课程设计书70M3发酵罐.docx
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课程设计书70M3发酵罐
第一章设计方案的分析、拟定
我设计的是一台70M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产红霉素。
经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红色链霉菌、红霉素链霉菌、红色糖多孢菌,综合最适发酵温度、PH、等因素选择红霉素链霉菌,该菌种最适发酵温度为31℃,pH为6.6~7.2,培养基为发酵培养基,主要成分为淀粉10%、黄豆饼粉5%、硫酸铵0.5%、磷酸二氢钾0.2%、碳酸钙2%。
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,人孔和其它的一些附件组成。
这次设计就是要对机械搅拌通风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;根据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視图,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。
压力P——除注明外,压力均指表压力,单位用MPa表示。
工作压力——指在正常情况下,容器顶部可能达到的最高压力。
设计压力——指设定的容器顶部的最高压力。
它与设计温度一起作为设计载荷条件,其值不小于工作压力。
一般在装有安全阀时Pd=(1.05~1.1)Pw
当无安全阀时,Pd=(1.0~1.05)
*1、设计压力
容器的设计压力是指相应的设计压温度下,用以确定壳体厚度的压力,其值不得小于最高工作压力。
容器的最高工作压力是指在正常操作情况下,容器顶部可能出现的最高表压力。
*2、设计温度
设计温度是指容器在正常操作情况,在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。
当元件的金属温度大于等于0℃时设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度,当元件金属温度低于0℃时设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。
表1-1 发酵罐主要设计条件
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
1
发酵菌种
红色链霉菌
由工艺条件确定
2
工作压力
0—0.1MPa
由工艺条件确定
3
设计压力
0.2—0.3MPa
由工艺条件确定
4
发酵温度
31℃
根据参考文献“现代工艺级生物学”选取
5
设计温度
温度100~140℃
由工艺条件确定
6
冷却方式
蛇管冷却
由工艺条件确定
7
培养基
发酵培养基,主要成分为淀粉10%、黄豆饼粉5%、硫酸铵0.5%、磷酸二氢钾0.2%、碳酸钙2%
根据参考文献“现代工艺级生物学”选取
第二章机械通风发酵罐设计
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=0.785×42×5.1+9.0013=73.07m3
全体积V0=0.785×42×5.1+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
项目及代号
参数及结果
备注
公称体积m3
70
设计条件
全体积m3
82.07
计算
罐体直径Dmm
4000
计算
总高度Hmm
7200
计算
筒体高度H0mm
5100
计算
搅拌叶直径Dimm
1334
计算
封头曲面高度hamm
1000
计算
椭圆封头直边高度hbmm
50
计算
底搅拌叶至底封头高度Cmm
1334
计算
搅拌叶间距Smm
4000
计算
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
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(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃,170MPa)
C-腐蚀裕度,当δ-C<10mm时,C=3mm
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,
叶径:
d=1/3D=1/3×4000=1333.3333mm
盘径:
di=0.75d=1000mm
叶高:
h=0.3d=444.4444mm
叶长:
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:
角度
。
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=
取 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:
φ108×4mm
进气口:
φ159×4mm
排气口:
φ159×4mm
冷却水
进、出口:
φ108×4mm
补料口:
φ108×4mm
取样口:
φ108×4mm
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
项目及代号
参数及结果
备注
罐体材料
16MnR钢
工艺条件确定
罐体壁厚
8mm
计算
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
计算
焊接方式
双面焊取
由工艺条件确定
搅拌器种类
六弯叶涡轮式搅拌器
由工艺条件确定
搅拌器层数
2层
由工艺条件确定
搅拌器直径
1334mm
计算
视镜
1个
由工艺条件确定
进、排料口直径
φ108×4mm
由工艺条件确定
进、出气口直径
φ108×4mm
由工艺条件确定
冷却水进出口直径
φ76×3.5mm
由工艺条件确定
补料口直径
φ108×4mm
由工艺条件确定
取样口直径
φ108×4mm
由工艺条件确定
温度计
TR/02125一个
由文献【1】选取
压力表
Y150一个
由文献【1】选取
液位计
HG5-1366-80一个
由文献【1】选取
溶氧探头
A1-900MAX一个
由文献【1】选取
PH探头
SBH03-871PH-3P1A-3
由文献【1】选取
支座
A型四个
由文献【1】选取
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 70
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
75%
由工艺条件确定
装料体积m3
61.55
计算
装料高度m
4.18
计算
总发酵热kJ/h
1.619×106
计算
冷却水消耗量kg/h
7.74×104
计算
冷却面积m2
80
计算
蛇管总长度m
336
计算
蛇管总高度m
3.23
计算
蛇管组数
6
由工艺条件确定
每组蛇管圈数
6
计算
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==2.95×106
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
90~95
正齿轮
90~95
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
项目及代号
参数及结果
备注
项目及代号
转速r/min
130
由工艺条件确定
转速r/min
单层不通气时的轴功率kw
198.94
计算
单层不通气时的轴功率kw
多层搅拌器轴功率kw
318.30
计算
多层搅拌器轴功率kw
通气量m3/min
4
计算
通气量m3/min
通气搅拌功率kw
178.13
计算
通气搅拌功率kw
电机功率kw
201.56
计算
电机功率kw
电机选择kw
250
根据文献【1】确定
电机选择kw
轴径mm
130
根据文献【1】确定
轴径mm
传动装置
三角带
根据文献【1】确定
传动装置
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
[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]杨汝德编,《现代工业级生物学》,华南理工大学出版社
[5]陈坚、李寅编著,《发酵过程优化原理与实践》,化学工业出版社,2002
[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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