机械搅拌通风发酵罐的设计

./课程设计课程名称:生物工程设备课程设计题目名称:100M3机械搅拌通风发酵罐班级:学号:姓名:指导老师：年月日.大学课程设计任务书题目名称100m3机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院专业班级姓名学号一、课程设计的内容机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、动植物细胞培养反应器,或者产品分离设备等的设计〔任选一。机械搅拌发酵罐：25m3,50m3,75m3,100m3,125m3,150m3气升式发酵罐:50m3,75m3,100m3,125m3,150m3,200m3气升式光生物反应器：15升,30升,50升。该设备可以用于发酵生产以下产品：PHA,谷氨酸,柠檬酸,淀粉酶,糖化酶,抗生素,抗体及紫草细胞等〔任选一。也可以进行相应分离设备的设计。根据设备所担负的工艺操作任务和工作性质,确定工作参数；容积的计算,主要尺寸的确定,传热方式的选择及传热面积的确定；动力消耗、设备结构的工艺设计。二、课程设计的要求与数据课程设计的规模不同,其具体的设计项目也有所差别,但其基本内容是大体相同,主要基本内容及要求如下：1人员分组及分工建议以4－6人一小组,每组题目略有不同,每组完成全部设备工艺设计,每人应当完成一个主体设备的工艺及结构设计,若干典型辅助设备选型设计。

2工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算,热量衡算,主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算,汇总工艺计算结果。3设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书,目录、前言、设计方案论述,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评价和参考资料等。绘制设备图一张。设备图采用工程制图或计算机AUTOCAD绘制。简装图应标明设备的主要结构与尺寸。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〔A2号图纸420*594mm1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03-11517周周42有关工艺设计计算图书馆17周周二至五3装配图绘制宿舍18周周一至三4撰写课程设计说明书宿舍18周周四、五五、应收集的资料及主要参考文献1、梁世中.生物工程设备.北京,中国轻工业出版社,20042、徐清华.生物工程设备.北京,科学出版社,20063、贾士儒.生物反应工程原理.北京,科学出版社,20034、陈宁.氨基酸工艺学.北京,中国轻工业出版社,20065、熊昌绪．发酵调味品工艺学．乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社,19946、姚汝华.微生物工程工艺原理.XX：华南理工大学出版社,19967、俞俊棠,唐孝宣,邬行彦等.新编生物工艺学.北京：化学工业出版社,20038、金其荣,张继民,徐勤.有机酸发酵工艺学.北京：轻工业出版社,19899、章克昌.酒精与蒸馏酒工艺学.北京：中国轻工业出版社,200210、管敦仪.啤酒工业手册.北京：轻工业出版社,198611、化学工程手册.北京,化学工业出版社,198912、化工设备设计手册〔2,金属设备.上海,上海人民出版社,197513、化工制图.北京,人民教育出版社,198014、发酵设备.北京,中国轻工业出版社,1991目录前言6设计基本依据62.1柠檬酸的用途62.2柠檬酸的发酵方法6工艺设计73.1夹套反应釜的总体结构73.2设备结构及主要尺寸的确定73.3搅拌功率计算与电机的选择83.4传热面积及冷却水用量的计算8设备设计114.1罐体壁厚114.2封头壁厚114.3搅拌器设计124.4入孔和视镜12对本设计的小结13参考文献14设计图纸1.前言通过发酵工业化生产的几十年实践,人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的〔时变的、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程,按照化学工程的模式来处理发酵工业生产〔特别是大规模生产的问题,往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看,发酵罐也就是生产原料发酵的反应器,发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂,按化学工程的正统思维,微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是,追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核〔微生物,返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定,使发酵工程的发展有了明确的方向,发酵工程进入了生物工程的范畴。生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节,要求我们综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题,对培养我们全面的理论知识与工程素养,健全合理的知识结构具有重要作用。一个优良的生物反应器应具有良好的传质传热和混合的性能；结构严密,内壁光滑,易清洗,检修维护方便；有可靠的检测及控制仪表；搅拌及通气所消耗的动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。通常将进行大规模悬浮培养微生物的反应器统称为发酵罐。2.设计基本依据：2.1柠檬酸的用途用于香料或作为饮料的酸化剂,在食品和医学上用作多价螯合剂,也是化学中间体。柠檬酸与钙离子结合则成可溶性络合物,能缓解钙离子促使血液凝固的作用,可预防和治疗高血压和心肌梗死,所以可以起抗凝血作用,柠檬酸钠和草酸钠被称为抗凝血剂。柠檬酸促进脂肪分解,快速实现减肥。2.2柠檬酸的发酵方法发酵有固态发酵、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,在一定温度和湿度条件下发酵。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通过管道转入一个个发酵盘中,接入菌种,待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。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备是发酵罐。微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。种为产黑曲霉〔Aspergillusniger。本设计使用黑曲霉CO827。3.工艺设计3.1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。3.2设备结构及其主要尺寸根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=1.7～3,则取H/D＝2.5。初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积〔100m3设备结构及主要尺寸的确定〔D、H、HL、V、VL、Di等。H/D=1.7～3,取H/D=2.5=100取25mmD=3.6mH=9m查《有机酸生产与应用手册》,由发酵罐公称直径可得封头尺寸如下公称直径D曲面直度ha直边高度hb内表面Af容积Vf3.6m0.90m0.0514.66.62已知取搅拌器直径d=0.4D=1.44m,圆整到1.5m已知,取挡板宽度W=D=0.36m,圆整到0.4m已知,取下搅拌器距底间距B=1.0d=1.5m已知,取两搅拌器间距S=1.6d=2.4m〔取25mm=6.32发酵液的圆柱体积V柱=151/3－6.32=44.68发酵液的柱体高h=4.4m假设用两层搅拌器,所以上搅拌器距离液面距离S1=4.4－2.4=2.0m检验：S1/d=2.0/1.5=1.333在1~2范围内。3.3搅拌轴的轴功率计算与选择据《化工工艺设计手册》查得,所选用的搅拌器轴功率为110kW搅拌轴转速为100r/min.3.4传热面积及冷却水用量的计算以一个发酵罐为单位计算,每个发酵罐料液为51t=5.1kg选用发酵罐的传热总面积为：F=筒身面积+封头面积=+14.6=3.14×3.6×9+14.6=116.34已知G=1000×51=51000kg,=25℃,=121℃,c=4.2kJ/<kg·℃>,=158℃,查表得r=2087.1。灭菌过程中需要把温度从25℃升至121℃,并保温20分钟,则需要能量为：=4.2×5.1×10×〔121﹣25=2.01×kJ夹套平均传热系数K=830～1250kJ/<℃>,取K=1250kJ/<℃>,则加热所需时间为：===2.3h加热段所需蒸汽量S：〔设加热时蒸汽热损失为5%℃,℃,℃,℃=93.18＜116.34符合设计要求保温阶段：〔保温时间为20min=1/3h经验计算S=〔30%～50%×直接加热蒸汽消耗量=0.35×10.35t=3.62t蒸汽总用量：3.62+10.35=13.97t冷凝水用量冷却要求：冷却水=27℃将料液从=121℃降至发酵温度=35℃冷凝水和料液比热：4.2kJ/<kg·℃>冷却水流量==1.09331.51t/h4.6h–冷却所用时间,hW–冷却水用量,kg/h-料液的比热容-冷凝水的比热容-料液冷却前的温度-料液冷却后的温度-冷凝水进口温度-冷凝水进口温度-料液冷却过程中某时刻的温度-对应料液温度时冷凝水出口温度G–料液质量,tK–平均传热系数,1250kJ/<kg·℃>F–传热系数验算传热面积：冷却释放热量：=4.2×5.1××〔121-35=1.84×kg℃,℃,℃,℃,℃冷去面积：95.2取整100m2冷却管总长度：L＝＝＝398.09m取整L为400m分为20组,每组长L0＝20m管内径：d＝外径－壁厚取57×3.5mm〔径取50－80mm,壁厚取3.5－5mm每圈冷却管长度：D－管圈直径,3mhp－管圈之间的距离,取0.15m每组管圈数：Np＝＝20/9.42＝2.12≈3圈总圈数为：3×20=60圈冷却管总高度：H＝<Np－1>hp＝<60－1>×0.15＝8.85m4.设备设计罐体：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。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。4.1罐体壁厚δ1＝pD/{2「σ」φ﹣p}﹢3＝0.3×3600/<2×170×0.8－0.3>＋3＝6.97mm取7mmD－罐体直径〔mm

