發(fā)酵罐設(shè)計(jì)修改 2

1、 103m ³氣升循環(huán)式 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)書院 系:生命工程與食品工程學(xué)院班 級(jí):生工 10級(jí) 4班組 別:第 10組小組成員:熊君燕、蔡陳、裴昊寧、徐安全、羅偉2013.5目 錄一 、緒論 . . - 1 -1.氣升式發(fā)酵罐概況 . . - 1 -2. 氣升式發(fā)酵罐的類型及原理 . . - 1 -3. 氣升式發(fā)酵罐特點(diǎn) . . - 3 -4. 氣升式發(fā)酵罐的應(yīng)用 . . - 4 - 二 、設(shè)計(jì)概況 . . - 5 -1. 發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)的目的 . . - 5 -2. 發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)步驟 . . - 5 -3. 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的繪制 . . - 5 -4. 主體設(shè)備工藝條件圖 .

2、 . - 6 - 三 、氣升循環(huán)式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 . - 6 -1. 課程設(shè)計(jì)題目 . . - 6 -2. 氣升循環(huán)式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要求 . . - 6 -3. 設(shè)計(jì)基本依據(jù) . . - 7 -4. 課程設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié) . . - 7 - 四 、反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì) . . - 7 -1. 液體噴射循環(huán)反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)參數(shù) . . - 7 -2. 液體噴射循環(huán)反應(yīng)器的循環(huán)阻力 . . - 10 -3. 驅(qū)動(dòng)循環(huán)的功率和效率 . . - 10 - 五 、設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算 . - 10 -1. 發(fā)酵罐直徑 . . - 10 -2.發(fā)酵罐總高 . . - 11 -3.發(fā)酵罐的材料 . . - 11

3、 -4.橢圓封頭的設(shè)計(jì) . . - 11 -5.圓柱筒體的設(shè)計(jì) . . - 14 - 六 、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)選型 . - 16 -1. 正壓保護(hù)閥 . . - 16 -2. 真空閥 . . - 16 -3.CIP 清洗裝置 . - 16 -4. 溫度傳感器 . . - 16 -5. 液位高度傳感器 . . - 16 -6. 壓力傳感器 . . - 16 -7. 最低液位和最高液位探頭 . . - 16 -8. 人孔 . - 17 -9. 視鏡 . - 17 - 10. 洗滌液接管 . . - 17 - 11.CO 2回收壓縮空氣接管 . - 17 - 12. 冷卻劑進(jìn)出接管 . . - 17 -

4、13. 出料管 . . - 17 - 14. 支座 . . - 17 -15. 上升管高度eH 及提升高度 ' h . - 18 - 16. 噴嘴直徑 . . - 18 - 七 、熱量衡算 . . - 18 -1. 冷卻面積的確定 . . - 19 -2. 冷卻水耗量的計(jì)算 . . - 19 -八 、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) . . - 20 -九 、設(shè)計(jì)總結(jié) . . - 20 - 參考文獻(xiàn) . - 21 -一、緒論:1.氣升式發(fā)酵罐概況生化反應(yīng)過程大都是需氧過程,通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備是需氧生化反應(yīng)設(shè)備的核心和基 礎(chǔ)。雖然目前應(yīng)用最廣泛的通風(fēng)發(fā)酵罐是機(jī)械攪拌式的,但這種類型的發(fā)酵罐功率 消耗大,加工困難,投資

5、高,維修麻煩,軸封易泄漏,易染菌,攪拌剪切力大,大 型化后混合不均勻,傳質(zhì)效率下降,因而難于超大型化。因此,非機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展,特別是氣升式發(fā)酵罐。氣升式發(fā)酵罐是 20世紀(jì) 70年代開始發(fā)展應(yīng)用的一種新型生物反應(yīng)器。因?yàn)闊o(wú) 機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu),所以最大限度地減少了染菌率;同時(shí)因?yàn)闆]有了機(jī)械剪切力,對(duì)長(zhǎng) 菌絲的各種真菌尤為適宜;由于氣體提升,充分的氣液混合使氧氣的傳遞利用極大 提高,特別適合高黏度培養(yǎng)基和對(duì)于溶氧要求高的產(chǎn)品。影響氣升式發(fā)酵罐性能的三個(gè)主要結(jié)構(gòu)即循環(huán)管長(zhǎng)度、循環(huán)管與罐身截面構(gòu)成 的環(huán)隙面積比和空氣分布器都影響反應(yīng)器的性能,并隨風(fēng)量的增加而愈顯示其重要 性。這就提

