課程設計---70m3機械攪拌通風發(fā)酵罐

1、<p>　　第一章 設計方案的分析、擬定</p><p>　　我設計的是一臺70M3機械攪拌通風發(fā)酵罐,發(fā)酵生產紅霉素。經查閱資料得知生產紅霉素的菌種有紅色鏈霉菌、紅霉素鏈霉菌、紅色糖多孢菌，綜合最適發(fā)酵溫度、PH、等因素選擇紅霉素鏈霉菌，該菌種最適發(fā)酵溫度為31℃，pH為6.6~7.2，培養(yǎng)基為發(fā)酵培養(yǎng)基，主要成分為淀粉10%、黃豆餅粉5%、硫酸銨0.5%、磷酸二氫鉀0.2%、碳酸鈣2%。</

2、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，人孔和其它的一些附件組成。這次設計就是要對機械攪拌通風發(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；根據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。<

3、;/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>　　壓力P——除注明外，壓力均指表壓力，單位用MPa表示。</p><p>　　工作壓力——指在正常情況下，

4、容器頂部可能達到的最高壓力。</p><p>　　設計壓力——指設定的容器頂部的最高壓力。它與設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不小于工作壓力。</p><p>　　一般在裝有安全閥時Pd=(1.05~1.1)Pw</p><p>　　當無安全閥時，Pd=(1.0~1.05)</p><p><b>　　*1、設計壓力</b&

5、gt;</p><p>　　容器的設計壓力是指相應的設計壓溫度下，用以確定殼體厚度的壓力，其值不得小于最高工作壓力。容器的最高工作壓力是指在正常操作情況下，容器頂部可能出現的最高表壓力。</p><p><b>　　*2、設計溫度</b></p><p>　　設計溫度是指容器在正常操作情況，在相應的設計壓力下設定的受壓元件的金屬溫度（沿元件金屬

6、截面的溫度平均值）。當元件的金屬溫度大于等于0℃時設計溫度不得低于元件金屬可能達到的最高溫度，當元件金屬溫度低于0℃時設計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。</p><p>　　表1-1  發(fā)酵罐主要設計條件</p><p>　　第二章 機械通風發(fā)酵罐設計 </p><p>　　2.1夾套反應釜的總體結構</p><p>　

7、　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組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由封頭和筒</p><p>　　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；傳動裝置是為為帶動攪拌裝置設置的，主要由電機，減速器，聯軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，</p><p>　　一般采用機械密封或填料密封；它們

8、與支</p><p>　　座，人孔，工藝接管等附件一起，構成完</p><p><b>　　整的夾套反應釜。</b></p><p>　　2. 2 幾何尺寸的確定</p><p>　　根據工藝參數和高徑比確定各部幾何尺寸；</p><p>　　高徑比H/D=1.8</p><p

9、>　　初步設計：設計條件給出的是發(fā)酵罐的公</p><p><b>　　稱體積。 </b></p><p>　　公稱體積 －－罐的筒身（圓柱）體積和</p><p><b>　　底封頭體積之和。</b></p><p>　　全體積－－公稱體積和上封頭體積之和：</p><p

10、>　　H/D=1.7~3.5</p><p>　　Di/D=1/2~1/3</p><p>　　B/D=1/8~1/12</p><p>　　C/Di=0.8~1.0</p><p><b>　　S/Di=2~5</b></p><p><b>　　/D=1.3</b>

11、</p><p><b>　　Di －攪拌葉直徑</b></p><p>　　D－罐體直徑 －罐體直筒部位高度 B－ 擋板寬度ha －橢圓封頭短半軸長度S －攪拌葉間距C －底攪拌葉至底封頭高度hb－橢圓封頭的直邊高度</p><p>　　假設H0/D=1.3，根據設計條件罐的公稱體積為70m3</p><p&g

12、t;　　由公稱體積的近似公式</p><p>　　V=0.785×D2×1.3D+0.15D3=70，解得D=3910mm ,取整為4000mm。</p><p>　　H=1.8D=1.8×4000=7200mm</p><p>　　查閱文獻[7] ，當公稱直徑DN=4000mm時，標準橢圓封頭的曲面高ha=1000mm，直邊高度hb=

