發(fā)酵工程設(shè)備設(shè)計(jì)

1、江蘇科技大學(xué)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)說明書題目：設(shè)計(jì)生產(chǎn)紅霉素機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 2009年5月任務(wù)書1、 題目 題目：機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)2、 設(shè)計(jì)依據(jù)、條件 1、應(yīng)用基因工程菌株發(fā)酵生產(chǎn)紅霉素，此產(chǎn)物是次級代謝產(chǎn)物。 2、發(fā)酵罐體積：50 3、高徑比為2，南方某地，蛇管冷卻。 4、初始水溫20，出水溫度28。 5、非牛頓型流體，三級發(fā)酵。三、設(shè)計(jì)項(xiàng)目、要求（1）確定工藝參數(shù)幾何尺寸，以及主要設(shè)備工作部件尺寸的設(shè)計(jì)，如：罐體封頭的壁厚、冷卻面積及用水量、攪拌軸功率等。（2）對整個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、擬定（3）一定情況下結(jié)合具體的圖形來解釋說明（4）考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐

2、體和封頭的壁厚（5）對整個發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，得出規(guī)范的說明書目錄1 設(shè)計(jì)條件（設(shè)計(jì)方案的分析）52 機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)6 2.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)6 2.2幾何尺寸的確定6 2.3主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算8 2.3.1罐體材料8 2.3.2罐體筒壁厚8 2.3.3封頭壁厚9 2.4擋板9 2.5攪拌器 10 2.6人孔和視鏡10 2.7接口管11 2.8冷卻裝置設(shè)計(jì)12 2.8.1冷卻方式選擇12 2.8.2冷卻用水量計(jì)算12 2.8.3冷卻面積的計(jì)算13 2.9攪拌軸功率的計(jì)算14 2.9.1不通氣條件下的軸功率P0計(jì)算 14 2.9.2通氣攪拌功率Pg的計(jì)算 153設(shè)計(jì)小結(jié)18 4參考

3、文獻(xiàn)18摘要 此為我設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐說明書，我設(shè)計(jì)的是一臺50的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)紅霉素，發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動裝置,軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設(shè)計(jì)就是要對機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算，再確定主要設(shè)備工作部件尺寸的設(shè)計(jì)，如：罐體封頭的壁厚、冷卻面積及用水量、攪拌軸功率。本說明書結(jié)合了個人所學(xué)知識繪制出裝配圖，讓機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐具體形象的展現(xiàn)在眼前，一目了然。通過精細(xì)的計(jì)算和設(shè)計(jì)繪制，使此次設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐能達(dá)到生產(chǎn)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用并服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐。關(guān)鍵詞 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 紅霉素 設(shè)計(jì)繪制 生產(chǎn)第1章 設(shè)計(jì)方案的分析、擬定 我設(shè)計(jì)的是一臺50M

4、3機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐,發(fā)酵生產(chǎn)紅霉素。經(jīng)查閱資料得知生產(chǎn)紅霉素的菌種有紅色鏈霉菌、紅霉素鏈霉菌、紅色糖多孢菌，綜合最適發(fā)酵溫度、PH、等因素選擇紅霉素鏈霉菌，該菌種最適發(fā)酵溫度為31，pH為6.67.2，培養(yǎng)基為發(fā)酵培養(yǎng)基，主要成分為淀粉10%、黃豆餅粉5%、硫酸銨0.5%、磷酸二氫鉀0.2%、碳酸鈣2%。發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動裝置,軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設(shè)計(jì)就是要對機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算；考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐體和封頭的壁厚；根據(jù)發(fā)酵微生物產(chǎn)生的發(fā)酵熱、發(fā)酵罐的裝液量、冷卻方式等進(jìn)行冷卻裝置的設(shè)計(jì)、計(jì)算

