发酵罐设计说明书概要

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。它的主要部件包括罐体、搅拌器、冷却装置、空气分布装置、消泡器，轴封及其他附属装置。发酵罐径高比例一般是1:2.5，应能承受一定的压力，并有良好的密封性。除通用式发酵罐外，还可采用带升式发酵罐、塔式发酵罐和喷射自吸式发酵罐等。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、空气分布器、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例本设计的发酵罐高径比选取为：H/D=2.5；最下一组搅拌器与罐底的距离：C=0.5D。罐体罐体由圆筒体和椭圆形封头焊接而成，材料用不锈钢，且必须能承受一定温度和压力，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。搅拌器和挡板搅拌的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液界面，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。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度的轴向运动。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合差，搅拌强度随着与搅拌轴距离的增大而减弱。当培养液较黏稠时，混合效果就下降。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。本设计根据设计要求采用涡轮式搅拌器。挡板的作用是防止液面中央形成漩涡流动，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，防止泡沫外溢，安装在搅拌轴或罐顶另外引入的轴上；另一类是置于罐外，从排出的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎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，用联轴器连接。第一只联轴节的安装位置，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材料。本设计将其放置在罐内机械密封下方，材质用不锈钢16MnR；而轴选用45碳素钢为材料。发酵罐的搅拌轴为超细长轴，常设置底轴承和中间轴承来防止轴的摆动。小型发酵罐用拉杆调节式，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，它的结构简单、制造成本低、维修量少且方便、噪声小等，因此在柠檬酸行业广泛使用。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。另一种是开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止泄漏和染菌。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。所选用的材料——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＜50山山用单弹簧，轴径三50mm用多个小弹簧。附属设备附属设备有人孔、视镜能方便的观察发酵液的情况；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种操作；楼梯方便进入罐内。第二章、设备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构成；由于柠檬酸发酵的PH=2〜3,具有很强的腐蚀性，所以选用不锈钢16MnR作为罐体的材质。根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=2.5,则H=2.5D。设计条件给出的是发酵罐的公称体积（lOOOmD,而罐的全体积（V）：V=V+2V01公称体积：筒身体积+底封头体积有效体积：罐的实际装料体积，它等于罐的全体积V乘以罐的装料系数（n）根据设计条件：H/D=2.5,发酵罐的公称体积为1000m3；由参考文献［1］可得：兀c兀c/2,、V=-D2H+-D2x（-h+H）公443bi而发酵罐的公称体积近似为：V公=（n/4）D2H+0.15D3,将数据代入上述公式可得1000=（n/4）D2（2.5D）+0.15D3D=7.79m圆整后取7800mm，则H=2.5D=19500mm。椭圆形封头体积：兀-2、V=—D2(—h+H)143bi全体积：V=V公+V]由《钢制压力容器用封头》JB/T4746-2002)标准可知，标准椭圆形封头—=2,2hb带入口可得h=1950mm；因此，当公称直径D=7800mm时，标准椭圆封头的曲面高度bh=1950mm；而H=50mm。b1兀2椭圆形封头的体积为：V=—D2(-h+H)i43bi3142=-4-x7.82(-xl.95+0.05)=64.48(m3)圆筒体的体积为：V=-D2H04314=—x7.82x19.54=931.31(m3)则公称体积为：V=V+V公101=64.48+931.31=995.79(m3)全体积为：V=V+V公1=995.79+64.48=1060.27(m3)有效体积为：V=Vn有=1060.27x0.7=742.189(m3)公称体积验证：1000\995.79,即V\V，因此可认为D=7800mm是合适的.公公1

