15立方米通風(fēng)式發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)

1、15立方米通風(fēng)式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)課 程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)考核表設(shè)計(jì)題目名設(shè)計(jì)（論文） 起始時間15m通班級2011 年6 月27日至2011年7月9日設(shè)計(jì)完成情況： 獨(dú)立能夠 完成，達(dá) 到要求完成，達(dá) 到要求基本達(dá)到要求完成不能按到基本要求較清楚本清楚不清楚說明書（論文）敘述清楚不認(rèn)真工作態(tài)度情況（學(xué)生對設(shè)計(jì)的認(rèn)真程度、紀(jì)律及 岀勤情況）：清晰、1 亠口 /二-7T較清晰比基本清晰不清晰計(jì)算疋否正確rt.） k / 白木施正 本正確-確基不正確E學(xué)宜設(shè)計(jì)（論文）疋否符 合規(guī)范要求I規(guī)本規(guī)范-范基不規(guī)范認(rèn)真認(rèn)T面是否清晰般成績評定：優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格指導(dǎo)教師簽字：年 月日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目名稱1

2、5M3機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)院 專業(yè)班級學(xué)號一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1、通過查閱機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的有關(guān)資料，熟悉基本工作原理和特點(diǎn)。2、進(jìn)行工藝計(jì)算3、主要設(shè)備工作部件尺寸的設(shè)計(jì)4、繪制裝配圖5、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書二、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)15M3機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐，應(yīng)用菌株發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸，產(chǎn)物是初級代謝產(chǎn) 物，牛頓型流體，二級發(fā)酵。發(fā)酵罐高徑比為2. 5,生產(chǎn)場地為南方某地，蛇管 冷卻，初始水溫：19C，出水溫度26C三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作課程設(shè)計(jì)說明書（紙質(zhì)版和電子版）各1份設(shè)備裝配圖（A3號圖紙）1張四、課程設(shè)計(jì)進(jìn)程安排序號設(shè)計(jì)各階段內(nèi)容地點(diǎn)起止日期1上午布置及講解設(shè)計(jì)任務(wù);下 午查

3、閱資料及有關(guān)文獻(xiàn)圖書館6.272有關(guān)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算宿舍6.27 至7.13圖教1-2167.1至7. 44撰寫課程設(shè)計(jì)說明書圖書館7. 4至7.8五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1鄭裕國.生物工程設(shè)備M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007李功樣，陳蘭英，崔英德.常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)M廣州：華南理 工大學(xué)出版社，2006陳英南，劉玉蘭.常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)M杭州：華東理工大學(xué)出 版社，2005陳寧，江潔，氨基酸工藝學(xué)M北京：中國輕工業(yè)出版社，2010.8發(fā)出任務(wù)書日期：2011年6月27日 指導(dǎo)教師簽名：計(jì)劃完成日期：2011年7月9日基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：主管院長簽章：摘要本文對北京棒桿菌AS1.

4、563為原料合成賴氨酸的主要反應(yīng)設(shè)備作了設(shè) 計(jì)和計(jì)算，包括發(fā)酵罐的容積及主要部件尺寸的確定，攪拌器的選型及功 率計(jì)算，冷卻設(shè)備的計(jì)算等。關(guān)鍵詞： 北京棒桿菌 AS1.563 賴氨酸 發(fā)酵罐1 設(shè)計(jì)方案的擬定12 幾何尺寸的確定2 TOC o 1-5 h z 2.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)22.2幾何尺寸的確定2主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 43.1罐體4311罐體筒壁厚4312封頭壁厚53.2攪拌器53.3人孔和視鏡53.4接口管63.4.1管道接口63.4.2儀表接口735擋板74冷卻裝置設(shè)計(jì)84.1冷卻方式84.2裝液量84.3冷卻水耗量94.4冷卻面積的計(jì)算9 HYPERLINK l bookma

5、rk60 o Current Document 5拌軸功率的計(jì)算105.1不通氣條件下的軸功率的P計(jì)算0105.2通氣攪拌功率P的計(jì)算11g5. 3電機(jī)及變速裝置選用11 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 6設(shè)計(jì)小結(jié)13 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 7參考文獻(xiàn)131設(shè)計(jì)方案的擬定我設(shè)計(jì)的是一臺15m3的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸。經(jīng)查閱資 料得知生產(chǎn)賴氨酸的菌種有高絲氨酸缺陷、黃色短桿菌的蘇氨酸或蛋氨酸缺陷、 黃色短桿菌的高絲氨酸缺陷菌株，它們可分別積累賴氨酸50g/L、34g/L

