2022年产20吨硫酸庆大霉素发酵罐设计_.docx

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1、精品学习资源1 前言生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要地、综合性地实践教案环节， 要求综合运用所学学问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， 对培育我们全面地理论学问与工程素养，健全合理地学问结构具有重要作用.发酵罐是发酵设备中最重要、应用最广地设备，是发酵工业地心脏，是连接原料和产物地桥梁.随着工业技术地进展，市面上显现了种类繁多、功能更加完备地新型发酵罐.如何挑选或者设计一种合适地发酵罐将会成为一个讨论热点. 本文旨在通过相应地参数运算和设备运算完成年产 20 吨庆大霉素地机械通风发酵罐初步设计.2 常见地发酵罐2.1 机械搅拌通风发酵罐机械搅拌发酵罐是利用

2、机械搅拌器地作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供应微生物生长繁衍、发酵所需地氧气 ,又称通用式发酵罐.可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠檬酸发酵、生物发酵等.图 1 机械通风发酵罐2.2 气升式发酵罐气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴喷射进发酵液中，通过气液混合物地湍流作用而使空气泡打碎，同时由于形成地气液混合物密度降低故向上运动，而含气率小地发酵液下沉，形成循环流淌，实现混合与溶氧传质 .其结构简洁、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要类型有气升环流 式、鼓泡式、空气喷射式等.图 2 气升式发酵罐原理图2.3 自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空

3、气地发酵罐.叶轮旋转时叶片不断排开四周地液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气.吸入地空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立刻通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，匀称分布.与机械发酵罐相比，有一个特别地搅拌 器，但没有通气管.罐为负压，易染菌，当转速较大时，会打碎丝状菌.图 3 自吸式发酵罐3 已知工艺条件（ 1）年产量： G=20 t （庆大霉素）（ 2）年工作日： M=300 天（ 3）发酵周期： t=6 天（ 4）发酵平均单位：m=1400单位 /毫升欢迎下载精品学习资源（5） 成品效价： p=580单位 /毫克确定发酵罐地高度和直径：欢迎下载精品学习资源（6） 提炼总效率：

4、 p=87%（7） 每年按 300 天运算，每天 24 小时连续运行 .（8） 装料系数： =75%设发酵罐地圆筒体积为V0 =V筒 + V底V筒 ，封底体积为 V底欢迎下载精品学习资源4 工艺运算4.1 由年产量打算每天放罐发酵液体积VdV0 =D 2H42D 324欢迎下载精品学习资源取 H=1.95D欢迎下载精品学习资源p1000 GdVM即 3.1441.95D 33.14242 D 350 m欢迎下载精品学习资源1000mp20580D=3.1m H=6.0m欢迎下载精品学习资源300140087%其中， D 为发酵罐公称直径， H 是发酵罐圆筒高 .欢迎下载精品学习资源331.75

5、 md4.6 机械发酵罐壁厚地运算4.6.1 运算法确定发酵罐地壁厚欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源4.2 发酵罐公称容积V0 和台数地确定S1 S1PD2【 】C（ cm）P欢迎下载精品学习资源VVd31.750=42.4 m3式中，欢迎下载精品学习资源nd10.753P 设计压力，取最高工作压力地1.05 倍，P=0.4Mpa欢迎下载精品学习资源依据国内发酵罐系列取nd ：每天放罐系数，取V050mnd =1 罐；D 发酵罐内径， D=310cm【】 A3 钢地许用应力，【】=127Mpa 焊缝系数，取 =0.7欢迎下载精品学习资源：发酵罐装料系数，=75%；C壁厚附加量 CC 1

6、C 2C 3欢迎下载精品学习资源发酵罐总台数n= nd发酵周期C1 钢板负偏差，取 C10.8mm欢迎下载精品学习资源n=16=6 台）发酵周期 =每罐批发酵时间 +帮助时间帮助时间 =进料时间 +灭菌操作时间 +移种时间+放罐压料时间 +清洗检修时间C2 为腐蚀欲量，取C3 加工减薄量，取C 2 =2mmC3 =0，代入上式得欢迎下载精品学习资源4.3 发酵罐实际产量50CC1C2C30.8200.28mm欢迎下载精品学习资源2042.423.58吨 年0.4310欢迎下载精品学习资源23.58100078.6 千克年，台S121270 .70 .40.280.98cm欢迎下载精品学习资源3

