20M3发酵罐链霉菌.doc

课 程 设 计课程名称_生化工程设备课程设计_题目名称机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院_轻工化工学院_专业班级_ _学 号_ _学生姓名_指导教师_刘晓丽_2012 年 06 月 14 日广东工业大学课程设计任务书题目名称20M3机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院 轻工化工学院专业班级 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(按照各自的题目要求写)设计20M3机械通风发酵罐，应用菌株发酵生产链霉素，产物是次级代谢产物，非牛顿型流体，三级发酵。高径比为2.2，生产场地为南方某地，蛇管冷却，初始水温：18三、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6. 11日2有关工艺设计计算6 .12日至6. 15日3装配图绘制6. 16日至6. 20日4撰写课程设计说明书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姓名班级设计（论文）起始时间 年 月 日至 年 月 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20M3机械搅拌发酵罐，发酵生产链霉素。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16MnR钢，厚度为7mm。采用标准椭圆形封头，壁厚为6mm，与发酵罐采用法兰方式连接。发酵罐的高5280mm，直径为2400mm，罐内采用三层六弯叶涡轮式搅拌器。搅拌轴直径为800mm，由110KW电动机驱动，轴封与罐体密封。冷却装置为的冷却蛇管120m，分4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 链霉素目 录1 设计方案的拟定12 罐体几何尺寸的确定22.1夹套反应釜的总体结构22.2 几何尺寸的确定33 罐体主要部件尺寸的设计计算63.1 罐体63.2 罐体壁厚63.3 封头壁厚计算63.4 搅拌器73.5人孔和视镜73.6接口管73.6.1 管道接口83.6.2 仪表接口84 冷却装置设计94.1 冷却方式94.2 装液量104.3 冷却水耗量104.4 冷却面积115 搅拌器轴功率的计算125.1不通气条件下的轴功率P0计算125.2通气搅拌功率Pg的计算135.3电机及变速装置选用135.4支座的选取145.5传动装置和减速装置155.5.1传动装置155.5.2减速装置196 设计小结207 参考文献211 设计方案的拟定我设计的是一台20M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产链霉素。链霉素是氨基糖苷类抗生素。他们是原核生物蛋白质合成的抑制剂，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌同样有效。链霉素由链霉胍、链霉糖、N-甲基-L-葡萄糖胺三部分构成，又称链霉素A，化学名为N-甲基-L-葡萄糖胺-（）-L-链酶糖-（）-链霉胍。早期发现的产链霉素的生产菌种是灰色链霉菌，后来又找到了能产链霉素的比基尼链霉菌、灰肉链霉菌等。目前生产上多用灰色链霉菌。灰色链霉菌的孢子柄直而短，不呈螺旋形，孢子量很多，呈椭圆形。气生菌丝和孢子都呈白色。单菌落生长丰满，呈梅花形或馒头形，直径约为。综合温度、PH等因素选择灰色链霉菌菌株，该菌种对温度敏感，生产实践中控制在28.5左右为宜，链霉菌的生长最适pH可以简单控制在，培养基主要葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，（NH4）2SO4 0.5%等所组成。主要生产工艺过程分为两大步骤：菌种发酵，将冷干管或沙土管保存的链霉菌孢子接种到斜面培养基上，于27下培养7天。待斜面长满孢子后，制成悬浮液接入装有培养基的摇瓶中，于27下培养4548小时待菌丝生长旺盛后，取若干个摇瓶，合并其中的培养液将其接种于种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气搅拌，在罐温27下培养6263小时，然后接入发酵罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气，搅拌培养，在罐温为27下，发酵约78天。提取精制，发酵液经酸化、过滤，除去菌丝及固体物，然后中和，通过弱酸型阳离子交换树脂进行离子交换，再用稀硫酸洗脱，收集高浓度洗脱液链霉素硫酸盐溶液。洗脱液再经磺酸型离子交换树脂脱盐，此时溶液呈酸性，用阴离子树脂中和后，再经活性炭脱色得到精制液。精制液经薄膜浓缩成浓缩液，再经喷雾干燥得到无菌粉状产品，或者将浓缩液直接做成水针剂。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灰色链霉菌根据参考文献4选取工作压力0.3MPa由工艺条件确定设计压力0.35MPa由工艺条件确定发酵温度（工作温度）28.5根据参考文献4选取设计温度150由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定培养基葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，（NH4）2SO4 0.5%根据参考文献4选取发酵液密度由工艺条件确定发酵液黏度由工艺条件确定2 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=2.2，则H=2.2D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（） 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/D=2.2，根据设计条件发酵罐的公称体积为由公称体积的近似公式可以计算 