赖氨酸生产装置二级种子罐工艺及设备设计

1、摘 要赖氨酸的发酵过程主要包括斜面种子活化、种子罐扩大培养和发酵罐发酵。种子罐扩大培养在赖氨酸发酵过程中占有重要的地位。本设计依照GB150和化工容器与设备简明设计手册等文献，对种子罐进行设计。先行设计种子罐筒体，封头的尺寸与厚度并进行液压试验机强度校核。由于反应介质有一定的腐蚀性，所以采用不锈钢材料。然后设计设备的冷却装置。由于发酵过程中对温度稳定的要求高，所以采取外盘管和内蛇管联合使用的冷却装置。最后设计设备的搅拌传动装置和接管附件。因为发酵过程要求严格无菌操作，对设备密封性能要求高，本设计中采用机械密封。 关键词：赖氨酸，种子罐，内蛇管，无菌操作AbstractLysine fermen

2、tation process mainly includes inclined surface activation of seed, seed tank and enlarged culture fermentation tank fermentation. Seed tank to expand training in lysine fermentation process plays an important role in. In accordance with the design of GB150 and chemical containers and equipment conc

3、ise design handbook literature, the seed tank design. First design seed tank barrel body, head size and thickness and strength check of hydraulic test machine. As the reaction medium have certain corrosive, so the use of stainless steel materials. Then the design of equipment cooling device. As a re

4、sult of the fermentation process for the high temperature stability requirements, so taken outside the coil and the inner coil pipe joint use of cooling device. The final design equipment stirring transmission device and attachment of nozzle. Because the fermentation process requires strict aseptic

5、operation, the device sealing performance requirements, the design of the use of mechanical seal.Keyword：Lysine,seeds cans, inner tube, aseptic operation目 录前 言1第一章 绪论2 1.1赖氨酸的用途2 1.1.1赖氨酸在医药上的应用2 1.1.2赖氨酸在食品上的应用2 1.1.3赖氨酸在饲料上的应用21.2赖氨酸的生产方法21.2.1赖氨酸的生产方法3 1.2.2二级种子罐在发酵工艺中的地位和作用3第二章 赖氨酸发酵流程32.1赖氨酸发酵原

6、理和过程3第三章 种子罐釜体结构的设计计算43.1工艺条件4 3.1.1发酵液物性参数4 3.1.2操作参数43.2罐体结构形式的选择53.2.1筒体内径的确定5 3.2.2筒体全容积的确定63.3发酵车间物料衡算63.3.1赖氨酸发酵工艺技术指标6 3.3.2种子罐个数的确定73.4种子罐罐体设计73.4.1工艺条件7 3.4.2筒体壁厚计算83.4.3封头壁厚计算93.5种子罐水压试验校核103.5.1计算罐体水压试验压力10 3.5.2筒体薄膜应力的计算103.5.3确定筒体在水压试验下的最大应力103.6种子罐换热部件计算113.6.1种子罐内热量衡算11 3.6.2换热装置的设计计算

7、133.6.3半圆形外盘管的强度计算153.7挡板的设计163.8支座选择与强度校核173.8.1支座的选择17 3.8.2支座的强度校核183.9人孔、视镜的选择与校核203.9.1人孔的选择和开孔补强20 3.9.2视镜的选择和开孔补强243.10接管、管法兰设计273.10.1放料口管法兰和接口形式的选择 27 3.10.2排风口、进风口、进料口管法兰和接口形式的选择 273.10.3种子入口、流糖加入口管法兰和接口形式的选择 28 3.10.4取样口管法兰和接口形式的选择 283.10.5管法兰尺寸汇总 29第四章 种子罐搅拌装置的设计计算304.1种子罐搅拌器形式的确定304.2种子

8、罐搅拌器尺寸的确定314.3种子罐搅拌器搅拌功率的计算314.4种子罐搅拌轴的设计及强度校核344.4.1按扭转变形计算轴径35 4.4.2按临界转速校核轴的直径364.4.3按强度计算搅拌轴直径39第五章 种子罐搅拌设备传动装置的设计与选型425.1电动机的选型425.2减速器的选型435.3联轴器的选型445.4轴封装置的选型445.5凸缘法兰和安装底盖的选型445.6底轴承的选型46第六章 种子罐的制造、安装于调试466.1种子罐的制造、检验和验收466.1.1材料的验收46 6.1.2容器的焊接466.1.3封头的制造476.1.4筒体的制造476.2种子罐的安装、调试及维护476.2

9、.1设备的安装47 6.2.2设备的试运行476.2.3设备的使用486.2.4设备的定期检查48结论49致谢50参考文献51前 言赖氨酸是一种动物自身不能合成的第一限制性必需氨基酸。在医药、食品和饲料中有着重要的作用。赖氨酸主要由发酵法生产，随着生化技术的提高和生化产品的需求量不断增加，对发酵罐的大型化、节能和高效提出了越来越高的要求。发酵是一个无菌、通气的复杂生物反应过程，需要无菌的空气和培养基的纯种浸没培养。因此发酵罐的设计，不仅仅是单体设备的设计，而且涉及培养基灭菌、无菌空气的制备、发酵过程的控制和工艺管道配置的系统工程。赖氨酸发酵过程中，对压力的要求不高，但对温度和通入的氧气要求很高

10、，温度过高或过低对菌种发酵都不利，所以要控制在合理的温度范围内，而赖氨酸的发酵过程是好氧的，且氧气必须是无菌的，因此发酵过程中要通入无菌空气且要保证装置的密封性能。为了保证发酵过程温度的稳定，本设计改变了以往搅拌设备采用加套作为冷却装置设计，而采用半圆行外盘管和内蛇管结合的冷却装置，从而更好的满足工艺要求。通过控制流量来控制传热效果。在刚开始给培养液加热时，可以通过内蛇管通热水迅速将培养基升温，当发酵过程中产生大量热量时，半圆行外盘管不能迅速带走热量时，可将内蛇管通入冷却水，从而控制温度稳定。在培养周期结束后，需要放出物料时，也可将内盘管作为冷却源，从而节省时间。在设计容器接管时，根据工艺条件

