发酵罐设计.docx
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发酵罐设计.docx
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发酵罐设计
前言2
设计方案的拟定3
(1)、机械搅拌生物反应器的型式.3
(2)、反应器用途3
(3)、冷却水及冷却装置..3
(4)、设计压力罐内0.4MPa夹套0.25Mpa4
表-发酵罐主要设计….4
工艺设计及计算..5
(1)生产能力、数量和容积的确定..…5
(2)主要尺寸计算………………………………………………………………5
(3)冷却面积的计算……………………………………………………………6
(4)搅拌器设计6
(5)搅拌轴功率的计算..……7
(6)i求最高热负荷下的耗水量W.8
ii冷却管组数和管径
10
iii冷却管总长度L计算
iv每组管长lo和管组高度10
V每组管子圈数n。
10
Vi校核布置后冷却管的实际传热面积10
(7)设备材料的选择10
(8)发酵罐壁厚的计算11
(9)接管设计12
(10)支座选择13
设计结果汇总14
参考资料.14
发酵罐设计心得体会…..15
附录及设计图
、,、-
前言
生化工程设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节,要求我
们综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题,对培养我们全面的理论知识与工程素养,健全合理的知识结构具有重要作用。
在本课程设计中,通过生化过程中应用最为广泛的设备,如机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、动植物细胞培养反应器,蒸发结晶设备、蒸馏设备等的设计实践,对我们进行一次生化过程发酵设备设
计的基本训练,使我们初步掌握发酵设备设计的基本步骤和主要方法,树立正确的设计思想和实事求是,严肃负责的工作作风,为今后从事实际设计工作打下基础。
设计方案的拟定
我们设计的是一台25M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产味精。
设计基本依据
(1)、机械搅拌生物反应器的型式
通用式机械搅拌生物反应器,其主要结构标准如下:
1高径比:
H/D=1.7-4.0
2搅拌器:
六弯叶涡轮搅拌器,Di:
*L:
B=20:
15:
5:
4
3搅拌器直径:
Di=D/3
4搅拌器间距:
S=(0.95-1.05)D
5最下一组搅拌器与罐底的距离:
C=(0.8-1.0)D
6挡板宽度:
B=0.1D,当采用列管式冷却时,可用列管冷却代替挡板
2)、反应器用途
用于味精生产的各级种子罐或发酵罐,有关设计参数如下:
1装料系数:
种子罐0.50-0.65
发酵罐0.65-0.8
2发酵液物性参数:
密度1080kg/m3
粘度2.0X10-3N.s/m2导热系数0.621W/m「C比热4.174kJ/kgC
3高峰期发酵热3-3.5X104kJ/h.m3
4溶氧系数:
种子罐5-7X106mol02
发酵罐6-9X10-6molO2
5标准空气通风量:
种子罐0.4-0.6vvm
发酵罐0.2-0.4vvm
3)、冷却水及冷却装置
冷却水:
地下水18-20C
冷却水出口温度:
23-26C
发酵温度:
32-33C
冷却装置:
种子罐用夹套式冷却,发酵罐用列管冷却。
(4)、设计压力罐内0.4MPa夹套0.25MPa
发酵罐主要由罐体和冷却列管,以及搅拌装置,传动装置,轴封装置,人孔和其它的一些附件组成。
这次设计就是要对25M3通风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;根据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-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
味精
设计压力
0.4MPa
由任务书确定
发酵温度
33r
根据任务书选取
(工作温度)
设计温度
150C
由工艺条件确定
冷却方式
列管冷却
由工艺条件确定
发酵液密度
由工艺条件确定
发酵液黏度
由工艺条件确定
25m3机械搅拌发酵罐的设计
工艺设计及计算:
(1)生产能力、数量和容积的确定
1发酵罐容积V=25m3
2生产能力计算:
现每天产99%纯度的味精2t,谷氨酸发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间),则每天需糖化液体积为V糖。
每天产纯度为99%的味精2t,每吨100%的味精需糖液15.66m3
V糖=15.66X2X99%=31m3
设发酵罐填充系数©=70%,则每天需要发酵罐的总容积为V。
(发酵周期为48h)
