15m3通风式发酵罐毕业设计

1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2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3四、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6.272有关工艺设计计算宿舍6.27至7.13装配图绘制教1-2167.1至7.44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：4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5目录1设计方案的拟定……………………………………………………………………12几何尺寸的确定……………………………………………………………………22.1夹套反应釜的总体结构………………………………………………………22.2几何尺寸的确定………………………………………………………………23主要部件尺寸的设计计算…………………………………………………………43.1罐体……………………………………………………………………………43.1.1罐体筒壁厚……………………………………………………………43.1.2封头壁厚………………………………………………………………53.2搅拌器…………………………………………………………………………53.3人孔和视镜……………………………………………………………………53.4接口管…………………………………………………………………………63.4.1管道接口………………………………………………………………63.4.2仪表接口………………………………………………………………73.5挡板……………………………………………………………………………74冷却装置设计………………………………………………………………………84.1冷却方式………………………………………………………………………84.2装液量…………………………………………………………………………84.3冷却水耗量……………………………………………………………………94.4冷却面积的计算………………………………………………………………95拌轴功率的计算…………………………………………………………………105.1不通气条件下的轴功率的P0计算……………………………………………105.2通气搅拌功率Pg的计算……………………………………………………115.3电机及变速装置选用………………………………………………………116设计小结…………………………………………………………………………137参考文献…………………………………………………………………………1311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：①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；②上海工业微生物研究所选育的黄色短杆菌AIII；③黑龙江轻工业研究所的241134；④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。2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2-12.2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3全体积Vo—公称体积和上封头体积之和封头体积V封=a2b2hD6hD4V=4πD2Ho+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=4πD2Ho+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=4πD2Ho+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kw1032001800121507.521470022002115430306600240034180455070002800-300038-60160556080003000-32006516065758000320084165100410094003600114170130200115004600221142215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m315设计条件全体积m315.14计算罐体直径mm2000计算发酵罐总高mm5154计算发酵罐筒体高度mm4000计算搅拌叶直径mm700计算椭圆封头短半轴长mm500计算椭圆封头直边高度mm50计算底搅拌叶至封头高度mm700计算搅拌叶间距mm2100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D500mm，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)(][21mmCppD=0.3-0.8×170×22000×3.0+3=5.208mm，取6mmD－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）5C－腐蚀裕度，当δ－C10mm时，C＝3mm3.1.2封头壁厚的计算CmmPKPDtid5.0σ][2t=30.3×0.5-0.8×137×22000×0.3×3.2=9.3mm，取10mmD－罐体直径（mm）p－耐受压强(取0.3MPa)K－开孔系数，取2.3φ－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－C10mm时，C＝3mm3.2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3-13.3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6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