养基玉米粉 2 5 玉米浆 2 豆饼粉 2 组成 根据参考文献 1 选取 发酵液密度 3 1020 kg m 由工艺条件确定 发酵液黏度 32 1 96 10 N s m 由工艺条件确定 2 2 罐体几何尺寸的确定罐体几何尺寸的确定 2 1 夹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 2 5 则 H 2 5D 初步设计 设计条件给出的是发酵罐的公称体积 3 20m 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 2 1 4h 6 b VDD 封 近似公式 23 0 40 15VD HD 假设 根据设计条件发酵罐的公称体积为 0 1 98HD 3 20M 由公称体积的近似公式可以计算出 23 0 40 15VD HD 罐体直径 2272 451644Dmm 罐体总高度 2 52 5 2272 4516445681 12911HDmmmm 取整为 5680 mm 键入文字 5 查阅文献 2 当公称直径时 标准椭圆封头的曲面高度2300DNmm 直边高度 总深度为 内表面积 容575 a hmm 40 b hmm 615 f Hmm 2 6 0 f Am 积 3 1 76 f Vm 可得罐筒身高 0 256802 6154450 f HHHmmmm 则此时 与前面的假设相近 0 4450 23001 934782609HD 故可认为是合适的2300Dmm 发酵罐的全体积 233 0 4221 99920 0 f VD HVmm 搅拌叶直径取 其中符合700 i Dmm 700 23000 3 i DD 0 30 4 i DD 搅拌叶间距22 7001400 i SDmmmm 底搅拌叶至底封头高度700 i CDmm 表表 2 12 1 大中型发酵罐技术参数大中型发酵罐技术参数 公 称容 量 3 m 筒体 高度 H mm 筒体直径 mm 换热 面积 2 m 转速 r min 电机 功率 kw 1 0 3200 1800 12 150 7 5 键入文字 6 2 1 4700 2200 21 154 30 3 0 6600 2400 34 180 45 5 0 7000 2800 3000 38 60 160 55 6 0 8000 3000 3200 65 160 65 7 5 8000 3200 84 165 100 1 00 9400 3600 114 170 130 2 00 1150 0 4600 221 142 215 表表 2 22 2 200m200m3 3发酵罐的几何尺寸发酵罐的几何尺寸 项目及代号参数及结果备注 公称体积 3 m20 设计条件 全体积 3 m22 计算 罐体直径mm 2300 计算 发酵罐总高mm 5680 计算 发酵罐筒体高度mm 4450 计算 搅拌叶直径mm 700 计算 椭圆封头短半轴长mm 575 计算 椭圆封头直边高度mm 40 计算 底搅拌叶至封头高度mm 700 计算 搅拌叶间距mm 1400 计算 3 3 罐体主要部件尺寸的设计计算罐体主要部件尺寸的设计计算 3 1 罐体 键入文字 7 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 因糖化酶是偏酸性 pH 值为 4 5 对罐体不会有太大腐蚀 所以罐体和封头都使用 16MnR 钢为材料 封头设计为标准椭圆封头 因 D 500mm 所以采用双面缝焊接的方式与 罐体连接 3 2 罐体壁厚 取 6mm 1 0 3 2300 35 54 22 170 0 80 3 pD Cmmmm p D 罐体直径 mm p 耐受压强 取 0 3MPa 焊缝系数 双面焊取 0 8 设计温度下的许用应力 kgf c 16MnR 钢焊接压力容器许用应力为 2 m 150 170MPa C 腐蚀裕度 当 C 10mm 时 C 3mm 3 3 封头壁厚计算 取 9mm 2 0 3 2300 2 3 38 8 22 137 0 8 pDy Cmmmm D 罐体直径 mm p 耐受压强 取 0 3MPa y 开孔系数 取 2 3 焊缝系数 双面焊取 0 8 设计温度下的许用应力 16MnR 钢焊接压力容器许用应力为 150 170MPa 3 4 搅拌器 采用涡轮式搅拌器 选择搅拌器种类 和搅拌器层数 根据 d 确定 h 和 b 的值 尺寸 六平叶涡轮式搅拌器已标准化 称为标准型搅拌器 搅动液体的循环 量大 搅拌功率消耗也大 查阅文献 2 可 知发酵罐采用 6 6 6 弯叶式搅拌叶 3 20m 叶径 则可以计算出700dmm a r弯 1 2 d r箭 1 4 