罐体直径圆整后D=2400mm 罐体总高度 =2.2D=24002.2=5280mm， 查阅文献【2】 ，当公称直径DN=2400mm时，标准椭圆封头的曲面高度=600，直边高度，总深度为mm，内表面积，容积 可得罐筒身高 5280-2640=4000mm 发酵罐的全体积 22.077 搅拌叶直径取 搅拌叶间距mm 底搅拌叶至底封头高度 挡板宽度表2-1大中型发酵罐技术参数公称容量 筒体高度H(mm) 筒体直径mm 换热面积转速r/min 电机功率kw 10 3200 1800 12 150 7.5 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215 表2-2 20m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积20设计条件全体积22.077计算罐体直径2400计算发酵罐总高5280计算发酵罐筒体高度4000计算搅拌叶直径800计算椭圆封头短半轴长600计算椭圆封头直边高度40计算底搅拌叶至封头高度800计算搅拌叶间距挡板宽度mm 16002400计算计算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。因适合链霉菌菌丝生长的pH约为6.57.0，适合于链霉素合成的pH约为6.87.3，pH低于6.0或高7.5，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7mm D罐体直径（mm） p耐受压强 (设计压力，MPa)取0.35 MPa 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 封头壁厚计算 ，取9mm。 D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 C10mm时，C3mm3.4 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弯叶式搅拌叶叶径d=800mm，则可以计算出盘径，叶高h=0.3d=0.7800=560mm叶长b=0.25d=0.25800=200mm3.5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，查阅文献，选取标准号HG2151895、公称压力为2.5MPa、直径为500mm、高度为393mm的人孔，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴500mm处。 视镜用于观察发酵罐内部的情况。 本次设计设置了1个视镜，标准号HG215051992，直径为DN=100mm，高度为52mm，开在顶封头上，位于右边轴线离中心轴500mm处，与人孔位于同一水平线上。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 =15.4 物料体积流量， 则排料管截面积， 又，得d=0.052m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径50，。其他管道也是如此计算。3.6.1 管道接口 （采用法兰接口）进料口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97），接口直径，大约人孔与视镜中间。角度垂直。排料口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97），接口直径，开在罐底中间通风管旁。进气口：573.5，开在封头上，角度与水平线夹角45度排气口：573.5 ，开在封头上进气口以封头很人孔中心连线为对称轴的对称位置上，角度与水平线夹角45度。冷却水进、出口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97）接口直径 573.5，角度与水平线夹角45度。补料口： 573.5，开在封头上；角度与水平线夹角45度。取样口：573.5，开在封头上；角度与水平线夹角90度3.6.2 仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm，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：Y-250，开在封头上溶氧探头：SE-N-DO-F ；pH探头：PHS-2 型；液位计：采用标准：HG5-1368，型号：R6-1；法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97）。表3-1 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7mm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800mm计算搅拌器层数2由工艺条件确定人孔DN450mm根据参考文献3选取视镜DN150mm根据参考文献3选取进、排料口直径根据参考文献3选取进、出气口直径根据参考文献3选取冷却水进、出口直径由工艺条件确定补料口直径根据参考文献3选取取样口直径由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm压力表液位计 R6-1溶氧探头pH探头型4 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，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质。 4.2 装液量 设计发酵罐装料系数：60%80%.