13、50mm，總深度為Hf=1050mm，容積=0.785×42×(0.05+1/6×4)=9.0013mm3</p><p><b>　　可得罐直筒高度</b></p><p>　　H0=H-2×1050=5100mm</p><p>　　則此時H0/D=5100/4000=1.275≈3，與假設相近，&l

14、t;/p><p>　　故D=4000合適。</p><p>　　發(fā)酵罐的公稱體積V=0.785×42×5.1+9.0013=73.07m3</p><p>　　全體積V0=0.785×42×5.1+9.0013×2=82.07 m3</p><p>　　攪拌葉直徑Di=1/3×D=1/3

15、×4000=1334mm</p><p>　　攪拌葉間距S=3DI=4000mm</p><p>　　底攪拌葉至底封頭高度C= DI=1334mm</p><p>　　表2：75m3發(fā)酵罐的幾何尺寸</p><p>　　2.3主要部件尺寸的設計計算</p><p>　　2.3.1考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇

16、罐體材料和封頭材料，封頭結構、與罐體連接方式</p><p>　　發(fā)酵罐材料可以選用碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。相對其他工業(yè)來說，發(fā)酵液對鋼材的腐蝕不大，但必須能耐受一定的壓力和溫度，通常要求耐受130－150 ℃的溫度和0.3MPa的壓力。</p><p>　　例如：腐蝕性不大的發(fā)酵液，如酶制劑發(fā)酵可以選用16MnR鋼；</p><p>　　檸檬酸為弱酸，對罐體使用A

17、3鋼會有腐蝕，使用不銹鋼成本較高。考慮使用A3鋼為材料，內涂環(huán)氧樹脂防腐。即可達到要求，又降低成本。</p><p>　　綜合各因素，該發(fā)酵罐發(fā)酵生產紅霉素，由于發(fā)酵液腐蝕性不大，我們選擇不銹鋼16MnR鋼</p><p>　　2.3.2 罐體壁厚：取決于罐徑及罐壓的大小</p><p>　　δ1=+C=+3=7.42mm </p><p>

18、;<b>　　取整為δ1=8mm</b></p><p>　　D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強 (設計壓力取0.4MPa)φ － 焊縫系數，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（16MnR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>　　壓力容

19、器設計規(guī)范和制造技術標準</p><p>　　全國壓力容器標準化技術委員會：</p><p>　　GB150《鋼制壓力容器》在1989年3月第一版，1998年第二版</p><p>　　JB4732《鋼制壓力容器-分析設計標準》 1995年</p><p>　　JB/T4735《鋼制焊接常壓容器》 1989年</p><p

20、>　　JB/T4700-4707《壓力容器法蘭》 2000年</p><p>　　鋼材的使用上限不超過GB150-1999的各許用應力表的各鋼號所對應的上限溫度。</p><p>　　2.3. 3封頭壁厚計算：常大于罐體壁厚</p><p>　　δ2=+C=+3=13.15mm</p><p>　　取整得δ2=14mm</p>

21、;<p>　　D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強 (取0.3MPa)</p><p>　　K－開孔系數，取2.3φ － 焊縫系數，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0[σ ] －設計溫度下的許用應力（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150℃，170MPa）C －腐蝕裕度，當δ －C<10mm時，C＝3mm</p><p><b>　　2.4擋板</b

22、></p><p>　　通常擋板寬度b取(0.1～0.12)D，裝設4~6塊即可滿足全擋板條件。根據下式計算擋板數n：</p><p>　　取b=0.1D, 得出擋板數n=5塊</p><p>　　式中 b——擋板寬度，mm；</p><p>　　D——罐內徑，mm；</p><p>　　n——擋板數，mm。

23、 </p><p><b>　　2.5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，根據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)量大，攪拌功率消耗也大；</p><p>　　葉徑: d=(0.3～0.4)D </

