200立方米机械搅拌通风发酵罐设计方案可编辑.docx
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200立方米机械搅拌通风发酵罐设计方案可编辑
200立方米机械搅拌通风发酵罐设计方案
200M3机械搅拌通风发酵罐设计方案1设计方案的拟定
我设计的是一台200M3机械搅拌通风发酵罐发酵生产有机酸
设计基本依据
1机械搅拌生物反应器的型式
通用式机械搅拌生物反应器其主要结构标准如下
1高径比HD17-40
2搅拌器六弯叶涡轮搅拌器DidiLB201554
3搅拌器直径DiD3
4搅拌器间距S095-105D
5最下一组搅拌器与罐底的距离C08-10D
6挡板宽度B01D当采用列管式冷却时可用列管冷却代替挡板
2反应器用途
用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐有关设计参数如下
1装料系数种子罐050-065
发酵罐065-08
2发酵液物性参数密度1080kgm3
粘度20X10-3Nsm2
导热系数0621Wm°C
比热4174kJkg°C
3高峰期发酵热3-35X104kJhm3
4溶氧系数种了罐5~7X10-6mol02com
发酵罐6~9X10-6mol02com
5标准空气通风量种了罐04-06vvm
发酵罐02-04vvm
3冷却水及冷却装置
冷却水地下水18-20°C
冷却水出口温度23-26°C
发酵温度32-33°C
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04MPa夹套025MPa
发酵罐主要由罐体和冷却列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200M3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视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-发酵罐主要设计条件
项目及代号参数及结果备注有机酸工作
压力04MPa由任务书确定设计压力04MPa由任务书确定
发酵温度工作温度33°C根据任务书选取设计温度
150°C由工艺条件确定冷却方式列管冷却由工艺条件确定
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
21发酵反应釜的总体结构
发酵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发酵反应釜
22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HD4则H4D初步设计设计条件给出的是发酵罐的公称体积200M3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HLD39根据设计条件发酵罐的公称体积为200M3
由公称体积的近似公式可以计算出
罐体直径D3964mm
罐体总高度
H4D4X396415855mm
查阅文献2当公称直径Dn4000mm时标准椭圆封头的曲面高度ha1000mm直边高度hb50mm总深度为Hfhahb内表面积Af179m2容积Vf902m3
可得罐筒身高
HLH-2Hf15855-2X105013755mm
则此时与前面的假设不相近
又设HLD34
所以
则可知D4306mm圆整取D4140mm
H4D4X414016560mm
HLH-2Hf16560-2X105014460mm
与前面的假设相近
故可认为D4140mm是合适的
发酵罐的全体积
由Vn4D2HL2Vf得
V2074m3~210m3
搅拌叶直径DiD13
Di414031380mm
搅拌叶间距SDi1380mm
底搅拌叶至底封头高度CDi1380mm
3罐体主要部件尺寸的设计计算
31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有机酸是偏酸性pH值为45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
32罐体壁厚
其中C为壁厚附加量
CC1C2C3
C1-钢板负偏差其范围为013-13取Cllmm
C2-为腐蚀裕量单面腐蚀取lmm双面腐蚀取2mm
C3-加工减薄量对冷加工C30热加工封头C3S0X10取C30代
入上式
C1203mm
D—罐体直径mm
p—耐受压强取04MPa
巾一焊缝系数双面焊取08
[o]—设计温度下的许用应力kgfclGMnR钢焊接压力容器许用应力为150°C170MPa
C—腐蚀裕度
选用10mm的16MnR钢板制作查附表17知D414mSllOmmH1656m
每米筒重988kgM筒988X16561636128kg
33封头壁厚计算
圆整取S218mm
D—罐体直径mm
p—耐受压强取04MPa
y—开孔系数取23
巾一焊缝系数双面焊取08
[o]—设计温度下的许用应力16MnR钢焊接压力容器许用应
力为150°C170MPa
选取18mm的16MnR钢板制作
34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200m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶
搅拌叶轮直径Di1380mm
盘径di075Di075X13801035mm
DiL4则叶长LDi413804345mm
叶宽BDi513805276mm
35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RFIIR•G450-06HG21522-1995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IIPN10DN80HGJ501-86-17
36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VI210X075
1575
物料体积流量QV1215752X36000022m3s
则进料管截面积FQV002210022m2
又
得
取无缝钢管查阅资料平焊钢管法兰GB8163-87取公称直径170mm
4）180X5mm
以排气管为例计算如下
若压缩空气在04MPa以下支管气速为2025ms标准通风比为0204vvm为常温下20°C01Mpa下的情况要这算为04Mpa33°C下通风量Q1取大值