11、的要求设计各个接管，在安全是前提下，为了更加经济，本设计将进料口和排气口设计为同一个接口，在发酵开始前，可作为进料口，发酵过程中可作为排气口，通时将种子入口和流糖加入口设计为同一个接口，在发酵开始前，可作为种子入口，发酵过程中可作为流糖加入口。这样设计也减少了容器上的开孔数量，减少了对容器强度的削弱。第一章 绪论赖氨酸，化学名：2,6-二氨基己酸,化学结构简式为H2NCH2CH2CH2CH2CH(NH2)COOH。赖氨酸，是一种必需氨基酸。它是人体所必需的营养物质，但是身体不能自身合成它。它必须通过日常饮食和营养补品获得。赖氨酸是人和动物赖以生存的必需氨基酸，是人类重要的医药原料和食品添加剂，

12、同时也是优质的饲料添加剂。1.1赖氨酸的用途1.1.1赖氨酸在医药上的应用赖氨酸可以调节人体代谢平衡。是合成人体激素、酶和抗体的原料，往食物中添加少量赖氨酸，可以刺激胃酸和胃蛋白酶的分泌，起到增加食欲、促进幼儿生长发育的作用。赖氨酸还可作为利尿药的辅助治疗剂，治疗因血中氯化物减少所导致的铝中毒：对营养不良、乙肝，支气管炎有一定的治疗作用；同时赖氨酸也是优良的血栓预防剂。1.1.2 赖氨酸在食品上的应用 赖氨酸是合成大脑神经再生细胞和其它核蛋白以及血红蛋白等重要蛋白质所需的氨基酸。专家认为，在食物中添加1g赖氨酸：就相当于增加10g可利用的蛋白质。儿童食用添加赖氨酸的食物，其体格、智力的发育、血

13、浆蛋白的含量和身体的免疫力等均有所提高。另外，赖氨酸能与羰基化合物的羰基反应，起到消除异臭的效果。并且能改善食品的色、香、味及品质。1.1.3 赖氨酸在饲料上的应用畜牧业使用赖氨酸已获得显著效果。赖氨酸具有满足动物需要，改善氨基酸平衡、促进动物生长、节约蛋白质资源、提高饲料利用率的作用。在饲料中添加赖氨酸，能增进动物的食欲，促进生长。赖氨酸可提高植物蛋白质的利用价值，低含量赖氨酸的饲料在添加赖氨酸后其它植物蛋白质可被有效的利用，并且能够改善肉的品质，提高瘦肉率。另外，赖氨酸还可以作为一种环保物质。它的使用能够有效的减少畜禽饲料的总用量，减少畜禽粪便。1.2赖氨酸的生产方法1.2.1赖氨酸的生产

14、方法赖氨酸的生产方法主要有抽提法、化学合成法、酶法和发酵法。其中发酵发是生产赖氨酸的主要方法，其中包括两种途径，即二步发酵法和直接发酵法。其中二步发酵法工艺较复杂，已不符合现代工业发展的要求。现在主要的生产方法是直接发酵法。主要发酵过程包括：斜面培养活化一级种子培养二级种子培养发酵罐。本设计主要设计赖氨酸发酵过程中的二级种子罐。1.2.2二级种子罐在发酵工艺中的地位和作用 种子的扩大培养有着重要的意义，就目前而言，工业规模化生产上所用的发酵罐容积已达到几十立方米甚至几百立方米。如果按10%左右的接种量计算，就要投入几立方米或几十立方米的种子。所以菌种扩大培养的目的就是为每次发酵罐的投料提供相当

15、数量的代谢旺盛的种子。要从保藏在试管中的微生物菌种逐级扩大为生产用种子是一个有实验室制备到车间的庞大过程。种子罐是这个过程中的重要一环。实验室制备的孢子或液体种子移种至种子罐扩大培养，种子罐的作用主要是使孢子发芽，生长繁殖成菌（丝）体，接入发酵罐能迅速生长，达到一定的菌体量，以利于产物的合成。种子罐级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数。二级种子罐是在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养，从而获得发酵所需要的足够量的菌种群体。第二章 赖氨酸发酵过程2.1赖氨酸发酵原理和过程赖氨酸发酵的原理是利用微生物的某些营养缺陷性菌株，通过代谢控制发酵，人为的改变和控制微生物的代谢途径来实现赖氨

16、酸的生产。主要的生产过程为：斜面菌种摇瓶菌株种子罐淀粉水解糖或蜜糖配料灭菌发酵提取精制干燥成品 压缩空气油水分离总过滤器分过滤器第三章 种子罐釜体结构的设计计算本节内容将主要设计种子罐的釜体结构。种子罐釜体结构的设计计算是种子罐其他部分结构设计的前提，在本部分设计中包括种子罐罐体，夹套，换热部件的设计计算、种子罐支座形式的选择、人孔、视镜的选择及开孔补强的计算。最后对种子罐上各个接管、法兰进行选型。3.1 工艺条件3.1.1 发酵液物性参数密度：粘度：导热系数：比热：高峰期发酵热：标准通风量：3.1.2 操作参数操作温度：罐内130、夹套100设计温度：罐内150、夹套104操作压力：罐内0.

