生物工程设备课程设计

生物工程设备与原

课程设计说明书

组别：18组

题目: 75M3赖氨酸发酵罐设计

院 系：生命科学与工程学院

专业班级： 生物工程1202

成 员： 易 兴 20123729

曹 刚 20123762

罗鹏程 20123779

李汶忱 20123780

指导教师： 黎先发

生命科学与工程学院

2015年6月25日

理》

《

75M赖氨酸发酵罐设计任务书

一、目的任务

识的基础上，培养学生综合运用这些知识分析和解决工程实际问题的能力以及协作攻关的能力，为在学生掌握所学的工程制图、化工原理、生物工艺学、生物工程设备与原理等课程的基础知识和专业知生物工程工厂设计专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。

二、设计题目与参数

75m3的赖氨酸发酵罐设计

设计参数和技术特性指标： 罐内压力0.15 MPa；夹套或蛇管压力0.25 MPa；

工作温度：罐内小于或等于120℃，蛇管或夹套小于等于150℃.

工作介质：罐内轻微腐蚀性，蛇管或夹套蒸汽（灭菌）；发酵温度32℃

传热面积按1.5m2/m3装料量设计。

搅拌器转速为100转/分，搅拌器型式自定。

H/D取1.7-2.5；装料系数η取0.6～0.8；通风管通风比（通气速率/发酵液体积）取0.5～1.0vvm；发酵液密度为1076kg/m3，最大粘度3×10-3N·s/m2；冷却水初始水温25℃.

三、设计任务及设计要求：

进行发酵罐的所有部件的计算及整体结构设计，完成设计说明书。

（1）进行罐体及夹套（或内部蛇管）设计计算

（2）进行搅拌装置设计：搅拌器的选型设计；选择轴承、联轴器，罐内搅拌轴的结构设计，搅拌轴计算和校核；

（3）搅拌器功率（不通气功率、通气功率）、电机功率计算、传

3

动系统的设计计算：传动设计采用V带传动；

（4）密封装置的选型设计

（5）选择支座形式并计算

（6）手孔或人孔选型

（7）选择（进料管、取样管、冷却水进出口接管、排气管、进气管等）接管、管法兰、设备法兰。

（8）设计机架结构

（9）设计凸缘及安装底盖结构

（10）空气分布管、视镜的选型设计

（11）绘制发酵罐器装配图（A3号图纸)。

（12）每人撰写总结1份。

装料量75 m 的（赖氨酸）发酵罐设计设计说明书

目 录 3

1设计方案的拟定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2罐体结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.1罐体几何尺寸的计算„„„„„„„„„„„„„„„„2

2.2罐体几何尺寸的验算„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.3装料量及装料高度„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.4罐体材料„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.5罐体厚度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

2.6封头壁厚的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

2.7罐体压力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 3蛇管冷却装置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.1 冷却方式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.2冷却面积计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.3蛇管设计主要尺寸及固定„„„„„„„„„„„„„„5

3.4蛇管进出口设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

4.搅拌器设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„‥„„7

4.1搅拌器选型和主要尺寸„„„„„„„„„„„„„„„7

4.2桨叶分布„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

4.3搅拌器的结构形式与安装„„„„„„„„„„„„„„7

4.4搅拌器轴功率的计算„„„„„„„„„„„„„„„„8

4.5搅拌轴设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

4.6搅拌轴临界转速的校核„„„„„„„„„„„„„„ 11 5 通风发酵罐的传动装置设计„„„„„„„„„„„„„„„ 11

5.1电机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

5.2减速机选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11

5.3 V带设计内容及步骤„„„„„„„„„„„„„„„„12

5.4联轴器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

5.5 机架„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16

5.6凸缘法兰„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 17

5.7安装底盖„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 18 6 其它部件选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

6.1密封装置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19

6.2 法兰选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „20

6.3无菌空气通风管设计„„„„„„„„„„„„„„„ 21

6.4手孔及人孔„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 22

6.5支座„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 22

6.6视镜„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 25

6.7 液面计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26

6.8仪表接口„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 27

6.9消泡器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 27

7.工艺设计计算结果汇总及主要尺寸说明„„„„„„„„„„28

1设计方案的拟定

本文对北京棒杆菌AS1.563为原料合成赖氨酸的主要反应设备作了设计和计算，包括发酵罐的容积及主要部件尺寸的确定，搅拌器的选型及功率计算，冷却设备的计算等。

我们组设计的是一台75m3的机械搅拌通风发酵罐，发酵生产赖氨酸。经查阅资料得知生产赖氨酸的菌种有高丝氨酸缺陷、黄色短杆菌的苏氨酸或蛋氨酸缺陷、黄色短杆菌的高丝氨酸缺陷菌株，它们可分别积累赖氨酸50g/L、34g/L、23g/L等，目前国内所使用的赖氨酸生产菌主要有：①中国科学院微生物研究所的北京棒杆菌AS1.563和钝齿棒杆菌PI-3-2；②上海工业微生物研究所选育的黄色短杆菌AIII；③黑龙江轻工业研究所的241134；④广西轻工业研究所的NO.G12-6等。