QIV1X041575X0463m3min105m3s
利用气态方程式计算工作状态下的通风量Qf
取风速
风管截面积
又则气管直径d气为
因通风管也是进料管故取两者的大值取d185X5mm无缝钢管可满足工艺要求
复核物料流量
管道截面积
在相同流速下流过物料因管径较原来的计算结果大则相应的流速低
则排料时间t2X096192h
其他管道也是如此计算
com管道接口采用法兰接口
进料口直径①180X5mm开在封头上
排料口①180X5mm开在罐底
进气口①180X5mm开在封头上
排气口①180X5mm开在封头上
冷却水进出口①127X3mm开在罐身
补料口①180X5mm开在封头上
取样口①180X5mm开在封头上
com仪表接口
温度计装配式热电阻温度传感器PtlOO型开在封头上
液位计采用标准型号直径开在罐身上
溶氧探头pH探头型
4冷却装置设计
41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式冷却装置
42装液量
设计发酵罐装料系数取75
发酵罐装料液体积
VI210X751575m3
不计算下封头时的装液体积
1575-90214848m3
装液高度
单位时间传热量=发酵热X装料量
即QQ发XVI35X104X15755512500KJh
43冷却水耗量
由实际情况选用进出口水温为°C°C则
Q—单位时间传热量
Cp—冷却水的平均比热取4186kJkg•°C
t2-tl—冷却水进出口温度差
对数平均温度差由工艺条件知道°C
tl—冷却水进口温度
t2—冷却水出口温度
—发酵温度
44冷却面积
—对数平均温度差
K—传热总系数取2090kJm2•h•°C
冷却面积AndL
冷却列管总长度m
冷却水的流量W164611204kgh
则
取冷却水在列管中的流速1ms
根据流体力学方程冷却管总截面积
设冷却管管径为组数为n
又
则
取①127X3mm无缝钢管d内0121m121mm
取冷却管总高度为L
取每组15根则每根长度
冷却管的排列方式
取管间距25d外25X012103025m列管与罐内壁的最小间距为03m
罐外径D414m叶轮直径Di138m
叶轮外边沿到罐壁的距离为
每组列管采用转角正三角形排列每边排则5根管
复核正三角形的边长为4X03025X012701537叶轮外边沿到罐壁的距离
故采用转角正三角形符合要求且每组管管间距为03025m列管与
罐壁的最小间距为03m四组管间采用转角正方形排列
由于采用列管式冷却故无需挡板
5搅拌器轴功率的计算
51不通气条件下的轴功率P0
取发酵醪液黏度密度
搅拌转速
取两档搅拌搅拌转速N可根据50m3罐搅拌器直径105转速N1
UOrmin
以等POV为基准放大
则雷诺准数
为湍流则搅拌功率准数Np47
鲁士顿RushtonJH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\P~47
—涡轮转速rmin
—液体密度kgm3因发酵液不同而不同一般取800—1650kgm3本
设计取
—涡轮直径m
52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
—两层搅拌输入的功率kW
—涡轮转速rmin
—涡轮直径ml38m
Q—通气量已知标准通风比为0204vvm取低极限如果通风量变大
变小为安全起见现取02vvm
则
计算
53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
n—传动机构效率
根据生产需要选择三角皮带电机三角皮带的效率是092滚动轴承的效率是099滑动轴承的效率是098端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的1则电机的功率
6附属设备
1空气分布器对于好气发酵罐分布器主要有两种形式即多孔管和单孔管对通风量较小的如Q0205mls的设备应加环形或直管型空气分布器而对通气量大的发酵罐则使用单管进风由于进风速度高又有涡轮板阻挡叶轮打碎溶氧是没有问题的本罐使用单管进风风管直径计
算见接口管设计
2密封方式本罐采用双端面机械密封方式处理轴与罐的动静问题
3支座选择发酵工厂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立式支座也分为三种即悬挂支座支撑支座和裙式支座
对于75m3以上的发酵罐由于设备总重量较大应选用裙式支座本设计选用裙式支座
7自我评价
在此次课程设计中我设计了机械通风发酵罐该反应器用于有机酸的生产发酵温度为33C反应器的材料为16MnR钢采用涡轮六弯叶式三层搅拌器利用160kw电动机通过120mm的轴驱动冷却方式为列管冷却冷却列管总长为660m分为4组
这次生物工程设备课程设计是以小组为单位然后组员进行分工合作来查取资料进行过程和设备的计算并要对自己的选择做出论证和核算经过反复的分析比较择优选定最理想的设计
通过本次设计我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料并从各种资料中筛选出较适合的资料根据资料确定主要设备以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据学会怎么设计机械通风反应器并学会一些基本的设计的步骤以及认真的态度通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解以及学习如何用CAD画设备图并对CAD有一定的了解和简单的运用对生物工程设备设计的有关步骤及相关内容有一定的了解通过本次设计熟悉了生物工程设备课程设计的流程加深了对发酵设备的了解在设计的过程培养了大胆假设小心求证的学习态度通过本次课程设计我还认识到组员之间一定要多沟通多交流意见要不然一个人的能力再怎么强在团体工作中也是不能够出色完成设计任务但由于本课程设计时间比较仓促查阅文献有限本课程设计还不够完善不能够进行有效可靠的计算这次我的设计是由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总的感觉就的好累啊可是深切体会到书到用时方恨少真的不能临时抱佛脚在这里要感谢的指导老师同学的帮助非常感谢我的同组人员正是有他们在一起讨论有了他们的帮助才使我更快更顺利地在较短时间内完成本设计
参考文献
齐香君现代生物制药工艺学［M］北京化学工业出版社20039潘红良赫俊文过程设备机械设计［M］杭州华东理工大学出版社20064
