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序號：
畢業(yè)設計（論文）文獻綜述
（2018屆）
學 生
學 院
題 目 10發(fā)酵罐設計
類 別 畢業(yè)設計? 畢業(yè)論文□
校內(nèi)指導教師
校外指導老師
材 料 目 錄
序號
名 稱
數(shù)量
備注
1
畢業(yè)設計（論文）任務書
1
2
文獻綜述（設計類）或開題報告（論文類）
1
1
3
外文翻譯（封面、譯文、原文）
1
1
年一月
學號:
畢業(yè)設計（論文）文獻綜述
（2018屆）
題 目 10發(fā)酵罐設計
學 生
學 院
校內(nèi)指導教師
校外指導老師
年一月
題目：10發(fā)酵罐設計
一、前言
1. 課題研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
發(fā)酵罐一般是指在工業(yè)上用作微生物發(fā)酵的裝置，廣泛應用于食品，能源，化工，制藥等行業(yè)，主要起發(fā)酵作用，是當今的熱門研發(fā)項目之一。發(fā)酵罐以體積分類可從1到100都有，從功能上看，有沼氣發(fā)酵罐[1]，啤酒發(fā)酵罐[2],,酶發(fā)酵罐[3]等，發(fā)酵罐的研究發(fā)展有益于以上提到的多個領域的發(fā)展，對減少工業(yè)上能源消耗，減少污染，提高生產(chǎn)效率等都有幫助。發(fā)酵罐的研發(fā)已然成為工業(yè)行業(yè)中不可忽視的生物技術研究項目之一。
作為發(fā)酵罐中的主要作用裝置，攪拌裝置可使多種不同物質(zhì)互相分散融合，使之均勻混合。化學工業(yè)中的很多反應都要以物質(zhì)的充分混合為前提，即使是加熱、冷卻或萃取等物理變化，通過攪拌的方法，往往能得到更好的結(jié)果。由于攪拌設備操作條件的可控范圍很廣，所以其應用范圍非常廣泛。
攪拌操作分為機械攪拌與氣流攪拌[4]。氣流攪拌中，氣體鼓泡通過液體層產(chǎn)生攪拌作用。也可利用氣泡集體上升產(chǎn)生氣升作用促進液體對流循環(huán)由于氣流攪拌的攪拌作用較機械攪拌弱，不能適用于高黏度流體，但氣流攪拌沒有運動部件，在處理腐蝕性液體或高溫高壓條件下的液體攪拌很有優(yōu)勢。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，還是以機械攪拌為主。攪拌設備主要由攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分組成，具體如下:
攪拌設備的研究，功率問題和攪拌設備的流體動力學研究有著重大意義，正確的功率研究[5]計算，可避免造成大量浪費和發(fā)動機的錯誤選型，導致負荷率低的不合理現(xiàn)象。但由于使用介質(zhì)不同，物理化學性能差異等因素的影響，使研究困難。流體力學的研究則已投入了大量的研究，攪拌釜內(nèi)流場的問題是研究熱點，通過建立三維模型[6]模擬流場研究是主要研究方法。在液體中進行攪拌會產(chǎn)生湍動，湍動與攪拌器使液體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋渦現(xiàn)象[7],使液體被劇烈攪拌。這對流體力學研究有重大意義。
現(xiàn)在國內(nèi)外發(fā)酵罐研究的主要在于改進反應釜設計，攪拌器，傳動裝置，傳熱裝置設計等[8]，在發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設計方面進行創(chuàng)新從而提高工作效率。國內(nèi)外發(fā)酵設備做的比較好的公司是德國貝朗（占中國市場的80%）、瑞士比歐、美國NBS、韓國、日本、華東理工和江蘇理工，這雖是多年前的情況但近幾年也未發(fā)生很大變化，而我國發(fā)酵工業(yè)的巨大發(fā)展不僅在于產(chǎn)量的巨大提升，更在于發(fā)酵技術和發(fā)酵工藝的巨大進步。當前發(fā)酵技術進步表現(xiàn)為：技術經(jīng)濟指標有明顯提高、工藝技術有重大改進、裝備水平大大改善。