5、；根據(jù)上面的一系列計(jì)算選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置，和人孔等一些附件的確定,完成整個裝備圖，完成這次設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)包括一套圖樣，主要是裝配圖，還有一份說明書。而繪制裝配圖是生物工程設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)核心內(nèi)容，繪制裝配圖要有合理的選擇基本視圖，和各種表達(dá)方式，有合理的選擇比例，大小，和合理的安排幅面。說明書就是要寫清楚設(shè)計(jì)的思路和步驟。壓力P除注明外，壓力均指表壓力，單位用MPa表示。工作壓力指在正常情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。設(shè)計(jì)壓力指設(shè)定的容器頂部的最高壓力。它與設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不小于工作壓力。 一般在裝有安全閥時Pd=(1.051.1)Pw 當(dāng)無安全閥時，Pd=(1.

6、01.05)*1、設(shè)計(jì)壓力 容器的設(shè)計(jì)壓力是指相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓溫度下，用以確定殼體厚度的壓力，其值不得小于最高工作壓力。容器的最高工作壓力是指在正常操作情況下，容器頂部可能出現(xiàn)的最高表壓力。*2、設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)溫度是指容器在正常操作情況，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下設(shè)定的受壓元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。當(dāng)元件的金屬溫度大于等于0時設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度，當(dāng)元件金屬溫度低于0時設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。表1-1 發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件步驟項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果備注1發(fā)酵菌種紅色鏈霉菌由工藝條件確定2工作壓力00.1MPa由工藝條件確定3設(shè)計(jì)壓力0.20.3MP

7、a由工藝條件確定4發(fā)酵溫度31根據(jù)參考文獻(xiàn)“現(xiàn)代工藝級生物學(xué)”選取5設(shè)計(jì)溫度溫度100140由工藝條件確定6冷卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定7培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基，主要成分為淀粉10%、黃豆餅粉5%、硫酸銨0.5%、磷酸二氫鉀0.2%、碳酸鈣2%根據(jù)參考文獻(xiàn)“現(xiàn)代工藝級生物學(xué)”選取第二章機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 2.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)夾套反應(yīng)釜主要由攪拌容器，攪拌裝置，傳動裝置，軸封裝置，支座，人孔，工藝接管和一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由封頭和筒體組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝設(shè)計(jì)而定；傳動裝置是為為帶動攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機(jī)，減速器

8、，聯(lián)軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般采用機(jī)械密封或填料密封；它們與支座，人孔，工藝接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜。2. 2 幾何尺寸的確定 根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸； 高徑比H/D=2 初步設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積。 公稱體積 罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和。1、 全體積公稱體積和上封頭體積之和：H/D=1.73.5Di/D=1/21/3B/D=1/81/12C/Di=0.81.0S/Di=25/D=2Di 攪拌葉直徑D罐體直徑 罐體直筒部位高度 B 擋板寬度ha 橢圓封頭短半軸長度S 攪拌葉間距C 底攪拌葉至底封頭高度hb橢圓封頭的直邊高度設(shè)H

9、/D=2.3，且公稱體積為50 Di = 1/3D Ho = 2 D B = 0.1D ha = 0.25D S = 3Di C = Di由圖得則=50得D=3.015m查表得當(dāng)公稱體積為50時D=3000mm所以取D=3m則H=2.3D=6.9mDi = 1/3D=1mHo = 2 D=6m B = 0.1D=0.3mha = 0.25D=0.75mS = 3Di=3mC = Di=1m全體積=表2-1 50m3發(fā)酵罐的幾何尺寸步驟項(xiàng)目及代號參數(shù)及計(jì)算結(jié)果備注1公稱體積50設(shè)計(jì)條件2全體積57.63D3m46m查表5B0.3mB=0.1D6S3mS=3Di=D7C1mC=Di=D/38ha0

