100M3机械搅拌通风式发酵罐0001.docx

课程设计课程名称：机械搅拌通风式生物反应器学生学院： 化学工艺与技术学院专业班级： 生物工程0901学 号： 200922153035学生姓名： 桂文涛 指导教师： 杨忠华 2012年10月14日设计任务书 设计方案的分析和拟定 工艺设计 1. 反应器的总体结构设计 2. 设备结构部件设计 2.1罐体的设计 2.2搅拌装置设计 2.3零部件 2.4传热面积及冷却水用量的计算 2.5冷却装置 2.6密封装置的选型设计 设计结果设计小结参考文献100m3机械搅拌通风式生物反应器设计任务书设计者姓名： 学号： 班级：指导老师： 日期：设计内容：1. 设计一套机械搅拌通风式生物反应器2. 设计参数和技术特征指标序号名称指标1工作压力罐内^0.2MPa夹套内53MPa2工作温度罐内^121 °C夹套内V150°C3工作介质罐内轻微腐蚀性物料夹套内蒸汽4公称容积（m3）1005传热面积（m2）1006搅拌器型式弯叶涡轮7搅拌器转速（/rmp）130「/min8搅拌轴功率125Kw9罐体材料16MnR10其他四块挡板，满足全挡板条件100m3机械搅拌通风式生物反应器课程设计说明书正文一：设计方案的分析和拟定设计的发酵罐公称容积为100m3。

发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置， 传动装置，轴封装置，人孔和其它的一些附件组成这次设计就是要对100m3通风发 酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外 形、罐体和封头的壁厚；根据设计任务的传热面积进行冷却装置的设计、计算；根据 上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定，完成整 个装备图，完成这次设计设计包含设计说明书和装配图二部分，装配图应包含总图 和部分截面图，选用计算机辅助作图，装配图的要求按照工程制图的指标严格制作 说明书主要是记录设计的思路和过程以及相关参考依据根据任务，汇总相关设计条件如下表:项目及代号参数及结果备注工作压力0.2MPa设计任务要求设计压力0.22MPa计算发酵温度不高于121 r设计任务要求设计温度120 °C由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定发酵液密度1000kg/m3设计任务要求装料系数0.75设计任务要求二工艺设计1. 反应器的总体结构设计反应器主要由搅拌容器、搅拌装置、蛇管加热装置、传动装置、轴封装置、支座、 人孔、工艺接管和一些附件组成搅拌容器主要由封头和筒体组成，筒体和封头的连 接采用焊接焊死，选用椭圆形封头，为中低压内压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅 拌轴组成，搅拌器类型根据要求为弯叶涡轮；传动装置主要包括电机、减速器、联轴 器和传动轴组成；轴封装置为双端面机械动环轴封；它们与支座、人孔、工艺接管等 附件一起，构成完整的机械搅拌生物反应器。

2. 设备结构部件设计2.1罐体的设计2.1.1罐体几何尺寸计算（1） 筒体内径发酵设计为圆柱椭圆封头发酵罐，材质选用不锈钢板，型号为16MnR .根据工艺参 数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.5，则H=2.5D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（100m3）公称体积V0――罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和 全体积V――公称体积和上封头体积之和假设H/D=2.5，根据设计条件发酵罐的公称体积为100m3，由公称容积的近似公式V= （n /4） D2H+0.15D3,代入公式则可得解得：D=3.6m，封头体积匕寸=（兀,4 ） D（h b + 6 D）全体积 V0=V公+V封查阅文献《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，当公称直径D=3600mm 时，标准椭圆封头的曲面高度h=900mm，直边高度hb=50mm，总深度为ha=950mm， 内表面积 Af=14.6m2，容积 Vf=6.62m，罐筒身高：Ho ^rt：=8.5m,圆整到9m4此时:Ho/D=9000mm/3600mm=2.5，与前面的假设符合，故可认为D=3600mm是合适的.实际发酵罐体积:V=n /4D2H0+2Vf=104.8m3（2） 封头规格查《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，由发酵罐工程内径可得封头规格如下:公称直径曲面直度直边高度内表面积容积3.6m0.90m0.05m14. 6 廿6. 62m3罐体高度H和筒体高度H0筒体高度 H=Ho+2ha=9.0+2x0.95=10.9m忽略搅拌器的体积，假设发酵液最高不超过筒体上端，则发酵罐内溶液体积满足： 防户的+^；?：式h中为筒体部分发酵液的高度，n取 0.75则有h=7.07m< H0= 9 m 说明假设成立。

发酵液高度 Hf=h+ha=7.07+0.95=8.02m考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连 接方式罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm， 所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接2.1.2壁厚计算（1）筒体设计厚度5d计算厚度计算式：4 =—;式中，Pc——计算压力，罐体内最大工作压力P0=0.2MPa，取设计压力P=0.2X1.1=0.22MPa装满液体时，筒体内任一点静压强P=P+*x，取x极限值， 0即x=H +ha=9+0.95=9.95m ,g取9.87N/kg则筒体底部液柱静压强 0P=1000 ； & ； ：S/106=0. 098MPa，超过设计压力的5%，因此计算压力Pc应计算液柱静压力在内，即Pc=0.22+0.098=0. 318MPa；匕］t——材料在设计温度下的许用应力，根绝设计任务的要求，选用16MnR钢，在温度低于150°C时，其许用应力为170MPa；<-■ 焊接接头系数，取0.85 （双面对接焊，局部无损伤害）；得到筒体计算厚度8=3.965(mm)， 圆整为4 (mm)介于发酵液是轻微腐蚀性液体，取腐蚀浴量3.5,则设计厚度6 d=7.5mm查表钢材厚度负偏C1=0.5mm,取钢材圆整量2.5mm,因此6「10.5mm,圆整为11mm常温下做水压试验，6 e=5.0mm，查机械化工手册上常温下 16MnR的许用应力为 170MPa，屈服极限二「为 345MPa。

