课程设计书70M3发酵罐要点Word文档下载推荐.docx
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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组成。
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,工艺接管等附件一起,构成完
整的夹套反应釜。
2.2几何尺寸的确定
根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸;
高径比H/D=1.8
初步设计:
设计条件给出的是发酵罐的公
称体积。
公称体积--罐的筒身(圆柱)体积和
底封头体积之和。
1、全体积--公称体积和上封头体积之和:
H/D=1.7~3.5
Di/D=1/2~1/3
B/D=1/8~1/12
C/Di=0.8~1.0
S/Di=2~5
/D=1.3
Di-搅拌叶直径
D-罐体直径
-罐体直筒部位高度
B-挡板宽度
ha-椭圆封头短半轴长度
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
假设H0/D=1.3,根据设计条件罐的公称体积为70m3
由公称体积的近似公式
V=0.785×
D2×
1.3D+0.15D3=70,解得D=3910mm,取整为4000mm。
H=1.8D=1.8×
4000=7200mm
查阅文献[7],当公称直径DN=4000mm时,标准椭圆封头的曲面高ha=1000mm,直边高度hb=50mm,总深度为Hf=1050mm,容积
=0.785×
42×
(0.05+1/6×
4)=9.0013mm3
可得罐直筒高度
H0=H-2×
1050=5100mm
则此时H0/D=5100/4000=1.275≈3,与假设相近,
故D=4000合适。
发酵罐的公称体积V=0.785×
5.1+9.0013=73.07m3
全体积V0=0.785×
5.1+9.0013×
2=82.07m3
搅拌叶直径Di=1/3×
D=1/3×
4000=1334mm
搅拌叶间距S=3DI=4000mm
底搅拌叶至底封头高度C=DI=1334mm
表2:
75m3发酵罐的几何尺寸
公称体积m3
70
设计条件
全体积m3
82.07
计算
罐体直径Dmm
4000
总高度Hmm
7200
筒体高度H0mm
5100
搅拌叶直径Dimm
1334
封头曲面高度hamm
1000
椭圆封头直边高度hbmm
50
底搅拌叶至底封头高度Cmm
搅拌叶间距Smm
2.3主要部件尺寸的设计计算
2.3.1考虑压力,温度,腐蚀因素,选择罐体材料和封头材料,封头结构、与罐体连接方式
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,但必须能耐受一定的压力和温度,通常要求耐受130-150℃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,使用不锈钢成本较高。
考虑使用A3钢为材料,内涂环氧树脂防腐。
即可达到要求,又降低成本。
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
2.3.2罐体壁厚:
取决于罐径及罐压的大小
δ1=+C=+3=7.42mm
取整为δ1=8mm
D-罐体直径(mm)
p-耐受压强(设计压力取0.4MPa)
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(16MnR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
压力容器设计规范和制造技术标准
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年第二版
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》2000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
δ2=+C=+3=13.15mm
取整得δ2=14mm
p-耐受压强(取0.3MPa)
K-开孔系数,取2.3
[σ]-设计温度下的许用应力(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃,170MPa)
2.4挡板
通常挡板宽度b取(0.1~0.12)D,装设4~6块即可满足全挡板条件。
根据下式计算挡板数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;
搅动液体的循环量大,搅拌功率消耗也大;
叶径:
d=(0.3~0.4)D
盘径:
di=0.75d
叶高:
h=0.3d
叶长:
b=0.25d
根据D=4m,
d=1/3D=1/3×
4000=1333.3333mm
di=0.75d=1000mm
h=0.3d=444.4444mm
b=0.25d=333.3333mm
2.6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:
HG21515-1995人孔(R·
A-2707)450,开在顶封头上,位置:
角度
。
视镜用于观察发酵罐内部的情况。
本次设计只设置了1个视镜,开在顶封头上,位置:
2.7接口管
2.7.1排料管的选择计算
设装料系数为75%,3小时内排空,则有:
罐实际醪料量为
82.07×
75%=61.55m3
物料体积流量
Q=V1/3h=61.55/(4000×
3)=0.0051m3/s
取流速v=1m/s
则排料管截面积
F=Q/v=0.0051/1=0.0051m3
又排料管截面积
F=0.785d2,算得d=0.081(m)
取
φ108×
4mm无缝管,108mm>
89mm,可以满足工艺要求。
核算:
物料流量Q=0.0051m3/s,流速v=1m/s;
管道截面积
F=0.785×
0.1082=0.0092m2
在相同的流速下,流过物料因管径较原来计算结果大,则相应流速比为
n==
则排料时间:
t=3×
0.55=1.65h
进料管径
其管径与排料口相同。
2.7.2气管直径的选择
按通风管计算,压缩空气在0.3MPa下,支管气速为20~25m/s。
现通风比0.1~0.18vvm,为常温下20℃,0.1MPa下的情况,要折算0.3MPa、32℃状态。
风量Q1取大值
Q1=25×
0.18=4.5m3/min=0.075m3/s
利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf
Qf=0.075×
×
=0.22m3/s
取风速v=20m/s,则风管截面积Ff为
Ff=Qf/v=0.22/20=0.0110m2
则气管直径d气为:
d气=
φ159×
4.5mm无缝管,159mm>
118.382mm,可满足工艺要求。
2.7.3仪表接口
温度计:
PT100铂电阻-DOCOROM常用温度传感器型号-TR/02125装配式热电阻,开在罐身上;
压力表:
弹簧管压力表(径向型),精度2.5,型号:
Y150,开在封头上;
液位计:
采用HG5-1366-80反射式玻璃板液位仪,开在罐身上;
溶氧探头:
A1-900MAX;
pH探头:
SBH03-871PH-3P1A-3型;
2.8管道接口
进料口:
φ108×
4mm
排料口:
进气口:
φ159×
排气口:
冷却水
进、出口:
补料口:
取样口:
2.9支座的选择
根据技术,查阅文献,要求选择序号
是8的A型耳式支座。
A型耳式支座
表2-2
发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果
罐体材料
16MnR钢
工艺条件确定
罐体壁厚
8mm
人孔
HG21518-95一个
由文献【2】选取
封头
JB/T4746-2002两个
由文献【7】选取
封头壁厚
14mm
焊接方式
双面焊取
搅拌器种类
六弯叶涡轮式搅拌器
搅拌器层数
2层
搅拌器直径
1334mm
视镜
1个
进、排料口直径
进、出气口直径
冷却水进出口直径
φ76×
3.5mm
补料口直径
取样口直径
温度计
TR/02125一个
由文献【1】选取
压力表
Y150一个
液位计
HG5-1366-80一个
溶氧探头
A1-900MAX一个
PH探头
SBH03-871PH-3P1A-3
支座
A型四个
2.8冷却装置的设计
(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,使用列管或蛇管冷却,使用水作冷却介质。
(2)装料量
装料系数取75%,则实际装液量V1=V075%=82.07×
75%=61.55m3
V柱=V1-下封头体积=61.55-9.0013=52.55m3
装液高度h1=V柱/(0.785D2)=52.55/(0.785×
42)=4.18m
(3)单位时间传热量
单位时间传热量=发酵热×
装料量,查得红霉素发酵热为26300kJ/m3*h
即:
查阅文献得各类发酵液的发酵热
发酵液
发酵热kJ/m3*h
青霉素丝状菌
23000
青霉素球状菌
13800
链霉素
18800
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)
单位时间传热量Q=Q发×
V1=26300×
61.55=1.619×
106KJ/h
冷却水耗量
W=Q/Cp(t2-t1)=1.619×
106/[4.186×
(23-18)]=7.74×
104kg/h
△tm=[(tF-t1)-(tF-t2)]/[2.303lg(tF-t1)/(tF-t2)]=11.314℃
(5)冷却面积(A)
取整为80m2
A==79.50m2
取整80m2
冷却管总长度
L===335.023m
取整L=336,分为6组,每组长L0=56m
其中,d取76mm,壁厚3.5mm
K取1.8×
103kJ/(m2·
h·
℃)
分6组,每组56m
每圈蛇管长度
L’===9.42m
D-蛇管圈直径,3m
hp-蛇管圈之间的距离,取0.19m
每组蛇管圈数
Np=L0/L’=56/9.42=5.94≈6故总圈数为3×
6=18
蛇管总高度
表2-3
发酵罐冷却装置设计计算结果
装料系数
75%
装料体积m3
61.55
装料高度m
4.18
总发酵热kJ/h
1.619×