综合温度、PH等因素选择北京棒杆菌AS1.563菌种，该菌种最适发酵温度为32-34oC，pH6.5-7.0，培养基为糖蜜、大豆饼粉。

发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，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75m3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

发酵罐主要设计条件

项目及代号

发酵产品

发酵菌种

罐内压力 参数及结果 赖氨酸 北京棒杆菌AS1.563 0.15MPa

备注 设计要求 根据参考文献[4]选取 设计要求

蛇管及夹套压力

冷却方式

发酵温度

发酵罐温度

蛇管温度

传热面积

搅拌器转速

高径比H/D

装料系数

通风管通风比

培养基

发酵液密度

发酵液黏度

冷却水初始水温 0.25Ppa 蛇管冷却 32oC 120oC 150 oC 1.5m2/m3 100转/分 2.1 0.7 1.0vvm 设计要求 设计要求 设计要求 设计要求 设计要求 设计要求 标准型搅拌器 设计要求 设计要求 设计要求 玉米浆1.5%，豆饼粉2.5% 根据参考文献[4]选取 ρ=1076kg/m3 μ=3×10-3N·s/m2 25℃

设计要求 设计要求 设计要求

2罐体结构设计 罐体由顶盖、筒体和罐底组成，通过支座安装在基础或平台上，罐底常采用椭圆形封头，顶盖在受压状态下操作，常选用椭圆形封头。对直径较小的种子罐，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支撑搅拌器及其传动装置。顶盖与罐底分别与筒体相连，罐底与筒体的连接采用焊接。筒体与顶盖的连接形式分为可拆连接和不可拆连接，筒体内径D1≤1200mm，宜采用可拆的法兰连接，常采用甲型平焊法兰连接。大型发酵罐一般采用焊接连接。 2.1罐体几何尺寸的计算

初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（75m3）

公称体积V－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和

全体积V0－－公称体积和上封头体积之和封头体积

2V封4D（hb1D) 6

V4D2H00.15D3 （近似公式）

假设H0/D=2.1,根据设计条件罐的公称体积为75m3，

D3

计算罐体内径：

取整为3600mm 4V3570mm（H/D）

查阅文献，当公称直径DN=3600mm时，标准椭圆封头的曲面高ha=900mm，直边高度hb=40mm，总深度为Hf=940mm， 12hbD)=0.785×容积V封4D（0.362×(0.04+1/6×0.36)=6.511m3.

6

发酵罐的公称体积：V=V1V2

发酵罐的全体积:V0=V12V2

m3

43.62×6.8+6.511=75.69m3 D2HVb=0.785×43.62×6.8+6.5111×2=82.20 D2H2Vb=0.785×

考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和风投材料，封头结构与罐体了解方式。因赖氨酸是偏酸性，对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。

2.5罐体厚度

tPD0.153600C35.47mm 2[]P21370.8-0.15

取整为t=6mm

D－罐体直径（mm）

P－耐受压强 (设计压力取0.15MPa)

 － 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ ] －罐体金属材料在设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）

C －腐蚀裕度，当δ －C

2.6封头壁厚的计算 /10.17885013.26mm 装料高度：H0V0V封/V1m0.782.206.511

V1为1m高筒体的容积；Vb为下封头的容积

发酵液产生的最大压强P=gh=1076×9.8×5013=0.052Mpa

本设计采用设计压力为安全阀开启压力的1.1倍。

则下封头设计压力P=1.1×（0.052+0.15）=0.22Mpa。

tdKPD0.950.223600C36.43mm 21370.8-0.50.222[]0.5P

取整td=7mm

D－罐体直径（mm）

P－耐受压强 (取0.15MPa)

K－形状系数，K= 2+ 2H /6=0.95 fD2

 － 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ ] －设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）

C －腐蚀裕度，当δ －C

当筒身壁厚与封头壁厚不一致时，应取较大的值作为共同的壁厚，及筒身应与封头的壁厚一致，且取较大值。

所以最终取桶身壁厚和封头壁厚t=td=7mm

2.7罐体压力计算

罐体压力实验校核，采用水压试验。试验温度t5℃，取20℃，屈服点强度为235MPa

[]= []

此时，材料的许用应力[]137MPa PT1.25P实验公式为：[]52.9410Pa和PTP0.15MPa2.35105Pa[]

两者中取最大PT2.94105Pa.（外加0.15MPa作为安全压力）

而且考虑下封头静压：P静gh10769.860000.063MPa

实验压力下筒体中的应力：

PT[D（td-C）]2.94105[3600(73)]132.4MPa 2(tdC)2(73)

