20M3機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

1、課程設(shè)計(jì)課程名稱生物工程設(shè)備課程設(shè)計(jì)題目名稱20M3機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐學(xué)生學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)J24學(xué)生姓名指導(dǎo)教師1設(shè)計(jì)方案的擬定2.2罐體幾何尺寸的確定4.2.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)4.2.2幾何尺寸的確定4.3罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算9.3.1 罐體9.3.2罐體壁厚.103.3封頭壁厚計(jì)算7.3.4攪拌器103.5人孑L和視鏡.1.13.6接口管8.3.6.1 管道接口1.13.6.2 儀表接口1.14冷卻裝置設(shè)計(jì)124.1冷卻方式.124.2裝液量134.3冷卻水耗量1.34.4冷卻面積.145攪拌器軸功率的計(jì)算1.55.1不通氣條件下的軸功率P0計(jì)算1.55.2通氣

2、攪拌功率Pg的計(jì)算165.3電機(jī)及變速裝置選用1.66設(shè)計(jì)小結(jié)177參考文獻(xiàn)181設(shè)計(jì)方案的擬定我設(shè)計(jì)的是一臺(tái)20M機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)糖化酶。糖化酶，也稱葡萄糖淀粉酶(EC3.2.1.3)，主要用途是作為淀粉糖化劑。它與a-淀粉酶結(jié)合可將淀粉酶轉(zhuǎn)化為葡萄糖，可供葡萄糖工業(yè)，釀灑工業(yè)和氨基酸工業(yè)等應(yīng)用，是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的酶類之一，也是我國(guó)產(chǎn)量最大的酶制劑產(chǎn)品。黑曲霉A.S.3.4309是國(guó)內(nèi)糖化酶活性最高的菌株之一。糖化酶生產(chǎn)菌重要的有：雪白根霉，德氏根霉，河內(nèi)根霉，爪哇根霉，臺(tái)灣根霉，臭曲霉，黑曲霉，河棗曲霉，寧佐美曲霉，紅曲霉，扣囊擬內(nèi)抱霉，泡盛曲霉，頭抱霉，甘薯曲霉，羅耳伏革菌

3、。綜合溫度、PH等因素選擇黑曲霉A.S.3.4309菌株，該菌種最適發(fā)酵溫度為32-34C,pH為4.5，培養(yǎng)基為玉米粉2.5%，玉米漿2%豆餅粉2%&成。主要生產(chǎn)工藝過程為如下：菌種用蔡式蔗糖斜面丁32C培養(yǎng)6天后，移植在以玉米粉2.5%，玉米漿2%組成的一級(jí)種子培養(yǎng)基中，與32C搖瓶培養(yǎng)24-36h,再接入（接種量1%種子罐（培養(yǎng)基成分與搖瓶發(fā)酵相同），并與32C通氣培養(yǎng)攪拌24-36h,然后再接入（接種量5%-7%發(fā)酵罐。發(fā)酵培養(yǎng)基由玉米粉2.5%，玉米漿2%豆餅粉2洌成（先用a-淀粉酶液化），發(fā)酵溫度為32C，在合適的通氣攪拌條件下發(fā)酵96小時(shí)酶活性可達(dá)16000uml。發(fā)酵液濾去菌體

4、，如有影響糖化效率的葡萄糖甘轉(zhuǎn)移酶存在，則通過調(diào)節(jié)濾液PH等方法使其除去，再通過濃縮將酶調(diào)整到一定單位，并加入防腐劑（如苯甲酸）。如制備粉狀糖化酶，則可通過鹽析或加灑精使酶沉淀，沉淀經(jīng)過壓濾，濾泥再通過壓條烘干，粉碎，即可制成商品酶粉。發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動(dòng)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(duì)20M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；根據(jù)上面的一系列計(jì)算選擇適合的攪拌裝置，傳動(dòng)裝置，和人孔等一些附件的確定

5、，完成整個(gè)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祖圖，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。說明書就是要寫活楚設(shè)計(jì)的思路和步驟表1-1發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件項(xiàng)目及代號(hào)發(fā)酵菌種工作壓力設(shè)計(jì)壓力發(fā)酵溫度（工作溫度）設(shè)計(jì)溫度冷卻方式備注根據(jù)參考文獻(xiàn)1選取由工藝條件確定由工藝條件確定根據(jù)參考文獻(xiàn)1選取由工藝條件確定由工藝條件確定根據(jù)參考文獻(xiàn)1選取參數(shù)及結(jié)果黑曲霉A.S.3.4309菌株0.3MPa0.3MPa33C150C蛇管冷卻玉米粉2.5%，玉米漿2%豆餅粉2%&成發(fā)酵液密

