发酵罐设计说明书

目录序言1第一章、概括2、柠檬酸2、柠檬酸的生产工艺2、机械搅拌通风发酵罐.3、通用型发酵罐的几何尺寸比率.3、罐体3、搅拌器和挡板3、消泡器4、联轴器及轴承4、变速装置4、通气装置4、轴封5、隶属设施5第二章、设施的设计计算与选型.5、发酵罐的主要尺寸计算.5、圆筒体的内径、高度与封头的高度.5、圆筒体的壁厚7、封头的壁厚7、搅拌装置设计8、搅拌器8、搅拌轴设计8、电机功率10、冷却装置设计10、冷却方式10、冷却水耗量11、冷却管组数和管径.12零零件13人孔和视镜13接收口14、梯子15发酵罐体重15支座的选型17第三章、计算结果的总结17设计总结18附录19符号的总结19参照文件21生物工程设施课程设计任务书一、课程设计题目3“1000m的机械搅拌发酵罐”的设计。二、课程设计内容1、设施所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数确实定。2、容积的计算，主要尺寸确实定，传热方式的选择及传热面积确实定。3、动力耗费、设施构造的工艺设计。三、课程设计的要求课程设计的规模不相同，其详细的设计项目也有所差别，但其基本内容是大概相同，主要基本内容及要求以下：1、工艺设计和计算依据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设施工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括：（1）工艺设计①设施构造及主要尺寸确实定（D，H，HL，V，VL，Di等）②通风量的计算③搅拌功率计算及电机选择④传热面积及冷却水用量的计算（2）设施设计①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）②搅拌器及搅拌轴的设计③局部尺寸确实定（包括挡板、人孔及出入口接收等）④冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及部署等)2、设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书，目录、序言、设计方案阐述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结议论和参照资料等。3、绘制设施图一张4、设施图绘制，应注明设施的主要构造与尺寸。四、设计的基本依据1、机械搅拌生物反响器的型式通用式机械搅拌生物反响器，其主要构造标准以下：①高径比：H/D=搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4③搅拌器直径：Di=D/3④搅拌器间距：S=（）D⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（）D⑥挡板宽度：B=，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2、反响器用途用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数以下：①装料系数：种子罐发酵罐发酵液物性参数：密度1080kg/m3；粘度×2m；导热系数m.℃；比热kg.℃③顶峰期发酵热×104kJ/④溶氧系数：种子罐5-7×10-6molO2/；发酵罐6-9×10-6molO2/标准空气通风量：种子罐；发酵罐、冷却水及冷却装置冷却水：地下水18-20℃冷却水出口温度：23-26℃发酵温度：32-33℃冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。4、设计压力罐内；夹套MPa序言机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混淆，促进氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长生殖、发酵和代谢所需的氧气。有机酸的种类很多，此次选择的是柠檬酸。柠檬酸发酵为好氧发酵，因此采用机械搅拌通风发酵罐。本设计说明书主要说了然罐体和附件的选材、选型、构造尺寸、壁厚等方面。此次的设计参数以下：项目及代号参数项目及代号工作压力罐内；夹套发酵液粘度设计压力罐内；夹套发酵液导热系数发酵温度33℃发酵液比热冷却水：地下水18℃顶峰期发酵热温度冷却装置列管冷却溶氧系数