106
冷却水消耗量kg/h
7.74×
104
冷却面积m2
80
蛇管总长度m
336
蛇管总高度m
3.23
蛇管组数
蛇管规格mm
φ57×
3.5
根据参考文献选取
2.9搅拌器轴功率的计算(单只搅拌桨)
2.9.1不通气条件下的轴功率P0计算
取发酵醪液黏度
,密度ρ=1000kg/m3,搅拌转速ω=130r/min
则雷诺准数
Re==2.95×
因为Re≥
,所以发酵系统为湍流状态,即有效功率系数
=4.7
鲁士顿(RushtonJ.H.)公式:
P0=Npω3ρDi5=198.94kw
P0-无通气搅拌输入的功率(W);
-功率准数,是搅拌雷诺数Re的函数;
圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7
ω-涡轮转速(r/min);
-液体密度,取1050kg/m3;
-涡轮直径(m);
对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算:
Pm=P(0.4+0.6m)=198.94×
(0.4+0.6×
2)=318.30kw
m-------搅拌器层数。
2.9.2通气搅拌功率Pg的计算
注:
P0-无通气搅拌输入的功率(W)
n=ω-涡轮转速(r/min),取130r/min
-涡轮直径(m),1.34m
Q-通气量(
/min),取4
/min
计算Pg=178.13kw
2.9.3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
P=(Pg+PT)/η=[178.13/(0.92×
0.98×
0.99)]×
(1+1%)=201.56kw
搅拌轴直径
,n为转速(单位为转/分)
取A=100
故d=100×
(201.56/130)1/3=115.74mm
根据文献选轴径为130mm
机械搅拌发酵罐的结构
1-轴封;
2-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-轴承座;
16-传动皮带;
17-电机;
18-压力表;
19-取样口;
20-人孔
21-进料口;
22-补料口;
23-排气口;
24-回流口;
25-视镜;
图2.1大型发酵罐结构图
查阅文献知:
机械传动的效率
传动机械
,%
三角皮带
90~95
伞齿轮
正齿轮
涡轮(三线或四线)
70~90
涡轮(双线)
60~80
搅拌轴直径的确定
(1)轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。
(2)在确定轴的结构尺寸时,还应考虑轴上键槽及开孔所引起的局部削弱,轴径应适当增大。
(3)轴径应圆整到标准公称轴径系列,如φ30、φ40、φ50、φ65、φ80、φ95、φ110等。
d=A×
(p/n)(1/3)
系数A可以取97-149(根据所选轴的材料确定),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
转速r/min
130
单层不通气时的轴功率kw
198.94
多层搅拌器轴功率kw
318.30
通气量m3/min
通气搅拌功率kw
178.13
电机功率kw
201.56
电机选择kw
250
根据文献【1】确定
轴径mm
传动装置
三角带
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,该反应器利用红霉素链霉菌进行红霉素的发酵生产.
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艰难,给予我学习的动力,为以后埋下扎实的基础。
在设计计算过程中,我了解了确定几何尺寸的基本步骤,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,最后计算出发酵罐的搅拌轴功率,完成整个发酵罐的设计。
通过咨询老师、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,并且对各个流程都熟悉了解,每步都要求做到更好。
参考文献
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化学工业出版社,2007.
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华南理工大学出版社,2006.
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华东理工大学出版社,2005.
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[6]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
[7]厉玉鸣主编,《化工仪表及自动化》,化学工业出版社
[8]梁世中主编,《生物工程设备》,中国轻工业出版社,2008
[9]叶勤编著,《发酵过程原理》,化学工业出版社
[10]《原理与实践》,化学工业出版社
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