50立方米发酵罐设计说明书.docx
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50立方米发酵罐设计说明书
50立方米发酵罐设计说明书
1.设计条件(设计方案的分析)………………………………………………22.几何尺寸的确定………………………………………………………………43.主要部件尺寸的设计计算……………………………………………………5
3.1罐体………………………………………………………………………5
3.2罐体筒壁厚………………………………………………………………5
3.3封头壁厚…………………………………………………………………5
3.4挡板………………………………………………………………………5
3.5搅拌器……………………………………………………………………6
3.6人孔和视镜………………………………………………………………6
3.7管道接口…………………………………………………………………6
3.8仪表接口…………………………………………………………………74.冷却装置设计…………………………………………………………………8
4.1冷却方式选择……………………………………………………………8
4.2冷却面积计算……………………………………………………………8
4.34.3蛇管参数计算………………………………………………………95.拌轴功率的计算………………………………………………………………105.1不通气条件下的轴功率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……………………………………………………126.设计小结………………………………………………………………………127.参考文献………………………………………………………………………13
1.设计条件
我设计的是一台50立方米发酵罐,发酵生产红霉素。
经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红霉素链霉菌,灰平链霉菌和小单孢菌,综合……等因素选择红霉素链霉菌,该菌种最适发酵温度为31?
,pH为6.9,培养基为酵母膏10g,买牙膏10g,葡萄糖4g,琼脂20g,蒸馏水1000ml.
本发酵罐的冷却设备是蛇管式换热器,蛇管式换热器是把管子弯成螺旋弹簧状或平面螺旋状。
蛇管式换热器主要应用于反应器内液体进行热交换,因为这种换热器结构简单,易于制造。
对需要换热面不大的场合比较适用,同时因管子能承受高压而不易泄漏,常被高压流体的加热或冷却所采用。
优点是:
(1)结构简单;
(2)价格低廉;(3)可用任何材料制造;(4)蛇管能承受高的压力,常用于高压流体的冷却。
使用水作冷却介质,设计简单,使用方便、廉价。
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,合理的选择比例,大小,和合理的安排幅面。
说明书主要用于写清楚设计的思路和步骤。
项目项目及代号参数及结果备注
红霉素链霉发酵菌种由工艺条件确定菌
常压工作压力由工艺条件确定
0.60MP设计压力由工艺条件确定
31?
发酵温度(工作温度)根据参考文献选取
31?
设计温度由工艺条件确定
冷却方式水冷由工艺条件确定
酵母膏10g,
麦芽膏10g,
葡萄糖4g,琼培养基根据参考文献选取
脂20g,蒸馏
水1000ml
2
Di,搅拌叶直径
D,罐体直径
Ho,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
3
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=2.2
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
3设计公称体积:
50m查附表,取D=3000mm此时,ha=750mmhb=40V封=3.82
H=2.2D=6600mm
h=750+40=790
ho=H-2h=6600-2790=5020,
223V筒Dh,0.785,3,5.02,35.47=m04
3V公=V筒+V封=35.47+3.82=39.29m
3由于与所要求公称体积V公=50m相差太大,故取D=3200此时,ha=800mmhb=40V封=4.61
H=2.2D=7040mm
h=800+40=840
ho=H-2h=7040-2840=5360,
223Dh,0.785,3.2,5.36,43.08V筒=m04
3V公=V筒+V封=43.08+4.61=47.69m
3同理,若取D=3400,按同样的方法计算得V公=57.14m
3经以上验证,当D取3200时与公称体积所要求50m最为接近,故D取3100mm
3公称体积调整为V公=V筒+V封=43.08+4.61=47.69m
3全体积V,V,V,47.69,4.61,52.3m封0
1D,D,1070mmi3
H,0.25D,800mma
4
h,H-h,40mmba封
S,3D,3200mmi
C,D,1070mmi
3.主要部件尺寸的设计计算
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,发酵液PH为近中性,对罐体使用A3钢会有点腐蚀,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。
3.2罐体壁厚
PD0.60,3200,,,C,,3,12.0mm1,,,,2,P2,127,0.8,0.60
D,罐体直径(mm)
P,耐受压强(取0.60MPa)
φ,焊缝系数,现用无缝焊取0.8
2〔σ〕,设计温度下的许用应力(),A3钢焊接压力容器许用应力为kgfcm150?
,127Mpa
-C,10mmC,腐蚀裕度,当时,C,3mm3.3封头壁厚计算
PDy0.60,3200,2.3,,,C,,3,21.7mm2,,,,2,P2,127,0.8,0.6
D,罐体直径(mm)
p,耐受压强(取0.60MPa)
y,开孔系数,取2.3
φ,焊缝系数,无缝焊取0.8
2〔σ〕,设计温度下的许用应力(),A3钢焊接压力容器许用应力为kgfcm150?