参数2×mm.℃kg.℃104kJ/8×10-6molO2/发酵液密度1080kg/m3标准空气通风量装料系数冷却水出口温度25℃第一章、概括、柠檬酸柠檬酸是一种重要的有机酸，又名枸橼酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来判断和分别柠檬酸。结晶时控制合适的温度可获取无水柠檬酸。在工业，食品业，化妆业等拥有很多的用途。柠檬酸发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵3种方法。固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在必然温度和湿度条件下发酵。采用固态发酵生产柠檬酸，设施简单，操作简单。液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液经过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体生殖形成菌膜后增加糖液发酵。发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。深层发酵生产柠檬酸的主体设施是发酵罐。微生物在这个密闭容器内生殖与发酵。、柠檬酸的生产工艺培养基原始菌环境空原料粉碎实罐液配置种预处连消实罐灭试管斜过滤麸曲菌空压发酵种子空气进发酵成熟无菌空去柠檬酸提取、机械搅拌通风发酵罐此设计的柠檬酸发酵方法用的是深层发酵法。现多采用通用发酵罐。它的主要零件包括罐体、搅拌器、冷却装置、空气散布装置、消泡器，轴封及其他隶属装置。发酵罐径高比率一般是1:，应能承受必然的压力，并有优秀的密封性。除通用式发酵罐外，还可采用带升式发酵罐、塔式发酵罐和发射自吸式发酵罐等。此设计采用的是通用式发酵罐中的机械搅拌通风发酵罐。它主要由罐身、搅拌器、挡板、空气散布器、消泡器、冷却装置、联轴器及承轴、变速装置、轴封、人孔、视镜等组成。、通用型发酵罐的几何尺寸比率本设计的发酵罐高径比采用为：H/D＝；最下一组搅拌器与罐底的距离：C=。、罐体罐体由圆筒体和椭圆形封头焊接而成，资料用不锈钢，且必然能承受必然温度和压力，平时要求耐受130℃和(绝压)。、搅拌器和挡板搅拌的主要作用是混淆和传质，即便通入的空气分别成气泡并与发酵液充分混合，负气泡破裂以增大气－液界面，获取所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分别于发酵系统中，以保持合适的气－液－固（细胞）三相的混淆与质量传达，同时增强传热过程。因此，搅拌器在设计时搅应使发酵液有足够的径向流动和适合的轴向运动。搅拌器大多采用涡轮式，涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。涡轮式搅拌器轴向混淆差，搅拌强度随着与搅拌轴距离的增大而减弱。当培养液较粘稠时，混淆收效就下降。为了增强轴向混淆，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。本设计依据设计要求采用涡轮式搅拌器。挡板的作用是防范液面中央形成旋涡流动，增强湍动和溶氧传质。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板，无需安装挡板；此设计就不需安装挡板。、消泡器消泡有两种方法：一是加入消泡剂；二是使用机械消泡装置。消泡装置可分为两类：一类是置于罐内，防范泡沫外溢，安装在搅拌轴或罐顶其他引入的轴上；另一类是置于罐外，从排出的气体中分别出溢出的泡沫使之破裂后再将液体部分返回罐内。、联轴器及轴承搅拌轴较长时，常分为二至三段，用联轴器连结。第一只联轴节的安装地点，对于小型发酵罐可设置在罐顶外机械密封上部；但大型发酵罐将其放置在罐内机械密封下方，上轴一般采用不锈钢资料。本设计将其放置在罐内机械密封下方，材质用不锈钢16MnR；而轴采用45碳素钢为资料。发酵罐的搅拌轴为超修长轴，常设置底轴承和中间轴承来防范轴的摇动。小型发酵罐用拉杆调治式，大型发酵罐用桁架固定式。本设计采用推力滑动轴系。、变速装置发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。本设计采用的是三角皮带传动，它的构造简单、制造成本低、维修量少且方便、噪声小等，因此在柠檬酸行业宽泛使用。、通气装置通气装置是将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口向下管口与罐底的距离约为40mm。另一种是张口向下的多孔环形管，现已很少使用本设计采用的是一单孔管通气装置。、轴封轴封的作用是防范泄露和染菌。在发酵罐中动密封有填料密封和机械密封。在柠檬酸行业，一般采用非平衡式单端面机械密封。所采用的资料——动环：硬质合金或氧化铝陶瓷；静环：酚醛浸渍石墨或单质石墨；动环密封圈：氟橡胶或耐热橡胶；弹簧：轴径<50mm用单弹簧，轴径≥50mm用多个小弹簧。、隶属设施隶属设施有人孔、视镜能方便的察看发酵液的情况；压力表、温度计接口、热电偶接口可以随时测定罐内的温度、压力等；放料口、取样管、取样口、进料口、补料口、进气口、回流口能方便的进行各样操作；楼梯方便进入罐内。第二章、设施的设计计算与选型、发酵罐的主要尺寸计算、圆筒体的内径、高度与封头的高度发酵罐由圆筒体和椭圆封头组成；由于柠檬酸发酵的PH=2~3，拥有很强的腐化性，因此采用不锈钢16MnR作为罐体的材质。依据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；由前面可知，高径比为H/D=，则H=。设计条件给出的是发酵罐的公称体积（1000m3），而罐的全体积（V）：V＝V0+2V1公称体积：筒身体积+底封头体积有效体积：罐的实质装料体积，它等于罐的全体积V乘以罐的装料系数（η）依据设计条件：

H/D=，发酵罐的公称体积为

1000m3

；由参照文件

[1]