V0=V糖/(|=31/0.7=44.3m3
3发酵罐个数的确定:
计算发酵罐容积时有几个名称需明确
a装液高度系数,指圆筒部分高度系数,封底则与冷却管、辅助设备体积相抵消
b、公称容积,指罐的圆柱部分和底封头容积之和,并圆整为整数。
c、罐的全容积,指罐的圆柱部分和两封头容积之和。
本次设计所需发酵罐个数为:
N=V总24=3.5个
取圆整得:
N=4个
实际产量验算:
250.7300=677.42t/a
15.5
富裕量:
677.42600100%=12.9%能满足产量要求。
600
(2)主要尺寸计算
发酵罐全体积为V0=25m3
椭圆形封头体积:
Vi=—D2hb—D2h
hb=0.05m
46
式中:
hb-椭圆封头的直边高度,m
1
ha-椭圆封头短半轴长度,ha=丄D
4
将H/D=2代入上式得:
D=2.4m,H=2D=4.8m
D2hb=2m3
4
公称体积Vn=Vo-V封=25-2=23m3
验算全容积V全:
V全=V筒+2V封
=_d2h
4
2(―D2hb—D2ha)
4b6
=D(1.2
0.05
0.2)
2
〜25.7
(3)冷却面积的计算:
为了保证发酵罐在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷下来,必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下,冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下,设计冷却面积。
计算冷却面积使用牛顿传热定律公式,即:
F=Q总
km
发酵过程的热量计算有许多方法,但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际测得
的每1m3发酵液在每1h传给冷却器的最大热量。
对谷氨酸发酵:
高峰期发酵热,
3X104KJ/h.m3
采用竖式蛇管换热器,取经验值K=4.18X500KJ/(m3.h「C)
平均温差厶tm:
△tm=
_t1t2
_lnt1
t2
32C—32C
20C—26C
126
126
代入△tm=1216=8.656C
In—
6
对总容量为25m3的发酵罐,每罐实际装液量为Vo=31/2=15.5m3
Q总=QX15.5=3X104KJ/h.m3X15.5m3
=4.65X105KJ
5
Q总4.6510
换热面积:
F=—==25.7m
ktm4.185008.656
(4)搅拌器设计
机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式,可根据发酵特点、基质以及菌体特性
选用。
本次设计,由于谷氨酸发酵过程有中间补料操作,对混合要求较高,因此选用六弯
叶涡轮搅拌器
该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系,现将主要尺寸列出:
搅拌器叶径Di=D/3=2.4/3=0.8m取d=0.8m
叶宽
B=0.2Di=0.2X0.8=0.16m
弧长
l=0.375d=0.375X0.8=0.3m
底距
C=0.8D=0.8X2.4=1.9m
盘径
di=0.75XDi=0.75X0.8=0.6m
叶弦长
L=0.25D=0.25X0.8=0.2m
叶距
S=D=2.4m
弯叶板厚
9=12mm
取两档搅拌,搅拌转速N2可根据50m3罐,搅拌器直径1.05m,转速N^IIOr/min,以等
P0/V为基准放大求得:
D-i05-
N2=N^—l)3110()3=132(r/min)
D20.8
(5)搅拌轴功率的计算
通风搅拌发酵罐,搅拌轴功率的计算有许多种方法,现用修正的迈凯尔式求搅拌轴功率,并由此选择电机。
淀粉水解糖液低浓度细菌醪,可视为牛顿流体,计算步骤如下:
①计算Rem
Rem=
2
DNP
式中D—搅拌器直径,D=0.8m
N---搅拌器转速,N=132r/h
P--醪液密度,p=1080Kg/m3
卩一醪液粘度,厅2.0X103N.S/m2
视为湍流
2计算不通气时的搅拌轴功率P。
:
式中Np在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
N——搅拌转速,N=132r/h
D=0.8m,p=1080Kg/m3
代入上式,得:
P0,=4.72.230.85108017.7Kw
两档搅拌:
P°=2Po'=35.42Kw
3计算通风时的轴功率Pg:
Pg2.2510(
3(器)0.39(Kw)
式中,P。
一一不通风时轴功率(Kw),P°=35.42Kw
Q通风量(ml/min),取通风比为0.2,贝U
Q=0.2X15.5X106=3.1x106ml/min
Q0.08=3.306
23
=2.25103严4213280严
3.306
=25.8Kw
4求电机功率P电:
1.01
123
