生物工程设备课程设计———发酵罐
生物工程设备课程设计
200m3
谷氨酸发酵罐设计
院系：生物与化学工程学院 专业：生物工程 班级： 学号： 姓名： 指导老师：
日期：2012年5月11日
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生物工程设备课程设计———发酵罐
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
设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器 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： 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
①设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL，V，VL，Di等） ②通风量的计算
③搅拌功率计算及电机选择 ④传热面积及冷却水用量的计算
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（2）设备设计
①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套） ②搅拌器及搅拌轴的设计
③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等） ④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、绘制设备图一张
设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。
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目录
第1章 概述………………………………………………………………………1
1.1发酵罐设计前景……………………………………………………………1
1.2微生物生物反应器的研究与应用概述……………………………………1 1.3微生物反应器的研究和应用进展………………………………………2
第2章 设计依据…………………………………………………………………3
2.1、本次设计内容………………………………………………………………3 2.2、 基本参数…………………………………………………………………3 2.2.1 发酵罐的型式………………………………………………………3 2.2.2 发酵罐的用途………………………………………………………3 2.2.3冷却水及冷却装置……………………………………………………4 2.2.4设计压力 ……………………………………………………………4
第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸………………………………………5
3.1.通用发酵罐的系列尺寸……………………………………………………5 3.2 发酵罐主要设计条件………………………………………………………6
第4章 谷氨酸生产工艺流程简介……………………………………………7
4.1谷氨酸发酵工艺技术参数…………………………………………………7
4.2谷氨酸生产原料及处理……………………………………………………7 4.3谷氨酸生产工艺流程图……………………………………………………10
第5章 发酵罐选型及工艺计算………………………………………11
5.1 发酵罐的设计与选型……………………………………………………11 5.1.1 发酵罐的选型………………………………………………………11 5.1.2 生产容积的确定……………………………………………………11 5.2主要尺寸的计算…………………………………………………………11 5.3 冷却面积的确定………………………………………………………12 5.4 搅拌器设计……………………………………………………………13 5.5 、搅拌轴功率的确定………………………………………………………15 2.5.1 计算Rem ………………………………………………………………15 5.5.2不通气条件下的轴功率计算…………………………………………16 5.5.3 通气发酵轴功率计算………………………………………………16 5.5.4 求电机功率P电………………………………………………………17 5.6设备结构的工艺设计………………………………………………………17 5.7 竖直蛇管冷却装置设计…………………………………………………18 5.8备材料的选择……………………………………………………………21 5.9 发酵罐壁厚的计算………………………………………………………21 5.10 接管设计…………………………………………………………………23
第6章 设计结果与讨论………………………………………………25
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6.1发酵罐参数设计汇总 …………………………………………………25 6.2 辅助设备有关参数 ………………………………………………………26 6.3 搅拌器有关参数 …………………………………………………………27 6.4主要符号说明 ……………………………………………………………27
第7章 发酵罐设计心得体会………………………………………………29 参考文献…………………………………………………………………………30 设计图………………………………………………………………………………31
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第1章 概述
1.1 发酵罐设计前景
生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。
生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。①微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。②细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。③转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。
1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述
微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 ；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。