7、004.4 每吨产品需要地发酵液量4.6.2 封头壁厚运算欢迎下载精品学习资源500.75477.10m3 / thb -椭圆封头地直边高度m，取hb =0.05m欢迎下载精品学习资源0.07864.5 机械通风发酵罐地高度和直径1欢迎下载精品学习资源D1.2时，一般使用 H D1.75 2ha -椭圆封头短半轴长度，ha =D 40.77欢迎下载精品学习资源D1.2时，H D2 3标准椭圆封头地厚度运算公式如下：欢迎下载精品学习资源SPD22【 】C（ cm）P底距C=d i =1.0m搅拌叶间距 S=D=3.1m欢迎下载精品学习资源式中， P=0.4Mpa， D=310cm ，【 】=12

8、7MpaC1 =0.08cm ， C 2 =0.2cm， C3 =0.1cm弯叶板厚=12mm4.7.2 搅拌轴功率地运算欢迎下载精品学习资源CC1C 2C 30.38 cm，=0.74.7.2.1 不通风情形地搅拌轴功率欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源代入上式，得 :不通风情形地搅拌轴功率随着液体地性欢迎下载精品学习资源S0.4221273100.70.40.381.07cm质、搅拌器地势式、罐地结构尺寸地不同而不同 .经过大量试验可得功率准数欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源查钢材手册圆整为S2 =12mm.（ N p ）和搅拌雷诺指数（Re ）之间地函欢迎下载精品学习资源欢

9、迎下载精品学习资源4.7 发酵罐搅拌装置运算和轴功率运算数关系：欢迎下载精品学习资源4.7.1 搅拌装置发酵罐地搅拌器一般都采纳圆盘地涡轮搅拌器，搅拌叶地势式有平叶、弯叶、箭叶三种，其形状见下图：Np =P= N pf Re =in3D 5pin3 D 5欢迎下载精品学习资源其中： p：搅拌功率（公斤米 秒 ）（ 1千瓦 =102 公斤 米 秒 ）欢迎下载精品学习资源n：搅拌器转速（转 秒 ）欢迎下载精品学习资源Di ：搅拌器直径（ M ）：液体密度（公斤 / m3 ）欢迎下载精品学习资源图 4 三种常用涡轮搅拌器搅拌叶形式地挑选是发酵罐设计中地一个关键.本次设计，由于庆大霉素发酵过程有中间补

10、料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器 .该搅拌器地各部分尺寸与罐径D 有肯定比例关系，现将主要尺寸列出：搅拌器叶径 d i =D/3=3.1/3=1.03m取 d i =1.m挡板宽 B=0.1 d i =0.1 1=0.1m由化工原理可知：Re Re10滞流104湍流欢迎下载精品学习资源10Re1010过渡流六箭叶涡轮浆N p =3.7欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源图 5 NpRe曲线工作状态时，通常发酵罐内发酵液都需要欢迎下载精品学习资源上式公式只适用于湍流和滞留，过渡流处于湍流状态，因此使用NpRe 曲线欢迎下载精品学习资源图，线图运算无通气时地搅拌率比较方欢迎下载

11、精品学习资源便，算出Re ，并查地N p 值，就搅拌功率欢迎下载精品学习资源即可由下式运算（生物工厂设计）DN35pN pi欢迎下载精品学习资源上式是依据 HD3 , D Di3欢迎下载精品学习资源W D0.1, B Di1如不符合上述条件，可用下面公式校正：欢迎下载精品学习资源P（ D Di H实Di P欢迎下载精品学习资源33功率运算：已知 n=170 转/分（工厂供应数据）欢迎下载精品学习资源24Di1.03米, 一般Di / D1 2 -13，本设计取 1 3欢迎下载精品学习资源r g10509.81107公斤秒 / 米欢迎下载精品学习资源3（ r1.05 吨 米 ，工厂测定数据）Np

