机械搅拌生物反应器课程设计说明书

生物工程设备课程设计Ⅰ目录设计任务书.......................................................................................................................................1设计方案的分析和拟定...................................................................................................................2工艺设计...........................................................................................................................................21.反应器的总体结构设计........................................................................................................22.设备结构部件设计................................................................................................................32.1罐体的设计................................................................................................................32.2搅拌装置设计............................................................................................................52.3零部件......................................................................................................................102.4冷却装置..................................................................................................................112.5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生物工程设备课程设计170m3机械搅拌生物反应器设计任务书设计者姓名：候一粟曾鸿雁学号：2008321220083196班级：生物0802组别：七组指导老师：任鹏日期：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名称指标1工作压力罐内≤0.2MPa夹套内≤0.3MPa2工作温度罐内≤121℃夹套内＜150℃3工作介质罐内轻微腐蚀性物料夹套内蒸汽4组别135公称容积（m3）706传热面积（m2）607搅拌器型式弯叶涡轮8搅拌器转速（/rmp）13010搅拌轴功率12511其他四块挡板，满足全挡板条件12罐体材料16MnR生物工程设备课程设计270m3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℃设计任务要求设计温度120℃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1076kg/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。生物工程设备课程设计32.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）：3312115.04mDHDV则筒体内径D1：mDHVD21.315.05.247015.0/43311，圆整为3.20m（2）封头规格查《钢制压力容器用封头》（JB/T4746-2002）标准，由发酵罐工程内径可得封头规格如下：表1发酵罐规格公称直径D1/mm总深度ha/mm内表面积Aa/m2容积Va/m3320084011.50214.6110（3）罐体高度H和筒体高度H0筒体高度m6.742V-210DVHa，圆整为8m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3a021m56.7324'VHDV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：h421aDVV‘，式中h为筒体部分发酵液的高度。则有：m38.62.34611.475.056.734h221DVVa’，h=6.38H0，说明假设成立。生物工程设备课程设计4发酵液高度Hf=h+ha=6.38+0.84=7.22m2.1.2厚度计算（1）筒体设计厚度δd计算厚度计算式：ccPDPt12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mm5.3314.085.017023200314.0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。a13685.00.520.53200361.02a361.0170170314.015.115.11tMPDPMPPPEETTT显然，δT0.9δs，设计符合要求。δs钢板厚度δe有效厚度δd设计厚度C3制造减薄量C1钢材厚度负偏差C2腐蚀浴量δ计算厚度Δ钢材圆整量δn名义厚度生物工程设备课程设计5（2）封头厚度δ封计算式：acchDPDKP45.02y1t1封，式中212261ahDKY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RehN/mm2抗拉强度ζbMPa伸长率A/%许用应力MPa厚度≤16mm厚度≤40mm厚度≤16mm温度≤150℃225375～500261132.2.1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。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δd=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=2.4m2.2.2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WDDPPk5ji5jisqi式中，Ps——搅拌器的搅拌轴功率，kW；Dji——第i层搅拌器直径，mm；∑——各层搅拌器直径5jiD之和，mm5；生物工程设备课程设计6代入数值，计算得各层搅拌器功率WPk67.41qi（2）强度计算如图所示，弯叶圆盘涡轮搅拌器的危险断面在图中I-I断面处。弯矩：32314141jqtR·75.0xxr-x·n9553RRRZPM，式中，式中，R1表示搅拌器半径，R1=0.5Dj=500mm；R2表示叶根半径，为250mm;r=0.5rd=0.325m因此，x=0.4m，m69.954.0325.04.0130667.419553xr-x·n9553jqtNZPM抗弯断面模数W1：322e1mm85336162006bW式中,e表示搅拌桨叶的有效厚度,；mmCCne165.35.02021弯曲应力，满足条件