6、示我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)不但要對(duì)上述單個(gè)因素及其相互協(xié)調(diào)進(jìn)行研究,才能設(shè) 計(jì)出效率更高、更適用的氣升式生物反應(yīng)器,以滿足生化工程和發(fā)酵工業(yè)不斷發(fā)展 的需要。2. 氣升式發(fā)酵罐的類型及原理1帶升式發(fā)酵罐帶升式發(fā)酵罐的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,冷卻面積小;不需要交半設(shè)備,節(jié)省動(dòng)力 月 50%;裝料系數(shù)達(dá) 80%90%;維修操作及清洗簡(jiǎn)便,減少雜菌污染。帶升式發(fā)酵罐的工作原理:其主要工作原理是在管外裝置上升罐,上升罐兩端 與罐底及上部相連接,構(gòu)成一個(gè)循環(huán)體系。在上升管的下部裝置空氣噴嘴,空氣以 250300m/s的高速噴入上升管,使空氣分割細(xì)碎,與上升罐的發(fā)酵液密切接觸。由 于上升罐內(nèi)部發(fā)酵液密度相對(duì)較小,加上壓縮空

7、氣的功能,使液體上升,罐內(nèi)液體 下降進(jìn)入上升管,形成反復(fù)循環(huán),有內(nèi)循環(huán)(圖 1中 a 和外循環(huán)(圖 1中 b 兩種。 2氣升及外循環(huán)發(fā)酵罐其原理是:空氣從罐底內(nèi)進(jìn)入,利用氣體分布器使空氣分散與液體充分混合上 升,經(jīng)帶升官回流返回罐的底部,下部的發(fā)酵液經(jīng)循環(huán)泵熱交換器送至灌頂?shù)膰娏芷鲊娏芷髌鹣葑饔?。這種罐適用于石蠟為原料的發(fā)酵。罐內(nèi)壓力可維持 500kPa 。 樣的傳遞系數(shù)較高,可用于高濃度培養(yǎng),菌體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 6%以上。 圖 1 帶升式發(fā)酵罐1人孔; 2視鏡; 3空氣管; 4上升管;5冷卻器; 6單向閥門; 7空氣噴嘴;8帶升管; 9罐體 ;3氣升環(huán)流發(fā)酵罐氣升環(huán)流發(fā)酵罐的形式較多,常用的

8、有高位發(fā)酵罐、低位發(fā)酵罐及壓力發(fā)酵罐 幾種。罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于放大,罐的高度增大可以提高樣的傳遞系數(shù)增大對(duì)流體 的驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)力的調(diào)節(jié)是通過氣體的流量控制的。具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐,通氣管與罐底的距離是通氣管直徑的 0.51.5倍 氣體經(jīng)多空管送入罐內(nèi),多空板之下是氣液分離帶,此處回流培養(yǎng)液的 泡氣率降至 10%以下。 從罐底引出培養(yǎng)液, 用離心泵送到熱交換器后從上部回流入罐 內(nèi)。Franckowaik 氣升環(huán)流發(fā)酵罐, 在發(fā)酵罐內(nèi)裝有多個(gè)圓筒, 部分作為冷卻管, 部 分作為通氣管。通氣管底部設(shè)多孔板使進(jìn)入的空氣分散;培養(yǎng)液沿通氣管上升,在 管外空間下降。罐的高徑比比較小,可節(jié)省空氣

9、的壓縮動(dòng)力。上升管與下降管總截面積之比為 0.52,最好在 0.81.2范圍。對(duì)于培養(yǎng)植物或動(dòng)物細(xì)胞,要求沒有高度的剪切力,防止對(duì)細(xì)胞傷害,設(shè)備對(duì) 培養(yǎng)基應(yīng)能充分?jǐn)噭?dòng)均勻分散。細(xì)胞培養(yǎng)多采用氣升環(huán)流式。氣體從轉(zhuǎn)軸通入,由 底部的環(huán)形吹泡管噴出,向上與培養(yǎng)液均勻接觸后由上部排出。氣流的氣泡與培養(yǎng) 基充分混合,有旋轉(zhuǎn)地推進(jìn)口排出,向下流動(dòng)至下部,被旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器吸入后排出, 形成環(huán)流。設(shè)備對(duì)供氣、氧、氮、二氧化碳均能控制。設(shè)備特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速高溶氧。 (4塔式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐又稱空氣攪拌高位發(fā)酵罐,此類發(fā)酵罐的用途較多,已獲得推廣使 用。發(fā)酵罐特點(diǎn)是:罐身高。中國(guó)土霉素等生產(chǎn)用的設(shè)備,高徑比約為 7,罐

