生物化工設備課程設計說明書

I生物化工設備課程設計說明書（50m3青霉素發(fā)酵罐設計）院別：機械工程學院專業(yè)：機械工程姓名：學號：指導老師：完成日期：目錄1.發(fā)酵罐設計要求 -1-2.設計方案擬定 -2-2.設計方案擬定 -2-3.發(fā)酵罐筒體及封頭設計 -4-3.1夾套反應釜的總體結構 -4-3.2幾何尺寸的確定 -5-3.3確定筒體和封頭厚度 -6-4.攪拌裝置設計 -7-4.1攪拌器功率 -7-4.2電機功率確定 -8-4.3攪拌軸設計 -9-5.傳熱計算 -11-6.軸封裝置設計 -12-7.發(fā)酵罐的其他附件 -14-7.1人孔和視鏡 -14-7.2接口管 -14-7.2.1管道接口 -14-7.2.2儀表接口 -15-8.發(fā)酵罐結構圖 -15-9.設計心得 -16-參考文獻 -17-1.發(fā)酵罐設計要求（1）熟悉青霉素生產(chǎn)工藝，清楚了解罐內(nèi)壓力，滅菌壓力，發(fā)酵最優(yōu)溫度，罐內(nèi)物料特性，完成工藝計算。包括釜體直徑、高度，傳熱面積的計算，傳熱方式等；（生產(chǎn)地點：重慶）（2）根據(jù)工藝進行強度計算；（3）結構設計：主要包括傳動裝置、攪拌裝置、密封裝置、支座、附件和開孔補強等設計、計算和選型；（4）畫出設備結構簡圖。

2.設計方案擬定當前，我國青霉素發(fā)酵罐仍是采用的機械攪拌式通風發(fā)酵罐，原因是考慮到大型氣升式發(fā)酵罐在生產(chǎn)周期、耗能、生產(chǎn)穩(wěn)定性等性能方面的不足，故任然選擇較為穩(wěn)妥，技術成熟的機械攪拌式發(fā)酵罐。機械攪拌通風發(fā)酵罐是生產(chǎn)抗生素、酵母菌、酶制劑等發(fā)酵產(chǎn)品中應用最多的、最廣泛的液體深層好氧發(fā)酵設備，主要特點有：

A：利用機械攪拌的作用使無菌空氣與發(fā)酵液充分混合，提高了發(fā)酵液的溶氧量，特別適合于發(fā)熱量大、需要氣體含量比較高的發(fā)酵反應；B：發(fā)酵過程容易控制，操作簡便，適應廣泛。青霉素是一種比較常見的抗生素，在目前的制藥工業(yè)中占有舉足輕重的地位，生產(chǎn)規(guī)模非常大。通過數(shù)十年的完善，青霉素針劑和口服青霉素已能分別治療肺炎、肺結核、腦膜炎、心內(nèi)膜炎、白喉、炭疽等病，增強了人類治療傳染性疾病的能力?？股卦谀壳暗闹扑幑I(yè)中得到迅速的發(fā)展，尤其是下游半合成抗生素的發(fā)展，進一步刺激了上游的工業(yè)發(fā)酵。一些抗生素的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模非常大，如β-內(nèi)酰胺類的青霉素、頭孢菌素C，大環(huán)內(nèi)酯類的紅霉素、利福霉素，氨基環(huán)醇類的鏈霉素、慶大霉素。其它的一些抗生素，如四環(huán)素、林可霉素、金霉素、萬古霉素等，單個發(fā)酵罐容積越來越大，大容積的發(fā)酵罐經(jīng)?？梢妶蟮馈Ｇ嗝顾厣a(chǎn)流程：冷凍干燥孢子→瓊脂斜面→米孢子→種子罐→發(fā)酵罐→預處理→過濾→乙酸丁酯萃取→蒸發(fā)（脫水脫色）→結晶→工業(yè)鹽→綜合利用。青霉素發(fā)酵罐培養(yǎng)工藝。種子培養(yǎng)要求生產(chǎn)大量健壯的菌絲體，故培養(yǎng)基應加入比較豐富的易利于的碳源和有機氮源。青霉素生產(chǎn)采用三級發(fā)酵。