发酵罐设计.doc
- 文档编号:494844
- 上传时间:2023-04-29
- 格式:DOC
- 页数:26
- 大小:622.11KB
发酵罐设计.doc
《发酵罐设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《发酵罐设计.doc(26页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
生物与化学工程学院
课程设计报告
题目50m3谷氨酸生产发酵罐设计
学生姓名:
郜兴利
专业班级:
生物工程2010010502班
学号:
105010540092
指导教师:
罗建成、程爽
设计时间:
2013.5.20~2013.5.26
课程设计任务书
学院
生化学院
专业班级
2010100502
姓名
郜兴利
所在组别
第6组
设计题目
50m3谷氨酸生产发酵罐设计
完成时间
2013年5月20日至2013年5月26日
设计
内容
及要求
课程设计的规模不同,其具体的设计项目也有所差别,但其基本内容是大体相同,主要基本内容及要求如下:
1、工艺设计和计算
根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算,热量衡算,主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算,汇总工艺计算结果。
主要包括:
(1)工艺设计
(2)设备设计
2、设计说明书的编制
设计说明书应包括设计任务书,目录、前言、设计方案论述,工艺设计和计算,设计结果汇总、符号说明,设计结果的自我总结评价和参考资料等。
3、绘制设备图一张
设备图绘制,应标明设备的主要结构与尺寸。
工作
进度
及安排
十三周周末布置及讲解设计任务;
十四周周一查阅资料及有关文献;
周二有关工艺设计计算;
周三装配图绘制;
周四、周五撰写课程设计说明书。
指导教师罗建成、程爽
2013年5月26日
i
教师评语
教师签名:
年月日
报告成绩:
50m³谷氨酸生产发酵罐设计
50m³谷氨酸生产发酵罐设计
生物工程专业郜兴利
[摘要]:
本次设计的设备是公称体积为50立方米的机械通风搅拌生物反应器,用来发酵生产谷氨酸。
此反应器包括进气装置,搅拌装置,冷却装置。
设计本着结构简单,制造方便、拆卸方便、经济效益高的特点,确定各部分结构形式和尺寸;根据压力、温度、介质情况进行合理选材。
[关键词]:
谷氨酸;发酵罐;设计;
50m3ProductionFermenterDesignofGlutamateacid
Bio-engineeringMajor GaoXing-li
[Abstract]Theaimofthisreportwastodesigna50cubicmetersofvolumemechanicalventilationstirredbioreactorwhichwasusedforglutamatefermentationproduction.Thereactorincludesairinletdevice,stirringdevice,coolingequipmentandsoon.It’sbasedonthesimplestructure,easyfabrication,convenientdisassemblyandeconomicefficiencyhighcharacteristictodeterminethestructuralformandsize.Itwasdesignedaccordingtothepressure,thetemperatureandmediumconditions.
[Keywords]glutamateacid;fermenter;design;
i
目录
1.课程设计题目简介 1
1.1发酵罐设备简介 1
1.2机械搅拌通风发酵罐 1
1.3谷氨酸生产简介 1
2.设计内容 1
2.1罐体几何尺寸的确定 1
2.2反应器用途 2
2.3冷却水及冷却装置 2
2.4设计压力 2
3.50m³机械搅拌发酵罐的设计 3
3.1发酵罐整体结构 3
3.2发酵罐主要尺寸 4
3.3主要部件的设计计算 6
3.3.1发酵罐整体分析材料选择 6
3.3.2壁厚 6
3.3.3搅拌器 7
3.3.4人孔和视镜 7
3.3.5接口管 7
4.冷却装置 9
4.1冷却方式 9
4.2换热器选择 9
5.搅拌轴及其功率 11
5.1不通气条件下轴功率 11
5.2通气条件下的轴功率 12
5.3电机及变速装置的选择 13
5.4轴径的确定 13
6.参考文献 14
7.附录 14
8.附图 15
9.设计结果汇总 17
10.课程设计体会 21
1.课程设计题目简介
1.1发酵罐设备简介
发酵设备是发酵工厂中最基本最主要的设备,发酵的目的是使微生物大量分泌抗菌素。
发酵罐就是为菌种在适宜的温度,适当的通气搅拌条件下,使菌种在液体培养基中大量繁殖及分泌所需产品的设备。
