15m3通风式发酵罐毕业设计.docx

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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

6.27

2

有关工艺设计计算

宿舍

6.27至7.1

3

装配图绘制

教1-216

7.1至7.4

4

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，2007

[2]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，2006

[3]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，2005

[4]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……………………………………………………………………1

2几何尺寸的确定……………………………………………………………………2

2.1夹套反应釜的总体结构………………………………………………………2

2.2几何尺寸的确定………………………………………………………………2

3主要部件尺寸的设计计算…………………………………………………………4

3.1罐体……………………………………………………………………………4

3.1.1罐体筒壁厚……………………………………………………………4

3.1.2封头壁厚………………………………………………………………5

3.2搅拌器…………………………………………………………………………5

3.3人孔和视镜……………………………………………………………………5

3.4接口管…………………………………………………………………………6

3.4.1管道接口………………………………………………………………6

3.4.2仪表接口………………………………………………………………7

3.5挡板……………………………………………………………………………7

4冷却装置设计………………………………………………………………………8

4.1冷却方式………………………………………………………………………8

4.2装液量…………………………………………………………………………8

4.3冷却水耗量……………………………………………………………………9

4.4冷却面积的计算………………………………………………………………9

5拌轴功率的计算…………………………………………………………………10

5.1不通气条件下的轴功率的P0计算……………………………………………10

5.2通气搅拌功率Pg的计算……………………………………………………11

5.3电机及变速装置选用………………………………………………………11

6设计小结…………………………………………………………………………13

7参考文献…………………………………………………………………………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

；

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。

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

ρ=1080kg/m3

由工艺条件确定

发酵液黏度

μ=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，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2-1

2.2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=2.5×2058=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=5154-2×550=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=15.138.16m3≈15m3

搅拌叶直径取Di=700mm，其中Di/D=700/2000=3.5，符合Di/D=1/3-1/2

搅拌叶间距S=3Di=3×700=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

170

130

200

11500

4600

221

142

215

表2-215m3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m3

15

设计条件

全体积m3

15.14

计算

罐体直径mm

2000

计算

发酵罐总高mm

5154

计算

发酵罐筒体高度mm

4000

计算

搅拌叶直径mm

700

计算

椭圆封头短半轴长mm

500

计算

椭圆封头直边高度mm

50

计算

底搅拌叶至封头高度mm

700

计算

搅拌叶间距mm

2100

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，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，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6mm

D－罐体直径（mm）

p－耐受压强（设计压力，MPa）

φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ]－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δ－C<10mm时，C＝3mm

3.1.2封头壁厚的计算

=

=9.3mm，取10mm

D－罐体直径（mm）

p－耐受压强（取0.3MPa）

K－开孔系数，取2.3

φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ]－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δ－C<10mm时，C＝3mm

3.2搅拌器

采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据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；搅动液体的循环两大，搅拌功率消耗也大

查阅文献知15m3发酵罐采用6-6弯叶式搅拌叶径d=670mm，则可以计算出

盘径di=0.75d=502.5

叶高h=0.3d=201

叶长b=167.5

图3-1

3.3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，查阅文献，选取标准号HG21518－97、公称压力为2.5MPa、直径为500mm、高度为393mm的人孔，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴500mm处。

视镜用于观察发酵罐内部的情况。

本次设计设置了2个视镜，标准号HG21505－1992，直径为DN=100mm，高度为52mm，开在顶封头上，位于右边轴线离中心轴500mm处，与人孔位于同一水平线上。

3.4接口管

以进料口为例计算：

液体进料流速一般为u=1～１.５ｍ／ｓ，取ｕ＝１ｍ／ｓ，1.3ｈ排尽。

取发酵罐装料系数为0.7，则发酵罐装料液体积：

V1=10.5996m3

物料体积流量：

Q=V1/1.3=8.153m3/h

则排料管的直径d=

=

=53.7mm

取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰和HG20593-97，取公称直径50，φ57×3.5。