2.1.2、圆筒体的壁厚根据前面所作的分析，可知本发酵罐选用不锈钢16MnR制作罐体和封头。pD8=r-|+c+c、d2匕19-0.5p12设计壁厚：，式中：p表示设计压力，p=0.4MPa；D=7800m；11=170MPa（参考文献［3］钢板许9...9一一、9,C=C+C用应力表）；=1.0（双面对接焊缝，100%探伤，焊接头系数表）；CC1+C2,其中C=0.8其中C=0.8（参考文献［3］钢板负偏差C表），C41mm（低合金钢单面腐蚀）。数据代入上式可得：0.4*7800+1+0.8=10.99m2x170x1-0.4圆整后取8=14m厚的16MnR钢板制作罐体。n2.1.3、封头的壁厚由前面可知本设计采用标准椭圆形封头。设计壁厚上,按下列公式计算:8=PDd2bl9-p式中：隼=1.0,符号同前面。0.4X7800+1+0.8:10.98m2x170x1-0.5x0.4圆整后取8=14m厚的16MnR钢板制作封头。校核罐体与封头水压试验强度，根据n下列公式：O=PT(D+81v0.9ot289、se式中：pT=1.25p=0.4x1.25=0.5Mpa；8e=8n-c=14-1.8=12.2m,0=345Mpa（参考文献［3］钢板许用应力表）s0r02；：；2)―0^0.19义345=310.5MP。上式成立，所以水压试验满足强度要求。因此封头的壁厚为14mm。2.2、搅拌装置设计2.2.1、搅拌器选用涡轮搅拌器，根据设备要求以及参数要求，本设计选用六弯叶涡轮搅拌器。尺寸要求搅拌器直径Di=D/3,Di：di：L:B=20:15:5:4,搅拌器间距S=D,根据发酵罐直径D可以确定相关搅拌器的尺寸。搅拌器直径D=2.6m；盘径d=1.95m；叶长L=O.63m；叶高B=0.52m；最下一组11搅拌器与罐底距离C=0.5D=0.5X7.8=3.9m。2.2.2、搅拌轴设计搅拌轴选用45碳素钢材料，相关参数如下：硬度(HBS)抗拉强度屈服点弯曲疲劳极限剪切疲劳极限A值217-255640355275155103（1）、搅拌轴的直径计算搅拌轴的直径1搅二AIP搅nn式中：p-轴传递功率；A取决于材料许用剪切力的系数n却的转速。P=I3015P1式中：K—取湍流值为4.7；D一搅拌器的直径.6n一转速；P—柠檬酸发酵液密1度1080kg/m3搅拌转渤2可根据50m罐，搅拌直径1.05m转速N1110r/mim以等P/V单位体积液体所分配的搅拌轴功率相）为同基准放大求得.即：(A\d1\d72其中：n——模型搅拌器的转速，n=110r/min；1d1——模型搅拌器直径，d=2.6m；d2——放大的搅拌器直径，d=1.7m。将各值代入上式：/1.05、2n=110X（TT）3=59.92r/min=1.0r/s22.6P二KmDjp=4.7X1.03X2.65X1080=603.098KWd搅二A3I1-二［"0X103=0.2m（2）、搅拌轴的高度底距选择0.2D=0.2X7.8=1.56m,即搅拌轴高度设计为19.5-1.56=17.94m,经综合考虑选择18m。（3）、搅拌器的间距和层数此发酵罐容器选用搅拌器3层，最后一组搅拌器到罐底的距离设计为C=0.5D=3.9m,搅拌器的间距根据要求参考设计为r=6m。（4）、轴承与联轴器选用轴承选用推力滑动轴系，两个轴承（一个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接。选用鼓形联轴器。（5）、搅拌轴功率计算①不通气条件下的轴功率根据以上P0的确定，P°=603.098KW②通气条件下的轴功率根据设计要求QG=6m3/min,则

P2nD3Pg=C(—n~-)，C值为0.101-0.157，n为搅拌转速r/min，Q为工况下的通气量Q0.56GGm3/min,P为搅拌器的轴功率。即Pg=0.157X0.157义(6032*60*2"3)0.45=728.5732kw60.562.2.3、电机功率P—=—xl.01选择大功率型的电动机：电“22采用三角带传动n=0.92；滚动轴承n=0.99,滑动轴承n=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数1值得：237290.927290.92x0.99x0.98x1.01=825kw2.3».»»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。冷却水耗量各类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