17、35MPa、夹套0.35MPa设计压力：罐内0.43MPa、夹套0.43MPa容积换热面积罐温：36.6-37搅拌器转速减速比输入转速3.2 罐体结构形式的选择种子罐是由罐体和换热部件两大部分构成。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为菌种的繁殖提供了一定的空间。罐体一般是立式圆筒形容器，由筒体和封头组成，通过支座安装在基座或平台上。由于设计的种子罐要承受一定的压力，故选择椭圆形封头。3.2.1筒体内径的确定已知条件：操作容积对于一般的种子罐或发酵罐，高径比，取直筒部分高径比,封头直边高度取。 则有效容积 解得： 由压力容器公称直径标准（HG/T9019-2001）圆整到公称直径。根据筒体内径选

18、取标准椭圆形封头，查表，选取标准椭圆形形封头，具体尺寸如下：表1 椭圆形封头尺寸公称直径/曲面高度/直边高度/内表面积/容积/质量/2000500404.571.2345.3 则=10.9-1.2=9.7 解得：，取 则直筒部分高径比，与假设相近，故合适。 筒体的总高度 则高径比，合适。3.2.1筒体全容积的确定 容器内径和高度确定后，容器的有效容积为 种子罐的全容积3.3 发酵车间物料衡算赖氨酸发酵一般采用二级或三级种子发酵，对于本设计，因为年产量较大，所以采用三级种子发酵。一般二级种子液体积为发酵液量的10%，三级种子液量为二级种子液量的2%。首先对种子罐进行物料衡算。3.3.1 赖氨酸发

19、酵工艺技术指标表2赖氨酸发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a80000生产方法直接发酵法年生产天数d/a300日产量t/d267产品质量纯度%99%倒罐率%1.0发酵初糖170糖酸转化率%47.8赖氨酸提取率%80发酵液量 式中：170发酵培养基初糖浓度（） 47.8%糖酸转化率 80%赖氨酸提取率 99%产品质量（纯度）三级种子液量 二级种子液量 3.3.2 种子罐个数的确定 对于反应釜，通常取=0.6-0.85.如果物料在反应过程中要起泡或呈现沸腾状态，应取低值，=0.6-0.7.如果物料反应平稳或物料粘度较大时，取大值，=0.8-0.85。本设计中，反应温度较低，发酵过程平稳

20、，所以去大值，取=0.8.则所需二级种子罐的容积为。所以需要二级种子罐的个数为一个。3.4 种子罐罐体设计本设计中，种子罐内的发酵是一个放热反应，而且种子罐温度必须稳定在36.8-37，所以要采用冷却装置，而一般的夹套冷却对温度的调控不精确且不及时，所以本设计中采用半圆形外盘管冷却。外盘管冷却具有较高的传热系数，而且外盘管使罐体刚度大大增加，所以筒体一般不会产生外压失稳。因此，在设计中只需通过内压来设计跟校核就能满足强度要求。3.4.1 工艺条件 种子罐内操作温度 操作压力； 外盘管操作温度 操作压力； 设备材料选取：设备在消毒灭菌期间，会有较强的腐蚀性，所以种子罐筒体和封头都选取防腐性能好的

21、不锈钢00Cr19Ni10。3.4.2 筒体壁厚的计算1、筒体内液柱静压力的计算液柱高度液柱静压力2、筒体的计算压力 筒体的计算压力为设计压力与液柱静压力之和即3、焊接接头系数的确定容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头基本上都是采用双面焊的全焊透的焊接接头，根据下表可选焊接接头系数=0.85（局部无损探伤）表3 焊接接头系数表序号焊接接头结构焊接接头系数全部无损探伤局部无损探伤1双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊接接头1.00.852单面焊的对接焊接接头，在焊接过程中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板0.90.84、筒体壁厚的计算筒体壁厚计算公式：式中：筒体计算压力 MPa 筒体内径 设计温

22、度下材料的许用应力 带入数据解得钢板厚度附加量为钢板厚度负偏差和钢板腐蚀余量之和，取 则筒体设计厚度取筒体的名义厚度则筒体的有效厚度3.4.3 封头厚度计算 封头壁厚计算公式：式中：K形状系数，对于标准型椭圆形封头K=1筒体计算压力 MPa 筒体内径 设计温度下材料的许用应力 带入数据解得钢板厚度附加量为钢板厚度负偏差和钢板腐蚀余量之和，取 则封头设计厚度取封头的名义厚度则封头的有效厚度校核：GB150规定K1的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内径的0.15%。所以封头厚度设计满足要求。3.5 种子罐的水压实验校核3.5.1 计算罐体水压试验压力 水压试验压力式中p压力容器的设计压力或压力容器

23、铭牌上规定的最大允许工作压力，MPa； 水压实验压力；当设计考虑液体静压力时，应当加上液柱静压力，MPa； 实验时器壁金属温度下材料的许用应力，MPa； 设计温度下材料的许用应力，MPa 当设计温度小于200时，式中=1，因此，上式可简化为 所以 因为液体静压力大于5%的设计压力，所以要考虑液体静压力，即 3.5.2 筒体薄膜应力的计算 水压试验时筒体的薄膜应力按下式计算 代入数据解得3.5.3 确定筒体在水压试验下的最大应力 筒体材料为00Cr19Ni10，查的该材料的屈服点。 ，所以强度满足要求。3.6 种子罐换热部件计算3.6.1种子罐内热量衡算 热量衡算式 入=出损式中 入输入的热量总

24、和（kJ） 出输出的热量总和（kJ） 损损失的热量总和（kJ） 通常，入=+ 出=+ 损=式中 物料带入的热量（kJ）； 由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（kJ）；过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）； 物料带出的热量（kJ）； 加热设备所需热量（kJ）；加热物料所需热量（kJ）；气体或蒸汽带出的热量（kJ）。 即 具体的热量计算物料带入热量和带出热量按下式计算式中 物料质量，; 物料比热容 ; t物料进入或离开设备的温度（），分别为20和37则物料带入热量 物料带出热量过程热效应，过程热效应主要包括生物合成热和搅拌热 即 种子罐的高峰发酵热为，为了保证换热过程稳定，

