机械搅拌通风发酵罐设计方案.docx
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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：
H/D=1.7-4.0
②搅拌器：
六弯叶涡轮搅拌器,Di:
di:
L:
B=20:
15:
5:
4
③搅拌器直径：
Di=D/3
④搅拌器间距：
S=（0.95-1.05）D
⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：
C=（0.8-1.0）D
⑥挡板宽度：
B=0.1D，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0.50-0.65
发酵罐0.65-0.8
②发酵液物性参数：
密度1080kg/m3
粘度2.0×10-3N.s/m2
导热系数0.621W/m.℃
比热4.174kJ/kg.℃
③高峰期发酵热3-3.5×104kJ/h.m3
④溶氧系数：
种子罐5-7×10-6molO2/ml.min.atm
发酵罐6-9×10-6molO2/ml.min.atm
⑤标准空气通风量：
种子罐0.4-0.6vvm
发酵罐0.2-0.4vvm
（3）、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0.4MPa；夹套0.25MPa
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視图，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
发酵产品
有机酸
工作压力
0.4MPa
由任务书确定
设计压力
0.4MPa
由任务书确定
发酵温度（工作温度）
33℃
根据任务书选取
设计温度
150℃
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
2.1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。
2.2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H/D=4，则H=4D；
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HL/D=3.9，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D=3964mm，
罐体总高度
H=4D=4×3964=15855mm，
查阅文献【2】，当公称直径Dn=4000mm时，标准椭圆封头的曲面高度ha=1000mm，直边高度hb=50mm，总深度为Hf=ha+hb，内表面积Af=17.9㎡，容积Vf=9.02m³，
可得罐筒身高，
HL=H-2Hf=15855-2×1050=13755mm
则此时
，与前面的假设不相近，
又设HL/D=3.4，
所以
，
则可知，D=4306mm，圆整取D=4140mm，
H=4D=4×4140=16560mm，
HL=H-2Hf=16560-2×1050=14460mm，
，与前面的假设相近
故可认为D=4140mm是合适的
发酵罐的全体积
由V=（π/4）D²HL+2Vf，得
V=207.4m³≈210m³
搅拌叶直径:
Di/D=1/3，
Di=4140/3=1380mm
搅拌叶间距S=Di=1380mm
底搅拌叶至底封头高度C=Di=1380mm
3罐体主要部件尺寸的设计计算
3.1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4.5），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D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。
3.2罐体壁厚
其中C为壁厚附加量
C=C1+C2+C3
C1-钢板负偏差，其范围为0.13-1.3，取C1=1mm
C2-为腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm
C3-加工减薄量，对冷加工C3=0，热加工封头C3=S0×10%；取C3=0，代入上式
C=1+2+0=3mm
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
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
选用10mm的16MnR钢板制作查附表17知，D=4.14m，S1=10mm，H=16.56m
每米筒重988㎏，M筒=988×16.56=16361.28㎏
3.3封头壁厚计算
，圆整取S2=18mm
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
y－开孔系数，取2.3
φ－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℃，170MPa）
选取18mm的16MnR钢板制作
3.4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Di=1380mm，
盘径di=0.75Di=0.75×1380=1035mm，
Di/L=4,则叶长L=Di/4=1380/4=345mm
叶宽B=Di/5=1380/5=276mm
3.5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·G）450-0.6HG21522-1995，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
3.6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：
V1=210×0.75=157.5
物料体积流量Q=V1/2=157.5/2×3600=0.022m³/s，
则进料管截面积F=Q/V=0.022/1=0.022㎡，
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，φ180×5mm。
以排气管为例计算如下：
若压缩空气在0.4MPa以下，支管气速为20~25m/s，标准通风比为0.2~0.4vvm，为常温下20℃，0.1Mpa下的情况，要这算为0.4Mpa，33℃下。
通风量Q1取大值。
Q1=V1×0.4=157.5×0.4=63m³/min=1.05m³/s
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d=185×5mm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t=2×0.96=1.92h
其他管道也是如此计算。
3.6.1管道接口（采用法兰接口）
进料口：
直径Φ180×5mm，开在封头上，
排料口：
Φ180×5mm，开在罐底；
进气口：
Φ180×5mm，开在封头上；
排气口：
Φ180×5mm，开在封头上；
冷却水进、出口：
Φ127×3mm，开在罐身；
补料口：
Φ180×5mm，开在封头上；
取样口：
Φ180×5mm，开在封头上；
3.6.2仪表接口
温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm，开在罐身上；
压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：
，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
4.1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。
4.2装液量
设计发酵罐装料系数：
取75%
发酵罐装料液体积：
V1=210×75%=157.5m³
不计算下封头时的装液体积：
=157.5-9.02=148.48m³
装液高度：
单位时间传热量＝发酵热×装料量
即：
Q=Q发×V1=3.5×104×157.5=5512500KJ/h
4.3冷却水耗量
由实际情况选用进出口水温为
℃、
℃，则
Q－单位时间传热量
Cp－冷却水的平均比热，取4.186kJ/（kg·℃）
t2-t1－冷却水进、出口温度差
对数平均温度差，由工艺条件知道
=
℃，
t1－冷却水进口温度
t2－冷却水出口温度
－发酵温度
4.4冷却面积
－对数平均温度差
K－传热总系数，取2090kJ/（m2·h·℃）
冷却面积（
）A=πdL
冷却列管总长度（m）：
冷却水的流量W=164611.204㎏/h
则
取冷却水在列管中的流速
=1m/s
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
取n=4，
则
取Φ127×3mm无缝钢管，d内=0.121m=121mm
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2.5d外=2.5×0.121=0.3025m，列管与罐内壁的最小间距为0.3m
罐外径D=4.14m，叶轮直径Di=1.38m
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4×0.3025×0.127=0.1537<<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0.3025m，列管与罐壁的最小间距为0.3m，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
5.1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1.05，转速N1=110r/min.
