发酵罐设计

德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺一第一页食品深加工类机械与设备工艺设计（装料量53m机械搅拌发酵罐设计）设计小组：第2组组长：张超组员：田林亮王金凯张亮专业：食品科学与工程部门：生物研发部日期：2013年7月20日德州市鸿泰环保设备有限公司研发部德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺二第二页目录一、设计任务..............................................2二、设计要求..............................................3三、概述..................................................3四、总体结构设计..........................................44.1罐头设计..........................................44.2罐头及封头的几何尺寸的计算........................44.3罐头压力测试......................................64.4确定夹套的几何尺寸的计算..........................74.5夹套压力试验......................................8五、搅拌装置及附件设计....................................85.1搅拌轴计算........................................85.2搅拌器选型及分布..................................12六、传动装置的设计.......................................146.1电动机选型........................................156.2减速器选型........................................166.3联轴器选型........................................20七、其他辅助设备的选型...................................217.1支座的选择.......................................217.2人孔的选择......................................23德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺三第三页7.3视镜的选择......................................237.4无菌空气通风管设计..............................237.5消泡器..........................................24八、各自的设计任务.......................................24一、设计任务装料量53m机械搅拌发酵罐设计设计参数和技术特性指标名称指标工作压力罐内≤0.3Mpa夹套（蛇管）内≤0.5Mpa工作温度罐内≤121℃夹套（蛇管）内150℃工作介质罐内轻微腐蚀性物料夹套内蒸汽装料量（m3）5传热面积（m2）传热面积由夹套结构确定，夹套高度不低于液位高度。搅拌器型式涡轮式搅拌器转速/rmp260（参考）搅拌轴功率kw6.5其它夹套换热时，至少应装四块挡板（根据需要设置）。罐体材料16MnH/D装料系数η罐内料液密度1.0~1.30.7~0.91076Kg/m³接管建议（推荐）德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺四第四页出料口冷凝液出口蒸汽进口温度计插口视镜进料口人孔手孔Dg80Dg57Dg30Dg70Dg80Dg50400100二、设计要求1.机械搅拌发酵罐计算及整体结构设计，完成设计说明书。（1）进行罐体及夹套（或内部蛇管）设计计算；（2）进行搅拌装置设计：搅拌器的选型设计；选择轴承、联轴器，罐内搅拌轴的结构设计，搅拌轴计算和校核；（3）传动系统的设计计算：尽可能采用V带传动，进行传动系统方案设计；进行带传动设计计算；（4）密封装置的选型设计；（5）选择支座形式并计算；（6）手孔或人孔选型；（7）选择接管、管法兰、设备法兰；（8）设计机架结构；（9）设计凸缘及安装底盖结构；（10）视镜的选型设计；（11）消泡装置设计；（12）无菌空气分布管设计。2.绘制搅拌罐装配图(2号或3号图纸)。三、概述机械搅拌发酵罐是生物制药工厂常用类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。机械搅拌发酵罐可用于生产药用酵母、饲料酵母、活性干酵母、液体曲、谷氨酸、柠檬酸、抗生素、维生素、酶制剂、食用醋、赖氨酸等。机械搅拌发酵罐其实就是一种生物反应器，生物反应器是指为活细胞或酶提供适宜的反应环境，让他们进行细胞增殖或生产的装置系统。生物反应器为细菌的生长和繁殖提供适宜的生长环境，促进菌体生产人们需要的产物。广泛应用于乳制品、饮料、生物德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺五第五页工程、制药、精细化工等行业，罐体设有夹层、保温层、可加热、冷却、保温。罐内壁经镜面抛光处理，无卫生死角，而全封闭设计确保物料始终处一无污染的状态下混合、发酵，设备配备空气呼吸孔，CIP清洗喷头，人孔等装置。机械搅拌发酵罐主要由罐体、封头、夹套、联轴器、传动系统、消泡器等结构构成。