可得：V公

4

D2H

4

D2

(2hb3

H1)而发酵罐的公称体积近似为：V公=（π/4）D2H+,将数据代入上述公式可得1000=（π/4）D2+D=圆整后取7800mm，则H==19500mm。椭圆形封头体积：V1D2(2hbH1)43全体积：V=V公+V1由《钢制压力容器用封头》（JB/T4746-2002)标准可知，标准椭圆形封头D2,2hb带入D可得hb=1950mm；因此，当公称直径D=7800mm时，标准椭圆封头的曲面高度hb=1950mm；而H1=50mm。椭圆形封头的体积为：V1D2(2hbH1)43=3.147.82(21.950.05)43=(m3)圆筒体的体积为：V0D2H4=3.147.8219.54=(m3)则公称体积为：V公1V0V1=64.48931.313=（m）全体积为：VV公V1=+=(m3)有效体积为：V有V=1060.270.7=(m3)pDc1c2dt公称体积考证：1000≈，2即V公≈V0.5，p因此可以为D=7800mm是合适的.公1、圆筒体的壁厚依据前面所作的解析，可知本发酵罐采用不锈钢16MnR制作罐体和封头。设计壁厚：，式中：p表示设计压力，p=；D=7800㎜；t（参照文件[3]钢板许用应力=170MPa表）；=（双面对接焊缝，100%探伤，焊接头系数表）；CC1C2,其中C1=（参照文件[3]钢板负偏差C1表），=1㎜低合金钢单面腐化)。数据代入上式可得：C2(0.47800d170110.810.99㎜20.4圆整后取n=14㎜厚的16MnR钢板制作罐体。dpDctp、封头的壁厚2由前面可知本设计采用标准椭圆形封头。设计壁厚δd，按以下公式计算：式中：=，符号同前面。d0.4780010.810.98㎜217010.50.4圆整后取n=14㎜厚的16MnR钢板制作封头。校核罐体与封头水压试验强度，依据以下公式：PT(De)0.9sT≤2e式中：pT1.25p0.41.250.5Mpa；e=nc==㎜,s=345Mpa（参照文件[3]钢板许用应力表）0.5(780012.2)≈≤0.9s=×345=Mpa212.21上式建立，因此水压试验知足强度要求。因此封头的壁厚为14mm。、搅拌装置设计、搅拌器采用涡轮搅拌器，依据设施要求以及参数要求，本设计采用六弯叶涡轮搅拌器。尺寸要求搅拌器直径D1=D/3，D1:d1:L:B=20:15:5:4,搅拌器间距S=D,依据发酵罐直径可以确定有关搅拌器的尺寸。搅拌器直径D1=；盘径d1=；叶长L=；叶高B=；最下一组搅拌器与罐底距离C==×=。、搅拌轴设计搅拌轴采用45碳素钢资料，有关参数以下：硬度抗拉强度服气点波折疲备剪切疲备A值（HBS）极限极限217-255640355275155103（1）、搅拌轴的直径计算搅拌轴的直径d搅=APn式中：P-轴传达功率；A-取决于资料许用剪切力的系数；n-轴的转速。P=Kn3D15ρ式中：K—取湍流值为；D1—搅拌器的直径；n—转速；ρ—柠檬酸发酵液密度1080kg/m3。3搅拌转速N2可依据50m罐，搅拌直径，转速N1=110r/min。以等P0/V(单位体积液体所分派的搅拌轴功率相同)为基准放大求得.即：2d13n2n1d2其中：n1——模型搅拌器的转速，n=110r/min；d1——模型搅拌器直径，d=；d2——放大的搅拌器直径，d=。将各值代入上式：2n=110×(1.05)32.6=min=s235ρ=×××1080=P=KnD13P600×103=d搅=An=360（2）、搅拌轴的高度底距选择=×=，即搅拌轴高度设计为，经综合考虑选择18m。（3）、搅拌器的间距和层数此发酵罐容器采用搅拌器3层，最后一组搅拌器到罐底的距离设计为C==，搅拌器的间距依据要求参照设计为r=6m。（4）、轴承与联轴器采用轴承采用推力滑动轴系，两个轴承（一其中间轴承和一个底轴承），搅拌轴较长，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连结。采用鼓形联轴器。（5）、搅拌轴功率计算不通气条件下的轴功率依据以上P0确实定，P0=通气条件下的轴功率3依据设计要求QG=6m/min,则Pg=C(P2nD1330.56),C值为，n为搅拌转速r/min，QG为工况下的通胸襟m/min,P为搅QG拌器的轴功率。即Pg=×0.157(6032602.63)0.45=60.56、电机功率P电Pg1.01选择大功率型的电动机：123采用三角带传动η1=；转动轴承η2=，滑动轴承η3=；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：P电7291.01825kw0.990.920.98、冷却装置设计、冷却方式发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不可以知足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却收效好，在使用水作冷却介质时，采用列管。、冷却水耗量各样发酵液的发酵热发酵液发酵热(kJ/m3·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酶制剂14700－18800由上表可得柠檬酸的发酵热为：Q=11700KJ/（h.m3）Q发=QV有117007428.68106KJ/h（1）对数平均温度差发酵液温度为33℃，冷却水入口温度为18℃，出口温度25℃，则平均温度差tm为：(tFt1)(tFt2)(3318)(3325)℃tmln3311.14lntFt118tFt23325（2）总传热系数依据经验取值为：K=2100KJ/(m2.h.℃)（3）冷却面积依据传热面积传热方程式计算以下所示：S