為了適應時代的發(fā)展，發(fā)酵罐的設計也在不斷改進。智能與全能化始終是第一要題，而在需求的推動下，發(fā)酵罐的巨大化成了技術主流。國外的聚合容積已由之前的增加到。大型聚合釜的使用可減少操作和檢修人員，有利于減少成本，實現(xiàn)密閉或開放式發(fā)酵容器的轉(zhuǎn)變，增大產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，從而使處理大量或超大量的物料成為可能。所以低價值產(chǎn)品的巨大化，能以幾十或數(shù)百噸的產(chǎn)量來取勝是現(xiàn)在許多企業(yè)關心的地方。隨著發(fā)酵罐體積的逐漸巨大化，發(fā)酵罐也向矮胖型聚合釜發(fā)展，采用底部攪拌方式的發(fā)酵罐越來越多，其中，三葉后掠式攪拌器是目前最好的選擇之一，擁有排出量大，聚合釜內(nèi)液相循環(huán)充分等的特點。而另一方面，高價值轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的小型化也成為熱門話題，能把基因工程技術與發(fā)酵技術完美結(jié)合是一大難題。
圖2 攪拌設備結(jié)構(gòu)
1—攪拌器；2—罐體；3—夾套；4—攪拌軸；5—壓出管；
6—支座；7—人孔；8—軸封；9—傳動裝置
可適應多相物料的反應也是發(fā)酵罐未來的發(fā)展趨勢之一，現(xiàn)在的工業(yè)反應大多不是單純的單相反應，為了適應多相反應系統(tǒng)的需要，目前在工業(yè)上主要采用機械攪拌型，輸液泵型和氣升式發(fā)酵罐，但都還存在維修不方便、實現(xiàn)放大化難度大、適用范圍小等的缺點，所以都還有很大改進的空間。
2. 課題的研究目標、內(nèi)容和擬解決的關鍵問題
本課題的研究目標是進行10的發(fā)酵罐設計，以探討中小型發(fā)酵罐的研究設計問題為主。
研究內(nèi)容：1.了解學習發(fā)酵罐的作用，結(jié)構(gòu)組成，在行業(yè)內(nèi)的發(fā)展
2．運用所學知識進行發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)論述和尺寸設計
3．根據(jù)所學相關知識進行工藝計算
4．學習相關設計規(guī)范，并依照其進行強度計算和機械設計
5．繪制CAD圖，進行三維分析
6．掌握發(fā)酵罐設計的整個內(nèi)容
關鍵問題：1．需要熟悉國家標準，并嚴格按照國標[9]進行設計
2．校核過程尤為重要，當不符合強度要求時需要即時擬定修改方法
3．發(fā)酵罐內(nèi)流場問題的分析
二、設計方案的確定
1． 方案的原理、特點與選擇依據(jù)
參考過往課程設計的經(jīng)驗進行工藝，結(jié)構(gòu)，強度等計算，并根據(jù)課題要求，考慮發(fā)酵罐的容積，工作溫度，工作壓力，所處環(huán)境，發(fā)酵罐的傳熱面積，攪拌功率，轉(zhuǎn)速和裝配方式等進行設計。
在選擇材料時，要嚴格按照國標[10]要求，以經(jīng)濟，合理，安全等理念進行選材。
發(fā)酵罐的基本工作原理：利用機械攪拌的方式進行攪拌物料，從而產(chǎn)生軸向和徑向的流動，使發(fā)酵罐內(nèi)物料良好混合，液體中的固態(tài)物質(zhì)保持懸浮狀態(tài)，使固體和營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，便于營養(yǎng)吸收；另一方面，打碎氣泡，增加氣液兩相接觸面積，提高氣液間的傳質(zhì)速率，加強氧的傳遞效果及消除泡沫。同時通入無菌空氣維持菌體氧氣需要，滿足好氧菌的生長發(fā)酵。
2．設計步驟
2.1物料衡算
對發(fā)酵罐進行工藝計算，從而確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。
2.2確定結(jié)構(gòu)形式及尺寸
根據(jù)工藝的要求，按照物料的體積、質(zhì)量、特性、傳熱的方式、安裝和維修的要求，確定發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸[11]，如選擇何種封頭，簡體的大小、軸封形式選擇等[12]。
