发酵工程设备设计.docx

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1、发酵罐设计说明书题目：设计生产红霉素机械搅拌通风发酵罐2023 年 5 月任务书一、 题目题目：机械搅拌通风发酵罐的设计二、 设计依据、条件1、应用基因工程菌株发酵生产红霉素，此产物是次级代谢产物。2、发酵罐体积： 50M 33、高径比为 2，南方某地，蛇管冷却。4、初始水温 20C，出水温度 28C。5、非牛顿型流体，三级发酵。三、 设计工程、要求（1） 确定工艺参数几何尺寸，以及主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率等。（2） 对整个设计方案进展分析、拟定（3） 肯定状况下结合具体的图形来解释说明（4） 考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体

2、外形、罐体和封头的壁厚（5） 对整个发酵罐的设计进展总结，得出标准的说明书名目1 设计条件设计方案的分析52 机械通风发酵罐设计62.1 夹套反响釜的总体构造62.2 几何尺寸确实定62.3 主要部件尺寸的设计计算8. 8. 8. 92.4 挡板.92.5 搅拌器102.6 人孔和视镜102.7 接口管112.8 冷却装置设计12. 12. 12. 132.9 搅拌轴功率的计算14. 14153 设计小结. 184 参考文献. 18摘要此为我设计的发酵罐说明书，我设计的是一台50M3 的机械搅拌通风发酵罐， 发酵生产红霉素， 发酵罐主要 由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置 ,轴封装置，人

3、 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展计算，再确定主要设备工作部件尺寸 的设计，如： 罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴 功率。本说明书结合了个人所学学问绘制出装配图，让机械 搅拌通风发酵罐具体形象的呈现在眼前，一目了然。通过精 细的计算和设计绘制，使此次设计的发酵罐能到达生产最优 标准，应用并效劳于生产实践。关键词 机械搅拌通风发酵罐 红霉素 设计绘 制 生产第一章 设计方案的分析、拟定我设计的是一台 50M3 机械搅拌通风发酵罐 ,发酵生产红霉素。 经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红色链霉菌、 红霉素链霉菌、 红色糖多孢菌， 综合最适发酵温度、P

4、H、等因素选择红霉素链霉菌，该菌种最适发酵温度为 31C,pH 为6.67.2，培育基为发酵培育基， 主要成分为淀粉 10%、黄豆饼粉 5%、硫酸铵0.5%、 磷酸二氢钾 0.2%、碳酸钙 2%。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，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展 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； 依据发酵微生物产生的发酵热、 发酵罐的装液量、 冷却方式等进展冷却 装置的设计、计算；依据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件确实定，完成整个装备图，完

5、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根本视图， 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 楚设计的思路和步骤。压力 P除注明外，压力均指表压力，单位用MPa 表示。工作压力一一指在正常状况下，容器顶部可能到达的最高压力。设计压力一一指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载 荷条件，其值不小于工作压力。一般在装有安全阀时 Pd=(1.051.1)Pw当无安全阀时，Pd=(1.01.05)*1、设计压力容器的设计压力是指相应的设计压温度下，用以确定

6、壳体厚度的压力，其值不得小于最高工作压力。容器的最高工作压力是指在正常操作状况下，容器顶部可能消灭的最高表压力。*2、设计温度设计温度是指容器在正常操作状况，在相应的设计压力下设定的受压元件 的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。当元件的金属温度大于等于 0C 时设计温度不得低于元件金属可能到达的最高温度，当元件金属温度低于 0 C 时设计温度不得高于元件金属可能到达的最低温度。4发酵温度31 C567设计温度 冷却方式培育基温度 100140 C蛇管冷却发酵培育基， 主要成分为淀粉10%、黄豆饼粉5%、硫酸铵0.5%、 磷酸二氢钾0.2%、依据参考文献“现代工艺级生物 学” 选取由工艺条