6、、23g/L 等，目前國內(nèi)所使用的賴氨酸生產(chǎn)菌主要有：中國科學(xué)院微生物研究所的北 京棒桿菌AS1.563和鈍齒棒桿菌PI-3-2；上海工業(yè)微生物研究所選育的黃色 短桿菌AIII；黑龍江輕工業(yè)研究所的241134；廣西輕工業(yè)研究所的NO.G12-6 等。綜合溫度、PH等因素選擇北京棒桿菌AS1563菌種，該菌種最適發(fā)酵溫度 為32-34oC，pH65-70,培養(yǎng)基為糖蜜、大豆餅粉。主要生產(chǎn)工藝過程如下表表1-1種子擴(kuò)大過程的 基本培養(yǎng)條件 種子擴(kuò)大基本培養(yǎng)條件 階段斜面種子培養(yǎng)溫度30-32oC，培養(yǎng)時間10-24h一級種子以1000ml三角瓶裝200ml，搖床為沖程 76mm，頻率 100-1

7、2r/minn；培 養(yǎng)溫度30-32oC，培養(yǎng)時間為15-16h 二級種子培養(yǎng)溫度30-32oC，通風(fēng)量1： 02(V/Vmin)，攪拌轉(zhuǎn)速 200r/min, 培養(yǎng)時間 8-11h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 和其它一些附件組成。這次設(shè)計(jì)就是要對20m3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；分居上面的一系列計(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，

8、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。表1-2發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果備注發(fā)酵產(chǎn)品賴氨酸發(fā)酵菌種工作壓力AS1.56303MPa設(shè)計(jì)壓力04MPa根據(jù)參考文獻(xiàn)4選取 由工藝條件確 定由工藝條件確設(shè)計(jì)溫度140oC冷卻方式蛇管冷卻培養(yǎng)基發(fā)酵液密度4選取由工藝條件確由工藝條件確玉米漿1.5%,豆 根據(jù)參考文獻(xiàn)餅粉2.5%選取P =1080kg/m3由工藝條件確發(fā)酵液黏度由工藝條件確=2. 0*10-3N.s/m22罐體

9、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 裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管和一些附 件柱成。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；傳動裝置是為帶動攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機(jī)、減速器、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，工藝連接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜。圖 2-12.2幾何尺寸的確定根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部分幾何尺寸：高徑比H/D=2.5,則H=25D 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

10、（15m3）公稱體積V罐的筒身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o封頭體積V =?！柏７釪2h + D2h封 4 b 6 aV= n D2H+015D3 （近似公式）4 o假設(shè)H /D=25,根據(jù)設(shè)計(jì)條件發(fā)酵罐的公稱體積為15m3,由公稱體積的近似O公式nV= D2H +0. 15D3可以計(jì)算出罐體直徑D=2058mm4罐體總高度：H=2 5D=2.5 X 2058=5154mm査閱文獻(xiàn)：當(dāng)公稱直徑DN=2000時，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度h=500mm,直邊a高度,h =50mm，總深度為H =6.501m2，容積V =12043m3bff可得罐筒身高:H =H-2H =51

11、54-2 X 550=4054mmf則此時H/D=5154/2000=2.577，與前面假設(shè)相近，故可認(rèn)為D=2000是合適 的。發(fā)酵罐的全體積nV= D2H+2V=15.138 16m315m34 of攪拌葉直徑取 D =700mm，其中 D /D=700/2000=35，符合 D /D=1/3-1/2i i i攪拌葉間距 S=3D =3X700=2100mm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)公稱體積m3筒體 高度 H(mm)筒體直徑mm換熱面積m2轉(zhuǎn)速 r/min電機(jī)功率kw1032001800121507.52147002200211543030660

12、0240034180455070002800-300038-60160556080003000-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表2-2 15m3發(fā)酵罐的幾何尺寸項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果設(shè)計(jì)條件公稱體枳m315設(shè)計(jì)條件全體積 m315.14計(jì)算罐體直徑mm2000計(jì)算發(fā)酵罐總高mm5154計(jì)算發(fā)酵罐筒體高4000計(jì)算度mm攪拌葉直徑mm700計(jì)算橢圓封頭短半500計(jì)算軸長mm橢圓封頭直邊50計(jì)算高度mm底攪拌葉至封700計(jì)算頭高度mm攪拌葉間距mm2100計(jì)算3主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1