25、取高峰发酵热等于。则发酵热为 搅拌热按计算，通常，则搅拌热为 加热设备耗热量按下式计算 式中 G设备总质量（kg）筒体质量为1601.2 kg，封头质量为，附件质量为800.6 kg； 设备材料比热容 ； 、设备加热前后的平均温度 、 带入数据气体或蒸汽带出量的计算 为了保证进入发酵车间空气过滤系统不带有水分，也不因为水分油后的饱和空气在经外管输送过程中，受到室外冷空气冷却析出的微量水分的影响，一般在进发酵车间空气过滤系统前需要将空气温度升高1020，以保证发酵车间的空气系统干燥而不带水的微粒。为减少温差引起的热量变化，本设计取空气进罐温度为37，此时设备向环境散热按下式计算 式中 F设备总面

26、积（），F筒，F封； 壁面对空气的联合给热系数 ； 壁面温度（），37； 环境空气温度（），20； 操作时间(s)， 给热系数的计算1、空气作自然对流，2、空气作强制对流，（空气流速） 或（） 种子罐安装在室内，所以空气做自然对流，即给热系数为 设备向环境散热为加热（或冷却）介质传入（或带出）的热量 对于热量平衡计算的设计任务，是待求量，也称为有效热负荷。若计算出的为正值，则过程需加热；若为负值，则过程需从操作系统移出热量，即需要冷却。 即设备需要冷却。3.6.2 换热装置的设计计算种子罐要求发酵液温度恒定，波动小。所以一般的夹套冷却效果不好，而且滞后严重。所以本设计采用半圆形外盘管冷却。半圆

27、形外盘管具有较高的传热系数，而且外螺旋管使罐体刚度大大增加，使罐身用材相对减少。另外，为了更及时、准确的维持种子罐内温度的稳定，罐内采用竖式蛇管冷却。竖式蛇管可以代替挡板，冷却水在罐内流速高，传热系数高。半圆形外盘管采用的不锈钢钢管，外盘管分为三组，每组缠绕筒体五圈，半圆管间距。传热系数。冷却水进口温度，出口温度对数平均温度差传热面积 则半圆形外盘管换热量种子罐内蛇管换热量蛇管的传热系数冷却水进口温度，出口温度则对数平均温度差也为蛇管换热面积蛇管采用的不锈钢钢管，则所需蛇管总长度为 设置蛇管直段长度，弯管半径，设两组蛇管，每组3列。直管总长：弯管总长：蛇管总产度,所以换热面积满足需要。3.6.

28、3半圆形外盘管的强度计算 半圆形外盘管如图所示 图1 半圆形外盘管 其中 ，辅助参数（、）接管与通道连接出的开孔强度降低系数若通道与通道上的进出口接管采用同一规格、相同材料的管子制成，则系数按下式计算：式中 半圆管的平均半径（），； 通道的实际壁厚（），； 管道腐蚀余量（），； 代入数据计算的焊缝系数、采用填角焊缝式中 焊缝尺寸（角焊缝斜边腰高），所以通道强度降低系数、 通道中得许用内压力 通道壁厚 焊缝尺寸设计满足条件。3.7挡板的设计当搅拌器沿容器中心线安装且搅拌物料粘度不大时，液体将随着桨叶旋转方向运动，形成漩涡。为了消除这种现象，通常可加入一定数量的挡板。一般情况下，在容器内壁均匀安装

29、4块挡板，就可满足全挡板条件。本设计中，因为设计了两组蛇管，所以只要再设置两组挡板，就能满足全挡板条件。挡板宽度，取挡板与搅拌容器内壁的间隙：当搅拌液体的粘度100时，=0；当100时，的大小根据不同的搅拌器而定。本设计中=，所以=0。3.8 支座选择与强度校核3.8.1支座的选择 反应釜属于立式容器，立式容器的支座常见的有耳式支座、支撑式支座和裙式支座三种。小型直立设备采用前两种，高大的设备采用裙式支座。本设计中，可以选用耳式支座或支撑式支座，但由于种子罐筒体上焊接有半圆形外盘管，所以不适合耳式支座的安装，故本设计采用支撑式支座。本设计中，公称直径，筒体长度与公称直径之比5，容器总高10，满

30、足支撑式支座的要求。选用支撑式支座，钢板焊制的4号支撑式支座，底板材料为Q235-AF，材料为00Cr19Ni10。标记为：JB/T 472492，支座 A3，材 料：Q235-AF/00Cr19Ni10。图2支撑式支座3.8.2支座的强度校核支座实际承受的载荷按下式计算 式中 支座支撑的载荷，；设备总质量，（包括壳体及其附件，内部介质及保温层质量），； 偏心载荷，； 不均匀系数，安装3个支座是取；安装3个以上支座时，取；本设计安装4个支座，故； 支座数量 ； 水平力，取和的大值，； 偏心距，； 水平力作用点至底板高度， ； 支座安装尺寸，对于A型支座，确定设备总质量设备总质量包括壳体及其附件

31、，内部介质及保温层质量：封头质量筒体质量 = =内部介质（水）质量假设其他附件的质量则设备总质量选用4号支撑式支座，支座本体允许支撑载荷。风载荷：种子罐为室内安装，因此不需要考虑风载荷，即偏心载荷：安装保证设备没有偏心，即地震载荷：地震载荷按下式计算式中 地震载荷，； 地震系数，对7、8、9级地震，分别取0.23、0.45、0.90， 本设计所在地区为宁夏，地震级数为8级，故； 代入数据 所以水平力支撑式支座承受的载荷 = = ,所以不满足要求。改用6个支座，重新按以上方法校核。 = = ,所以满足要求。支座的详细尺寸见下表：表4支座安装高度公称直径高度容器封头名义厚度安装高度20005001