7、件确定由工艺条件确定依据参考文献“现代工艺级生物学”选取表 1-1?发酵罐主要设计条件步工程及代号参数及结果备注骤1发酵菌种红色链霉菌由工艺条件确定2工作压力0 0.1MPa由工艺条件确定3设计压力0.2 0.3MPa由工艺条件确定其次章机械通风发酵罐设计2.1 夹套反响釜的总体构造夹套反响釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔, 工艺接收和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两局部，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

8、密封， 一般承受机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接收等附件一起，构成完 整的夹套反响釜。2. 2 几何尺寸确实定依据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比 H/D=2初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公 称体积。公称体积一一罐的筒身圆柱体积和 底封头体积之和。H/D=1.73.5Di/D=1/21/3 B/D=1/81/12 C/Di=0.81.0S/Di=25H /D=20Di 搅拌叶直径D-罐体直径H -罐体直筒部位高度oB挡板宽度ha -椭圆圭寸头短半轴长度S-搅拌叶间距C -底搅拌叶至底封头高度 hb椭圆封头的直边高度1、全体积公称体积和上封头体积之和:设 H/D=2.3，

9、且公称体积为 50 m3B = 0.1D ha = 0.25D S = 3DiDi = 1/3DC = Di1-2-H 机械搅拌通凤 发酵雉的几何尺寸 身爲走一液位為區一岂高DD搅搏叶轮直径掛櫛宽#0=叶範与底距由图得 hH H ho ab22.3D 2D 0.25D0.025D则V V 汙oi2 H 2h ID4D2 h1D6=D H42hbb= D 2.32D4得 D=3.015m0.025D =50查表得当公称体积为 50 m3 时 D=3000mm所以取 D=3m 贝 U H=2.3D=6.9m Di = 1/3D=1m Ho = 2 D=6m B = 0.1D=0.3m ha = 0

10、.25D=0.75mS = 3Di=3m C = Di=1m全体积 V1-D2 H 2 h-D-D2 2.3D 2 0.025D - D04b643= 8.158.15D312123 357.6m3步骤1工程及代号公称体积参数及计算结果50 m3备注设计条件2全体积57.6m33D3m表 2-1 50m3 发酵罐的几何尺寸45”B6m0.3m查表B=0.1D6S3mS=3Di=D7C1mC=Di=D/38ha0.75mha=0.25D2.3 主要部件尺寸的设计计算发酵罐材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢等。相对其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀不大，但必需能耐受肯定的压力和温度，通常要求耐受130

11、-150 C的温度和 0.3MPa 的压力。例如：腐蚀性不大的发酵液，如酶制剂发酵可以选用16MnR 钢；柠檬酸为弱酸，对罐体使用 A3 钢会有腐蚀，使用不锈钢本钱较高。考虑使用 A3 钢为材料，内涂环氧树脂防腐。即可到达要求，又降低本钱。综合各因素，该发酵罐发酵生产红霉素，由于发酵液腐蚀性不大，我们选 择不锈钢 16MnR 钢232 罐体壁厚：取决于罐径及罐压的大小取 D=3m,p=0.3MPa,双面焊缝=0.8,=137MPa, C=3mm0.3 106 30002 137 106 0.8 0.3 10637.1mmD 罐体直径mm p 耐受压强设计压力焊缝系数，双面焊取 0.8,无缝焊取

12、 1.0c -罐体金属材料在设计温度下的许用应力不锈钢焊接压力容器许用应力 为150C，137MPaC 腐蚀裕度，当 S C10mm 时，C = 3mm压力容器设计标准和制造技术标准全国压力容器标准化技术委员会：GB150钢制压力容器在 1989 年 3 月第一版，1998 年其次版 JB4732钢制压力容器-分析设计标准1995 年JB/T4735钢制焊接常压容器 1989 年JB/T4700-4707压力容器法兰 2023 年钢材的使用上限不超过 GB150-1999 的各许用应力表的各钢号所对应的上限 温度。2.3. 3 封头壁厚计算：常大于罐体壁厚：取双面焊 =0.8、D=3000mm

