生物工程与设备课程设计

山东xxx学院《生物工程与设备》课程设计说明书学院：食品与生物工程学院班级：xxx学号：xxx姓名：xxx指导老师：xxxxxx设计日期:2011年12月21日至2011年12月28日一、前言1、课程设计的性质通过本次设计使同学对《生物工程与设备》的理论知识有更深刻的理解，生物工程与设备课程设计为必修课。同时也为将来走上设计岗位的同学打下良好的基础。2、课程设计目的与任务任务：年产6万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计。目的：通过课程设计，使同学对工艺参数确定，物料恒算、发酵罐体积及尺寸确定、罐体机械强度、搅拌功率、搅拌轴及搅拌浆叶强度等计算能力得到锻炼。掌握工程设计基本程序及内容，熟练掌握电脑绘图及绘图质量。二、设计参数1、糖酸转化率60%2、发酵产酸水平11%3、发酵周期32小时4、发酵罐充满系数为0.75、味精分子式187.13（C5H8NO4Na）.H2O6、谷氨酸分子式147.13(C5H9NO4)7、谷氨酸密度取1.553g/cm38、残还原糖0.8%，干菌体1.7%9、谷氨酸提取率97.5%10、谷氨酸生产味精精制率为125%11、取01LPV（kw）12、空罐灭菌压力0.25MPa13、年工作日安330天计算三、物料衡算1、发酵罐总容积计算发酵罐总容积，决定于年工作日、每天生产谷氨酸量、发酵产酸水平、谷氨酸发酵周期、谷氨酸提取率、谷氨酸精制味精得率等。（1）年谷氨酸的产量=年味精产量÷125%=60000/1.25=48000T（2）每天的谷氨酸产量=年谷氨酸的产量÷330=48000/330=145.45T（3）发酵液密度333/1050/050.15.9528.707.16865553.11105.1258561mKgmTTm（4）每天生产发酵液体积谷氨酸提取率发酵产酸水平每天生产谷氨酸量V=145.45/1.050×(11%×97.5%)=1291.60m3（5）发酵罐的总容积总V=〔每天生产发酵液体积×发酵周期（小时）〕/24=（1291.60×32）/24=1722.13m32、求发酵罐个数，取单罐公称容积200m3查表6-2（发酵工厂工艺设计概论P102）得公称容积是2003m的发酵罐全容积为2303m。取充满系数为0.7.(1)单罐的有效容积计算有效V=单罐公称容积×罐的利用率=200×0.7=140m3(2)发酵罐个数n计算n=总V/有效V=1722.13/140=12.31故取13个发酵罐。四、发酵罐工艺设计1、发酵罐直径及罐体高度计算根据发酵罐的公称容积，确定发酵罐的尺寸。已知发酵罐直径D，筒体部分高0H，发酵罐总高H。常见的发酵罐的几何尺寸比例如下：H/D=1.7～3.5Di/D=1/2～1/3B/D=1/8～1/12C/Di=0.8～1.0S/Di=2～5H0/D=2取H/D=2.0，采用标准椭圆形封头。已知罐公称容积0V为200m3通常，对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。所谓“公称体积”，是指罐的通身（圆柱）体积和底封头体积之和。其中底封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。标准椭圆形封头体积为：DhDhDhDVbab614642221--------(1)式中：bh—椭圆封头的直边高度，ｍah—椭圆短半轴长度，标准椭圆Dha41。故发酵罐全体积为：DhHDVb6124020--------(2)近似计算式为：32015.04DHDV（m3）--------(3)发酵罐公称体积：642DHDV其中2DH2331()200461(2)200462004.9()0.7852.16667VDHDDDm取发酵罐直径D=5m故发酵罐高0H=2D=10m取封头直角边bh，一般取值范围为50~55mm，此处取封头直边为50mm.发酵罐公称容积0V=24D(H+bh+D61)=4×5×5(10+0.05+61×5)=213.6m3发酵罐总高度H=0H+2(bh+ah)=10+2(0.05+5÷4)=12.6m封头体积：22315()0.7855(0.05)17.34()466DVDhm发酵罐全容积V=0V+1V=213.6+17.34=230.94m3与查表得公称体积一致。2、发酵罐壁厚计算使用不锈钢0Cr19Ni9，其中钢板许用应力MPa130CpDpS2P—设计压力，取最大工作压力的1.1倍，灭菌压力即最大工作压力；—焊缝系数，双面焊缝取=0.85（局部无损探伤）；C=1C+2C对不锈钢当介质的腐蚀性极微时，取2C=0，查表14-7（《生物工程设备》）取1C=0.6mm。—许用应力（kg/cm2）mmS83.66.025.01.185.0130225.01.15000取不锈钢板厚7mm。