12、 =4.7欢迎下载精品学习资源由公式1703欢迎下载精品学习资源时 N p 不是一个常数，必需从NpRe曲线P4.71076031.035欢迎下载精品学习资源查询.413260.52kgm / s110.5kW欢迎下载精品学习资源当 Re10 ，属于湍流区 .此时地流体（见校正得：欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源图 5）称为牛顿型流体，由上图试验得出地（ 3.1 1.03） 6 1.03P实110.5欢迎下载精品学习资源曲线来看，该区Np 不随Re 地增加而增加，33154.3kW欢迎下载精品学习资源基本上趋于水平线，也就是说N p 为一常数 .依据一般搅拌器之间地距离S=1.5-2.

13、5 Di欢迎下载精品学习资源六平叶涡轮浆六弯叶涡轮浆Np =6.0Np =4.7搅拌器个数 =发酵罐筒体高度搅拌器间距欢迎下载精品学习资源6oo欢迎下载精品学习资源=21.0317 C ，出口 20 C .欢迎下载精品学习资源=2.9 个取 3 个一般，三个搅拌器为单个搅拌器地2 倍：夏季：气温17C o时采纳循环水进口欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源P实 154.32308.6 kW10 Co，出口 20 Co .欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源4.7.2 通风条件下地搅拌功率由风速估量冬季冷却水循环水用量运算：Q冷欢迎下载精品学习资源通风情形下地搅拌功率将下降，当风速大于3

14、0M/ 小时，通风功率仅为不通风地40-50%WCt 2t1发酵热效应1.2欢迎下载精品学习资源就 P实= 308.645%138.9kW .比热（冷却水出口温度- 冷却水入口温度）欢迎下载精品学习资源由体会公式估量密氏公式（生物工厂设计）4704004.1（8 20 -17）1.2欢迎下载精品学习资源iPK P2nD 3 0.45其中 K=0.15645t / h欢迎下载精品学习资源gQ0.56308.620.1561701.0330. 45夏季冷却水用量运算：WQ冷欢迎下载精品学习资源=500.75=109.1kW设机械传动效率为0.81.2 0.56Ct 2t1发酵热效应比热（冷却水出口

15、温度1.2- 冷却水入口温度）欢迎下载精品学习资源109.24704001.2欢迎下载精品学习资源就 Pg0.8136.4kW4.1（8 20 -10）欢迎下载精品学习资源从上面可以看出，基本功率约为137kW.4.8 发酵罐冷却水量和冷却面积运算4.8.1 发酵热效应13.5 t / h取 14 吨/时.4.8.3 冷却器面积运算欢迎下载精品学习资源Q热QP V1FQk t欢迎下载精品学习资源其中 Q热 ：发酵热效应 KJ/hQ : 发酵热效应470400kJ / h欢迎下载精品学习资源Qp ：发酵热 3500kCal/m3h =14700KJ/m3hK : 传热系数200 - 450kCa

16、l / m2 hoC欢迎下载精品学习资源3V1 :发酵液体积 32 m取 K=300kCal/ m2hoC欢迎下载精品学习资源t平均温差欢迎下载精品学习资源Q热 1470032470400k J / h（t罐- t 进）（ t罐- t出欢迎下载精品学习资源各种发酵液发酵热见下表：v4.8.2 冷却水量地运算发酵过程，冷却水系统按季节气温地不同，采纳冷却水系统也不同，为了保证发酵液生341723422015.5欢迎下载精品学习资源产，夏季必需使用冰水.F QKt3004704004.1815.524.2m2欢迎下载精品学习资源冬季：气温17C o 时采纳循环水进口取 25 m2欢迎下载精品学习资

17、源4.9 蒸汽消耗量运算发酵罐蒸汽消毒有三种方法：实消、连消、空消 .庆大霉素经常采纳实消方法.实消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入罐内与发酵液等生产取 38mg-mol/l.h ，依据抗生素生产工艺学） P1037-30 公式：耗氧率 =单位时间内进口空气中氧地含量单位时间内出口欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源一起加热，使罐温从80-90 oC快速升温至空气中氧地含量1发酵液的体积欢迎下载精品学习资源120 o C以达到灭菌地成效.保温时间内蒸汽用G 601103C进1- C出）欢迎下载精品学习资源量按升温用汽量地30-50%进行运算 .4.9.1 直接蒸汽混合加热蒸汽消耗量地运算：22.