13、、P=0.3MPa、K=2.3、137MPa、求得：td23 3 30002 137 0.8 0.5 0.33 12.45mmt=1D 罐体直径mmp耐受压强取 0.3MPa K 开孔系数，取 2.3焊缝系数，双面焊取 0.8,无缝焊取 1.0c -设计温度下的许用应力不锈钢焊接压力容器许用应力为150C，137MPaC 腐蚀裕度，当 S C10mm 时，C= 3mm2.4 挡板J通常挡板宽度 b 取0.10.12D，装设 46 块即可满足全挡板条件。依据下 式计算挡板数 n： 取 b=0.1D,得出挡板数 n=5 块 式中 b挡板宽度，mm；D 罐内径，mm； n 挡板数，mm。2.5 搅拌

14、器承受涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，依据 d 确定 h 和 b 的值 尺寸： 六平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；叶径：d=0.30.4D盘径:di= 0.75 d 叶高:h = 0.3d 叶长:b = 0.25 d依据 D=3m,得叶径 d=0.35D=1.05m所以：盘径:di= 0.75 d=0.7875m叶高:h = 0.3d=0.315m叶长：b = 0.25 d=0.2625m2.6 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：2707 450,开在顶封头上，位

15、置：角度 75。HG21515 1995 人孔RA视镜用于观看发酵罐内部的状况。本次设计只设置了 2 个视镜，开在顶封头 上， 位置：角度 30、60。2.7 接口管管道接口：进料口：承受法兰接口，法兰型号：PN0.6,DN50,HG20592-1997,接口管直径3.5mm，开在封头上，位置：角度 45 度；排料口：承受法兰接口，法兰型号：PN0.6,DN50,HG20592-1997,接口管直径4.2m m，开在罐底；进气口： 3.2mm,开在封头上，位置：角度 75 度；排气口： 3.6mm,开在封头上，位置：角 60 度；冷取水进、出口：承受法兰接口，法兰型号： PN0.6,DN25,

16、HG20592-1997,接口管直径 30mm，开在罐身圆柱体上；补料口： 3.0m m,开在圭寸头上； 取样口： 3.5mm，开在圭寸头上； 仪表接口：液位计：承受标准：HG51368 型号：R61 法兰型号：XX；直径：57 3.5 mm，开在罐身上； 温度计：Pt100 型，D=100mm压力表：弹簧管压力表径向表,d1=20mm,精度 2.5,型号 Y-250Z,开在封头上 溶氧探头：SE-N-DO-FpH 探头：PHS-2 型法兰的标准国家标准GB911129131-88钢制管法兰 管法兰HG50015028- 58压力容器法兰标准JB11571164-82表 2-2?发酵罐主要部件

17、尺寸的设计计算结果步骤工程及代号参数及结果备注1罐体材料16MnR 钢由工艺条件确定2罐体壁厚7.1mm计算3人孔700查阅文献得4封头壁厚12.45mm计算5挡板宽度0.3m计算6挡板数5 个计算7搅拌器种类6-6-6 箭叶查阅文献得8搅拌器层数3查阅文献得9搅拌器直径1m计算2.8 冷却装置的设计1冷却方式：发酵罐容量大，罐体的比外表积小。夹套不能满足冷却要求，使用列管或蛇 管冷却，使用水作冷却介质。2装料量发酵罐装料系数：60%发酵罐装料液体积：v 仁全体积 X 装料系数=57.6X 60%=34.56m3不计算下圭寸头时的装液体积：V 柱V 下封头体积2=V- Dhi4b6-D =34

18、56 32 0.025 3 - 3 =30.5m34 6则：装液高度：h10.785 D2柱 2 =4.32m(3) 单位时间传热量单位时间传热量二发酵热 x 装料量，查得红霉素发酵热为 26300kJ/m3*h2 63 10即：Q QV34.56 252.48 103 252.48kJ/m3发 -3600查阅文献得各类发酵液的发酵热发酵液青霉素丝状菌青霉素球状菌链霉素发酵热 kJ/m3*h230001380018800四环素25100红霉素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制剂14700-18800(4) 冷却水用量(W) Q=252.48kJ/m3,t-20 C