6、度。=1020kg/m3由工藝條件確定發(fā)酵液黏度=1.9610-Ns/m2由工藝條件確定2罐體幾何尺寸的確定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(dòng)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(dòng)裝置是為為帶動(dòng)攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機(jī)，減速器，聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等組成；軸封裝置為動(dòng)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

7、H/D=2.5,則H=2.5D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（20m3）公稱體積V-罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和全體積V）公稱體積和上封頭體積之和封頭體積=-：.4D2（hb1D）6V=（時(shí)4p2H+0.15D3（近似公式）假設(shè)H0/D=1.98,根據(jù)設(shè)計(jì)條件發(fā)酵罐的公稱體積為20M由公稱體積的近似公式V=3/4）D2H0+0.15D3可以計(jì)算出罐體直徑D=2272.451644mm,罐體總高度H=2.5D=2.5X2272.451644mm=5681.12911mm,m1-2n機(jī)械提掉通風(fēng)找稀的.幾荷尺寸Mii膏D監(jiān)眄一瓦昴葉輪A控丘一擋c下at辭葉晚斗11勝壬5相算撞抻

8、葉健:間距取整為5680mm。查閱文獻(xiàn)【2】，當(dāng)公稱直徑DN=2300mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度h,=575mm,直邊高度九=40mm，總深度為Hf=615mm,內(nèi)表面積Af=6.0m2，容積Vf=1.76m3可得罐筒身高H0=H-2Hf=5680-2615mm=4450mm則此時(shí)H/D=4450/2300=1.934782609,與前面的假設(shè)相近，故可認(rèn)為D=2300mm是合適的發(fā)酵罐的全體積Vn班/4D2H02Vf=21.999m320.0m3攪拌葉直徑取Di=700mm，其中Dj/D=700/2300出0.3，符合Dj/D=(0.3:0.4)攪拌葉間距S=2Di=2700mm=140

9、0mm底攪拌葉至底封頭高度C=Di=700mm表2-1大中型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù)筒體筒體直徑換熱轉(zhuǎn)速稱容高度mm面積r/min功率量H(mm)2mkw3m132001800121507.502470022002115430136600240034180450570002800-300038-60160550680003000-32006516065078000320084165100519400360011417013000211500460022114221500表2-2200m3發(fā)酵罐的幾何尺寸參數(shù)及結(jié)果公稱體積m320設(shè)計(jì)條件全體積m322計(jì)算罐體直徑mm2300計(jì)算發(fā)酵罐總高mm5680計(jì)算

10、發(fā)酵罐筒體高度mm4450計(jì)算攪拌葉直徑mm700計(jì)算橢圓封頭短半軸長(zhǎng)mm575計(jì)算橢圓封頭直邊高度mm40計(jì)算底攪拌葉至封頭高度mm700計(jì)算攪拌葉間距mm1400計(jì)算3罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1罐體考慮壓力，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。因糖化酶是偏酸性（pH值為4.5）,對(duì)罐體不會(huì)有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使用16MnF為材料，封頭設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D500mm所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接3.2罐體壁厚pD(mm)=0.32300321700.8-0.35.54(mm)，取6mmA罐體直徑（mmp一耐受壓強(qiáng)（取0.3MPa）4一焊縫系

11、數(shù)，雙面焊取0.8。一設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（kgf/cm2）（16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150C,170MPaC一腐蝕裕度，當(dāng)aC10mm寸，C=3mm3.3封頭壁厚計(jì)算(mm)0.323002.321370.8+3=8.8mm,取9mm。a-六平葉b-六彎葉c-六箭葉圖6-1通用的渦輪式攪拌器h:b:d-:d=4:5:13:20h:b:d-:d=4:5.5:13:20e:h:b:d1:d=3:3.5:5:13:20a=38r彎=(1/2)d-r箭=(1/4)d1D一罐體直徑（mmp耐受壓強(qiáng)（取0.3MPa）y一開孔系數(shù)，取2.34焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8b一設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（16