18、4V：耗氧速率 mg-mol/l.h欢迎下载精品学习资源DGCt 21t1 1G：空气流量m3 / min欢迎下载精品学习资源it 2 CG进 ：进口空气含量 21%欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源D1 ：蒸汽消耗量 kgG：被加热料液量 kg ，已知为 32 m3G出 ：出后空气含量 19.8%（工厂数据）rV22.4欢迎下载精品学习资源t ：加热终止时地料液温度120 o CG60 103 0.210.198欢迎下载精品学习资源238500.753622.4欢迎下载精品学习资源t ：加热开头时地料液温度35 oC6010 0.210.198欢迎下载精品学习资源1I：蒸汽焓 KJ/k

19、g ，0.4MPa 焓为 650kCal/kg：热缺失 5-10% ，取 5%266m3 / min运算结果和通风比运算结果特别接近， 进一按通风比运算切合实际.欢迎下载精品学习资源D336006505658.1kg4.184.1812012035 14.180.055 管道设计5.1 接管设计接管地长度 h 设计各接管地长度h 依据直径大小和有无保温欢迎下载精品学习资源4.9.2 灭菌保温时间内地蒸汽用量D2D2 =0.5 D10.55658.12829.05 kg4.10 发酵罐发酵过程中需要压缩地空气量4.10.1 通风比运算法发酵工厂压缩空气量一般都是依据实际生产体会以通风比来打算，如

20、庆大霉素工厂供应地通风比 1:1.2-1.5层，一般取 100200mm接管直径地确定主要依据流体力学方程式运算.已知物料地体积流量，又知各种物料在不怜悯形下地流速，即可求出管道截面积，运算出地直径再休整到相近地钢管尺寸即可 .3通风管地管径运算该罐实装醪量32 m欢迎下载精品学习资源已知发酵罐 50m3 6 台，装料系数75%，取设 1h 内排空，就物料体积流量欢迎下载精品学习资源通风比为 1:1.2，就压缩空气需要量：Q323600 10.0088m3/s欢迎下载精品学习资源Q5060.751.2270m3 / min发酵醪流速取V=1m/s就排料管截面积为欢迎下载精品学习资源4.10.2

21、 耗氧率地运算方法各种微生物地耗氧率因种类地不同而不同，其范畴大致为25-100mgmol/l.h 庆大霉素QF物 F物V0.008810.0088m2欢迎下载精品学习资源物F0.785d 2V ：冷却水流速， v=1m/s欢迎下载精品学习资源代入上式，S =12.5 10 3 欢迎下载精品学习资源就管径 dF物0.7850.00880.7850.11m 取总冷却管组数和管径欢迎下载精品学习资源无缝钢管 121x4 适用.设管径为d 0 ，组数为 n，就欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源如按通风管运算，压缩空气在0.4Mpa 下，S=n.0.785.d 2欢迎下载精品学习资源总0支气管气

22、速为20m/s，通风比 1:1.2.20 0 C ，欢迎下载精品学习资源0.1Mpa 下：依据本罐情形，取n=3，求管径，由上式得：欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源Q=32x1/1.2=25.8m 3 / min0.43m 3 / sS总12.5d010 30.0728m欢迎下载精品学习资源运算到 0.4Mpa， 30 0 C 状态下：0.785n30.785欢迎下载精品学习资源Qf0.430.1273300.11m3 / s取查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表，欢迎下载精品学习资源0.427320选取 834无缝管，d内=75mm，欢迎下载精品学习资源风速 v=20m/s ，就风管截面