P静0.9235MPa,所以在屈服点强度以内，视为有效。

3蛇管冷却装置

3.1 冷却方式

发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质。

设计发酵条件发酵条件：发酵液密度为1076kg/m3 ，发酵温度32℃，冷却水

初始水温25℃. 传热面积按1.5m2/m3装料量设计。 3.2冷却面积计算

装料量：V·V057.54m3 （0.7） 57.54m3的装料量的传热面积为：

A= 57.541.586.31m2

3.3蛇管设计主要尺寸及固定

选取低压流体输送用焊接钢管，其规格（GB3901--93），直径为100/114mm. 蛇管长度：

L

A86.31

274.87m

DCP3.140.1

取L275m

已计算出发酵罐直径D3600mm；

蛇管中径与容器直径之比Dc/D=0.80; Dc3.60.802.88m 蛇管管子外径与蛇管中径之比Dco/Dc=0.042;

Dco2.880.0420.12m

每圈蛇管之间距与蛇管管子外径之比Sc/Dco=1.0; SCDco0.12m

蛇管距罐底的高度与容器直径之比Hc/D=0.10。

Hc3.60.100.36m

2

每圈蛇管长度：L(Dc)2SC

式中Dc------蛇管圈直径，m

Sc------蛇管圈之间的距离取0.12m; 所以L(3.142.88)2(0.12)29m 蛇管总圈数：

L27530 取30圈 l9

考虑到蛇管中心直径较大，圈数较多，采用（U型）法螺栓固定，并且采用三根支柱,碳钢角钢规格L75×8。 蛇管高度与容器直径之比Lc/D=1.00; Lc3.6

1.003.6m

由2.3计算得筒体装料高度5.0m，蛇管高度合适。

3.4蛇管进出口设计

蛇管进出口一般都设置在顶盖上，有时考虑结构上方便也可设置在筒体上。

NP

(a)用于蛇管与封头一起抽出的情况； (b)可拆卸蛇管；

(c)型结构简单，使用可靠。

(d) 有衬里设备的蛇管进出口结构。 (e)进出口与顶盖采用填料函密封； (f)型为适用于常压设备。

考虑到要采用机械密封装置，拟采用 f型蛇管进出口结构。

4.搅拌器设计计算

4.1搅拌器选型和主要尺寸

浆式搅拌器的桨叶多为两叶，有直桨、斜叶浆和孤叶桨之分。搅拌器直径与罐

D

体内径之比i常取0.35~0.8。本次设计中选择圆盘弯叶涡轮搅拌器，搅拌器直

D

径与罐体内径之比取1/3。桨叶材料选用：Q235-B 扁钢，桨叶数量z=6，初定桨叶厚度10mm。

即：Di=1/3D=1/33600mm=1200mm.

根据弯叶涡轮式搅拌器，桨径Di：桨长L：桨宽b=20:5:4 得：桨长L=300mm，桨宽b=240mm；

圆盘直径一般取,是桨径的2/3，圆盘直径为Dg=Di

22

=1200=800mm 33

为保持一定的刚性及支持周边的桨叶，取圆盘厚度为10mm. 4.2桨叶分布

下层搅拌器与罐底的距离取C=（0.8~1.0）Di,取C=1Di=112001200mm 两搅拌器之间的距离s(1.5~2.5)Di取s=2.5Di2.512003000mm 为避免搅拌器工作时产生涡旋使搅拌器露在空气中，因此第一个搅拌器距离料液液面的高度不小于搅拌器外径的1.5倍：a1.5Di1.512001800mm，取最终a1800mm

4.3搅拌器的结构形式与安装 通过以上计算可得: 罐径D3600mm

下层搅拌器与罐底的距离取C=1200mm 两搅拌器之间的距离S3000mm 罐体总高H=8.68m

筒体装料高度由2.3得Hf=6.0mm

对于高径比大的搅拌容器,采用单层桨不能获得好的混合能力时就需要采用多层搅拌器

由以上数据可取搅拌器设置为2层，其参数为：

其设置形式如右图：

H罐总高；

H0罐身高

；

D--罐径 ；

Di搅拌叶轮直径

；

C下搅拌叶轮与罐底距； S相邻搅拌叶轮间距；

4.4搅拌器轴功率的计算

4.4.1不通气的情况下轴功率的计算 根据鲁士顿公式：PbNP2LDi5

已知在充分湍流状态时，圆盘直叶涡轮搅拌器的功率准数为NP4.7，转速=100（r/min），发酵液粘度310-3Ns/m2，发酵液密度Pl1076kg/m3。

Re

Dil(100/60)1.21076

8.61105 -3

310

因Re104，所以发酵系统在充分发酵状态，查表有功率系数Np=4.7，故叶轮

不通气时搅拌功率 P0 为

P0NPn3LDi4.7100/6010761.2558.28Kw

5

3

式中 P0--------无通气输入的搅拌功率（W）; NP-------功率准数，式搅拌雷诺数的函数；

n--------涡轮转速（r/min），根据设计条件取100（r/min）； l--------发酵液液密度，Pl1076kg/m3； Di---------涡轮直径（m）；

