15m3通風式發(fā)酵罐畢業(yè)設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　一、課程設計的內容</b></p><p>　　1、通過查閱機械攪拌通風發(fā)酵罐的有關資料，熟悉基本工作原理和特點。</p><p><b>　　2、進行工藝計算</b></p><p>　　3、主

2、要設備工作部件尺寸的設計</p><p><b>　　4、繪制裝配圖 </b></p><p>　　5、撰寫課程設計說明書</p><p>　　二、課程設計的要求與數(shù)據(jù)</p><p>　　設計15M3機械通風發(fā)酵罐，應用菌株發(fā)酵生產賴氨酸，產物是初級代謝產物，牛頓型流體，二級發(fā)酵。發(fā)酵罐高徑比為2.5，生產場地為南方某

3、地，蛇管冷卻，初始水溫：19℃,出水溫度26℃</p><p>　　三、課程設計應完成的工作</p><p>　　1．課程設計說明書（紙質版和電子版） 各1份2．設備裝配圖（A3號圖紙）1張</p><p>　　四、課程設計進程安排</p><p>　　五、應收集的資料及主要參考文獻</p><p>　　[1] 鄭裕

4、國. 生物工程設備[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[2] 李功樣, 陳蘭英, 崔英德. 常用化工單元設備的設計[M]. 廣州：華南理工大學出版社，2006</p><p>　　[3] 陳英南, 劉玉蘭. 常用化工單元設備的設計[M]. 杭州：華東理工大學出版社，2005</p><p>　　[4] 陳寧，江潔，氨基酸工藝學[M]. 北京

5、：中國輕工業(yè)出版社，2010.8</p><p>　　發(fā)出任務書日期： 2011 年 6 月 27 日 指導教師簽名：</p><p>　　計劃完成日期： 2011 年 7 月 9 日 基層教學單位責任人簽章：</p><p><b>　　主管院長簽章：</b></p><p><b>　　

6、摘 要</b></p><p>　　本文對北京棒桿菌AS1.563為原料合成賴氨酸的主要反應設備作了設計和計算，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算，冷卻設備的計算等。</p><p>　　關鍵詞：北京棒桿菌AS1.563　賴氨酸　發(fā)酵罐 　</p><p><b>　　目 錄</b></

7、p><p>　　1 設計方案的擬定……………………………………………………………………12 幾何尺寸的確定……………………………………………………………………2</p><p>　　2.1夾套反應釜的總體結構………………………………………………………2</p><p>　　2.2幾何尺寸的確定………………………………………………………………23 主要部件尺寸的設計計

8、算…………………………………………………………4 3.1罐體……………………………………………………………………………4</p><p>　　3.1.1罐體筒壁厚……………………………………………………………4</p><p>　　3.1.2封頭壁厚………………………………………………………………5</p><p>　　3.2攪拌器………………………………………

9、…………………………………5 </p><p>　　3.3人孔和視鏡……………………………………………………………………5</p><p>　　3.4接口管…………………………………………………………………………6</p><p>　　3.4.1管道接口………………………………………………………………6</p><p>　　3.4.2儀表接口

10、………………………………………………………………7</p><p>　　3.5擋板……………………………………………………………………………74 冷卻裝置設計………………………………………………………………………8</p><p>　　4.1冷卻方式………………………………………………………………………8</p><p>　　4.2裝液量…………………………………

11、………………………………………8</p><p>　　4.3冷卻水耗量……………………………………………………………………9</p><p>　　4.4冷卻面積的計算………………………………………………………………95 拌軸功率的計算…………………………………………………………………10</p><p>　　5.1不通氣條件下的軸功率的P0計算…………………………

12、…………………10</p><p>　　5.2通氣攪拌功率Pg的計算……………………………………………………11</p><p>　　5.3電機及變速裝置選用………………………………………………………11</p><p>　　6 設計小結…………………………………………………………………………13</p><p>　　7 參考文獻………………

13、…………………………………………………………13</p><p><b>　　1設計方案的擬定</b></p><p>　　我設計的是一臺15m3的機械攪拌通風發(fā)酵罐，發(fā)酵生產賴氨酸。經查閱資料得知生產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、23g/L等，目前國內所使用的賴氨

14、酸生產菌主要有：①中國科學院微生物研究所的北京棒桿菌AS1.563和鈍齒棒桿菌PI-3-2；②上海工業(yè)微生物研究所選育的黃色短桿菌AIII；③黑龍江輕工業(yè)研究所的241134；④廣西輕工業(yè)研究所的NO.G12-6等。</p><p>　　綜合溫度、PH等因素選擇北京棒桿菌AS1.563菌種，該菌種最適發(fā)酵溫度為32-34oC，pH6.5-7.0，培養(yǎng)基為糖蜜、大豆餅粉。</p><p>　

