发酵工程设备设计 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】发酵罐设计说明书题目：设计生产红霉素机械搅拌通风发酵罐2009年5月任务书一、题目题目：机械搅拌通风发酵罐的设计二、设计依据、条件1、应用基因工程菌株发酵生产红霉素，此产物是次级代谢产物。

2、发酵罐体积：503M3、高径比为2，南方某地，蛇管冷却。

4、初始水温20℃，出水温度28℃。

5、非牛顿型流体，三级发酵。

三、设计项目、要求（1）确定工艺参数几何尺寸，以及主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率等。

（2）对整个设计方案进行分析、拟定（3）一定情况下结合具体的图形来解释说明（4）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（5）对整个发酵罐的设计进行总结，得出规范的说明书目录1 设计条件（设计方案的分析） (5)2 机械通风发酵罐设计 (6)夹套反应釜的总体结构 (6)几何尺寸的确定 (6)主要部件尺寸的设计计算 (8) (8) (8) (9)挡板 (9)搅拌器 (10)人孔和视镜 (10)接口管 (11)冷却装置设计 (12) (12) (12) (13)搅拌轴功率的计算 (14) (14) (15)3设计小结 (18)4参考文献 (18)摘要此为我设计的发酵罐说明书，我设计的是一台503M的机械搅拌通风发酵罐，发酵生产红霉素，发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，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。

这次设计就是要对机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸进行计算，再确定主要设备工作部件尺寸的设计，如：罐体封头的壁厚、冷却面积及用水量、搅拌轴功率。

本说明书结合了个人所学知识绘制出装配图，让机械搅拌通风发酵罐具体形象的展现在眼前，一目了然。

通过精细的计算和设计绘制，使此次设计的发酵罐能达到生产最优标准，应用并服务于生产实践。

关键词机械搅拌通风发酵罐红霉素设计绘制生产第一章设计方案的分析、拟定我设计的是一台50M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产红霉素。

经查阅资料得知生产红霉素的菌种有红色链霉菌、红霉素链霉菌、红色糖多孢菌，综合最适发酵温度、PH、等因素选择红霉素链霉菌，该菌种最适发酵温度为31℃，pH为~，培养基为发酵培养基，主要成分为淀粉10%、黄豆饼粉5%、硫酸铵%、磷酸二氢钾%、碳酸钙2%。

发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，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。

这次设计就是要对机械搅拌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。

压力P——除注明外，压力均指表压力，单位用MPa表示。

工作压力——指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

设计压力——指设定的容器顶部的最高压力。

它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。

一般在装有安全阀时Pd=~Pw当无安全阀时，Pd=~*1、设计压力容器的设计压力是指相应的设计压温度下，用以确定壳体厚度的压力，其值不得小于最高工作压力。

容器的最高工作压力是指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高表压力。

*2、设计温度设计温度是指容器在正常操作情况，在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

当元件的金属温度大于等于0℃时设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，当元件金属温度低于0℃时设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

表1-1 发酵罐主要设计条件第二章机械通风发酵罐设计夹套反应釜的总体结构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。

2. 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=2初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积。

公称体积－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。

1、全体积－－公称体积和上封头体积之和：H/D=~Di/D=1/2~1/3B/D=1/8~1/12 C/Di=~ S/Di=2~50H /D=2 Di －搅拌叶直径 D －罐体直径0H －罐体直筒部位高度 B － 挡板宽度ha －椭圆封头短半轴长度 S －搅拌叶间距C －底搅拌叶至底封头高度 hb －椭圆封头的直边高度设H/D=，且公称体积为503m Di = 1/3D Ho = 2 D B = ha = S = 3Di C = Di由图得D DD D h H H h a b 025.0225.023.220=--=--=则⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-D h D D h H D V V b b 61461242210ππ=()b h H D +24π =()D D D 025.03.242+π=50得D=查表得当公称体积为503m 时D=3000mm 所以取D=3m 则H== Di = 1/3D=1mHo = 2 D=6m B = = ha = =S = 3Di=3mC = Di=1m 全体积⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=D D D D D h H D V b 31025.023.246124220ππ=3336.5712315.81215.8m D =⨯⨯=ππ 表2-1 50m3发酵罐的几何尺寸主要部件尺寸的设计计算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 ℃的温度和的压力。