其中三級發(fā)酵培養(yǎng)：生產(chǎn)罐。培養(yǎng)基為花生餅粉（高溫）、硫代硫酸鈉、麩質(zhì)粉、玉米漿、葡萄糖、尿素、硫酸銨、硫酸鈉、磷酸二氫鈉、苯乙酰胺及消泡劑等。接種量為12%-15%。青霉素的發(fā)酵對溶氧要求極高，通氣量偏大，通氣比控制0.7-1.8；攪拌轉速150-200r/min；要求高功率攪拌，100m3的發(fā)酵罐攪拌功率在200-300KW，罐壓控制0.04-0.05MPa，于25-26℃下培養(yǎng)。發(fā)酵周期為200h左右。前60h，pH5.7-6.3，溫度為26℃，以后pH6.3-6.6，溫度24℃[1]。發(fā)酵罐是發(fā)酵過程的關鍵設備，屬于一種攪拌反應設備，一般由不銹鋼制成，典型的發(fā)酵罐結構如圖2-1所示[2]。圖2-1發(fā)酵罐結構圖根據(jù)承擔的功能不同，攪拌反應設備主要由筒體、封頭、開孔接管、傳熱設備、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、支撐裝置以及其它的一些輔助裝置組成。攪拌反應設備的設計計算工作涉及到理論力學、材料力學、流體力學、傳熱學、機械設計等多個領域。在攪拌反應設備的主要部件之中，筒體和封頭主要起到密封和承受內(nèi)壓的作用，封頭和筒體聯(lián)合作用為攪拌液提供一個密閉的空間，避免攪拌液損失或者流出造成人員傷亡、財產(chǎn)損失或者污染環(huán)境，同時還可以提供攪拌反應過程所需要的壓力；開孔接管的作用主要有兩種，一種是為了工藝物料的流進和流出，另一種作用是用于測量、控制或者檢修，如PH值檢測孔、溫度檢測孔、人孔手孔等；傳熱設備的主要功能是為攪拌反應過程提供必要的熱量或者帶走反應熱，一般采用內(nèi)蛇管或者外加套作為傳熱裝置，也可以兩者聯(lián)合使用；攪拌設備主要是指攪拌軸和攪拌器，主要用于使氣體在設備中均勻分布、物料充分混合、提高傳熱效率等功能；傳動裝置主要包括電動機、減速機、傳動帶等部件，主要作用是為攪拌軸提供動力；支撐裝置主要用于支撐電機、減速機以及用于整個攪拌反應設備的支撐和固定作用；軸封裝置主要用于傳動軸穿出反應釜開孔的動密封，主要有填料密封和機械密封兩種。在攪拌反應器的設計、制造和使用過程中，需要考慮攪拌反應器在不同行業(yè)中的應用。用于發(fā)酵工藝的發(fā)酵罐，對溫度的控制比較嚴格，一般需要進行通氣，故在攪拌器選擇和溫度控制方面，都具有一定的要求。同時，發(fā)酵罐對于攪拌器的材料選擇也比較嚴格，為了保持發(fā)酵液清潔，一般選用不銹鋼制作發(fā)酵罐，攪拌傳熱設備也需要采用不銹鋼來制作。針對50m3青霉素發(fā)酵罐結構設計，考慮到壓力、溫度、腐蝕因素，選擇筒體材料，確定筒體外形、筒體和封頭的壁厚；根據(jù)一系列計算選擇適合的攪拌裝置、傳動裝置、人孔等一些附件的確定，確定最終結構設計。發(fā)酵罐屬于攪拌反應設備，主要包括釜體、傳熱裝置、傳動裝置、攪拌裝置、軸封裝置等。本設計主要根據(jù)相關標準和參考資料對上述裝置進行計算，并給定主要設計參數(shù)。本設計的發(fā)酵罐主要的設計參數(shù)如表2-1所示。表2-1發(fā)酵罐設計參數(shù)表項目參數(shù)發(fā)酵菌種產(chǎn)黃青霉工作壓力0.25Mpa工作溫度20-130冷卻介質(zhì)水培養(yǎng)基玉米漿發(fā)酵培養(yǎng)基發(fā)酵液密度 1076kg/m3發(fā)酵液黏度 3e10-3N?s/m2發(fā)酵罐工作容積50m33.