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1、1 设计方案的拟定我设计的是一台200M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产有机酸。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：高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：Di=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D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）、反应器用途用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐0.50-0.65 发酵罐0.65-0.8发酵液物性参数：密度1080
2、kg/m3 粘度2.010-3N.s/m2 导热系数0.621W/m. 比热4.174kJ/kg.高峰期发酵热3-3.5104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐5-710-6molO2/ml.min.atm 发酵罐6-910-6molO2/ml.min.atm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18-20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。（4）、设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25 MPa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
3、附件组成。这次设计就是要对200M3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-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
4、有机酸工作压力0.4MPa由任务书确定设计压力0.4MPa由任务书确定发酵温度（工作温度）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黏度由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定2.1发酵反应釜的总体结构 发酵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
5、密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的发酵反应釜。212.2 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=4，则H=4D；初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（200M3） 公称体积V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0公称体积和上封头体积之和封头体积 （近似公式）假设HL/D=3.9，根据设计条件发酵罐的公称体积为200M3由公称体积的近似公式可以计算出 罐体直径D=3964mm，罐体总高度H=4D=43964=15855mm，查阅文献【2】 ，当公称直径Dn=4000mm时，标准椭圆封头的曲面高度ha=1000mm，直边高度hb=50
6、mm，总深度为Hf=ha+hb，内表面积Af=17.9，容积Vf=9.02m，可得罐筒身高，HL=H-2Hf=15855-21050=13755mm则此时，与前面的假设不相近，又设HL/D=3.4，所以，则可知，D=4306mm，圆整取D=4140mm，H=4D=44140=16560mm，HL=H-2Hf=16560-21050=14460mm，与前面的假设相近故可认为D=4140mm是合适的发酵罐的全体积由V=(/4)DHL+2Vf，得V=207.4m210 m搅拌叶直径:Di/D=1/3，Di=4140/3=1380mm搅拌叶间距S= Di=1380mm底搅拌叶至底封头高度C= Di=1
7、380mm3 罐体主要部件尺寸的设计计算3.1 罐体考虑压力，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。因有机酸是偏酸性（pH值为4.5），对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.2 罐体壁厚其中C为壁厚附加量C=C1+C2+C3C1-钢板负偏差，其范围为0.13-1.3，取C1=1mmC2-为腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mmC3-加工减薄量，对冷加工C3=0，热加工封头C3=S010%；取C3=0，代入上式C=1+2+0=3mmD罐体直径（mm）p耐受压强
8、 (取0.4MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（kgf/c）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C 腐蚀裕度 选用10mm的16MnR钢板制作查附表17知，D=4.14m，S1=10mm，H=16.56m每米筒重988，M筒=98816.56=16361.283.3 封头壁厚计算，圆整取S2=18mmD罐体直径（mm） p耐受压强 (取0.4MPa)y开孔系数，取2.3 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）选取18mm的16MnR钢板制作3.4 搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类
9、和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献2可知200m发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶搅拌叶轮直径Di=1380mm，盘径di=0.75Di=0.751380=1035mm，Di/L=4,则叶长L= Di/4=1380/4=345mm叶宽B= Di/5=1380/5=276mm3.5人孔和视镜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，标准号为： 人孔RF（RG）450-0.6 HG21522-1995，公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处视
10、镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜 PN1.0 DN80 HGJ501-86-173.6接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为，2h 排尽。发酵罐装料液体积：V1 =2100.75=157.5物料体积流量Q=V1/2=157.5/23600=0.022m/s，则进料管截面积F=Q/V=0.022/1=0.022，又，得，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰GB8163-87，取公称直径170mm，1805mm。以排气管为例计算如下：若压缩空气在0.4MPa以下，支管气速为2025m/s，标准通风比为0.