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微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段 ：①实验室阶段 —— 微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1 ～ 3L 反应器中进行 ；②中试阶段 ——5 ～ 500L 规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；③工厂化规模生产 ——实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。
1.3 微生物反应器的研究和应用进展
膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM）的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC）技术的发展和应用。
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第2章 设计依据
2.1 本次设计内容
设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器 2.2 基本参数 2.2.1 发酵罐的型式
机械搅拌通风发酵罐 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 2.2.2 发酵罐的用途
用于谷氨酸生产的发酵罐，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.℃
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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
2.2.3 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。
2.2.4 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。
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第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸
3.1 通用发酵罐的系列尺寸
表1 发酵罐系列尺寸
公称容积 50L 100L 200L 500L 1.0m 5.0m 10m 20m 50m 100m 200m
3333333
罐内径 320mm 400mm 500mm 700mm 900mm 1500mm 1800mm 2300mm 3100mm 4000mm 5000mm
圆柱高 640mm 800mm 1000mm 1400mm 1800mm 3000mm 3600mm 4600mm 6200mm 8000mm 10000mm
封头高 105mm 125mm 150mm 200mm 250mm 400mm 475mm 615mm 815mm 1040mm 1300mm
罐体总高 850mm 1050mm 1300mm 1800mm 2300mm 3800mm 4550mm 5830mm 7830mm 10080mm 12600mm
封头容积 6.3L 11.5L 21.3L 54.5L 0.112m 0.487m 0.826m 1.76m 4.2m 9.02m 16.4m
3333333
圆柱部分容积
52L 100L 197L 540L 1.14m 5.3m 9.15m 19.1m 46.8m 100m 197m
3333333
表2 发酵罐相关参数
不计上封头的容积 58.3L 112L 218L 595L 1.25m 5.79m 9.98m 20.86m 51m 109m 213m
3333333
全容积 搅拌桨直径 搅拌转数 64.6L 123L 239L 649L 1.36m 6.27m 10.8m 22.6m 55.2m 118m 230m
3333333
电动机功率 搅拌轴直径 0.4kW 0.4kW 0.6kW 1.1kW 1.5kW 5.5kW 13kW 23kW 55kW
25mm 25mm 25mm 35mm 35mm 50mm 65mm 80mm 110mm
冷却方式 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 列管 列管 列管 列管
112mm 135mm 168mm 245mm 315mm 525mm 630mm 770mm 1050mm 1350mm 1700mm
470r/min 400r/min 360r/min 265r/min 220r/min 160r/min 145r/min 125r/min 110r/min
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3.2 发酵罐主要设计条件
表3 设计参数
项目及代号 发酵产品 工作压力 设计压力 发酵温度 （工作温度） 设计温度 冷却方式 发酵液密度 发酵液黏度
150℃ 列管冷却
由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定
参数及结果 谷氨酸 0.4MPa 0.4MPa 33℃
备注
由任务书确定 由任务书确定 根据任务书选取
??1080Kg/m3
??2.0?10?3N?s/m2
根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：
① 结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；
② 有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能； ③ 在保持生物反应要求的前提下，降低能耗； ④ 有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度； ⑤ 有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制
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第4章 谷氨酸生产工艺流程简介
4.1 谷氨酸发酵工艺技术参数
表4 主要工艺技术参数
指标
淀粉质原料 ≥98 ≥8.0 ≥50 ≥86
糖蜜原料
≥8.0 ≥55 ≥80
1 2 3 4
生产工序 制糖（双酶法）
发酵 发酵 谷氨酸提取
参数名称 淀粉糖化转化率% 产酸率g/dl 糖酸转化率% 提取收率%
