机械搅拌器直径大小与罐径的比例
年产6万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计
生物工程与设备课程设计说明书年产6万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计专业班级：生物工程作者学号：201106011158作者姓名：张晓勇指导老师：王君高王兰芝设计日期:2013年6月18日至2013年6月21日山东轻工业学院课程设计任务书食品与生物工程学院11 级生物工程专业学生张晓勇题目：年产6万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计一、主要内容：1、物料恒算，计算发酵罐总容积；2、求发酵罐个数，取单罐公称容积200m3；3、公称容积200m3发酵罐设计（罐体尺寸、壁厚、搅拌器类型选择及尺寸设计、搅拌功率计算、搅拌轴直径计算、冷却面积计算与设计）二、基本要求1、编写计算设计说明书（有前言、设计参数、物料恒算、发酵罐工艺设计，设计体会）2、用CAD绘出发酵罐结构图。
三、设计参数1、糖酸转化率61%2、发酵产酸水平11%3、发酵周期32小时4、发酵罐充满系数为0.75、味精分子式187.13（C5H8NO4Na）.H2O6、谷氨酸分子式147.13(C5H9NO4)7、谷氨酸密度取1.553g/cm3 8、残还原糖0.8%，干菌体1.7%9、谷氨酸提取率97.5%。
10、谷氨酸生产味精精制率为125%11、空罐灭菌压力0.25MPa 12、年工作日安330天计算四、主要参考资料〔1〕郑裕国《生物工程设备》化学工业出版社2007〔2〕高孔荣《发酵设备》轻工业出版社1991.10〔3〕梁世中《生物工程设备》轻工业出版社2002.2〔4〕化工设备设计全书编辑委员会编《搅拌设备设计》上海科学技术出版社1985〔5〕吴思方《发酵工厂工艺设计概论》中国轻工业出版社2007（6）化工工艺设计手册（7）于令信《味精工业手册》（8）张克旭《氨基酸发酵工艺学》轻工业出版社完成期限：自2013年6月18 日至2012 年 6 月21日指导教师：王君高王兰芝教研室主任：一、计算设计说明书前言机械搅拌式发酵设备和技术在整个制药、生物产品的开发过程中起着特别重要的作用。
搅拌釜尺寸计算
选择/输入区域Rev Date Created by Checked by Approved by计算结果区域B 2017/3/1Zhengzhou.liu *使用完退出时请不要保存第一步：估算搅拌釜尺寸客户要求处理量(L)长径比H/Di 装料系数 η选择封头类型封头个数参考直径（mm)参考筒体长度（mm)1500 1.30.8椭圆EHA 上下双封头12001560第二步：计算釜容积、最小处理量、液位高度、夹套容积估算选择封头类型选择封头个数设计封头内径/管帽外径Di(mm)/Do(mm)锥形封头小端内径Di(mm)筒体长度(mm)下封头容积(L)筒体容积 (L)全容积(L)平板封头上下双封头1400014000.02155.12155.1距下封头焊接线高度 (mm)液位值（L ）最小处理量80123.2液位值（L ）距下封头焊接线高度 (mm)液位一20001299.2液位二30001948.8液位三1500974.4夹套内径Di(mm)夹套封头WL线与釜体封头WL线间距(mm)设计夹套高（釜体封头WL线到夹套顶距离，mm）夹套总高(mm)实际夹套容积(L)1700100500600592.2夹套内径参考：内筒直径 DN=500~600, Di=DN+50内筒直径 DN=700~1800, Di=DN+100内筒直径 DN=2000~3000，Di=DN+200长径比H/Di 参考：一般搅拌罐，液固相或液液相物料，取1~1.3一般搅拌罐，气液相物料，取1~2发酵罐：取1.7~2.5装料系数η参考：反应过程中起泡或沸腾，取0.6~0.7反应过程平稳，取0.8~0.85F-JS-C-0001_搅拌釜尺寸计算。
搅拌设备设计_第五讲_搅拌机长宽比的确定方法
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通信地址： 河南省郑州市东风路 ! 号 工程系机设教研室 （"!###$ ）
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拌和物匀质性
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专 题 讲 座
