15立方米通风式发酵罐设计课程设计.docx
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15立方米通风式发酵罐设计课程设计
15立方米通风式发酵罐设计课程设计
课程设计考核表
设计完成情况:
说明书(论文)叙述
□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
□不认真
□较认真图面是否清晰
清晰
□比
较清晰基本清晰
□不清晰
计算是否正确
正确不正确
设计(论文)是否符合规范要求
本规Y□不规范
成绩评定:
格秀好等格及优良中及不□□□□□
指导教师签字:
课程设计任务书
题目名称
学生学院
专业班级
姓名
学号
15M3机械搅拌通风发酵罐的设计
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15Ms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
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
6.27
2
有关工艺设计计算
宿舍
6.27至
7.1
3
装配图绘制
教1-216
7.1至
7.4
4
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:
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
1设计方案的拟定
1
2几何尺寸的确定
2
2.1夹套反应釜的总体结构2
2.2几何尺寸的确定2
3主要部件尺寸的设计计算
4
2.1罐体4
2.1.1罐体筒壁厚4
2.1.2封头壁厚5
3.2搅拌器5
3.3人孔和视镜5
4.4接口管6
3.4.1管道接口6
4.4.2仪表接口7
3.5挡板7
4冷却装置设计
8
4.1冷却方式8
4.2装液量8
4.3冷却水耗量9
4.4冷却面积的计算9
5拌轴功率的计算10
4.1不通气条件下的轴功率的P。
计算
10
5.2通气搅拌功率P,的计算11
5.3电机及变速装置选用11
6设计小结13
7参考文献13
1设计方案的拟定
我设计的是一台151ns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32-34℃,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17种子扩大过程的
基本培养条件
种子扩大基本培养条件
阶段
冲程76mm,频率100T2r/minn;培
养温度30-32℃,培养时间为15-16h
(V/V.min),搅拌转速200r/min,
培养时间8-Uh
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201ns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。
表1-2发酵罐主
要设计条件
项目及代号参数及结果备注
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,主要由封头和简体组成,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2-1
2.2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(15ms)
公称体积V一罐的筒身体积和底封头体积之和
全体积匕一公称体积和上封头体积之和
封头体积V封=]D2hb+:
D2ha46
V=-D2Ho+0.15D3(近似公式)4
假设H./D=2.5,根据设计条件发酵罐的公称体积为15ms,由公称体积的近似公式
V/D2Ho+0.15D$可以计算出罐体直径D=2058mm4
罐体总高度:
H=2.5D=2.5X2058=5154mm
查阅文献:
当公称直径DN=2000时,标准椭圆封头的曲面高度hj=500mm,直边
高度,hb=50mm,总深度为1196.501102,容积匕=1.2043H?
可得罐筒身高:
E=H-2Hf5154-2X550=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=-D2H0+2Vf=15.138.16m3^15m54
搅拌叶直径取DFZOOmm,其中D/D=700/2000=3.5,符合D/D=l/3T/2
搅拌叶间距S=3Di=3X700=2100mm
底搅拌叶至底封头高度C=Di=700mm
参数
表2T大中型发酵罐技术
公称筒体
筒体直径
换热
转速
电机
体积高度
mm
面积
r/min功率
3m
H(mm)
m2
kw
10
3200
1800
12
150
7.5
21
4700
2200
21
154
30
30
6600
2400
34
180
45
50
7000
2800-3000
38-60
160
55
60
8000
3000-3200
65
160
65
75
8000
3200
84
165
100
100
9400
3600
114
170
130
200
11500
4600
221
142
215
表2-215m3发酵罐的几何尺
项目及代号参数及结果设计条件
度mm
高度mm
头高度mm
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D>500mm,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
upD〜、0.3x2000cL…
司=+C(nvn)=+3=5.208mm,取6mm
2"]。
—〃2x170x0.8-0.3
D一罐体直径(mm)p-耐受压强(设计压力,MPa)
6—焊缝系数,双面焊取0.8,无缝焊取1.0
[。
