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序號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述
（2018屆）
學(xué) 生
學(xué) 院
題 目 10發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
類 別 畢業(yè)設(shè)計(jì)? 畢業(yè)論文□
校內(nèi)指導(dǎo)教師
校外指導(dǎo)老師
材 料 目 錄
序號(hào)
名 稱
數(shù)量
備注
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
1
2
文獻(xiàn)綜述（設(shè)計(jì)類）或開(kāi)題報(bào)告（論文類）
1
1
3
外文翻譯（封面、譯文、原文）
1
1
年一月
學(xué)號(hào):
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述
（2018屆）
題 目 10發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
學(xué) 生
學(xué) 院
校內(nèi)指導(dǎo)教師
校外指導(dǎo)老師
年一月
題目：10發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
一、前言
1. 課題研究的意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
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(yīng)用于食品，能源，化工，制藥等行業(yè)，主要起發(fā)酵作用，是當(dāng)今的熱門研發(fā)項(xiàng)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(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)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(shù)研究項(xiàng)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(xué)工業(yè)中的很多反應(yīng)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(guò)攪拌的方法，往往能得到更好的結(jié)果。由于攪拌設(shè)備操作條件的可控范圍很廣，所以其應(yīng)用范圍非常廣泛。
攪拌操作分為機(jī)械攪拌與氣流攪拌[4]。氣流攪拌中，氣體鼓泡通過(guò)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(jìn)液體對(duì)流循環(huán)由于氣流攪拌的攪拌作用較機(jī)械攪拌弱，不能適用于高黏度流體，但氣流攪拌沒(méi)有運(yùn)動(dòng)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(shì)。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，還是以機(jī)械攪拌為主。攪拌設(shè)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(shè)備的研究，功率問(wèn)題和攪拌設(shè)備的流體動(dòng)力學(xué)研究有著重大意義，正確的功率研究[5]計(jì)算，可避免造成大量浪費(fèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)的錯(cuò)誤選型，導(dǎo)致負(fù)荷率低的不合理現(xiàn)象。但由于使用介質(zhì)不同，物理化學(xué)性能差異等因素的影響，使研究困難。流體力學(xué)的研究則已投入了大量的研究，攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)的問(wèn)題是研究熱點(diǎn)，通過(guò)建立三維模型[6]模擬流場(chǎng)研究是主要研究方法。在液體中進(jìn)行攪拌會(huì)產(chǎn)生湍動(dòng)，湍動(dòng)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(duì)流體力學(xué)研究有重大意義。
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外發(fā)酵罐研究的主要在于改進(jìn)反應(yīng)釜設(shè)計(jì)，攪拌器，傳動(dòng)裝置，傳熱裝置設(shè)計(jì)等[8]，在發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行創(chuàng)新從而提高工作效率。國(guó)內(nèi)外發(fā)酵設(shè)備做的比較好的公司是德國(guó)貝朗（占中國(guó)市場(chǎng)的80%）、瑞士比歐、美國(guó)NBS、韓國(guó)、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(guó)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(shù)和發(fā)酵工藝的巨大進(jìn)步。當(dāng)前發(fā)酵技術(shù)進(jìn)步表現(xiàn)為：技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有明顯提高、工藝技術(shù)有重大改進(jìn)、裝備水平大大改善。
為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)。智能與全能化始終是第一要題，而在需求的推動(dòng)下，發(fā)酵罐的巨大化成了技術(shù)主流。國(guó)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(shí)現(xiàn)密閉或開(kāi)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(jià)值產(chǎn)品的巨大化，能以幾十或數(shù)百噸的產(chǎn)量來(lái)取勝是現(xiàn)在許多企業(yè)關(guān)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(lái)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(diǎn)。而另一方面，高價(jià)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(shù)與發(fā)酵技術(shù)完美結(jié)合是一大難題。
圖2 攪拌設(shè)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(dòng)裝置
可適應(yīng)多相物料的反應(yīng)也是發(fā)酵罐未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一，現(xiàn)在的工業(yè)反應(yīng)大多不是單純的單相反應(yīng)，為了適應(yīng)多相反應(yīng)系統(tǒng)的需要，目前在工業(yè)上主要采用機(jī)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(shí)現(xiàn)放大化難度大、適用范圍小等的缺點(diǎn)，所以都還有很大改進(jìn)的空間。
2. 課題的研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
本課題的研究目標(biāo)是進(jìn)行10的發(fā)酵罐設(shè)計(jì)，以探討中小型發(fā)酵罐的研究設(shè)計(jì)問(wèn)題為主。
研究?jī)?nèi)容：1.了解學(xué)習(xí)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(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)論述和尺寸設(shè)計(jì)
3．根據(jù)所學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行工藝計(jì)算
4．學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，并依照其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和機(jī)械設(shè)計(jì)