p－耐受压强<取0.3MPa>φ－焊缝系数,双面焊取0.8[σ]－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150℃,170MPa

C－腐蚀裕度,当δ－C<10mm时,C＝3mm4.2封头壁厚计算δ2＝pDy/2「σ」φ＋C＝0.3×3600×2.3/2×170×0.8＋3＝12.1mm取13mm。D－罐体直径〔mmp－耐受压强<取0.3MPa>y－开孔系数,取2.3φ－焊缝系数,双面焊取0.8[σ]－设计温度下的许用应力〔16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃4.3搅拌器设计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。选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系,现将主要尺寸列出：搅拌器叶径D=D/3=3.6/3=1.2m取d=1.5m叶宽B=0.2D=0.2×1.2=0.24m弧长l=0.375d=0.375×1.5=0.5625m底距C=0.8D=0.8×3.6=2.88m盘径d=0.75×D=0.75×1.2=0.9m叶弦长L=0.25D=0.25×3.6=0.9m叶距S=D=3.6m弯叶板厚δ=12mm4.4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RFⅡ〔R·G450-0.6HG21522-1995,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ⅡPN1.0DN80HGJ501-86-17。发酵罐主要部件尺寸项目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筒身高度9m计算挡板宽度W0.4m计算下搅拌器距底间距B1.5m计算两搅拌器间距S2.4m计算上搅拌器距离液面距离S12.0m计算曲面直度ha0.9m计算直边高度hb0.05m计算冷却水流量331.5kg/h计算罐体壁厚7mm计算封头壁厚13mm计算5.对本设计的小结在这次课程设计中,我们组设计的是机械搅拌通风发酵罐,该反应器利用黑曲霉CO827发酵生产柠檬酸,采用涡轮六弯叶式二层搅拌器,冷却方式为蛇管冷却,冷却蛇管总长为400m,分为20组,每组长L0＝20m。我主要设计罐体,罐体和封头都使用16MnR钢为材料,封头设计为标准椭圆封头,采用双面缝焊接的方式与罐体连接。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一些基本步骤。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。除了学习到了有关本专业的知识以外,也学到了一些对于人员组织及文档的书写等非专业的实践类知识,特别是用CAD画图,数据的整合以及排版,我花了大量时间,这些也是令我最头疼的地方,我想这大概是最重要的,任何知识和理论都要归结于实践。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。在这里要感谢小组