100M3机械搅拌通风式发酵罐0001

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1、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.

2、2MPa夹套内53MPa2工作温度罐内121 C夹套内V150C3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

3、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

4、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

5、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=9

6、00mm，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=1

7、0.9m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=7.07m500mm， 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

8、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150C时，其许用应力为170MPa；10058828415149217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)Wklr? U .七因

9、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=45 (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=086pv2.2.5传动电机设计选型电机功率P=三式

10、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ReM104，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为发酵液体密度。因此Pm=52.5 (KW)由于实际发酵罐中D/d#3，对此还要对搅拌功率做以下校正：而对于多层搅拌器，Pm=52.5X(0.4+0.6X3) =115kW因此，电机功率P=

11、m =123.6 (KW)查相关资料，选用电机型号YB2-315M-4型，参数如下:型号额定功率电流转速效率功率因素额定转矩额定电流重量YB2-355M2-10千瓦马力Arpm(%)Kg13217527559793.50.781.35.518202.2.6联轴器的设计选型考虑到发酵罐中中轴的载荷平稳、转速稳定，且联轴器的安装能保证被两轴 轴线相对偏移极小，选用刚性凸缘联轴器。本次轴的使用是在搅拌轴分段间的使 用，因此d=130mm固定，而联轴器为标准间，以d为条件查机械设计手册，选 用GY11型凸缘联轴器。参数如下型号GY11工程转矩Tn/N*m25000许用转速n/rpm2500轴孔直径电,

12、da/inm130轴孔长度Y型252JL型202D380Di260b30bl98S10转动惯量r/ (kg-m2)2.278质量m/kg162.2GY型凸缘联融器2.3零部件2.3.1人孔和视镜(1) 人孔为了方便发酵罐内部附件安装、修理及对内部设备的检查、清洗，根据任务目标 要求，选用回转盖式人孔。查相关手册选用DN400mm人孔，密封面形式为突面，安 装位置在上封头处。考虑到增加开孔会降低罐体强度，因此将人孔也当手孔。(2) 视镜选择DN100试镜，其中之一为带灯试镜，分别安装在上封头对称的两侧。2.3.2接管口以进料口为例计算，设发酵醪液流速v=1m/s，2h排尽。发酵罐料液体积：V1=

13、104.8X0.75=78.6m3，物料体积流量 Q=78.6/ (3600X2) =0.011m3/s,则排料管截面积F=Q/v=0.011m2,又F=0.785d2,得d=0.12m。取无缝钢管，查GB/8163-87,选取规格为133 X 4.0mm(1) 管道接口(采用平焊法兰连接)进料口： 0 133 X 4.0mm，开在上封头上；H ,排料口： 0133 X 4.0mm，开在罐底；I进气口 ： 0 133 X 4.0mm，开在下封头上；区排气口： 0 133X4.0mm，开在上封头上；冷却水进、出口：开在罐身； _ _ . . _ . _取样口：开在罐身三兰；(2) 仪表接口温度计

14、：装配式热电阻温度传感器Pt100型，D=100mm，开在罐身上；压力表：弹簧管压力表，d1=20mm，精度1.6，型号Y-250,开在封头上(参考杭州富 阳华博仪表有限公司生产标准)液位计：采用标准：HG5-1368，型号：R-16，直径：0 160X 14mm，开在罐身上；溶氧探头：SE-N-DO-F； pH探头：PHS-2型；2.4传热面积及冷却水用量的计算以一个发酵罐为单位计算，每个发酵罐料液为75t = 7.5* 104kg选用发酵罐的传热 总面积为：筒身面积 + 封头面积 顼DH +14.6 =3.14X3.6X 10.9+14.6=137.81 m2已知 G=1000X75=75

15、000kg，r1=25r，2=121。如 c=4.2kJ/(kg-r)，*s=158。，查表得 r=2087.1。灭菌过程中需要把温度从25C升至121 ，并保温20分钟，则需要能量为：Q =顷心=4.2x7.5x104 x (121 - 25) = 3.02x107kJ夹套平均传热系数K=8301250 kJ/(m2 - h - )，取K=1250kJ/(m2 - h - )，则加热所需时间T为：Gc t tln 1t = KF ts -12 = 3.3h加热段所需蒸汽量S：(设加热时蒸汽热损失为5%)S= A - f =15.21tT = T = 158 q t = 25 q t = 12

16、1 qAt =气斗(T - P = 75.03 m , T 一 t m 1CT 二A= =97.58 m2 V 137.81 m2符合设计要求保温阶段：(保温时间为20min = 1/3 h)经验计算S= (30%50%)X直接加热蒸汽消耗量=0.35X15.21t =5.32t蒸汽总用量：5.32 + 15.21= 20.53t冷凝水用量 冷却要求：冷却水匕=27 C将料液从t1s =121C降至发酵温度t1 / =35 C冷凝水和料液比热：C1 = c2 = 4.2kJ/(kgC)A = eKF / Wc2 = 冷却水流量t-t 一 t121 - 27121 - 35 =1.09W = K