H/Di3时需要校正：

当机械搅拌发酵反应器的D/Di3，0

PfP0

其中f时校正系数，它由下式决定：

f

1DH0136005013

1.18

3DiDi312001200

PfP=1.1858.2868.77(Kw)

4.4.2两层搅拌轴功率，通气搅拌功率Pg的计算 搅拌器设置为2层，其轴功率为：

PmP(0.40.6m)68.77(0.40.62)110（KW） ——式中m为搅拌器层数；

根据设计Q取1.0vvm，罐压为0.15MPa，发酵温度为32℃，发酵液密度为1076kg/m3，则：

V0=VL×VVm =57.54×1.0=57.54m3/min

VgV0(

0.0981

)

1

0.0981PHLl105

2

273320.09812

57.54()()16.47m/min5

2730.09810.150.55.013107610

2

3

273T

)(273

根据Michal法计算：

pmnDi0.4511021001.230.45（）0.15()51.72kw 通气功率Pg=C0.560.56

Vg16.47

式中Pm---------通气搅拌输入的功率（KW）；

C--------当d/D=1/3~2/3时，Ｃ值为０.101~0.157之间，式中C取0.15 n--------涡轮搅拌转速(r/min)； Di--------涡轮搅拌直径（m）； Qg---------通气量（m2/min）；

4.5搅拌轴设计

搅拌轴材料采用45钢，下表是材料的一些参数：

确定搅拌轴的直径：

选择搅拌器的材料为碳45钢，A为45钢在121℃，查表得在该条件下时的许应力为70MPa。同时P为轴的传递功率，在理想条件下，取轴的传递功率与通气搅拌输入功率相等，即ppg51.72kw； 搅拌轴的直径d的计算：dA 圆整为d65mm

4.5.1搅拌器支承尺寸

P51.727056.19mm n100

图

根据经验轴的悬臂L1、轴径d和两轴承间距B应满足系列关系：

L1/B4~5;L1/d40~50

根据d=65mm得：

L1/dL1/6540~50L12600mm~3250mm

取L1=3200mm,则B=800mm

4.5.2底轴承

由于搅拌轴较长，为了增加其稳定性，需要设置底部轴承其结构图如下：

搅拌轴的支撑常采用滚动轴承。搅拌轴的滚动轴承通常根据转速、载荷的大小及轴径d选择，高转速、轻载荷可选用角接触球轴承；低速、重载荷可选用圆锥滚子轴。

4.5.3搅拌器的安装

搅拌器与轴的连接是通过轴套用平键或紧定螺钉固定，轴端加固定螺母。

为

防螺纹腐蚀可加轴头保护帽。 4.6搅拌轴临界转速的校核

转速为100r/min，由于其转速小于200r/min，所以不需要进行搅拌轴临界转速的校核。

5 通风发酵罐的传动装置设计

5.1电机的选择

根据搅拌功率

P

PmPT

Pm51.72KW选用电机时，应考虑传动装置的机械效应。



Pm—搅拌轴功率；

PT—轴封摩擦损失功率；

—传动机构；

根据生产需要选择三角皮带电机。三角皮带的效率是0.96，滚动轴承的效率是0.995，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的1％，则电机功率：

P

PmPT





51.72

11％55.81Kw，查找相应的电机功率，

0.960.9950.98

选择机型Y315M-8型，额定功率75Kw的电机。相关数据如下表2-3：

根据电机的功率P =75KW 、搅拌轴的转速n＝740r /min，传动比i为740/100＝7.4，选择带传动减速器。

其特点为：结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪音小。但不适用于防爆场合。

5.3 V带设计内容及步骤

1）确定计算功率

已知传动额定功P：75KW（ Y315M-8型电机）；小皮带轮转速n1：740r/min；大皮带轮转速n2：100r/min； 由下表得工况系数KA=1.3；

P1.311097.5KW 则设计功率Pc：PcKA·

机械工况系数表 2）选择V带型号

根据Pc97.5kw和n1740r/min，选择V带型号。

查普型表，可得选择SPD型V带。

3）确定带轮基准直径：

带轮结构小可使结构紧凑，但另一方面弯曲压力太大，使带的寿命降低，设计时应取小带轮的基准直径didmin,dmin的值查普通V带基准直径图得：

dmin355mm，考虑带速不能偏低，所以取小带轮的直径dd1400mm; 大带轮的基准直径dd2

n1740dd110.0240010.022900mm n2100

取整为2900mm。

4）验算带速：

dd1n1

由V可知，维持适当的带速有利于传动和延长机器的寿命，所以带

60100

速一般维持在V525m/s内为宜。则其带速为：

dd1n13.14400740

V15.49m/s， 符合要求。

601006010005）初定中心距a0：

mm 由0.7(dd1dd2)a02(dd1dd2)，即2310mm

6）确定带的基准长度Ld0：

Ld0

(dd2dd1)2

2a0(dd1dd2)