32、0804表5 支座的尺寸支座本体允许载荷适用公称直径高度底板10020005002301801690筋板垫板地脚螺栓支座质量规格27020014320146030M2475040.3图3 支座安装高度3.9 人孔、视镜的选择与校核 人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置，而视镜是用来观察设备内部情况的。但是在容器开孔后，由于器壁金属的连续性受到了破坏，将产生在容器接管附近的应力集中现象，所以还要进行强度补强校核。3.9.1 人孔的选择和开孔补强（1）人孔选择由表可知，本设计的种子罐应最少开一个人孔，由于该种子罐是压力容器，故应选用承压人孔。考虑到介质有腐蚀的情况，故选用回转盖不锈

33、钢人孔。表6 检查孔开孔表内径检查孔最少数量检查孔最小尺寸备注人孔手孔300500手孔两个圆孔长圆孔5001000人孔一个当容器无法开人孔时；手孔两个圆形长圆形圆孔长圆孔1000圆孔长圆孔球形人孔由标准（HG 20592）规定，公称压力0.6时，可选用板式平焊法兰。本设计中，设计压力，因此人孔形式选用公称压力=0.6、公称直径的全平面板式平焊法兰回转盖不锈钢制承压人孔。（2）人孔的补强本设计采用等面积补强的方法对人孔进行开孔补强补强及补强方法判别补强判别 根据下表，允许不另行补强的最大接管外径为，本设计开孔外径等于450，故需另行考虑补强。表7不另行补强的接管最小厚度 接管公称外径253238

34、454857657689最小厚度3.54.05.06.0补强计算方法判别开孔直径 本设计中凸形封头开孔直径，满足等面积法开孔不强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强的计算。开孔所需补强面积封头计算厚度 开孔补强面积 先计算强度削弱系数，补强材料，接管材料与筒体材料相同，所以，接管有效厚度为开孔所需补强面积按下式计算 有效补强范围有效宽度按下式计算 取大值 故 有效高度 外侧有效高度按下式计算 取小值 （实际外伸高度）故。 内侧有效高度按下式计算 取小值 （实际内伸高度）故。有效补强面积封头多余金属面积的计算：封头有效厚度 封头多余金属面积按下式计算： 接管多余金属面积的计算：接管计算厚度

35、的计算： 接管多余金属面积按下式计算： 接管区焊缝面积的计算（焊脚取）： 有效补强面积 所需另行补强面积 拟采用补强圈补强。补强圈设计根据接管公称直径选补强圈，参考补强圈标准JB/T 4736取补强圈外径，内径。因，所以补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度为 考虑到钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为3。但为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取为封头的厚度，即取。3.9.2视镜形式的选择和补强（1）视镜的选择普通的视镜有带颈和不带颈两种，由视镜形式的选择规律可知，当视镜需要斜装或设备直径较小时，可采用带颈视镜，否则则选取不带颈的视镜。结合本设计的具体情况，种子罐选取带颈视镜。种子罐的设计压

36、力为，且罐体材料为不锈钢，查表得：选择视镜型号为：带颈视镜PN0.6，DN100A HG21505-92。具体尺寸如下表表8 PN =0.6 组合式视镜 管法兰公称直径（DN）观察孔重量（kg）1001002051701461354634.54-188.35（2）视镜的补强本设计采用等面积补强的方法对视镜进行开孔补强补强及补强方法判别补强判别 根据表判断，允许不另行补强的最大接管外径为，本设计开孔外径等于100，故需另行考虑补强。补强计算方法判别开孔直径 本设计中凸形封头开孔直径，满足等面积法开孔不强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强的计算。开孔所需补强面积封头计算厚度 开孔补强面积

37、先计算强度削弱系数，补强材料，接管材料与筒体材料相同，所以，接管有效厚度为开孔所需补强面积按下式计算 有效补强范围有效宽度按下式计算 取大值 故 有效高度 外侧有效高度按下式计算 取小值 （实际外伸高度）故。 内侧有效高度按下式计算 取小值 （实际内伸高度）故。有效补强面积封头多余金属面积的计算封头有效厚度 封头多余金属面积按下式计算 接管多余金属面积的计算接管计算厚度的计算 接管多余金属面积按下式计算 接管区焊缝面积的计算（焊脚取） 有效补强面积 所需另行补强面积 拟采用补强圈补强。补强圈设计根据接管公称直径选补强圈，参考补强圈标准JB/T 4736取补强圈外径，内径。因，所以补强圈在有效补

38、强范围内。补强圈厚度为 考虑到钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为2。但为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取为封头的厚度，即取。3.10接管、管法兰设计 化工设备由于制造、安装、运输、检修及操作工艺等方面的要求，常常是有几个可拆的部分连在一起而构成的。而法兰连接便是一种能较好地满足上述要求的可拆连接，法兰连接结构是一个组合件，它由一对法兰、数个螺栓、螺母和一个垫片所组成。从使用角度看，法兰可分为两大类，即压力容器法兰和管法兰。压力容器法兰是指筒体和封头、筒体与筒体或封头与管板之间连接的法兰；管法兰指管道与管道之间连接的法兰。3.10.1 放料口管法兰和接口形式的选择 管法兰的选用标准为