机械搅拌发酵罐的基本要求：（1）机械搅拌通风发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高；（2）机械搅拌通风发酵罐能承受一定的压力；（3）要保证发酵液必须的溶解氧；（4）机械搅拌通风发酵罐应具有足够的冷却面积；（5）机械搅拌通风发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌；（6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。罐体的材料要根据发酵液对钢材腐蚀的程度来选择，此款机械搅拌发酵罐主要是用于食品的加工，其腐蚀程度相对较低，我们选择16Mn材料制作罐体、封头、夹套等。四、总体结构设计4.1罐体设计4.1.1确定罐头上下封头的形式搅拌罐为立式容器,上封头选用标准椭圆形封头,下封头为了考虑排料选用无折边的锥形封头,并选取筒体高度H与筒体半径D1的比值为2:1；上、下封头也可相同。4.2罐体及封头的几何尺寸的计算4.2.1确定罐体的内径D（公称直径）和筒体的高度H选取搅拌罐装料系数为8.0,已知装料量305mVV总可得设备总容积3025.68.05mVV总对于机械搅拌发酵罐，取高径比为2/DH德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺六第六页初选筒体直径取D=1500mm,查手册mmD1500的标准椭圆形封头的封头容积为3513.0mVb，则公称容积3737.5513.025.6mV估算筒体的内径mmDHVD1540214.3737.54/433将计算结果圆整至公称直径标准系列，取筒体内径D=1500mm，查手册D=1500mm的标准椭圆形封头曲面高度h1=400mm，直边高度h2=40mm，封头容积Vb=0.513m3,表面积Fb=2.62m2,查手册得一米高筒体容积V1=1.767m3,表面积F1=4.71m3mVVVHb897.2767.1617.0737.51筒体高度圆整为2.9m演算实际高径比H/D=2.9/1.5≈1.93复核结果基本接近2，满足要求。4.2.2确定筒体的厚度食品液体对钢材的腐蚀性不大，温度不高，压力为低压，故可选用16Mn钢材,查表16MnR钢σb=510MPa，查表得厚度mm16~6设计温度121℃的许应力为170MPa。选取筒体内设计压力MPaPP33.03.01.11.1max，同时还需判断是否需要考虑液体静压力：mVVVHb539.2767.1513.0510料MPagHP027.0539.28.91076料物料，超过设计压力的5%，应计算在内MPaPPP357.0物料内筒体的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数8.0。mmppDttd97.1357.08.017021500357.02因为市面上所出售的材料其厚度最小为3mm，所以我们取筒壁厚mmtd3设钢板厚度在mm5.5~5.4，则取负偏差mmc2.01双面腐蚀度22cmm2.221cccmm德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺七第七页mmcppDttd2.52.232考虑安全裕量，取筒体的厚度为6mm4.2.3确定上封头的厚度所选取的筒体的上封头为标准椭圆形封头pKpDtt5.02上对标准椭圆形封头K=1821.133.05.08.01702150033.01上tmm负偏差2.01c上封头由于外无夹套，故无物料腐蚀，1ccmmcpKpDtt2.42.0135.02上为了便于制造和焊接，封头常与筒体的厚度相同，即筒体和封头的厚度都为6mm。4.2.4下封头的厚度与高度根据公称直径查相应标准椭圆封头的相关参数：曲面盖度：mmh4001直面高度：mmh402下封头装液的高度mmhhHH2979404002539212料MPagHp031.08.9979.2107622，超过设计压力的5%，应计算在内MPappp361.0031.033.02真mmpDKptt99.1361.05.08.017021500361.05.02真真下由结果取厚度附加量负偏差2.01c双面腐蚀度mmc222.221cccmmcpDKpt2.52.235.02真真下为了便于制造和焊接，封头常与筒体的厚度相同，即筒体和封头的厚度都为6mm德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺八第八页4.3罐体压力试验采用水压试验，试验压力公式为atTMppp446.0170170357.025.125.1annTMpctctDp07.1828.02.25.422.25.41500446.0)(2屈服点强度Mpas345，Mpas5.3103459.09.0可见s9.0压力试验强度足够4.4确定夹套的几何尺寸的计算4.4.1确定夹套的直径和高度表夹套内径2Dmm1D500-600700-18002000-30002D1D+501D+1001D+200对于筒体内径Di=700—1800mm，夹套的内径mmDDj16001001500100，符合压力容器公称直径。根据夹套内径估算夹套高度:mDVVVVVHbmb540.25.14513.025.68.0422夹mVVVHb539.2767.1513.0510料，料夹HH，故符合。4.4.2确定夹套的材料和壁厚为便于制造，同样选用16Mn为夹套材料，查表得厚度为6—16mm罐内温度150℃的许应力[σ]t=170MPa，选取夹套设计压力MPaPP55.05.01.11.1max,夹套的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数8.0。取负偏差c1=0.6mm，单面腐蚀取腐蚀余量c2=1mm。6.121cccmm德州市鸿泰环保设备有限公司机械搅拌发酵罐设计工艺九第九页δd=mmcppDjt84.46.10.55-0.8170216000.552考虑安全裕量，选取夹套的壁厚为6mm。4.4.3确定夹套封头的厚度采用标准椭圆形封头，壁厚附加量取c=1.6mmΔd封=mmcppDjt838.46.1