气生循环式发酵罐设计

武汉科技大学 课程设计题目：200T内循环气升式生物发酵罐 - 17 -目 录一、绪论- 1 -二、设计任务- 2 -三、反应器基本设计参数设计- 5 -（一）液体喷射循环反应器基本设计参数- 5 -（二）液体喷射循环反应器的循环阻力- 7 -（三）驱动循环的功率和效率- 8 -四、设备工艺结构计算- 8 -五辅助设备设计选型- 12 -六、热量衡算- 14 -七、设计数据- 15 -八、设计总结- 15 -参考文献- 16 -一、 绪论1. 发酵工程课程设计的目的和要求课程设计是发酵工程课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也是生物工程专业学生必备的能力。特别在现在生物发酵产业日趋扩大，在国民经济中的迅速发展且越来越受到亲睐，加之现在能源危机，作为一个好的发酵工厂设计师必须要有很好的课程设计的能力，而教学计划中的课程起着培养学生独立工作和课程设计能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。 通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力； 4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2.发酵工程课程设计的内容和步骤 （一）课程设计的基本内容 1. 设计方案简介 对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述； 2. 主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计等； 3. 典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定； 4. 带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点； 5. 主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据。 （二）课程设计的步骤 1. 确定设计任务； 2. 阅读指导书和查阅资料； 3. 现场调查； 4. 设计计算，绘图和编写说明书；5. 考核和答辩。3.带控制点的工艺流程图的绘制 带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。4.主体设备工艺条件图主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。一般，主体设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。例如，换热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类似情况。主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。图面上应包括如下内容:1. 设备图形 指主要尺寸(外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸)、接管、人孔等；2. 技术特性 指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒性和爆炸危险性；3. 设备组成一览表 注明组成设备的各部件的名称等。应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计，应在上述工艺设计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。二、 设计任务1.设计任务 以葡萄糖发酵酒精为例，设计一200T内循环气升式生物酒精发酵罐。设计包括设计说明书一份，设备装配图一张。2.设计任务说明 气升式生物反应器是应用较广泛的一类无机械搅拌式的生物反应器。气升式生物反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现流体搅拌、混合和传氧。气升式发酵罐是最为组要和常见的气升式生物反应器，发酵罐分为上升管和下降管，含气量高的发酵液上升，含气量低的发酵液下降，压力表推动发酵液的罐内循环。上升管和下降管装置在罐外，称为外循环；装置在罐内，称为内循环。气升式发酵罐具有结构简单，易于清洗维修，不易染菌，能耗低、溶氧效率高，安装维修方便等特点。气升式发酵罐有带升发酵罐、空气提升式发酵罐、气升及外循环发酵罐、气升环流发酵罐等型式。目前中国生产的产品有玻璃气升罐（CFQS）、不锈钢气升罐（CUQS）两类，玻璃气升罐的体积为15L、10L、15L；不锈钢气升罐体积为0.005150kL，高径比310。是适合培养微生物细胞生物量的反应器，也可用于一些对溶氧要求不高的微生物代谢反应，近几年也用于酒精等厌氧发酵。气升式发酵罐结构形式有内循环、外循环、气体环流、筛板、塔式等。2.1气升式发酵罐特点气升式发酵罐结构简单，节省动力，操作维修方便，杂菌污染机会少，装料系数高（80%90%）,氧的传质系数高，可用于高浓度培养。