15、　主要生產工藝過程如下表</p><p>　　表1-1 種子擴大過程的基本培養(yǎng)條件</p><p>　　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。這次設計就是要對20m3發(fā)酵罐的幾何尺寸進行計算；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)酵微生物產生的發(fā)酵熱、發(fā)酵罐的裝液量、冷卻方式等進行冷卻裝置的設計、計算；

16、分居上面的一系列計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，完成這次設計。</p><p>　　這次設計包括一套圖樣，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備的機械設計核心內容，繪制裝配圖要有合理的選擇基本視圖和各種表達方式，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計的思路和步驟。</p><p>　　表1-2 發(fā)酵罐主要設

17、計條件</p><p>　　2 罐體幾何尺寸的確定</p><p>　　2.1夾套反應釜的總體結構</p><p>　　夾套反應釜主要由攪拌容器、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計而定；傳動裝置是為帶動攪拌裝置設置的

18、，主要由電機、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，構成完整的夾套反應釜。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　2.2幾何尺寸的確定</p><p>　　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=2.5D

19、 </p><p>　　初步設計：設計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（15m3）</p><p>　　公稱體積V—罐的筒身體積和底封頭體積之和</p><p>　　全體積Vo—公稱體積和上封頭體積之和 </p><p><

20、;b>　　封頭體積 V封=</b></p><p>　　V=D2Ho+0.15D3（近似公式）</p><p>　　假設Ho/D=2.5,根據(jù)設計條件發(fā)酵罐的公稱體積為15m3，由公稱體積的近似公式</p><p>　　V=D2Ho+0.15D3可以計算出罐體直徑D=2058mm</p><p>　　罐體總高度：H=2.5

21、D=2.5×2058=5154mm</p><p>　　查閱文獻：當公稱直徑DN=2000時，標準橢圓封頭的曲面高度ha=500mm，直邊高度,hb=50mm，總深度為Hf=6.501m2，容積Vf=1.2043m3</p><p>　　可得罐筒身高:Ho=H-2Hf=5154-2×550=4054mm</p><p>　　則此時H/D=5154

22、/2000=2.577，與前面假設相近，故可認為D=2000是合適的。</p><p><b>　　發(fā)酵罐的全體積</b></p><p>　　V=D2Ho+2Vf=15.138.16m3≈15m3</p><p>　　攪拌葉直徑取Di=700mm，其中Di/D=700/2000=3.5，符合Di/D=1/3-1/2</p>&l

23、t;p>　　攪拌葉間距S=3Di=3×700=2100mm</p><p>　　底攪拌葉至底封頭高度C=Di=700mm</p><p>　　表2-1 大中型發(fā)酵罐技術參數(shù)</p><p>　　表2-2 15m3發(fā)酵罐的幾何尺寸</p><p>　　3 主要部件尺寸的設計計算</p><p><b

24、>　　3.1罐體</b></p><p>　　考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和風投材料，封頭結構與罐體了解方式。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，封頭設計為標準橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。</p><p>　　3.1.1罐體筒壁厚</p><p>　　=

25、+3=5.208mm，取6mm</p><p>　　D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強 (設計壓力，MPa)φ － 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0[σ ] －罐體金屬材料在設計溫度下的許用應力（不銹鋼焊接壓力容器許用應力為150℃，137MPa）C －腐蝕裕度，當δ －C<10mm時，C＝3mm</p><p>　　3.1.2封頭壁厚的計算</p>&

26、lt;p>　　==9.3mm，取10mm</p><p>　　D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強 (取0.3MPa)</p><p>　　K－開孔系數(shù)，取2.3</p><p>　　φ－ 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0[σ] －設計溫度下的許用應力（不銹鋼焊接壓力容器許用應力為150℃，137MPa）C －腐蝕裕度，當δ －C<10mm時，

27、C＝3mm</p><p><b>　　3.2攪拌器</b></p><p>　　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。</p><p>　　尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標準化，稱為標準型攪拌器；攪動液體的循環(huán)兩大，攪拌功率消耗也大</p><p>　　查閱文獻知15m3發(fā)酵罐采用6-6彎葉

28、式攪拌葉徑d=670mm，則可以計算出</p><p>　　盤徑di=0.75d=502.5</p><p>　　葉高h=0.3d=201</p><p>　　葉長b=167.5 </p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>

