生物化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

I生物化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（50m3青霉素發(fā)酵罐設(shè)計(jì)）院別：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械工程姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：完成日期：目錄1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要求 -1-2.設(shè)計(jì)方案擬定 -2-2.設(shè)計(jì)方案擬定 -2-3.發(fā)酵罐筒體及封頭設(shè)計(jì) -4-3.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu) -4-3.2幾何尺寸的確定 -5-3.3確定筒體和封頭厚度 -6-4.攪拌裝置設(shè)計(jì) -7-4.1攪拌器功率 -7-4.2電機(jī)功率確定 -8-4.3攪拌軸設(shè)計(jì) -9-5.傳熱計(jì)算 -11-6.軸封裝置設(shè)計(jì) -12-7.發(fā)酵罐的其他附件 -14-7.1人孔和視鏡 -14-7.2接口管 -14-7.2.1管道接口 -14-7.2.2儀表接口 -15-8.發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖 -15-9.設(shè)計(jì)心得 -16-參考文獻(xiàn) -17-1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要求（1）熟悉青霉素生產(chǎn)工藝，清楚了解罐內(nèi)壓力，滅菌壓力，發(fā)酵最優(yōu)溫度，罐內(nèi)物料特性，完成工藝計(jì)算。包括釜體直徑、高度，傳熱面積的計(jì)算，傳熱方式等；（生產(chǎn)地點(diǎn)：重慶）（2）根據(jù)工藝進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要包括傳動(dòng)裝置、攪拌裝置、密封裝置、支座、附件和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型；（4）畫出設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

2.設(shè)計(jì)方案擬定當(dāng)前，我國(guó)青霉素發(fā)酵罐仍是采用的機(jī)械攪拌式通風(fēng)發(fā)酵罐，原因是考慮到大型氣升式發(fā)酵罐在生產(chǎn)周期、耗能、生產(chǎn)穩(wěn)定性等性能方面的不足，故任然選擇較為穩(wěn)妥，技術(shù)成熟的機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是生產(chǎn)抗生素、酵母菌、酶制劑等發(fā)酵產(chǎn)品中應(yīng)用最多的、最廣泛的液體深層好氧發(fā)酵設(shè)備，主要特點(diǎn)有：

A：利用機(jī)械攪拌的作用使無(wú)菌空氣與發(fā)酵液充分混合，提高了發(fā)酵液的溶氧量，特別適合于發(fā)熱量大、需要?dú)怏w含量比較高的發(fā)酵反應(yīng)；B：發(fā)酵過(guò)程容易控制，操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)廣泛。青霉素是一種比較常見(jiàn)的抗生素，在目前的制藥工業(yè)中占有舉足輕重的地位，生產(chǎn)規(guī)模非常大。通過(guò)數(shù)十年的完善，青霉素針劑和口服青霉素已能分別治療肺炎、肺結(jié)核、腦膜炎、心內(nèi)膜炎、白喉、炭疽等病，增強(qiáng)了人類治療傳染性疾病的能力。抗生素在目前的制藥工業(yè)中得到迅速的發(fā)展，尤其是下游半合成抗生素的發(fā)展，進(jìn)一步刺激了上游的工業(yè)發(fā)酵。一些抗生素的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模非常大，如β-內(nèi)酰胺類的青霉素、頭孢菌素C，大環(huán)內(nèi)酯類的紅霉素、利福霉素，氨基環(huán)醇類的鏈霉素、慶大霉素。其它的一些抗生素，如四環(huán)素、林可霉素、金霉素、萬(wàn)古霉素等，單個(gè)發(fā)酵罐容積越來(lái)越大，大容積的發(fā)酵罐經(jīng)?？梢?jiàn)報(bào)道。青霉素生產(chǎn)流程：冷凍干燥孢子→瓊脂斜面→米孢子→種子罐→發(fā)酵罐→預(yù)處理→過(guò)濾→乙酸丁酯萃取→蒸發(fā)（脫水脫色）→結(jié)晶→工業(yè)鹽→綜合利用。青霉素發(fā)酵罐培養(yǎng)工藝。種子培養(yǎng)要求生產(chǎn)大量健壯的菌絲體，故培養(yǎng)基應(yīng)加入比較豐富的易利于的碳源和有機(jī)氮源。