發(fā)酵罐筒體及封頭設計3.1夾套反應釜的總體結構夾套反應釜主要由攪拌容器、攪拌裝置、傳動裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管以及一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由筒體和封頭兩部分組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝設計而定；傳動裝置是為為帶動攪拌裝置設置的，主要由電機、減速器、聯(lián)軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般采用機械密封或填料密封；它們與支座、人孔、工藝接管等附件一起，構成完整的夾套反應釜。3.2幾何尺寸的確定假定發(fā)酵罐的工作容積為，總容積為V，填充系數(shù)為，則已知本文中發(fā)酵罐工作容積，根據(jù)實際情況分析得知，存在發(fā)泡或者沸騰的發(fā)酵罐，通常裝填系數(shù)為0.6~0.7，文中取裝料系數(shù)為0.7，則發(fā)酵罐的工作總容積：（3-1）發(fā)酵罐的總容積包括筒體和上下兩個封頭的容積之和，為了得到發(fā)酵罐的內(nèi)徑、高度等參數(shù)，可以先忽略兩個封頭的容積，根據(jù)式(3-2)估計和(3-2)通過查閱相關文獻知，發(fā)酵罐筒體的高徑比一般在1.7~2.5之間，文中取高徑比H/D=2，則H=2D，由(3-2)式：由于罐體設計壓力較低，選擇橢圓封頭，根據(jù)標準，當DN>2000mm時，橢圓封頭直邊高度一般取h=40mm，標準橢圓封頭的容積按下式計算：（3-3）故發(fā)酵罐的全容積可以按照下式進行計算：（3-4）將V=71.43m3，h=40mm，高徑比H/D=2代入可得D=3570mm，圓整到D=3600mm，罐體高H=2D=7200mm。按照D=3600mm，H=7100mm，h=40mm重新核算全容積得V=71.68m3，高徑比，裝填系數(shù)，均符合要求，可行。3.3確定筒體和封頭厚度發(fā)酵罐工作壓力為PW=0.25MPa，取設計壓力P設=1.1Pw=0.275MPa，液體密=1076kg/m3，液體靜壓力按照下式計算。由于P靜≥5%P設,因此P=P設+P靜=0.3707MPa。在罐體壁厚設計過程中，可以按照下式計算最小厚度（不考慮鋼板負偏差）。(3-5)式(3-5)中：—焊縫系數(shù)；—許用應力;C—腐蝕裕度。由于青霉素對金屬罐體有腐蝕性，所以罐體和封頭都使用16MnR鋼，內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐，封頭設計為標準橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。不銹鋼焊接壓力容器許用應力為150℃時，取許用應力為137MPa；雙面焊取0.8，無縫焊取1.0；腐蝕裕度，當δ-C<10mm時，C取3mm。根據(jù)式(3-5)計算筒體厚度：圓整后取筒體的名義厚度。對于標準橢圓形封頭k=1；其公式為：同理代入相關數(shù)據(jù)可得：，圓整后取封頭的名義厚度。4.攪拌裝置設計攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成。