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机械搅拌通风发酵罐的设计
课程设计任务书一、课程设计的内容1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点。
2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图5、撰写课程设计说明书二、课程设计的要求与数据高径比为2.5，南方某地，蛇管冷却，初始水温18℃，出水温度26℃1．应用基因工程菌株发酵生产赖氨酸，此产物是初级代谢产物。
牛顿型流体，二级发酵。
学号末尾数为0 ： 15M3发酵罐；1号：50M3发酵罐；2号： 200 M3发酵罐2．应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸，此产物是初级代谢产物。
牛顿型流体，二级发酵。
3号： 60M3发酵罐；4号 75M3发酵罐； 5号 100 M3发酵罐3．应用黑曲霉菌株发酵生产糖化酶，此产物是初级代谢产物。
非牛顿型流体，三级发酵。
6号： 15M3发酵罐； 7号: 20 M3发酵罐； 8号： 40 M3发酵罐； 9号：200 M3发酵罐(公称体积)三、课程设计应完成的工作1．课程设计说明书（纸质版和电子版）各1份2．设备装配图（A2号图纸420*594mm）1张四、课程设计进程安排五、应收集的资料及主要参考文献[1]郑裕国. 生物工程设备[M]. 北京：化学工业出版社，2007[2]李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计[M]. 广州：华南理工大学出版社，2006[3]陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计[M]. 杭州：华东理工大学出版社，2005[4]王福源主编.现代发酵技术(第二版)［M］. 北京：中国轻工业出版社，2004[5]潘红良，郝俊文主编.过程设备机械设计. 杭州：华东理工大学出版社，2006[6]吴思方主编.发酵工厂工艺设计概论［M］. 北京：中国轻工业出版社，2005[7]郑裕国主编，薛亚平副主编.生物工程设备［M］.北京：化学工业出版社，2007[8] 黄福源主编，生物工艺技术[M] .北京：中国轻工业出版社，2006摘要本文对黑曲霉菌株为原料生产柠檬酸的生产流程和主要反应设备作了设计和计算。
搅拌器设计
搅拌器设计选型绪论搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。
在工业生产中，搅拌操作时从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用。
搅拌操作分为机械搅拌与气流搅拌。
气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群一密集状态上升借所谓上升作用促进液体产生对流循环。
与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体进行的搅拌时比较弱的，对于几千毫帕·秒以上的高粘度液体是难于使用的。
但气流搅拌无运动部件，所以在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反应液体的搅拌时比较便利的。
在工业生产中，大多数的搅拌操作均系机械搅拌，以中、低压立式钢制容器的搅拌设备为主。
搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。
其结构形式如下图：一搅拌装置结构图第一章搅拌装置第一节搅拌装置的使用范围及作用搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，二很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。
搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的。
例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器约占反应器总数的99%。
搅拌设备的应用范围之所以这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的生产。
