25M3机械搅拌通风发酵罐的设计依据

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生物反应器之发酵罐

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的、综合性的实践教学环节，要求我们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，对培养我们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，对我们进行一次生化过程发酵设备设计的基本训练，使我们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。

设计方案的拟定

我们设计的是一台25M3机械搅拌通风发酵罐 ,发酵生产味精。

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：

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)、反应器用途

用于味精生产的各级种子罐或发酵罐，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.℃

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

(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，人孔和其它的一些附件组成。

这次设计就是要对25M3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	味精
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

25m³机械搅拌发酵罐的设计

工艺设计及计算：

(1) 生产能力、数量和容积的确定

①发酵罐容积 V=25m³

②生产能力计算：现每天产99%纯度的味精2t ，谷氨酸发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)，则每天需糖化液体积为V 。每天产纯度为99%的味精2t，每吨100%的味精需糖液15.66m³。

V =15.66×2×99%=31m³

设发酵罐填充系数φ=70%，则每天需要发酵罐的总容积为V (发酵周期为48h)

V = V /φ=31/0.7=44.3m³

③发酵罐个数的确定：计算发酵罐容积时有几个名称需明确。

a、 装液高度系数，指圆筒部分高度系数，封底则与冷却管、辅助设备体积相抵消。

b、公称容积，指罐的圆柱部分和底封头容积之和，并圆整为整数。

c、罐的全容积，指罐的圆柱部分和两封头容积之和。

本次设计所需发酵罐个数为：N= =3.5个

取圆整得：N=4个

实际产量验算： =677.42t/a

富裕量： =12.9% 能满足产量要求。

(2) 主要尺寸计算

发酵罐全体积为V =25m³

椭圆形封头体积：V = 式中： -椭圆封头的直边高度，m =0.05m

-椭圆封头短半轴长度， = 而，V = ≈ =25

将H/D=2代入上式得：D=2.4m，H=2D=4.8m

V = ≈2m³

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公称体积V = V -V =25-2=23m³

验算全容积 V ：

V =V +2 V = = ≈25.7

(3) 冷却面积的计算：为了保证发酵罐在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。

计算冷却面积使用牛顿传热定律公式，即：F= 发酵过程的热量计算有许多方法，但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际测得的每1m³发酵液在每1h传给冷却器的最大热量。对谷氨酸发酵：高峰期发酵热，3×10 KJ/h.m³

采用竖式蛇管换热器，取经验值 K=4.18×500KJ/(m³.h.℃)

平均温差△t ：△t = 32℃→32℃

20℃→26℃

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代入 △t = =8.656℃

对总容量为25m³的发酵罐，每罐实际装液量为V =31/2=15.5m³

Q =Q×15.5=3×10 KJ/h.m³×15.5m³

=4.65×10 KJ

换热面积：F= = =25.7㎡

(4) 搅拌器设计

机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质以及菌体特性

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选用。本次设计，由于谷氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。

该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列出：

搅拌器叶径D =D/3=2.4/3=0.8m 取d=0.8m

叶宽 B=0.2 D =0.2×0.8=0.16m

弧长 l=0.375d=0.375×0.8=0.3m

底距 C=0.8D=0.8×2.4=1.9m

盘径 d =0.75×D =0.75×0.8=0.6m

叶弦长 L=0.25D=0.25×0.8=0.2m

叶距 S=D=2.4m

弯叶板厚 δ=12mm

取两档搅拌，搅拌转速N 可根据50m³罐，搅拌器直径1.05m，转速N =110r/min，以等P /V为基准放大求得：N = =132(r/min)

(5) 搅拌轴功率的计算

通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多种方法，现用修正的迈凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。

淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体，计算步骤如下：

① 计算R

R = 式中 D—搅拌器直径，D=0.8m

N---搅拌器转速，N=132r/h

ρ---醪液密度，ρ=1080Kg/m³

μ—醪液粘度，μ=2.0×10 N.S/㎡

将数代入上式：R = =4.56×10 >10 视为湍流

② 计算不通气时的搅拌轴功率P ：

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式中 N ——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7

N ——搅拌转速，N=132r/h

D=0.8m，ρ=1080Kg/m³

代入上式，得： = 17.7Kw

两档搅拌：P =2 =35.42Kw

③ 计算通风时的轴功率 (Kw)

式中， P ——不通风时轴功率(Kw)，P =35.42Kw

Q—— 通风量(ml/min)，取通风比为0.2，则

Q=0.2×15.5×10 =3.1×10 ml/min

Q =3.306

代入上式，得 = =25.8Kw

④ 求电机功率P ：

P = 采用三角带传动η =0.92，滚动轴承η =0.99，滚动轴承η =0.98，端面密封增加的功率为1%，代入公式得

P = = =29.2Kw

查手册选取合适的电机。

(6)i求最高热负荷下的耗水量W

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W= 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：Q =Q×15.5=3×10 KJ/h.m³×15.5㎡=4.65×10 KJ