19、, t?28C得：W252.48一,7.54kg /sCp t2 t-4.186 28 20注：Q 单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取 4.186 kJ/ (kgC)t2 右一冷却水进出口温度差 t F =31 C ,ti 20 C ,t228 C对数平均温差tt F J t F 1231 2031 286.156 C.m注：t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 t 发-发酵温度2 303 lgtTT2.303lg31 2031 28(5) 冷却面积(A)：Q=252.48kJ/m3 , tm 6.156 C,取 K=2.0 103kJ/(m2h C )A 旦=25248 3600K tm

20、 2.0 1 03 6.156m注： t对数平均温度差73.8m2K传热总系数，取 1.6- 2.1 X 103 kJ/m2hC 依据生产状况取整则 A=75m2不同的冷却蛇管的 K 值不同，发酵温度低的发酵液选择 K 值大传热效率高的冷却蛇管dL冷却面积m2查表得蛇管规格573.5mm, 所以 d=57 3.5*2=50mm冷却蛇管总长度 (m)-75d 0.05477.5m依据生产实际状况取整 L=480M，假设分为 6 组，则每组为 80M 每圈蛇管长度：设 Dp=2.8m,hp=0.15mPDPlh2 . 22.8 2 20.1528.8m注：D 蛇管圈直径hp 蛇管圈之间的距离L每组

21、蛇管总圈数：NP 每组总长度=477.5/8.8=54 圈每组蛇管总高度：HN P 1 h p = (54-1) *0.15=7.95m参数1工程及代号发酵罐装料系数参数及结果：60%备注由工艺条件确定V 仁全体积 X 装料系数表 2-3? 50m3 发酵罐冷却装置设计计算结果2装料量34.56m33单位时间传热量252.48kg/m3*Q=Q 发 *V1s4冷却水耗量W7.45kg/s52冷却面积m73.8 m26冷却蛇管规格mm查阅文献7冷却蛇管总长度m：477.5m8冷却蛇管高度m7.95m2.9 搅拌器轴功率的计算单只搅拌桨鲁士顿Rushton J. H.公 式： 注：P0无通气搅拌输

22、入的功率W;NP 功率准数，是搅拌雷诺数 ReM 的函数；3涡轮转速r/min；P L 液体密度kg/m3 因发酵液不同而不同，一般取 800 1650 kg/m3 ;Di -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：Np3.7,查得 3 =135r/min, Di=125mm3取液体密度 L 1200kg/m得：P03.713531200 0.12553.5 105w5由于一般发酵罐中D/d 工 3 , HL 3因此搅拌功率可用下式校正：P fP*f 为校正系数，它由下式来确定:H注：发酵罐直径D、搅拌器直径d、液柱高D度 HLH：D=3m, d=1

23、000mm=1m,4.32 mLr 1所以：f 航厂3 ! 31 14.321.2所以：P fP 1.2 3.5 105 5.25 105w对于多层搅拌器的轴功率可按下估算Pn P 0.4 0.6m =5.25 105*(0.4+0.6*3)= 1.155 106w注: m -搅拌器层数，查阅得 m=3。注: P0无通气搅拌输入的功率W3涡轮转速r/minDi 涡轮直径mQ通气量m3/min，取 1 6 m3/min，通气量的大小取决于困种需发酵液粘度大小3：P0=3.5 105 w,=135r/min, Di=125mm, 取 Q=5m3/min5 23393.5 105135 0.1253