5．繪制CAD圖，進(jìn)行三維分析
6．掌握發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的整個(gè)內(nèi)容
關(guān)鍵問(wèn)題：1．需要熟悉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)
2．校核過(guò)程尤為重要，當(dāng)不符合強(qiáng)度要求時(shí)需要即時(shí)擬定修改方法
3．發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)問(wèn)題的分析
二、設(shè)計(jì)方案的確定
1． 方案的原理、特點(diǎn)與選擇依據(jù)
參考過(guò)往課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝，結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度等計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。
在選擇材料時(shí)，要嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)[10]要求，以經(jīng)濟(jì)，合理，安全等理念進(jìn)行選材。
發(fā)酵罐的基本工作原理：利用機(jī)械攪拌的方式進(jìn)行攪拌物料，從而產(chǎn)生軸向和徑向的流動(dòng)，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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，便于營(yíng)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(qiáng)氧的傳遞效果及消除泡沫。同時(shí)通入無(wú)菌空氣維持菌體氧氣需要，滿足好氧菌的生長(zhǎng)發(fā)酵。
2．設(shè)計(jì)步驟
2.1物料衡算
對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行工藝計(jì)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(jiǎn)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(xué)腐蝕等條件，嚴(yán)格按照《壓力容器》的規(guī)定，從材料的供應(yīng)狀況和經(jīng)濟(jì)性的原則出發(fā)選材[13]。
2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)、受力情況及材料的機(jī)械性能和抗腐蝕能力[14]，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定其結(jié)構(gòu)尺寸。
計(jì)算內(nèi)容包括：
2.4.1罐體的長(zhǎng)度、容積
2.4.2筒體內(nèi)徑與筒體長(zhǎng)度
2.4.3筒體封頭壁厚的計(jì)算
2.4.4水壓試驗(yàn)校核[15]
2.4.5開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算
2.4.6接管選擇
2.4.7攪拌裝置設(shè)計(jì)
2.4.8支座設(shè)計(jì)
其中開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的原因是如果在容器上設(shè)計(jì)開(kāi)孔，其開(kāi)孔部位的強(qiáng)度會(huì)下降，而且會(huì)破壞容器的連續(xù)穩(wěn)定性，使開(kāi)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(dòng)、密封、傳熱等裝置及其他零部件大多已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。因此根據(jù)所給工況條件，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選用攪拌釜所使用的零部件。
2.6施工圖設(shè)計(jì)
2.6.1根據(jù)計(jì)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(shè)備總重量、材料的類型、規(guī)格、使用量及標(biāo)準(zhǔn)件等。
2.6.2所需施工圖紙包括：CAD設(shè)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(shí)際工作情況，提出制造、裝配、檢驗(yàn)、維護(hù)、修理等技術(shù)要求。
三、階段性設(shè)計(jì)計(jì)劃、設(shè)計(jì)目標(biāo)與應(yīng)用價(jià)值
階段性計(jì)劃：
學(xué)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(xiàn)、翻譯外文資料、學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、撰寫文獻(xiàn)綜述
至少收集十五篇相關(guān)資料，翻譯一篇英文資料（要求為近五年發(fā)表），完成文獻(xiàn)綜述。網(wǎng)上提交正稿
2017-2018-2
1-2
確定設(shè)計(jì)方案, 確定結(jié)構(gòu)尺寸，攪拌功率計(jì)算
網(wǎng)上提交攪拌功率計(jì)算結(jié)果
3-5
方案論證，設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算
完成計(jì)算書(shū)，網(wǎng)上提交計(jì)算書(shū)
6-11
畫(huà)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(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯
設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份，網(wǎng)上提交說(shuō)明書(shū)
15
畢業(yè)答辯
提交答辯材料，包括：撰寫規(guī)范的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)電子版、紙質(zhì)版
16
對(duì)答辯發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整改
網(wǎng)上提交全套完善的資料
設(shè)計(jì)目標(biāo)：根據(jù)要求，通過(guò)計(jì)算獲得10發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)并通過(guò)強(qiáng)度校核，從而設(shè)計(jì)出符合要求的發(fā)酵罐。并通過(guò)這次設(shè)計(jì)掌握發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，鍛煉我們的設(shè)計(jì)能力，為以后適應(yīng)工作打下基礎(chǔ)。
應(yīng)用價(jià)值：本課題為10發(fā)酵罐設(shè)計(jì)，屬于中小型發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)范圍。目前發(fā)酵罐已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)研究可以為工業(yè)發(fā)酵罐的發(fā)展打下理論基礎(chǔ)，包括發(fā)酵罐放大技術(shù)的研究，攪拌裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，理論上研究發(fā)酵罐多相流體運(yùn)動(dòng)的分析等，具有很高的研究?jī)r(jià)值和很好的發(fā)展前景。
四、參考文獻(xiàn)
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[15] 國(guó)家質(zhì)檢總局．TSG 21-2016固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]．北京:新華出版社，2016．06
五、指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn)
簽名
年 月 日