——冷却水的比热容，4.18KJ/(Kg.K)

——冷却水终温，26℃

——冷却水初温，20℃

将各值代入上式，

W= = 冷却水体积流量为5.15Kg/s，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积 为：

式中，w——冷却水体积流量，w=5.15×10 m³/s

V——冷却水流速，v=1m/s

代入上式， =5.15×10 ㎡

ii 冷却管组数和管径：设管径为 ，组数为n，则

=n.0.785.d 根据本罐情况，取n=3，求管径，由上式得：

查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表，选取Ф51×2.0无缝管， =47mm， ，满足要求， =49mm

现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度 9

iii冷却管总长度L计算：有前知冷却管总面积F=25.7㎡

现取无缝钢管Ф51×2.0，每米长冷却面积为 则L= =172m

冷却管占有体积V=0.785×0.051 ×172=0.35m³

iv 每组管长 和管组高度：

另需连接管4m： =L+4=176m

可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头。

设发酵罐内附件占有体积为0.5m³，则：

竖直蛇管总高 ≈3.4m

又两端弯管总长 =1570mm，两端弯管总高为500mm，

则直管部分高度：h=H-500=3400-500=2900(mm)

则一圈管长 V 每组管子圈数 ：

现取管间距为2.5 ，竖直蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内(不小于200mm)

Vi 校核布置后冷却管的实际传热面积：

而前有F=25.7㎡， >F， 可满足要求。

(7) 设备材料的选择

设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，供制造加工和采购时取得资料依据。其内容包括：

① 空气分布器：对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即：多孔式和单管式。对通风量较小的设备，应加环型或直管型空气分布器;而对通气量大的发酵罐，则使用单管通风，由于进风速度高，又有涡轮板阻挡，叶轮打碎、溶氧是没有问

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题的。本罐使用单管进风，风管直径计算见接管设计。

② 挡板：挡板的作用是加强搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合与溶氧效果。如管内有相当于挡板作用的竖式冷却蛇管，扶梯等也可不设挡板。为减少泡沫，可将挡板上沿略低于正常液面，利用搅拌在液面上形成的涡旋消泡。本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。

③ 密封方式：随着技术的进步，机械密封已在发酵行业普遍采用，本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与管的动静问题。

④ 冷却管布置：对于容积小于5m³的发酵罐，为了便于清洗，多使用夹套冷却装置。随着发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套形成的冷却面积已无法满足生产需求，于是使用管式冷却装置。蛇管因易沉积污垢且不易清洗而不采用;列管式冷却装置虽然冷却效果好，但耗水量过多，因此广泛使用的是竖直蛇管冷却装置。在环境温度较高的地区，为了进一步增加冷却效果，也有利用罐皮冷却的。

⑤ 设一快开式人孔，Ф56cm，O形圈密封。

(8) 发酵罐壁厚的计算

① 计算法确定发酵罐的壁厚S

式中，P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4Mpa

D——发酵罐内径，D=400cm

【σ】——A3钢的许用应力，【σ】=127Mpa

φ焊缝系数，取φ=0.7

C——壁厚附加量，C= ——钢板负偏差，取 ——为腐蚀欲量，取 =2mm

——加工减薄量，取 =0，代入上式得

C= =0.8+2+0=2.8mm=0.28cm

选用8mm厚A3钢板制作，查附录表17知，直径2.4m，厚8mm，筒高4.8m，每米高重356Kg， =356×4.8=1708.8Kg

② 封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下：

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式中，P=0.4Mpa，D=240cm，【σ】=127Mpa， =0.08cm， =0.2cm， =0.1cm

C= =0.38cm， =0.7

代入上式，得 查钢材手册圆整为 =9.5mm

(9) 接管设计

① 接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm

② 接管直径的确定：主要根据流体力学方程式计算。已知物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求出管道截面积，计算出直径。计算出的直径再休整到相近的钢管尺寸即可。

通风管的管径计算：该罐实装醪量15.5 ，设0.5h内排空，则物料体积流量 发酵醪流速取V=1m/s

则排料管截面积为 ，则管径 取无缝钢管Ф108x4 适用

若按通风管计算，压缩空气在0.4Mpa下，支气管气速为20m/s

通风比 0.2wm

20 ，0.1Mpa下，Q=15.5x0.2=3.1 计算到0.4Mpa，30 状态下，

取风速v=20m/s，则风管截面积 为：

，则气管直径 为：

因通风管也是排料管，故取两者的大值，取d=108x4无缝管，则满足工艺要求。

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排料时间复核：物料流量Q=0.0086 ，流速v=1m/s，

管道截面积F= 在相同流速下，流过物料因管径较原来计算结果小，

则相应流速比为 倍，

排料时间t=0.5x1.09=0.55h

(10)支座选择：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。

对于 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