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发酵罐设计说明书

前言

第一章、概述

1.1、柠檬酸

1.2、柠檬酸的生产工艺

1.3、机械搅拌通风发酵罐

1.3.1、通用型发酵罐的几何尺寸比例.

1.3.2、罐体

1.3.3、搅拌器和挡板

1.3.4、消泡器

1.3.5、联轴器及轴承

1.2.6、变速装置

1.3.7、通气装置

1.3.8、轴封

1.3.9、附属设备

第二章、设备的设计计算与选型

2.1、发酵罐的主要尺寸计算

2.1.1、圆筒体的内径、高度与封头的高度2.1.2、圆筒体的壁厚

2.1.3、封头的壁厚

2.2、搅拌装置设计

2.2.1、搅拌器

2.2.2、搅拌轴设计

2.2.3、电机功率

2.3、冷却装置设计

2.3.1、冷却方式

2.3.2、冷却水耗量

2.3.3、冷却管组数和管径

2.4零部件

2.4.1人孔和视镜

2.4.2接管口

2.4.3、梯子

2.5发酵罐体重

2.6支座的选型

第三章、计算结果的总结

设计总结

附录

符号的总结

参考文献

.1.

.2.

2..

.3.

3..

.4..

5..

.5.

6..

.6..

8..

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.9..

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1..1..

1..2..

.1..4.

1..5..

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1..6..

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1..9..

.2..1.

.2..2.

.2.2..

.2..4.

生物工程设备课程设计任务书

一、课程设计题目

1000m3的机械搅拌发酵罐”的设计。

二、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。

三、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

4、设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。

四、设计的基本依据

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：

B=20:

15:

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2.0X10-3N.s/m2;

导热系数0.621W/m.C；比热4.174kJ/kg.C

3高峰期发酵热3-3.5xi04kJ/h.m3

4溶氧系数：

种子罐5-7X10-6mol02/ml.min.atm；发酵罐6-9X10-6mol02/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18-20C

冷却水出口温度：

23-26C

发酵温度：

32-33C

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

刖言

机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需的氧气。

有机酸的种类很多，此次选择的是柠檬酸。

柠檬酸发酵为好氧发酵，所以采用机械搅拌通风发酵罐。

本设计说明书主要说明了罐体和附件的选材、选型、结构尺寸、壁厚等方面。

此次的设计参数如下:

项目及代号

参数

项目及代号

参数

工作压力

罐内0.36MPa;夹

套0.23MPa

发酵液粘度

2.0X10-3N.s/m2

设计压力

罐内0.4MPa；夹套

0.25MPa

发酵液导热系数

0.621W/m.°C

发酵温度

33r

发酵液比热

4.174kJ/kg「C

冷却水：

地下水

温度

18C

高峰期发酵热

3.4X104kJ/h.m3

冷却装置

列管冷却

溶氧系数

8X10-6

molOz/ml.min.atm

发酵液密度

1080kg/m3

标准空气通风量

0.3vvm

装料系数

0.7

冷却水出口温度

25C

第一章、概述

1.1、柠檬酸

柠檬酸是一种重要的有机酸，又名枸橼酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭有很强的酸味，易溶于水。

其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。

结晶时控制适宜的温度可获得无水柠檬酸。

在工业，食品业，化妆业等具有极多的用途。

柠檬酸发酵有固态发酵、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。

采用固态发酵生产柠檬酸，设备简单，操作容易。

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。

1.2、柠檬酸的生产工艺

原料

粉碎

培养基

配置

环境空气

*连消

实罐灭

■rr」

试管斜

过滤

*实罐液

原始菌

种

麸曲菌种

空压

空气进

化系统

1.3、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。

131、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二2.5;最下一组搅拌器与罐底的距离：

C=0.5D。

1.3.2、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130C和0.25MPa（绝压）

1.3.3、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。

1.3.4、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。

1.3.5、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。

1.2.6、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。

1.3.7、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。

1.3.8、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<50mm用单弹簧，轴

径》50mm用多个小弹簧。

139、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

2.1、发酵罐的主要尺寸计算

2.1.1、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，贝UH=2.5D。

设计条件给出的是发酵罐的公称体积（1000m3），而

罐的全体积（V）:

V=V0+2V1

公称体积：

筒身体积+底封头体积

-D2H-D2（2hbH1）

443

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:

而发酵罐的公称体积近似为：

V公=（n/4）DH+0.15D,将数据代入上述公式可得

1000=（冗/4）D（2.5D）+0.15D

D=7.79m

圆整后取7800mm，贝UH=2.5D=19500mm。

椭圆形封头体积：

Vi4D2（3hbHi）

全体积：

V=V公+Vi

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D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hb=1950mm;而H产50口口。

椭圆形封头的体积为：

ViD2（-hbHi）

圆筒体的体积为：

3.1422

=7.8（—1.950.05）

=64.48（m3）

V0D2H

二3147.8219.5

=931.31（m）

则公称体积为：

V公1V。

=64.48931.31

=995.79（m3）

全体积为：

vV公V

=995.79+64.48

=1060.27（m）

有效体积为：

V有V

=1060.270.7

=742.189（m）

公称体积验证：

1000〜995.79，即V公"V公1，因此可认为D=7800mm是合适的.

2.1.2、圆筒体的壁厚d

-^P^C!