10、內(nèi)裝有 導(dǎo)流筒。 由于液位高,空氣利用率高, 節(jié)省空氣約 50%, 節(jié)省動(dòng)力約 30%; 設(shè)備簡(jiǎn)單, 不用電機(jī)攪拌,但底部有沉淀物,溫度高時(shí)較難降溫。塔式發(fā)酵罐適用于多級(jí)連續(xù)發(fā)酵。有的多級(jí)連續(xù)發(fā)酵器具有 10多層篩板,用于 微生物產(chǎn)水楊酸的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)金霉素發(fā)酵進(jìn)行錯(cuò)流多級(jí)半連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn), 定期以新培養(yǎng)基置換發(fā)酵液,并補(bǔ)充新的種子培養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為可防止菌絲的 衰老和野生菌的產(chǎn)生,連續(xù)發(fā)酵 800h 后,效價(jià)仍能穩(wěn)定在一定水品。3. 氣升式發(fā)酵罐特點(diǎn)氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,節(jié)省動(dòng)力,操作維修方便,雜菌污染機(jī)會(huì)少,裝料系 數(shù)高(80%90% , 氧的傳質(zhì)系數(shù)高,可用于高濃度培養(yǎng)。例如,噴射

11、式環(huán)流發(fā)酵罐 與機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐在同樣的能耗下,樣的傳遞速度高得多。其具體特點(diǎn)如下: (1反應(yīng)溶液分布均勻:氣液固三相的均勻混合與溶液成分的混合分散良好是 生物反應(yīng)器的普遍要求,因其流動(dòng)混合與停留時(shí)間分布均受到影響。對(duì)許多間歇或 連續(xù)加料的通氣發(fā)酵,基質(zhì)和溶氧盡可能均勻分散,以保證其基質(zhì)在發(fā)酵罐內(nèi)各處 的濃度都落在 0.1%1%范圍內(nèi),溶氧為 10%30%。這對(duì)需氧生物細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成 有利。此外還需要避免發(fā)酵罐液面生成穩(wěn)定的泡沫層,以免生物細(xì)胞聚集與上而受 損害甚至死亡。還有培養(yǎng)基成分尤其是有淀粉類易沉降的顆粒物料,更應(yīng)能懸浮分 散。氣升環(huán)流反應(yīng)器能很好的滿足這些要求。(2較高的溶氧速率和

12、溶氧效率:氣升式反應(yīng)器有較高的氣含率和比氣液接觸 介面,因而有高傳質(zhì)速率和溶氧效率,體積溶氧效率通常比機(jī)械攪拌罐高, kLa可達(dá)2000h -1,且溶氧功耗相對(duì)較低。(3剪切力小,對(duì)生物細(xì)胞損傷小:由于氣升式反應(yīng)器沒有機(jī)械攪拌葉輪,故 對(duì)細(xì)胞的剪切損傷可減至最低,尤其適合植物細(xì)胞和組織培養(yǎng)。(4傳熱良好:好氣發(fā)酵罐產(chǎn)生大量發(fā)酵熱,如酵母培養(yǎng)旺盛是發(fā)酵液高達(dá) 3.04.8×105kJ/(m3.h, 而傳熱溫差則只有幾度(尤其夏季,若使用非冷凍水, 則只要 310左右,股需要很大換熱面積與傳熱系數(shù)。氣升式生物反應(yīng)器因液體綜 合循環(huán)效率高,同時(shí)便于在外循環(huán)管路上加裝換熱器,以保證除去發(fā)酵熱

13、控制適宜 的發(fā)酵溫度,即所謂的具有外循環(huán)冷卻的氣升式發(fā)酵罐。(5結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工制造:氣升式反應(yīng)罐內(nèi)無(wú)機(jī)械攪拌器,故不需安裝結(jié) 構(gòu)復(fù)雜的攪拌系統(tǒng),密封也容易保證,故加工制造方便,設(shè)備投資低。故發(fā)大設(shè)計(jì) 制造大型和超大型發(fā)酵反應(yīng)器也已實(shí)現(xiàn)。(6 操作和維修方便:因氣升式發(fā)酵罐無(wú)機(jī)械攪拌系統(tǒng), 故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 能耗低, 操作方便,特別是不易發(fā)生機(jī)械攪拌軸封容易出現(xiàn)滲漏染菌問題;另外因無(wú)機(jī)械攪 拌產(chǎn)熱,故發(fā)酵總熱量較低,便于熱冷卻系統(tǒng)的裝設(shè)。此外,氣升式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)技術(shù)已成熟,易于放大放大設(shè)計(jì)和模擬。4. 氣升式發(fā)酵罐的應(yīng)用氣升式反應(yīng)器在單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)和污水處理中用得最多,也廣泛用于植物細(xì) 胞和動(dòng)物