搅拌设备的作用如下：①使物料混合均匀；②使气体在液相中很好的分散；③使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀的悬浮；④使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化；⑤强化相间的传质（如吸收等）；⑥强化传热。
搅拌设备在石油化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、植被悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。
例如石油工业中，异种原油的混合调整和精制，汽油中添加四乙基铅等添加物而进行混合使原料液或产品均匀化。
化工生产中，制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺燃料和油漆颜料等工艺过程，都装备着各种型式的搅拌设备。
第二节搅拌物料的种类及特性搅拌物料的种类主要是指流体。
机械搅拌器直径大小与罐径的比例 (2)
机械搅拌器直径大小与罐径的比例从机械搅拌器的功能可以知道,叶轮叶片的直径大小不就是任意决定的,它可以影响叶轮的排出流量,也可以影响动力消耗,也就就是可以影响向液体中输入能量的大小,说明叶轮的大小直接影响搅拌过程的进行。
如果叶轮的大小选择合理,就能供给搅拌过程所需要的动力,还能提供良好的流动状态,完成预期的操作。
叶轮叶片的大小一般以桨径的大小(所谓桨径就是指叶轮回转时前端轨迹圆的直径)与叶轮的宽度来衡量。
桨径的选择与机械搅拌器的种类有关,与罐径的大小有关。
当搅拌罐中出现“圆柱状回转区”漩涡时,这个部分的混合很差,致使混合时间较长,不利于搅拌过程,所以一般都要设法缩小这个区域。
如果减小桨径就可以缩小“圆柱状回转区”的半径。
如果因为种种原因,不方便更改桨径,那么除了通过减小浆径来缩小“圆柱状回转区”外,还可以通过以下两种方法:安装搅拌器装置附件——挡板| 搅拌器的偏心式安装在低黏度液时,由于液体流动性好,能量传递较容易,所以不必担心由于桨径的减小会造成叶轮外围出现死区。
此时,只要叶轮的搅动液量范围够,就应将桨径取小些,以桨径与罐内径之比叫桨径罐径比d/D,一般桨式叶轮的d/D=0,35~0、8。
涡轮式叶轮的d/D一般为0、25~0、5。
桨式之所以将d/D的范围取大些,就是因为它的转速较低,还常用在黏度较高的条件下。
考虑到具体的操作目的,还可将桨径尺寸选择更合理些。
例如对于液液分散操作时,为使轻相组分不致集中在轴的附近,要使罐的中心部分与四周部分的分散相能侧时分散,取d/D=1/3最合适,对气-液分散操作,也取d/D=1/3。
据认为在这个条件下.当动力消耗一定时,传质速率较大。
当固-液相悬浮操作时,为使罐底的固体颗粒易于搅起,对不同类型的罐底可取不同的桨径。
桨径罐径比分别为:平底圆罐d/D=0、45 - 0、5,椭圆形底圆罐d/D=0、4,半球形底圆罐d/D=0、3。
对于特殊的液液乳化搅拌,为取得高的剪切能力,叶轮要高速同转,其桨径罐径比更小,一般为1/6~1/10。
搅拌机设计
第一节 罐体的尺寸确定及结构选型 （一）筒体及封头型式选择圆柱形筒体，采用标准椭圆形封头 （二）确定内筒体和封头的直径发酵罐类设备长径比取值范围是 1.7~2.5，综合考虑罐体长径比对搅拌功率、传热以及物料特性的影响选取/ 2.5i H D =根据工艺要求，装料系数0.7η=，罐体全容积39V m =，罐体公称容积（操作时盛装物料的容积）390.7 6.3g V V m η=•=⨯=。
初算筒体直径iii D H D H D V 442ππ=≈34ηπi gi D H V D ≈即m D i 66.17.05.214.33.643≈⨯⨯⨯=圆整到公称直径系列，去mm DN 1700=。
封头取与内筒体相同内经，封头直边高度mm h 402=， （三）确定内筒体高度H当mm h mm DN 40,17002==时，查《化工设备机械基础》表16-6得封头的容积30.734v m =224(90.734)3.643.14 1.74i V vH m D π--===⨯，取 3.7H m = 核算/i H D 与η/ 3.7/1.7 2.18i H D ==，该值处于1.7~2.5之间，故合理。
226.30.69'1.7 3.70.73444g gi V V V D H vηππ====+⨯⨯+该值接近0.7，故也是合理的。