24、p><p>　　盤徑: di= 0.75 d</p><p>　　葉高: h = 0.3d</p><p>　　葉長: b = 0.25 d</p><p><b>　　根據D=4m,</b></p><p>　　葉徑: d=1/3D=1/3×4000=1333.3333mm</p&g

25、t;<p>　　盤徑: di= 0.75 d=1000mm</p><p>　　葉高: h = 0.3d=444.4444mm </p><p>　　葉長: b = 0.25 d=333.3333mm </p><p><b>　　2.6人孔和視鏡</b></p><p>　　人孔的設置是為了

26、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，標準號為： HG21515－1995 人孔（R·A－2707） 450，開在頂封頭上，位置：角度。</p><p>　　視鏡用于觀察發(fā)酵罐內部的情況。本次設計只設置了1個視鏡，開在頂封頭上，位置：角度 。</p><p><b>　　2.7接口管</b

27、></p><p>　　2.7.1 排料管的選擇計算</p><p>　　設裝料系數為75%，3小時內排空，則有：</p><p><b>　　罐實際醪料量為</b></p><p>　　82.07×75%=61.55 m3</p><p><b>　　物料體積流量<

28、;/b></p><p>　　Q=V1/3h=61.55/（4000×3）=0.0051m3/s</p><p><b>　　取流速v=1m/s</b></p><p><b>　　則排料管截面積</b></p><p>　　F=Q/v=0.0051/1=0.0051m3</p

29、><p><b>　　又排料管截面積</b></p><p>　　F=0.785d2,算得d=0.081(m)</p><p>　　取 φ108×4mm無縫管,108mm>89mm,可以滿足工藝要求。</p><p><b>　　核算：</b></p><p

30、>　　物料流量Q=0.0051 m3/s，流速v=1m/s;</p><p><b>　　管道截面積</b></p><p>　　F=0.785×0.1082=0.0092m2</p><p>　　在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結果大，則相應流速比為</p><p><b>　　n==

31、</b></p><p><b>　　則排料時間：</b></p><p>　　t=3×0.55=1.65h</p><p><b>　　進料管徑</b></p><p>　　其管徑與排料口相同。</p><p>　　2.7.2 氣管直徑的選擇

32、 </p><p>　　按通風管計算，壓縮空氣在0.3MPa下，支管氣速為20~25m/s?，F通風比0.1～0.18vvm，為常溫下20℃，0.1MPa下的情況，要折算0.3MPa、32℃ 狀態(tài)。</p><p><b>　　風量Q1取大值</b></p><p>　　Q1=25×0.18=4.5m3/min=0.075m3

33、/s</p><p>　　利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)下的風量Qf</p><p>　　Qf=0.075××=0.22m3/s</p><p>　　取風速v=20m/s，則風管截面積Ff為</p><p>　　Ff=Qf/v=0.22/20=0.0110m2</p><p><b>　　則氣

34、管直徑d氣為：</b></p><p><b>　　d氣=</b></p><p>　　取 φ159×4.5mm無縫管，159mm>118.382mm,可滿足工藝要求。</p><p>　　2.7.3 儀表接口</p><p>　　溫度計：PT100鉑電阻-DOCOROM常用溫度傳感

35、器型號-TR/02125裝配式熱電阻，開在罐身上；</p><p>　　壓力表：彈簧管壓力表（徑向型），精度2.5，型號：Y150，開在封頭上；</p><p>　　液位計：采用HG5-1366-80反射式玻璃板液位儀，開在罐身上；</p><p>　　溶氧探頭：A1-900MAX；</p><p>　　pH探頭：SBH03-871PH-3P

36、1A-3型；</p><p><b>　　2.8 管道接口</b></p><p>　　進料口：  φ108×4mm</p><p>　　排料口：  φ108×4mm</p><p>　　進氣口：  φ159×4mm</p><p>　　

37、排氣口：  φ159×4mm</p><p><b>　　冷卻水</b></p><p>　　進、出口： φ108×4mm</p><p>　　補料口：  φ108×4mm</p><p>　　取樣口：  φ108×4mm</p><