14、細(xì)胞的培養(yǎng),也有用于其他微生物發(fā)酵的。用于污水處理的氣升式豎井循 環(huán)反應(yīng)器已有 100m 到 300m 深的規(guī)模。這類反應(yīng)器實(shí)際上是外循環(huán)反應(yīng)器,一個(gè)豎 井作為上升管,另一個(gè)豎井作為下降管,由于裝液很深,在上升管底部通氣促使循 環(huán)能耗太大,因此希望在下降豎井內(nèi)用噴嘴向下噴入氣液混合物以維持循環(huán),但此 動(dòng)力不足以啟動(dòng)循環(huán),因此在開車時(shí),先由上升管通氣,進(jìn)入循環(huán)后在慢慢轉(zhuǎn)換成 下降管的通氣,理想狀況是達(dá)到穩(wěn)定操作時(shí)只需向降液豎井通氣。內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器以用于酒精發(fā)酵中。壓縮的 CO2從底部鼓泡進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi), 在反應(yīng)器頂和揮發(fā)的乙醇一起排出。混合氣經(jīng)壓縮冷凝,乙醇?xì)怏w在高壓冷凝下與CO 2 分離,變

15、成液體排出冷凝系統(tǒng)后收集,以減少產(chǎn)物抑制,高壓 CO2返回反應(yīng)器入口。在下降管內(nèi),沉降下來(lái)的細(xì)胞被收集返回上升管,保持高細(xì)胞密度,以提高反 應(yīng)器發(fā)酵速率。用通常的發(fā)酵罐,產(chǎn)物流中的已醇含量約為 14%(體積分?jǐn)?shù) ,用而這樣的反應(yīng)器,包括冷凝收集的乙醇,總出口乙醇含量可達(dá)到 20%。Koning 和 Schugerl 曾將氣升式反應(yīng)器用于青霉素的發(fā)酵, 實(shí)驗(yàn)規(guī)模為:反應(yīng)器 的通氣管高 280cm ,直徑 20cm ,外循環(huán)管 5cm, 。菌體以顆粒狀存在,在非優(yōu)化的條 件下, 由于菌密度降低, 青霉素的絕對(duì)產(chǎn)量降低 35%, 但是單位功率產(chǎn)生的青霉素產(chǎn) 量大大提高,放罐時(shí)發(fā)酵液易于分離,因此認(rèn)為

16、用氣升式反應(yīng)器是一種更經(jīng)濟(jì)的生 產(chǎn)青霉素的方法。氣升式生物反應(yīng)器不適合用于表面活性劑的生產(chǎn),因?yàn)闅馍椒磻?yīng)器的剪切力 不足以更新表面活性劑微囊的表面。也不適合高粘度的非牛頓型流體反應(yīng)體系。二、設(shè)計(jì)概況:1. 發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè),在設(shè)計(jì)中需要學(xué)生自己做出決策,即自己確定方 案,選擇流程,查取資料,進(jìn)行過程和設(shè)備計(jì)算,并要對(duì)自己的選擇做出論證和核 算,經(jīng)過反復(fù)的分析比較,擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以,課程設(shè)計(jì) 是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。通過課程設(shè)計(jì) , 學(xué)生應(yīng)該注重以下幾個(gè)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng):1查閱資料,選用公式和搜集數(shù)據(jù) (包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)

17、現(xiàn)場(chǎng)中搜 集 的能力;2樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性,又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性,并注意到操 作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想,在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解 決實(shí)際問題的能力;3迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力;4用簡(jiǎn)潔的文字,清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。2. 發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)步驟1確定設(shè)計(jì)任務(wù);2閱讀指導(dǎo)書和查閱資料;3設(shè)計(jì)計(jì)算,繪圖和編寫說(shuō)明書;3. 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖是一種示意性的圖樣 , 它以形象的圖形、符號(hào)、代號(hào)表示 出化工設(shè)備、管路、附件和儀表自控等,借以表達(dá)出一個(gè)生產(chǎn)中物料及能量的變化 始末。4. 主體設(shè)備工藝條件圖主體設(shè)備是指在每個(gè)單元操

18、作中處于核心地位的關(guān)鍵設(shè)備, 如傳熱中的換熱器, 蒸發(fā)中的蒸發(fā)器,蒸餾和吸收中的塔設(shè)備 (板式塔和填料塔 ,干燥中的干燥器等。 一般,主體設(shè)備在不同單元操作中是不同的,即使同一設(shè)備在不同單元操作中其作 用也不相同,如某一設(shè)備在某個(gè)單元操作中為主體設(shè)備,而在另一單元操作中就可 變?yōu)檩o助設(shè)備。例如,換熱器在傳熱中為主體設(shè)備,而在精餾或干燥操作中就變?yōu)?輔助設(shè)備。泵、壓縮機(jī)等也有類似情況。主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算結(jié)果用一張總圖表 示出來(lái)。圖面上應(yīng)包括如下內(nèi)容 :1設(shè)備圖形 指主要尺寸 (外形尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸、連接尺寸 、接管、人孔等;2技術(shù)特性 指裝置的用途、生產(chǎn)能力、最大

