100M3機械攪拌通風式發(fā)酵罐要點

1、課程設計課程名稱：機械攪拌通風式生物反應器學生學院：化學工藝與技術(shù)學院專業(yè)班級：生物工程0901學 號：200922153035學生姓名：桂文濤指導教師：楊忠華2012年10月14日i設計任務書設計方案的分析和擬定工藝設計1. 反應器的總體結(jié)構(gòu)設計2. 設備結(jié)構(gòu)部件設計2.1罐體的設計2.2 攪拌裝置設計2.3 零部件2.4 傳熱面積及冷卻水用量的計算2.5 冷卻裝置2.6密封裝置的選型設計 設計結(jié)果設計小結(jié)參考文獻2100m3機械攪拌通風式生物反應器設計任務書設計者姓名:指導老師：設計內(nèi)容：學號:日期:班級:3#1. 設計一套機械攪拌通風式生物反應器2設計參數(shù)和技術(shù)特征指標序號名稱指標1工作

2、壓力罐內(nèi)< 0.2MPa夾套內(nèi)< 0.3MPa2工作溫度罐內(nèi)< 121C夾套內(nèi)v 150C3工作介質(zhì)罐內(nèi)輕微腐蝕性物料夾套內(nèi)蒸汽4公稱容積（m3）1005傳熱面積（m2）1006攪拌器型式彎葉渦輪7攪拌器轉(zhuǎn)速（/rmp）130/ /min8攪拌軸功率125Kw9罐體材料16MnR10其他四塊擋板，滿足全擋板條件100m3機械攪拌通風式生物反應器課程設計說明書正文一：設計方案的分析和擬定設計的發(fā)酵罐公稱容積為100m3。發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置， 傳動裝置,軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設計就是要對100m3通風發(fā)酵罐的幾何尺寸進行計算；考慮壓力，溫度

3、，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外 形、罐體和封頭的壁厚；根據(jù)設計任務的傳熱面積進行冷卻裝置的設計、計算；根據(jù) 上面的一系列計算選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置，和人孔等一些附件的確定，完成整個裝備圖，完成這次設計。設計包含設計說明書和裝配圖二部分，裝配圖應包含總圖 和部分截面圖，選用計算機輔助作圖，裝配圖的要求按照工程制圖的指標嚴格制作。 說明書主要是記錄設計的思路和過程以及相關參考依據(jù)。根據(jù)任務，匯總相關設計條件如下表：項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注工作壓力0.2MPa設計任務要求設計壓力0.22MPa計算發(fā)酵溫度不高于121 °C設計任務要求設計溫度120°C由工藝條件確定冷

4、卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定發(fā)酵液密度1000kg/m3設計任務要求裝料系數(shù)0.75設計任務要求工藝設計1反應器的總體結(jié)構(gòu)設計反應器主要由攪拌容器、攪拌裝置、蛇管加熱裝置、傳動裝置、軸封裝置、支座、人孔、工藝接管和一些附件組成。攪拌容器主要由封頭和筒體組成，筒體和封頭的連 接采用焊接焊死，選用橢圓形封頭，為中低壓內(nèi)壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪 拌軸組成，攪拌器類型根據(jù)要求為彎葉渦輪；傳動裝置主要包括電機、減速器、聯(lián)軸 器和傳動軸組成；軸封裝置為雙端面機械動環(huán)軸封；它們與支座、人孔、工藝接管等 附件一起，構(gòu)成完整的機械攪拌生物反應器。2. 設備結(jié)構(gòu)部件設計2.1罐體的設計2.1.1罐體幾何尺

5、寸計算(1) 筒體內(nèi)徑發(fā)酵設計為圓柱橢圓封頭發(fā)酵罐，材質(zhì)選用不銹鋼板，型號為16MnR根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸；高徑比H/D=2.5，則H=2.5D初步設計：設計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積(100n3)公稱體積V0-罐的筒身(圓柱)體積和底封頭體積之和全體積V公稱體積和上封頭體積之和假設H/D=2.5，根據(jù)設計條件發(fā)酵罐的公稱體積為100n3，由公稱容積的近似公式 V= (n /4 ) DH+0.15D3,代入公式則可得解得：D=3.6m ，封頭體積2 1V封二 *4 D2(hb ：D)6全體積 VO=V公+V封查閱文獻鋼制壓力容器用封頭(JB/T 4746-2002)標準，當公