例如，喷射式环流发酵罐与机械搅拌式发酵罐在同样的能耗下，样的传递速度高得多。其具体特点如下：（1）反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动混合与停留时间分布均受到影响。对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都落在0.1%1%范围内，溶氧为10%30%。这对需氧生物细胞生长和产物生成有利。此外还需要避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞聚集与上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。气升环流反应器能很好的满足这些要求。（2）较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率和比气液接触介面，因而有高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，kLa可达2000h-1，且溶氧功耗相对较低。例如一台25m3的ALR，溶氧速率28kg/(m3.h)，效率达12kg(O2)/(kW.h).（3）剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞和组织培养。（4）传热良好：好气发酵罐产生大量发酵热，如酵母培养旺盛是发酵液高达3.04.8105kJ/(m3.h),而传热温差则只有几度（）尤其夏季，若使用非冷冻水，则只要310左右，股需要很大换热面积与传热系数。气升式生物反应器因液体综合循环效率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热控制适宜的发酵温度，即所谓的具有外循环冷却的气升式发酵罐。（5）结构简单，易于加工制造：气升式反应罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，故加工制造方便，设备投资低。故发大设计制造大型和超大型发酵反应器也已实现，如国际上著名的ICI压力循环发酵罐体积达3000m3另一种“BIOHCH”也达 3000m3以上。更大的反应器如鼓泡塔是”Bayer AG”反应器体积达13000m3目前用于生化废水处理。（6）操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅拌系统，故结构简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现渗漏染菌问题；另外因无机械搅拌产热，故发酵总热量较低，便于热冷却系统的装设。此外，气升式发酵罐设计技术已成熟，易于放大放大设计和模拟。2.2气升式发酵罐的类型及原理（1）带升式发酵罐带升式发酵罐的特点是：结构简单，冷却面积小；不需要交半设备，节省动力月50%；装料系数达80%90%；维修操作及清洗简便，减少杂菌污染。带升式发酵罐的工作原理：其主要工作原理是在管外装置上升罐，上升罐两端与罐底及上部相连接，构成一个循环体系。在上升管的下部装置空气喷嘴，空气以250300m/s的高速喷入上升管，使空气分割细碎，与上升罐的发酵液密切接触。由于上升罐内部发酵液密度相对较小，加上压缩空气的功能，使液体上升，罐内液体下降进入上升管，形成反复循环，有内循环（图1中a）和外循环（图1中b）两种。（2）气升及外循环发酵罐 其原理是：空气从罐底内进入，利用气体分布器使空气分散与液体充分混合上升，经带升官回流返回罐的底部，下部的发酵液经循环泵热交换器送至灌顶的喷淋器喷淋器起消泡作用。这种罐适用于石蜡为原料的发酵。罐内压力可维持500kPa。样的传递系数较高，可用于高浓度培养，菌体质量分数可达6%以上。图1 带升式发酵罐1人孔；2视镜；3空气管；4上升管；5冷却器；6单向阀门；7空气喷嘴；8带升管；9罐体;（3）气升环流发酵罐气升环流发酵罐的形式较多，常用的有高位发酵罐、低位发酵罐及压力发酵罐几种。罐的结构简单，易于放大，罐的高度增大可以提高样的传递系数增大对流体的驱动力，驱动力的调节是通过气体的流量控制的。具有外循环冷却的气升环流式发酵罐，通气管与罐底的距离是通气管直径的0.51.5倍气体经多空管送入罐内，多空板之下是气液分离带，此处回流培养液的泡气率降至10%以下。从罐底引出培养液，用离心泵送到热交换器后从上部回流入罐内。Franckowaik气升环流发酵罐，在发酵罐内装有多个圆筒，部分作为冷却管，部分作为通气管。通气管底部设多孔板使进入的空气分散；培养液沿通气管上升，在管外空间下降。罐的高径比比较小，可节省空气的压缩动力。上升管与下降管总截面积之比为0.52，最好在0.81.2范围。对于培养植物或动物细胞，要求没有高度的剪切力，防止对细胞伤害，设备对培养基应能充分搅动均匀分散。细胞培养多采用气升环流式。气体从转轴通入，由底部的环形吹泡管喷出，向上与培养液均匀接触后由上部排出。气流的气泡与培养基充分混合，有旋转地推进口排出，向下流动至下部，被旋转的推进器吸入后排出，形成环流。