柠檬酸

酶制剂334001170014700－18800由上表可得柠檬酸的发酵热为：Q=11700KJ/（h.m3）Q=QxV=11700x742=8.68x106KJ/h发有（1）对数平均温度差发酵液温度为33℃,冷却水进口温度为18℃,出口温度25℃,则平均温度差△tm为:(t(tT)—(tT)八t二一F1F2—mt—tln-f1-t—tF2(2)总传热系数(33-18)-(33-25)133-18

ln33-25=11.14℃根据经验取值为：K=2100KJ/（m2.h.℃）（3）冷却面积根据传热面积传热方程式计算如下所示：式中：S一传热面积，m2Q——单位时间传热量，kJ/hAtm―平均温度差，℃K——总传热系数，kJ/（m2・h・℃）S=二KxAtm8.68x106-I=371m22100x11.14实际情况采用380m2。（4）冷却水耗用量由实际情况选用进出口水温为18℃、25℃，则根据公式：Q

W=—^发一C(t-t)

p21式中：Q发—一单位时间传热量，kJ/hCP——冷却水的平均比热，取4.186kJ/(kg・℃)t2-t1—-冷却水进出口温度差把W=纥——发二把W=纥——发二8.68x106C(t-1)4.174x(25—18)p21=2.97x105Kg/h=82.5Kg/s=0.0825m3/s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V=1m/s,0根据流体力学方程式，冷却管总截面积：W=0.0825m2V0冷却管组数和管径设冷却管总表面积为S、，管径d,组数为n,则取n=10,求管径。由上式得:总oSd2=——总o0.785n其中d=0.102mo查金属材料表选取“108X3.5mm无缝管。冷却管总长L：380…八=1120m3.14x0.108每圈列管的长度：1=।：(口D)2+h2=、,'(3.14x3)2+0.152=9.42mY冷”其中：D冷-蛇管圈直径；h-蛇管间距离每组蛇管圈数：N=匕+1=12n总圈数：12x20:120(圈)冷却管总高度：H人=（N—1）xh=（120—1）x0.15=17.85m冷2.4■■■人孔和视镜（2）（1）人孔视镜是用来观察设备内部的情况和物料液面的变化情况。本设计根据《NBT47017-2011》选用DN150的不带颈视镜，并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、修理及对内部设备的检查、清洗。根据发酵罐是在常温及最高工作压力为0.36MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为0.6MPa的等级选取。从人孔类型系列标准可知，公称压力为0.6MPa的人孔类型很多。本设计考虑人孔盖易于打开，且密封性好，故选用回转盖板式平焊法兰人孔。查《HG/T21514—2005》选用DN500mm人孔，密封面形式为凸面，安装位置在上封头处。该人孔标记为：HG/T21516—2005人孔RFII（A.G）500—0.6（3）视镜防爆型射灯和冲洗装置；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PN0.6DN150II-SB-W接管口（1）接管的直径是根据工艺计算而来的，例如以下所示：■排料管设发酵醪液流速v=2m/s，2h排尽。发酵罐料液体积：V=1060.27x0.7=742.189m3，物料体积流量Q=742.189/（36001X2）=0.1031m3/s，则排料管截面积F=Q/v=0.052m2，又F=0.785d2,得d=0.26m。查《化工原理上册》附录17,选用①273X6.5mm的无缝钢管。配用具有凸面密封的带颈平焊管法兰，法兰标记：HG20594法兰SO260-0.6RFQ235A。

