50M3机械搅拌通风发酵罐的设计说明书.docx
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50M3机械搅拌通风发酵罐的设计说明书
设计50M3机械通风发酵罐，应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸，产物是初级代谢产物，牛顿型流体，二级发酵。
发酵罐高径比为2.8，生产场地为南方某地，蛇管冷却，初始水温：
18℃，出水温度26℃。
1.设计方案的拟定
我设计的是一台50M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产柠檬酸。
经查阅资料[1]，得知生产链霉素的菌种有黑曲霉、温氏曲霉、梨形毛霉、淡黄青霉、二歧拟青霉、棒曲霉、泡盛曲霉、芬曲霉、丁二烯酸曲霉、斋藤曲霉及宇佐美曲霉、绿色目霉、黑粉霉等，综合生产能力、菌种稳定性、传统经验等因素选择黑曲霉，该菌种最适发酵温度为30℃，pH为2-3，培养基为蔗糖发酵培养基，主要由蔗糖、硝酸铵、盐酸和水合硫酸镁等所组成。
发酵罐主要由罐体、封头、冷却蛇管、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它的一些附件组成。
这次设计就是要对机械搅拌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，把整个设计的运算过程和相应的表格列明。
表1-1 发酵罐主要设计条件
步骤项目及代号参数及结果备注
1
根据参考文献【1】选取
由工艺条件确定
由工艺条件确定
根据参考文献【1】选取
由工艺条件确定
由工艺条件确定
根据参考文献【1】选取
由工艺条件确定
由工艺条件确定
发酵菌种黑曲霉
2工作压力0.20Mpa
3设计压力0.25Mpa
4发酵温度30
5设计温度150
6冷却方式蛇管冷却
7培养基蔗糖发酵培养基
8工作pH2—3
9设定pH 3
2罐体几何尺寸的确定
2.1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。
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=2.8，则H=2.8D
初步设计：
设计条件给出的是发酵罐的公称体积（50
）
公称体积V－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和
发酵罐全体积近似：
可得罐体直径D2879mm，取整D=2900mm，H=2.8D=8120mm
根据直径D查文献资料[7]可得封头总高度765mm，封头体积3.12m3，
H0=8120-765×2=6590mm，
由此可得Di=1/3D=1/3×2900=966.77mm取整970mm
B=0.1D=0.1×2900=290mm
S=3Di=3×970=2910mm
C=Di=970mm
Ha=0.25D=0.25×2900=725mm
Hb=765-725=40mm
hb－椭圆封头的直边高度
C－底搅拌叶至底封头高度
Di－搅拌叶直径
D－罐体直径
Ho－罐体直筒部位高度
B－挡板宽度
ha－椭圆封头短半轴长度
S－搅拌叶间距
表2-1大中型发酵罐技术参数
公称容筒体高度筒体直换热面转速电机功
量
H（mm）径mm积
r/min率kw
1032001800121507.5
21470022002115430
30660024003418045
5070002800--300038-6016055
6080003000--32006516065
758000320084165100
10094003600114170130
200115004600221142215
表2-250m3发酵罐的几何尺寸
计算
计算
计算
计算
计算
计算
计算
计算
计算
计算
步骤项目及代号参数及计算结果备注
1公称体积50m3
2全体积53.12m3
3D2900mm
4H8120mm
5H06190mm
6B290mm
7S2910mm
8C970mm
9Ha725mm
10Hb40mm
2.3罐体主要部件尺寸的设计计算
2.3.1罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式
因柠檬酸呈酸性（pH值为2-3），对金属罐体很容易腐蚀腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢，内涂环氧树脂防腐，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。
2.3.2罐体壁厚
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.25MPa）
φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0
[σ]－[σ]－设计温度下的许用应力（kgf/c
）（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）
C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm
2.3.3封头壁厚计算