19、允許壓強(qiáng)、最高介質(zhì)溫度、介 質(zhì)的毒性和爆炸危險(xiǎn)性;3設(shè)備組成一覽表 注明組成設(shè)備的各部件的名稱等。應(yīng)予以指出,以上設(shè)計(jì)全過程統(tǒng)稱為設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)。完整的設(shè)備設(shè)計(jì),應(yīng)在 上述工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì),最后提供可供加工制造的施工圖。這一 環(huán)節(jié)在高等院校的教學(xué)中,屬于化工機(jī)械專業(yè)中的專業(yè)課程,在設(shè)計(jì)部門則屬于機(jī) 械設(shè)計(jì)組的職責(zé)。三、氣升循環(huán)式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 課程設(shè)計(jì)題目以葡萄糖發(fā)酵酒精為例, 設(shè)計(jì)一個(gè)容積為 1000m 3內(nèi)循環(huán)氣升式生物酒精發(fā)酵罐。 (通氣為 CO22. 氣升循環(huán)式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要求1工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算·反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)·設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算

20、3;輔助設(shè)備設(shè)計(jì)選型·根據(jù)熱量衡算,計(jì)算冷卻面積和冷卻水耗量。2設(shè)計(jì)說(shuō)明書的編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)包括設(shè)計(jì)任務(wù)書,目錄、前言、設(shè)計(jì)方案論述,工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算, 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總、符號(hào)說(shuō)明,設(shè)計(jì)結(jié)果的自我總結(jié)評(píng)價(jià)和參考資料等。3繪制設(shè)備圖一張?jiān)O(shè)備圖繪制,應(yīng)標(biāo)明設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)與尺寸。3. 設(shè)計(jì)基本依據(jù)1葡萄糖的濃度為 20%,發(fā)酵液密度 331.210/kg m =.2反應(yīng)器高徑比:83循環(huán)比:34 20°C 下 葡萄 糖的 運(yùn) 動(dòng) 粘度 621.60510/m m s =. 噴 嘴處 的 運(yùn) 動(dòng)粘 度6210.90510/m s =.5設(shè)計(jì)壓力:0.176Mpa6設(shè)計(jì)溫度:187許用應(yīng)力

21、:137Mpa4. 課程設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)1設(shè)計(jì)動(dòng)員、發(fā)題。2閱讀設(shè)計(jì)指導(dǎo)書,查閱資料,擬定設(shè)計(jì)程序和進(jìn)度計(jì)劃。3調(diào)查,收集有關(guān)數(shù)據(jù),了解設(shè)備制造,安裝和操作的有關(guān)知識(shí),奠定設(shè)計(jì)感 性基礎(chǔ)。4設(shè)計(jì)計(jì)算,繪圖和編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書。5繪制生物反應(yīng)器裝配圖 (3號(hào)圖紙 :297*420。四、反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為氣液混合式噴嘴循環(huán)反應(yīng)器,基本參數(shù)有以下幾種。1. 液體噴射循環(huán)反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)參數(shù)一般狀況下葡萄糖的濃度為 20%,則此發(fā)酵液密度 331.210/kg m =, 裝填系 數(shù)為 0.8。 反應(yīng)液的體積為 V R =1000×0.8=800 m³取反應(yīng)器高徑比 8tHs D

22、 = 則 223222t R t t t D V H D D D = ,帶入 R V , 求得反應(yīng)器直徑 D t 與發(fā)酵液高 H :D t =5.0m , H=40.0m 反應(yīng)液質(zhì)量 RM 氣升式反應(yīng)器液體在循環(huán)管內(nèi)的流速一般為 1.2-1.4m/s, 在這里我們?nèi)∫?體在循環(huán)管內(nèi)的流速 =1.3m/s。取導(dǎo)流管(內(nèi)筒直徑 D r 與反應(yīng)器直徑 D t 之比:/0.85r t D D =, 則 Dt =5.0m Dr =4.25m 管內(nèi)平均質(zhì)量流率為 2M 循環(huán)比 3112121/( /1/3M M M M M M M =+=+=.則發(fā)酵液進(jìn)出口質(zhì)量流率 M 1=4錯(cuò)誤!未找到引用源。 107