6、稱直徑D=3600mm 時，標準橢圓圭寸頭的曲面高度 h=900mm直邊高度hb=50mm總深度為ha=950mm, 內(nèi)表面積Af=14.6m2，容積V =6.62m3V-7Vf罐筒身高：H0 = - - =8.5m,圓整到9m4此時:H0/D=9000mm/3600mm=2,5與前面的假設符合，故可認為D=3600m是合適的.實際發(fā)酵罐體積:V= n /4D2Ho+2V=104.8m3(2) 封頭規(guī)格查鋼制壓力容器用封頭(JB/T 4746-2002 )標準，由發(fā)酵罐工程內(nèi)徑可得封頭規(guī)格如下:公稱直徑曲面直度直邊高度內(nèi)表面積容積3.6m0.90m0.05m14 . 6 m26 . 62n&#

7、174;罐體高度H和筒體高度H)筒體高度 H=H0+2ha=9.O+2 X 0.95=10.9m忽略攪拌器的體積，假設發(fā)酵液最高不超過筒體上端，則發(fā)酵罐內(nèi)溶液體積滿足：g V式h中為筒體部分發(fā)酵液的高度，n取0.75I則有h=7.O7m<F0= 9 m說明假設成立。發(fā)酵液高度 Hf=h+ha=7.07+0.95=8.02m考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。罐體和封頭都使用16M nF鋼為材料，封頭設計為標準橢圓封頭，因D>500mm所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。2.1.2壁厚計算(1)筒體設計厚度S d計算厚度計算式：2【d坤-Pc式

8、中，Pc計算壓力，罐體內(nèi)最大工作壓力 P0=0.2MPa,取設計壓力P=0.2X1.1=0.22MPa。裝滿液體時，筒體內(nèi)任一點靜壓強 P=P°+gx，取x極限值,即x=H0+ha=9+0.95=9.95m ,g取9.87N/kg。則筒體底部液柱靜壓強P=100哦9；87X 9,95/106=0.098MPa超過設計壓力的5%因此計算壓力Pc應計算液柱靜壓力在內(nèi)，即 Pc=0.22+0.098=0. 318MPa ;t 材料在設計溫度下的許用應力，根絕設計任務的要求，選用16MnR鋼，在溫度低于150 C時，其許用應力為170MPa；-焊接接頭系數(shù)，取0.85 (雙面對接焊，局部無損

9、傷害)；得到筒體計算厚度/ mm 圓整為4 (mm介于發(fā)酵液是輕微腐蝕性液體，取腐蝕浴量3.5，則設計厚度 S d=7.5mm查表鋼材厚度負偏 C=0.5mm取鋼材圓整量2.5mm,因此S n=10.5mm圓整為11mm1f CJ制造減薄里卩65鋼板厚儀- 11"+J:a耙持事殳交惟罷.1jC2腐蝕浴里亠i*叭有簽*雯.1«e設計豪亶L 15計算厚度"L-*+1S' n W文*受，¥A iHWSl整里心L常溫下做水壓試驗，S e=5.0mm查機械化工手冊上常溫下16MnR的許用應力為170MPa屈服極限 _為345MP&Pt=1.15P=

10、0.366MPaMt=155MPa顯然，：-<0.9-，設計符合要求(2)封頭厚度S封計算式：S -0封一2仃卻41a1 j-tt式中：K=2+ J丫為開孔系數(shù)，取2.3計算得K0.93，S封=8.1mm取腐蝕浴量為3.5，名義厚度取12mm2.2攪拌裝置設計攪拌器的鋼材選用Q235-B。其力學性能如下:屈服強度RehN/mm2抗拉強度%MPa伸長率A/%許用應力MPa厚度w 16mm厚度w 40mm厚度w 16mm溫度w 150C225375500261132.2.1攪拌器的結(jié)構(gòu)形式及安裝根據(jù)任務要求，攪拌器為后彎葉圓盤渦輪攪拌器后彎葉角度B =45 °總直徑 Dj=1/3D