青霉素生產(chǎn)采用三級(jí)發(fā)酵。其中三級(jí)發(fā)酵培養(yǎng)：生產(chǎn)罐。培養(yǎng)基為花生餅粉（高溫）、硫代硫酸鈉、麩質(zhì)粉、玉米漿、葡萄糖、尿素、硫酸銨、硫酸鈉、磷酸二氫鈉、苯乙酰胺及消泡劑等。接種量為12%-15%。青霉素的發(fā)酵對(duì)溶氧要求極高，通氣量偏大，通氣比控制0.7-1.8；攪拌轉(zhuǎn)速150-200r/min；要求高功率攪拌，100m3的發(fā)酵罐攪拌功率在200-300KW，罐壓控制0.04-0.05MPa，于25-26℃下培養(yǎng)。發(fā)酵周期為200h左右。前60h，pH5.7-6.3，溫度為26℃，以后pH6.3-6.6，溫度24℃[1]。發(fā)酵罐是發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，屬于一種攪拌反應(yīng)設(shè)備，一般由不銹鋼制成，典型的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如圖2-1所示[2]。圖2-1發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖根據(jù)承擔(dān)的功能不同，攪拌反應(yīng)設(shè)備主要由筒體、封頭、開(kāi)孔接管、傳熱設(shè)備、攪拌裝置、傳動(dòng)裝置、軸封裝置、支撐裝置以及其它的一些輔助裝置組成。攪拌反應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算工作涉及到理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。在攪拌反應(yīng)設(shè)備的主要部件之中，筒體和封頭主要起到密封和承受內(nèi)壓的作用，封頭和筒體聯(lián)合作用為攪拌液提供一個(gè)密閉的空間，避免攪拌液損失或者流出造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失或者污染環(huán)境，同時(shí)還可以提供攪拌反應(yīng)過(guò)程所需要的壓力；開(kāi)孔接管的作用主要有兩種，一種是為了工藝物料的流進(jìn)和流出，另一種作用是用于測(cè)量、控制或者檢修，如PH值檢測(cè)孔、溫度檢測(cè)孔、人孔手孔等；傳熱設(shè)備的主要功能是為攪拌反應(yīng)過(guò)程提供必要的熱量或者帶走反應(yīng)熱，一般采用內(nèi)蛇管或者外加套作為傳熱裝置，也可以兩者聯(lián)合使用；攪拌設(shè)備主要是指攪拌軸和攪拌器，主要用于使氣體在設(shè)備中均勻分布、物料充分混合、提高傳熱效率等功能；傳動(dòng)裝置主要包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)帶等部件，主要作用是為攪拌軸提供動(dòng)力；支撐裝置主要用于支撐電機(jī)、減速機(jī)以及用于整個(gè)攪拌反應(yīng)設(shè)備的支撐和固定作用；軸封裝置主要用于傳動(dòng)軸穿出反應(yīng)釜開(kāi)孔的動(dòng)密封，主要有填料密封和機(jī)械密封兩種。在攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中，需要考慮攪拌反應(yīng)器在不同行業(yè)中的應(yīng)用。用于發(fā)酵工藝的發(fā)酵罐，對(duì)溫度的控制比較嚴(yán)格，一般需要進(jìn)行通氣，故在攪拌器選擇和溫度控制方面，都具有一定的要求。同時(shí)，發(fā)酵罐對(duì)于攪拌器的材料選擇也比較嚴(yán)格，為了保持發(fā)酵液清潔，一般選用不銹鋼制作發(fā)酵罐，攪拌傳熱設(shè)備也需要采用不銹鋼來(lái)制作。針對(duì)50m3青霉素發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到壓力、溫度、腐蝕因素，選擇筒體材料，確定筒體外形、筒體和封頭的壁厚；根據(jù)一系列計(jì)算選擇適合的攪拌裝置、傳動(dòng)裝置、人孔等一些附件的確定，確定最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。發(fā)酵罐屬于攪拌反應(yīng)設(shè)備，主要包括釜體、傳熱裝置、傳動(dòng)裝置、攪拌裝置、軸封裝置等。本設(shè)計(jì)主要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和參考資料對(duì)上述裝置進(jìn)行計(jì)算，并給定主要設(shè)計(jì)參數(shù)。本設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐主要的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2-1所示。