1、100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器生物與化學工程學院課程設計報告題目：100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器學生姓名：學生姓名：張志立張志立專業班級：專業班級：10級生物工程級生物工程2班班學號：學號：105010540096指導教師：指導教師：羅建成羅建成設計時間：設計時間：2013年年5月月25日日100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器學院學院生物與化學工程學生物與化學工程學院院專業班級專業班級生物工程生物工程2班班姓名姓名張志立張志立所在組別所在組別第第7組組設計題目設計題目100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器谷氨酸機械攪拌通風反應器完成時間完成時間2013年年5月月25日日設計內容及設計內容及要

2、求要求課程設計內容課程設計內容1、設備所擔負的工藝操作任務和工作性質，工作參數、設備所擔負的工藝操作任務和工作性質，工作參數的確定。的確定。2、容積的計算，主要尺寸的確定，傳熱方式的選擇及、容積的計算，主要尺寸的確定，傳熱方式的選擇及傳熱面積的確定。傳熱面積的確定。3、動力消耗、設備結構的工藝設計。、動力消耗、設備結構的工藝設計。課程設計的要求課程設計的要求1、工藝設計和計算（、工藝設計和計算（1）工藝設計（）工藝設計（2）設備設計）設備設計2、設計說明書的編制、設計說明書的編制3、繪制設備圖一張、繪制設備圖一張工作進度及工作進度及安排安排1、2013.5.21閱讀設計指導書，査閱資料，擬定設

3、計程閱讀設計指導書，査閱資料，擬定設計程序和進度計劃。序和進度計劃。2、2013.5.22調查、收集有關數據，奠定設計基礎。調查、收集有關數據，奠定設計基礎。3、201352325設計計算，繪圖，編寫說明書。設計計算，繪圖，編寫說明書。指導教師指導教師: :羅建成羅建成2013年年5月月25日日100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器2摘要摘要本次設計的是一臺 100m3機械攪拌通風發酵罐，發酵生產谷氨酸。發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。在設計的過程中注重實際生產，并吸取其他發酵罐設計的經驗，考慮到谷氨酸的好氧習性，在發酵過程中，多加注意，在結尾附

4、發酵罐的仔細圖。關鍵詞關鍵詞：機械攪拌發酵罐，封頭，攪拌器，端面軸封，冷卻裝置AbstractAbstractThedesignofmechanicalagitationisaventilationfermenter100m3,glutamicacidfermentation.Mainlybyfermentationtankandthecoolingdevice,astirringdevice,transmissiondevice,theshaftsealingdevice,anumberofmanholesandotheraccessories.Emphasisinthedesignofth

5、eactualproductionprocess,andlearnotherfermenterdesignexperience,takingintoaccountglutamateaerobichabits,inthefermentationprocess,paymoreattentionpaidattheendofthefermentationtankcarefullymap.KeywordsKeywords：mechanicalagitationfermentor,head,blender,endseals,coolingdevice100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器3目錄目錄第第 1 1

6、 章章概述11.1 發酵罐設計前景 11.2 微生物生物反應器的研究與應用概述 1第第 2 2 章章設計依據12.1、本次設計內容 12.2、基本參數 12. 2.1 發酵罐的型式 12. 2.2 發酵罐的用途 22.2.3冷卻水及冷卻裝置 22.2.4 設計壓力 32.3 谷氨酸生產工藝流程圖 3第第 3 3 章章發酵罐選型及工藝計算33. 1 發酵罐的設計與選型 33. 1.1 發酵罐的選型 33.1.2 生產容積的確定 43.2 主要尺寸的計算 43.3 冷卻面積的確定 53.4 攪拌器設計 63.5、攪拌軸功率的確定 73.5.1計算 Re7m3.5.2不通氣條件下的軸功率計算 83.