11、=1.2m;槳葉長度 l=0.25Dj=0.3m；圓盤直徑 rd=0.65Dj=0.78m；轉(zhuǎn)速 n=130/rmp考慮到液體咼度超過最佳裝液咼度 第一層攪拌槳距離發(fā)酵罐底槳葉數(shù)Z=6;槳葉寬度 b=0.2Dj=0.2m； 槳葉厚度 S =0.02Dj=24mm;圓盤厚度 S d=0.02Dj=24mm ;(Hf=Di),因此采用多層攪拌器第二層攪拌槳距離第一層攪拌槳C=0.85Dj=1.02m；Si=1.6Dj=1.92m；9第三層攪拌槳距離第二層攪拌槳 S2=1.6D=1.92m2.2.2攪拌器的設計功率及強度計算攪拌器的鋼材選用Q235-B。其力學性能如下:(1)設計功率計算第i層攪拌器

12、設計功率計算(KW)#式中，Ps攪拌器的攪拌軸功率，kW；Dji第i層攪拌器直徑，mm；2各層攪拌器直徑之和，mm5 代入數(shù)值，計算得各層攪拌器功率 =41.67KW(2)強度計算彎矩：Mt=9553l ,式中,£ ： e文x=0.75#式中，R1表示攪拌器半徑，R1=0.5Dj=600mm；#R2表示葉根半徑，為250mm;r=0.5rd=0.39m因此，x=0.47m,Mt=9553=86.87(Nm)Zjnx抗彎斷面模數(shù)Wi:Wi-=1633(mm3)6式中，：表示攪拌槳葉的有效厚度;丄 ，_. =7mm彎曲應力;='=53.2MPavq.=170MPa滿足設計2.2.

13、3攪拌軸的設計：攪拌軸的材料選擇45號鋼，其力學性能如下表:技術(shù)條件界面尺寸mms bMPaS nMPaS s%a kJ/cm2HBtMPaAJB755-85< 1005882941539162 21730 40118107> 10058828415149 217取 A=118攪拌軸的直徑dA 115mm上式中，P軸傳遞的額定功率，根據(jù)任務目標取125kWN 軸的轉(zhuǎn)速，根據(jù)任務目標取 135rpm 考慮到軸上連有聯(lián)軸器有孔槽以及一定的腐蝕浴度和安全系數(shù)，取攪拌軸的直徑 d=130mm。由于轉(zhuǎn)速200rpm，因此不需要做攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核。T T.扭轉(zhuǎn)切應力校核：T= =2.1（MP

14、a） _f的03一因此，設計符合要求。2.2.4軸承的設計軸承的安裝選用推力滑動軸承。取 d仁130mm，因此選用代號為81226的8000型軸承，基本參數(shù)如下:D基本尺寸/mmd130D190H45安裝尺寸/ mmda181Da137ra1. 5其他尺寸/ mmdr133Di187r1- 5基本額定載荷/kNCa368COa1420瑕小輟荷常 數(shù)ACL 164極限轉(zhuǎn)速/irpm月旨450油700fiM/kg4. 5911#軸頸采用未淬火鋼，軸承采用軸承合金。查機械設計手冊知：p=45( MPa, pv=1 2.5 (MPa- m/s)。P=0.796 (MPa <p#校荷pv=龜:他喰

15、=0.86<PV軸承設計合理#225傳動電機設計選型電機功率式中Pm攪拌所需軸功率;PT為軸封摩擦損失功率，按 1%Pm計算；0.96，軸承滾動為傳動系統(tǒng)的效率，選擇三角皮帶傳送，皮帶傳動效率取效率取0.99,軸承滑動效率取 0.99,貝Un =0.96x0.99X0.99=0.94假設ReM<104，即發(fā)酵液處于湍流狀態(tài)，且 D/d=3、Hf/d=3、B/d=1、擋板數(shù)為4的情況下，此時對于六彎葉渦輪攪拌器 K=4.8，攪拌軸功率Pm=K n3Dj5式中，K為功率特征數(shù)，p為發(fā)酵液體密度。因此 Pm=52.5 ( KW) 由于實際發(fā)酵罐中D/d工3,對此還要對攪拌功率做以下校正:

16、而對于多層攪拌器，Pm=52.5X( 0.4+0.6X 3) =115kW115 x dm)因此，電機功率 P=123.6 ( KW)0,94查相關資料，選用電機型號 YB2-315M-4型，參數(shù)如下:型號額定功率電流轉(zhuǎn)速效率功率 因素額定 轉(zhuǎn)矩額定電流重量YB2-35千瓦馬力Arpm(%)Kg5M2-1013217527559793.50.781.35.518202.2.6聯(lián)軸器的設計選型考慮到發(fā)酵罐中中軸的載荷平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，且聯(lián)軸器的安裝能保證被兩軸 軸線相對偏移極小，選用剛性凸緣聯(lián)軸器。本次軸的使用是在攪拌軸分段間的使 用，因此d=130mm固定，而聯(lián)軸器為標準間，以d為條件查機械設計

17、手冊，選 用GY11型凸緣聯(lián)軸器。參數(shù)如下型號GY111程轉(zhuǎn)矩Tn/Nm25000許用轉(zhuǎn)速n/rpin2500軸孔直徑ch、dz/inm130軸孔長度Y型252U型202D380Di260b80bl98S10轉(zhuǎn)動慣量1/ (kg-mZ)2278質(zhì) ft in/kg1622GY車乃緣聯(lián)軸器2.3零部件2.3.1人孔和視鏡(1) 人孔為了方便發(fā)酵罐內(nèi)部附件安裝、修理及對內(nèi)部設備的檢查、清洗，根據(jù)任務目標要求，選用回轉(zhuǎn)蓋式人孔。查相關手冊選用DN400mm人孔，密封面形式為突面，安裝位置在上封頭處?？紤]到增加開孔會降低罐體強度，因此將人孔也當手孔。(2) 視鏡選擇DN100試鏡，其中之一為帶燈試鏡，

18、分別安裝在上封頭對稱的兩側(cè)。2.3.2接管口以進料口為例計算，設發(fā)酵醪液流速 v=1m/s, 2h排盡。發(fā)酵罐料液體積：Vi=104.8X 0.75=78.6m3，物料體積流量 Q=78.6/ (3600X 2) =0.011m3/s,則排料管截面積F=Q/v=0.011m2，又F=0.785d2,得d=0.12m。取無縫鋼管，查 GB/8163-87,選取規(guī)格為133X 4.0mm(1) 管道接口(采用平焊法蘭連接)進料口：133X 4.0mm,開在上封頭上；排料口：133X 4.0mm,開在罐底；進氣口：133X 4.0mm,開在下封頭上；排氣口：133X 4.0mm,開在上封頭上；平焊法

19、蘭示意圖冷卻水進、出口：開在罐身； 取樣口：開在罐身(2) 儀表接口溫度計：裝配式熱電阻溫度傳感器 Pt100型，D=100mm,開在罐身上；壓力表：彈簧管壓力表，d1=20mm,精度1.6,型號丫-250,開在封頭上(參考杭州富 陽華博儀表有限公司生產(chǎn)標準)液位計：采用標準：HG5-1368,型號：R-16，直徑：160X 14mm,開在罐身上； 溶氧探頭：SE-N-DO-F ； pH探頭：PHS-2型；2.4傳熱面積及冷卻水用量的計算以一個發(fā)酵罐為單位計算，每個發(fā)酵罐料液為75t = 7.5 10'kg選用發(fā)酵罐的傳熱總面積為：2卩=筒身面積 + 封頭面積 =：dh+14.6 =3

20、.14X 3.6X 10.9+14.6=137.81m已知 G=1000X 75=75000kg, t1=25C , t2=121C , c=4.2kJ/(kg C), ts=158C，查表得r=2087.1。滅菌過程中需要把溫度從25C升至121C，并保溫20分鐘，則需要能量為：Q=cm ：t=4.2 x.5 X04 X (121 - 25) = 3.02 XkJ2 2夾套平均傳熱系數(shù) K=8301250 kJ/(m h c )，取K=1250kJ/(m h c )，則加熱所需時間-為：Gcts 7In=KF 応 72= 3.3h加熱段所需蒸汽量S：(設加熱時蒸汽熱損失為5%)16S=3旬=