3、搅拌器类型选择与设计搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌叶轮大多采用涡轮式，最常用的是六直叶圆盘涡轮搅拌器、六弯叶圆盘涡轮搅拌器、六箭叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘作用是避免底部通入的空气从罐中心上升走短路。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌体系。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上。搅拌叶轮直径与罐径之比Di/D=1/2～1/3。搅拌叶轮类型的选择主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。由Di/D=1/2～1/3，此时取Di/D=7/20，即：Di=7/20D=1.75m。由标准圆盘涡轮搅拌器尺寸Di：d：L：B=20:15:5:4得：圆盘涡轮直径d=Di15/20=1.75×15/20=1.3125m,桨叶长L=Di5/20=1.75×5/20=0.4375m，桨叶宽B=Di4/20=1.75×4/20=0.35m，采用标准六弯叶圆盘涡轮搅拌器。设转速为n转/min根据要求01LPVKW，即：KWPo1401401。多只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算若是多档搅拌器，两档间距S，非牛顿流体S取2D，牛顿流体S取2.5-3D；静液面至上档间距取0.5-2D,下档搅拌器至罐底距离C取0.5-1D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍：95301063.42iPDnNP式中：oP----通风时的搅拌功率，单位kW。n----搅拌转速（r/min）iD----搅拌器直径（m）pN----功率准数-----发酵液密度3mKg所以140=2×4.63×4.7×3n×575.1×1050×910，所以n=57.15r/min。选用功率为125kW的电机。通风时搅拌功率（gP）计算39.008.03232.0QnDPPog..(kW)------（a）式中：.gP、oP—通风与不通风时的搅拌功率，单位kW。n—搅拌转速（r/min）D—搅拌器直径（m）Q—通风量（m3/min）设通风比vm=0.22则Q=1630.22106=35.86106ml/min=35.863m/min代入上式得，通风时搅拌轴功率.gP=138.2kW140kw4、搅拌轴直径计算搅拌轴直径决定于搅拌轴的材料、转速、搅拌功率等。轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算，以便保证搅拌轴能安全平稳的运转。（1）轴的强度计算对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。采用45号钢，按表1取k=360，31671620kA=2305.103601671620cmd≥3nNA=cm67.1315.5714005.103，取d=140mm.（2）轴的刚度计算QT=nP9550=30.216348.611409550N.m,432DJP180100POQJGT=04.01801001432101.830.2163445≤根据搅拌设备设计计算,取B=10,cmnNBd51.1215.571401044小于强度计算值，故轴径依强度计算为准。5、冷却面积计算及设计（1）冷却面积按每立方米发酵液1m2冷却面积计算，即：L1140d取规格为φ65×3的管子做冷却管所以，L=m13.71903.0065.0140大型发酵罐一般对称取8组冷却管，美组冷却管累积长度取7，每一排上下有2个冷却管。故冷却管子根数N=719.13/(8×6×2)=7.49,取8根。冷却管体积：32256.25.770065.0785.04mldV，取V=3m3五、设计体会通过此次课程设计，我对生物工程设备课上有关通风发酵设备的理论内容有了更好的掌握；通过一次次的摸索掌握了如何去设计出满足要求的发酵罐，懂得了如何去选择搅拌器、搅拌轴、联轴节、轴承，根据什么去选；并且在选材上也有了一定的基础；原来没有接触过AutoCAD的内容，通过这次操作使我熟悉了AutoCAD的操作，能较好的运用AutoCAD来绘制图形，为我即将结束的大学生活又添了多彩的一笔。更熟悉了Word的某些操作和功能；提高了自己的计算机技能，锻炼了动手能力，提升了专业知识的掌握水平。通过此次实际动手来做课程设计，使我加深了对一个道理的理解“学无止境”我相信这些道理将会对我未来的人生产生极大的影响，再次对各位老师深表感谢。六、教材及主要参考资料〔1〕化工工艺设计手册〔2〕于令信《味精工业手册》〔3〕张克旭《氨基酸发酵工艺学》轻工业出版社〔4〕化工设备设计全书编辑委员会编《搅拌设备设计》上海科学技术出版社1985（5）梁世中《生物工程设备》轻工业出版社2002.2（6）高孔荣《发酵设备》轻工业出版社1991.10（7）华南工学院等编《发酵工程与设备》轻工业出版社1981