,127Mpa
-C,10mmC,腐蚀裕度,当mm时,C,3mm3.4挡板
5
本设计用内冷凝水管,可以省略挡板。
表2-1××m3发酵罐的几何尺寸
参数及计算项目备注结果
3设计条件公称体积V47.69m0
3全体积V计算52.3m
罐直径D3200mm计算
筒体高H5360mm计算0
7040mm计算罐总高H
搅拌叶间距S3200mm计算
1070mm计算底搅拌叶至底封头高度C
800mm计算椭圆封头短半轴长度ha
椭圆封头直边高度h40mm计算b
3.5搅拌器
1D,D,1060mm叶径:
i3
盘径:
d,0.75D,826.4mmii
叶宽,0.2D,212mmi
叶弦长:
0.25D,265mmi
l,0.375D,461mm叶弧长:
i
Y,D,1060mm叶距:
i
3.6人孔和视镜
本次设计只设置了1个人孔,标准号为:
HG21517,1995回转盖带颈平
焊法兰人孔RF型(PN1.0MPaDN400)开在顶封头上。
本次设计只设置了2个视镜,公称压力PN1.0,公称直径DN150,D,250mm,
D,215mm,b,40mm,b,30mm,材料为不锈钢,标准号为:
视镜?
PN1.0112
DN150HGJ501,86,20开在顶封头上。
3.7管道接口:
6
进出料口、进排气口、补料口、温度计平焊法兰:
HG20592,1997,DN100,外径108
冷却管进出口、取样口平焊法兰:
HG20592,1997,DN60,外径68
压力表平焊法兰:
HG20592,1997,DN15,外径21.3
进料口:
采用管法兰接口,冷扎钢管DN100,3.4kg/m,厚度4mm,开在封头上;
排料口:
采用管法兰接口,冷扎钢管DN100,3.4kg/m,厚度4mm,开在罐底;
进气口:
采用管法兰接口,冷扎钢管DN100,3.4kg/m,厚度4mm,开在罐身;
排气口:
采用管法兰接口,冷扎钢管DN100,3.4kg/m,厚度4mm,开在封头上;
冷取水进、出口:
采用管法兰接口,合金钢管,Φ60×3.5,开在罐身;
取样口:
DN60,开在封头上;
补料口:
DN100,开在封头上;
3.8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),d=20mm,精度2.5,型号:
Y,250Z,1
开在封头上
液位计:
采用HG5型反射式玻璃板液位计标准号:
HG5-1364-80型号:
AT25-I-2000直径:
2000mm,开在罐身上;
溶氧探头:
SE,N,DO,F;
pH探头:
PHS,2型;
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
A3钢罐体材料由工艺条件确定
罐体壁厚,12mm计算1
回转盖带颈
平焊法兰人根据参考文献HG21517-95
人孔孔RF型
选取(PN1.0MPa
DN400)
21.7mm封头壁厚计算
六平叶涡轮搅拌器种类根据参考文献选取
搅拌器层数2计算
1060mm搅拌器直径计算
7
4.冷却装置设计
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,使用列管
或蛇管冷却,综合比较列管的冷却效果好,在使用水作冷却介质时,选用列管。
4.2冷却面积的计算
发酵罐装料系数:
60%
52.3,0.60,发酵罐装料液体积:
=全体积×装料系数=31.38V1
3不计算下封头时的装液体积:
V柱=-下封头体积,36.61-4.61,34.615mV1
22装液高度:
,,,,h,V0.785,D,320.785,3.2,4.3m柱1
单位时间传热量,发酵热×装料量
3即:
Q,Q,V,26300,36.61,825294kjm,h发1
冷却水耗量(W)
Q825294W,,,24644.78kgh,,,,Ct,t4.186,28,20p12
Q,单位时间传热量
0Cp,冷却水的平均比热,取4.186,,kjkg,Ct2,t1,冷却水进出口温度差
平均温度差
t,t,t,t,,,,31,20,31,28,,,,0F1F2,t,,,6.156Cm,,,,t,t31,20F12.303lg2.303lg,,,,31,28t,tF2
t1,冷却水进口温度
t2,冷却水出口温度
t,发酵温度F
冷却面积(A)
Q8252942A,,,43.25mK,,t3100,6.156m
8
对数平均温度差,tm
K,传热总系数,取3100kJ/(m2?
h?
?
)
2A,,dL冷却面积():
m
冷却蛇管取,76,3.5mm
冷却蛇管总长度(m)
A43.25()L,,,199.6m,3,d3.14,69,10
d,蛇管内径,
d,外径,壁厚
外径取50,80mm,壁厚取3.5,5mm
4.3蛇管参数计算
蛇管一般分为4组或6组,则每组长度:
L/4或L/6本设计蛇管组数为6,每组长度为33.26m,取整为34m,那么总长度调整为204m.