23、kg/h,噴嘴直徑 D=0.8m.而 所以 帶入 D=0.8m, v=17.35m/s,即噴嘴中流體流速為 17.35m/s. 平均循環(huán)速度 mu 循環(huán)空速 平均循環(huán)時(shí)間 平均停留時(shí)間 平均噴嘴出口液體流速 噴嘴雷諾數(shù)已知 20°C 下葡萄糖的運(yùn)動(dòng)粘度 621.60510/m m s =. 噴嘴處的運(yùn)動(dòng)粘度 6210.90510/m s =. 則噴嘴處雷諾數(shù) 1e R 平均循環(huán)雷諾數(shù) Re1 雷諾數(shù)之比 2. 液體噴射循環(huán)反應(yīng)器的循環(huán)阻力阻力數(shù):22uu m mp u =,其中 u p 是液體循環(huán)所引起的阻力。 3. 驅(qū)動(dòng)循環(huán)的功率和效率 滿足條件 L p 必須大于 u p ,則產(chǎn)生

24、循環(huán)的效率為五、設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算1.發(fā)酵罐直徑根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果,發(fā)酵罐的直徑為 Dt=5.0m 。 2.發(fā)酵罐總高封頭及氣液分離區(qū)總高高取 h=5.0m,則發(fā)酵罐總高為:H 總 =H+h=40.0+5=45.0m3.發(fā)酵罐的材料發(fā)酵罐置于露天環(huán)境,要進(jìn)行良好的保溫,以降低生產(chǎn)中的耗冷量,所用保溫 材料要求熱導(dǎo)率低,密度小,吸水率低,不易燃燒。聚苯乙烯泡沫塑料是最佳絕緣材料,但價(jià)格較高,聚苯胺樹脂價(jià)格較便宜,可 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡噴涂,施工方便,但易燃。兩種材料的保溫厚度為 15-20cm ,膨脹珍珠巖因 易吸水,保溫性能要差一些,但價(jià)格低廉,使用厚度為 20-25cm 為宜,結(jié)合本設(shè)計(jì) 實(shí)際情況,綜合

25、考慮選價(jià)格中等的聚酰胺樹脂作為保溫材料。保溫材料外部設(shè)防護(hù)層, 采用瓦楞型板材, 罐體采用型號(hào)為 0Cr18Ni9的不銹鋼。 4.橢圓封頭的設(shè)計(jì)常見的上封頭有球冠形封頭、半球形封頭、蝶形封頭、橢圓形封頭,由于橢圓 部分經(jīng)線曲率平滑連續(xù),故封頭中盈利分布計(jì)較均勻,另外橢圓形封頭深度較半球 形封頭小得多,易于沖壓成形,故本設(shè)計(jì)采用橢圓形封頭。1設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)壓力 Pc設(shè)計(jì)壓力是指發(fā)酵罐頂部的最高工作壓力,與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載 荷條件,其值不得低于工作壓力。本設(shè)計(jì)發(fā)酵罐上裝有安全閥,考慮到安全閥開啟 動(dòng)作的滯后,容器不能及時(shí)泄壓,設(shè)計(jì)壓力 P 不能低于安全閥的開啟壓力,通常設(shè) 計(jì)壓力為

26、安全閥開啟壓力的 1.05-1.1倍, 本設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)壓力為安全閥開啟壓力的 1.1倍。本設(shè)計(jì)采用一罐法發(fā)酵工藝發(fā)酵,在發(fā)酵過程中設(shè)計(jì)壓力 Pc=0.176MPa設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度是指容器在正常工作情況下,在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下,設(shè)定的受壓元件 的金屬溫度,它用于確定材料的許用應(yīng)力,考慮到發(fā)酵罐有保溫和保冷措施,及一 定的安全性。設(shè)計(jì)溫度取 18。許用應(yīng)力許用應(yīng)力是容器殼體、封頭等受壓元件的材料允許的最高強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)選用的 材料為不銹鋼 0Cr18Ni9型號(hào),查表知其許用應(yīng)力為 137Mpa 。焊接接頭系數(shù)通過焊接制成的容器,其焊縫的強(qiáng)度比較薄弱,為了補(bǔ)償焊接時(shí)可能出現(xiàn)的焊 接缺陷對(duì)容器強(qiáng)度的影響,

27、引入了焊接接頭系數(shù) ,它反映了由于焊接連接時(shí)材料 強(qiáng)度的削弱程度,本設(shè)計(jì)采用焊接方式為雙面角焊接,全部無(wú)損探傷,故焊接系數(shù) 為 1。厚度附加量按公式計(jì)算得到的容器厚度,不僅要滿足強(qiáng)度和剛度要求,而且還要根據(jù)實(shí)際 情況加入一定的厚度附加量 C 。C=C 1 +C 2式中 C 1 厚度負(fù)偏差, C2腐蝕裕量本設(shè)計(jì)取 C 1 =0.3mm, C2=1mm,故 C=1.3mm。2 橢圓封頭厚度的計(jì)算ct i c P D P 5. 02K -= 式中: 計(jì)算厚度K 形狀系數(shù),此處選標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,故為 1。t 設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,又由材料 0Cr18Ni9查表得t =137MPa。焊接接頭系數(shù),

