15m3通风式发酵罐毕业设计.docx

1、15m3通风式发酵罐毕业设计课程设计考核表设计题目15m3通风发酵罐的设计姓名班级设计（论文）起始时间2011 年 6 月 27 日至 2011 年 7 月 9 日设计完成情况： 独立完成，达到要求 能够完成，达到要求 能够完成，基本达到要求 不能按时完成，达不到基本要求说明书（论文）叙述 清楚 比较清楚 基本清楚 不清楚工作态度情况（学生对设计的认真程度、纪律及出勤情况）： 认真 较认真 一般 不认真图面是否清晰 清晰 比较清晰 基本清晰 不清晰计算是否正确 正确 基本正确 不正确设计（论文）是否符合规范要求 规范 基本规范 不规范成绩评定: 优秀 良好 中等 及格 不及格指导教师签字： 年

2、 月 日课程设计任务书题目名称15M3机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院专业班级姓 名学 号一、课程设计的内容1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点。2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图 5、撰写课程设计说明书二、课程设计的要求与数据设计15M3机械通风发酵罐，应用菌株发酵生产赖氨酸，产物是初级代谢产物，牛顿型流体，二级发酵。发酵罐高径比为2.5，生产场地为南方某地，蛇管冷却，初始水温：19,出水温度26三、课程设计应完成的工作1课程设计说明书（纸质版和电子版） 各1份2设备装配图（A3号图纸）1张四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日

3、期1上午布置及讲解设计任务；下午查阅资料及有关文献图书馆6.272有关工艺设计计算宿舍6.27至7.13装配图绘制教1-2167.1至7. 44撰写课程设计说明书图书馆7. 4至7.8五、应收集的资料及主要参考文献1 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20072 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，20063 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，20054 陈宁，江洁，氨基酸工艺学M. 北京：中国轻工业出版社，2010.8发出任务书日期： 2011 年 6 月 27 日 指导教师签名：计划完成

4、日期： 2011 年 7 月 9 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：摘 要本文对北京棒杆菌AS1.563为原料合成赖氨酸的主要反应设备作了设计和计算，包括发酵罐的容积及主要部件尺寸的确定，搅拌器的选型及功率计算，冷却设备的计算等。关键词：北京棒杆菌AS1.563赖氨酸发酵罐 目 录1 设计方案的拟定12 几何尺寸的确定22.1夹套反应釜的总体结构22.2几何尺寸的确定23 主要部件尺寸的设计计算4 3.1罐体43.1.1罐体筒壁厚43.1.2封头壁厚53.2搅拌器5 3.3人孔和视镜53.4接口管63.4.1管道接口63.4.2仪表接口73.5挡板74 冷却装置设计84.1冷却方式84

5、.2装液量84.3冷却水耗量94.4冷却面积的计算95 拌轴功率的计算105.1不通气条件下的轴功率的P0计算105.2通气搅拌功率Pg的计算115.3电机及变速装置选用116 设计小结137 参考文献13 1设计方案的拟定 我设计的是一台15m3的机械搅拌通风发酵罐，发酵生产赖氨酸。经查阅资料得知生产赖氨酸的菌种有高丝氨酸缺陷、黄色短杆菌的苏氨酸或蛋氨酸缺陷、黄色短杆菌的高丝氨酸缺陷菌株，它们可分别积累赖氨酸50g/L、34g/L、23g/L等，目前国内所使用的赖氨酸生产菌主要有：中国科学院微生物研究所的北京棒杆菌AS1.563和钝齿棒杆菌PI-3-2；上海工业微生物研究所选育的黄色短杆菌A

6、；黑龙江轻工业研究所的241134；广西轻工业研究所的NO.G12-6等。综合温度、PH等因素选择北京棒杆菌AS1.563菌种，该菌种最适发酵温度为32-34oC，pH6.5-7.0，培养基为糖蜜、大豆饼粉。主要生产工艺过程如下表表1-1 种子扩大过程的基本培养条件种子扩大阶段基本培养条件斜面种子培养温度30-32oC，培养时间10-24h一级种子以1000ml三角瓶装200ml，摇床为冲程76mm，频率100-12r/minn；培养温度30-32oC，培养时间为15-16h二级种子培养温度30-32oC，通风量1：0.2（V/V.min）,搅拌转速200r/min,培养时间8-11h发酵罐主

7、要由罐体和冷却蛇管以及搅拌装置，传动装置，轴封装置，人孔和其它一些附件组成。这次设计就是要对20m3发酵罐的几何尺寸进行计算；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。根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；分居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的确定，完成整个装备图，完成这次设计。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基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

8、。表1-2 发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵产品赖氨酸发酵菌种北京棒杆菌AS1.563根据参考文献4选取工作压力0.3MPa由工艺条件确定设计压力0.4MPa由工艺条件确定发酵温度33oC根据参考文献4选取设计温度140oC由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定培养基玉米浆1.5%，豆饼粉2.5%根据参考文献4选取发酵液密度=1080kg/m3由工艺条件确定发酵液黏度=2.0*10-3N.s/m2由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定2.1夹套反应釜的总体结构夹套反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件柱成。搅拌容器分罐体和夹套两部分