24a0



(2900400)2

) 22500(4002900

242500

10806mm



根据下表圆整后，取Ld

=11200mm

表

7）.确定中心距a：

LLd01120010806

aa0d25002697mm

22 安装V带是所需最小中心距amin和最大中心距amax：

amina0.015Ld2697-0.015112002529mm

amaxa0.03Ld26970.03112003033mm

8）小皮带轮包角：

1180

dd2dd12900400

57.318057.3126.9 a2697

120，符合要求。

9)单根V带额定功率P1：

主动轮转速基准直径dd1400mm，带速v=15.49m/s，由表查的P1=16.45KW

i1时，单根V带额定功率增量P1：

选择D型V带，主动轮转速n1=740r/min，传动比i为740/100＝7.4，由下表查得P10.62KW

传动比 1.19～1.26 1.27～1.38 1.39～1.57 1.58～1.94 1.95～3.38 >=3.39 增量P1

（kw） 0.33 0.4 0.47 0.53 0.58 0.62

表 单根普通SPD型V带在主动轮转速=730r/min时，i1时传动功率增加量P1

.包角修正系数K，由下表查的K0.86

表 包角修正系数K 带长修正系数KL，由表查得KL1.02

10）确定V带根数： V带根数z：z

Pc97.5

6.68

(P1P1)K·KL（16.450.62）0.861.02

取整后，取z=7（根），且z不大于10，符合要求。

5.4联轴器

电动机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接，并传递运动和转矩的。联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。 搅拌轴分段时，其自身的连接必须采用刚性联轴器。根据轴径80mm查阅资料选取刚性凸缘联轴器。电动机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接，并传递运动和转矩的。联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。 搅拌轴分段时，其自身的连接必须采用刚性联轴器。根据轴径65mm查阅资料选取GT-65型刚性凸缘联轴器。 其结构图如下：



图—— 凸缘联轴器结构

3



联轴器尺寸 /mm

2

5.5 机架

机架是安放减速器用的，它与安装底座尺寸相匹配。标准机架有无支点机架、单支点机架和双支点机架。

本次设备设计采用无支点机架。主要以及带传动的输出轴（传动轴的输入轴）直径选用。搅拌轴直径d=65mm。

机架有关尺寸见表。 单位/mm

凸缘法兰一般焊接于发酵罐上封头上，用于连接搅拌传动装置，也可兼作安装、检修、检查用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分为凸面（R）和凹面（M）两种。凸面优点是安装容易，密封性能较光滑面好，所以选择凸缘法兰。

安装法兰时要求两个法兰保持平行，法兰的密封面不能碰伤，并且要清理干净。 法兰靠用螺栓将两个法兰盘拉紧与安装底盖紧密结合起来。

根据选型表，选择公称直径为700mm的凸缘法兰，其尺寸如下

表 凸缘法兰的主要尺寸

5.7安装底盖

安装底盖采用螺栓等紧固件，上与机架相连，下与凸缘法兰（或底座）连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。

安装底盖的公称直径与凸缘法兰的公称直径相同。形式选取时，注意与凸缘法兰的密封面配合（凸面配凸面，凹面配凹面）。

安装底盖采用螺柱等紧固件，上与几架连接，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接。下面是底盖的尺寸参数:

表 底座的主要尺寸 /mm

图 安装底盖结构图

6 其它部件选型

6.1密封装置

密封装置是机械搅拌通风发酵罐的一个重要组成部分，其任务是保证反应器处于正压操作，防止发酵液泄露和污染杂菌。发酵罐轴封属于动密封，轴封要求较高，因此一般采用机械密封（下伸轴为单端面，上伸轴采用双端面）。机械密封分为平衡型和非平衡型两大类，常用的机械密封装置已有标准系列，可根据要求计算并选用。

转轴密封采用机械密封，机械密封是吧转轴的密封从纵向改为径向的密封，通过动环和静环两个端面面的相互配合，并做相对运动达到密封效果。机械密封的泄漏率低，可靠性高，功耗小，使用寿命长。所以本发酵罐的设计采用机械密封。 常用的机械密封装置已有标准系列，可根据轴径等要求直接选用。