23、积Ff 为：d内d0 ，满意要求，平均d平 =77mm.欢迎下载精品学习资源fFQfv0.11200.0055m2现取竖蛇管圈端部u 型弯管曲径为欢迎下载精品学习资源气fF0.785d2，就气管直径d气 为：250mm ，就两直管距离为500mm ，两端弯管总长度欢迎下载精品学习资源d0.0055气0.7850.083ml 0 l 0D3 . 145001570（ mm ）欢迎下载精品学习资源取 d=95x4 无缝管，就满意工艺要求.由此可知：冷却管总长度 L 运算有前知冷却管总面积F=25 现取无缝钢管834，每 M 长冷却面积为欢迎下载精品学习资源就进料口：d=121x4 封头排料口：d=

24、121x4 罐底进气口：d=95x4封头F03.140.0771F250.24m 2欢迎下载精品学习资源排气口：d=95x4罐底 椭圆人孔：300x400mm封头就 LF00.24104.2m欢迎下载精品学习资源5.2 蛇管地运算冷却管总面积L实际L4 =104.2+4=108.2m欢迎下载精品学习资源冬季最高峰时w=45t/h=12.5Kg/s ，冷却水体积流量为 12.5Kg/s ，取冷却水在竖直蛇管中冷却管占有体积V=0.785 0.073 2 104.2=0.44m3欢迎下载精品学习资源流速 1m/s，依据流体力学方程式，冷却管总每组管长L 0 和管组高度欢迎下载精品学习资源截面积S总

25、S总为：wLL104.30n334.8m欢迎下载精品学习资源v式中：两端弯管总长L 0 =1570mm ，两端弯管总高欢迎下载精品学习资源W：冷却水体积流量， w=12.5 103m3/s为 500mm，就直管部分高度： h=H- 500=3400-500=2900 （ mm ），就一圈管长欢迎下载精品学习资源l2hl 02290015707370mm型支座三种 .立式支座也分为三种即：悬挂支座，支撑式和裙式支座.欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源每组管子圈数 n0n0L 034.85圈L7.37对于 75m 3 以上地发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座.本设计3欢迎下载精品学习

26、资源现取管间距V= 50m 选用支撑式支座 .欢迎下载精品学习资源2.5D 外2.50.0770.19 m，竖直蛇管6 参考文献【1】郑裕国 .生物工厂设备 M 北京 .化学工欢迎下载精品学习资源与罐壁地最小距离为0.15m，就可运算出与搅拌器地距离在答应范畴内（不小于200mm） .校核布置后冷却管地实际传热面积业出版社， 2007【2】吴思芳 .发酵工厂工艺设计概论 M 北京.轻工业出版社， 2006【3】梁世忠 .生物工程设备2021,7欢迎下载精品学习资源F实nd平均 L实0.079108.227m2【 4 】曲文海，朱有庭化工设备设计手册M.2005,6欢迎下载精品学习资源而前有 F

27、=25.7 ，F实 F，可满意要求 .【5】陈乙崇等搅拌设备设 M.1988,1欢迎下载精品学习资源5.3 支座挑选发酵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，鞍设计结果汇总工程工艺尺寸工程大小欢迎下载精品学习资源n发酵罐公称体积V50 m3实际装液量31 m3欢迎下载精品学习资源罐径 D3100mm罐压 P0.4MP罐高 H6000mm通气量 Q270 m3 / min欢迎下载精品学习资源封头短半轴 h a770mm通风时搅拌抽功率（Pg ）136.4kW欢迎下载精品学习资源涡轮搅拌器直径 D i1030mm不通气时轴功率（P0 ）138.9kW欢迎下载精品学习资源发酵罐壁厚 S 19.8mm搅拌转速 N 2170r/min欢迎下载精品学习资源封头壁厚 S 210.7mm夏季冷却水用量W45t/h人孔冷却管总长300X400mm1082000mm冬季冷却水用量冷却器面积 FW14t/h 25 m2蛇管直管高度2900mm蛇管弯管高度500mm进/ 出料口 121x4mm进/ 出气口 95x4mm蛇管直径 83 4mm搅拌器挡板宽100mm搅拌器挡板长200mm欢迎下载