表2-1發(fā)酵罐設(shè)計(jì)參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)發(fā)酵菌種產(chǎn)黃青霉工作壓力0.25Mpa工作溫度20-130冷卻介質(zhì)水培養(yǎng)基玉米漿發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵液密度 1076kg/m3發(fā)酵液黏度 3e10-3N?s/m2發(fā)酵罐工作容積50m33.發(fā)酵罐筒體及封頭設(shè)計(jì)3.1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)夾套反應(yīng)釜主要由攪拌容器、攪拌裝置、傳動(dòng)裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管以及一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由筒體和封頭兩部分組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝設(shè)計(jì)而定；傳動(dòng)裝置是為為帶動(dòng)攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等組成；軸封裝置為動(dòng)密封，一般采用機(jī)械密封或填料密封；它們與支座、人孔、工藝接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜。3.2幾何尺寸的確定假定發(fā)酵罐的工作容積為，總?cè)莘e為V，填充系數(shù)為，則已知本文中發(fā)酵罐工作容積，根據(jù)實(shí)際情況分析得知，存在發(fā)泡或者沸騰的發(fā)酵罐，通常裝填系數(shù)為0.6~0.7，文中取裝料系數(shù)為0.7，則發(fā)酵罐的工作總?cè)莘e：（3-1）發(fā)酵罐的總?cè)莘e包括筒體和上下兩個(gè)封頭的容積之和，為了得到發(fā)酵罐的內(nèi)徑、高度等參數(shù)，可以先忽略兩個(gè)封頭的容積，根據(jù)式(3-2)估計(jì)和(3-2)通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)知，發(fā)酵罐筒體的高徑比一般在1.7~2.5之間，文中取高徑比H/D=2，則H=2D，由(3-2)式：由于罐體設(shè)計(jì)壓力較低，選擇橢圓封頭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)DN>2000mm時(shí)，橢圓封頭直邊高度一般取h=40mm，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的容積按下式計(jì)算：（3-3）故發(fā)酵罐的全容積可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：（3-4）將V=71.43m3，h=40mm，高徑比H/D=2代入可得D=3570mm，圓整到D=3600mm，罐體高H=2D=7200mm。按照D=3600mm，H=7100mm，h=40mm重新核算全容積得V=71.68m3，高徑比，裝填系數(shù)，均符合要求，可行。3.3確定筒體和封頭厚度發(fā)酵罐工作壓力為PW=0.25MPa，取設(shè)計(jì)壓力P設(shè)=1.1Pw=0.275MPa，液體密=1076kg/m3，液體靜壓力按照下式計(jì)算。由于P靜≥5%P設(shè),因此P=P設(shè)+P靜=0.3707MPa。在罐體壁厚設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以按照下式計(jì)算最小厚度（不考慮鋼板負(fù)偏差）。(3-5)式(3-5)中：—焊縫系數(shù)；—許用應(yīng)力;C—腐蝕裕度。由于青霉素對(duì)金屬罐體有腐蝕性，所以罐體和封頭都使用16MnR鋼，內(nèi)涂環(huán)氧樹(shù)脂防腐，封頭設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。不銹鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150℃時(shí)，取許用應(yīng)力為137MPa；雙面焊取0.8，無(wú)縫焊取1.0；腐蝕裕度，當(dāng)δ-C<10mm時(shí)，C取3mm。根據(jù)式(3-5)計(jì)算筒體厚度：圓整后取筒體的名義厚度。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭k=1；其公式為：同理代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：，圓整后取封頭的名義厚度。4.