75M3機械攪拌通風谷氨酸發(fā)酵罐的設(shè)計.doc

課 程 設(shè) 計75M3機械攪拌通風谷氨酸發(fā)酵罐的設(shè)計課程名稱 生物工程設(shè)備 學生學院 輕工化工學院 專業(yè)班級 生物工程一班 學 號 學生姓名 * 指導教師 * 2010 年 6 月 20 日廣東工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書題目名稱75M3機械攪拌通風谷氨酸發(fā)酵罐的設(shè)計學生學院輕工化工學院專業(yè)班級生物工程一班姓 名*學 號一、課程設(shè)計的內(nèi)容1、通過查閱機械攪拌通風發(fā)酵罐的有關(guān)資料，熟悉基本工作原理和特點。2、進行工藝計算3、主要設(shè)備工作部件尺寸的設(shè)計4、繪制裝配圖 5、撰寫課程設(shè)計說明書二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)設(shè)計75M3機械通風發(fā)酵罐，應(yīng)用TG866菌株發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，產(chǎn)物是次級代謝產(chǎn)物，非牛頓型流體，三級發(fā)酵。發(fā)酵罐高徑比為2.6，生產(chǎn)場地為南方某地，蛇管冷卻，初始水溫：20三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1課程設(shè)計說明書（紙質(zhì)版和電子版） 各1份2設(shè)備裝配圖（A3號圖紙）1張四、課程設(shè)計進程安排序號設(shè)計各階段內(nèi)容地點起止日期1上午布置及講解設(shè)計任務(wù)；下午查閱資料及有關(guān)文獻教一，圖書館6. 11日2有關(guān)工藝設(shè)計計算宿舍6 .12日至6. 15日3裝配圖繪制2-2016. 16日至6. 20日4撰寫課程設(shè)計說明書圖書館6. 20日至6. 22日五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1 鄭裕國. 生物工程設(shè)備M. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.2 李功樣，陳蘭英，崔英德. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計M. 廣州：華南理工大學出版社，2006.3 陳英南，劉玉蘭. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計M. 杭州：華東理工大學出版社，2005.4 GB/T 14690-1993-1993，技術(shù)制圖比例S北京：中國標準出版社，19935 梁世中. 生物工程設(shè)備M. 北京: 中國輕工業(yè)出版社，2007.6 田洪濤. 現(xiàn)代發(fā)酵工藝原理M. 北京: 化學工業(yè)出版社，2007.7 JBT4746-2002，鋼制壓力容器用封頭S北京：中國標準出版社，2002發(fā)出任務(wù)書日期：2012 年 6 月 11 日 指導教師簽名：計劃完成日期： 2012 年 6 月 22 日 基層教學單位責任人簽章：主管院長簽章：課程設(shè)計考核表設(shè)計題目75M3機械攪拌通風谷氨酸發(fā)酵罐的設(shè)計姓名*班級生物一班設(shè)計（論文）起始時間 2012 年 6 月 11 日至 2012 年 6 月 22 日設(shè)計完成情況： 獨立完成，達到要求 能夠完成，達到要求 能夠完成，基本達到要求 不能按時完成，達不到基本要求說明書（論文）敘述 清楚 比較清楚 基本清楚 不清楚工作態(tài)度情況（學生對設(shè)計的認真程度、紀律及出勤情況）： 認真 較認真 一般 不認真圖面是否清晰 清晰 比較清晰 基本清晰 不清晰計算是否正確 正確 基本正確 不正確設(shè)計（論文）是否符合規(guī)范要求 規(guī)范 基本規(guī)范 不規(guī)范成績評定: 優(yōu)秀 良好 中等 及格 不及格指導教師簽字： 年 月 日摘 要本次設(shè)計的是一臺75M3機械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻裝置、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、人孔和其它的一些附件組成。罐體材料為A3鋼為材料，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐，厚度為10mm。