厂1.1".366^ 二-=~7 ?.~'s =155MPa 显然，」＜0.9二，设计符合要求2)封头厚度6封计算式：6封二：“二,M 式中：K=j[2+〔云日Y为开孔系数，取2.3计算得KQ0.93，6封=8.1mm，取腐蚀浴量为3.5，名义厚度取12mm2.2搅拌装置设计搅拌器的钢材选用Q235-B其力学性能如下:屈服强度RehN/mm2抗拉强度％MPa伸长率A/%许用应力MPa厚度^ 16mm厚度^40mm厚度^ 16mm温度@150°C225375〜500261132.2.1搅拌器的结构形式及安装根据任务要求，搅拌器为后弯叶圆盘涡轮搅拌器桨叶数Z=6；桨叶宽度 b=0.2D.=0.2m；桨叶厚度 0 =0.02Dj=24mm；圆盘厚度0 d=0.02Dj=24mm；后弯叶角度6 =45 °；总直径 Dj=1/3D=1.2m；桨叶长度 l=0.25Dj=0.3m；圆盘直径 rd=0.65Dj=0.78m；转速 n=130/rmp考虑到液体高度超过最佳装液高度（Hf=D1），因此采用多层搅拌器第一层搅拌桨距离发酵罐底C=0.85Dj=1.02m；第二层搅拌桨距离第一层搅拌桨S1=1.6Dj=1.92m；第三层搅拌桨距离第二层搅拌桨S2=1.6Dj=1.92m2.2.2搅拌器的设计功率及强度计算 '搅拌器的钢材选用Q235-B。

其力学性能如下：（1）设计功率计算第i层搅拌器设计功率计算乙=三 （KW）L %式中，Ps——搅拌器的搅拌轴功率，kW；Dji 第i层搅拌器直径，mm；Z——各层搅拌器直径二：之和，mm5代入数值，计算得各层搅拌器功率=41.67KW（2）强度计算弯矩：Mt=9553—，式中，x=0.75 芸式中，R1表示搅拌器半径，R1=0.5Dj=600mm；R2表示叶根半径，为250mm;r=0.5匚=0.39m d因此，x=0.47m，p tx—eM =9553 —=86.87(Nm)t抗弯断面模数W1：l_ JalW1^-L=1633(mm3)式中，二一表示搅拌桨叶的有效厚度；:七=—C- — C-=7mm弯曲应力寻=土三=53.2MPav==170MPa满足设计2.2.3搅拌轴的设计：搅拌轴的材料选择45号钢，其力学性能如下表:技术条件界面尺寸mm5 bMPa5 nMPa5 s%a kJ/cm2HB[t]MPaAJB755-85^1005882941539162〜21730 〜40118〜107>10058828415149〜217取 A=118搅拌轴的直径d企A^ -=115mmyn上式中，P——轴传递的额定功率，根据任务目标取125kWN 轴的转速，根据任务目标取135rpm考虑到轴上连有联轴器有孔槽以及一定的腐蚀浴度和安全系数，取搅拌轴的直径 d=130mm。

由于转速v200rpm，因此不需要做搅拌轴临界转速校核扭转切应力校核：丁=二=二7=2.1(MPa)W㈡klr? U .七因此，设计符合要求2.2.4轴承的设计轴承的安装选用推力滑动轴承取d1=130mm，因此选用代号为81226的8000型轴承，基本参数如下:基本尺寸.■■hued130D190H45安装尺寸■miDda181Da137ra1. 5其他尺寸/mmdL133D,187r1. 5基本额定载 荷/kNCa368CO.1420最爪翊莅堂轴颈采用未淬火钢，轴承采用轴承合金查机械设计手册知：[p]=4〜5 (MPa)， [pv] = 1 〜2.5 (MPa • m/s)oP= __=0.796 (MPa) <[p] 7T L JJ — □ J £轴承设计合理校荷FnPv% ：：二 _ .-n=0・86<[pv]2.2.5传动电机设计选型电机功率P=^三式中Pm——搅拌所需轴功率；PT——为轴封摩擦损失功率，按1%Pm计算；n ——为传动系统的效率，选择三角皮带传送，皮带传动效率取0.96，轴承滚动 效率取0.99，轴承滑动效率取0.99，则n =0.96X0.99X0.99=0.94假设ReM<104，即发酵液处于湍流状态，且D/d=3、Hf/d=3、B/d=1、挡板数为4的情况下，此时对于六弯叶涡轮搅拌器K=4.8，搅拌轴功率Pm=Kpn3R5式中，K为功率特征数，p为发酵液体密。