39、；HG20592-97.结合本设计的具体情况，查表得选用管法兰的类型为：公称通径，公称压力为的突面板式平焊管法兰。材料为不锈钢00Cr19Ni10。管法兰标记为： HG20592 法兰 PL 80-0.6 RF 00Cr19Ni10。 接管尺寸为，材料为不锈钢00Cr19Ni10。3.10.2 排风口、进风口、进料口管法兰和接口形式的选择排风口、进风口、进料口管法兰和接口形式相同。管法兰的选用标准为；HG20592-97.结合本设计的具体情况，查表得选用管法兰的类型为：公称通径，公称压力为的突面板式平焊管法兰。材料为不锈钢00Cr19Ni10。管法兰标记为： HG20592 法兰 PL 50-

40、0.6 RF 00Cr19Ni10。 接管尺寸为，材料为不锈钢00Cr19Ni10。3.10.3 种子入口、流糖加入口管法兰和接口形式的选择种子入口、流糖加入口管法兰和接口形式相同。管法兰的选用标准为；HG20592-97.结合本设计的具体情况，查表得选用管法兰的类型为：公称通径，公称压力为的突面板式平焊管法兰。材料为不锈钢00Cr19Ni10。管法兰标记为： HG20592 法兰 PL 25-0.6 RF 00Cr19Ni10。接管尺寸为，材料为不锈钢00Cr19Ni10。3.10.4 取样口管法兰和接口形式的选择管法兰的选用标准为；HG20592-97.结合本设计的具体情况，查表得选用管法

41、兰的类型为：公称通径，公称压力为的突面板式平焊管法兰。材料为不锈钢00Cr19Ni10。管法兰标记为：HG20592 法兰 PL 15-0.6 RF 00Cr19Ni10。接管尺寸为，材料为不锈钢00Cr19Ni10。图4 突面板式平焊管法兰3.10.5 管法兰尺寸汇总表9 管法兰的尺寸公称通径钢管外径连接尺寸法兰外径螺孔中心园直径螺孔直径螺孔数量螺纹Th放料口8089190150184M16排风口5057140110144M12罐顶进风口5057140110144M12底料进口5057140110144M12种子入口253210075114M12流糖加入口253210075114M12取样口

4210表10 法兰盖的尺寸公称通径板式平焊法兰法兰盖法兰内径坡口宽度法兰厚度法兰质量厚度质量放料口80910182.94183.86排风口50590161.51161.86罐顶进风口50590161.51161.86底料进口50590161.51161.86种子入口25330140.73140.82流糖加入口25330140.73140.82取样口15190120.41120.44第四章 种子罐搅拌装置的设计计算为了使参与发酵的各种物料混合均匀，接触良好以利于发酵过程的进行，大多数反应罐内都有搅拌装置。以液体为主的搅拌操作，常常按搅拌物料分为液-液、气-液、固-液、气-液

43、-固等四种情况。本设计中，被搅拌的物料为气-液情况，所以被设计的搅拌器就要很好的满足气-液反应的功能。本节内容的设计计算主要包括以下内容：种子罐搅拌器形式的确定；种子罐搅拌器尺寸的确定；种子罐搅拌器搅拌功率的计算；种子罐搅拌轴的设计及强度校核。4.1种子罐搅拌器形式的确定搅拌器又称搅拌桨或叶轮，它的主要功能是提供工艺过程所需的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌的目的。工艺过程对搅拌的要求可分为混合、搅动、悬浮、分散四种。由于本设计的种子罐中赖氨酸发酵是好氧发酵，所以需要实现气-液的混合，故对搅拌器的要求为分散，即通过搅拌作用，使气体分散在液体介质中，增大菌种与氧气和培养基的接触面积，加快种子的培

44、养过程。机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质以及菌体特性选用。本次设计，由于赖氨酸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。采用涡轮搅拌器对于气液相搅拌效果最好，因其圆盘部分可阻挡气体直接上升，延长气体在液相中得停留时间。同时，该搅拌器具有较高的溶剂循环速率和剪切率，从而有利于气泡的粉碎。另外，在同样的雷诺数条件下，圆盘涡轮搅拌器将比其他形式的搅拌器消耗更多的功率，因此仅在气-液相条件下使用该搅拌器，使得搅拌功率不至于太大。4.2种子罐搅拌器尺寸的确定搅拌桨的搅拌效果和搅拌效率与其在种子罐内的位置和液柱高度有关。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：，当

45、时为最佳装填高度；当时，需要设置两层搅拌桨。由于，所以本设计采用两层搅拌。标准的六弯叶涡轮搅拌器的尺寸已经系列化，如下图所示：图4 弯叶涡轮搅拌桨已知种子罐的内径，所以叶轮直径，取，由叶轮、叶片的尺寸比例关系可得：圆盘直径叶片长度叶片宽度搅拌桨间距搅拌桨距种子罐罐底距离考虑到搅拌器的强度，设计圆盘和叶片的厚度为，采用两个相同的搅拌器。4.3 种子罐搅拌器搅拌功率的计算 搅拌功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使之发生流动所需的功率。计算搅拌功率的目的，一是用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的刚度和强度，二是用于选择电机和减速器等传动装置。在机械搅拌发酵罐中，搅拌器输出的轴功率与下列因素有

46、关：搅拌罐直径、液柱高度、液体密度、液体粘度、搅拌形式、搅拌器直径、搅拌器转速、重力加速度以及有无挡板等。上述因数综合起来可用流体力学的纳维尔-斯托克斯方程来表示各因数的关系。 式中 功率准数； 弗鲁德数； 雷诺数； 搅拌功率，。式中，雷诺数反映了流体惯性力与粘性力之比，而弗鲁德数反映了流体惯性力与重力之比。一般情况下，弗鲁德数的影响较小，故搅拌功率为 其中，、为已知数，可通过查表得到。种子罐中流体的雷诺数有下式计算 种子罐内流体处于湍流状态查表得：则搅拌功率为由于一般的发酵罐中，搅拌功率可用下式校正 式中，为校正系数，由下式确定 则搅拌功率对于多层搅拌，搅拌功率可按下式计算 式中 为搅拌器层