/mm

表 机械密封的尺寸

2

图 机械轴封结构

6.2 法兰选择

用于发酵罐上的法兰有容器法兰和管法兰。对应有不同的标准。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰两类。平焊法兰分甲型和乙型两种，其中甲型平焊法兰使用最广泛。 6.2.1容器法兰

压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径取同一系列值，例如DN1000的压力容器，应当配用DN1000的压力容器法兰。法兰公称压力的确定，与法兰的最大操作压力与操作温度以及法兰材料有关。

由于我们组设计的发酵罐公称直径很大，所以不能采用容器法兰。根据设计要求选用焊接。 6.2.2管法兰与接管

接管与管法兰是用来与管道或其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公

称通径（DN）和公称压力（PN）。接管的伸出长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。

要求针对进料管、取样管、排料管、冷却水（蒸汽）进出口管、排空管、空气分布管等接管选择管法兰。

以进料口为例计算，设发酵醪液流速为：v = 1 m /s，1小时排净，发酵罐装料液体积:V1=57.54立方米

物料体积流量：Q = v1/1h=57.54/(3600*1)=0.01598 立方米/秒 则排料管截面积：F = Q/V=0.01598/1=0.01598 平方米

又因为F =0.785d2,得D=0.142M,曲无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97,取公称通径为150mm。φ150×4.5mm无缝管

法兰的尺寸是由法兰的公称直通径DN，公称压力PN确定的。本设计中采用钢制法兰结构；

3

设计选取的法兰尺寸和结构图如下：

公称通径DN=150mm钢制管法兰尺寸

1.进料口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97），接口直径φ161×4.5mm，大约在人孔与视镜中间。角度垂直。

2.排料口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97），接口直径φ161×4.5mm，开在罐底中间通风管旁。

3.进气口：φ150×4.5 mm，开在封头上，角度与水平线夹角 45 度

4.排气口：φ150×4.5 mm ，开在封头上进气口以封头很人孔中心连线为对称轴的对称位置上，角度与水平线夹角 45 度。

5.冷却水进、出口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型（HG20593-97）接口直径φ161×4.5mm。

6.补料口：φ150×4.5 mm，角度与水平线夹角 45 度。

7.取样口：φ150×4.5 mm，开在封头上；角度与水平线夹角 90 度

6.3无菌空气通风管设计

确定空气分布管的结构形式、材料以及空气分布管的管径。

一般采用单管式空气分布管。无菌空气通风管作用是向机械搅拌发酵罐内吹入无菌空气，并使空气分布均匀。 发酵罐的装料量为57.54m³，通风比（空气流量与发酵液体积之比）为1.0，发酵温度32℃，无菌压缩空气条件为：压力3.5kg/cm2，温度25℃. 计算空气流量：

Qg=20×1.0=20m3/min 计算压缩空气流量

V=20× 1.03/3.5×(273+25)/(273+32)=5.75m^3/min）

取通风管内压缩空气流速为10m/s，则管径为：

d=(5.75/(60×0.785×10))=0.11m

选用ø110×4.0的20型无缝不锈钢管，管外径为118mm。

6.4手孔及人孔

手孔和人孔的设置是为了设置安装，拆卸，清洗和检修设备的内部装置。 手孔直径一般为150~200mm，应使工人戴上手套并握有工具的手能方便的通过。

当设备的直径大于900mm,应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形人孔制造方便，应用比较广泛，人孔的大小及位置应以人进出设备反方便为准则，对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，以便搅拌器轴及搅拌器能通过人孔放入罐内。

因为设备直径大于900mm，所以开设人孔，其中圆形人孔制造方便，所以选用圆形人孔。根据的筒体内设计的公称压力PN小于1MPa（0.15MPa），人孔选用公称直径为600mm（容器直径（3600>2600）。

技术要求：人孔的技术要求应符合HG21517-95中“技术条件”的规定。 公称压力PN1.0，公称直径600，H1=280，采用RF型密封面，A型盖轴耳，V2型材料，其中垫片采用石棉橡胶板垫的回转盖带颈平焊法兰人孔，其规定标记符号为：人孔 RF V2（A.G） A 600-1.0 HG21517-95，总质量341Kg.