7、5.3 通氣發酵軸功率計算 85.5.4求電機功率 P9電3.6 設備結構的工藝設計 93.7 豎直蛇管冷卻裝置設計 103.8 備材料的選擇 133.9 發酵罐壁厚的計算 133.10 接管設計 153.11 人孔及視鏡的設置 17100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器4第第 4 4 章章設計結果與討論184.1 發酵罐參數設計匯總 184.2攪拌器有關參數 184.3 主要符號說明 19第第 5 5 章章參考文獻20第第 6 6 章章課程設計心得體會22設計圖22100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器i1第 1 章概述1.1 發酵罐設計前景生物反應器是多學科交叉的生物技術領域， 是 21 世紀生物

8、工程發展的重要前沿之一。近年來，國內外利用動物、植物和微生物生物反應器生產蛋白藥物與其它重要產品的研究取得了令人矚目的進展，特別是功能基因的高效表達技術與方法研究有了許多新的突破，不少產品已進入研究開發和產業化階段。1.2 微生物生物反應器的研究與應用概述微生物反應器和酶反應器發展至今，已經形成了多種類型：在操作方式上，間歇式、連續式和半間歇式均已得到研究和應用；在反應器結構特征上，目前已發展了釜/罐式、管式、塔式、膜式等類型；在能量的輸入方式上，目前已發展了通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式、利用氣體噴射動能的氣升式和利用泵對液體的噴射作用而使液體循環的生物反應器等；在生物催化劑在反應器中的分

9、布方式上，目前已發展了生物團塊反應器和生物膜反應器，其中生物團塊反應器根據催化劑相態的不同又發展了填充床、流化床、生物轉盤等多種型式的生物反應器；在反應器內的流動和混合狀態上，目前生物反應器已發展至全混流型生物反應器和活塞流型生物反應器。第 2 章設計依據2.1 本次設計內容設計 100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器2.2 基本參數2.2.1 發酵罐的型式機械攪拌通風發酵罐1高徑比：H/D=2.42攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器,D:d:L:B=20:15:5:4ii100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器23攪拌器直徑：D=D/34攪拌器間距：S=(0.95-1.05)D5最下一組攪拌器與罐底的距離：C=

10、(0.8-1.0)D6擋板寬度：B=0.1D，當采用列管式冷卻時，可用列管冷卻代替擋板2.2.2 發酵罐的用途用于谷氨酸生產的發酵罐，有關設計參數如下：1裝料系數：種子罐 0.50-0.65發酵罐 0.65-0.82發酵液物性參數：密度 1080kg/ms粘度 2.0X10-3N.s/m2導熱系數 0.621W/m.C比熱 4.174kJ/kg.C3高峰期發酵熱 3-3.5X104kJ/h.m34溶氧系數：種子罐 5-7X10-6molO/ml.min.atm2發酵罐 6-9X10-6molO/ml.min.atm25標準空氣通風量：種子罐 0.4-0.6vvm發酵罐 0.2-0.4vvm2.

11、2.3 冷卻水及冷卻裝置冷卻水：地下水 18-20C100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器3冷卻水出口溫度：23-26C發酵溫度：32-33C100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器4冷卻裝置：種子罐用夾套式冷卻，發酵罐用列管冷卻。2.2.4 設計壓力罐內 0.4MPa；夾套 0.25MPa發酵罐主要由罐體和冷卻列管，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。這次設計就是要對 100M3通風發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；根據發酵微生物產生的發酵熱、發酵罐的裝液量、冷卻方式等進行冷卻裝置的設計、計算；根據上面的一系列計算

12、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，完成這次設計。2.3 谷氨酸生產工藝流程圖圖 1 谷氨酸發酵工藝流程圖第 3 章發酵罐選型及工藝計算3.1 發酵罐的設計與選型3.1.1 發酵罐的選型糖蜜一二級種子罐純生物素一實消斜面f-級種子、降溫液氮f二級種培養f淀粉1一匍萄糖消泡劑水定容罐一配料罐一一無機鹽糖蜜連消器玉米漿純生物素維持罐1換熱器消泡劑發酵罐一高濃度糖液A液氨消泡劑一一水一V無機鹽配料罐 f 定容罐100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器5選用機械攪拌通風發酵罐。3.1.2 生產容積的確定(1) 發酵罐容積的確定：選用公稱容積為 100m3的發酵罐。(2) 生

13、產能力的計算：若取發酵罐的填充系數9=70%,(3) 發酵罐個數的確定：公稱容積為 100m3的發酵罐，其全容積為 110m3。3.2 主要尺寸的計算發酵罐是由圓柱形筒體和上、下橢圓形封頭組成。V二V+2V二110(m3)全筒封為了提高空氣利用率，罐的高徑比取 2.4。H=2.4Dn(nV二V+2V二D22.4D+2h+D全筒封416J二110(m3)橢圓形封頭的直邊高度忽略不計，以方便計算。V二V+2V二0.785D2x2.4D+nD3x2二110(m3)解方程得全筒封241110D=3而=371取3鼻。H二2.4D二8.88(m)100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器6圓柱部份容積 V筒為:1