]一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150C,137MPa)
C—腐蚀裕度,当6—C<10mm时,C=3mm
3.1.2封头壁厚的计算
KPDt厂2.3x0.3x2000…。
休…
〃=;:
+Cmm=+3=9.3mm,取10mm
2[a]l-0.5P2x137x0.8-0.5x0.3
D一罐体直径(mm)
p-耐受压强(取0.3MPa)
K—开孔系数,取2.3
。
一焊缝系数,双面焊取0.8,无缝焊取1.0
[o]一设计温度下的许用应力(不锈钢焊接压力容器许用应力为150C,137MPa)
C—腐蚀裕度,当6—C〈10mm时,C=3mm
叶长b=167.5
图3-1
3.3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3931nm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52皿,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=l〜1.5m/s,取u=lm/s,1.3h排尽。
取发酵罐装料系数为0.7,则发酵罐装料液体积:
Vx=10.5996ms
物料体积流量:
Q=Vj/1.3=8.153m7h
则排料管的直径d=/应==53.7mm
VTiu'3600x3.14
取无缝钢管,查阅资料,平焊钢管法兰和HG20593-97,取公称直径50,4>57X
3.5o其他管道也是如此计算
3.4.1管道接口(采用法兰接口)
进料口:
采用法兰接口,法兰型号:
管式平焊钢制管型(HG20593-97),接口直径,大约人孔与视镜中间。
角度垂直。
排料口:
采用法兰接口,法兰型号:
管式平焊钢制管型(HG20593-97),接口直径,开在罐底中间通风管旁。
进气口:
657X3.5,开在封头上,角度与水平线夹角45度
排气口:
657X3.5,开在封头上进气口以封头很人孔中心连线为对称轴的对
称位置上,角度与水平线夹角45度。
冷却水进、出口:
采用法兰接口,法兰型号:
管式平焊钢制管型(HG20593-97)
接口直径657X3.5,角度与水平线夹角45度。
补料口:
657X3.5,开在封头上;角度与水平线夹角45度。
取样口:
657X3.5,开在封头上;角度与水平线夹角90度
3.4.2仪表接口
温度计;装配式热电阻温度传感器Pt100型,D=100mm,开在罐身上;
压力表;弹簧管压力表(径向型),&=20nlm,精度2.5,型:
Y-250Z,开在封头上
溶氧探头:
SE-N-DO-F;
pH探头:
PHS型;
液位计:
采用标准:
HG5-1368,型号:
R6-1;
法兰型号:
管式平焊钢制管型(HG20593-97)
3.5挡板
挡板宽度:
B=0.lD=200mm,装设4-6个即可满足全挡板条件。
根据下式计算挡板数n:
(得)〃=(答)=0.5,由此可得n=5
式中,B-挡板宽度,mm;D-罐内经,mm;n-挡板数
表3T发酵罐主要部件尺寸的实设
计计算结果
项目及代号参数及结果¥5
罐体材料16MnR钢由工艺条件确
焊接方式
双面缝焊接
罐体筒壁厚
6mm
由工艺条件确
封头壁厚
10mm
搅拌器类型
六弯叶涡轮式
计算
搅拌叶直径
搅拌器
计算
搅拌器层数
700mm
根据参考文献
人孔
[1]选取
视镜
1个,标准号
计算
进、排料口直径
HG21522-97
由工艺条件确
进、出气口直径
2个,标准
冷却水进、出口
HGJ501-86-17
根据参考文献
直径
补料口直径
取样口直径
温度计
657X3.5
657X3.5
4)57X3.5
4)57X3.5
657X3.5
[4]选取根据参考文献[1]选取根据参考文献[4]选取
压力表
装配式热电阻
根据参考文献
液位计
温度传感器,
[4]选取
溶氧探头pH探头挡板数
PtlOO型,
D=100mm
Y-250Z
R-61
SR-N-DO-F
PHS-2型
5
由工艺条件确定
根据参考文献[4]选取由工艺条件确定
计算
4冷却装置的设计
4.1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,使用蛇管冷
却,综合比较蛇管的冷却效果好,在使用水作冷却介质是,选用蛇管。
4.2装液量
设计发酵罐的装料系数:
取70%
发酵罐装料液体积:
匕二全体积X80%=15.138X0.7=10.5996m8
不计算下封头时的装液体积:
V柱二%-下封头体积
V柱V,--D-(///,+-D=10.5996-1.2043=9.39231ns46
壮通五曲,4%4x9.3923onn
装液高度:
用=—4==2.99m
加>zrx2-
单位时间传热量=发酵热X装料量
Q二Q发X"33400X10.5996=354026.6kJ/h
表4-1各类发酵液的发酵热
4.3冷却水耗・
由实际情况选用进出口水温为19(、26(,则
=12079kg/h
Q_354026.6
Vy=-
4.187x(26-19)
Q一单位时间传热量
Cp一冷却水的平均比热,取4.187kJ/(kg•r)t2-tL冷却水进出口温度差
对数平均温度差,由工艺条件知t尸33℃,
2.3031g
,-G-4T2)_(33-19)-(66-26)33^19一10・1C2.3031g(7--)33-20
匕一冷却水进口温度t2一冷却水出口温度t发一发酵温度
4.4冷却面积
4=丁政一当^1=18.45/,根据实际情况取整为20nl2
K-Ar,„1.9x10xlO.l
△tm一对数平均温度差
K一传热总系数,取1.9X10、kJ/底・h・C)
aon
L=—=一二——=12L39m,取整L=120m,分为四组,每组长L°=30m兀d3.14x0.05
d—蛇管内径,
d=外径一壁厚
外径取50—80mm,壁厚取3.5—5mm
每圈蛇管长度
/=^(7rDp)2+/?