吴思芳发酵工厂工艺设计概论［M］北京中国轻工业出版社20067
郑裕国生物工程设备［M］北京化学工业出版社2007
郑裕国薛亚平金利群等生物加工过程与设备［M］北京化学工业出版社20047
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
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
附录
I符号说明
P压力KPa
K总传热系数kJm2・h・°C
A传热面积nf
口温度°C
D罐内径mm
搅拌叶轮直径m
公称直径mm
粘度
PgPO功率KW
H罐身咼m
S搅拌叶间距Hl
速kgh
平均温差。
C
m3s
C底搅拌叶轮至底封头高度m
II设计结果汇总
表1200m3发酵罐的几何尺寸
项目及代号参数及结果备注
Q通风量m3s
Re雷诺准数
t冷却水进出
流速ms
VI装液体积m3
S壁厚nf
密度炬m3
搅拌功率准数
HL罐咼m
W质量流
VS体积流量
200设计条件全
计算发酵罐总高
体积210计算罐体直径4140
拌叶间距1380计算
表2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
10mm计算封头壁厚18mm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1380mm
计算搅拌器层数2由工艺条件确定人孔1个标准
号HG21522-1995根据参考文献［3］选取视镜2个标准号
HGJ501-86-17根据参考文献［3］选取进排料口直径①180
X5mm根据参考文献［3］选取进出气口直径①180X5mm根据参考文献［3］选取冷却水进出口直径①127X3mm由工艺条件确定补料口直径180X5mm根据参考文献［3］选取
取样口直径180X5mm由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器PtlOO型压力表液位计
溶氧探头pH探头型
表3200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75由工艺条件确定
装料体积1575m3计算装料高度1104m3计算总
发酵热5512500kgh计算冷却水耗量164611204kgh计
算冷却面积25048m2计算冷却列管总长度660m计算
冷却列管总高度11m计算
列管组数4组由工艺条
表4发酵罐搅拌功率的设计计算结果
功率160kW
转速2980rmin根据参考文献［3］选取轴径120mm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DX6根根据参考文献［3］选取
小皮带轮直径①300mm根据参考文献［3］选取大皮带轮直径①1100mm根据参考文献［3］选取
Ill设计任务书
生物反应工程与设备课程设计任务书
机械搅拌生物反应器设计
一课程教学目标
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学生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学生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在本课程设计中通过生化过程中应用最为广泛的设备如机械搅拌发酵罐气升式发酵罐动植物细胞培养反应器蒸发结晶设备蒸憎设备等的设计实践对学生进行一次生化过程发酵设备设计的基本训练使学生初步掌握发酵设备设计的基本步骤和主要方法树立正确的设计思想和实事求是严肃负责的工作作风为今后从事实际设计工作打下基础
二课程设计题目任选一
机械搅拌发酵罐25m350m375m3100m3150m3200m3500m3
三课程设计内容
1设备所担负的工艺操作任务和工作性质工作参数的确定
2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
3动力消耗设备结构的工艺设计
四课程设计的要求
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主要包括
1工艺设计
1设备结构及主要尺寸的确定DHHLVVLDi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设备设计
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局部尺寸的确定包括挡板人孔及进出口接管等
4冷却装置的设计包括冷却面积列管规格总长及布置等
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
3绘制设备图一张
设备图绘制应标明设备的主要结构与尺寸
五设计基本依据
1机械搅拌生物反应器的型式
通用式机械搅拌生物反应器其主要结构标准如下
1高径比HD17-40
2搅拌器六弯叶涡轮搅拌器DidiLB201554
3搅拌器直径DiD3
4搅拌器间距S095-105D
5最下一组搅拌器与罐底的距离C08-10D
6挡板宽度B01D当采用列管式冷却时可用列管冷却代替挡板2反应器用途
用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐有关设计参数如下
1装料系数种子罐050-065
发酵罐065-08
2发酵液物性参数密度1080kgm3
粘度20X10-3Nsm2
导热系数0621Wm°C
比热4174kJkg°C
3高峰期发酵热3-35X104kJhm3
4溶氧系数种了罐5~7X10-6mol02com
发酵罐6~9X10-6mol02com
5标准空气通风量种了罐04-06vvm
发酵罐02-04vvm
3冷却水及冷却装置
冷却水地下水18-20°C
冷却水出口温度23-26°C
发酵温度32-33°C
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04MP&夹套025MPa
五课程设计的基本环节
1设计动员发题介绍设计题目的实际工业背景
2阅读设计指导书查阅资料拟定设计程序和进度计划
3调查收集有关数据了解设备制造安装和操作的有关知识奠定设计感性基础
4设计计算绘图和编制设计说明书
IV附图见后页
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