14、00m3谷氨酸機械攪拌通風反應器7V二0.785D2x2.4D二0.785x3.72x2x3.7二96.2(m3)筒上、下封頭體積 V 為：封全容積驗算:V仝二V+2V二96.2+2x6.1二108.4(m3)V全沁V全全筒封符合設計要求，可行。3.3 冷卻面積的確定根據部分谷氨酸廠的實測和經驗數，谷氨酸放得發酵熱高峰值約 3.3X104kJ/(m3h)，則冷卻面積按傳熱方程式計算如下：QKAtm式中 S 冷卻面積，m2Q換熱量，kj/hAt平均溫度差，。CmK 總傳熱系數，kj/(m2hC)110m3灌裝液量為：110X70%=77m3Q=3.3X104x77=2.54X106KJ/h設發酵

15、液溫度 33C，冷卻水進口溫度 19C，出口溫度 25C，則平均溫度差At為:m二nD32424x3.73二6.1(m3)100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器8采用豎式蛇管換熱器取經驗值 K 取 4.18X500kJ/(m2hC)i,2.54x1064.18x500X10.72tm5.4 攪拌器設計由于谷氨酸發酵過程中有中間補料操作，對混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部尺寸與罐徑 D 有一定比例關系，六彎葉渦輪攪拌器，D:d:L:B=20:15:5:4ii現將主要尺寸列后1:D371攪拌器葉徑 D 為：D二二二1.237(m)取 1.24m。ii33葉寬 B 為：B=0.2=

16、0.2x1.24=0.248(m)i弧長 l 為：l二0.375d二0.375x1.24二0.465(m)iD371底距 C 為：C 二 y 二二 1.237(m)取 1.24m。盤徑 d 為：d=0.75=0.75x1.24=0.93(m)iii葉弧長 L 為：L二0.25D二0.25x1.24二0.31(m)i葉距 Y 為：Y二D二3.71(m)彎葉板厚：(5=12(mm)取兩擋攪拌，攪拌轉速 N 可根據 50ms罐，攪拌直徑 1.05m，轉速 N=110r/min。以等21Atm(33-19)-(33-25)ln乂33-25二10.72CQKT二113.7(m2)100m3谷氨酸機械攪拌

17、通風反應器9P/V（單位體積液體所分配的攪拌軸功率相同）為基準放大求得.0即:式中 n 放大的攪拌器的轉速，r/min2n 模型攪拌器的轉速，n=110r/mini1d模型攪拌器直徑，d=1.05mi1d放大的攪拌器直徑，d=1.7m2d放大的攪拌器直徑，d=1.24m2將各值代入上式二110X二98.45(r/min)二1.64(r/s)取兩檔攪拌，攪拌轉速 98.45r/min。3.5 攪拌軸功率的確定3.5.1 計算 Rem淀粉水解糖液低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。ReD2NpM式中 D攪拌器直徑，D=1.70mD攪拌器直徑，D=1.24mrd)100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器10式中

18、 P不通氣條件下的軸功率，P=65.639KW攪拌器的轉速，98.45r/min。N攪拌器轉速，1.64r/sp 醪液密度，p=1080kg/msM醪液粘度，p=2X10-sNs/m2將數代入上式：Rem1.242x1.64x10802x10-3=1.36x106104視為湍流，則攪拌功率準數 Np=4.73.5.2 不通氣條件下的軸功率計算：P=Nn3d5pp式中 N 功率數,N=4.7sppn 攪拌器的轉速，n=1.64r/sd攪拌器直徑，d=1.24mp 流體密度，p=1080kg/m33將各值代入上式P=Nn3d5p=4.7x1.643x1.245x1080=65638.94=65.6

19、39(KW)p3.5.3 通氣發酵軸功率計算：P=2.25x10-3xgP2nd3、0.39.Q0.08丿100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器11d攪拌器直徑，d=124cmQ 工況下的通氣量，(發酵罐通風比：設通風比 VVm=0.20.4,取低限，如通風量變大，Pg 會小，為安全，現取 0.2 則Q二110 x70%x0.2二15.4x106(ml/min)將各值代入上式。3-5-4求電機功率如Pgx1.01qqq123采用三角帶傳動 n=0.92；滾動軸承 n2=0.99,滑動軸承 n率為 1%；代入公式數值得：P+二x1.01二66.935(kw)電0.92x0.99x0.983.6 設備