21、15.21tTi =T? =158 ct? =121 c= 75.03A 一Kg2=97.58m v2137.81 m17#符合設計要求保溫階段：（保溫時間為20min = 1/3 h）經(jīng)驗計算S= （30%50%）X直接加熱蒸汽消耗量 =0.35X 15.21t =5.32t蒸汽總用量：5.32 + 15.21= 20.53t冷凝水用量 冷卻要求：冷卻水t2s =27 C將料液從t1s=121C降至發(fā)酵溫度t1f =35 C冷凝水和料液比熱：G =C2 =4.2kJ/(kg C)A _eKF/Wc2 _ tj -t2s121-27冷卻水流量b 一t2 = 121 -35=1.09W=KF /

22、(In Ag) =125095.99/(1n1.09x 4.2) = 331 51t/hGgA in Is -t2sA _ 1tf - t2s旦型in込空331.51 0.0935-27#2.5冷卻裝置I根據(jù)任務要求，傳熱面積A=100譏 選用無縫不銹鋼管80貯訕廠選用立式蛇: 管換熱，蛇管同時充當擋板的作用，分為四組：.I A 換熱管總長度L=398m,取400mndJI 每組換熱管長度L0=L/4=100mm1每圈U型彎管曲度100mm,兩端彎管總長度l1=n D=314mm'可豎式直蛇管的高度，設為靜液面高度，下端深入封底200mm。-則蛇管總高 H=7070+200=7270m

23、m，直管部分高度 h=7270-200=7070mm每圈換熱管長度 l=2h+l 1=2 X 7070+314=144544mm每組換熱管圈數(shù)n=L/l=100000 - 14454=6.9 （圈），取7圈管間距t i=1.5d=0.12m,靠近筒體的換熱管距離管壁 t 2=0.15m經(jīng)核算，換熱管與攪拌槳的距離在允許范圍之內(nèi)（不小于200mm）d=1.8-0.08-0.12 6-0.15=0.37m2.6密封裝置的選型設計2.6.1軸封裝置的選擇根據(jù)攪拌軸直徑d=130mm，選用的202型標準機械圭寸頭標準如下dDD1D2D3h1h2h3Hn- ©M1304854454032805

24、2610016012-2320耐圈乩g 2朋羽標準機械密封蜻構(gòu)2.6.2管法蘭的選擇法蘭的材料選用16MnR,查GB/T9113.3-2000選用的法蘭參數(shù)如下表:公稱直徑DN100鋼管外徑A1108法蘭外徑D210法蘭內(nèi)徑B1110螺紋中新棉直徑K170波口寬度b0螺紋直徑L18法蘭厚度C18螺紋數(shù)量n4法蘭質(zhì)量kg141螺紋TbM15設計結(jié)果項目參數(shù)結(jié)果備注罐體公稱體積/m3100設計條件全體積/m3104.8計算罐體內(nèi)徑/mm3600計算筒體高度/mm9000計算H/D2.5設計條件筒體壁厚/mm11計算圭寸頭壁厚/mm12計算焊接方式雙面焊接選用材料16MnR設計條件人孔規(guī)格/mm40

25、0選用冷卻蛇管盤管直徑/mm 80X 3.0r由工藝參數(shù)確定傳熱面積/m2100設計要求攪拌裝置攪拌轉(zhuǎn)速/r.mi n-1130設計要求軸徑/min130計算中間軸系數(shù)1由工藝參數(shù)確定攪拌器類型6-6-6彎葉圓盤設計要求攪拌器直徑1200計算攪拌器層數(shù)3計算電動機型號YB2-315M-4由工藝參數(shù)確定功率/kw132查表轉(zhuǎn)速597查表減速器二角帶型號和根數(shù)EX 6根查表小皮帶輪直徑500計算大皮帶輪直徑 2360計算進氣和排料管規(guī)格 133X 4.0mm由工藝參數(shù)確定21設計小結(jié)在這次課程設計中，我們組設計的課題是機械攪拌通風式生物反應器。通過這次設計，我學會了怎么設計罐體壁厚以及封頭壁厚，并學會了設計機械通風反應器的 基本步驟。從最開始的計算到數(shù)據(jù)的整理在到畫圖，以及在后來的說明書的的擬訂。 雖然是困難重重，但終于完成了。不管怎樣，這些都是一種鍛煉，一種知識的積累， 能力的提高。完全可以把這個當作基礎東西，只有掌握了這些最基礎的，才可以更進 一步，取得更好的成績