12、MnF壓岡焊接壓力容器許用應(yīng)力為150C,170MPa3.4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(dòng)液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大；查閱文獻(xiàn)2可知20m3發(fā)酵罐采用6-6-6彎葉式攪拌葉葉徑d=700mm,則可以計(jì)算出盤徑dj=0.75d=525mm,葉高h(yuǎn)=0.3d=210mm葉長(zhǎng)b=175mm3.5人孔和視鏡人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、活洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了1個(gè)人孔，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：人孔R(shí)FU(RG)450-0.6HG21522-1995公稱直徑450,開在頂封頭上，位丁左邊軸線離中心軸

13、750mmt視鏡用丁觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了2視鏡，直徑為DN80開在頂封頭上，位丁前后軸線離中心軸750mm為，標(biāo)記為視鏡UPN1.0DN80HGJ501-86-173.6接口管以進(jìn)料口為例計(jì)算，設(shè)發(fā)酵醪液流速為v=1m/s,2h排盡。發(fā)酵罐裝料液體積：V1=15.4m3物料體積流量Q=V1/2h=15.4/(3600x2)=0.00213m3/s,則排料管截面積F=Q/v=0.00213/1=0.00213m2,乂F=0.785d2，得d=0.052m,取無縫鋼管，查閱資料，平焊鋼管法蘭HG20593-97,取公稱直徑50,57x3.5mm。其他管道也是如此計(jì)算。3.6.1管

14、道接口(采用法蘭接口)進(jìn)料口：直徑巾57乂3.5mm,開在封頭上，排料口：*57x3.5mm,開在罐底；進(jìn)氣口：57x3.5mm,開在封頭上；排氣口：57x3.5mm,開在封頭上；冷卻水進(jìn)、出口：*57x3.5mm,開在罐身；補(bǔ)料口：陰7x3.5mm,開在封頭上；取樣口：57x3.5mm,開在封頭上；3.6.2儀表接口溫度計(jì)；裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，D=100mm,開在罐身上；壓力表；彈簧管壓力表(徑向型)，d1=20mm,精度2.5,型號(hào)：丫-250Z,開在封頭上；液位計(jì)：采用標(biāo)準(zhǔn)：HG5-1368型號(hào)：R-61直徑：*550(2614)mm，開在罐身上；溶氧探頭：SENDOF；

15、pH探頭：PHS_2型;表2-3發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果罐體材料16MnF岡由工藝條件確定焊接方式雙面縫焊接由工藝條件確定罐體筒壁厚6mm計(jì)算封頭壁厚9mm計(jì)算攪拌器類型六彎葉渦輪式攪拌器根據(jù)親文獻(xiàn)3選取攪拌葉直徑700mm計(jì)算攪拌器層數(shù)3由工藝條件確定人孔1個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)根據(jù)親文獻(xiàn)3選取HG21522-1995視鏡2個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)根據(jù)親文獻(xiàn)3選取HGJ501-86-17進(jìn)、排料口直徑573.5mm根據(jù)親文獻(xiàn)3選取進(jìn)、出氣口直徑573.5mm根據(jù)親文獻(xiàn)3選取冷卻水進(jìn)、出口直徑573.5mm由工藝條件確定補(bǔ)料口直徑573.5mm根據(jù)親文獻(xiàn)3選取取樣口直徑573.5mm由工藝條件確定溫度計(jì)裝配式熱

16、電阻溫度傳感器Pt100型，D=100mm壓力表Y-250Z液位計(jì)R-61溶氧探頭SE-N-DO-FpH探頭PHS-2型4冷卻裝置設(shè)計(jì)4.1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，使用蛇管冷卻，綜合比較列管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質(zhì)時(shí)，選用列管4.2裝液量設(shè)計(jì)發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取70%發(fā)酵罐裝料液體積：V1=全體積x裝料系數(shù)=22乂70%=15.4m3不計(jì)算下封頭時(shí)的裝液體積：V柱=Vi-下封頭體積W=V1-下封頭體積=215.4-1.76=13.64m3裝液高度：h1=vtt/3D2/4)=13.64/(0.785乂2.32)=3.284m3單位時(shí)間傳熱量=發(fā)酵熱x

17、裝料量即：Q=Q發(fā)xv1=16800x15.4=258720kJ/h各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱(kJ/m3-h)宵霉素絲狀菌23000宵霉素球狀菌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3冷卻水耗量由實(shí)際情況選用進(jìn)出口水溫為18C、26C,則Q258720W=7725.7525(kg/h)Cp(t2-t1)4.186(26-18)Q-單位時(shí)間傳熱量C廣冷卻水的平均比熱，取4.186kJ/(kg-C)t2-t1一冷卻水進(jìn)出口溫度差對(duì)數(shù)平均溫度差，由工藝條件知道tF=33C,t_(tF-ti)一(tF2)_(3