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.25MPa）
y－开孔系数，取2.3
φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0
[σ]－设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）
C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm
2.4、挡板
挡板宽度b取0.1D，装设4~6块即可满足全挡板条件。
根据下式计算挡板数n：
由此可得n=5
式中b——挡板宽度，mm；
D——罐内径，mm；
n——挡板数，mm。
2.5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：
六弯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[3]可知50
发酵罐采用6-6-6箭叶式搅拌叶
叶径:
d=1000mm
盘径:
di=13/20d=13/20×1000=650mm
叶高:
h=3.5/20d=3.5/20×1000=175mm
叶长:
b=0.25d=0.25×1000=250mm
2.6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：
HG21520－1995人孔（R·A－2707）500-1.0，直径为
600mm，高度为260mm，开在顶封头上，左边轴线位于离中心轴1000mm处
视镜用于观察发酵罐内部的情况。
本次设计只设置了2个视镜，标准号为ⅡPN1.6，DN100AHG21505-1992直径为DN150mm，高度为52mm，开在顶封头上，位于俯视面左下45度和右上45度距离中心轴线1200mm处
2.7接口管
2.7.1管道接口：
（采用法兰接口）
进料口：
法兰型号为PN0.6DN150,接口管规格159×4.5mm，开在封头上。
排料口：
法兰型号为PN0.6DN200,接口管规格209×4.5mm，开在罐底。
进气口：
法兰型号为PN0.6DN150,接口管规格159×4.5mm，开在封头上。
排气口：
法兰型号为PN0.6DN150,接口管规格159×4.5mm，，开在封头上
冷却水进、出口：
89×4mm，开在罐身；
补料口：
法兰型号为PN0.6DN150,接口管规格159×4.5mm，开在封头上。
取样口：
法兰型号PN0.6DN65,接口管规格，开在封头上。
2.7.2仪表接口：
温度计：
DN32mm
压力表：
DN25mm
液位计：
采用标准：
型号：
R-61
直径：
550（260
14）mm，开在罐身上；
溶氧探头：
TN-2509
pH探头：
YP-100A
表2-3 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果
由工艺条件确定
计算
计算
根据参考文献【2】选取
根据参考文献【2】选取
根据参考文献【2】选取
根据参考文献【2】选取
根据参考文献【2】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【3】选取
根据参考文献【4】选取
根据参考文献【4】选取
根据参考文献【4】选取
根据参考文献【4】选取
根据参考文献【4】选取
步骤项目及代号参数及结果备注
1罐体材料16MnR钢
2罐体壁厚6.3mm
3封头壁厚10.6mm
4人孔一个DN600
5视镜两个DN150
6搅拌器种类六箭叶
7搅拌器层数3层
8搅拌器直径1000mm
9进料口直径Ф159×4.5mm
10排料口直径Ф159×4.5mm
11冷却水进、出口Ф89×4mm
12进气口Ф159×4.5mm
13排气口Ф159×4.5mm
14补料口Ф159×4.5mm
15取样口DN65mm
16温度计DN32mm
17压力表DN25mm
18液位Ф550（260
14）mm
19溶氧探头DN63mm
20PH探头DN60mm
2.8冷却装置设计
2.8.1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，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。
2.8.2装液量
发酵罐装料系数：
80%
发酵罐装料液体积：
v1=全体积×装料系数=53.12×80%=42.5
不计算下封头时的装液体积：
v柱=v1-下封头体积
装液高度：
单位时间传热量＝发酵热×装料量，即：
Q=
=11700×42.5=4.98
KJ/
表2-4各类发酵液的发酵热
发酵液发酵热（KJ/
·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
2.8.3冷却水耗量（W）
由课题给出进出口水温为18℃、26℃，则
Q－单位时间传热量
Cp－冷却水的平均比热，取4.186kJ/（kg·℃）
－冷却水进出口温度差
对数平均温度差，由工艺条件知道
=30℃，
℃
t1－冷却水进口温度
t2－冷却水出口温度
－发酵温度
2.8.4冷却面积（A）
△tm－对数平均温度差
K－传热总系数，取1.931×
kJ/（m2·h·℃）
冷却面积（
）A=πdL
冷却蛇管总长度（m）
d－蛇管内径，