4.2 谷氨酸生产原料及处理
表5 原料及动力单耗表
单耗(t/t)
淀粉原料 2.12 0.45 0.35 0.34 0.03 309 2000Kwh/t 11.4
大米原料
3.0 0.45 0.35 0.34 0.02 309 2000Kwh/t 11.4
糖蜜原料
3.97 0.45 0.35 0.34 0.10 309 2000Kwh/t 11.4
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
物料名称 玉米淀粉 大米 糖蜜 硫酸 液氨 纯碱 活性炭 水 电 蒸汽
规格 含淀粉86% 含淀粉70% 含糖50% 98% 99% 98%
谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烃(液体石蜡)等。国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处理。 (一)糖蜜的预处理
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谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。故在以糖蜜为原料进行谷氨酸发酵时，常常采用一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下几种。 (1)活性炭处理法 用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多达糖蜜的30%～40%，成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜，可减少活性炭的用量。
(2)水解活性炭处理法 国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭处理的方法去除生物素的实验，并应用于生产。
(3)树脂处理法 甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素，这样可以大大提高谷氨酸对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到10％，pH达2.5，然后在120℃下加压灭菌20min，再用氢氧化钠调pH至4.0，通过脱色树脂交换柱后，将所得溶液调pH至7.0，用以配制培养基。 (二)淀粉的糖化
绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。可用来制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大米制备水解糖。
淀粉水解的方法有三种：
1．酸解法 用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下：
原料(淀粉、水、盐酸)调浆→糖化→冷却→中和脱色→过滤除杂→糖液 (1)调浆 原料淀粉加水调成10—11°Be′的淀粉乳，用盐酸调pHl.5左右，盐酸用量(以纯盐酸计)约为干淀粉的0.5％～0.8％。
(2)糖化 首先要在水解锅内加部分水，加水后将水解锅预热至100～105℃,(蒸汽压力为0．1～0．2MPa)随后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温，在表压为0.25～0.4MPa之间保压，一般水解时间控制在10～20min，即可将淀粉转化成还原糖。
(3)冷却 中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大，过滤困难。因此，生产上一般将糖化液冷却到80℃以下。
(4)中和 淀粉水解完毕，酸解液pH仅为1．5左右，需用碱中和后才能用于发酵。中和的终点pH一般控制在4.5～5.0左右，以便使蛋白质等胶体物质沉淀析出。
(5)脱色 酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。脱色可采用活性炭吸附，活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末，不溶于任何溶剂，质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。它将具有脱色与助滤两方面作用。 (6)过滤除杂 经中和脱色的糖化液要充分沉淀1～2h，待液温降到45～
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50℃，用泵打人过滤器除杂质，过滤后的糖液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉糖化过程全部结束，制成的糖化液供发酵使用。
2．酶解法 先用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。
谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常状态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。这样的菌体对环境条件是敏感的。也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上的，是受多种发酵条件支配的。因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。在谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH4+、pH、氧传递率、排气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物最大限度地利用糖合成主产物。为了实现发酵过程工艺条件最佳化，可采用电子计算机进行资料收集、数据解析、程序控制。收集准确的数据，如搅拌转速液量、冷却水人口温度和流量、通风量、发酵温度、pH、溶解氧、氧化还原电位等，还可准确地取样。控制操作者要求进行检测和及时处理比增殖速度、比产物形成速度、比营养吸收速度、氧的消耗速度等数据，使操作条件最佳化
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4.3 谷氨酸生产工艺流程图
淀粉 ↓
消泡剂— 葡萄糖 —消泡剂 水— ↓ —水 无机盐— →配料罐→定容罐 定容罐←配料罐←← —无机盐 糖蜜— ↓ ↓ —糖蜜 玉米浆— 二级种子罐 连消器 —玉米浆 纯生物素— ↓ ↓ —纯生物素 实消 维持罐 ↓ ↓ 斜面→一级种子 降温 换热器
↓ ↓ —消泡剂
液氮 → 二级种培养 发酵罐← —高浓度糖液 ↑ —液氨 无菌空气 图1 谷氨酸发酵工艺流程图
