发酵罐设计说明书.docx

1、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

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 .1.2.2.2.3.3.3.4.4.4.5.5.5.6.6.6.6.8.8.9.9.9.1.1.1.2.1.2.1.2.1.4.1.5.1.5.1.6.1.7.1.8.1.9.1.9.2.1.2.2.2.2.2.4.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

3、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

4、（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=1.7-4.02搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器，Di：di：L:B=20:15:5:43搅拌器直径：Di=D/34搅拌器

5、间距：S=（ 0.95-1.05）D5最下一组搅拌器与罐底的距离： C=（0.8-1.0） D6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 0.65-0.82发酵液物性参数：密度1080kg/m 3 ;粘度2.0X10-3N.s/m 2 ;导热系数 0.621W/m. C； 比热 4.174kJ/kg. C3高峰期发酵热3-3.5 xi04kJ/h.m34溶氧系数：种子罐 5-7 X10-6mol0 2/ml.min.atm ；发酵罐 6-9 X10-6mol0

6、2/ml.min.atm5标准空气通风量：种子罐 0.4-0.6vvm ;发酵罐0.2-0.4vvm3、 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 0.4MPa；夹套 0.25 M Pa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

7、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33 r发酵液比热4.174kJ/kgC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8 X10-6molOz/ml.mi n.atm发酵液密度1080kg/m 3标准空气通风量0.3vvm装料系数0.7冷却水出口温度25 C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

8、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

9、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1F11实罐灭 r r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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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=23，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，

15、高径比为 H/D=2.5，贝U H=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 (2hb H1)4 4 3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1000m 3；由参考文献1可得:而发酵罐的公称体积近似为：9 qV公=（n/4） D H+0.15D ,将数据代入上述公式可得2 31000=(冗/4 ) D (2.5D)+0.15DD=7.79m圆整后取 7800mm，贝U H=2.5D=19500mm。椭圆形封头

16、体积：Vi 4 D 2(3 hb Hi)4 3全体积：V=V公+Vi由钢制压力容器用封头(JB/T 4746-2002)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：Vi D2(- hb Hi)4 3圆筒体的体积为：3.14 2 2= 7.8 ( 1.95 0.05)4 3=64.48(m 3)V0 D2H4二314 7.82 19.543=931.31(m )则公称体积为：V公 1 V。V,=64.48 931.31=995.79( m3)全体积为：

17、v V公 V=995.79+64.483=1060.27(m )有效体积为：V有V=1060.27 0.73=742.189(m )公称体积验证：1000995.79，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! C22 0.5p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 =7800 mm； 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）;C C1 C2,其中C1=0.8 （参考文献3钢板负偏差G表），C2=

18、1伽（低合金钢单面腐蚀）。数据代 入上式可得:0.8 10.99 m0.4 7800 ,1=14 m厚的 16MnRd2 170 1 0.4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。0.4 7800d1 0.8 10.98 m2 170 1 0.5 0.4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(D e) 0.9式中：Pt 1.25p 0.4 1.25 0.5 Mpa ; e = n C =14-1.8=12.2 mm,s =345 Mpa (参考文献3钢板许用应

19、力表)T 0.5(7800 12.2)160.09W 0.9 s=0.9 X345=310.5 Mpa2 12.2 1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:L:B=20:15:5:4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=0.5 X7.8=3.9m。2.2.2、搅拌

20、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)极限极限217-255640355275155103(1 )、搅拌轴的直径计算搅拌轴的直径d搅=An-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=K nSp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:n2n1d1d2其中：m 模型搅拌器的转速，n=110r/min ；d1

21、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：2n2=110 x( 2.6 ) =59.92r/min=1.0r/s3 5 3 5P=Kn Di p=4.7 X1.0 X2.6 X1080=603.098KWd搅=人X103=0.2m(2)、搅拌轴的高度底距选择0.2D=0.2 X7.8=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

22、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=6m 3/min,则Pg=C(P2 nD0.56 G）,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=0.157 X0.157 (603260 2.63056)0.45=728.5732kw2.2.3、电机功率Pt P 1.01选择大功率型的电动机：1 2 3采用三角带传动n 1=0.

23、92 ；滚动轴承n 2=0.99，滑动轴承n 3=0.98;端面密封增加功率为1%代入公式数值得：729F电 1.01 825kw0.92 0.99 0.982.3、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/m3 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1470018800由上表可得柠檬酸的发酵热为：3Q=1

24、1700KJ/ (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25Ctm(tF t1 ) (tF t2)(33 18) (33 25)tdt233 2511.14 C(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：QK tm式中：S传热面积，m2Q 单位时间传热量，kJ/htm平均温度差，CK 总传热系数，kJ/(m2hS=68.68 102100 11.14371m2实际情况采用380 m2(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

25、公式:Q发Cp(t2 式中：Q发 单位时间传热量，kJ/ht2-tl 冷却水进出口温度差把W=Q 发 = 8.68 106Cp(t2 t,) = 4.174 (25 18)2.97 105Kg/h 82.5Kg/s 0.0825m3/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:0.0825m22.3.3、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do总、0.785n其中 do 0.102m查金属材料表选取 108X3.5mm无缝管冷却管总长L:3803.14 0.

26、1081120m每圈列管的长度:1= ( D冷)2 h2 =、(3.14 3)2 0.152 9.42m其中：D冷-蛇管圈直径;h-蛇管间距离每组蛇管圈数:N L I 12n总圈数：12 20 120 (圈)冷却管总高度：H 冷(N 1) h (120 1) 0.15 17.85m2.4零部件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NBT 47017-2011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

27、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/T 215142005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/T 21516 2005 人孔 RFH( A.G) 5000.6(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 EEx d IIC T3。视镜分别安装在上封头对称的两侧。该视镜标记为：视镜 PN0.6 DN150 llB-W242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

28、料管设发酵醪液流速v=2m/s , 2h排尽。发酵罐料液体积： Vi= 1060.27 0.7=742.189m3,物料体积流量 Q=742.189/(3600 X2) =0.1031m 3/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273X6.5mm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- 0.6 RF Q235A。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 742.189 0.3 222.657(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： Qf 3.711 01 273 33 0.969(m3/s);0.4 273 20Qf 0 969 2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、0.7850.223( m)Vf 252而Af 0.785df ;则进风管直径df为：df查化工