d1 0 a 38 e h b d1 d 3 3 5 5 13 20 h b d d 4 5 5 13 20 h b d d 4 5 13 20 图6 1 通用的涡轮式搅拌器 a 六平叶 b 六弯叶 c 六箭叶 h r h b b b d d1d1 d d1 d 键入文字 8 盘径 0 75525 i ddmm 叶高0 3210hdmm 叶长175bmm 3 5 人孔和视镜 人孔的设置是为了安装 拆卸 清洗和检修设备内部的装置 本次设计只设置了 1 个人孔 标准号为 人孔 RF R G 450 0 6 HG21522 1995 公称直径 450 开在顶封头上 位于左边轴线离中心轴 750mm 处 视镜用于观察发酵罐内部的情况 本次设计只设置了 2 视镜 直径为 DN80 开在顶 封头上 位于前后轴线离中心轴 750mm 处 标记为视镜 PN1 0 DN80 HGJ501 86 17 3 6 接口管 以进料口为例计算 设发酵醪液流速为 2h 排尽 发酵罐装料液体积 V1 15 41 vm s 3 m 物料体积流量 3 1 2 15 4 3600 2 0 00213 QVhms 则排料管截面积 2 0 00213 10 00213FQ vm 又 得 d 0 052m 取无缝钢管 查阅资料 平焊钢管法兰 2 0 785Fd HG20593 97 取公称直径 50 其他管道也是如此计算 57 3 5mm 3 6 1 管道接口 采用法兰接口 进料口 直径 开在封头上 57 3 5mm 排料口 开在罐底 57 3 5mm 进气口 开在封头上 57 3 5mm 排气口 开在封头上 57 3 5mm 冷却水进 出口 开在罐身 57 3 5mm 补料口 开在封头上 57 3 5mm 取样口 开在封头上 57 3 5mm 3 6 2 仪表接口 键入文字 9 温度计 装配式热电阻温度传感器 Pt100 型 D 100mm 开在罐身上 压力表 弹簧管压力表 径向型 d1 20mm 精度 2 5 型号 开在封头250YZ 上 液位计 采用标准 型号 直径 开在罐身5 1368HG 61R 550 260 14 mm 上 溶氧探头 pH 探头 型 SENDOF 2PHS 表表 2 32 3 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果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16MnR 钢由工艺条件确定 焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定 罐体筒壁厚6mm计算 封头壁厚9mm计算 搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献 3 选取 搅拌叶直径700mm计算 搅拌器层数 3 由工艺条件确定 人孔1 个 标准号 HG21522 1995 根据参考文献 3 选取 视镜2 个 标准号 HGJ501 86 17 根据参考文献 3 选取 进 排料口直径57 3 5mm 根据参考文献 3 选取 进 出气口直径57 3 5mm 根据参考文献 3 选取 冷却水进 出口直径57 3 5mm 由工艺条件确定 补料口直径57 3 5mm 根据参考文献 3 选取 取样口直径57 3 5mm 由工艺条件确定 温度计装配式热电阻温度传 感器 Pt100 型 D 100mm 压力表250YZ 液位计61R 键入文字 10 溶氧探头SENDOF pH 探头型2PHS 4 4 冷却装置设计冷却装置设计 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 使用蛇管冷却 综合 比较列管的冷却效果好 在使用水作冷却介质时 选用列管 4 2 装液量 设计发酵罐装料系数 取70 发酵罐装料液体积 3 122 70 15 4mV 全体积装料系数 不计算下封头时的装液体积 VV 1柱 下封头体积 3 V1 215 4 1 7613 64m V柱下封头体积 装液高度 223 h1 v 13 64 0 785 2 3 3 284Dm 柱 4 单位时间传热量 发酵热 装料量 即 1 Q Qv 16800 15 4 258720kJ h 发 各类发酵液的发酵热各类发酵液的发酵热 发酵液发酵热 kJ h 3 m 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 键入文字 11 酶制剂14700 18800 4 3 冷却水耗量 由实际情况选用进出口水温为 则1826 21 258720 7725 7525 