17、F /(ln Ac2) = 1250 x 95.99/(ln1.09 x 4.2) = 331 51t/ht = 4 A ln t1s -12 sWc2 A -1t项-122.5冷却装置511.09 | 121 - 27xx ln 331.51 0.0935 - 276.76h根据任务要求，传热面积A=100廿。选用无缝不锈钢管80 3】二】二选用立式蛇管换热，蛇管同时充当挡板的作用，分为四组:换热管总长度L=398m，取400mTTCZ每组换热管长度L0=L/4=100mm每圈U型弯管曲度100mm，两端弯管总长度l1=n D=314mm可竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下端深入封底200

18、mm。则蛇管总高 H=7070+200=7270mm，直管部分高度 h=7270-200=7070mm每圈换热管长度 l=2h+l1=2X7070+314=144544mm每组换热管圈数n=L/l=100000： 14454=6.9 （圈），取7圈管间距T 1=1.5d=0.12m，靠近筒体的换热管距离管壁T 2=0.15m经核算，换热管与搅拌桨的距离在允许范围之内（不小于200mm）d=1.8-0.08 ：亍-0.12 ：6-0.15=0.37m2.6密封装置的选型设计2.6.1轴封装置的选择根据搅拌轴直径d=130mm，选用的202型标准机械封头标准如下dDD1D2D3h1h2h3Hn叩M

19、13048544540328052610016012-23205酮图5 G .。呢型标生机械席村咕构2.6.2管法兰的选择法兰的材料选用16MnR,查GB/T9113.3-2000选用的法兰参数如下表:公称直径DN100钢管外径A1108法兰外径D210法兰内径B1110螺纹中新棉直径K170波口宽度b0螺纹直径L18法兰厚度C18螺纹数量n4法兰质量kg141螺纹TbM15AiD设计结果项目参数结果备注罐体公称体积/m3100设计条件全体积/m3104.8计算罐体内径/mm3600计算筒体高度/mm9000计算H/D2.5设计条件筒体壁厚/mm11计算封头壁厚/mm12计算焊接方式双面焊接选

20、用材料16MnR设计条件人孔规格/mm0 400选用冷却蛇管盘管直径/mm0 80X3.0由工艺参数确定传热面积/m2100设计要求搅拌装置搅拌转速/r.min-1130设计要求轴径/min130计算中间轴系数1由工艺参数确定搅拌器类型6-6-6弯叶圆盘设计要求搅拌器直径1200计算搅拌器层数3计算电动机型号YB2-315M-4由工艺参数确定功率/kw132查表转速597查表减速器三角带型号和根数EX6根查表小皮带轮直径0 500计算大皮带轮直径0 2360计算进气和排料管规格0 133 X 4.0mm由工艺参数确定设计小结在这次课程设计中，我们组设计的课题是机械搅拌通风式生物反应器。通过这

21、次设计，我学会了怎么设计罐体壁厚以及封头壁厚，并学会了设计机械通风反应器的 基本步骤。从最开始的计算到数据的整理在到画图，以及在后来的说明书的的拟订。 虽然是困难重重，但终于完成了。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累， 能力的提高。完全可以把这个当作基础东西，只有掌握了这些最基础的，才可以更进 一步，取得更好的成绩。没人可以一步登天，脚踏实地才是最重要的。总观总个设计 过程中运用了 CAD软件，翻阅了学过的各种关于力学，制图，公差方面的书籍，综合 运用了这些知识，感觉提高许多，当然尤其是在计算机软件CAD方面的运用，深切感 到计算机辅助设计给设计人员带来的方便，各种设计，计算，制图全套

22、完成。由于没 有经验，在整个设计过程中出现了一些错误比如线形，制图规格，零件设计中的微小 计算错误等都没有更正，设计说明书的排版也比较混乱等等。对图层，线形不熟悉甚 全就不确定自己画出的线，在出图到图纸上时实际上是什么样子都不知道，对于各种 线宽度，没有实际的概念，再比如标注较混乱。此刻才明白课程设计不仅是对前面所 学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计，我才明白 学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习。以后我们会 以积极的态度对待我们的学习、对待我们的生活。我们会努力得去弥补自己的缺点， 发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后

23、，我们会更加珍惜拥有 的，更加努力的去完善它，增进它。认真对待每一个你的任务，这个是我们在课程设 计中学到的最重要的东西，受益匪浅！此外与队友的合作更是一件快乐的事情，在这 里要感谢小组所有同学的配合，这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同 学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解 知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学，同时也明白理解了合作的重要性。只有彼 此都付出，彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。参考文献1）陈国豪，余俊棠.生物工程设备 北京：化学工业出版社，2006.112） 黄亚东.生物工程设备及操作技术 北京：中国轻工业出版社，20083） 余俊棠，唐孝宣.新编生物工艺学.上册北京：化学工业出版社，20034）贾士儒.生物反应工程原理.北京：科学车版社，20035）化学工程手册.北京：化学工业出版社，19896）发酵设备.北京：中国轻工业出版社，1991