6.5支座

6.5.1支座的选型

支座用于支承罐体，型式有耳式支座和支承式支座。小型罐一般用耳式支座（JB/T4725-29），分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上时，选B型，否则选A型。由于我们组设计的是75m3大型发酵罐，所以应该选择支承式支座。

每台反应器常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。如果不考虑动载荷，支座承受的总重量为设备的总重量及工作介质及冷却介质的总重量之和。

根据我们发酵罐的直径，D=3600mm，所以选择钢管制作B型 支承式支座，结构如下图：

6.5.2计算支座的总载荷：

1）总料液的重量：M1VLg107657.549.86.607105N 2）设备总重量和冷凝水重量：

①罐体重量M罐m罐g，将罐体看做圆柱体，其公称直径D3600mm，厚度

d7mm，总高度H8.68m，16MnR钢密度g7.85103Kg/m3， g9.8N/Kg；

计算得：M罐

(2

D

H2D2)dgg 2

(2

3.6

8.6823.62)71037.851039.89.67104N 2

②蛇管重量M管m管g，蛇管直径为100/114mm，蛇管长度L275m,钢材密度

g7.85103Kg/m3，g9.8N/Kg；

计

算

得

：

2

M管（D12D2）Lgg

（0.1140.1）2757.85109.81.9910N

2235

③冷凝水重量M冷m冷g，冷凝水密度冷996.3Kg/m3，g9.8N/Kg；

管道内径r内100mm，蛇管长度L275m,钢密度为7.85103 ，冷凝水密度水＝996.3kg/m3

计算得：

2

M冷Vgr内Lg996.33.140.122759.88.47104N

④电机及其他零部件重量Ml=mlg,电机质量M=1008Kg，联轴器质量35Kg，机架质量96Kg，凸缘法兰质量46Kg，管法兰质量4.65Kg，人孔质量341Kg等。

计算得：

9.81.5104N Mlmlg10083596464.65341

④总重量的计算MM1M2 综合计算得：

M2M罐M管M冷Ml9.671041.991058.471041.51043.95105N395KN

支座的总载荷为：MM1M26.0671053.951051002KN

6.5.3支座的型号和尺寸

每台搅拌罐常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算个承重。所以每个支座的约为承重为500KN。按要求选择钢管制作的7号支承式式支座，支座高度为490mm，垫板厚度为9mm。钢管材料为45号钢，底板为Q235A，垫板为0Cr18Ni9：

JB/T4712.4--2007,支座B7，h=490,﹠=9 材料：45钢，Q235A/ 0Cr18Ni9：

6.6视镜

视镜主要用来观察反应器内物料及其反应情况，一般安装在上封头。当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜，其主要尺寸可查手册。

带灯有颈视镜

1-视镜玻璃 2-衬垫

3-有颈接缘 4-压紧环

5-双头螺栓 6-盖形螺母 7-视灯镜

带灯有颈视镜主要尺寸

本次设计设置1个视镜，标准号HG21505－1992，直径为DN=150mm，开在顶封头上，位于右边轴线离中心轴800mm处，与人孔位于同一水平线上 6.7 液面计

液面计是用来观察设备内部液面位置的装置。常见的液面计有板式液面计、

玻璃管液面计、浮子式液面计、和磁性液面计4种类型，尤其以玻璃管液面计最为常用。液面计结构有多种型式，其中部分已经标准化，最常用的是玻璃管液面计、玻璃板液面计等。 其中玻璃板液位计具有读书清析、直观、可靠、结构简单、维修方便、经久耐用的特点，所以本次设计选用玻璃板液面计。其中T型液面计适用于公称压力2.5及6.3的情况，R型适用于公称压力4.0的情况，S型适用于常压及公称压力为0.6的情况。所以本次选用S型S0.6-ⅢQ由碳钢Ⅲ制成的。

由于发酵罐装液高度HL=H0+Hf=5013+940=5953mm,考虑到装液量溢出等原因，以液面计的顶端为基准点，因此取液面计的安装高度为6500mm。

6.8仪表接口

温度计：PT100铂电阻-DOCOROM常用温度传感器型号-TR/02125装配式热电阻，开在罐身上；

压力表：弹簧管压力表（径向型），精度2.5，型号：Y150，开在封头上； 液位计：采用HG5-1366-80反射式玻璃板液位仪，开在罐身上； 溶氧探头：A1-900MAX；

pH探头：SBH03-871PH-3P1A-3型； 6.9消泡器

发酵液中含有蛋白质等发泡物质，故在通气搅拌条件下回产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加杂菌感染机会。

消泡器就是安装在机械搅拌发酵罐内转动轴的上部或安装在机械搅拌发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置。从而达到消泡的目的。

安装在机械搅拌通风发酵罐内的消泡器，最简单实用的消泡装置为耙式消泡器， 可直接安装在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。我们发酵罐的设计选择耙式消泡器，已由前面计算得装料高度6.0m，取耙式消泡器高度6.2m，其中耙式消泡器轴径取与搅拌轴直径一样，以下是其主要尺寸和安装高度。