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0.3vvm.根据换算公式：通气比二通气速率（单位：m3/min）/发酵液体积（单位：m3）；则.5通风量Q为：Q=742.189x0.3=222.657（m3/min）=3.711（m3/s）风风.5把通风量在常温20℃、0.1MPa的情况下，要折算成0.4MPa、33℃的状态下。则此时的通风量为：01273+33根据气态方程式可得：Q=3.711xx=0.969（m3/s）；f0.4273+20若取风速V=25（m/s），则进风管截面积A为：A=Q=0969=0.039（m2）fffV25f0039而A=0.785d2；则进风管直径d为：d=:——9=0.223（m）ffff00.785查《化工原理上册》附录17,选取①245X7.5的无缝管。管法兰：HG20594法兰SO230—0.6RFQ235A。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接）排料口：①273X6.5mm,开在罐底；法兰标记：HG20594法兰SO269—0.6RFQ235A。进风口：①245X7.5mm,开在最下端一个搅拌器下的罐身上；进料口：①273X6.5mm,开在上封头上；取样管：①50X3mm,开在上封头上；取样口：①50X3mm,开在上封头上；补料口：①102X4mm,开在上封头上；进气口：①203X6mm,开在上封头上；回流口：①194X5mm,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：装配式热电阻温度传感器Pt100型，D=100mm,开在罐身上；热电偶接口：选用S型热电偶，①20X2mm,开在罐身上；压力表接口：弹簧管压力表，d=20mm,精度1.6,型号Y-250,开在封头上(参1考杭州富阳华博仪表有限公司生产标准)；开在上封头上。2.4.3、梯子梯子是为了在维修，清洗等方面方便。本设计选用的是直梯，一直从人孔往到罐底；梯子的材质采用20的圆钢，间距为宽度350mm，高度300mm。2.5发酵罐体重已知发酵液的体积为742.189m3,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。根据这些参数，即可计算出发酵罐的体重。(1)封头质量(m1)根据压力容器封头《GB/T25198-2010》的封头质量计算公式：D25mi=pKS[一+-D5+(D+5)H]x10-61n36nn17825二7930x3.14x0.014[——+-x7.8x0.014+(7.8+0.014)x0.05]36=348.6X(20.371+0.3907)=7.24X103(kg)则两个封头的质量为：m=2m1=2x7240=1.448x103(kg)11(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=RDx5xH筒n=3.14x7.8x0.014x19.5=6.69(m3)则圆筒体的质量为：m、=6.69*79302=5.31X104(kg)(3)发酵液的质量(m3)m3=pxV液有=742.189X1080=8.02X105(k)(4)附件质量(m4)附件的质量约为1000kg,即m4=1000kg。(5)总质量(m总)m=m+m+m+m总1234=1.448X103+5.31X104+8.02X105+1.0X103=8.57548X105(k)2.6支座的选型Q=mg=8.57548x105x9.8=8.41x106(N)\8.41X103(KN)总负荷则根据以上的计算结果选用支承式支座，6个。第三章、计算结果的总结

罐体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（H1）50mm壁厚14mm封头曲面高度（hb）1950mm公称体积（V公）995.79(m3)全体积（V）1060.27(m3)有效体积（V有）742.189(m3)搅拌器搅拌器直径（D1）2.6m盘径（dj1.95m叶长（L）O.63m叶高（B）0.52m最下一组搅拌器与罐底距离（C）3.9m搅拌轴的高度18m搅拌轴直径（d）搅0.2m搅拌轴的间距（r）6m搅拌轴不通气的轴功率（P）603.098KW搅拌轴通气的轴功率（Pg）728.5732kw电机功率（P电）825KW冷却管冷却水耗用量（W）2.97■105(Kg/h)冷却管型号“108X3.5(mm)冷却面积（S）380(m2)冷却管组数10(组)冷却管圈数120(圈)附件人孔公称直径500mm视镜公称直径150mm排料管①299X15mm进风口①245X10mm进料口①299X15mm取样管①50X3mm取样口①50X3mm补料口①102X4mm进气口①203X6mm回流口①194X5mm压力表接口公称直径20mm温度计接口公称直径100mm热电偶接口①20X2mm梯子宽度350mm,高度300mm。设计总结在这次课程设计中，我们组设计的课题是机械搅拌通风式生物反应器。通过这次设计，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画图，以及在后来的说明书的的拟订。虽然是困难重重，但终于完成了。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进一步，取得更好的成绩。没人可以一步登天，脚踏实地才是最重要的。总观总个设计过程中翻阅了学过的各种关于力学，制图，公差方面的书籍，综合运用了这些知识，感觉提高许多。对于各种线宽度，没有实际的概念，再比如标注较混乱。此刻才明白课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习。以后我们会以积极的态度对待我们的学习、对待我们的生活。我们会努力得去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。认真对待每一个你的任务，这个是我们在课程设计中学到的最重要的东西，受益匪浅！此外与队友的合作更是一件快乐的事情