20、結構的工藝設計(1) 空氣分布器：本罐使用單管進風。(2) 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板。(3) 消泡漿：本罐使用圓盤放射式消泡漿。(4) 密封方式：p=2.25x10-3xg/p2nd30.39.Q0.08丿二2.25x10-3xf f656392x9845x竺廠i154000000.08丿二59.153(kw)=0.98；端面密封增加功3100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器12本罐擬采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器13(5) 冷卻管布置:使用的是豎直蛇管冷卻裝置。3.7 豎直蛇管冷卻裝置設計(1)求最高熱負荷下的耗水量 W 為:Q

21、W=總一C(t-1)p21式中 Q每 1m3醪液在發酵最旺盛時，1h 的發熱量與醪液總體積的乘積,Q總二3-3x104x77二2-54x10(K/h)C冷卻水的比熱容，C=4.18kJ/(kgC)2ppt冷卻水終溫，t=25C22t冷卻水初溫，t=19C11將各值代入上式冷卻水體積流量為 0.02814m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速為 1m/s，根據流體力學方程式，冷卻管總截面積總 A總為：式中：W冷卻水體積流量，W=0.02814m3/sV冷卻水流速，V=1m/s代入上式W二C(t-1)p212.54x1064.18x(25-19)二1.01x105(Kg/h)二28.14(Kg/s)1

22、00m3谷氨酸機械攪拌通風反應器140.028141二0.02814(m2)進水總管直徑 d 為:總1Ad=總0.7850.785-0-02814=0.189(m)查表選取 D203X6。g(2)冷卻管組數和管徑:設冷卻管總表面積為 A總，管徑do,組數為 n,則A=n-0.785d2總 0現根據本罐情況，取 n=8,求管徑。由上式得.0.02184d=0.059(m)0nx0.7858x0.785經查表選取76X6 無縫管，d=64mm,d=70mm。內平均現取豎蛇管圈端部 U 型彎管曲徑為 150mm， 則兩直管距離為 300mm,l為：01。二 nD二3.14x300二942(mm)(3

23、)冷卻管總長度 L 計算：冷卻管總面積 S=113.7m2。現取無縫鋼管108X5,兩彎管總長度S113.7S0.320=355.3(m)冷卻管占有體積 V管為:V=0.785x0.0762x355.3=1.611(m3)管100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器15取冷卻管組 n=8。(4)每組管長 L 為:0rL355.3L=0n8另需連接管 0.94m,L二L-0.94二44.4-0.94二43.5(m)實 0可排豎直蛇管的高度設為靜液面高度，下部可伸入封底 209mm。設發酵罐內附件占有體積為 0.39m3，則總占有體積為：V+V二1.61+0.39二2(m3)管附件筒體液面為：Vx70%+

24、(V+V)-V110 x70%+(1.61+0.39)-6.1一、-總管附件封二二3.717(m)S截面豎直蛇管總高 H 為：管H二3.717+0.6二4.317(m)管取管間距為 0.6m。又兩端彎管總長 l 為:0l二3.14x0.3二0.942(m)0兩端彎管總高 1.2m。則一圈管長 L 為：L二2H+2L二2x4.317+2x0.942二10.518(m)=44.4(m)0.785x52100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器160(5)每組管子圈數 n 為：0L444n=0=4.22(圈)0L10.518取 5 圈。L二10.518x7x8+(1.8x8)=603.4A355(m)買現取

25、管間距為：1.9xD D 二1.9x0.108二0.20(m)豎蛇管與罐壁的最小距離為 0.10m。最內層豎蛇管與罐壁的最小距離為：0.2x6+0.10+0.108x7二2.506(m)與攪拌器的距離為：(7-1.24)/2-2.506二0.824A0.24(m)在允許范圍內。(6) 校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：S二兀dxL二3.14x0.07x603.408二132.63A113.7(m2)實平均實故可滿足需求。3.8 備材料的選擇為了降低設備造價費用，本設備選用A3碳鋼材料，精制時用除鐵樹脂除去鐵離子。3.9 發酵罐壁厚的計算根據壓力容器安全技術監察規程規定，發酵罐屬于一級壓力容器，因

