200立方米机械搅拌通风发酵罐设计方案可编辑.docx

1、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HD 17-402搅拌器六弯叶涡轮搅拌器DidiLB 2015543搅拌器直径Di D34搅拌器间距S 095-105D5最下一组搅拌器与罐底的距离C 08-10D6挡板宽度B 01D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

2、065-082发酵液物性参数密度1080kgm3粘度 20X10-3Nsm2导热系数0621WmC比热 4174kJkgC3高峰期发酵热3-35X104kJhm34溶氧系数种了罐57X 10-6mol02com发酵罐 69 X 10-6mol02com5标准空气通风量种了罐04-06vvm发酵罐02-04vvm3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04MPa夹套025 MPa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

3、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

4、温度33C 根据任务书选取 设计温度150C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

5、部几何尺寸高径比HD 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HLD 39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 4X3964 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 hahb内表面积Af 179 m2 容积 Vf 902m3可得罐筒身高HL H-2Hf 15855-2X 1050 13755mm则此时与前面

6、的假设不相近又设HLD 34所以则可知D 4306mm圆整取D 4140mmH 4D 4X4140 16560mmHL H-2Hf 16560-2X1050 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 n4 D2HL2Vf 得V 2074m3210 m3搅拌叶直径DiD 13Di 41403 1380mm搅拌叶间距S Di 1380mm底搅拌叶至底封头高度C Di 1380mm3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16Mn

7、R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32罐体壁厚其中C为壁厚附加量C C1C2C3C1-钢板负偏差其范围为013-13取Cl lmmC2-为腐蚀裕量单面腐蚀取lmm双面腐蚀取2mmC3-加工减薄量对冷加工C3 0热加工封头C3 S0X 10取C3 0代入上式C 120 3mmD 罐体直径mmp 耐受压强取04MPa巾一焊缝系数双面焊取08o 设计温度下的许用应力kgfclGMnR钢焊接压力容器许用 应力为 150C170MPaC 腐蚀裕度选用10mm的16MnR钢板制作查附表17知D 414mSl lOmmH 1656m每米筒重 988 kg M

8、筒 988X1656 1636128 kg33封头壁厚计算圆整取S2 18mmD 罐体直径mmp 耐受压强取04MPay开孔系数取23巾一焊缝系数双面焊取08o 设计温度下的许用应力16MnR钢焊接压力容器许用应力为 150C170MPa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Di 1380mm盘径 di 075Di 075X1380 1035mmDiL 4 则叶长 L Di4 138

9、04 345mm叶宽 B Di5 13805 276mm35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RF II R G450-06 HG21522-1995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II PN10 DN80 HGJ501-86-1736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VI 210X0751575物料体积流量 Q V12 15752X3600 0022m

10、3s则进料管截面积F QV 00221 0022 m2又得取无缝钢管查阅资料平焊钢管法兰GB8163-87取公称直径170mm4)180 X 5mm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20C01Mpa下的情况要这算为04Mpa33C下通风量 Q1取大值QI V1X04 1575X04 63m3min 105 m3s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 185X5mm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

11、则相应的流 速低则排料时间t 2X096 192h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180 X 5mm开在封头上排料口180 X 5mm开在罐底进气口180 X 5mm开在封头上排气口180 X 5mm开在封头上冷却水进出口127 X 3mm开在罐身补料口180 X 5mm开在封头上取样口180 X 5mm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

12、设计发酵罐装料系数取75发酵罐装料液体积VI 210X75 1575m3不计算下封头时的装液体积1575-902 14848m3装液高度单位时间传热量=发酵热X装料量即 Q Q 发XVI 35X104 X1575 5512500KJh43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4186 kJ kg Ct2-tl 冷却水进出口温度差对数平均温度差由工艺条件知道Ctl 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2090 kJ m2 h C冷却面积 A n dL冷却列管总长度m冷却水的流量W 164611204 kg h

13、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127X3mm无缝钢管d内0121m 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25d外25X0121 03025m列管与罐内壁的最小间距为 03m罐外径D 414m叶轮直径Di 138m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4X03025X0127 01537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

14、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N1UOrmin以等POV为基准放大则雷诺准数为湍流则搅拌功率准数Np 47鲁士顿Rushton J 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P47涡轮转速rmin液体密度kgm3因发酵液不同而不同一般取800 1650 kgm3本设计取涡轮直径m52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ml38mQ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

15、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Q 0205mls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

16、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

17、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

18、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

19、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KPaK总传热系数kJ m2 hCA传热面积nf口温度CD罐内径mm搅拌叶轮直径m公称直径mm粘度PgPO功率KWH罐身咼mS搅拌叶间距Hl速kg h平均温差。Cm3sC底搅拌叶轮至底封头高度mII设计结果汇总表1 200m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果 备注Q通风量m3sRe雷诺准数t冷却水进出流速ms

20、VI装液体积m3S壁厚nf密度炬m3搅拌功率准数HL罐咼mW质量流V S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 180X5mm根据

21、参考文献3选取 进出气口直径 180X5mm根 据参考文献3选取 冷却水进出口直径 127X3mm由工艺条 件确定 补料口直径 180 X 5mm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 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 5512500 kg h计算 冷却水耗量164611204 kg h计算 冷却面积25048 m2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

22、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160 kW转速2980 rmin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 300mm根据参考文献3选取 大皮带轮 直径 1100mm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

23、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

24、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

25、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HD 17-402搅拌器六弯叶涡轮搅拌器DidiLB 2015543搅拌器直径Di D34搅拌器间距S 095-105D5最下一组搅拌器与罐底的距离C 08-10D6挡板宽度B 01D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065-082发酵液物性参数密度1080kgm3粘度 20X10-3Nsm2导热系数0621WmC比热 4174kJkgC3高峰期发酵热3-35X104kJhm34溶氧系数种了罐57X 10-6mol02com发酵罐 69 X 10-6mol02com5标准空气通风量种了罐04-06vvm发酵罐02-04vvm3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04MP&夹套025 MPa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10