机械搅拌生物反应器课程设计说明书

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：
V‘ Va

4
D12 h ，式中 h 为筒体部分发酵液的高度。则有：
73.56 0.75 4.611 6.38m ，h=6.38<H0，说明假设成立。
h
V’ Va

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4
D12

4
3.2 2
0.314 3200 3.5mm 2 170 0.85 0.314
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 δd=7mm 查表钢材厚度负偏差 C1=0.5mm，取钢材圆整量 2.5mm，因此 δn=10.0mm
C3 制造减薄量 δ s 钢板厚 度 C2 腐蚀浴量
（3）罐体高度 H 和筒体高度 H0 筒体高度 H 0
V - 2Va

7.6m ，圆整为 8m
4
D
2 1
此时，H/D=8÷3.2=2.5，与假设的 H/d 符合。 罐体高度 H=H0+2ha=8.0+2×0.84=9.68m 实际发酵罐体积 V '

4
D12 H 0 2Va 73.56 m 3
生物工程设备课程设计
目录
设计任务书....................................................................................................................................... 1 设计方案的分析和拟定................................................................................................................... 2 工艺设计........................................................................................................................................... 2 1.反应器的总体结构设计........................................................................................................ 2 2.设备结构部件设计................................................................................................................ 3 2.1 罐体的设计 ................................................................................................................ 3 2.2 搅拌装置设计 ............................................................................................................ 5 2.3 零部件 ...................................................................................................................... 10 2.4 冷却装置 .................................................................................................................. 11 2.5 密封装置的选型设计............................................................................................... 11 设计结果......................................................................................................................................... 13 设计小结......................................................................................................................................... 14 参考资料......................................................................................................................................... 15
C1 钢材厚度负偏差
δ e 有效厚度
δ d 设计厚度
δ 计算厚度
δ n 名义厚度
Δ 钢材圆整量
图 1
厚度关系
常温下做水压试验，δe=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 δs 为 345MPa。
PT 1.15P
T
PT D1 E 0.361 3200 5.0 136MPa 2 E 2 5.0 0.85
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生物工程设备课程设计
发酵液高度 Hf=h+ha=6.38+0.84=7.22m 2.1.2 厚度计算 （1）筒体设计厚度 δd 计算厚度计算式：
2 Pc
t
Pc D1
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=0.2×1.1=0.22MPa。 装满液体时， 筒体内任一点静压强 P=P0+ρgx， 取 x 极限值， 即 x=H0+ha=8.84m 。 g 取 9.87N/kg 。 则 筒 体 底 部 液 柱 静 压 强 P=1076×9.87×8.84÷10^6=0.094MPa，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+0.094=0. 314MPa； [ς]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℃时，其许用应力为 170MPa； φ——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
4
t
1.15 0.314
170 0.361MPa 170
显然，δT<0.9δs，设计符合要求。
生物工程设备课程设计
（2）封头厚度 δ 封 计算式： 封
D1 t 2 0.5Pc 4ha KPc D1 y
2
，
1 D1 式中 K 2 6 2ha Y 为开孔系数，取 2.3 计算得 K≈0.94，δ 封=7.1mm。名义厚度取 12mm。
2.2 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 Reh N/mm2 厚度≤16mm 225 375～500 抗拉强度ζ MPa
b
伸长率 A/% 厚度≤40mm 26
许用应力 MPa 厚度≤16mm 温度≤150℃ 113
2.2.1 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。 图 2 发酵罐图 后弯叶角度 β=45°； 桨叶数 Z=6； 总直径 Dj=1/3D1=1066.7m，取 Dj=1m； 桨叶宽度 b=0.2Dj=0.2m； 桨叶长度 l=0.25Dj=0.25m； 桨叶厚度δ =0.02Dj=20mm； 圆盘直径 rd=0.65Dj=0.65m； 圆盘厚度δ d=0.02Dj=20mm； 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=0.85m； 第二层搅拌桨距离第一层搅拌桨 S1=2.4Dj=2.4m； 第三层搅拌桨距离第二层搅拌桨 S2=2.4Dj=2.4m 2.2.2 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式 Pqi
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。
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生物工程设备课程设计
70m3 机械搅拌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 70m³ 。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 70m3 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。 根据设计任务，汇总相关设计条件如下表： 表 设计条件 项目及代号 工作压力 设计压力 发酵温度 设计温度 冷却方式 发酵液密度 装料系数 参数及结果 0.2MPa 0.22MPa 不高于 121℃ 120℃ 蛇管冷却 1076kg/m³ 0.75 备注 设计任务要求 计算 设计任务要求 由工艺条件确定 由工艺条件确定 设计任务要求 设计任务要求
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生物工程设备课程设计
70m3 机械搅拌生物反应器设计任务书
设计者姓名：候一粟 班级：生物 0802 指导老师：任鹏 曾鸿雁 学号：20083212 20083196 组别：七组 日期： 年 月 日
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 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 工作压力 工作温度 工作介质 组别 公称容积（m3） 传热面积（m2） 搅拌器型式 搅拌器转速（/rmp） 搅拌轴功率 其他 罐体材料 名称 罐内 夹套内 罐内 夹套内 罐内 夹套内 13 70 60 弯叶涡轮 130 125 四块挡板，满足全挡板条件 16MnR 指标 ≤0.2MPa ≤0.3MPa ≤121℃ ＜150℃ 轻微腐蚀性物料 蒸汽
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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 罐体的长径比 H/D1 选择为 2.5，装料系数 η 取 0.75。公称容积 V 为 70m³ 。 根据发酵罐全体积近似计算式（忽略封头体积） ：V 则筒体内径 D1：

4
D12 H 0.15D13 m 3

D1
V
3

4
H / D1 0.15

70
3

4
3.21m
，圆整为 3.20m
2.5 0.15
（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： 表 1 公称直径 D1/mm 3200 发酵罐规格 内表面积 Aa/m2 11.5021 容积 Va/m3 4.6110 总深度 ha/mm 840