其他管道也是如此计算

3.4.1管道接口（采用法兰接口）

进料口：

采用法兰接口，法兰型号：

管式平焊钢制管型（HG20593-97），接口直径，大约人孔与视镜中间。

角度垂直。

排料口：

采用法兰接口，法兰型号：

管式平焊钢制管型（HG20593-97），接口直径，开在罐底中间通风管旁。

进气口：

φ57×3.5，开在封头上，角度与水平线夹角45度

排气口：

φ57×3.5，开在封头上进气口以封头很人孔中心连线为对称轴的对称位置上，角度与水平线夹角45度。

冷却水进、出口：

采用法兰接口，法兰型号：

管式平焊钢制管型（HG20593-97）接口直径φ57×3.5，角度与水平线夹角45度。

补料口：

φ57×3.5，开在封头上；角度与水平线夹角45度。

取样口：

φ57×3.5，开在封头上；角度与水平线夹角90度

3.4.2仪表接口

温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm，开在罐身上；

压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型：

Y-250Z，开在封头上

溶氧探头：

SE-N-DO-F；

pH探头：

PHS型；

液位计：

采用标准：

HG5-1368，型号：

R6-1；

法兰型号：

管式平焊钢制管型（HG20593-97）

3.5挡板

挡板宽度：

B=0.1D=200mm，装设4-6个即可满足全挡板条件。

根据下式计算挡板数n：

0.5，由此可得n=5

式中，B-挡板宽度，mm；D-罐内经，mm；n-挡板数

表3-1发酵罐主要部件尺寸的实设计计算结果

项目及代号

参数及结果

备注

罐体材料

焊接方式

罐体筒壁厚

封头壁厚

搅拌器类型

搅拌叶直径

搅拌器层数

人孔

视镜

进、排料口直径

进、出气口直径

冷却水进、出口直径

补料口直径

取样口直径

温度计

压力表

液位计

溶氧探头

pH探头

挡板数

16MnR钢

双面缝焊接

6mm

10mm

六弯叶涡轮式搅拌器

700mm

3

1个，标准号HG21522-97

2个，标准HGJ501-86-17

φ57×3.5

φ57×3.5

φ57×3.5

φ57×3.5

φ57×3.5

装配式热电阻温度传感器，Pt100型，D=100mm

Y-250Z

R-61

SR-N-DO-F

PHS-2型

5

由工艺条件确定

由工艺条件确定

计算

计算

根据参考文献[1]选取

计算

由工艺条件确定

根据参考文献[4]选取

根据参考文献[1]选取

根据参考文献[4]选取

根据参考文献[4]选取

由工艺条件确定

根据参考文献[4]选取

由工艺条件确定

计算

4冷却装置的设计

4.1冷却方式

发酵罐容量大，罐体的比表面积小。

夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较蛇管的冷却效果好，在使用水作冷却介质是，选用蛇管。

4.2装液量

设计发酵罐的装料系数：

取70%

发酵罐装料液体积：

V1=全体积×80%=15.138×0.7=10.5996m3

不计算下封头时的装液体积：

V柱=V1-下封头体积

V柱

=10.5996-1.2043=9.3923m3

装液高度：

单位时间传热量=发酵热×装料量

Q=Q发×V1=33400×10.5996=354026.6kJ/h

表4-1各类发酵液的发酵热

发酵液

发酵热（kJ/m3·h）

青霉素丝状菌

青霉素球状菌

链霉菌

四环素

红霉素

谷氨酸

赖氨酸

柠檬酸

酶制剂

23000

13800

18800

25100

26300

29300

33400

11700

14700-18800

4.3冷却水耗量

由实际情况选用进出口水温为19oC、26oC，则

=

=12079kg/h

Q－单位时间传热量

Cp－冷却水的平均比热，取4.187kJ/（kg·℃）

t2-t1－冷却水进出口温度差

对数平均温度差，由工艺条件知tF=33OC，

=

=10.1oC

t1－冷却水进口温度

t2－冷却水出口温度

t发－发酵温度

4.4冷却面积

=

=18.45m2，根据实际情况取整为20m2

△tm－对数平均温度差

K－传热总系数，取1.9×103kJ/（m2·h·℃）

=

=127.39m，取整L=120m，分为四组，每组长Lo=30m

d－蛇管内径，

d＝外径－壁厚

外径取50－80mm，壁厚取3.5－5mm

每圈蛇管长度

=

=9.3m

Dp蛇管圈直径，3m

hp蛇管圈之间的距离，取0.15m

每组蛇管圈数

=

≈3圈，则总圈数为3×4=12圈

蛇管总高度

表4-215m3发酵罐冷却装置设计计算结果

项目及代号

参数及结果

备注

装料系数

70%

由工艺条件确定

装料体积

10.5996m3

计算

装料高度

2.99m

计算

总发酵热

354026.6kJ/h

计算

冷却水耗量

12079kg/h

计算

冷却面积

20m2

计算

冷却蛇管总长度

120m

计算

冷却蛇管总高度

计算

蛇管组数

4组

由工艺条件确定

每组蛇管圈数

3圈

计算

冷却蛇管规格

φ57×3.5

根据参考文献[4]选取

5搅拌器轴功率的计算

5.1不通气条件下的轴功率Po

取发酵醪液黏度μ=2.0×103，密度ρ=1080kg/m3，搅拌转速

则雷诺准数

=

=8.82×105>10000

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（RushtonJ.H.）公式：

=4.7×（200/60）3×1080×0.75=31.6kW

P0－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NP≈4.7

ω－涡轮转速（r/min）；

－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取800－1650kg/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+0.6×3）=69.52kw

m-------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

=

=50kW

Po-无通气条件下的功率（kW）

ω-搅拌器转速（r/min）

Di-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

η－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，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

D×6根

根据参考文献[3]选取

小皮带轮直径

Φ300mm

根据参考文献[3]选取

大皮带轮直径

Φ1100mm

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AS1.563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，2007

[2]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，2006

[3]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，2005

[4]陈宁，江洁，氨基酸工艺学[M].北京：

中国轻工业出版社，2010.8