（四）选取夹套直径表1 夹套直径与内通体直径的关系由表1，取10017001001800j i D D mm =+=+=。
夹套封头也采用标准椭圆形，并与夹套筒体取相同直径 （六）校核传热面积工艺要求传热面积为211m ，查《化工设备机械基础》表16-6得内筒体封头表面积23.34,3.7i A m m =高筒体表面积为21 3.7 3.14 1.7 3.719.75i A D m π=⨯=⨯⨯=总传热面积为3.1419.7523.0911A =+=>故满足工艺要求。
第二节 内筒体及夹套的壁厚计算 （一）选择材料，确定设计压力按照《钢制压力容器》（15098GB -）规定，决定选用0189Cr Ni 高合金钢板，该板材在150C 一下的许用应力由《过程设备设计》附表1D 查取，[]103t MPa σ=，常温屈服极限137s MPa σ=。
发酵罐设计
目录前言 (2)设计方案的拟定................................................................................... (3)（1）、机械搅拌生物反应器的型式 (3)（2）、反应器用途 (3)（3）、冷却水及冷却装置 (3)（4）、设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25 Mpa (4)表-发酵罐主要设计 (4)工艺设计及计算 (5)（1）生产能力、数量和容积的确定 (5)（2）主要尺寸计算 (5)（3）冷却面积的计算 (6)（4）搅拌器设计 (6)（5）搅拌轴功率的计算 (7)（6）i求最高热负荷下的耗水量W (8)ii 冷却管组数和管径 (9)iii冷却管总长度L计算 (10)iv 每组管长l和管组高度 (10)V 每组管子圈数n (10)Vi 校核布置后冷却管的实际传热面积 (10)（7）设备材料的选择 (10)（8）发酵罐壁厚的计算 (11)（9）接管设计 (12)（10）支座选择 (13)设计结果汇总 (14)参考资料 (14)发酵罐设计心得体会 (15)附录及设计图前言生化工程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=1.7-4.0②搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di :di:L:B=20:15:5:4③搅拌器直径：Di=D/3④搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D⑥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0.65-0.8②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.m3④溶氧系数：种子罐5-7×10-6molO2发酵罐6-9×10-6molO2⑤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。
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机械搅拌器直径大小与罐径的比例
从机械搅拌器的功能可以知道，叶轮叶片的直径大小不是任意决定的，它可以影响叶轮的排出流量，也可以影响动力消耗，也就是可以影响向液体中输入能量的大小，说明叶轮的大小直接影响搅拌过程的进行。
如果叶轮的大小选择合理，就能供给搅拌过程所需要的动力，还能提供良好的流动状态，完成预期的操作。
叶轮叶片的大小一般以桨径的大小（所谓桨径是指叶轮回转时前端轨迹圆的直径）和叶轮的宽度来衡量。
桨径的选择与机械搅拌器的种类有关，与罐径的大小有关。
当搅拌罐中出现“圆柱状回转区”漩涡时，这个部分的混合很差，致使混合时间较长，不利于搅拌过程，所以一般都要设法缩小这个区域。
如果减小桨径就可以缩小“圆柱状回转区”的半径。
如果因为种种原因，不方便更改桨径，那么除了通过减小浆径来缩小“圆柱状回转区”外，还可以通过以下两种方法：
安装搅拌器装置附件——挡板| 搅拌器的偏心式安装
在低黏度液时，由于液体流动性好，能量传递较容易，所以不必担心由于桨径的减小会造成叶轮外围出现死区。
此时，只要叶轮的搅动液量范围够，就应将桨径取小些，以桨径与罐内径之比叫桨径罐径比d/D，一般桨式叶轮的
d/D=0,35~0.8。
涡轮式叶轮的d/D一般为0.25~0.5。