電動機驅(qū)動攪拌軸上的攪拌器以一定的方向和轉速旋轉，使靜止的流體形成對流循環(huán)，并維持一定的湍流強度，從而達到加強混合、提高傳熱和傳質(zhì)速率的目的。4.1攪拌器功率常用的攪拌裝置包括槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、錨式和框式攪拌器、推進式攪拌器等。其中，渦輪式攪拌器常用于生物發(fā)酵罐的攪拌，本文選擇三層渦輪攪拌器，為了達到空氣充分分散和高效傳熱傳質(zhì)的要求，上層兩個選擇開式折葉渦輪攪拌器，下層空氣進口處選擇六彎葉渦輪式攪拌器。渦輪式攪拌器的一般轉速n一般取n=10-300rpm，攪拌反應中，發(fā)酵罐內(nèi)需要達到湍流狀態(tài)才能保證較好的傳熱和傳質(zhì)效率，因素需要校驗在相應轉速條件下，發(fā)酵罐內(nèi)的流動狀態(tài)。本文采用內(nèi)蛇管作為主要的傳熱裝置，蛇管可以起到擋板的作用，因此，罐內(nèi)雷諾數(shù)Re可以按照下式計算。QUOTE(4-1)式中：表示罐內(nèi)發(fā)酵液的粘度，（Pas）。根據(jù)工藝條件，本文取Pas。將dj=1.4m，n=100rpm=1.667rps，，代入（4-1）式：Re=1.17×106從而可知發(fā)酵罐內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)。湍流狀態(tài)下，攪拌器的功率準數(shù)Np與功率N的關系如式(4-2)所示：(4-2)Np的數(shù)值可以根據(jù)實驗經(jīng)驗得到，一般對于6葉渦輪推進器，當流動處于湍流狀態(tài)時，查Re-Np表可知Np=4，則單個攪拌器所需功率為：N=NP=106.33kW單個攪拌器功率校正系數(shù)fj按照下式計算。(4-3)式中：HL表示液柱高度，按照式(4-4)計算。(4-4)

式中：H筒體高度7200mm。則將D=3600mm，dj=1400mm帶入可得：=5670從而可得：fj=1.076攪拌器的功率Pj=fjN=114.41kW。對于3層攪拌器：P=Pj(0.4+0.6m)其中，m表示攪拌器層數(shù)，故文中m=3，則傳動軸功率為：P=251.7kW如果通氣條件為Pg=0.2V0從而Pg=10m3/min=0.17m3/s；故通氣攪拌功率為4.2電機功率確定電機的輸出功率P0與通氣攪拌功率Pg之間的關系可以用式(4-5)來表示。(4-5)式中：1—帶傳動效率；2—齒輪傳動效率；3—軸承效率；4—軸封摩擦效率。通過查閱機械設計手冊可知：1=0.92，2=0.98，3=0.95，4=0.99。電機功率為：P0=168.57kW根據(jù)機械設計手冊，選用額定功率為185kW的電機。4.3攪拌軸設計根據(jù)實際情況進行分析，此攪拌軸采用45鋼光軸即可。查閱機械設計基礎可知：其最小直徑可按以下公式計算：mm(4-6)、—是與軸材料有關的系數(shù)，45鋼C值在118-107區(qū)間，取C為107其許用應力在30-40。代入相關數(shù)據(jù)可得：dmin=97.3mm圓整取d=100mm，攪拌軸的選擇還需要與攪拌器配合使用。為保障傳動軸的安全，還需要驗證軸的臨界轉速，避免發(fā)生共振。傳動軸的臨界轉速可以采用“感應系數(shù)法”來進行計算。在感應系數(shù)法中，如果在攪拌器2處施加縱向載荷，在攪拌器1處引起的撓度為，有：（4-7）（4-7）式（4-7）中：mi—第i個攪拌器的質(zhì)量—表示第i階臨界轉速的角速度由彈性力學可知：通過彈性力學可知，求解的數(shù)值，可根據(jù)軸的不同支承位置來求解，代入式（4-7）可以求得傳動軸的臨界轉速。