/=7(3.14x3)2+O.152=9.3m
DP蛇管圈直径,3m
hp蛇管圈之间的距离,取0.15m
每组蛇管圈数J30
N0=^=昔=3圈,则总圈数为3X4=12圈蛇管总高度”=(N.-1)(=(12-1)x0.15=1.65〃?
表4-215m3发酵罐
冷却装置设计计算结果
项目及代号~~参数及结果~~
[4]选取
5搅拌器轴功率的计算
5.1不通气条件下的轴功率P。
取发酵醪液卷度以=2.0X10,密度p=1080kg/mS,搅拌转速口=200"min则雷诺准数
nCOD,O,(200/60)x0.73x1080
Re=一U=;=8.82X105>10000
卜i2.0x10-3
因为ReNlO』,所以发酵系统充分湍流状态,即有效功率系数八。
二4.7
鲁土顿(RushtonJ.H.)公式:
7X(200/60)3X1080X0.75=31.6kW
P。
一无通气搅拌输入的功率(W);
刈一功率准数,是搅拌雷诺数ReM的函数;圆盘六弯叶涡轮NPQ4.7
3—涡轮转速(r/min);
0.一液体密度(kg/m3)因发酵液不同而不同,一般取800—1650kg/m3;
Dt一涡轮直径(m)
对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算:
Pm=P(0.4+0.6n?
)=31.6X(0.4+0.6X3)=69.52kw
搅拌器层数。
5.2通气搅拌功率Pg的计算
因为是牛顿流体,所以用以下公式计算
『2.25xI。
%与强严=2.25x岫爷涕驾严英面
P。
一无通气条件下的功率(kW)
s-搅拌器转速(r/min)
D「搅拌涡轮直径(m)
Q-通气量(m'/niin),取l-6m7min,通气量的大小取决于菌种需氧量及发酵液黏
度大小。
5.3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。
P+PP=J-
7
4一搅拌轴功率
马一轴封摩擦损失功率,一般为1%〃
n一传动机构效率
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X(1+1%)
P+PCA
P=、__-=X(1+1%)=56.58kW
/]0.92x0.99x0.98
搅拌轴直径”=Ax(P/〃产,n为转速(单位为转/分),系数A可以取97-149,
取A=100,已知P=56.58kW,n=200rpm,则得d=100X(56.58/200)i/s=65.64mm,
根据文献选轴径为70mmo
表2-4发酵罐搅拌功率的设计计算结
项目及代号参数及结果
转速
200,7min
不通气条件下的轴功率
31.6kW
备注根据参考文献[3]选取计算
多层搅拌器轴
69.52kW
计算
率
通气量
1.42m3/min
通气搅拌功率电机的功率电机的选择
轴径
50kW
56.58kW
型号Y280S-8,功率55kW转速740r/min
70mm
由工艺条件确
定
计算
计算
根据参考文献
[3]选取
传动装置
三角皮带
三角皮带型号DX6根
根据参考文献[3]选取根据参考文献[3]选取根据参考文献
和根数
小皮带轮直径①300mm
[3]选取根据参考文献[3]选取
大皮带轮直径1100mm根据参考文献[3]选取
6设计小结
在此次课程设计中,我设计了机械通风发酵罐,该反应器利用北京棒杆菌AS1.563菌种进行赖氨酸的发酵生产,发酵温度为33C,反应器的材料为16MnR钢;采用涡轮六弯叶式三层搅拌器,利用55kW的电动机通过70mm的轴驱动;冷却方式为蛇管冷却,冷却蛇管总长为120m,分为4组。
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。
在整个设计工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做好每一个环节,才会按时完成我的设计。
7参考文献
[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
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