例如：腐蚀性不大的发酵液，如酶制剂发酵可以选用16MnR 钢； 柠檬酸为弱酸，对罐体使用A3钢会有腐蚀，使用不锈钢成本较高。

考虑使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。

即可达到要求，又降低成本。

综合各因素，该发酵罐发酵生产红霉素，由于发酵液腐蚀性不大，我们选择不锈钢16MnR 钢罐体壁厚：取决于罐径及罐压的大小取D=3m, p=, 双面焊缝φ=， []σ=137MPa, C=3mm则mm 1.73103.08.010********103.06661=+⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=δ D －罐体直径（mm ） p －耐受压强 (设计压力)φ － 焊缝系数，双面焊取，无缝焊取[σ ] －罐体金属材料在设计温度下的许用应力(不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa)C －腐蚀裕度，当δ －C<10mm 时，C ＝3mm压力容器设计规范和制造技术标准全国压力容器标准化技术委员会：GB150《钢制压力容器》在1989年3月第一版，1998年第二版 JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》 1995年 JB/T4735《钢制焊接常压容器》 1989年 JB/T4700-4707《压力容器法兰》 2000年钢材的使用上限不超过GB150-1999的各许用应力表的各钢号所对应的上限温度。

. 3封头壁厚计算：常大于罐体壁厚已知：取双面焊φ=、D=3000mm 、P=、K=、[]MPa 137=σ、t=1 求得：mm t d 45.1233.05.08.0137230003.03.2=+⨯-⨯⨯⨯⨯=D －罐体直径（mm ） p －耐受压强 (取K－开孔系数，取φ－焊缝系数，双面焊取，无缝焊取[σ ] －设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）C －腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm挡板通常挡板宽度b取～D，装设4~6块即可满足全挡板条件。

根据下式计算挡板数n：取b=, 得出挡板数n=5块式中 b——挡板宽度，mm；D——罐内径，mm；n——挡板数，mm。

搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，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；叶径: d=～D盘径: di= d叶高: h =叶长: b = d根据D=3m,得叶径d== 所以：盘径: di= d= 叶高: h = = 叶长: b = d=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： HG21515－1995 人孔（R ·A －2707） 450，开在顶封头上，位置：角度 75。

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，位置：角度 6030、。

接口管 管道接口：进料口：采用法兰接口，法兰型号：,DN50,HG20592-1997，接口管直径，开在封头上，位置：角度45度；排料口：采用法兰接口，法兰型号：,DN50,HG20592-1997，接口管直径，开在罐底；进气口： ，开在封头上，位置：角度75度 ； 排气口： ，开在封头上，位置：角60度 ；冷取水进、出口：采用法兰接口，法兰型号：,DN25,HG20592-1997，接口管直径30mm ，开在罐身圆柱体上；补料口：，开在封头上；取样口：，开在封头上；仪表接口：液位计：采用标准：HG5—1368 型号：R—61 法兰型号：××；φ mm ，开在罐身上；直径：5.357⨯温度计：Pt100型，D=100mm压力表：弹簧管压力表（径向表),d1=20mm,精度，型号Y-250Z,开在封头上溶氧探头：SE-N-DO-FpH探头：PHS-2型法兰的标准国家标准（GB91112～9131-88）《钢制管法兰》《管法兰》（HG5001～5028-58）《压力容器法兰标准》（JB1157～1164-82）表2-2 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果冷却装置的设计（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，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质。

（2）装料量 发酵罐装料系数：60%发酵罐装料液体积：v1=全体积×装料系数=×60%=3m 不计算下封头时的装液体积：下封头体积柱-=1V V=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-D h D V b 61421π=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯⨯-3613025.03456.342π=3m 则：装液高度：21785.0DV h ⨯=柱= （3）单位时间传热量单位时间传热量＝发酵热×装料量,查得红霉素发酵热为26300kJ/m3*h即：3371/48.2521048.25256.3436001063.2m kJ V Q Q =⨯=⨯⨯=⨯=发 查阅文献得各类发酵液的发酵热 （4）冷却水用量（W ） 已知Q=m3,201=t ℃,282=t ℃得：()12t t Cp Q W -==()kg 54.72028186.448.252=-/s 注：Q －单位时间传热量Cp －冷却水的平均比热，取 kJ/ (kg · ℃)12t t -－冷却水进出口温度差已知F t =31℃,201=t ℃,282=t ℃对数平均温差 ()()2121lg 303.2t t t t t t t t t F F F Fm -----=∆=()()156.628312031lg303.228312031=-----℃注：t1－冷却水进口温度 t2－冷却水出口温度 t 发－发酵温度 （5）冷却面积（A ）已知：Q=m3 ,156.6=∆m t ℃, 取K=3100.2⨯kJ/(m2 ·h ·℃) m t K Q A ∆==238.73156.6100.2360048.252m =⨯⨯⨯ 注： △m t ——对数平均温度差K ——传热总系数，取－×103 kJ/(m2 ·h ·℃) 根据生产情况取整则A=75m2不同的冷却蛇管的K 值不同，发酵温度低的发酵液选择K 值大（传热效率高）的冷却蛇管 冷却面积(2m )dL A π=查表得蛇管规格5.357⨯φmm, 所以d=57—*2=50mm冷却蛇管总长度(m) d AL π==m 5.47705.075=⨯π 根据生产实际情况取整L=480M ，如果分为6组，则每组为80M 。