以等P0/V为基准放大：
则雷诺准数
，为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7
鲁士顿（RushtonJ.H.）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NP≈4.7
－涡轮转速（r/min）；
－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取800－1650kg/m3,本设计取
；
－涡轮直径（m）；
5.2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（r/min），
－涡轮直径（m），1.38m
Q－通气量（
），已知标准通风比为0.2~0.4vvm。
取低极限，如果通风量变大
，
变小。
为安全起见，现取0.2vvm，
则
计算
5.3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
η－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0.92，滚动轴承的效率是0.99，滑动轴承的效率是0.98，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Q=0.2~0.5ml/s）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：
[1]齐香君.现代生物制药工艺学[M].北京：
化学工业出版社，2003.9
[2]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，2006.4
[3]吴思芳.发酵工厂工艺设计概论[M].北京：
中国轻工业出版社，2006.7
[4]郑裕国.生物工程设备[M].北京：
化学工业出版社，2007
[5]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，2004.7
[6]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
[7]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;Q——通风量，m³/s；
K——总传热系数，kJ/（m2·h·℃）；Re——雷诺准数；
A——传热面积，㎡；t——冷却水进、出口温度，℃；
D——罐内径，mm；
——流速，m/s;
——搅拌叶轮直径，m;V1——装液体积，m³;
——公称直径，mm;S——壁厚，㎡
——粘度，
;
——密度，㎏/m3;
Pg,P0——功率，KW；
——搅拌功率准数;
H——罐身高，m；HL——罐高，m；
S——搅拌叶间距，m;W——质量流速，㎏/h;
——平均温差，℃;VS——体积流量，m3/s;
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
公称体积
200
设计条件
全体积
210
计算
罐体直径
4140
计算
发酵罐总高
16560
计算
发酵罐筒体高度
14460
计算
搅拌叶直径
1380
计算
椭圆封头短半轴长
1000
计算
椭圆封头直边高度
50
计算
底搅拌叶至封头高度
1380
计算
搅拌叶间距
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
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
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
Φ180×5mm
根据参考文献[3]选取
进、出气口直径
Φ180×5mm
根据参考文献[3]选取
冷却水进、出口直径
Φ127×3mm
由工艺条件确定
补料口直径
Φ180×5mm
根据参考文献[3]选取
取样口直径
Φ180×5mm
由工艺条件确定
温度计
装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm
压力表
液位计
溶氧探头
pH探头
型
表3 200
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
装料系数
75%
由工艺条件确定
装料体积
157.5m³
计算
装料高度
11.04m³
计算
总发酵热
5512500㎏/h
计算
冷却水耗量
164611.204㎏/h
计算
冷却面积
250.48㎡
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
由工艺条件确定
每组列管数
15根
计算
组内列管排列方式
转角正三角形
组间排列方式
转正正方形
表4 发酵罐搅拌功率的设计计算结果
项目及代号
参数及结果
备注
转速
92r/min
根据参考文献[3]选取
不通气条件下的轴功率
90.86kW
计算
两层搅拌器轴率
181.72kW
通气量
3.15×107ml/min
由工艺条件确定
通气搅拌功率
141.08kW
计算
电机的功率
159.64kW
计算
电机的选择
型号Y315L1-2
功率160kW
转速2980r/min
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
D×6根
根据参考文献[3]选取
小皮带轮直径
Φ300mm
根据参考文献[3]选取
大皮带轮直径
Φ1100mm
根据参考文献[3]选取
Ⅲ.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、蒸馏设备等的设计实践，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：
25m3,50m3,75m3,100m3,150m3,200m3,500m3
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（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：
H/D=1.7-4.0
②搅拌器：
六弯叶涡轮搅拌器,Di:
di:
L:
B=20:
15:
5:
4
③搅拌器直径：
Di=D/3
④搅拌器间距：
S=（0.95-1.05）D
⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：
C=（0.8-1.0）D
⑥挡板宽度：
B=0.1D，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0.50-0.65
发酵罐0.65-0.8
②发酵液物性参数：
密度1080kg/m3
粘度2.0×10-3N.s/m2
导热系数0.621W/m.℃
比热4.174kJ/kg.℃
③高峰期发
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