26、此，其設100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器17計、制造、安裝以及使用均須遵照該規定。設計計算須按 GB150-1998鋼制壓力容器100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器18(1)內壓圓筒厚度計算:5=pDi+C+C2lo-T-p12式中 6 圓筒的設計厚度，mmp 設計壓力，p=0.4MPaD圓筒的內直徑，D=3700mm1iaT設計溫度下圓筒材料的許應用力，oh=124.5MPai屮焊縫系數，屮=0.91C鋼板的厚度負偏差，C=0.8mmi11C 腐蝕裕量，C=1mm222將各值代入上式0.4x37002x124.5x0.90.4查附表可選用 10mm 厚的碳鋼鋼板。查附表知：公稱直徑為 370

27、0mm，壁厚為 10mm,1m高筒節鋼板質量為 981kg。(2)橢圓形封頭厚度計算：pD.5p式中6圓筒的設計厚度，mmp 設計壓力，p=0.4MPa進行。+0.8+1=8.42100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器19D圓筒的內直徑，D=3700mmii100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器20aT設計溫度下圓筒材料的許應用力，ah=124.5MPa屮焊縫系數，屮=0.9將各值代入上式0.4x37002x124.5x0.9-0.4x0.5查附表可選用 8mm 厚的碳鋼鋼板。3.10 接管設計(1)接管的長度 h 設計:各接管的長度 h 根據管徑大小和有無保溫層，進行選擇。本罐的輸料管可選擇不帶保溫

28、層的，查表接管長度可取 h=150mm】2。(2)接管直徑的確定:接管直徑的確定，主要根據流體力學方程式計算。以排料管為例計算管徑。本罐實裝 77m3，設 1.5h 之內排空，貝 V 排料時的物料體積流量 q 為：vq=衛=0.014(m3/s)v3600 x1.5取發酵醪流速 V=1(m/s)，則排料管截面積 A物為:A=0.785d2物則排料管直徑 d 為:pDi21-0.5p=6.61(mm)q0.014v=V1=0.014(m2)100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器21JA10.014我、d二 4 二二0.134(m)0.7850.785查表選取146X6 無縫管，d 內=134mm,d

29、=140mm2。平均以通風管為例計算管徑，通風量 Q 為：1Q二77x0.4二30.8(m3/min)二0.51(m3/s)1利用氣態方程式計算工作狀態下的風量 Q 為：f0.1273+33Q=0.51xx=0.314(m3/s)f0.40273+20如取風速 V=25(m/s)，則風管截面積為:A二Q=0134二0.0053(m2)fV25A二0.785d2f氣則氣管直徑d氣為:d氣二專二。皿因通風管也是排料管，故取兩者的大值。即取 e152X6 無縫管，可滿足工藝要求。排料時間復核:物流量 Q 為:Q=衛=0.014(m3/h)3600 x1.5查表選取 e102X4 無縫管,d二94mm

30、，d=98mm。內平均100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器22物料流速 V=1(m/s)，則管道截面積 A 為:A二0.785x0.1342二0.014(m3)在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結果小，則相應流速比 P 為:P=-Q=艷xi=1A0.014v排料時間 t 為:t=1.5X1=1.5(h)3.11 人孔及視鏡的設置人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備內部的裝置。本次設計只設置了 1 個人孔， 標準號為： HG215201995 人孔(RA2707)500-1.0,直徑為600mm,高度為 260mm,開在頂封頭上，左邊軸線位于離中心軸 1000mm 處視鏡用于觀察發酵罐內部的情況。本次設計只設置了 2 個視鏡，標準號為IIPN1.6,DN100AHG21505-1992 直徑為 DN150mm，高度為 52mm，開在頂封頭上，位于俯視面左下 45 度和右上 45 度距離中心軸線 1200mm 處(倍)100m3谷氨酸機械攪拌通風反應器23第 4 章設計結果與討論4.1 發酵罐參數設計匯總表 6 發酵罐參數發酵罐選型機械渦輪機攪拌通風發酵罐發酵罐容積100m3發酵罐總體積110m3發酵罐直徑 D3.7m封頭高 H1m圓柱高 H8.