28、=1.所以 設(shè)計(jì)厚度 d =+C=4.05+1.3=5.35mm,圓整至 6mm 。即名義厚度 n =6mm。又 由 于 標(biāo) 準(zhǔn) 橢 圓 形 封 頭 的 厚 度 不 小 于 0.15%Di , 0.15%Di=7000×0.15%=10.5mm>n =6mm, (注:為簡(jiǎn)化計(jì)算,取加工減薄量為 0故取厚度為 10.5mm ,圓整至 11mm 。3 橢圓封頭強(qiáng)度校核壓力校核最大允許工作壓力:P w =ei e t 5. 0D K 2+ 式中 e 封頭的有效厚度e =n -C=11-1.3=9.7mm,故 0.38 Mpa >Pc =0.176Mpa(設(shè)計(jì)壓力 , 故壓力校核

29、符合要求。應(yīng)力校核 :e e i 2D P += ( 式中 P 試驗(yàn)壓力,本處取最大工作壓力 P w 試驗(yàn)壓力下的許用應(yīng)力所以 115.62Mpa<t =137Mpa故應(yīng)力校核符合要求5.圓柱筒體的設(shè)計(jì)1 筒體厚度的計(jì)算c t i c P 2D P -= P c 筒體的計(jì)算壓力,本處取計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力筒體的計(jì)算厚度設(shè) D i /2hi 為標(biāo)準(zhǔn)封頭,所以 hi=7000/4=1750 mm=1.75 m則 h=H-hi=40-1.75=38.25 m發(fā)酵液產(chǎn)生的最大壓強(qiáng) P=gh=1200×9.8×38.25=0.45 Mpa則筒體設(shè)計(jì)壓力 P=1.1×(

30、0.45+0.176=0.69 MPa又 t =137Mpa, =1 設(shè)計(jì)厚度 d =+C 1+C 2=13.6+0.3+1=14.9 圓整至 15mm2 筒體強(qiáng)度校核壓力校核最大工作壓力: 應(yīng)力校核 則厚度選擇 15mm 符合要求六、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)選型1. 正壓保護(hù)閥發(fā)酵罐內(nèi)壓力升高時(shí),會(huì)發(fā)生危險(xiǎn),因此,必須安裝正壓保護(hù)閥。空罐的壓力 變化特別明顯,罐容越大,危險(xiǎn)性越大。正壓保護(hù)閥安裝在錐形罐的頂部。2. 真空閥大罐對(duì)真空很敏感,較小的負(fù)壓就會(huì)導(dǎo)致其外形的改變,負(fù)壓造成的危險(xiǎn)遠(yuǎn)比 大罐超壓要大,即使溫度只有很小的變化,也會(huì)造成較大的氣體體積的變化。 3.CIP 清洗裝置發(fā)酵完畢后,通常要對(duì)罐進(jìn)

31、行清洗,沖洗噴頭與罐頂裝置相連接,保證灌頂和 罐體都能很好地被清洗,大罐清洗裝置有下列三種:固定式洗球,旋轉(zhuǎn)式洗球和旋 轉(zhuǎn)式噴射洗球。本設(shè)計(jì)采用最后一種。4. 溫度傳感器在主發(fā)酵過程中,需要進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度控制和精確的溫度測(cè)量,由于在這期間 內(nèi)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的對(duì)流,形成溫差,因此,需要在罐的上部 1/3處分別安裝溫度傳感 器,并連接計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。5. 液位高度傳感器罐內(nèi)液位的檢查很重要,通過壓差變送器,可將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為液位高度,通 過計(jì)算機(jī)顯示出液位的高度。6. 壓力傳感器在發(fā)酵和貯酒中,必須監(jiān)控錐形罐的壓力,本設(shè)計(jì)采用壓力傳感器與計(jì)算機(jī)采 集數(shù)據(jù),隨時(shí)檢查正壓、負(fù)壓保護(hù)閥是否正常。7.