采用三角带传动n1=0.92,滚动轴承n2=0.99,滚动轴承n3=0.98,端面密封增加的功率
为1%,代入公式得
P电=-^1.01
1.01
0.920.990.98
25.8
=29.2Kw
查手册选取合适的电机
(6)i求最高热负荷下的耗水量W
W=—Q^——
Cp(t2t1)
式中:
Q总——每1m3醪液在发酵最旺盛时,1h的发热量与醪液总体积
的乘积:
Q总=QX15.5=3X104KJ/h.m3X15.5m2=4.65X105KJ
Cp——冷却水的比热容,4.18KJ/(Kg.K)
t2——冷却水终温,26C
t1——冷却水初温,20C
将各值代入上式,
Q总4.65105
W==5.15kg/s
Cp(t2t1)4.18(2620)
冷却水体积流量为5.15Kg/s,取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s,根据流体力学方程式,冷却管总截面积S总为:
式中,w——冷却水体积流量,w=5.15X103m3/s
V冷却水流速,v=1m/s
代入上式,S总=5.15X103m2
ii冷却管组数和管径:
设管径为do,组数为n,则
根据本罐情况,取n=3,求管径,由上式得:
查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表,选取①51X2.0无缝管,d内=47mm,d内d。
,满足
要求,d平均=49mm
现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250mm,则两直管距离为500mm,两端弯管总长度I。
9
iii冷却管总长度L计算:
有前知冷却管总面积F=25.7m
现取无缝钢管①51X2.0,每米长冷却面积为F°3.140.04910.15m2
贝yl=—^257=172m
F00.15
冷却管占有体积V=0.785X0.0512X172=0.35m3
iv每组管长I0和管组高度:
另需连接管4m:
I实际=L+4=176m
可排竖直蛇管的高度,设为静液面高度,下部可伸入封头。
设发酵罐内附件占有体积为0.5m3,贝
竖直蛇管总高H管3.20.1253.325〜3.4m
又两端弯管总长lo=157Omm,两端弯管总高为500mm,
贝直管部分高度:
h=H-500=3400-500=2900(mm)
贝一圈管长l2hl02290015707370mm
V每组管子圈数n0:
现取管间距为2.5D外2.50.0510.12m,竖直蛇管与罐壁的最小距离为0.15m,则
可计算出与搅拌器的距离在允许范围内(不小于200mm)
Vi校核布置后冷却管的实际传热面积:
而前有F=25.7叭F实>F,可满足要求。
(7)设备材料的选择设备结构的工艺设计,是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚,供制造加工和
采购时取得资料依据。
其内容包括:
1空气分布器:
对于好气发酵罐,分布器主要有两种形式,即:
多孔式和单管式。
对通风量较小的设备,应加环型或直管型空气分布器;而对通气量大的发酵罐,贝使用单管通风,由于进风速度高,又有涡轮板阻挡,叶轮打碎、溶氧是没有问题的。
本罐使用单管进风,风管直径计算见接管设计
2挡板:
挡板的作用是加强搅拌强度,促进液体上下翻动和控制流型,防止产生涡
旋而降低混合与溶氧效果。
如管内有相当于挡板作用的竖式冷却蛇管,扶梯等也可不设挡板。
为减少泡沫,可将挡板上沿略低于正常液面,利用搅拌在液面上形成的涡旋消泡。
本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管,故不设挡板。
3密封方式:
随着技术的进步,机械密封已在发酵行业普遍采用,本罐拟采用双面机械密封方式,处理轴与管的动静问题。
4冷却管布置:
对于容积小于5m3的发酵罐,为了便于清洗,多使用夹套冷却装置
随着发酵罐容量的增加,比表面积变小,夹套形成的冷却面积已无法满足生产需
求,于是使用管式冷却装置。
蛇管因易沉积污垢且不易清洗而不采用;列管式冷
却装置虽然冷却效果好,但耗水量过多,因此广泛使用的是竖直蛇管冷却装置。
在环境温度较高的地区,为了进一步增加冷却效果,也有利用罐皮冷却的。
5设一快开式人孔,①56cm,O形圈密圭寸。
(8)发酵罐壁厚的计算
1计算法确定发酵罐的壁厚S
式中,P――设计压力,取最高工作压力的1.05倍,P=0.4Mpa
D——发酵罐内径,D=400cm
【①】一一3钢的许用应力,【c】=127Mpa
©焊缝系数,取(=0.7
C——壁厚附加量,C=CiC2C3
Ci――钢板负偏差,取Ci0.8mm
C2为腐蚀欲量,取C2=2mm
C3――加工减薄量,取C3=0,代入上式得
C=C1C2C3=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm
选用8mm厚A3钢板制作,查附录表17知,直径2.4m,厚8mm,筒高4.8m,每
米高重356Kg,G筒=356X4.8=1708.8Kg
2封头壁厚计算:
标准椭圆封头的厚度计算公式如下:
11
式中,P=0.4Mpa,D=240cm,【c】=127Mpa,C1=0.08cm,C2=0.2cm,C3=0.1cm
C=C1
C2C3=0.38cm,=0.7
代入上式,得
0.4240
S20.380.92cm9.2mm
21270.70.4
查钢材手册圆整为S2=9.5mm
(9)接管设计
①接管的长度h设计:
各接管的长度h根据直径大小和有无保温层,一般取
100~200mm
物料在不同情况下的流速,即可求出管道截面积,计算出直径。
计算出的直径再休
15.5m3,设0.5h内排空,则物料体积流量
整到相近的钢管尺寸即可。
通风管的管径计算:
该罐实装醪量
155
Q0.0086m3/s
36000.5
发酵醪流速取V=1m/s
取无缝钢管①108x4适用
若按通风管计算,压缩空气在0.4Mpa下,支气管气速为20m/s
通风比0.2wm
033
20Cm/min0.052m/s
计算到0.4Mpa300C状态下,
取风速v=20m/s,则风管截面积Ff为:
Ff0.785d气,则气管直径d气为:
因通风管也是排料管,故取两者的大值,取d=108x4无缝管,则满足工艺要求。
12
排料时间复核:
物料流量Q=0.0086m3/s,流速v=1m/s,
管道截面积F=0.7850.120.00785m2
在相同流速下,流过物料因管径较原来计算结果小,
则相应流速比为P—0.00861.09倍,
FV0.007851
(10)支座选择:
发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座。
其中卧式支座又分为支
腿,圈型支座,鞍型支座三种。
立式支座也分为三种即:
悬挂支座,支撑式和裙式支座。
对于75m3以上的发酵罐,由于设备总重量较大,应选用裙式支座。
本设计选用裙式支座
13
设计结果汇总
项目
结果
总体积V
25
公称体积Vn
23
实际装液量V,
15.5
2.4m
罐径D
罐身高H
4.8m
封头高Hl
0.65m
罐压P
0.4Mpa
通气量Q
3.1X106ml/min
通风时搅拌抽功率(Pg)/不通气时轴功率(P0)
25.8Kw/35.42Kw
搅拌转速N2
132r/min
涡轮搅拌器直径Di
0.8m
发酵罐壁厚S1
8mm
封头壁厚S2
9.5mm
接管直径d
108X4
冷却面积F
25.7m2
列管规格
051X2.0(mm)
列管总长L
172m
列管布置
3组,每组8圈
人孔直径
56cm
发酵罐设计心得体会
搅拌通风发酵罐的设计需要综合各种参数,是有计划、有目的,由所需设计的发酵罐的体积,一步一步计算而来。
需要根据要求设计的年产量及罐的容积填充系数,发酵周期计算所需罐数。
有冷却介质的进出口温度及发酵过程中传热量得出传热面积。
关于传热面积,最难确
定的是传热系数,它的确定需要需要取决于发酵液的物性、蛇管的传热性能及管壁厚度。
我们查了很多关于传热系数的计算的资料,很遗憾,由于各种物性参数的不足,我们只能取经验数值。
由所得的传热面积便可根据公式根据已知的各种参数,求出蛇管的理论长度、蛇管的组数。
由于我们这一组所要设计的是25立方米的发酵罐,理论上说,可以用夹套冷却装置,由于担心传热不足,我们还是选择设计比较复杂的蛇管冷却装置,这样就可以最大限度地解决传热问题。
蛇管换热器的设计需要考虑各种因素,比如它同封头的距离是否满足工艺上的规定,它同搅拌器的距离是否能够保证搅拌器正常工作时不会与蛇管相碰撞等。
所以在设计蛇管之前一定要将搅拌器的各种参
数计算好,比如搅拌器的功率、叶径、转速、同挡板的距离等。
这些参数相互之间都有联系,根据设计所规定的比例标准可以计算出。
最后根据发酵罐的容积及压力,对壁厚进行设计,并圆整,然后根据罐的直径计算封头的直径及壁厚。
整个设计过程中,我们小组的成员们查了很多相关资料,力求我们的设计能满足工艺要求,对每一个数字的得出及圆整,我们都经过多次反复计算及资料核查。
尽管如此,我想我们的设计中仍会不可避免地出项一些疏漏,限于所学知识及实践能力的缺乏,或许我们现在还无法觉察,所以相信老师在看了我们小组的设计之后,定会给我们一些建议,以便我们更加了解发酵罐的设计。
很高兴能尽自己的微薄之力,同小组成员们一起完成这次设计,不仅巩固了设备设计方面的专业知识,还深刻感受到任何一个投入到生产中的设备的设计只靠所学的一点设计知识是远远不够的,我不仅需要扩展自己的视野,填充专业知识,还要好好利用学校组织的实践教学,尽量弥补实践方面的不足。
同时我也感受到集体力量在设计过程中的作用,当我对某个环节感到迷茫时,因为小组的讨论,茅塞顿开。
这次设计,我真的从中领悟到“讨论”的重要性。
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