9、，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；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺连接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。图2-12.2几何尺寸的确定根据工艺参数和高径比确定各部分几何尺寸：高径比H/D=2.5,则H=2.5D 初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（15m3）公称体积V罐的筒身体积和底封头体积之和全体积Vo公称体积和上封头体积之和 封头体积 V封=V=D2Ho+0.15D3（近似公式）假设Ho/D=2.5,根据设计

10、条件发酵罐的公称体积为15m3，由公称体积的近似公式V=D2Ho+0.15D3可以计算出罐体直径D=2058mm罐体总高度：H=2.5D=2.52058=5154mm 查阅文献：当公称直径DN=2000时，标准椭圆封头的曲面高度ha=500mm，直边高度,hb=50mm，总深度为Hf=6.501m2，容积Vf=1.2043m3可得罐筒身高:Ho=H-2Hf=5154-2550=4054mm则此时H/D=5154/2000=2.577，与前面假设相近，故可认为D=2000是合适的。发酵罐的全体积V=D2Ho+2Vf=15.138.16m315m3搅拌叶直径取Di=700mm，其中Di/D=700

11、/2000=3.5，符合Di/D=1/3-1/2搅拌叶间距S=3Di=3700=2100mm底搅拌叶至底封头高度C=Di=700mm表2-1 大中型发酵罐技术参数公称体积m3 筒体高度H(mm) 筒体直径mm 换热面积m2 转速r/min 电机功率kw 10 3200 1800 12 150 7.5 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 17

12、0 130 200 11500 4600 221 142 215 表2-2 15m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果设计条件公称体积m315设计条件全体积m315.14计算罐体直径mm2000计算发酵罐总高mm5154计算发酵罐筒体高度mm4000计算搅拌叶直径mm700计算椭圆封头短半轴长mm500计算椭圆封头直边高度mm 50计算底搅拌叶至封头高度mm700计算搅拌叶间距mm2100计算3 主要部件尺寸的设计计算3.1罐体考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和风投材料，封头结构与罐体了解方式。因赖氨酸是偏酸性，对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标

13、准椭圆封头，因D500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.1.1罐体筒壁厚=+3=5.208mm，取6mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (设计压力，MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 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150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm 3.1.2封头壁厚的计算=9.3mm，取10mmD罐体直径（mm）p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1.0 设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa）C 腐蚀裕度，当 C10000

14、因为Re，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数=4.7鲁士顿(Rushton J. H.)公式：=4.7（200/60）310800.75=31.6kWP0无通气搅拌输入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7涡轮转速（r/min）；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；涡轮直径（m）对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：=31.6(0.4+0.63)=69.52kwm-搅拌器层数。5.2通气搅拌功率Pg的计算因为是牛顿流体，所以用以下公式计算=50kWPo-无通气条件下的功率（kW）-搅拌器转速（r/min）Di-

15、搅拌涡轮直径（m）Q-通气量（m3/min），取1-6m3/min，通气量的大小取决于菌种需氧量及发酵液黏度大小。5.3电机及变速装置选用根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。搅拌轴功率轴封摩擦损失功率，一般为传动机构效率根据生产需要选择三角皮带电机。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，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率 （1+1%）=56.58kW搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149，取已知P=56.58kW，n=200rpm，则得d=100（56.58/200）1/3=65.64mm，

16、根据文献选轴径为70mm。表2-4 发酵罐搅拌功率的设计计算结果项目及代号参数及结果备注转速根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率31.6kW计算多层搅拌器轴率69.52kW计算通气量由工艺条件确定通气搅拌功率50kW计算电机的功率56.58kW计算电机的选择型号Y280S-8，功率55kW转速740r/min根据参考文献3选取轴径70mm根据参考文献3选取传动装置三角皮带根据参考文献3选取三角皮带型号和根数D6根根据参考文献3选取小皮带轮直径300mm根据参考文献3选取大皮带轮直径1100mm根据参考文献3选取6 设计小结在此次课程设计中，我设计了机械通风发酵罐，该反应器利用北京棒杆菌AS1

17、.563菌种进行赖氨酸的发酵生产，发酵温度为33C，反应器的材料为16MnR钢；采用涡轮六弯叶式三层搅拌器，利用55kW的电动机通过70mm的轴驱动；冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长为120m，分为4组。通过这次设计，我学会怎么设计机械通风反应器，并学会一些基本的设计的步骤，以及认真的态度。这次我的设计是由最开始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。在整个设计工程之中都是我自己一个人的劳动成果，虽然是困难重重，但我们每一个人都是认真的做好每一个环节，才会按时完成我的设计。 7 参考文献1 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20072 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，20063 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，20054 陈宁，江洁，氨基酸工艺学M. 北京：中国轻工业出版社，2010.8