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第5章 发酵罐选型及工艺计算
5.1 发酵罐的设计与选型 5.1.1 发酵罐的选型
选用机械搅拌通风发酵罐。 5.1.2 生产容积的确定 (1) 发酵罐容积的确定： 选用公称容积为200m3的发酵罐。 (2) 生产能力的计算： 若取发酵罐的填充系数?=70%， (3) 发酵罐个数的确定：
公称容积为200m3的发酵罐，其全容积为230m3。5.2 主要尺寸的计算
发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。V全?V3筒?2V封?230(m)
为了提高空气利用率，罐的高径比取2。
H?2D
V全?V筒?2V封??4D2???2D?2???h??6D???????230(m3) 椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。
V全?V筒?2V封?0.785D2?2D??3324D?2?230(m)
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解方程得
230?5.004(m)1.83
3D? 取5m。
H?2D?10(m)
圆柱部份容积V筒为：
223V?0.785D?2D?0.785?5?10?196.25(m)筒
上、下封头体积V封为：
?3?33V?D??5?16.25(m)封2424
全容积验算：
V?V?2V?196.25?2?16.25?228.75(m)
'V全?V全
'全筒封3[1]符合设计要求，可行。 5.3 冷却面积的确定
根据部分谷氨酸厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约3.3×10kJ/(m·h)，则冷却面积按传热方程式计算如下：
QK?tm
4
3
[2]
S? 式中 S——冷却面积，m2 Q——换热量，kJ/h
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?tm——平均温度差，℃
K——总传热系数，kJ/(m2·h·℃) 230m3灌装液量为：
230×70%=161 m3
6
KJ/h 4 ? Q ? 3. 3 ×161 ? 5.313×1010
设发酵液温度33℃，冷却水进口温度19℃，出口温度25℃，则平均温度差
?tm为：
?tm?(33?19)?(33?25)?10.27?C33?19ln33?25
采用竖式蛇管换热器取经验值K取4.18×500kJ/(m2·h·℃)[1]， Q 5.313×106 ? ? 317.S ? 76( m 2 ) ? K t m 4 .18 ? 500 ? 8
5.4 搅拌器设计
由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。
该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4 现将主要尺寸列后[1]： 搅拌器叶径Di为：
D5D???1.67(m)i33
取1.7m。
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叶宽B为：
B?0.2D?0.2?1.7?0.34(m)i
弧长l为：
l?0.375D?0.375?1.7?0.64(m)i
底距C为：
D5C???1.67(m)33
取1.7m。 盘径di为：
d?0.75D?0.75?1.7?1.275(m)ii
叶弧长L为：
L?0.25D?0.25?1.7?0.425(m)i
叶距Y为：
Y?D?5(m)
弯叶板厚： δ=12（mm）
取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V(单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同)为基准放大求得. 即：
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2nn?d1?32?1??d??2??
式中 n2——放大的搅拌器的转速，r/min n1——模型搅拌器的转速，n=110r/min[1] d1——模型搅拌器直径，d=1.05m[1] d2——放大的搅拌器直径，d=1.7m 将各值代入上式
22n?n??d1??3?110???1.05?321??d?79.78(r/min)?1.33(r/s)2???1.7??
取两档搅拌，搅拌转速79.78r/min。 5.5 搅拌轴功率的确定 5.5.1 计算Rem
淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。
Re D 2 Nρ
m ?
μ
式中 D——搅拌器直径，D=1.70m N——搅拌器转速，N?11160 ρ——醪液密度，ρ=1080 kg/m3 μ——醪液粘度，μ=2×10-3N·s/m2将数代入上式：
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1.72?1.33?1080Rem??20.76?105?104 ?32?10视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7 5.5.2不通气条件下的轴功率计算：
35P?Npnd?
式中 Np——功率数,Np=4.7[3]
n——搅拌器的转速，n=1.33r/s d——搅拌器直径，d=1.7m ρ——流体密度，ρ=1080kg/m3[3] 将各值代入上式
P?Npn3d5??4.7?1.333?1.75?1080?169559.12(W)?169.56(KW) 5.5.3 通气发酵轴功率计算：
23?Pnd?3???P?2.25?10?g0.08??Q??0.39
式中 P——不通气条件下的轴功率，P=169.56KW n——搅拌器的转速，n=79.78r/mim d——搅拌器直径，d=170cm
Q——工况下的通气量，(发酵罐通风比：设通风比
VVm=0.2—0.4，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全，现取0.2则
6Q?230?70%?0.2?32.2?10（ml/min）
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将各值代入上式
0. 39 0 .39 2 3 ? 2 ? 79.3 ? ? P ? 169 .56? nd 78 170 3 ? 3 ? ?? ? ? ( KW Pg ? 2. 25 ? 10 ? 25 ? 10 ? ) ? 0. 08? ? 2.? ? ? 161.50 0. 08 Q 32200000 ? ? ? ?