4 186 26 18 p Q Wkg h Ctt Q 单位时间传热量 Cp 冷却水的平均比热 取 4 186 kJ kg t2 t1 冷却水进出口温度差 对数平均温度差 由工艺条件知道 F t33 12 1 2 3320 3328 10 49 3320 2 303lg2 303lg 3328 o FF m F F tttt tC tt tt t1 冷却水进口温度 t2 冷却水出口温度 发酵温度 F t 4 4 冷却面积 3 3 258720 12 98 1 9 1010 49 m Q Am K t 根据实际取 86 m2 tm 对数平均温度差 K 传热总系数 取 1 9 kJ m2 h 3 10 冷却面积 A dL 2 m 冷却蛇管总长度 m 12 98 82 68 85 4 21 25 3 14 0 05 A LmLmm d 0 取整分为组 每组长L d 蛇管内径 d 外径 壁厚 取 57 3 5mm 径取 50 80mm 壁厚取 3 5 5mm 每圈蛇管长度 2222 3 14 3 0 159 42 pp lDhm 键入文字 12 D 蛇管圈直径 3m hp 蛇管圈之间的距离 取 0 15m 每组蛇管圈数 则总圈数为 3 4 12 圈 0 21 25 3 9 42 p L N l 圈 蛇管总高度 1 12 1 0 151 65 pp HNhm 表表 2 32 3 5050发酵罐冷却装置设计计算结果发酵罐冷却装置设计计算结果 3 m 项目及代号参数及结果备注 装料系数 70 由工艺条件确定 装料体积 3 15 4 m计算 装料高度3 284mm计算 总发酵热258720J h计算 冷却水耗量 7725 75 kg h 计算 冷却面积 3 12 98m计算 冷却蛇管总长度85m计算 冷却蛇管总高度1 65m计算 蛇管组数4 组由工艺条件确定 每组蛇管圈数3 圈计算 5 5 搅拌器轴功率的计算搅拌器轴功率的计算 5 1 不通气条件下的轴功率 P0 取发酵醪液黏度 密度 搅拌转速 32 1 96 10 N s m 3 1020 kg m 200 minr 则雷诺准数 2 5 3 200 60 0 71020 Re8 5 10 1 96 10 iL D 因为 Re 所以发酵系统充分湍流状态 即有效功率系数 4 7 4 10 P N 鲁士顿 Rushton J H 公式 键入文字 13 3535 0i 200 4 7 1020 0 729 84 60 PL PNDkw 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 NP 4 7 P N 涡轮转速 r min 液体密度 kg m3 因发酵液不同而不同 一般取 800 1650 kg m3 L 涡轮直径 m i D 对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算 0 40 6 29 84 0 40 6 3 65 648 m PPmkw 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 23 0 45 i g 0 56 m PD PC Q C 系数 时 取 0 157 3 i D D 多层搅拌输入的功率 kW m P 涡轮转速 r min 取 200 r min 涡轮直径 m 0 7m i D Q 通气量 min 取 1 6 min 取 1 42 min 3 m 3 m 3 m 计算 2323 0 450 45 i g 0 560 56 65 648200 0 7 0 157 41 626 1 42 m PD PCkW Q 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 g P 轴封摩擦损失功率 一般为 T P 00 g 1P 传动机构效率 gT PP P 键入文字 14 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 41 626 1 1 kw 0 92 0 99 0 98 gT PP P 47 10 搅拌轴直径 n 为转速 单位为转 分 系数 A 可以取 97 149 1 3 dAP n 取已知 根据文献选100 A 1 3 47 1 47 1 200 100 61 75 200 PkW nrpmdmm 则得 轴径为 85mm 表表 2 42 4 发酵罐搅拌功率的设计计算结果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 转速200 minr根据参考文献 3 选取 不通气条件下的轴功 率 29 8