13、罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和風(fēng)投材料，封頭結(jié)構(gòu)與罐體 了解方式。因賴氨酸是偏酸性，對罐體不會有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使 用16MnR鋼為材料，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。罐體筒壁厚5 =+ C（mm） =+3=5208mm，取 6mm1 2Qcp- p2x170 x0.8-0.3D罐體直徑（mm）p耐受壓強(qiáng)（設(shè)計(jì)壓力，MPa）d 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8,無縫焊取10。一罐體金屬材料在設(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 150C, 137MPa）C 腐蝕裕度，當(dāng) C10mm時，C=3mm3.1.2封頭壁厚的計(jì)算

14、KPD 廠2.3x0.3x2000 o _ 浙“t =i+ Cmm =+ 3 =9.3mm，取 10mmd 2 at-0.5P2x137x0.8-0.5x0.3D罐體直徑（mm）p耐受壓強(qiáng)（取0.3MPa）K開孔系數(shù)，取2.3d焊縫系數(shù)，雙面焊取08,無縫焊取10o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150C,137MPa）C 腐蝕裕度，當(dāng) C10000O D P (200/60)x0.73x1080i L 卩2.0 x10-3因?yàn)镽eMi0 4,所以發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流狀態(tài)，即有效功率系數(shù)N -4.7P魯士頓(Rushton J. H.)公式：P = N o3p D5 4. 7X(

15、200/60) 3X1080X0.7531.6kW0p L iP 無通氣攪拌輸入的功率(W)；0N 一功率準(zhǔn)數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪NP4.7P3渦輪轉(zhuǎn)速(r/min)；p 液體密度(kg/m3)因發(fā)酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；LD. 渦輪直徑 (m)i對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算P 二 P(0.4 + 0.6m) =31 6X (0.4+0.6X3)=69.52kwmm攪拌器層數(shù)。m攪拌器層數(shù)。5.2通氣攪拌功率Pg的計(jì)算因?yàn)槭桥ｎD流體，所以用以下公式計(jì)算P 二 2.25 x 10-3(gPJ Di3 )0.39 = 2.25 x 10-3(

16、Q 0.0869.52 2 x 200 x 70314200000.08)0.39 =50kWP-無通氣條件下的功率(kW)o3-攪拌器轉(zhuǎn)速(r/min)D-攪拌渦輪直徑(m)Q-通氣量(m3/min),取1-6m3/min,通氣量的大小取決于菌種需氧量及發(fā)酵液黏 度大小。5.3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。P + PP = gjP廠攪拌軸功率gP 軸封摩擦損失功率，一般為1/ PT0 gn傳動機(jī)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,滾動軸承的效率是 0.99, 滑動軸承的效率是0.98,端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的1%,則

17、 電機(jī)的功率X(1+1%)P + P50P = -g t 二 一 x(1 +1%) =56.58kW耳 0.92x0.99x0.98攪拌軸直徑d二Ax (P/n)1/3 , n為轉(zhuǎn)速(單位為轉(zhuǎn)/分)，系數(shù)A可以取97-149, 取 A 二 100,已知 P=56.58kW, n=200rpm，則得 d=100X(56.58/200) 1/3=65.64mm, 根據(jù)文獻(xiàn)選軸徑為70mm。表 2-4 發(fā)酵罐攪拌功率的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目及代號參數(shù)及結(jié)果備注速200r / min根據(jù)參考文獻(xiàn) 3 選取不通氣條件下316kW計(jì)算的軸功率多層攪拌器軸69. 52kW計(jì)算率通氣量1.42m3/min由工藝條件

18、確 定通氣攪拌功率50kW計(jì)算電機(jī)的功率56. 58kW計(jì)算電機(jī)的選擇型號 Y280S-8,根據(jù)參考文獻(xiàn)功率55kW 轉(zhuǎn)速 740r/min3 選取軸徑70mm根據(jù)參考文獻(xiàn)3 選取傳動裝置三角皮帶根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取三角皮帶型號DX6根根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取小皮帶輪直徑300mm根據(jù)參考文獻(xiàn)3 選取大皮帶輪直徑1100mm根據(jù)參考文獻(xiàn)3 選取6設(shè)計(jì)小結(jié)在此次課程設(shè)計(jì)中，我設(shè)計(jì)了機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐，該反應(yīng)器利用北京棒 桿菌AS1.563菌種進(jìn)行賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)酵溫度為33C，反應(yīng)器的材 料為16MnR鋼；采用渦輪六彎葉式三層攪拌器，利用55kW的電動機(jī)通過 70mm的軸驅(qū)動；冷卻方式為蛇管冷卻，冷卻蛇管總長為120m，分為4組。通過這次設(shè)計(jì)，