设备对供气、氧、氮、二氧化碳均能控制。设备特点是低转速高溶氧。（4）塔式发酵罐 塔式发酵罐又称空气搅拌高位发酵罐，此类发酵罐的用途较多，已获得推广使用。发酵罐特点是：罐身高。中国土霉素等生产用的设备，高径比约为7，罐内装有导流筒。由于液位高，空气利用率高，节省空气约50%，节省动力约30%；设备简单，不用电机搅拌，但底部有沉淀物，温度高时较难降温。塔式发酵罐适用于多级连续发酵。有的多级连续发酵器具有10多层筛板，用于微生物产水杨酸的培养。在实验室中对金霉素发酵进行错流多级半连续发酵试验，定期以新培养基置换发酵液，并补充新的种子培养液。实验结果认为可防止菌丝的衰老和野生菌的产生，连续发酵800h后，效价仍能稳定在一定水品。2.3气升式发酵罐的应用气升式反应器在单细胞蛋白的生产和污水处理中用得最多，也广泛用于植物细胞和动物细胞的培养，也有用于其他微生物发酵的。用于污水处理的气升式竖井循环反应器已有100m到300m深的规模。这类反应器实际上是外循环反应器，一个竖井作为上升管，另一个竖井作为下降管，由于装液很深，在上升管底部通气促使循环能耗太大，因此希望在下降竖井内用喷嘴向下喷入气液混合物以维持循环，但此动力不足以启动循环，因此在开车时，先由上升管通气，进入循环后在慢慢转换成下降管的通气，理想状况是达到稳定操作时只需向降液竖井通气。内循环气升式反应器以用于酒精发酵中。压缩的CO2从底部鼓泡进入反应器内，在反应器顶和挥发的乙醇一起排出。混合气经压缩冷凝，乙醇气体在高压冷凝下与CO2分离，变成液体排出冷凝系统后收集，以减少产物抑制，高压CO2返回反应器入口。在下降管内，沉降下来的细胞被收集返回上升管，保持高细胞密度，以提高反应器发酵速率。用通常的发酵罐，产物流中的已醇含量约为14%（体积分数），用而这样的反应器，包括冷凝收集的乙醇，总出口乙醇含量可达到20%。Koning和Schugerl曾将气升式反应器用于青霉素的发酵，实验规模为：反应器的通气管高280cm，直径20cm，外循环管5cm,。菌体以颗粒状存在，在非优化的条件下，由于菌密度降低，青霉素的绝对产量降低35%，但是单位功率产生的青霉素产量大大提高，放罐时发酵液易于分离，因此认为用气升式反应器是一种更经济的生产青霉素的方法。气升式生物反应器不适合用于表面活性剂的生产，因为气升式反应器的剪切力不足以更新表面活性剂微囊的表面。也不适合高粘度的非牛顿型流体反应体系。三、 反应器基本设计参数设计本设计为气液混合式喷嘴循环反应器，基本参数有以下几种。（一）液体喷射循环反应器基本设计参数一般状况下葡萄糖的浓度为20%，则此发酵液密度. 反应液的体积为 取反应器高径比 则 ，带入,求得反应器直径Dt与发酵液高H： 反应液质量气升式反应器液体在循环管内的流速一般为为，在这里我们取液体在循环管内的流速 .取导流管（内筒）直径Dr与反应器直径Dt之比：，则 .管内平均质量流为.设发酵液进出口质量流率，喷嘴直径0.5m. 循环比.而，所以,带入，即喷嘴中流体流速为. 平均循环速度 . 循环空速. 平均循环时间 平均停留时间 平均喷嘴出口液体流速 喷嘴雷诺数由文献20C下葡萄糖的运动粘度 . 喷嘴处的运动粘度 .则喷嘴处雷诺数. 平均循环雷诺数 雷诺数之比.（二）液体喷射循环反应器的循环阻力阻力数：，其中是液体循环所引起的阻力。.（三）驱动循环的功率和效率 满足条件必须大于，则产生循环的效率.四、设备工艺结构计算1.发酵罐直径根据前面的计算结果，发酵罐的直径为。2发酵罐总高封头及气液分离区总高高取 ，则发酵罐总高为：.3发酵罐的材料发酵罐置于露天环境，要进行良好的保温，以降低生产中的耗冷量，所用保温材料要求热导率低，密度小，吸水率低，不易燃烧。聚苯乙烯泡沫塑料是最佳绝缘材料，但价格较高，聚苯胺树脂价格较便宜，可现场发泡喷涂，施工方便，但易燃。两种材料的保温厚度为15-20cm，膨胀珍珠岩因易吸水，保温性能要差一些，但价格低廉，使用厚度为20-25cm为宜，结合本设计实际情况，综合考虑选价格中等的聚酰胺树脂作为保温材料。保温材料外部设防护层，采用瓦楞型板材，罐体采用型号为0Cr18Ni9的不锈钢。4椭圆封头的设计常见的上封头有球冠形封头、半球形封头、蝶形封头、椭圆形封头，由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中盈利分布计较均匀，另外椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成形，故本设计采用椭圆形封头。4.1设计参数的确定（1）设计压力P设计压力是指发酵罐顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。本设计发酵罐上装有安全阀，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力P不能低于安全阀的开启压力，通常设计压力为安全阀开启压力的1.05-1.1倍，本设计采用设计压力为安全阀开启压力的1.1倍。本设计采用一罐法发酵工艺发酵，在发酵过程中去安全阀的最大开启压力为0.16Mpa。