29、<b>　　3.3人孔和視鏡</b></p><p>　　人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備內部的裝置。</p><p>　　本次設計只設置了1個人孔，查閱文獻，選取標準號HG21518－97、公稱壓力為2.5MPa、直徑為500mm、高度為393mm的人孔，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸500mm處。</p><p>　　視鏡用于

30、觀察發(fā)酵罐內部的情況。</p><p>　　本次設計設置了2個視鏡，標準號HG21505－1992，直徑為DN=100mm，高度為52mm，開在頂封頭上，位于右邊軸線離中心軸500mm處，與人孔位于同一水平線上。</p><p><b>　　3.4接口管</b></p><p><b>　　以進料口為例計算：</b><

31、;/p><p>　　液體進料流速一般為u=1～１.５ｍ／ｓ，?。酰剑保恚螅?.3ｈ排盡。</p><p>　　取發(fā)酵罐裝料系數(shù)為0.7，則發(fā)酵罐裝料液體積：V1=10.5996m3</p><p>　　物料體積流量：Q= V1/1.3=8.153m3/h</p><p>　　則排料管的直徑d= ==53.7mm</p><p

32、>　　取無縫鋼管，查閱資料，平焊鋼管法蘭和HG20593-97，取公稱直徑50，φ57×3.5。其他管道也是如此計算</p><p>　　3.4.1管道接口（采用法蘭接口）</p><p>　　進料口：采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97），接口直徑，大約人孔與視鏡中間。角度垂直。</p><p>　　排料口：采用法蘭接口，

33、法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97），接口直徑，開在罐底中間通風管旁。</p><p>　　進氣口：φ57×3.5，開在封頭上，角度與水平線夾角45度</p><p>　　排氣口：φ57×3.5 ，開在封頭上進氣口以封頭很人孔中心連線為對稱軸的對稱位置上，角度與水平線夾角45度。</p><p>　　冷卻水進、出口：采用法蘭接口，法

34、蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97）接口直徑 φ57×3.5，角度與水平線夾角45度。</p><p>　　補料口： φ57×3.5，開在封頭上；角度與水平線夾角45度。</p><p>　　取樣口：φ57×3.5，開在封頭上；角度與水平線夾角90度</p><p><b>　　3.4.2儀表接口</b&

35、gt;</p><p>　　溫度計；裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，D＝100mm，開在罐身上；</p><p>　　壓力表；彈簧管壓力表（徑向型），d1=20mm，精度2.5，型：Y-250Z ，開在封頭上</p><p>　　溶氧探頭：SE-N-DO-F；</p><p>　　pH探頭：PHS型；</p><p&g

36、t;　　液位計：采用標準：HG5-1368，型號：R6-1；</p><p>　　法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97）</p><p><b>　　3.5擋板</b></p><p>　　擋板寬度：B=0.1D=200mm，裝設4-6個即可滿足全擋板條件。根據(jù)下式計算擋板數(shù)n：</p><p>　　0.5，

37、由此可得n=5</p><p>　　式中，B-擋板寬度，mm；D-罐內經，mm；n-擋板數(shù)</p><p>　　表3-1 發(fā)酵罐主要部件尺寸的實設計計算結果</p><p><b>　　4 冷卻裝置的設計</b></p><p><b>　　4.1冷卻方式</b></p><p&

38、gt;　　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，綜合比較蛇管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質是，選用蛇管。</p><p><b>　　4.2 裝液量</b></p><p>　　設計發(fā)酵罐的裝料系數(shù)：取70%</p><p>　　發(fā)酵罐裝料液體積：V1=全體積×80%=15.138×0.7=

39、10.5996m3</p><p>　　不計算下封頭時的裝液體積：V柱=V1-下封頭體積 V柱= 10.5996-1.2043=9.3923m3</p><p>　　裝液高度： </p><p>　　單位時間傳熱量=發(fā)酵熱×裝料量</p><p>　　Q=Q發(fā)×V1=33400×10.5996=

40、354026.6kJ/h</p><p>　　表4-1各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱</p><p><b>　　4.3冷卻水耗量</b></p><p>　　由實際情況選用進出口水溫為19oC、26oC，則</p><p>　　= =12079kg/h</p><p><b>　　Q－單位時

41、間傳熱量</b></p><p>　　Cp－冷卻水的平均比熱，取4.187 kJ/ (kg · ℃) </p><p>　　t2-t1－冷卻水進出口溫度差</p><p>　　對數(shù)平均溫度差，由工藝條件知tF=33OC，</p><p><b>　　==10.1oC</b></p>&

42、lt;p>　　t1－冷卻水進口溫度</p><p>　　t2－冷卻水出口溫度 </p><p><b>　　t發(fā)－發(fā)酵溫度</b></p><p><b>　　4.4冷卻面積</b></p><p>　　==18.45m2，根據(jù)實際情況取整為20m2</p><p>　

