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1、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
2、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
3、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1 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pH 23 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，
4、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。142. 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=290
5、0mm，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=8120-7652=6590mm，由此可得Di = 1/3D= 1/32900=966.77mm 取整970mmB = 0.1D=0.12900=290mmS = 3Di=3970=2910mmC = Di=970mmHa=0.25D=0.252900=725mmHb=765-725=40mmhb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
6、直 换热面 转速 电机功量 H（mm） 径 mm 积 r/min 率 kw10 3200 1800 12 150 7.5 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100100 9400 3600 114 170 130200 11500 4600 221 142 215表2-2 50m3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
7、体积 50m3 2 全体积 53.12 m3 3 D 2900mm 4 H 8120mm 5 H0 6190mm 6 B 290mm 7 S 2910mm 8 C 970mm 9 Ha 725mm 10 Hb 40mm 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D500mm，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) 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝
8、焊取1.0 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 C10mm时，C3mm2.3.3 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 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 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 C10mm时，C3mm2.4、挡板挡板宽度b取0.1D，装设46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
9、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=13/201000=650mm叶高: h = 3.5/20d =3.5/201000=175mm 叶长: b = 0.25 d=0.251000=250mm2.6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： HG215201995 人孔（RA2707） 500-1.0，直径为600mm，高度为260mm，开在顶封头
10、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PN1.6，DN100A HG21505-1992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PN0.6 DN150,接口管规格 1594.5mm，开在封头上。排料口：法兰型号为PN0.6 DN200,接口管规格 2094.5mm，开在罐底。进气口：法兰型号为PN0.6 DN150,接口管规格 1594.5mm，开在封头上。排气口：法兰型号为PN0.6 DN15
11、0,接口管规格 1594.5mm，开在封头上冷却水进、出口：894mm，开在罐身；补料口：法兰型号为PN0.6 DN150,接口管规格 1594.5mm，开在封头上。取样口：法兰型号PN0.6 DN65,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（26014）mm ，开在罐身上；溶氧探头：TN-2509pH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
12、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 1594.5mm 10 排料口直径 1594.5mm 11 冷却水进、出口 894
13、mm 12 进气口 1594.5mm 13 排气口 1594.5mm 14 补料口 1594.5mm 15 取样口 DN65mm 16 温度计 DN32mm 17 压力表 DN25mm 18 液位 550（26014）mm 19 溶氧探头 DN63mm 20 PH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=53.1280%=42.5不计算下封头时的装液体积：v柱=v1-下封
14、头体积 装液高度：单位时间传热量发酵热装料量，即：Q=1170042.5=4.98KJ/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 14700-188002.8.3 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4.186 kJ/ (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
15、（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=dL 冷却蛇管总长度(m) d蛇管内径，d外径壁厚 603.5mm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，3mhp 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+（0.12）=1.92+0.97+（0.10.062）=2.91m因DD=3.4m,所
16、以蛇管能全部放进发酵罐内部，而且高度低于液柱高度，故蛇管的设计符合要求。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 4.98KJ/ 4 冷却水耗量（W） 1.49104kg/h 5 冷却面积（m3） 35.42m3 6 冷却蛇管规格（mm） 303.5mm 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(Rushton J. H.)公式：无通气搅拌输
17、入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；涡轮转速（r/min）；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；D 涡轮直径（m）；圆盘六平直叶涡轮 NP6圆盘六弯叶涡轮 NP4.7圆盘六箭叶涡轮 NP3.7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 /minP0无通气搅拌输入的功率（kW）涡轮转速（r/min）Di 涡轮直径（m）Q通气量（/min），可取16 /m
18、in2.9.3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,kw 37.78kw 计算2 通气条件下的轴功率P,kw 34.33kw 计算3 轴转数n,r/min 135 r/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 134k
19、w 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.m7 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 D8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
20、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auto CAD电脑画或者手工画
21、，但基于现在PC普遍应用下，我还是选择用auto CAD画装配图，这样不仅可以学习到设计的基本思维，还熟悉了auto CAD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，2004.82 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20073 夏清，陈常贵.化工原理上册修订版M.天津：天津大学出版社，2005.14 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，2004.75 潘红良，郝俊文.化工容器设计M杭州：华东理工大学出版社，2006.46 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，20057 钢制压力容器用封头JBT4746-2002