223V,dL,0.785,0.076,204,0.925m蛇管总体积4
蛇管竖排,端部为U形,设曲半径为500mm。
假设静液面刚好浸没蛇管,下
3部伸入封头40mm,又设发酵罐内附件占有体积0.4m,则总占有体积为
3V,V,V,V,31.38,0.925,0.4,32.705m总液管附件
V-V32.705-4.61总封,,3.495m那么筒体部分液深为,S2截,3.24
H,3.495,0.04,3.535m竖蛇管总高管
l,,D,3.14,1000,3140mm两端管总长0
两端弯管总高1000mm
h,H-1,3.535-1,2.535m则直管部分高度管
l,2h,l,2,2535,3140,8210mm那么一圈管长0
n,34000/8210,4.14每组蛇管的圈数,取整为4圈0
9
,0.076,取每圈管子中心距为2.5D外=2.00.152m,则每组管子厚度为0.193=0.456m,
取管子到罐壁的距离为150mm,又知D=3200mm,Di=1070mm则搅拌器到管子的距离=(3200-1070)/2-456-150=459mm>250mm符合要求取管子曲半径为500mm,其在发酵罐的排布如图,由图可知,此冷却管排布方式可以排下蛇管,且较为合理。
表2-375m3发酵罐冷却装置设计计算结果
项目参数及结果备注
发酵罐装料系数0.6由工艺条件确定
3装料量31.38计算m
3825294kj/m,h单位时间传热量计算
24644.78kgh冷却水耗量(W)计算
2冷却面积(m2)43.25m计算
76,3.5mm冷却蛇管规格(m)根据参考文献××选取
204m冷却蛇管总长度(m)计算
冷却蛇管高度(m)3.535m计算
5.搅拌器轴功率的计算(单只搅拌桨)
5.1不通气条件下的轴功率P0计算
53P,N,,D鲁士顿(RushtonJ.H.)公式:
pi0l
3,,160r/min,2.67r/sN,D,1.06m6,,,,,1044kg/mplil
535P,N,,D,6,2.67,1044,1.06,136.51kwpi0l
P,无通气搅拌输入的功率(W);0
N,功率准数,是搅拌雷诺数ReM的函数;p
ω,涡轮转速(r/min);
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液体密度(kg/m3)因发酵液不同而不同,一般取800,1650kg/m3;,l
涡轮直径(m);Di
圆盘六平直叶涡轮NP?
6圆盘六弯叶涡轮NP?
4.7圆盘六箭叶涡轮NP?
3.7由于一般发酵罐中,D/d,3,H,3l因此搅拌功率可用下式校正:
*P,fP0
f为校正系数,它由下式来确定
H1D13.24.3,,,,lf,,,,1.17,,,,3dd31.061.06,,,,
发酵罐直径(D)、搅拌器直径(d)、液柱高度(HL)
*P,fP,1.17,136.51,159.72kw所以,0
,,P,P0.4,0.6m,255.55kw双档搅拌功率2
5.2通气搅拌功率Pg的计算
35m通风时,设通风比/min
22,,P,255.55,65304.13kw2
N=160r/min
336D,106,1.191,10i
0.0860.08Q,(5,10),3.435
0.390.39236,,,,PND65304.13,160,1.191,10,,33i2,,,,P,2.25,10,,2.25,10,g,,0.0860.08,,Q(5,10),,,,,177.9kw
P0,无通气搅拌输入的功率(kW)ω,涡轮转速(r/min)
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Di,涡轮直径(m)
Q,通气量(m3/min),取1,6m3/min
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。
P177.9gP,,1.01,,1.01,201.3kw电,,,0.92,0.99,0.98123
Pm,搅拌轴功率
PT,轴封摩擦损失功率
η,传动机构效率
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%,
表2-4发酵罐搅拌功率的设计计算结果
项目数值与说明备注
不通气条件下的轴功率P,kW136.51计算
通气条件下的轴功率P,kW159.72计算
轴转数n,r/min160由工艺条件确定
多层搅拌器的轴功率255.55KW计算
电动机功率201.3KW计算
型号
电动机选择功率根据参考文献××选取
转速
轴径mm130根据参考文献××选取
传动装置三角皮带根据参考文献××选取
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
:
C菌种进行红霉素的发酵生产,发酵温度为31。
反应器的材料为A3钢;几何尺寸为公称直径为3200mm;采用平叶式2层搅拌器,利用201.3kw电动机通过130mm的轴驱动;冷却方式为蛇管冷却,冷却蛇管总长为199.6m,分为6组。
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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。
在设计计算过程中,为了取得自己设计所用数据,我不辞辛苦在图书馆查阅大量书籍。
为了查得一些最新零部件,在宿舍通过校园网查看最新的发酵罐设计及生产部件的厂家。
在装配图绘制过程中,从不懂AUTOCAD到熟练掌握,我想我做到了。
整天对着电脑屏幕,眼睛是最有感触的,每天起床它都会肿着眼袋留着泪痕跟你诉说昨天是怎么过去的。
今天我终于做完设计了,觉得挺有成就感的。
当中也少不了老师的一份耕耘。
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