本設計中，軸的支撐情況如圖4-1所示。圖4-1傳動軸支撐狀況其中，L1=3400mm、L2=1900mm、L3=1100mm、L4=600mm，從左到右3個攪拌器的質(zhì)量分別為m1=145kg，m2=145kg，m3=145kg。根據(jù)以上參數(shù)可以采用感應系數(shù)法分析傳動軸的臨界轉速。

5.傳熱計算本文采用內(nèi)蛇管和外半管聯(lián)合傳熱，帶走發(fā)酵產(chǎn)生的熱量。傳熱的效果與傳熱裝置的形式和攪拌器內(nèi)的流動情況有關。其中，內(nèi)蛇管的傳熱系數(shù)按照下式進行計算。（5-1）式中：—蛇管總傳熱系數(shù)；—蛇管內(nèi)傳熱系數(shù)；—蛇管外傳熱系數(shù)；—蛇管壁厚；—蛇管熱傳導系數(shù)；—為污垢熱阻。通常，在攪拌反應設備中，取1000W/m2℃，取4100W/m2℃,不銹鋼導熱系數(shù)為17W/m℃，取1.16×10-4W/m2℃。則蛇管傳熱系數(shù)為：=625W/m2℃外半管的傳熱系數(shù)可參照內(nèi)蛇管的傳熱系數(shù)，參照資料可以取Kh=200W/m2℃?？倐鳠崃縌包括蛇管和外半管兩部分的傳熱量，即：（5-2），分別表示蛇管和夾套的傳熱面積；和表示半管夾套和蛇管傳熱時的對數(shù)平均溫差。又由：（5-3）式中：—發(fā)酵溫度，32℃；—冷卻水進口溫度，10℃；—冷卻水出口溫度，30℃。將上述參數(shù)帶入計算可得。=7.82℃發(fā)酵罐的總發(fā)熱量為Q=3.7×105W。分別設置蛇管和外半管的傳熱面積為AS=69m2，外半管的傳熱面積為Af=46m2，核算總穿熱量為4.3×105W，滿足傳熱要求。6.軸封裝置設計反應釜中介質(zhì)的泄漏會造成物料浪費并污染環(huán)境，易燃、易爆、劇毒、腐蝕性介質(zhì)的泄漏，會危及人身安全和設備安全。因此，在反應釜的設計過程中選擇合理的密封裝置是非常重要的。為了防止介質(zhì)從轉動軸與封頭之間的間隙泄漏而設置的密封裝置，簡稱為軸封裝置。反應釜中使用的軸封裝置主要有填料密封和機械密封兩種。填料密封是攪拌反應釜最早采用的一種軸封結構，其特點是結構簡單，易于制造，適用于低壓、低溫的場合。機械密封是用垂直于軸的兩個密封元件(靜環(huán)和動環(huán))的平面相互貼合，并作相對運動達到密封的裝置，又稱端面密封。機械密封耗功小、泄漏量低，密封可靠，廣泛應用于攪拌反應釜的軸封?？偟膩碚f，機械密封與填料密封有很大的區(qū)別。首先，從密封性質(zhì)來講，在填料密封中軸和填料的接觸是圓柱形表面，而在機械密封中動環(huán)和靜環(huán)的接觸是環(huán)形平面。其次，從密封力看，填料密封中的密封力靠擰緊壓蓋螺栓后，使填料發(fā)生徑向膨脹而產(chǎn)生，在軸的運轉過程中，伴隨著填料與軸的摩擦發(fā)生磨損，從而減小了密封力會引起泄漏。而在機械密封中，密封力是靠彈簧壓緊動環(huán)和靜環(huán)產(chǎn)生的，當兩個環(huán)有微小磨損后，密封力基本保持不變，因而介質(zhì)不容易泄漏，故機械密封比填料密封要優(yōu)越得多。本文中選擇機械密封作為攪拌軸的密封形式。圖6-1是一種典型反應釜機械密封的結構圖。從圖中可以看出，靜環(huán)14依靠