10、.75mha=0.25D2.3主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式 發(fā)酵罐材料可以選用碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。相對其他工業(yè)來說，發(fā)酵液對鋼材的腐蝕不大，但必須能耐受一定的壓力和溫度，通常要求耐受130150 的溫度和0.3MPa的壓力。 例如：腐蝕性不大的發(fā)酵液，如酶制劑發(fā)酵可以選用16MnR鋼；檸檬酸為弱酸，對罐體使用A3鋼會有腐蝕，使用不銹鋼成本較高。考慮使用A3鋼為材料，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐。即可達(dá)到要求，又降低成本。 綜合各因素，該發(fā)酵罐發(fā)酵生產(chǎn)紅霉素，由于發(fā)酵液腐蝕性不大，我們選擇不銹鋼16MnR鋼2.3.2 罐體壁厚

11、：取決于罐徑及罐壓的大小取D=3m, p=0.3MPa, 雙面焊縫=0.8， =137MPa, C=3mm則D罐體直徑（mm）p耐受壓強(qiáng) (設(shè)計(jì)壓力) 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0 罐體金屬材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力(不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，137MPa)C 腐蝕裕度，當(dāng) C10mm時，C3mm 壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范和制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會： GB150鋼制壓力容器在1989年3月第一版，1998年第二版 JB4732鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 1995年 JB/T4735鋼制焊接常壓容器 1989年 JB/T4700-4707壓力容器法蘭 2000年 鋼

12、材的使用上限不超過GB150-1999的各許用應(yīng)力表的各鋼號所對應(yīng)的上限溫度。2.3. 3封頭壁厚計(jì)算：常大于罐體壁厚已知：取雙面焊=0.8、D=3000mm、P=0.3MPa、K=2.3、t=1求得：D罐體直徑（mm） p耐受壓強(qiáng) (取0.3MPa)K開孔系數(shù)，取2.3 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0 設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，137MPa） C 腐蝕裕度，當(dāng) C10mm時，C3mm 2.4擋板通常擋板寬度b取(0.10.12)D，裝設(shè)46塊即可滿足全擋板條件。根據(jù)下式計(jì)算擋板數(shù)n：取b=0.1D, 得出擋板數(shù)n=5塊式中 b擋板寬度，mm； D罐內(nèi)

13、徑，mm； n擋板數(shù)，mm。 2.5攪拌器 采用渦輪式攪拌器，選擇攪拌器種類和攪拌器層數(shù)，根據(jù)d確定h和b的值尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大；葉徑: d=(0.30.4)D 盤徑: di= 0.75 d葉高: h = 0.3d葉長: b = 0.25 d根據(jù)D=3m,得葉徑d=0.35D=1.05m所以：盤徑: di= 0.75 d=0.7875m 葉高: h = 0.3d=0.315m 葉長: b = 0.25 d=0.2625m 2.6人孔和視鏡 人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。 本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了1個人孔，標(biāo)準(zhǔn)

14、號為： HG215151995 人孔（RA2707） 450，開在頂封頭上，位置：角度。視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了2個視鏡，開在頂封頭上，位置：角度 。 2.7接口管 管道接口： 進(jìn)料口：采用法蘭接口，法蘭型號：PN0.6,DN50,HG20592-1997，接口管直徑3.5mm，開在封頭上，位置：角度45度； 排料口：采用法蘭接口，法蘭型號：PN0.6,DN50,HG20592-1997，接口管直徑4.2mm，開在罐底； 進(jìn)氣口： 3.2mm，開在封頭上，位置：角度75度 ； 排氣口： 3.6mm，開在封頭上，位置：角60度 ； 冷取水進(jìn)、出口：采用法蘭接口，法蘭型號：P