38、;p><b>　　2.9 支座的選擇</b></p><p>　　根據技術，查閱文獻，要求選擇序號</p><p>　　是8的A型耳式支座。</p><p><b>　　A型耳式支座</b></p><p>　　表2-2  發(fā)酵罐主要部件尺寸的設計計算結果</p>&l

39、t;p>　　2.8冷卻裝置的設計</p><p><b>　?。?）冷卻方式：</b></p><p>　　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，使用列管或蛇管冷卻，使用水作冷卻介質。 （2）裝料量</p><p>　　裝料系數取75%，則實際裝液量V1=V075%=82.07×75%=61.55m3</

40、p><p>　　V柱=V1-下封頭體積=61.55-9.0013=52.55m3</p><p>　　裝液高度h1= V柱/（0.785D2）=52.55/（0.785×42）=4.18m</p><p>　?。?）單位時間傳熱量</p><p>　　單位時間傳熱量＝發(fā)酵熱×裝料量,查得紅霉素發(fā)酵熱為26300kJ/m3*h&

41、lt;/p><p><b>　　即：</b></p><p>　　查閱文獻得各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱</p><p><b>　　冷卻水用量（W）</b></p><p>　　單位時間傳熱量Q=Q發(fā)×V1=26300×61.55=1.619×106KJ/h </p>

42、<p><b>　　冷卻水耗量</b></p><p>　　W=Q/Cp（t2-t1）=1.619×106/[4.186×(23-18)]=7.74×104kg/h</p><p>　　△tm=[(tF-t1)-(tF-t2)]/[2.303lg(tF-t1)/(tF-t2)]=11.314℃</p><p

43、><b>　　冷卻面積（A）</b></p><p><b>　　取整為80m2</b></p><p>　　A==79.50m2 </p><p><b>　　取整80m2</b></p><p><b>　　冷卻管總長度</b></p&

44、gt;<p>　　L===335.023m</p><p>　　取整L=336，分為6組，每組長L0=56m</p><p>　　其中，d取76mm，壁厚3.5mm</p><p>　　K取1.8×103kJ/（m2·h·℃）</p><p><b>　　分6組，每組56m</b&g

45、t;</p><p><b>　　每圈蛇管長度</b></p><p>　　L’= ==9.42m</p><p>　　D－蛇管圈直徑，3m</p><p>　　hp －蛇管圈之間的距離，取0.19m</p><p><b>　　每組蛇管圈數</b></p>&

46、lt;p>　　Np=L0/L’=56/9.42=5.94≈6 故總圈數為3×6=18</p><p><b>　　蛇管總高度</b></p><p>　　表2-3 70發(fā)酵罐冷卻裝置設計計算結果</p><p>　　2.9 攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳）</p><p>　　2.9.1不通氣

47、條件下的軸功率P0計算</p><p>　　取發(fā)酵醪液黏度，密度ρ=1000kg/m3，攪拌轉速ω=130r/min </p><p><b>　　則雷諾準數</b></p><p>　　Re==2.95×106</p><p>　　因為Re≥，所以發(fā)酵系統(tǒng)為湍流狀態(tài)，即有效功率系數=4.7</p>

48、<p>　　魯士頓(Rushton J. H.)公式：</p><p>　　P0=Npω3ρDi5=198.94kw</p><p>　　P0－無通氣攪拌輸入的功率（W）；</p><p>　?。β蕼蕯?，是攪拌雷諾數Re的函數；圓盤六彎葉渦輪 NP≈4.7</p><p>　　ω－渦輪轉速（r/min）；</p>

49、<p>　?。后w密度，取1050 kg/m3 ；</p><p><b>　　－渦輪直徑（m）；</b></p><p>　　對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：</p><p>　　Pm=P（0.4+0.6m）=198.94×（0.4+0.6×2）=318.30kw</p><p>　

50、　m-------攪拌器層數。</p><p>　　2.9.2通氣攪拌功率Pg的計算</p><p>　　注：P0－無通氣攪拌輸入的功率（W）</p><p>　　n=ω－渦輪轉速（r/min），取130 r/min</p><p>　?。瓬u輪直徑（m），1.34m</p><p>　　Q－通氣量（/min），取4/m