采用標準橢圓封頭，壁厚為16mm，與發(fā)酵罐采用雙面縫焊接方式連接。發(fā)酵罐的高9360mm，直徑為3600mm，罐內(nèi)采用二層，六彎葉渦輪式攪拌器。攪拌軸直徑為1200mm，由130KW電動機驅(qū)動，并采用軸封與罐體密封。冷卻裝置為763.5mm的冷卻蛇管342m，分6組安裝在罐內(nèi)。最后繪制了該發(fā)酵罐的裝配圖。關(guān)鍵詞：機械攪拌發(fā)酵罐，封頭，攪拌器，端面軸封，冷卻裝置目 錄1 設(shè)計方案的擬定12罐體主要尺寸的確定22.1 罐體體積22.2罐體總高度33 罐體主要部件尺寸的設(shè)計計算43.1 罐體43.2 罐體壁厚43.3 封頭壁厚的計算43.4 攪拌器53.5 人孔和視鏡53.6 接口管的選擇63.6.1 排料管的選擇計算63.6.2 氣管直徑的選擇73.6.3 儀表接口73.7 管道接口73.8 支座的選擇84 冷卻裝置的確定94.1 冷卻方式94.2 裝液量104.3 冷卻水耗量104.4 冷卻面積105 攪拌器軸功率的計算115.1不通氣條件下的軸功率P0115.2通氣攪拌功率Pg的計算125.3電機及變速裝置選用126 結(jié)束語147 參考文獻14 1 設(shè)計方案的擬定我設(shè)計的是一臺75M3機械攪拌通風發(fā)酵罐,發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸。L-谷氨酸是生物機體內(nèi)按代謝的基本氨基酸之一，也是連接糖代謝與氨基酸代謝的樞紐之一，在代謝上具有比較重要的意義。L-谷氨酸單鈉鹽，俗稱味精，具有強烈的鮮味，是一種十分重要的調(diào)味品，廣泛應(yīng)用于烹調(diào)和食品加工。目前國內(nèi)谷氨酸發(fā)酵的主要菌種有：天津短桿菌及其誘變株FM8209、FM-415、CMTC-6282、TG863、TG866、S9144、D85等菌株；鈍齒棒桿菌AS1.542及其誘變菌株B9、B9-17-36、F-263等菌株；北京棒桿菌AS.1299及其誘變菌株7338、D110、WTH-1等菌株。綜合溫度、PH等因素選擇菌株，該菌種最適發(fā)酵溫度為32-37，pH為7.0-7.5。主要生產(chǎn)工藝過程為如下：原料液的處理與培養(yǎng)基配制；種子制備與擴大培養(yǎng)；發(fā)酵；谷氨酸提取與精制。其具體過程如圖1:味精生產(chǎn)總工藝流程圖發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動裝置,軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設(shè)計就是要對75m3發(fā)酵罐的幾何尺寸進行計算；考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐體和封頭的壁厚；根據(jù)發(fā)酵微生物產(chǎn)生的發(fā)酵熱、發(fā)酵罐的裝液量、冷卻方式等進行冷卻裝置的設(shè)計、計算；根據(jù)上面的一系列計算選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置，和人孔等一些附件的確定,完成整個裝備圖，完成這次設(shè)計。這次設(shè)計包括一套圖樣，主要是裝配圖，還有一份說明書。而繪制裝配圖是生物工程設(shè)備的機械設(shè)計核心內(nèi)容，繪制裝配圖要有合理的選擇基本視圖，和各種表達方式，有合理的選擇比例，大小，和合理的安排幅面。說明書就是要寫清楚設(shè)計的思路和步驟表 1-1發(fā)酵罐主要設(shè)計條件項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注發(fā)酵菌種工作壓力設(shè)計壓力發(fā)酵溫度設(shè)計溫度冷卻方式培養(yǎng)基發(fā)酵液密度發(fā)酵液粘度TG8660.4MPa0.4MPa35120蛇管冷卻玉米漿，馬鈴薯淀粉，豆餅粉=1050Kg/m3=1.310-3N*s/m2根據(jù)參考文獻6選取由工藝條件確定由工藝條件確定由參考文獻6確定由工藝條件確定由工藝條件確定由參考文獻6確定由工藝條件確定由工藝條件確定由工藝條件確定2罐體主要尺寸的確定2.1 罐體體積根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸；高徑比H/D=2.6則H=2.6初步設(shè)計：設(shè)計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（75m3）公稱體積V罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和全體積V0公稱體積和上封頭體積之和封頭體積 （近似公式）假設(shè)H0/D=2.0,根據(jù)設(shè)計條件罐的公稱體積為75m3由公稱體積的近似公式V=0.785D22D+0.15D3=75，解得D=3519mm ,取整為3600mm，2.2罐體總高度H=2.6D=2.63600=9360mm查閱文獻7 ，當公稱直徑DN=3600mm時，標準橢圓封頭的曲面高ha=900mm，直邊高度hb=40mm，總深度為Hf=940mm，容積=0.7850.362(0.04+1/60.36)=6.5111mm可得罐直筒高度H0=H-2940=7480mm則此時H0/D=7480/36002，與前面的假設(shè)相近，故可認為D=3600是合適的發(fā)酵罐的公稱體積V=0.7853.627.48+6.5111=82.61m3全體積V0=0.7853.627.48+6.51112=89.12 m3攪拌葉直徑Di=1/3D=1/33600=1200mm攪拌葉間距S=3DI=31200=3600mm底攪拌葉至底封頭高度C= DI=1200mm表2-1 75m3發(fā)酵罐的幾何尺寸項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注公稱體積m375設(shè)計條件全體積m359.12計算罐體直徑mm3600計算發(fā)酵罐總高度mm9360計算發(fā)酵罐筒體高度mm7480計算攪拌葉直徑mm1200計算橢圓封頭半軸長mm900計算橢圓封頭直邊高度mm40計算底攪拌葉至底封頭高度1200計算攪拌葉間距mm3600計算3 罐體主要部件尺寸的設(shè)計計算3.1 罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式因谷氨酸是為偏酸性，故選用使用A3鋼為材料，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐。封頭設(shè)計為標準橢圓封頭因為D500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。3.2 罐體壁厚取整為1=10mmD罐體直徑（mm）p耐受壓強 (設(shè)計壓力取0.4MPa) 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0 罐體金屬材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，137MPa）C 腐蝕裕度，當 C10mm時，C3mm3.3 封頭壁厚的計算取整2=16mmD罐體直徑（mm）p耐受壓強 (取0.3MPa)K開孔系數(shù)，取2.3 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8，無縫焊取1.0 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，137MPa）C 腐蝕裕度，當 C89mm,可以滿足工藝要求。核算：物料流量Q=0.0062 m3/s，流速v=1m/s;管道截面積F=0.7850.1082=0.0092m2在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為則排料時間：t=30.67=2.01(h)進料管徑其管徑與排料口相同。3.6.2 氣管直徑的選擇 按通風管計算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為2025m/s?，F(xiàn)通風比0.10.18vvm，為常溫下20，0.1MPa下的情況，要折算0.4MPa、30 狀態(tài)。風量Q1取大值Q1=250.18=4.5m3/min=0.075m3/s利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)下的風量Qf取風速v=20m/s，則風管截面積Ff為則氣管直徑d氣為：d氣=Ff/0.785=0.0155/0.785=140.52mm取1594.5mm無縫管，159mm140.52mm,可滿足工藝要求。