2.3選擇材料
根據(jù)發(fā)酵罐所處的工作情況、所處壓力、溫度、化學腐蝕等條件，嚴格按照《壓力容器》的規(guī)定，從材料的供應狀況和經(jīng)濟性的原則出發(fā)選材[13]。
2.4結(jié)構(gòu)設計和強度計算
根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)、受力情況及材料的機械性能和抗腐蝕能力[14]，進行強度計算，確定其結(jié)構(gòu)尺寸。
計算內(nèi)容包括：
2.4.1罐體的長度、容積
2.4.2筒體內(nèi)徑與筒體長度
2.4.3筒體封頭壁厚的計算
2.4.4水壓試驗校核[15]
2.4.5開孔補強計算
2.4.6接管選擇
2.4.7攪拌裝置設計
2.4.8支座設計
其中開孔補強的原因是如果在容器上設計開孔，其開孔部位的強度會下降，而且會破壞容器的連續(xù)穩(wěn)定性，使開孔和接管部位變形，需要增加殼體的厚度。
2.5零件的選用
發(fā)酵罐攪拌釜所使用的攪拌、傳動、密封、傳熱等裝置及其他零部件大多已系列化、標準化。因此根據(jù)所給工況條件，嚴格按照國家標準選用攪拌釜所使用的零部件。
2.6施工圖設計
2.6.1根據(jù)計算結(jié)果，繪制施工圖，確定制造要求，給出各零件的重量及設備總重量、材料的類型、規(guī)格、使用量及標準件等。
2.6.2所需施工圖紙包括：CAD設備總圖、裝配圖、零部件圖以及三維圖。
2.6.3根據(jù)課題提供的實際工作情況，提出制造、裝配、檢驗、維護、修理等技術要求。
三、階段性設計計劃、設計目標與應用價值
階段性計劃：
學期
周 次
工 作 內(nèi) 容
檢 查 方 式
2017-2018-1
17-19
課題介紹、熟悉課題、查閱文獻、翻譯外文資料、學習標準規(guī)范、撰寫文獻綜述
至少收集十五篇相關資料，翻譯一篇英文資料（要求為近五年發(fā)表），完成文獻綜述。網(wǎng)上提交正稿
2017-2018-2
1-2
確定設計方案, 確定結(jié)構(gòu)尺寸，攪拌功率計算
網(wǎng)上提交攪拌功率計算結(jié)果
3-5
方案論證，設備強度計算
完成計算書，網(wǎng)上提交計算書
6-11
畫CAD裝配圖，零部件圖及三維圖
網(wǎng)上提交電子版
12-14
編寫設計說明書，準備答辯
設計說明書1份，網(wǎng)上提交說明書
15
畢業(yè)答辯
提交答辯材料，包括：撰寫規(guī)范的畢業(yè)設計說明書電子版、紙質(zhì)版
16
對答辯發(fā)現(xiàn)的問題進行整改
網(wǎng)上提交全套完善的資料
設計目標：根據(jù)要求，通過計算獲得10發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)并通過強度校核，從而設計出符合要求的發(fā)酵罐。并通過這次設計掌握發(fā)酵罐設計的整個過程，鍛煉我們的設計能力，為以后適應工作打下基礎。
應用價值：本課題為10發(fā)酵罐設計，屬于中小型發(fā)酵罐的設計范圍。目前發(fā)酵罐已經(jīng)應用于多個領域，而進行實驗室發(fā)酵罐的設計研究可以為工業(yè)發(fā)酵罐的發(fā)展打下理論基礎，包括發(fā)酵罐放大技術的研究，攪拌裝置結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化，理論上研究發(fā)酵罐多相流體運動的分析等，具有很高的研究價值和很好的發(fā)展前景。
四、參考文獻
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[15] 國家質(zhì)檢總局．TSG 21-2016固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程[S]．北京:新華出版社，2016．06
五、指導教師審閱意見
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