51、in</p><p>　　計算Pg=178.13kw</p><p>　　2.9.3電機及變速裝置選用</p><p>　　根據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>　?。瓟嚢栎S功率</b></p><p>　?。S封摩擦損失功率，一般為</p>

52、<p><b>　　η－傳動機構效率</b></p><p>　　根據生產需要選擇三角皮帶電機。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%，則電機的功率</p><p>　　P=（Pg+PT）/η=[178.13/（0.92×0.98×0.99）]×

53、（1+1%）=201.56kw</p><p>　　攪拌軸直徑，n為轉速（單位為轉/分）</p><p><b>　　取A=100</b></p><p>　　故d=100×（201.56/130）1/3=115.74mm</p><p>　　根據文獻選軸徑為130mm </p><p>

54、;　　機械攪拌發(fā)酵罐的結構</p><p>　　1－軸封 ； 2－人孔； </p><p>　　3－梯； 4－聯軸；</p><p>　　5－中間軸承； 6－溫度計接口；</p><p>　　7－攪拌葉輪； 8－進風管；</p><p>　　9－放料口； 10－底軸承；<

55、/p><p>　　11－熱電偶接口；12－冷卻管；</p><p>　　13－攪拌軸； 14－取樣管；</p><p>　　15－軸承座； 16－傳動皮帶；</p><p>　　17－電機； 18－壓力表；</p><p>　　19－取樣口； 20－人孔 </p><p&g

56、t;　　21－進料口； 22－補料口； </p><p>　　23－排氣口； 24－回流口； </p><p><b>　　25－視鏡；</b></p><p>　　圖2.1 大型發(fā)酵罐結構圖</p><p>　　查閱文獻知：機械傳動的效率</p><p>

57、<b>　　攪拌軸直徑的確定</b></p><p>　　（1）軸徑應同時滿足強度、剛度、臨界轉速等條件。</p><p>　?。?）在確定軸的結構尺寸時，還應考慮軸上鍵槽及開孔所引起的局部削弱，軸徑應適當增大。</p><p>　?。?）軸徑應圓整到標準公稱軸徑系列，如φ30、φ40、φ50、φ65、φ80、φ95、φ110等。</p&

58、gt;<p>　　d=A× (p/n) (1/3)</p><p>　　系數A可以取97-149(根據所選軸的材料確定），P為功率（單位Kw），n為轉速（單位轉/分）</p><p>　　表2-4  發(fā)酵罐攪拌功率的設計計算結果</p><p><b>　　第三章設計小結</b></p><

59、p>　　在此次課程設計中，我設計了機械通風發(fā)酵罐，該反應器利用紅霉素鏈霉菌進行紅霉素的發(fā)酵生產.</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據的整理在到畫圖，以及在后來的說明書的的擬訂。在整個設計過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作好每一個環(huán)節(jié)，才會按時完成我的設計。完

60、成整個設計后，我深刻體會到了工業(yè)生產的艱難，給予我學習的動力，為以后埋下扎實的基礎。</p><p>　　在設計計算過程中，我了解了確定幾何尺寸的基本步驟，并能初步確定機械攪拌通風發(fā)酵罐主要部件的尺寸，能設計冷卻裝置，能選擇其冷卻方式并計算出其冷卻面積和冷卻水用量，最后計算出發(fā)酵罐的攪拌軸功率，完成整個發(fā)酵罐的設計。通過咨詢老師、翻閱書本、文獻以及各種資料，我能初步了解發(fā)酵罐設計的整個流程，并且對各個流程都熟悉了

61、解，每步都要求做到更好。</p><p><b>　　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><p>　　[3] 陳英

62、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] 楊汝德編，《現代工業(yè)級生物學》，華南理工大學出版社</p><p>　　[5] 陳堅、李寅編著，《發(fā)酵過程優(yōu)化原理與實踐》， 化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[6] 潘紅良、郝俊文主編，《過程設備機械設計》 華東理工大學出版社</