3.6.3 儀表接口溫度計：PT100鉑電阻-DOCOROM常用溫度傳感器型號-TR/02125裝配式熱電阻，開在罐身上；壓力表：彈簧管壓力表（徑向型），精度2.5，型號：Y150，開在封頭上；液位計：采用HG5-1366-80反射式玻璃板液位儀，開在罐身上；溶氧探頭：A1-900MAX；pH探頭：SBH03-871PH-3P1A-3型；3.7 管道接口進料口： 1084mm排料口： 1084mm進氣口： 1594mm排氣口： 1594mm冷卻水進、出口： 1084mm補料口： 1084mm取樣口： 1084mm3.8 支座的選擇根據(jù)技術(shù)要求選擇序號是8的A型耳式支座，具體參數(shù)參考上表格 A型耳式支座發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注罐體材料A3鋼為材料，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐由工藝條件確定罐體壁厚10mm人孔1個，標準號HG2151895根據(jù)文獻2選取封頭2個，JB/T 4746-2002根據(jù)文獻7選取封頭壁厚16mm計算焊接方式雙面平焊工藝條件確定攪拌器種類六彎葉渦輪式攪拌器工藝條件確定攪拌器層數(shù)2工藝條件確定攪拌器直徑1200mm計算視鏡1個工藝條件確定進、排料口直徑1084mm工藝條件確定進、出氣口直徑1084mm工藝條件確定冷卻水進出口直徑763.5mm工藝條件確定補料口直徑1084mm工藝條件確定取樣口直徑1084mm工藝條件確定溫度計1個，TR/02125根據(jù)文獻1選取壓力表1個，Y150根據(jù)文獻1選取液位計1個，HG5-1366-80根據(jù)文獻1選取溶氧探頭1個A1-900MAX根據(jù)文獻1選取PH探頭SBH03-871PH-3P1A-3根據(jù)文獻1選取支座A型，4個根據(jù)文獻2選取4 冷卻裝置的確定4.1 冷卻方式發(fā)酵罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用列管或蛇管冷卻，使用水作冷卻介質(zhì)。4.2 裝液量 裝料系數(shù)取75%，則實際裝液量V1=V075%=89.1375%=66.85m3V柱=V1-下封頭體積=66.85-6.5111=60.34m3裝也高度h1= V柱/0.785D2=60.34/0.7853.62=5.93m4.3 冷卻水耗量單位時間傳熱量Q=Q發(fā)V1=2930066.85=1.959106KJ/h 冷卻水耗量4.4 冷卻面積取整為80m2冷卻管總長度其中，d取76mm，壁厚3.5mmK取2.0103分6組，每組57m每圈蛇管長度D蛇管圈直徑，3mhp 蛇管圈之間的距離，取0.19m每組蛇管圈數(shù)，則總?cè)?shù)為36=18圈蛇管總高度75發(fā)酵罐冷卻裝置設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注裝料系數(shù)75%由工藝條件確定裝料體積66.85m3計算裝料高度5.93m計算總發(fā)酵熱1.959106kj/h計算冷卻水耗量9.36104kg/h計算冷卻面積80m2計算冷卻蛇管總長度340m計算冷卻蛇管總高度3.23m計算蛇管組數(shù)6由工藝條件確定每組蛇管圈數(shù)6計算5 攪拌器軸功率的計算5.1不通氣條件下的軸功率P014取發(fā)酵醪液黏度，密度，攪拌轉(zhuǎn)速則雷諾準數(shù)因為Re，所以發(fā)酵系統(tǒng)為湍流狀態(tài)，即有效功率系數(shù)=4.7魯士頓(Rushton J. H.)公式：P0無通氣攪拌輸入的功率（W）；功率準數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪 NP4.7渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）；液體密度，取1050 kg/m3 ；渦輪直徑（m）；對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：m-攪拌器層數(shù)。5.2通氣攪拌功率Pg的計算因為是非牛頓流體，所以用以下公式計算 多層攪拌輸入的功率（kW）渦輪轉(zhuǎn)速（r/min），取100 r/min渦輪直徑（m），1.2mQ通氣量（/min），取4/min計算5.3電機及變速裝置選用根據(jù)攪拌功率選用電動機時，應(yīng)考慮傳動裝置的機械效率。攪拌軸功率軸封摩擦損失功率，一般為傳動機構(gòu)效率根據(jù)生產(chǎn)需要選擇三角皮帶電機。三角皮帶的效率是 0.92，滾動軸承的效率是 0.99，滑動軸承的效率是0.98，端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的 1%，則電機的功率攪拌軸直徑，n為轉(zhuǎn)速（單位為轉(zhuǎn)/分）取A=100，根據(jù)文獻選軸徑為110m