47、数。代入数据得： 通气搅拌功率的计算当种子罐内通入压缩空气后，搅拌器的轴功率输出将下降到原来的，减少程度与通气量存在着一定的关系。通气搅拌功率可按下式计算 式中 不通气是的搅拌功率，； 搅拌器转速，； 搅拌器直径，； 通气量，mL/min，种子罐的标准通风量为0.4-0.6vvm，则通气量代入数据得 反应釜用电动机绝大部分与减速器配套使用，只有在转速很高时，才使用电机不经减速器而直接驱动搅拌轴。因此，电动机的选用一般应与减速器的选用互相配合考虑。很多场合下，电动机与减速器一并配套供应，设计时可根据选定的减速器选用配套的电动机。电动机的功率主要根据搅拌所需的功率及传动装置的传动效率而确定。种子罐

48、搅拌所需的电动机的功率可有下式表示：式中：搅拌器功率，； 轴密封系统的损失，； 传动系统的效率。密封系统的摩擦造成的功率损失因密封系统的形式而异，填料密封的功率损失较大，机械密封的损失功率较小。粗略估计，填料密封的功率损失约为搅拌器功率的10%左右。机械密封的功率损失约为填料密封的10%。本设计中，密封形式选用机械密封，所以。本设计中设有两个滚动轴承，一个减速器，减速器选用V带减速器。滚动轴承的效率为0.98-0.99，取0.98。V带减速器的效率为0.95-0.96，取0.96。所以传动装置的效率为。 电机功率。 因此选用的电动机。查资料得，选用Y255M-8型电动机。4.4 种子罐搅拌轴的

49、设计及强度校核图5 单跨轴模型条件：输入功率 转速 材料00Cr19Ni104.4.1按扭转变形计算轴径搅拌轴受转矩和弯矩的联合作用，扭转变形过大会造成轴的震动，使轴封失效，因此应将轴单位长度最大扭转角限制在允许范围内。轴转矩的刚度条件为 式中 搅拌轴直径，m； 轴材料剪切弹性模量，Pa； 轴传递的最大弯矩，； 搅拌轴转速，r/min； 电机功率，kW； 空心轴内径和外径的比值，本设计为实心轴，所以=0； 传递装置效率； 许用扭转角，对于悬臂梁，对于单跨梁，本设计为单跨轴，所以。故搅拌轴的直径为代入数据解得： 取轴径为则故扭矩满足要求。4.4.2按临界转速校核轴的直径（1）搅拌轴与搅拌器有效质

50、量的计算 搅拌轴有效质量的计算刚性轴的有效质量等于轴自身的质量加上轴附带的液体质量。对于单跨轴 搅拌器有效质量的计算刚性搅拌器的有效质量等于圆盘自身质量加上搅拌器附带液体质量 式中 搅拌器质量，查表得：；第个搅拌器的附加质量系数，查表得：； 第个搅拌器的直径，； 第个搅拌器的叶片宽度，。代入数据解得： （2）作用集中质量的单跨轴一阶临界转速的计算 两端简支的等直径单跨轴，轴的有效质量在中点S处的相当质量为： 第个搅拌器有效质量在中点S处的相当质量为： 式中 夹持系数。 第1个搅拌器有效质量在中点S处的相当质量为： 第2个搅拌器有效质量在中点S处的相当质量为： 在S点处总的相当质量为： 临界转速

51、为： 一端固支另一端简支的等直径单跨轴，轴的有效质量在中点S处的相当质量为： 第个搅拌器有效质量在中点S处的相当质量为： 第1个搅拌器有效质量在中点S处的相当质量为： 第2个搅拌器有效质量在中点S处的相当质量为： 在S点处总的相当质量为： 临界转速为： 一般单跨轴的夹持系数介于简支与固支之间，此时，临界转速的值应根据夹持系数取和的中间值。所以临界转速为： 对于搅拌介质为液体-气体的体系，采用叶片式搅拌器，需要满足。所以本设计中，所以满足要求。4.4.3按强度计算搅拌轴直径 搅拌轴的强度条件是 式中 截面上最大切应力，Pa； 轴上扭转和弯矩联合作用时的当量转矩，； 转矩，; 弯矩，; 水平推力引

52、起的轴的弯矩，Nm； 由轴向力引起的轴的弯矩，Nm； 抗扭截面模量，对实心轴，； 轴材料的许用切应力，； 轴材料的抗拉强度，。则搅拌轴的直径为：。轴上扭矩对于单跨轴，径向力引起的轴上弯矩按下式计算： 第个搅拌器上的流体径向力按下式计算 式中：流体径向力系数； 第个搅拌器功率产生的扭矩； 第个搅拌器的设计功率， 搅拌器直径。流体径向里系数按下式计算 式中 基本流体径向力系数，查表得，； 物料粘度修正系数，查表得，； 搅拌器内平直挡板数的修正系数，查表得，； 搅拌器偏心安装修正系数，查表得，； 搅拌器内件修正系数，查表得，。所以流体径向里系数为： 第个搅拌器功率产生的扭矩：所以，第个搅拌器上的流体

53、径向力搅拌轴与各层搅拌器的组合质量的计算，对于单跨轴： 搅拌轴与各层搅拌器组合质量偏心引起的离心力的计算，对于单跨轴： 式中 对于刚性轴=0.5； 搅拌轴的许用偏心距，式中 搅拌轴转速，r/min； 平衡精度等级，；对于操作压力低，转速低，介质为一般物料： 所以搅拌轴的许用偏心距。 代入数据解得离心力为： 搅拌轴与各层搅拌器组合质量的重心距轴承的距离的计算，对于单跨轴： 所以，径向力引起的轴上弯矩 由轴向力引起的搅拌轴弯矩的计算：当时，。所以，弯矩； 当量弯矩 搅拌轴直径 所以，轴径取，强度足够。第五章 种子罐搅拌设备传动装置的设计与选型种子罐搅拌设备传动装置包括电动机、减速器、联轴器、机架、