7.工艺设计计算结果汇总及主要尺寸说明

表一 罐体几何尺寸

表二 蛇管冷却装置

表三 搅拌装置（两层搅拌器）

表四 电机及V带设计

表五 其他部件选型

设计总结

曹刚同学的设计总结

这次我们完成的是装料量75 m3 的（赖氨酸）发酵罐设计，我担任组长的任务，进行了整个设计的分工配合的安排，本次设计中我们进行了分工合作，互相帮助的模式进行。我的主要工作内容是根据已有的设计任务的要求，查阅有关资料，搜集资料，进行总体设计方案的拟定和罐体主要结构的设计。首先我根据设计的要求，进行了总体方案的拟定，然后经过大家讨论进行确定。第二步，我负责罐体主要结构的设计，首先确定了本次75 m3 的（赖氨酸）发酵罐的主要结构组成，然后进行了关于罐体几何结构的计算以及验算，确定了罐体的几何尺寸，进行了75 m3 的（赖氨酸）发酵装料量及装料高度的验算，罐体材料及罐体厚度壁厚的计算等等。

在设计过程中发现了自己本身知识储备的不足，对于外界资料的需求多，特别是进行一系列的计算的时候，有些时候会遇到卡壳的问题，幸好有团队成员的帮助，才能完成这些验算。认识到了讨论交流对于一个团队的重要性。最后我还进行了全部设计的收集排版，做出了这次的设计。通过这次设计的进行，学到了很多关于发酵罐的知识，更了解了发酵过程中发酵罐的作用。认识到了团队的重要性。

总结人： 曹刚 学号：

罗鹏程同学的设计总结

这次课程设计我们完成的是75m3赖氨酸发酵罐的设计，这个课程设计由我们小组的成员分工合作完成，其中我负责第三、四步的设计工作，即蛇管冷却装置和搅拌器的设计及计算这两方面的工作，这两个方面的设计也是整个发酵罐设计中非常重要且必不可少的两个部分。因此本着认真负责的态度，我查阅了很多关于这两方面的纸质资料和电子资料。

由于我们小组参与设计的是75m3大型发酵罐，夹套换热装置不符合冷却需求，因此只能采用蛇管冷却方式。在蛇管冷却装置的设计方面，我参照资料和生物工程设备课程的PPT，认真选择蛇管的材料和管径。并合理运用公式对冷却面积、蛇管长度、蛇管内径、蛇管圈数和蛇管高度等数据进行认真计算。最后参照课件对蛇管的进出口进行合理的设计。

在搅拌器的设计计算方面我认真阅读了参考文献7《搅拌设备设计》，并结合我们的设计任务，确定搅拌器的类型、主要尺寸和搅拌器层数，并根据已确定的搅拌器尺寸对搅拌器的轴功率进行计算，并根据搅拌器的轴功率确定搅拌轴的轴径。

在设计过程中，我认识到了自己对课程掌握方面的不足，知识点存在遗漏现象，也不能熟练地应用已掌握的知识点。在此，我必须认真感谢黎老师对我们课程设计说明书的两次批改意见，给我们带来了宝贵的经验。通过这次课程设计任务，我学到了很多关于发酵罐的知识，更了解了发酵过程中发酵罐的作用。也锻炼了我们的动手能力和团队合作能力，认识到了合作在工作中的重要性。

总结人：罗鹏程 学号：20123779

易兴同学的课程设计总结

李汶忱同学的课程设计总结

在这次课程设计中，我的任务是画图，即用cad将设计好的发酵罐的装配

图画出来。整个过程是相当艰难的，因为我不仅要懂得前面同学所设计的每个部件的作用、位置、大致形状还要懂得怎么将其画出来，特别是一些形状根本不懂怎么去画，只有慢慢摸索。最让人头痛的是画了很长时间去就画某一个位置，后来发现画错了只有重头开始。后来通过百度，请教同学，看书终于明白了所有部件，也大致画了出来，我知道肯定有什么地方的细节我没处理好，但是这已经是现在的极限了，除非再花大量时间去完善。

现在所有的工作已经接近尾声了，每个人都忙了许久，因为我们算是边学边设计，我虽然免去了计算工作，但依然不轻松，当然其中的收获是很大的，在发酵罐的设计中，每一个方面都要考虑到，比如要根据装料量设计其高度厚度以及

换热方式，在比如搅拌桨的样式和直径安装高度都有非常严格的技术要求，我额外的学习到更多CAD画图技巧，比如镜像、整列、偏移等。

总结人：李汶忱 学号：20123780

参考文献

[1] 方书起.化工设备课程设计指导[M].化学工业出版社.2010. [2] 周大军.化工工艺制图[M].化学工业出版社.2009.

[3] 蔡纪宁.化工设备机械基础课程设计指导书[M].化学工业出版社.2011. [4] 林大均.简明化工制图[M].化学工业出版社.2010. [5] 梁世中.生物工程设备[M].中国轻工业出版社.2011 [6]陈偕中.化工设备设计全书.化学工业出版社..北京:375-415 [7]陈乙崇.搅拌设备设计.化学工业出版社.北京.79-154 [8]化工设备机械基础.化工出版社.2004