24、求得：Pg2.25 10 35。08=26.8w依据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率 注: Pg搅拌轴功率TP轴封摩擦损失功率，一般为 1% Pgn传动机构效率三角皮带的效率是 0.92,滚动轴承的效率是 0.99,滑动轴承的效率是 0.98：Pg=26.8w,查表得为三角皮带，则 n =0.92, R=1% Pg=0.268w求得：P26.8 0.2680.9229.4wIV机械搅拌发酵罐的构造21轴封；2、20 人孔；3梯；4 联轴；5中间轴承；6 温度计接口；7 搅拌叶轮；8 进风管；9 放料口；10底轴承；11 热电偶接口;12 冷却管；13 搅拌轴；14 取样管；15

25、轴承座；16 传动皮带；17 电机；18 压力表；19取样口；21 进料口；24回流口;22 补料口；25 视镜;图 2.1 大型发酵罐构造图查阅文献知：机械传动的效率传动机械三角皮带伞齿轮 正齿轮涡轮三线或四线涡轮双线? ，%90959095909570906080搅拌轴直径确实定（1） 轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。（2） 在确定轴的构造尺寸时，还应考虑轴上键槽及开孔所引起的局部减弱，轴 径应适当增大。（3） 轴径应圆整到标准公称轴径系列，如 30、 40、 50、 65、 80、95、 110 等。d=A xp/n 1/3系数 A 可以取 97-149依据所选轴的材料确定,

26、P 为功率单位 Kw, n 为转速单位转/分表 2-4?发酵罐搅拌功率的设计计算结果步骤工程及代号参数及结果备注不通气条件下的轴功率 P,kW计算12通气条件下的轴功率 P,kW5.25 105w26.8w计算3轴转数 n,r/min200有工艺条件打算4多层搅拌器的轴功率1.155 106 w计算5电动机功率29.4w计算6电动机选择Y280M 875kw查表730r/mi n7轴径125mm查表8传动装置三角皮带查表第三章设计小结在此次课程设计中，我设计了机械通风发酵罐，该反响器利用红霉素链霉菌进展红霉素的发酵生产，发酵温度为 31C 。反响器的材料为 16MnR 钢；几何尺寸:公称体积为

27、 50m3 ，全体积为 57.6m3 ， D=3m, H0=6m, B=0.3m, S=3m,C=1m ha=0.75m； 承受 6-6-6 箭叶式 3 层搅拌器，利用 75kw 的 Y280M 8 型号电动机通过 125mm 的轴驱动；承受的冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长 为480m,分为 6 组。总体设计都是为了到达更好的工业效益。通过这次设计， 我学会怎么设计机械通风反响器， 并学会一些根本的设计的 步骤，以及认真的态度。 这次我的设计是由最开头的计算到数据的整理在到画图， 以及在后来的说明书的的拟订。 在整个设计过程之中都是我自己一个人的劳动成 果， 虽然是困难重重， 但我们每一个人

28、都是认真的作好每一个环节， 才会按时完 成我的设计。 完成整个设计后， 我深刻体会到了工业生产的困难， 赐予我学习的 动力， 为以后埋下扎实的根底。在设计计算过程中， 我了解了确定几何尺寸的根本步骤， 并能初步确定机械 搅拌通风发酵罐主要部件的尺寸， 能设计冷却装置， 能选择其冷却方式并计算出 其冷却面积和冷却水用量， 最终计算动身酵罐的搅拌轴功率， 完成整个发酵罐的 设计。通过询问教师、翻阅书本、文献以及各种资料，我能初步了解发酵罐设计 的整个流程，并且对各个流程都生疏了解，每步都要求做到更好。参考文献1 杨汝德编，现代工业级生物学 ，华南理工大学出版社2 陈坚、李寅编着， 发酵过程优化原理与实践 ， 化学 工业出版社， 20233 潘红良、郝俊文主编， 过程设备机械设计 华东理工 大学出版社4 厉玉鸣主编， 化工仪表及自动化 ，化学工业出版社5 梁世中主编，生物工程设备 ，中国轻工业出版社， 20236 叶勤编着，发酵过程原理 ， 化学工业出版社7 原理与实践 ，化学工业出版社