43、　△tm －對數(shù)平均溫度差</p><p>　　K－傳熱總系數(shù)，取1.9×103 kJ/(m2 ·h·℃)</p><p>　　==127.39m，取整L=120m，分為四組，每組長Lo=30m</p><p><b>　　d－蛇管內徑，</b></p><p><b>　　d＝外

44、徑－壁厚</b></p><p>　　外徑取50－80mm，壁厚取3.5－5mm</p><p><b>　　每圈蛇管長度</b></p><p><b>　　==9.3m</b></p><p>　　Dp 蛇管圈直徑，3m</p><p>　　hp 蛇管圈之間

45、的距離，取0.15m</p><p><b>　　每組蛇管圈數(shù)</b></p><p>　　=≈3圈，則總圈數(shù)為3×4=12圈</p><p><b>　　蛇管總高度</b></p><p>　　表4-2 15m3發(fā)酵罐冷卻裝置設計計算結果</p><p>　　5

46、攪拌器軸功率的計算</p><p>　　5.1不通氣條件下的軸功率Po </p><p>　　取發(fā)酵醪液黏度μ=2.0×103，密度ρ=1080kg/m3，攪拌轉速</p><p><b>　　則雷諾準數(shù)</b></p><p>　　==8.82×105>10000</p><

47、;p>　　因為Re≥，所以發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流狀態(tài)，即有效功率系數(shù)=4.7</p><p>　　魯士頓(Rushton J. H.)公式：</p><p>　　=4.7×（200/60）3×1080×0.75=31.6kW</p><p>　　P0－無通氣攪拌輸入的功率（W）；</p><p>　?。β蕼蕯?shù)，

48、是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪 NP≈4.7</p><p>　　ω－渦輪轉速（r/min）；</p><p>　?。后w密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一般取800－1650 kg/m3 ；</p><p><b>　?。瓬u輪直徑（m）</b></p><p>　　對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：&

49、lt;/p><p>　　=31.6×(0.4+0.6×3)=69.52kw</p><p>　　m-------攪拌器層數(shù)。</p><p>　　5.2通氣攪拌功率Pg的計算</p><p>　　因為是牛頓流體，所以用以下公式計算</p><p><b>　　==50kW</b>&

50、lt;/p><p>　　Po-無通氣條件下的功率（kW）</p><p>　　ω-攪拌器轉速（r/min）</p><p>　　Di-攪拌渦輪直徑（m）</p><p>　　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。</p><p>　　5.3電機及變速裝置選用<

51、/p><p>　　根據(jù)攪拌功率選用電動機時，應考慮傳動裝置的機械效率。</p><p><b>　　－攪拌軸功率</b></p><p>　?。S封摩擦損失功率，一般為</p><p><b>　　η－傳動機構效率</b></p><p>　　根據(jù)生產需要選擇三角皮帶電機。三角皮

52、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%，則電機的功率 ×（1+1%）</p><p><b>　　=56.58kW</b></p><p>　　攪拌軸直徑，n為轉速（單位為轉/分），系數(shù)A可以取97-149，取已知P=56.58kW，n=200rpm，則得d=100×（5

53、6.58/200）1/3=65.64mm，根據(jù)文獻選軸徑為70mm。</p><p>　　表2-4  發(fā)酵罐攪拌功率的設計計算結果</p><p><b>　　6 設計小結</b></p><p>　　在此次課程設計中，我設計了機械通風發(fā)酵罐，該反應器利用北京棒桿菌AS1.563菌種進行賴氨酸的發(fā)酵生產，發(fā)酵溫度為33C，反應器的材料

54、為16MnR鋼；采用渦輪六彎葉式三層攪拌器，利用55kW的電動機通過70mm的軸驅動；冷卻方式為蛇管冷卻，冷卻蛇管總長為120m，分為4組。</p><p>　　通過這次設計，我學會怎么設計機械通風反應器，并學會一些基本的設計的步驟，以及認真的態(tài)度。這次我的設計是由最開始的計算到數(shù)據(jù)的整理在到畫圖，以及在后來的說明書的的擬訂。在整個設計工程之中都是我自己一個人的勞動成果，雖然是困難重重，但我們每一個人都是認真的做

55、好每一個環(huán)節(jié)，才會按時完成我的設計。 </p><p><b>　　7 參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄭裕國. 生物工程設備[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[2] 李功樣, 陳蘭英, 崔英德. 常用化工單元設備的設計[M]. 廣州：華南理工大學出版社，2006</p><