取 发酵罐装料液体积： 不计算下封头时的装液体积： V柱=15.043-1.5459=13.4971 装液高度：13.4971/(0.7852.22.2)=3.55m 单位时间传热量发酵热装料量 即：1880015.043=282808.4kJ/h各类发酵液的发酵热发酵液发酵热(kJ/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3 冷却水耗量 由实际情况选用进出口水温为 、23，则 13512kg/h 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=28.5， 7.73. t1冷却水进口温度 t2冷却水出口温度 发酵温度 4.4 冷却面积 冷却面积()，根据实际情况取整为20m2 tm 对数平均温度差 K传热总系数，取1.9 kJ/(m2 h) 冷却蛇管总长度(m) 取整120m，分为四组，每组30m。 d蛇管内径，d外径壁厚 取573.5mm （径取5080mm，壁厚取3.55mm ） 每圈蛇管长度 =9.43m D蛇管圈直径，3m hp 蛇管圈之间的距离，2.5管径，取0.15m 每组蛇管圈数 ，则总圈数为34=12圈 蛇管总高度表4-1 20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70%由工艺条件确定装料体积计算装料高度3.55m计算总发酵热282808.4kJ/h计算冷却水耗量13512kg/h计算冷却面积20m2计算冷却蛇管总长度120m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 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，则雷诺准数： 因为，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数 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（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ； 涡轮直径（m）； 对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算： 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 C系数， 时，取0.157 多层搅拌输入的功率（kW） 涡轮转速（r/min），取200 r/min 涡轮直径（m）， Q通气量（/min），取16 /min，取2.5/min5.3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 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 搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149， 取已知取,已知， 根据文献选轴径为80mm。表5-1 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根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率57.04kw计算多层搅拌器轴率125.489kw通气量2.5/min由工艺条件确定通气搅拌功率77.45kw计算电机的功率87.64kw计算电机的选择型号Y-315S2功率110kW转速根据参考文献3选取轴径80mm根据参考文献3选取传动装置三角皮带根据参考文献3选取三角皮带型号和根数根据参考文献3选取小皮带轮直径根据参考文献3选取大皮带轮直径根据参考文献3选取5.4 支座的选取发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座。其中卧式支座又分为支腿，圈型支座，鞍型支座三种。立式支座也分为三种即：悬挂支座，支撑式和裙式支座。对设备质量进行估算如下：1) 筒体充满水后质量：2) 筒体质量：3) 筒体封头质量：4) 蛇管质量：5) 管法兰质量：6) 搅拌器设备质量：参考文献7,选择支撑式支座，5号B型支座3块，其示意图见图52，其尺寸见表52。图52 B型支座 表52 B型支座参数尺寸 /mm支座号支座本体允许载荷Q,kN使用容器公称直径DN高度h地板钢管垫板bd2d37400240042030022273836012续表5-2地脚螺栓D0支座质量/kg每增加100mm高度的质量，kg支座高度上限值hmaxd4d5规格35024M201720475.28505.5传动装置和减速装置5.5.1传动装置传动装置的选型包括凸缘法兰、支架、传动轴联轴器、搅拌轴轴封、安装底盖、搅拌轴底轴承等零件组成。1.安装底盖已知传动轴轴径为d=85mm、搅拌容器公称直径为DN2400m，查阅文献7，得安装底盖公称直径DN为700mm，选择RS型安装底盖，其示意图如图53所示，其性能参数见表53。 图53 RS型安装底盖表53 RS型安装底盖性能参数 /mm安装底盖公称直径机架公称直径d2K螺柱孔D6（h7）K1螺纹孔S数量d5数量d7700500830780282652062020M24822.机架已知传动轴轴径为d=85mm、搅拌容器公称直径为DN2400m，查阅文献7，得机架公称直径DN为500mm，选择单支点支架B型，其示意图如图54所示，其性能参数见表54。图42单支点支架B型 表54 单支点支架B型 /mm机架公称直径传动轴轴径dD1（H8）D2D3D4D5n-HH1机架质量/kg3008042551556560064516-11154202223.凸缘法兰机架和凸缘法兰的公称直径相等，查阅文献7，选择公称直径DN700凸缘法兰，示意图如图55，性能参数见表55。图55凸缘法兰 表55 凸缘法兰性能参数 /mm凸缘法兰公称直径DNd1d2kd3d4h1h2h4螺栓d5R1R2质量/kg数量螺纹700530830780670720601001428M2426542104.传动轴联轴器根据轴径d=80mm，查阅文献7，选取相应凸缘联轴器，其示意图见图56，参数见表56。图56 凸缘联轴器 表56 凸缘联轴器性能参数