32、 最低液位和最高液位探頭為保證進(jìn)液時(shí)不超過最高液位,出罐時(shí)能終止液體流出,在發(fā)酵罐上下兩部位均安裝相應(yīng)探頭,同時(shí)與計(jì)算機(jī)相連接,事先自動(dòng)化管理。8. 人孔由于本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)設(shè)備發(fā)酵罐屬于內(nèi)壓容器,故應(yīng)選擇受壓人孔,受壓人孔有回 轉(zhuǎn)蓋式,吊蓋式。吊蓋式人孔使用方便,墊片壓緊較好,而回轉(zhuǎn)蓋式人孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所占空間較小,如布置在水平位置,開啟時(shí)較為費(fèi)力,綜合考慮,本設(shè)計(jì)選 用吊蓋式人孔。公稱直徑選為 500mm 。9. 視鏡因?yàn)橐曠R要裝在封頭上 (裝在人孔蓋上 , 取視鏡 Dg150YHS4-80-78-5, 重 17.8kg 。 補(bǔ)強(qiáng)圈 Dg500JB120-73, S補(bǔ)=150*10/(3

33、00-163 =10.95mm , 故取 100mm , 重 4.69kg 。 10. 洗滌液接管選用鋼管型號(hào)為:Dg80YB804-70(無(wú)縫耐酸 相應(yīng)法蘭:Pg6Dg100HG5010-58。11.CO2回收壓縮空氣接管選用鋼管型號(hào)為:Dg80YB804-70(無(wú)縫耐酸 相應(yīng)法蘭:Pg6Dg100HG5010-58. 12. 冷卻劑進(jìn)出接管選用鋼管型號(hào)為:Dg80 HG5010-58(無(wú)縫耐酸 相應(yīng)法蘭:Pg6Dg80HG5010-58 13. 出料管選用鋼管型號(hào)為:Dg100YB231-70(無(wú)縫耐酸 相應(yīng)法蘭:Pg6Dg100HG5010-58 14. 支座發(fā)酵罐的表面積:F 1 =D

34、iH總=3.14×7×45=989.1 m³3 222232m 40 5. 025514. 3= +=+=hrrFF F 表 =F1+F2+F3=989.1+40+40=1069.1發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)1000m³內(nèi)循環(huán)氣升式生物酒精發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 罐的質(zhì)量=表面積×厚度×密度 =1069.1×（7.75×1000）×0.015 =124282.88 kg 注：OCr18Ni9 405 密度為 7.75*1000kg/m³ 酒的質(zhì)量=V =800×1200=960000 kg 總重量=（124

35、282.88+960000）×9.8=10625972.224 N =10625.0 kg 選 JB/T4725-92，耳座 A8,長(zhǎng)臂，帶墊板，材料 Q235-A.F/16Mn 允許載荷 350KN，則需耳式支座：10625 /350 =30.38 個(gè)取整為 31 個(gè)。 15.上升管高度 H e 及提升高度 h ' 由于 H e 太小時(shí)，上升管與關(guān)內(nèi)的壓差小，循環(huán)速度慢，因此 H e 一般不得小于 4m。提升高度 h ' 越小，提升效率越高； h ' 越大，效率越低。當(dāng) h ' >2m 時(shí)，幾乎不 產(chǎn)生循環(huán)，罐內(nèi)液面與上升罐內(nèi)液面相平時(shí)，效率最

36、高，所以罐內(nèi)液面不允許低 于上升管中心線 0.5m，也不允許超過 1.6m。因此： 設(shè)計(jì) He = 22m ， h ' = 1m ，并且上升管處于發(fā)酵罐中央。 16.噴嘴直徑 D=0.8m，處于發(fā)酵罐中央，噴口離罐底為 1.5m 七、熱量衡算 - 18 - 發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)1000m³內(nèi)循環(huán)氣升式生物酒精發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 1.冷卻面積的確定 葡萄糖的濃度為 20%，總質(zhì)量為 942t，則葡萄糖的質(zhì)量為 假定發(fā)酵時(shí)間為 60h，主發(fā)酵溫度為 t F =32°C,冷卻水進(jìn)出口溫度分別為 t1 = 10°C, t2 = 25°C 對(duì)數(shù)平均溫度差的計(jì)算 Dtm

37、 = (32 -10) - (32 - 25) = 13.10 ln ( 22 / 7 ) 取 k = 300kJ / ( m 2 × h × K ) ， 所以冷卻面積 2.冷卻水耗量的計(jì)算 平均溫度 tm = 17.5°C ， cp = 4.185kJ / (kg × K Q Q 發(fā)=Q 水=W×Cp(t2-t1 Q 發(fā)：總發(fā)酵熱，kJ； Q 水：冷卻水帶走的熱量，kJ； W：冷卻水耗量，kJ/h； t +t Cp：冷卻水在平均溫度 t m = 2 1 的比定壓熱容； 2 - 19 - 發(fā)酵設(shè)備課程設(shè)計(jì)1000m³內(nèi)循環(huán)氣升式生物酒精發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 八、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 表 1 氣升式酒精發(fā)酵