QKtm2式中：S——传热面积，mQ——单位时间传热量，kJ/htm——平均温度差，℃——总传热系数，kJ/(m2·h·℃)Q发8.68106371m2S=tm210011.14K实质情况采用380m2。（4）冷却水耗用量由实质情况采用出入口水温为18℃、25℃，则依据公式：Q发WCp(t2t1)式中：Q发——单位时间传热量，kJ/hCP——冷却水的平均比热，取kJ/(kg·℃)t2-t1——冷却水出入口温度差Q发8.681062.97105Kg/h82.5Kg/s0.0825m3/s=把W=Cp(t2t1)4.174(2518)冷却水体积流量为0.0825m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为V0=1m/s，依据流体力学方程式，冷却管总截面积：S总W0.0825m2V0、冷却管组数和管径设冷却管总表面积为S总，管径do，组数为n，则取n=10，求管径。由上式得：S总do0.785n其中do0.102m查金属资料表采用φ108×无缝管。冷却管总长L：S380L1120mD冷3.140.108每圈列管的长度：I=(D冷)2h2=(3.143)20.1529.42m其中：D冷-蛇管圈直径；h-蛇管间距离每组蛇管圈数：NLI12n总圈数：1220120（圈）冷却管总高度：H冷(N1)h(1201)0.1517.85m零零件人孔和视镜（2）（1）人孔视镜是用来察看设施内部的情况和物料液面的变化情况。本设计依据《NBT47017-2011》采用DN150的不带颈视镜，而且带有非设计人孔的作用是为了方便发酵罐内部附件安装、维修及对内部设施的检查、清洗。依据发酵罐是在常温及最高工作压力为的条件下工作，人孔标准应按公称压力为的等级采用。从人孔种类系列标准可知，公称压力为的人孔种类很多。本设计考虑人孔盖易于翻开，且密封性好，应采用辗转盖板式平焊法兰人孔。查《HG/T21514—2005》采用DN500mm人孔，密封面形式为凸面，安装地点在上封头处。该人孔标记为：HG/T21516—2005人孔RFⅡ（）500—（3）视镜防爆型射灯和冲刷装置；视镜的材质为不锈钢，防爆等级为EExdIICT3。视镜分别安装在上封头对称的两侧。该视镜标记为：视镜DN150II–SB–W接收口（1）接收的直径是依据工艺计算而来的，比方以下所示：排料管设发酵醪液流速v=2m/s，2h排尽。发酵罐料液体积：V1=1060.270.7=3，物料体积流量Q=（3600×2）=3/s，则排料管截面积F=Q/v=，又F=，得d=。查《化工原理上册》附录17，采用Φ273×的无缝钢管。配用拥有凸面密封的带颈平焊管法兰，法兰标记：HG20594法兰SO260－RFQ235A。排料管开在罐底。进风管由前面的设计可知标准空气通风量为.33依据换算公式：通气比=通气速率（单位：m/min）/发酵液体积（单位：m）；则风为：Q风742.1890.3（3/min）（3/s）通风量Q222.657m=m.5把通风量在常温20℃、的情况下，要折算成、33℃的状态下。则此时的通风量为：依据气态方程式可得：Qf3.7110.1273330.969(m3/s)；0.427320ffQf0.9692为：Af0.039(m)若取风速V=25(m/s)，则进风管截面积AVf25而Af0.785df2d为：df0.0390.223( )；则进风管直径f0.785查《化工原理上册》附录17，采用Φ245×的无缝管。管法兰：HG20594法兰SO230RFQ235A。进风管开在最下端一个搅拌器下的罐身上。（2）管道接口（采用带颈平焊法兰连结）排料口：Φ273×，开在罐底；法兰标记：HG20594法兰SO269－RFQ235A。进风口：Φ245×，开在最下端一个搅拌器下的罐身上；进料口：Φ273×，开在上封头上；取样管：Φ50×3mm，开在上封头上；取样口：Φ50×3mm，开在上封头上；补料口：Φ102×4mm，开在上封头上；进气口：Φ203×6mm，开在上封头上；回流口：Φ194×5mm，开在上封头上；冷却水的进、出口：开在罐身。（3）仪器接口温度计接口：装置式热电阻温度传感器Pt100型，D=100mm，开在罐身上；热电偶接口：采用S型热电偶，Φ20×2mm，开在罐身上；压力表接口：弹簧管压力表，d1=20mm，精度，型号Y-250，开在封头上（参照杭州富阳华博仪表有限企业生产标准）；开在上封头上。、梯子梯子是为了在维修，冲刷等方面方便。本设计采用的是直梯，素来从人孔往到罐底；梯子的材质采用20的圆钢，间距为宽度350mm，高度300mm。发酵罐体重已知发酵液的体积为，发酵液的密度1080kg/m3，不锈钢的密度为7930kg/m3；发酵罐的壁厚是14mm，筒体高为19500mm，封头的直边高为50mm，曲面高为1950mm。依据这些参数，即可计算出发酵罐的体重。（1）封头质量（m1）依据压力容器封头《GB/T25198-2010》的封头质量计算公式：m11n[D25Dn(Dn)H1]10636=79303.140.014[7.8257.80.014(7.80.014)0.05]36×（+）×103（㎏）则两个封头的质量为：m12m11272401.448103(kg)（2）圆筒体的质量（m2）把筒体看作长方体，则圆筒体的体积为：V筒DnH3.147.80.01419.5=(m3)则圆筒体的质量为：m26.697930×104（㎏）（3）发酵液的质量（m3）m3液V有×1080×105（㎏）（4）附件质量（m4）4附件的质量约为1000㎏，即m=1000㎏。（5）总质量（m总）m总m1m2m3m4=×103+×104+×105+×103=×105（㎏）支座的选型3Q总负荷mg8.575481059.88.41106（N）≈×10（KN）第三章、计算结果的总结罐体搅