5.5.4 求电机功率P电
PgP电??1.01??2?13
采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：
P电?161.50 ?1.01?182.74（KW）0.92?0.99?0.985.6设备结构的工艺设计 (1) 空气分布器： 本罐使用单管进风。 (2) 挡板：
本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。 (3) 消泡浆：
本罐使用圆盘放射式消泡浆。 (4) 密封方式：
本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 (5) 冷却管布置：
使用的是竖直蛇管冷却装置。
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5.7 竖直蛇管冷却装置设计 (1) 求最高热负荷下的耗水量W为：
W?Q总Cp(t2?t1)
式中 Q——每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积，
6Q总?3.3?104161?5.31?10（KJ/h）
Cp——冷却水的比热容，Cp=4.18kJ/(kg·℃)[2] t2——冷却水终温，t2=25℃ t1——冷却水初温，t1=19℃ 将各值代入上式
Q总5.31?106W???2.12?105(Kg/h)?58.89(Kg/s)
Cp(t2?t1)4.18?(25?19) 冷却水体积流量为0.0589m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为：
A总?W V 式中 W——冷却水体积流量，W=0.0411m3/s V——冷却水流速，V=1m/s
代入上式
A总?W0.0589??0.0589（m2） V1 进水总管直径d总为：
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d总?A总0.0589??0.274(m) 0.7850.785 查表选取Dg299×7。 (2) 冷却管组数和管径：
设冷却管总表面积为A总，管径d0，组数为n，则
2A?n?0.785d0 总 现根据本罐情况，取n=9，求管径。由上式得
A总0.0589??0.091(m)
n?0.7859?0.785d0? 经查表选取Φ108×5无缝管，d内=98mm，d平均=103mm。
现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，两弯管总长度l0为：
l??D?3.14?600?1884(mm)0 (3) 冷却管总长度L计算：
冷却管总面积S=317.76m2。现取无缝钢管Φ108×5，
S317.76??993(m) S00.32L? 冷却管占有体积V管为：
V管?0.785?0.1082?993?9.09(m3)
取冷却管组n=9。 (4) 每组管长L0为：
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L0?L993??110.33(m) n9 另需连接管1.8m，
L实?L0?1.8?110.33?1.8?108.53（m）
可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底209mm。设发酵罐内附件占有体积为0.63m3，则总占有体积为： V管?V附件?9.09?0.63?9.72（m3） 筒体液面为：
V总?70%?（V管?V附件）-V封S截面?230?70%?（9.09?0.63）-16.25 ?7.87（m）20.785?5 竖直蛇管总高H管为：
H管?7.87?1.2?9.07（m）
取管间距为0.6m。 又两端弯管总长l0为：
l?3.14?0.6?1.884(m)0 两端弯管总高1.2m。 则一圈管长L为：
L?2H?2L0?2?9.07?2?1.884?21.91（m）
(5) 每组管子圈数n0为：
n0?L0110.33??5.04(圈) L21.9125
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取5圈。
L实?21.91?5?9?（1.8?9）?1002.15?993（m）
现取管间距为：
1.9?D?1.9?0.108?0.20（m） 竖蛇管与罐壁的最小距离为0.10m。 最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为： 0.2?4?0.10?0.108?5?1.44（m） 与搅拌器的距离为：
（5-1.7）/2?1.44?0.21?0.2(m)
在允许范围内。
(6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：
S实??d平均?L实?3.14?0.103?1002.15?324.12?317.76（m2）故可满足需求。 5.8 备材料的选择
为了降低设备造价费用，本设备选用A3碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子。
5.9 发酵罐壁厚的计算
根据《压力容器安全技术监察规程》规定，发酵罐属于一级压力容器，因此，其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按GB150-1998《钢制压力容器》进行。 (1) 内压圆筒厚度计算：
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pD??Ti?CC1?2???2??p
式中 δ——圆筒的设计厚度，mm p——设计压力，p=0.4MPa Di——圆筒的内直径，Di=5000mm
[σ]T——设计温度下圆筒材料的许应用力，[σ]T=124.5MPa[1] φ——焊缝系数，φ=0.9[1]
C1——钢板的厚度负偏差，C1=0.8mm[1] C2——腐蚀裕量，C2=1mm[2] 将各值代入上式
pDi0.4?5000?C?C??0.8?1?10.74(mm)12T2[?]??p2?124.5?0.9?0.4
?? 查附表可选用12mm厚的碳钢钢板。查附表知：公称直径为5000mm ，壁厚为12mm ，1m高筒节钢板质量为1483kg [2]。 (2) 椭圆形封头厚度计算：
pDi??T?????02.5p
式中 δ——圆筒的设计厚度，mm p——设计压力，p=0.4MPa Di——圆筒的内直径，Di=5000mm
[σ]T——设计温度下圆筒材料的许应用力，[σ]T=124.5MPa φ——焊缝系数，φ=0.9
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将各值代入上式
pDi0.4?5000??8.93(mm)2[?]T?-0.5p2?124.5?0.9?0.5?0.4
?? 查附表可选用10mm厚的碳钢钢板。 5.10 接管设计
(1) 接管的长度h设计：
各接管的长度h根据管径大小和有无保温层，进行选择。本罐的输料管可选择不带保温层的，查表接管长度可取h=150mm[2]。 (2) 接管直径的确定：
接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。
以排料管为例计算管径。本罐实装161m3，设1.5h之内排空，则排料时的物料体积流量qv为：
161
? 0 . 030 ( m 3 / s )
3600 ? 1.5
q v ?