18、3-20)-(33-28)_田=33-20=2.303lg-12.303lgtF-t233-28ti一冷卻水進(jìn)口溫度t2一冷卻水出口溫度tF一發(fā)酵溫度4.4冷卻面積AK*m3=12.98m25872031.91010.492根據(jù)實(shí)際取86mtm一對(duì)數(shù)平均溫度差K一傳熱總系數(shù)，取1.903kJ/(m2hC)冷卻面積(m2)A=ML冷卻蛇管總長(zhǎng)度(m)L=12.98=82.68m,取整L=85m,分為4組，每組長(zhǎng)L=21.25m二d3.140.05d一蛇管內(nèi)徑，d=外徑一壁厚取*57X3.5mm(徑取50-80mm壁厚取3.55mm)每圈蛇管長(zhǎng)度l=.(二Dp)2hp2=、,(3.143)20.1

19、52=9.42mA蛇管圈直徑，3mhp一蛇管圈之間的距離，取0.15m每組蛇管圈數(shù)=商=紅羹乏3圈，則總?cè)?shù)為3X4=12圈pl9.42蛇管總高度H=(Np-1)hp=(12-1)0.15=1.65m表2-350m3發(fā)酵罐冷卻裝置設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果裝料系數(shù)70%由工藝條件確定裝料體積15.4m3計(jì)算裝料高度3.284mm計(jì)算總發(fā)酵熱258720J/h計(jì)算冷卻水耗量7725.75kg/h計(jì)算冷卻面積12.98m3計(jì)算冷卻蛇管總長(zhǎng)度85m計(jì)算冷卻蛇管總高度1.65m計(jì)算蛇管組數(shù)4組由工藝條件確定每組蛇管圈數(shù)3圈計(jì)算5攪拌器軸功率的計(jì)算5.1不通氣條件下的軸功率R取發(fā)酵醪液黏度卜=1.96勺0質(zhì)Ns/m2

20、,密度P=1020kg/m3,攪拌轉(zhuǎn)速切=200r/min則雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=4=（200/6）.7：1020斗51051.9610項(xiàng)因?yàn)镽e104,所以發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流狀態(tài)，即有效功率系數(shù)Np=4.7魯士頓（RushtonJ.H.）公式：P0=NP*LD5=4.7（型）310200.75=29.84（kw）60P）一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)Re函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪NPq4.73一渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）；Pl一液體密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一般取800-1650kg/m3;Di一渦輪直徑（m；對(duì)丁多層攪拌器的軸功率可按下式估算：Pm=P(0.40.6m)=

21、29.84(0.40.63)=65.648kw攪拌器層數(shù)。5.2通氣攪拌功率Pg的計(jì)算因?yàn)槭欠桥ｎD流體，所以用以下公式計(jì)算DRDi0.45七-C0.56)QC一系數(shù)，D/Dj=3時(shí)，取0.157R一多層攪拌輸入的功率（kW3渦輪轉(zhuǎn)速(r/min)，取200r/minDj一渦輪直徑（0.7m通氣量(m3/min)，取16m3/min,取1.42m3/minPm，Dj、0.45,65.64822000.73045計(jì)算Pg=C(時(shí)).=。.157().=41.62岫5.3電機(jī)及變速裝置選用根據(jù)攪拌功率選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。咤一攪拌軸功率Pt一軸封摩擦損失功率，一般為1%巳T-傳動(dòng)機(jī)

22、構(gòu)效率根據(jù)生產(chǎn)需要選擇三角皮帶電機(jī)。三角皮帶的效率是0.92,滾動(dòng)軸承的效率是0.99,滑動(dòng)軸承的效率是0.98，端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的1%,則電機(jī)的功率P=U=41.626土(1+1%)=47.10kw0.920.990.98攪拌軸直徑d=A*P/n）1/3,n為轉(zhuǎn)速（單位為轉(zhuǎn)/分），系數(shù)A可以取97-149,47.1取A=100,已知P=47.1kW,n=200rpm,則得d=100乂()=61.75mm,根據(jù)又獻(xiàn)選200軸徑為85mm表2-4發(fā)酵罐攪拌功率的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目及代號(hào)參數(shù)及結(jié)果備注轉(zhuǎn)速200r/min不通氣條件下的軸功29.84kW率多層攪拌器軸率65.648kW根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取計(jì)算通氣量通氣