54、凸缘法兰和搅拌轴。通过前面的计算，已经确定了电动机的型号。本章主要选择减速器、联轴器、机架和凸缘法兰等装置。5.1电动机的选型 选用Y系列三相异步电动机，型号为：Y225M-8。具体参数见下表：表11 电动机参数型 号额定功率/kW满 载 时额定电流/A转 速/效率/%功率因素Y225M-82247.673090.00.78堵转转矩堵转电流最大转矩噪声/Db(A)振动速度/转动惯量/质量（B3）/kg额定转矩额定电流额定转矩1级2级1.86.02.070751.80.5472925.2减速器的选型 减速器的作用是降低转速，本设计中，减速器的输出轴转速为160r/min，减速比为4.58，选用V

55、带减速器。V带减速器结构简单，过载时能打滑，能起到安全保护作用的优点。查资料，选取FP型中功率V带传动减速器，型号为FPV6-4I,减速器外形及安装尺寸见下图与下表：图6 V带传动减速器表12 减速器的外形安装尺寸机型号输出轴直径中心距A传动比外形及安装尺寸FPV680h69184.51670430H8510555外形及安装尺寸质量/kg58061050050033835351501201384110047513005.3联轴器的选型由于工作中，两个轴的同轴度要求很高，所以采用凸缘联轴器。因为机器启动时动载荷和运作中可能出现的过载现象，因此，应按照轴上的计算扭矩选择联轴器的型号。计算扭矩按下式

56、计算： 根据计算扭矩与搅拌轴轴径选取联轴器，查表选择联轴器的型号为：联轴器 GT80。外形及安装尺寸如下表：表13 联轴器的外形安装尺寸轴径许用转矩/Nm802650220185130120100353512030162324255.4轴封装置的选型 轴封装置分为填料箱密封和机械密封两类，因为种子罐内要求无菌操作，故对密封的要求较高，所以选用机械密封。5.5凸缘法兰和安装底盖的选型安装底盖的选型：根据减速器机架选取安装底盖，选取上装式RS（整体突面）安装底盖，公称直径为DN=400mm，材料为00Cr19Ni10的安装底盖。标记为：HG 21565 底盖 RS-400-400-80-00Cr1

57、9Ni10。外形及尺寸见下图和下表：图7 RS型安装底座表14 安装底座尺寸安装底盖公称直径机架公称直径螺柱孔（h7）螺纹孔40040056551516-2641550传动轴轴径（H7）螺纹孔802042408-M20凸缘法兰的选型：根据安装底座选取凸缘法兰，选取凸缘法兰的型号为：R型（突面），公称直径为DN=400mm，材料为00Cr19Ni10的凸缘法兰。标记为：HG 21564 法兰 R 400-00Cr19Ni10。外形及尺寸下表：表15 凸缘法兰外形及安装尺寸凸缘法兰公称轴径螺栓40041056551543045542852型质量碳钢或整体不锈钢不锈钢衬里2642481446525.

58、6底轴承的选型因为搅拌轴较长，而且中间轴承通常在搅拌轴的中部，对设备的安装和检修等带来不便，并且4050，故安装底轴承。搅拌轴底轴承具体尺寸如下表所示：表16 搅拌轴底轴承尺寸表/ mm轴径806595105360200235135240901303102501010817M16第六章 种子罐的制造、安装与调试6.1种子罐的制造、检验与验收本设备按照GB150-2011钢制压力容器进行制造、检验和验收，并接受国家质量技术监督局固定式压力容器安全技术监察规程的监督。6.1.1材料的验收压力容器受压元件用钢要符合GB150-2011钢制压力容器第四章的规定。钢材的技术要求要符合相应的国家标准、行业

59、标准或相关的技术条件的规定。容器用钢要附有刚才生产单位的钢材质量证书，容器制造单位要按照质量证书对钢材进行验收，必要时应进行复检。6.1.2容器的焊接焊接接头分为A、B、C、D四类：A类焊接接头主要包括筒体部分的纵向接头球形封头与圆筒连接的环向接头；B类焊接接头主要包括壳体部分的环向焊接接头；C类焊接接头主要包括平盖、管板与筒体非对接连接接头；D类焊接接头主要包括接管、人孔、凸缘、补强圈与壳体连接的接头。本设计中主要包括A、B、D三类焊缝。焊接结构有对接接头、角接接头、搭接接头等接头。按HG20583-1998钢制化工容器结构设计规定的规定，A、B类对接接头采用Y型坡口双面焊，角接接头焊脚尺寸

60、按较薄版的厚度，法兰的焊接按照相应标准中的规定。另外，对于发酵罐，如果罐体内有突起，或者焊缝毛刺，都会容易染菌，污染菌种，从而使发酵异常，所以在严格按照现行有关技术要求制造的基础上，要对内表面进行抛光。6.1.3封头的制造封头采用冲压成型。冲压分为冷冲和热冲两种方式，对于壁厚大于6mm的封头，一般采用热冲压工艺。其制造工艺流程如下：封头：划线气割加热冲压割余量矫正坡口加工为了控制好封头的成形尺寸，冲压时应注意以下几点。1、封头冲压前，模具安装要正确，无偏心现象。2、冲压过程中模具要清理干净，控制好压边力的大小。3、控制终压温度和脱模温度。6.1.4筒体的制造反应釜的筒体采用单层板焊结构，板焊结