11、20.4vvm，为常温下20，0.1Mpa下的情况，要这算为0.4Mpa，33下。通风量Q1取大值。Q1= V10.4=157.50.4=63m/min=1.05 m/s利用气态方程式计算工作状态下的通风量Qf：取风速风管截面积 又，则气管直径d气为：因通风管也是进料管，故取两者的大值。取d=1855mm无缝钢管可满足工艺要求。复核：物料流量 ，管道截面积 ，在相同流速下，流过物料因管径较原来的计算结果大，则相应的流速低，则排料时间t=20.96=1.92h其他管道也是如此计算。3.6.1 管道接口 （采用法兰接口）进料口：直径1805mm，开在封头上，排料口：1805mm，开在罐底；进气口：
12、1805mm，开在封头上；排气口：1805mm，开在封头上；冷却水进、出口：1273mm，开在罐身；补料口：1805mm，开在封头上；取样口：1805mm，开在封头上；3.6.2 仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm，开在罐身上；压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：，开在封头上；液位计：采用标准： 型号： 直径：，开在罐身上；溶氧探头：；pH探头：型；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，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管式冷却装置。4.2 装液量 设计发酵罐装料系
13、数：取75%发酵罐装料液体积：V1=21075%=157.5m不计算下封头时的装液体积：=157.5-9.02=148.48m装液高度：单位时间传热量发酵热装料量 即：Q=Q发V1=3.5104 157.5=5512500KJ/h4.3 冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为 、，则Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg ) t2-t1冷却水进、出口温度差 对数平均温度差 ，由工艺条件知道=， t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 发酵温度 4.4 冷却面积 对数平均温度差K传热总系数，取2090 kJ/(m2 h)冷却面积() A=dL 冷却列管总长度(m)： 冷却
14、水的流量W=164611.204/h则 取冷却水在列管中的流速=1m/s根据流体力学方程冷却管总截面积设冷却管管径为，组数为n又取n=4，则 取1273mm无缝钢管，d内=0.121m=121mm取冷却管总高度为L取每组15根，则每根长度冷却管的排列方式：取管间距2.5d外=2.50.121=0.3025m，列管与罐内壁的最小间距为0.3m罐外径D=4.14m，叶轮直径Di=1.38m叶轮外边沿到罐壁的距离为每组列管采用转角正三角形排列，每边排则5根管复核：正三角形的边长为40.30250.127=0.1537叶轮外边沿到罐壁的距离故采用转角正三角形符合要求且每组管管间距为0.3025m，列管
15、与罐壁的最小间距为0.3m，四组管间采用转角正方形排列。由于采用列管式冷却，故无需挡板。5 搅拌器轴功率的计算5.1不通气条件下的轴功率P0取发酵醪液黏度，密度， 搅拌转速：取两档搅拌，搅拌转速N可根据50m罐，搅拌器直径1.05，转速N1=110r/min.以等P0/V为基准放大：则雷诺准数，为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7鲁士顿(Rushton J. H.)公式：P0无通气搅拌输入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7涡轮转速（r/min）；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ,本设计取；涡轮直径（m）；5.2
16、通气搅拌功率Pg的计算因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算两层搅拌输入的功率（kW）涡轮转速（r/min），涡轮直径（m），1.38mQ通气量（），已知标准通风比为0.20.4vvm。取低极限，如果通风量变大，变小。为安全起见，现取0.2vvm，则 计算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。搅拌轴功率轴封摩擦损失功率，一般为传动机构效率根据生产需要选择三角皮带电机。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%，则电机的功率6 附属设备（1）空气分布器：对于好气发酵罐，分布器主要有
17、两种形式，即：多孔管和单孔管，对通风量较小的（如Q=0.20.5ml/s）的设备，应加环形或直管型空气分布器；而对通气量大的发酵罐，则使用单管进风，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，风管直径计算见接口管设计。（2）密封方式：本罐采用双端面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。（3）支座选择：发酵工厂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。立式支座也分为三种，即：悬挂支座、支撑支座和裙式支座。对于75m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。7 自我评价在此次课程设计中，我设计了机械通
18、风发酵罐，该反应器用于有机酸的生产，发酵温度为33C，反应器的材料为16MnR钢；采用涡轮六弯叶式三层搅拌器，利用160kw电动机通过120mm的轴驱动；冷却方式为列管冷却，冷却列管总长为660m，分为4组。这次生物工程设备课程设计是以小组为单位，然后组员进行分工合作来查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的设计。通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据，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
19、的态度。通过课程设计可以巩固对主体设备图的了解，以及学习如何用CAD画设备图，并对CAD有一定的了解和简单的运用。对生物工程设备设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计熟悉了生物工程设备课程设计的流程，加深了对发酵设备的了解。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计任务。但由于本课程设计时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。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。虽然是困难重
20、重，但终于完成了。总的感觉就的好累啊，可是深切体会到书到用时方恨少，真的不能临时抱佛脚。在这里要感谢的指导老师，同学的帮助。非常感谢我的同组人员，正是有他们在一起讨论，有了他们的帮助，才使我更快更顺利地在较短时间内完成本设计。 参考文献：1 齐香君. 现代生物制药工艺学M. 北京：化学工业出版社，2003.92 潘红良 赫俊文. 过程设备机械设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2006.43 吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.74 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20075 郑裕国 薛亚平 金利群等.生物加工过程与设备M. 北京：化学工业出