d＝外径－壁厚
60×3.5mm
外径取60mm，壁厚取3.5mm
蛇管一般分为4组，则每组长度：
L/6=55m
每圈蛇管长度
D－蛇管圈直径，3m
hp－蛇管圈之间的距离，取0.10m
蛇管总圈数
取整24圈，每组24/4=6圈
蛇管总高度
验算每组蛇管堆叠的厚度：
因蛇管对称分布，则d’=2
=1.92m,再加上搅拌叶的直径Di=0.97m，靠近筒壁的蛇管与筒壁之间的距离为0.1m，即D’=d’+Di+（0.1－
／2）=1.92+0.97+（0.1－0.06／2）=2.91m．因D’表2-4
发酵罐冷却装置设计计算结果
由工艺条件确定
计算
计算
计算
计算
根据参考文献【2】选取
计算
计算
步骤项目及代数参数及结果备注
1发酵罐装料系数80%
2装料量42.5m3
3单位时间传热量4.98
KJ/
4冷却水耗量（W）1.49×104kg/h
5冷却面积（m3）35.42m3
6冷却蛇管规格（mm）Ф30×3.5mm
7冷却蛇管总长度（m）220m
8冷却蛇管高度（m）2.3m
2.9搅拌器轴功率的计算
2.9.1不通气条件下的轴功率
计算
鲁士顿（RushtonJ.H.）公式：
－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；
ω－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；
D－涡轮直径（m）；
圆盘六平直叶涡轮NP≈6
圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7
圆盘六箭叶涡轮NP≈3.7
由于一般发酵罐中，
因此搅拌功率可用下式校正：
f为校正系数，它由下式来确定：
发酵罐直径（D）、搅拌器直径（d）、液柱高度（HL）
对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：
m-------搅拌器层数。
2.9.2通气搅拌功率Pg的计算
根据设计Q取3
/min
P0－无通气搅拌输入的功率（kW）
ω－涡轮转速（r/min）
Di－涡轮直径（m）
Q－通气量（
/min），可取1－6
/min
2.9.3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
η－传动机构
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
表2-5发酵罐搅拌功率的设计计算结果
步骤项目及代号参数及结果备注
1不通气条件下的轴功率P,kw37.78kw计算
2通气条件下的轴功率P,kw34.33kw计算
3轴转数n,r/min135r/min根据参考文献【2】选取
4多层搅拌器的轴功率118.03kw计算
5电动机功率134kw计算
型号：
Y335-8根据参考文献【2】选取
6电动机选择功率:
145kw
转速：
1000r.p.m
7轴径125根据参考文献【2】选取
8传动装置三角皮带根据参考文献【2】选取
9减速装置
三角皮带型号和根数D×8根根据参考文献【2】选取
小皮带轮直径/mm
根据参考文献【2】选取
大皮带轮直径/mm
根据参考文献【2】选取
3设计小结
在此次课程设计中，通过设计了
机械通风发酵罐，该反应器利用黑曲霉菌种进行柠檬酸的发酵生产，发酵温度为310C。
反应器的材料为16MnR钢，内涂环氧树脂防腐蚀；罐体几何尺寸为公称直径2900mm,总高8120mm,；采用箭叶式3层搅拌器，利用型号为Y335-8额定功率为145kw电动机通过135mm的轴驱动；冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长220m，分为4组。
通过这次设计，我学会设计机械搅拌通风发酵罐的一般过程，学会一些基本的设计的步骤和过程，以及认真的态度。
这次我的设计是由最开始的确定课题到计算数据的整理再到画图，以及在后来的说明书的的拟订，用了两周的时间。
虽然经历了一开始资料和数据处理的不准确导致用CAD画图时出现很大的问题，经过重新计算后，得出比较理想的结果。
应该说，做课程设计是锻炼一个人的整体能力，而不仅仅是课本知识，是将知识运用到实践中一个很好的过程。
本次设计还要画装配图，虽然可以选择用autoCAD电脑画或者手工画，但基于现在PC普遍应用下，我还是选择用autoCAD画装配图，这样不仅可以学习到设计的基本思维，还熟悉了autoCAD的使用。
在电脑绘图过程中，通过查询资料也学到了很多知识。
这次设计还要谢谢老师的指导！
4参考文献
[1]吴松钢.微生物工程[M].北京：
科学出版社，2004.8
[2]郑裕国.生物工程设备[M].北京：
化学工业出版社，2007
[3]夏清，陈常贵.化工原理上册修订版[M].天津：
天津大学出版社，2005.1
[4]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
[5]潘红良，郝俊文.化工容器设计[M]杭州：
华东理工大学出版社，2006.4
[6]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
[7]钢制压力容器用封头JBT4746-2002
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