取发酵醪流速 V=1(m/s)，则排料管截面积A物为：
A物?qv0.030?0.030(m2) V12A0.785d物?
则排料管直径d为：
d?A物0.030 ??0.（2m）0.7850.785 查表选取Φ194×6无缝管，d内=182mm，d平均=188mm[2]。 以通风管为例计算管径，通风量Q1为：
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Q1 ? 161 ? 0 .4 ? 64.4 ( m 3 / min) ? 1 . 07( m 3 / s )
利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf为： 0 . 1 273 ? 33
? ? 0 Q f ? 1 . 07 ? . 279( m 3 / s ) 0 . 40 273 ? 20 如取风速V=25(m/s)，则风管截面积Af为：
QfV0.279?0.011(m2) 25Af??2A0.785df?气
则气管直径d气为：
0.012?0.12(m)0.785
d?气 查表选取Φ133×4无缝管，d内?125mm，d平均=129mm。
因通风管也是排料管，故取两者的大值。即取Φ194×6无缝管，可满足工艺要求。
排料时间复核： 物流量Q为：
161
? 0 . 030( m 3 / h )
3600 ? 1.5
Q ?
物料流速V=1(m/s)，则管道截面积A为：
23A?0.785?0.182?0.026(m)
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在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果小，则相应流速比P为：
P ?
Q A ? 0 . 030
? 1 ? 1 . 146( 倍 ) v 0 . 026
排料时间t为： t ? 1.5 ? 1 . 146? 1 . 719 ( h )
第6章 设计结果与讨论
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6.1 发酵罐参数设计汇总
表6 发酵罐参数 发酵罐选型 机械涡轮机搅拌通风发酵罐 发酵罐容积 发 酵 罐 封头高H 200m 5m 3发酵罐总体积 230m 3发酵罐直径D 圆柱高H 10m 1.3m 发酵管壁厚S 12mm 6.2 辅助设备有关参数 表7 辅助设备参数
冷却管实际传热面积冷 却 装 置 辅 助 设 备 s实 冷却管组数n 进水总管直径d总 排料管截面积F物 每组管子圈数n0 风管截面积Ff 气管直径d气 9 334.57m 2最高热负荷下的耗水量W 194?6无缝管 58.85kg/s 133mm 型号 0.299m 0.026m2 5圈 0.011m2 0.194mm 接管直径d 冷却管总截面积A总 冷却管管径d0 每组管长L0 空气分布器 挡板 5.885×10-2 108mm 110.33m 单管进风 不设挡板 支座选择 裙式支座 密封方式 双面机械密封 31
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6.3 搅拌器有关参数
表8 搅拌器参数
搅拌器选型 搅拌器叶径 搅 拌 器 叶宽B 叶距Y 转速N2 搅拌轴功率P0 通风时轴功率Pg 电动机功率P电 6.4 主要符号说明
1.7m 0.34m 5m 弧长l 叶弦长L 六弯叶涡轮搅拌器 0.64m 0.425m 12m 盘径di 底距C Rem 1.275m 1.7m 2.076×106 弯叶板厚? 111r/min 173.167KW 164.17KW 182.18KW 表9 符号说明
符号
V糖 V全
意义 糖液体积 发酵罐总容积 发酵罐个数 直径 换热面积 叶宽 底距 叶弦长 叶距
单位
m3 m3
N1 Di
S
个
mm
m2
B
m m
C
L
m m
32
Y
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Rem
n
雷诺数 转速 搅拌功率准数
轴功率 电机功率 冷却水比热容 冷却管总截积 冷却水体积流量
壁厚 压力 壁厚附加量 焊缝系数
r/min 或 r/s
Np
Pi P电Cp A总
kW kW
kJ/kg?K m2
W m3/s
?