则设计压力P=1.10.16=0.176MPa（2）设计温度设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度，它用于确定材料的许用应力，本设计发酵罐最高的工作温度为16，为安全起见，考虑到发酵罐有保温和保冷措施，及一定的安全性。设计温度取18。（3）许用应力许用应力是容器壳体、封头等受压元件的材料允许的最高强度。本设计选用的材料为不锈钢0Cr18Ni9型号，查表知其许用应力为137Mpa。（4）焊接接头系数通过焊接制成的容器，其焊缝的强度比较薄弱，为了补偿焊接时可能出现的焊接缺陷对容器强度的影响，引入了焊接接头系数，它反映了由于焊接连接时材料强度的削弱程度，本设计采用焊接方式为双面角焊接，全部无损探伤，故焊接系数为1。（5）厚度附加量按公式计算得到的容器厚度，不仅要满足强度和刚度要求，而且还要根据实际情况加入一定的厚度附加量C。C=C1+C2式中 C1厚度负偏差，C2腐蚀裕量本设计取C1=0.3mm，C2=1mm，故C=1.3mm。4.2椭圆封头厚度的计算 式中：计算厚度 K形状系数，此处选标准椭圆形封头，故为1。 设计温度下材料的许用应力，又由材料0Cr18Ni9查表得t=137MPa。 焊接接头系数，=1.则 =2.06mm设计厚度d=+C=2.06+1.3=3.36mm，圆整至4mm。即名义厚度n=4mm。又由于标准椭圆形封头的厚度不小于0.15%Di，0.15%Di=32000.15%=4.8mmn=4mm，（注：为简化计算，取加工减薄量为0）故取厚度为4.8mm，圆整至5mm。 4.3椭圆封头强度校核（1）：压力校核最大允许工作压力：Pw=式中封头的有效厚度=-C=5-1.3=3.7mm，故Pw=0.32MPaPc=0.176Mpa(设计压力)故压力校核符合要求。（2）：应力校核: 式中P试验压力，本处取最大工作压力Pw试验压力下的许用应力所以=57.2Mpa0.307MPa(设计压力)（2）：应力校核 =PDi+(-C)/2(-C) =0.3073200+(5-1.3)/2(5-1.3)=131MPa2m时，几乎不产生循环，罐内液面与上升罐内液面相平时，效率最高，所以罐内液面不允许低于上升管中心线0.5m，也不允许超过1.6m。因此：设计，并且上升管处于发酵罐中央。喷嘴直径，处于发酵罐中央，喷口离罐底为1.5m六、热量衡算 冷却面积计算 总发酵热 .假定发酵时间为60h，主发酵温度为=32C,冷却水进出口温度分别为取， 所以冷却面积平均温度，七、设计数据表1 气升式酒精发酵罐设计基本参数项目数据项目数据发酵罐直径Dt(m)3上升管直径Dr（m）2.55发酵罐体积VR(m3)200上升管高度He（m）22发酵罐处理量(吨)200喷嘴直径D1（m）0.5发酵液高度H(m)24循环比3发酵罐高径比S8八、设计总结通过本次课程设计，我对气升式生物反应器有了一个更深的认识，在完成课程设计要求的同时，也学会了许多知识，锻炼了自己课程设计、查阅文献、独立思考以及利用Auto CAD绘图等各方面的能力。从设计的过程中，我也认识到了自己的许多不足。通过课程设计，我清楚的认识到理论与实际之间还是有很大差距的，理论知识学的好不一定就证明实际操作能力强，理论知识固然重要，但对生物工程专业来说，特别像发酵工程，都是实用性很强的专业，它更注重实际操作能力，只有将理论联系实际所学知识、理论才有用武之地才能发挥它应有的作用。其次，对于实际生产操作，理论知识应当符合实际，并不是全盘按照理论知识和数据严格指导要求实际生产。在课程设计和实际生产中必须学会对数据的近似处理，找到最佳、最符合生产实际的数据和要求，不能一味的追求实际与理论的完全吻合。所以，对一个工程师来说，具有丰富的生产实际和课程设计经验是非常重要的，这也同时证明了课程设计对我们的重要性。但是，由于时间安排的不合理，课程设计与考研冲突导致本次课程设计并不是很成功，设计任务的选题也不是很合理。我本人认为，发酵设计是一个连续的过程，必须对某一个过程有一个全面的了解，才能把握个别单个设计要求与过程。对于初次搞设计的同学应该先给出一个明确的设计任务，才能让设计顺利进行下去。而本次设计，设计题目及要求过于简单，对我们初学设计的同学来说难度很大，因而也将最导致很多同学马虎对待，降低课程设计的质量。最后，我觉得老师的培养方案有严重偏差，要求有严重不合实际，虽然我们学过了Auto CAD制图，但机械制图没有学想画出来一副标准的CAD图来，对我们仅学过一点点CAD知识的人来说那简直就是太不实际了。所以，本次设计相关的图做的不好是非常正常的。对于本次课程设计，虽然我也学到了很多东西，但我还是认为这是一次非常失败的设计。参考文献1) 郑裕国，薛亚平生物工程设备M北京：化学工业出版社，20072) 吴思方生物工程工厂设计概论M北京：中国轻工业出版社，20073) 张元兴，许学书生物反应期工程M 上海：华东理工大学出版社，20014) 陈洪章生物过程工程与设备M北京：化学工业出版社，20035) 梁世中生物工程设备M北京：中国轻工业出版社，20026) 郑裕国，薛亚平生物加工过程与设备M北京：化学工业出版社，20047) 戚以政，夏杰生物反应工程M北京：化学工业出版社，2004