名称或符号结果名称或符号结果公称直径（D）7800mm罐体高度（H）19500mm直径7824mm封头直边高度（H）50mm1壁厚14mm封头曲面高度（h）1950mmb公称体积（V公）(m3)全体积（V）(m3)有效体积（V有）(m3)搅拌器直径盘径（d1）（D1）拌器

叶长（L）叶高（B）最下一组搅拌搅拌轴的高度18m器与罐底距离C）搅拌轴直径（d搅拌轴的间距（r）6m搅）搅拌轴不通气搅拌轴通气的轴功的轴功率（P）率（Pg）电机功率(P电)825KW冷冷却水耗用量2.97105冷却管型号φ108×（mm）却（W）（Kg/h）冷却面积（S）2冷却管组数10（组）380（m）管冷却管圈数120（圈）人孔公称直径500mm视镜公称直径150mm排料管Φ299×15mm进风口Φ245×10mm进料口Φ299×15mm取样管Φ50×3mm附取样口Φ50×3mm补料口Φ102×4mm进气口Φ203×6mm回流口Φ194×5mm件压力表接口公20mm温度计接口公称直100mm称直径径热电偶接口Φ20×2mm梯子宽度350mm，高度300mm。设计总结在此次课程设计中，我们组设计的课题是机械搅拌通风式生物反响器。经过此次设计，我学会了怎么设计罐体壁厚以及封头壁厚，并学会了设计机械通风反应器的基本步骤。从最开始的计算到数据的整理在到绘图，以及在此后的说明书的的拟订。诚然是困难重重，但终于达成了。不论怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。完好可以把这个看作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，获取更好的成绩。没人可以平步青云，脚扎实地才是最重要的。总观总个设计过程中翻阅了学过的各样对于力学，制图，公差方面的书籍，综合运用了这些知识，感觉提高很多。对于各样线宽度，没有实质的见解，再比方注明较纷乱。现在才理解课程设计不只是对前面所学知识的一种查验，而且也是对自己能力的一种提高。经过此次课程设计，我才理解学习是一个长久积累的过程，在此后的工作、生活中都应当不断的学习。此后我们会以积极的态度对待我们的学习、对待我们的生活。我们会努力