20.5p

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。

设计壁厚:

式中：

p表示设计压力，p=0.4MPa;D=7800mm；t=170MPa（参考文献［3］钢板

许用应力表）；=1.0（双面对接焊缝，100%探伤，焊接头系数表）;CC1C2,

其中C1=0.8（参考文献［3］钢板负偏差G表），C2=1伽（低合金钢单面腐蚀）。

数据代入上式可得:

0.810.99m

0.47800,

=14m厚的16MnR

217010.4

圆整后取

2.1.3、封头的壁厚

由前面可知本设计采用标准椭圆形封头

设计壁厚讥，按下列公式计算：

式中：

=1.0，符号同前面。

0.47800

10.810.98m

217010.50.4

圆整后取n=14伽厚的16MnR钢板制作封头。

校核罐体与封头水压试验强度，根

据下列公式:

Pt（De）

<0.9

式中：

Pt1.25p0.41.250.5Mpa;e=nC=14-1.8=12.2mm,

s=345Mpa（参考文献［3］钢板许用应力表）

T0.5（780012.2）〜160.09W0.9s=0.9X345=310.5Mpa

212.21

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D1=D/3，D1d:

B=20:

15:

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D1=2.6m;盘径d1=1.95m;叶长L=O.63m；叶高B=0.52m;最下一组搅拌器与罐底距离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

抗拉强度

屈服点

弯曲疲劳

剪切疲劳

A值

（HBS）

极限

217-255

640

355

275

155

103

（1）、搅拌轴的直径计算

搅拌轴的直径d搅=A

n-轴的转速。

式中：

P-轴传递功率；A-取决于材料许用剪切力的系数;

P=KnSp

式中：

K—取湍流值为4.7;Di—搅拌器的直径2.6;n—转速；p—柠檬酸发酵液密度1080kg/m3。

搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m,转速Ni=110r/min。

以等Po/V（单

位体积液体所分配的搅拌轴功率相同）为基准放大求得.

即:

其中：

m模型搅拌器的转速，n=110r/min；

d1――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：

n2=110x（2.6）=59.92r/min=1.0r/s

3535

P=KnDip=4.7X1.0X2.6X1080=603.098KW

d搅=人

X103=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

不通气条件下的轴功率

根据以上Po的确定，Po=6O3.O98KW

通气条件下的轴功率

根据设计要求QG=6m3/min,则

Pg=C（

P2nD「

0.56G

）,C值为0.101-0.157,n为搅拌转速r/min，Qg为工况下的通气量

m3/min,P为搅拌器的轴功率

即Pg=0.157X0.157（

6032

602.63

■056

）0.45=728.5732kw

2.2.3、电机功率

Pt—P^1.01

选择大功率型的电动机：

123

采用三角带传动n1=0.92；滚动轴承n2=0.99，滑动轴承n3=0.98;端面密封增加

功率为1%代入公式数值得：

729

F电1.01825kw

0.920.990.98

2.3、冷却装置设计

2.3.1、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。

2.3.2、冷却水耗量

各类发酵液的发酵热

发酵液

发酵热（kJ/m3h）

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

由上表可得柠檬酸的发酵热为：

Q=11700KJ/（h.m）

（1）对数平均温度差

，则平均温度差△tm为:

发酵液温度为33C，冷却水进口温度为18C，出口温度25C

（tFt1）（tFt2）

（3318）（3325）

3325

11.14C

（2）总传热系数

根据经验取值为：

K=2100KJ/（m2.h.C）

（3）冷却面积

根据传热面积传热方程式计算如下所示：

K△tm

式中：

S——传热面积，m2

Q单位时间传热量，kJ/h

△tm――平均温度差，C

K总传热系数，kJ/（m2h

8.6810

210011.14

371m2

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18C、25C,则根据公式:

Q发

Cp（t2⑺

式中：

Q发单位时间传热量，kJ/h

t2-tl――冷却水进出口温度差

把W=

Q发=8.68106

Cp（t2t,）=4.174（2518）

2.97105Kg/h82.5Kg/s0.0825m3/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,

根据流体力学方程式，冷却管总截面积:

0.0825m2

2.3.3、冷却管组数和管径

设冷却管总表面积为S总，管径do，组数为n,则取n=10，求管径。

由上式得:

S总

总、

0.785n

其中do0.102m

冷却管总长L:

380

3.140.108

1120m

每圈列管的长度:

1=（D冷）2h2=、、（3.143）20.1529.42m

其中：

D冷-蛇管圈直径;

h-蛇管间距离

每组蛇管圈数:

NLI12

总圈数：

1220120（圈）

冷却管总高度：

H冷（N1）h（1201）0.1517.85m

2.4零部件

2.4.1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RFH（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PN0.6DN150ll£B-W

242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：

Vi=1060.270.7=742.189m3,物料体积流量Q=742.189/

（3600X2）=0.1031m3/s，则排料管截面积F=Q/v=0.052m，又F=0.785d，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=通气速率（单位：

m3/min）/发酵液体积（单位：

m3）；

则通风量Q风为：

Q风742.1890.3222.657（m3/min）=3.711（m3/s）.5

把通风量在常温20C、0.1MPa的情况下，要折算成0.4MPa、33C的状态下。

则此时的通风量为：

根据气态方程式可得：

Qf3.71101273330.969（m3/s）;

0.427320

Qf09692

若取风速Vf=25（m/s），则进风管截面积Af为：

A一一一0.039（m2）

0.039

'、0.785

0.223（m）

Vf25

而Af0.785df;则进风管直径df为：

查《化工

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