桨式之所以将d/D的范围取大些,是因为它的转速较低，还常用在黏度较高的条件下。
考虑到具体的操作目的，还可将桨径尺寸选择更合理些。
例如对于液液分散操作时，为使轻相组分不致集中在轴的附近，要使罐的中心部分和四周部分的分散相能侧时分散，取
d/D=1/3最合适，对气-液分散操作，也取d/D=1/3。
据认为在这个条件下．当动力消耗一定时，传质速率较大。
当固-液相悬浮操作时，为使罐底的固体颗粒易
于搅起，对不同类型的罐底可取不同的桨径。
桨径罐径比分别为：平底圆罐
d/D=0.45 - 0.5，椭圆形底圆罐d/D=0.4，半球形底圆罐d/D=0.3。
对于特殊的液液乳化搅拌，为取得高的剪切能力，叶轮要高速同转，其桨径罐径比更小，一般为1/6~1/10。
在液体黏度很大，大到使流动进入层流状态时，轴附近的“圆柱状回转区”几乎变小到零，但因液体黏滞力很大，罐内易出现死区，所以桨径要取得很大，如采用锚式、框式及螺带式等，其d/D都在0.9以上。
推进式叶轮轴向流量大，体积循环能力强，一般桨径都不大，多取d=0,2-0.5其中以d/D=1/3为最常用。
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可将机械搅拌器根据转速区分为快速型与慢速型两类，它们的桨径罐径比不同。
以经常使用在过渡区与湍流区的为快速型，如涡轮式、推进式、鼠笼式与桨式等；以经常用在层流区的为慢速型，如螺带式、锚式、螺杆式等等。
对快速型搅拌器直径大小一般取2.0≤D/d≤8.0，即0.125≤d/D≤0.5；对慢速型的一般取1.04≤D/d≤2.0，即0.5≤d/D≤0.96。
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关于一个叶轮上叶片的数量，一般在桨式中常用双叶。
各种涡轮式的叶轮以6叶及8叶为多，最少的用3叶，最多有用16叶。
推进式有2叶、3叶和4叶，以3叶居多。
关于叶轮宽度的影响．可从机械搅拌器的动力消耗方面来分析。
可这样概括地说，在高黏度液体中，层流范围内动力消耗几乎和桨宽成正比，而在低黏度液中，仅在叶轮宽度范围较小时，动力消耗随桨宽增加而增加，当桨宽大到一定范围以上，动力消耗就不再因桨宽增大而增大了。
这里介绍一些常用桨宽b的数据。
对涡轮式，在不互溶液-液中搅拌时，取d/D=1/3，叶片数=4，桨宽b=(0.05~0.1)D。
在气-液分散操作中，取d/D=1/3．则取（b/D）n=0.15~0.3。
桨式的b=（0.1~0.25）D。
锚式、框式及螺带式其桨宽
b=0.1D。
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关于机械搅拌器在搅拌轴上的安装层数，一般都是从叶轮的搅动范围来考虑的，液层过高则要考虑设置多层叶轮。
对于低黏度液体，如黏度小于5000mPa.s 时径流型叶轮可搅动罐内上下范围为桨径的4倍，所以对常用的液层降度H=D时，只要一层叶轮即可。
推进式叶轮一般也在粘度大于110mPa.s及液层深度H>4d时才取积层。
对于高黏度液体，当黏度达到50000mPa.s时，上下可搅动的液体范围但是桨径的1/2，所以这时必须增加机械搅拌器层数。
多层搅拌如下图。
快速型机械搅拌器一般在H>1.3D时设置多层机械搅拌器，且相邻搅拌器间距不小于叶轮直径d。
一般情况下，我们也可以利用螺带螺杆搅拌器来加强液体在上下方向的循环，但是如果液体高度过高，那么多层搅拌器就是首选了。
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搅拌器技术参数
机械搅拌器在圆形罐中心直立安装时，桨式与涡轮式下层叶轮离罐底面的高度C一般为桨径的1~1.5倍。
如果为了防止底部有沉淀，也可将叶轮放置低些，如离底高度C=D/10。
最上层叶轮高度离液面至少要有1,5d的深度，特别是不设挡板液面中心有下陷时更要注意。
搅拌器过于接近液面会目液面下陷而使叶轮外露。
推进式叶轮的C值一般也等于1/3液层深度。
为了防止底部沉淀的产生也可以安装底挡板，下面是底挡板相关内容：底挡板和指形挡板
推进式搅拌器在倾斜安装和侧面安装时，其安装尺寸参见图2-9。
按照此图上的数据安装，可不致使被搅拌的液体产生固定的旋涡，有利于混合过程。
上面介绍的这些几何关系都是一些最常用的。
如图2-10上的几何尺寸关系可称为涡轮式的标准型尺寸。
只有尺寸选择合理，才有可能良好地发挥机械搅拌器的功能，特别是高黏度液体的搅拌，其叶轮尺寸、安装尺寸尤其重要，应当慎重选择。