攪拌裝置設(shè)計(jì)攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸上的攪拌器以一定的方向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使靜止的流體形成對(duì)流循環(huán)，并維持一定的湍流強(qiáng)度，從而達(dá)到加強(qiáng)混合、提高傳熱和傳質(zhì)速率的目的。4.1攪拌器功率常用的攪拌裝置包括槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、錨式和框式攪拌器、推進(jìn)式攪拌器等。其中，渦輪式攪拌器常用于生物發(fā)酵罐的攪拌，本文選擇三層渦輪攪拌器，為了達(dá)到空氣充分分散和高效傳熱傳質(zhì)的要求，上層兩個(gè)選擇開(kāi)式折葉渦輪攪拌器，下層空氣進(jìn)口處選擇六彎葉渦輪式攪拌器。渦輪式攪拌器的一般轉(zhuǎn)速n一般取n=10-300rpm，攪拌反應(yīng)中，發(fā)酵罐內(nèi)需要達(dá)到湍流狀態(tài)才能保證較好的傳熱和傳質(zhì)效率，因素需要校驗(yàn)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速條件下，發(fā)酵罐內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。本文采用內(nèi)蛇管作為主要的傳熱裝置，蛇管可以起到擋板的作用，因此，罐內(nèi)雷諾數(shù)Re可以按照下式計(jì)算。QUOTE(4-1)式中：表示罐內(nèi)發(fā)酵液的粘度，（Pas）。根據(jù)工藝條件，本文取Pas。將dj=1.4m，n=100rpm=1.667rps，，代入（4-1）式：Re=1.17×106從而可知發(fā)酵罐內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)。湍流狀態(tài)下，攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)Np與功率N的關(guān)系如式(4-2)所示：(4-2)Np的數(shù)值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得到，一般對(duì)于6葉渦輪推進(jìn)器，當(dāng)流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，查Re-Np表可知Np=4，則單個(gè)攪拌器所需功率為：N=NP=106.33kW單個(gè)攪拌器功率校正系數(shù)fj按照下式計(jì)算。(4-3)式中：HL表示液柱高度，按照式(4-4)計(jì)算。(4-4)

式中：H筒體高度7200mm。則將D=3600mm，dj=1400mm帶入可得：=5670從而可得：fj=1.076攪拌器的功率Pj=fjN=114.41kW。對(duì)于3層攪拌器：P=Pj(0.4+0.6m)其中，m表示攪拌器層數(shù)，故文中m=3，則傳動(dòng)軸功率為：P=251.7kW如果通氣條件為Pg=0.2V0從而Pg=10m3/min=0.17m3/s；故通氣攪拌功率為4.2電機(jī)功率確定電機(jī)的輸出功率P0與通氣攪拌功率Pg之間的關(guān)系可以用式(4-5)來(lái)表示。(4-5)式中：1—帶傳動(dòng)效率；2—齒輪傳動(dòng)效率；3—軸承效率；4—軸封摩擦效率。通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：1=0.92，2=0.98，3=0.95，4=0.99。電機(jī)功率為：P0=168.57kW根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用額定功率為185kW的電機(jī)。4.3攪拌軸設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，此攪拌軸采用45鋼光軸即可。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)可知：其最小直徑可按以下公式計(jì)算：mm(4-6)、—是與軸材料有關(guān)的系數(shù)，45鋼C值在118-107區(qū)間，取C為107其許用應(yīng)力在30-40。代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：dmin=97.3mm圓整取d=100mm，攪拌軸的選擇還需要與攪拌器配合使用。為保障傳動(dòng)軸的安全，還需要驗(yàn)證軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免發(fā)生共振。傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速可以采用“感應(yīng)系數(shù)法”來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在感應(yīng)系數(shù)法中，如果在攪拌器2處施加縱向載荷，在攪拌器1處引起的撓度為，有：（4-7）（4-7）式（4-7）中：mi—第i個(gè)攪拌器的質(zhì)量—表示第i階臨界轉(zhuǎn)速的角速度由彈性力學(xué)可知：通過(guò)彈性力學(xué)可知，求解的數(shù)值，可根據(jù)軸的不同支承位置來(lái)求解，代入式（4-7）可以求得傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)中，軸的支撐情況如圖4-1所示。圖4-1傳動(dòng)軸支撐狀況其中，L1=3400mm、L2=1900mm、L3=1100mm、L4=600mm，從左到右3個(gè)攪拌器的質(zhì)量分別為m1=145kg，m2=145kg，m3=145kg。根據(jù)以上參數(shù)可以采用感應(yīng)系數(shù)法分析傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速。

5.傳熱計(jì)算本文采用內(nèi)蛇管和外半管聯(lián)合傳熱，帶走發(fā)酵產(chǎn)生的熱量。傳熱的效果與傳熱裝置的形式和攪拌器內(nèi)的流動(dòng)情況有關(guān)。其中，內(nèi)蛇管的傳熱系數(shù)按照下式進(jìn)行計(jì)算。（5-1）式中：—蛇管總傳熱系數(shù)；—蛇管內(nèi)傳熱系數(shù)；—蛇管外傳熱系數(shù)；—蛇管壁厚；—蛇管熱傳導(dǎo)系數(shù)；—為污垢熱阻。通常，在攪拌反應(yīng)設(shè)備中，取1000W/m2℃，取4100W/m2℃,不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)為17W/m℃，取1.16×10-4W/m2℃。則蛇管傳熱系數(shù)為：=625W/m2℃外半管的傳熱系數(shù)可參照內(nèi)蛇管的傳熱系數(shù)，參照資料可以取Kh=200W/m2℃?？倐鳠崃縌包括蛇管和外半管兩部分的傳熱量，即：（5-2），分別表示蛇管和夾套的傳熱面積；和表示半管夾套和蛇管傳熱時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。又由：（5-3）式中：—發(fā)酵溫度，32℃；—冷卻水進(jìn)口溫度，10℃；—冷卻水出口溫度，30℃。將上述參數(shù)帶入計(jì)算可得。=7.82℃發(fā)酵罐的總發(fā)熱量為Q=3.7×105W。分別設(shè)置蛇管和外半管的傳熱面積為AS=69m2，外半管的傳熱面積為Af=46m2，核算總穿熱量為4.3×105W，滿足傳熱要求。6.軸封裝置設(shè)計(jì)反應(yīng)釜中介質(zhì)的泄漏會(huì)造成物料浪費(fèi)并污染環(huán)境，易燃、易爆、劇毒、腐蝕性介質(zhì)的泄漏，會(huì)危及人身安全和設(shè)備安全。因此，在反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇合理的密封裝置是非常重要的。為了防止介質(zhì)從轉(zhuǎn)動(dòng)軸與封頭之間的間隙泄漏而設(shè)置的密封裝置，簡(jiǎn)稱為軸封裝置。反應(yīng)釜中使用的軸封裝置主要有填料密封和機(jī)械密封兩種。填料密封是攪拌反應(yīng)釜最早采用的一種軸封結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，適用于低壓、低溫的場(chǎng)合。機(jī)械密封是用垂直于軸的兩個(gè)密封元件(靜環(huán)和動(dòng)環(huán))的平面相互貼合，并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到密封的裝置，又稱端面密封。機(jī)械密封耗功小、泄漏量低，密封可靠，廣泛應(yīng)用于攪拌反應(yīng)釜的軸封?？偟膩?lái)說(shuō)，機(jī)械密封與填料密封有很大的區(qū)別。首先，從密封性質(zhì)來(lái)講，在填料密封中軸和填料的接觸是圓柱形表面，而在機(jī)械密封中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸是環(huán)形平面。其次，從密封力看，填料密封中的密封力靠擰緊壓蓋螺栓后，使填料發(fā)生徑向膨脹而產(chǎn)生，在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，伴隨著填料與軸的摩擦發(fā)生磨損，從而減小了密封力會(huì)引起泄漏。而在機(jī)械密封中，密封力是靠彈簧壓緊動(dòng)環(huán)和靜環(huán)產(chǎn)生的，當(dāng)兩個(gè)環(huán)有微小磨損后，密封力基本保持不變，因而介質(zhì)不容易泄漏，故機(jī)械密封比填料密封要優(yōu)越得多。本文中選擇機(jī)械密封作為攪拌軸的密封形式。圖6-1是一種典型反應(yīng)釜機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，靜環(huán)14依靠