P
cm MPa
c mm
?
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第7章 心得体会
搅拌通风发酵罐的设计需要综合各种参数，是有计划、有目的，由所需设计的发酵罐的体积，一步一步计算而来。需要根据要求设计的年产量及罐的容积填充系数，发酵周期计算所需罐数。
有冷却介质的进出口温度及发酵过程中传热量得出传热面积。关于传热面积，最难确定的是传热系数，它的确定需要需要取决于发酵液的物性、蛇管的传热性能及管壁厚度。我们查了很多关于传热系数的计算的资料，很遗憾，由于各种物性参数的不足，我们只能取经验数值。由所得的传热面积便可根据公式根据已知的各种参数，求出蛇管的理论长度、蛇管的组数。由于我们这一组所要设计的是200立方米的发酵罐，理论上说，可以用夹套冷却装置，由于担心传热不足，我们还是选择设计比较复杂的蛇管冷却装置，这样就可以最大限度地解决传热问题。蛇管换热器的设计需要考虑各种因素，比如它同封头的距离是否满足工艺上的规定，它同搅拌器的距离是否能够保证搅拌器正常工作时不会与蛇管相碰撞等。所以在设计蛇管之前一定要将搅拌器的各种参数计算好，比如搅拌器的功率、叶径、转速、同挡板的距离等。这些参数相互之间都有联系，根据设计所规定的比例标准可以计算出。最后根据发酵罐的容积及压力，对壁厚进行设计，并圆整，然后根据罐的直径计算封头的直径及壁厚。
整个设计过程中，我们小组的成员们查了很多相关资料，力求我们的设计能满足工艺要求，对每一个数字的得出及圆整，我们都经过多次反复计算及资料核查。尽管如此，我想我们的设计中仍会不可避免地出项一些疏漏，限于所学知识及实践能力的缺乏，或许我们现在还无法觉察，所以相信老师在看了我们小组的设计之后，定会给我们一些建议，以便我们更加了解发酵罐的设计。很高兴能尽自己的微薄之力，同小组成员们一起完成这次设计，不仅巩固了设备设计方面的专业知识，还深刻感受到任何一个投入到生产中的设备的设计只靠所学的一点设计知识是远远不够的，我不仅需要扩展自己的视野，填充专业知识，还要好好利用学校组织的实践教学，尽量弥补实践方面的不足。
同时我也感受到集体力量在设计过程中的作用，当我对某个环节感到迷茫时，因为小组的讨论，茅塞顿开。这次设计，我真的从中领悟到“讨论”的重要性。
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参考文献
[1]梁世中．生物工程设备，中国轻工业出版社，2002。 [2]黎润钟．发酵工厂设备，中国轻工业出版社，1991。 [3]姚玉英．化工原理，天津大学出版社，1999。
[4]国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，1996。
致 谢
本次课程设计是在敬爱的各位老师的悉心指导下完成的，在设计的准备、进行及设计的写作过程中，各位老师都付出了大量的时间和精力，各位老师严谨的治学态度、渊博的学科知识、高度的责任心，使我受益匪浅，让我不仅学到了许多知识，更学到了许多做人做事的道理。在此我要向一直以来辛苦工作的各位老师表示我最衷心的感谢和最崇高的敬意!
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