15、N0.6,DN25,HG20592-1997，接口管直徑30mm，開在罐身圓柱體上； 補(bǔ)料口： 3.0mm，開在封頭上； 取樣口： 3.5mm ，開在封頭上； 儀表接口： 液位計(jì)：采用標(biāo)準(zhǔn)：HG51368 型號：R61 法蘭型號：； 直徑： mm ，開在罐身上； 溫度計(jì)：Pt100型，D=100mm 壓力表：彈簧管壓力表（徑向表),d1=20mm,精度2.5，型號Y-250Z,開在封頭上 溶氧探頭：SE-N-DO-F pH探頭：PHS-2型法蘭的標(biāo)準(zhǔn) 國家標(biāo)準(zhǔn)（GB911129131-88）鋼制管法蘭 管法蘭（HG50015028-58） 壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)（JB11571164-82）表2-2

16、 發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果步驟項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果備注1罐體材料16MnR鋼由工藝條件確定2罐體壁厚7.1mm計(jì)算3人孔700查閱文獻(xiàn)得4封頭壁厚12.45mm計(jì)算5擋板寬度0.3m計(jì)算6擋板數(shù)5個計(jì)算7攪拌器種類6-6-6箭葉查閱文獻(xiàn)得8攪拌器層數(shù)3查閱文獻(xiàn)得9攪拌器直徑1m計(jì)算2.8冷卻裝置的設(shè)計(jì)（1）冷卻方式：發(fā)酵罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用列管或蛇管冷卻，使用水作冷卻介質(zhì)。 （2）裝料量發(fā)酵罐裝料系數(shù)：60%發(fā)酵罐裝料液體積：v1=全體積裝料系數(shù)=57.660%=34.56不計(jì)算下封頭時的裝液體積： =30.5則：裝液高度：=4.32m （3）單位時間

17、傳熱量單位時間傳熱量發(fā)酵熱裝料量,查得紅霉素發(fā)酵熱為26300kJ/m3*h 即：查閱文獻(xiàn)得各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱發(fā)酵液發(fā)酵熱kJ/m3*h青霉素絲狀菌23000青霉素球狀菌13800鏈霉素18800四環(huán)素25100紅霉素26300谷氨酸29300賴氨酸33400檸檬酸11700酶制劑14700-18800（4） 冷卻水用量（W）已知Q=252.48kJ/m3,得：=/s注：Q單位時間傳熱量Cp冷卻水的平均比熱，取4.186 kJ/ (kg ) 冷卻水進(jìn)出口溫度差已知=31,對數(shù)平均溫差 =注：t1冷卻水進(jìn)口溫度 t2冷卻水出口溫度 t發(fā)發(fā)酵溫度（5） 冷卻面積（A）已知：Q=252.48kJ/m

18、3 , 取K=kJ/(m2 h) =注： 對數(shù)平均溫度差 K傳熱總系數(shù)，取1.62.1103 kJ/(m2 h)根據(jù)生產(chǎn)情況取整則A=75m2 不同的冷卻蛇管的K值不同，發(fā)酵溫度低的發(fā)酵液選擇K值大（傳熱效率高）的冷卻蛇管冷卻面積() 查表得蛇管規(guī)格mm, 所以d=573.5*2=50mm冷卻蛇管總長度(m) =根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況取整L=480M，如果分為6組，則每組為80M。每圈蛇管長度：設(shè)Dp=2.8m, hp=0.15m =注：D蛇管圈直徑hp 蛇管圈之間的距離每組蛇管總?cè)?shù)：=477.5/8.8=54圈每組蛇管總高度：=（54-1）*0.15=7.95m表2-3 50發(fā)酵罐冷卻裝置設(shè)計(jì)計(jì)

19、算結(jié)果參數(shù)項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果備注1發(fā)酵罐裝料系數(shù)60%由工藝條件確定2裝料量34.56v1=全體積裝料系數(shù)3單位時間傳熱量252.48kg/m3*sQ=Q發(fā)*V14冷卻水耗量（W）7.45kg/s5冷卻面積（）73.86冷卻蛇管規(guī)格（mm）查閱文獻(xiàn)7冷卻蛇管總長度(m)477.5m8冷卻蛇管高度（m)7.95m2.9 攪拌器軸功率的計(jì)算（單只攪拌槳）2.9.1不通氣條件下的軸功率P0計(jì)算魯士頓(Rushton J. H.)公式： 注：P0無通氣攪拌輸入的功率（W）；NP功率準(zhǔn)數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）；L液體密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一般取8001650