21、版社，2004.76 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，20067 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2005附录：.符号说明P压力，KPa ; Q通风量，m/s；K总传热系数，kJ/(m2 h)； Re雷诺准数；A传热面积，； 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，m; 公称直径，mm; S壁厚， 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，; V
22、S体积流量， m3/s;C底搅拌叶轮至底封头高度，m;.设计结果汇总表1 200m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积200设计条件全体积210计算罐体直径4140计算发酵罐总高16560计算发酵罐筒体高度14460计算搅拌叶直径1380计算椭圆封头短半轴长1000计算椭圆封头直边高度50计算底搅拌叶至封头高度1380计算搅拌叶间距1380计算表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罐体材料16MnR钢由工艺条件确定焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定罐体筒壁厚10mm计算封头壁厚18mm计算搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献3选取搅拌叶直径1380mm计
23、算搅拌器层数2由工艺条件确定人孔1个，标准号HG21522-1995根据参考文献3选取视镜2个，标准号HGJ501-86-17根据参考文献3选取进、排料口直径1805mm根据参考文献3选取进、出气口直径1805mm根据参考文献3选取冷却水进、出口直径1273mm由工艺条件确定补料口直径1805mm根据参考文献3选取取样口直径1805mm由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm压力表液位计溶氧探头pH探头型表3 200发酵罐冷却装置设计计算结果项目及代号参数及结果备注装料系数75%由工艺条件确定装料体积157.5m计算装料高度11.04m计算总发酵热5512500/h
24、计算冷却水耗量164611.204/h计算冷却面积250.48计算冷却列管总长度660m计算冷却列管总高度11m计算列管组数4组由工艺条件确定每组列管数15根计算组内列管排列方式转角正三角形组间排列方式转正正方形表4 发酵罐搅拌功率的设计计算结果项目及代号参数及结果备注转速92 r/min根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率90.86 kW计算两层搅拌器轴率181.72 kW通气量3.15107ml/min由工艺条件确定通气搅拌功率141.08 kW计算电机的功率159.64 kW计算电机的选择型号Y315L1-2功率160 kW转速2980 r/min根据参考文献3选取轴径120mm根据参
25、考文献3选取传动装置三角皮带根据参考文献3选取三角皮带型号和根数D6根根据参考文献3选取小皮带轮直径300mm根据参考文献3选取大皮带轮直径1100mm根据参考文献3选取.设计任务书生物反应工程与设备课程设计任务书机械搅拌生物反应器设计一、课程教学目标生物反应工程与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，要求学生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，对培养学生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
26、等的设计实践，对学生进行一次生化过程发酵设备设计的基本训练，使学生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。二、课程设计题目（任选一）机械搅拌发酵罐： 25m3,50m3,75m3,100m3,150m3,200m3,500m3三、课程设计内容：1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。3、动力消耗、设备结构的工艺设计。四、课程设计的要求 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：
27、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）工艺设计设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL，V，VL，Di等）通风量的计算搅拌功率计算及电机选择传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）搅拌器及搅拌轴的设计局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等) 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
28、制设备图一张 设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。五、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：高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：Di=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D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、反应器用途用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐0.50-0.65 发酵罐0.65-0.8发酵液物性参数：密度1080kg/m3 粘度2.010-
29、3N.s/m2 导热系数0.621W/m. 比热4.174kJ/kg.高峰期发酵热3-3.5104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐5-710-6molO2/ml.min.atm 发酵罐6-910-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐0.4-0.6vvm 发酵罐0.2-0.4vvm3、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。4、设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25 MPa五、课程设计的基本环节: 1、设计动员、发题、介绍设计题目的实际工业背景。 2、阅读设计指导书，查阅资料，拟定设计程序和进度计划。 3、调查，收集有关数据，了解设备制造，安装和操作的有关知识，奠定设计感性基础。 4、设计计算，绘图和编制设计说明书。.附图（见后页）