发酵罐的型式有标准式、无机械搅拌式和自吸式3种,由于发酵的产品不同、菌种不同,所以发酵的工艺要求也不同。
因此,发酵罐工艺设计条件随发酵过程的特点和要求不同而不同,但发酵罐的工艺设计基本方法一样。
1.2机械搅拌通风发酵罐
当前,我国味精发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌通风发酵罐,即大家常说的通用罐。
它是利用机械搅拌器的作用,使空气和醪液充分混合,促使氧在醪液中溶解,以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需要的氧气。
它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成。
1.3谷氨酸生产简介
谷氨酸是一种氨基酸,其用途非常广泛,可用于食品、医学、化妆品等。
谷氨酸生产始于1910年日本的味之素公司用水解法生产谷氨酸。
1956年日本协和发酵公司分离得到谷氨酸棒状杆菌,使发酵法生产谷氨酸成为可能,由于发酵法生产氨基酸具有生产能力大、成本低、设备利用率高等特点,使氨基酸工业得到突飞猛进的发展【1】。
我国1958年开始研究,1965年在上海天厨味精厂投产。
目前我国谷氨酸的年产量已达170万吨,产销量占世界第一位【2】。
经过几十年的发展,在该行业诸多工程人员的努力研究下,使我国谷氨酸生产四大收率指标(糖化率、发酵糖酸转化率和产酸率、提取收率、精制收率)均达到历史最好水平。
其质量已达国际领先水平。
但是,在谷氨酸生产中仍然存在原料利用率低,生产成本高,自动化控制水平低,环境污染日趋严重等问题。
因此,目前对谷氨酸行业的研究方向主要集中在提高自动化生产水平,改进生产工艺,处理三废,解决环境污染等方面。
2.设计内容
我设计的是一台50m³机械搅拌通风发酵罐,发酵生产谷氨酸。
设计基本依据
2.1罐体几何尺寸的确定
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:
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
2.2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2.0×10-3N.s/m2
导热系数0.621W/m.℃
比热4.174kJ/kg.℃
③高峰期发酵热3-3.5×104kJ/h.m3
④溶氧系数:
种子罐5-7×10-6molO2/ml.min.atm
发酵罐6-9×10-6molO2/ml.min.atm
⑤标准空气通风量:
种子罐0.4-0.6vvm
发酵罐0.2-0.4vvm
2.3冷却水及冷却装置
冷却水:
地下水18-20℃
冷却水出口温度:
23-26℃
发酵温度:
32-33℃
冷却装置:
种子罐用夹套式冷却,发酵罐用列管冷却。
2.4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75M3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視图,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
谷氨酸
由任务书确定
工作压力
0.4MPa
设计压力
0.4MPa
由任务书确定
发酵温度
33℃
根据任务书选取
设计温度
150℃
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
发酵液比热
4.174kJ/kg.℃
由工艺条件确定
发酵液黏度
由工艺条件确定
3.50m³机械搅拌发酵罐的设计
3.1发酵罐整体结构
图1机械搅拌通气发酵罐的几何尺寸
H——罐总高h——液位高
H0——罐身高D——罐径
Di——搅拌叶轮直径B——挡板宽
C——下搅拌叶轮与罐底距
S——相邻搅拌叶轮间距
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组成。
搅拌容器分罐体和夹套两部分,主要由封头和筒体组成,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,工艺接管等附件一起,构成完整的夹套反应釜。
3.2发酵罐主要尺寸
设计参数如下表:
解得D=3086mm≈3000mm=3.0m
H=2.5Dmm≈7716mm=7.7m
根据D=3100mm通过查椭圆形封头行
业标准得到标准封头参数如下[1]:
公称直径
DN/mm
曲面高度
ha/mm
直边高度
hb/mm
厚度
δ/mm
内表面积
A/m2
容积
V/m3
质量
m/kg
3000
750
100
40
10.2271
3.8877
3209.01
所以根据提供的数据发,可以得到酵罐的主要尺寸参数如下:
圆柱体全体积VQ:
圆柱罐体高度H0:
搅拌器叶轮直径:
Di=1/3D=1.00m
搅拌器间距:
S=D=3.00m
最下一组搅拌器与罐底的距离:
C=0.9Di=0.9m
挡板宽度:
B=0.1D=0.30m
查文献得选取搅拌器轴的轴径为125mm。
表250m3发酵罐的几何尺寸
步骤
项目及代号
参数及计算结果
备注
1
公称体积
50m3
设计条件
2
全体积
53.8877m3
计算
3
D
3.00m
计算
4
H0
6.00m
计算
5
B
0.30m
计算
6
S
3.00m
计算
7
Di
1.00m
计算
8
C
0.9m
计算
3.3主要部件的设计计算
3.3.1发酵罐整体分析材料选择
发酵罐材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢等。
相对其他工业来说,发酵液对钢材的腐蚀不大,但必须能耐受一定的压力和温度,通常要求耐受130-150℃的温度和0.4MPa的压力。
综合各因素,该发酵罐发酵生产味精,由于发酵液腐蚀性不大,选择不锈钢16MnR钢。
3.3.2壁厚
(1)罐体壁厚:
——罐体直径(mm)
——耐受压强(设计压力)
——焊缝系数,双面焊取0.8,无缝焊取1.0,此处取0.8
——罐体金属材料在设计温度下的许用应力(查表得,GB6479碳素钢管在150℃时许用应力为137MPa)
——腐蚀裕度,当δ-C<10mm时,=3mm
(2)封头壁厚
封头采用标准封头,故其壁厚确定:
=40mm
3.3.3搅拌器
根据设计要求,采用六弯叶涡轮搅拌器,Di:
di:
L:
B=20:
15:
5:
4
叶片直径:
Di=D/3=1.00m
盘径:
叶高:
L=0.25Di=0.25m
叶长:
B=0.2Di=0.20m
3.3.4人孔和视镜
(1)人孔
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个人孔开在顶封头上,位置:
左边距中心轴800mm。
标准号为:
HG21515-1995;人孔(A-XB350)450HG/T21515-2005
密
封
面
形
式
公
称
直
径
DN
DwXS
D
Dt
B
b
b1
b
H1
H2
螺栓螺母数量
总
质
量
(KG)
EF
450
480X6
570
535
250
14
10
12
160
90
20
44.4
注:
1.人孔高度H,系根据容器的直径不小于人孔公称直径的两倍而定;如有特殊要求,允许改变,但需注明改变后的H尺寸,并修正人孔总质量。
2.表中带括号的公称直径尽量不采用
(2)视镜
视镜用于观察发酵罐内部的情况。
本次设计只设置了2个视镜,开在顶封头上,位于俯视面左下45°和右上45°。
3.3.5接口管
(1)管道接口:
进料口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN200,接口管直径219×9.5mm,开在封头上。
[3]
排料口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN250,接口管直径273×11.5mm,开在罐底;[4]
进气口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN150,接口管直径159×4.5mm,开在封头上。
[5]
排气口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN150,接口管直径159×4.5mm,开在罐底;
冷却水进、出口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN100,接口管直径108×4mm,开在罐身圆柱体上;[6]
补料口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN200,接口管直径219×9.5mm,开在封头上。
取样口:
采用法兰接口,法兰型号:
PN0.6,DN80,接口管直径89×4.5mm,开在封头上。
[7]
(2)仪表接口:
液位计:
采用标准:
HG5—1368型号:
R—61直径mm,开在罐身上;[8]
温度计:
Pt100型,D=100mm[9];
压力表:
弹簧管压力表(径向表),d1=20mm,精度2.5,型号Y-250Z,开在封头上[10];
溶氧探头:
TN-2509[11];
pH探头:
PHS-2型[12];
表3发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果
步骤
项目及代号
参数及结果
备注
1
罐体材料
16MnR钢
由工艺条件确定
2
罐体壁厚
8.48mm
计算
3
人孔
Φ450
查阅文献得[13]
4
封头壁厚
40mm
查表[14]
5
搅拌器种类
六弯叶涡轮
搅拌器
工艺条件
6
搅拌器直径
1.00m
计算
4.冷却装置
4.1冷却方式
根据设计要求,使用列管换热器,用水做冷却介质。
4.2换热器选择
发酵罐装料系数=0.7
发酵罐总体积VQ:
发酵罐的装液体积V:
发酵罐圆柱体的体积V柱:
装液高度h:
总传热量Q:
冷却水消耗量W:
已知=32℃,℃,℃
℃
注:
t1——冷却水进口温度
t2——冷却水出口温度
TF——发酵温度
查询数据得总的传热系数K=2100kJ/(m2·h·℃)
冷却面积A为:
△——对数平均温度差
K——传热总系数,取2100kJ/(m2·h·℃)
冷却面积
查表得列管规格,所以d=25-25*2=20mm
冷却列管总长度:
通过查列管换热器型号,选择G-600-2-16-80.1型换热器,换热器参数如下[15]:
公称
直径DN/mm
公称
压力PN/Mpa
管程
数N
管子
根数n
中心管排数
管程流通面积
/m2
换热管长度/mm
换热
面积
/m2
600
1.2
2
185
16
0.0364
4500
80.1
检验:
换热管长度L=4.5m
液面高度h=4.789m
L 表4发酵罐冷却装置设计计算结果 参数 项目及代号 参数及结果 备注 1 发酵罐装料系数 70% 由工艺条件确定 2 装料量 37.72 计算 3 单位时间传热量 KJ/h 计算 4 冷却水耗量(W) kg/h 计算 5 冷却面积() 52.25㎡ 计算 6 冷却列管规格(mm) 查阅文献[16] 7 冷却列管总长度(m) 832m 计算 5.搅拌轴及其功率 5.1不通气条件下轴功率 (1)搅拌转速的确定: 因通常按搅拌器叶端圆周线速度v=3~8m/s设计涡轮式搅拌器,今按v=7.5m/s计,则搅拌转速: (2)搅拌器组数的确定: P0——无通气搅拌输入的功率(KW); NP——功率准数,是搅拌雷诺数Re的函数;一般情况下 圆盘六平直叶涡轮Np≈6.0; 圆盘六弯叶涡轮Np≈4.7; 圆盘六箭叶涡轮Np≈3.7; 此处搅拌器采用圆盘六弯叶涡轮,故NP取4.7; ω——涡轮转速(r/min); ρL——液体密度(kg/m3); Di——涡轮直径(m); 搅拌功率可用下式校正: f为校正系数,它由下式来确定: D——发酵罐直径 d——搅拌器直径 ——液柱高度 所以 5.2通气条件下的轴功率Pg P0——无通气搅拌输入的功率(W) ω——涡轮转速(r/min) Di——涡轮直径(cm) Q——通气量(ml/min),根据设计条件可知为0.3vvm 5.3电机及变速装置的选择 根据搅拌功率选用电动机时,应考虑传动装置的机械效率。 Pg——搅拌轴功率; Pr——轴封摩擦损失功率,一般为1%Pg; 所以 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。 5.4轴径的确定 (1)轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。 (2)在确定轴的结构尺寸时,还应考虑轴上键槽及开孔所引起的局部削弱,轴径应适当增大。 (3)轴径应圆整到标准公称轴径系列 系数A可以取97-149(根据所选轴的材料确定) P为功率(单位Kw) n为转速(单位转/分) 表5发酵罐搅拌功率的设计计算结果 步骤 项目及代号 参数及结果 备注 1 不通气条件下的轴功率P0 143.285kw 计算 2 通气条件下的轴功率Pg 119.117kw 计算 3 轴转数n 145r/min 有工艺条件决定 5 电动机功率 134.786kw 计算 6 电动机选择 Y280M—8 75kw 730r/min 查表[17] 7 轴径 38.11mm 计算 8 传动装置 三角皮带 查表 6.参考文献 [1][4]《中华人民共和国行业标准椭圆形封头JB4737-95》 [2][3][5][6][7]李功样.陈兰英.崔英德.常用化工单元设备的设计[M].华南理工大学出版社.2006 [8][9][10][11][12]曲文海.朱有庭.化工设备设计手册[M].2005 [13][14]郑裕国.生物工程设备[M].化学工业出版社.2007 [15][16]厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].化学工业出版社 [17]梁世中.生物工程设备[M].中国轻工业出版社.2008 7.附录 符号说明 P——压力,KPa;Q——通风量,m³/s; K——总传热系数,kJ/(m2·h·℃);Re——雷诺准数; A——传热面积,m2;t——冷却水进、出口温度℃; D——罐内径,mm;——流速,m/s; ——搅拌叶轮直径,m;V1——装液体积,m³; ——公称直径,mm;S——壁厚,m2; ——粘度,;——密度,㎏/m3; Pg,P0——功率,KW;——搅拌功率准数; H——罐身高,m;HL——罐高,m; S——搅拌叶间距,m;W——质量流速,㎏/h; ——平均温差,℃;VS——体积流量,m3/s; C——底搅拌叶轮至底封头高度,m; 8.附图 (见下页) 14 9.设计结果汇总
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 发酵 设计