20、 kg/m3 ；Di渦輪直徑（m）； 圓盤六平直葉渦輪 Np6圓盤六彎葉渦輪 Np4.7圓盤六箭葉渦輪 Np3.7已知：Np3.7， 查得=135r/min, Di=125mm 取液體密度得：由于一般發(fā)酵罐中 D/d3 , 因此攪拌功率可用下式校正：f為校正系數(shù)，它由下式來確定： 注：發(fā)酵罐直徑（D）、攪拌器直徑(d)、液柱高度()已知：D=3m, d=1000mm=1m,所以：所以：對于多層攪拌器的軸功率可按下估算：=*(0.4+0.6*3)=w注：m-攪拌器層數(shù)，查閱得m=3。2.9.2通氣攪拌功率Pg的計(jì)算注：P0無通氣攪拌輸入的功率（W） 渦輪轉(zhuǎn)速（r/min） Di 渦輪直徑（m）

21、Q通氣量（m3/min），取16 m3/min，通氣量的大小取決于菌種需氧量及發(fā)酵液粘度大小已知：P0=w, =135r/min, Di=125mm, 取Q=5m3/min求得：=26.8w2.9.3電機(jī)及變速裝置選用根據(jù)攪拌功率選用電動機(jī)時，應(yīng)考慮傳動裝置的機(jī)械效率。注：Pg攪拌軸功率 軸封摩擦損失功率，一般為1% Pg 傳動機(jī)構(gòu)效率 三角皮帶的效率是 0.92，滾動軸承的效率是 0.99，滑動軸承的效率是0.98 已知：Pg=26.8w, 查表得為三角皮帶，則=0.92，=1% Pg=0.268w23求得：機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1軸封 ； 2、20人孔； 3梯； 4聯(lián)軸；5中間軸承； 6溫度

22、計(jì)接口；7攪拌葉輪； 8進(jìn)風(fēng)管；9放料口； 10底軸承；11熱電偶接口；12冷卻管；13攪拌軸； 14取樣管；15軸承座； 16傳動皮帶；17電機(jī)； 18壓力表；19取樣口； 21進(jìn)料口；22補(bǔ)料口； 23排氣口；24回流口； 25視鏡； 圖2.1 大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖查閱文獻(xiàn)知：機(jī)械傳動的效率傳動機(jī)械h，%三角皮帶9095傘齒輪9095正齒輪9095渦輪（三線或四線）7090渦輪（雙線）6080攪拌軸直徑的確定（1）軸徑應(yīng)同時滿足強(qiáng)度、剛度、臨界轉(zhuǎn)速等條件。（2）在確定軸的結(jié)構(gòu)尺寸時，還應(yīng)考慮軸上鍵槽及開孔所引起的局部削弱，軸徑應(yīng)適當(dāng)增大。（3）軸徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)公稱軸徑系列，如30、40、50、65、80、95、110等。 d=A (p/n) (1/3)系數(shù)A可以取97-149(根據(jù)所選軸的材料確定），P為功率（單位Kw），n為轉(zhuǎn)速（單位轉(zhuǎn)/分）表2-4 發(fā)酵罐攪拌功率的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果步驟項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果備注1不通氣條件下的軸功率P,kWw計(jì)算2通氣條件下的軸功率P,kW26.8w計(jì)算3軸轉(zhuǎn)數(shù)n,r/min200有工藝條件決定4多層攪拌器的軸功率w計(jì)算5電動機(jī)功率29.4w計(jì)算6電動機(jī)選擇Y280M875kw730r/min查表7軸徑125mm查表8傳動裝置三角皮帶查表第三章設(shè)計(jì)小結(jié) 在此次課