1、11 设计方案的拟定我设计的是一台 200M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产有机酸。设计基本依据（1）、机械搅拌生物反应器的型式通用式机械搅拌生物反应器，其主要结构标准如下：高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,D i:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：D i=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D挡板宽度：B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板（2）、反应器用途用于有机酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐 0.50-0.65发酵罐 0.65-0.8发酵液物性参数：密
2、度 1080kg/m3粘度 2.010-3N.s/m2导热系数 0.621W/m.比热 4.174kJ/kg.高峰期发酵热 3-3.5104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐 5-710-6molO2/ml.min.atm发酵罐 6-910-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐 0.4-0.6vvm发酵罐 0.2-0.4vvm（3）、冷却水及冷却装置冷却水：地下水 18-20冷却水出口温度：23-26发酵温度：32-33冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。（4）、设计压力罐内 0.4MPa；夹套 0.25 MPa2发酵罐主要由罐体和冷却列管，以及搅拌装置，传动装置,
3、轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对 200M3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；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等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。这次设计包括一套图样，主要是装配图，还有一份说明书。而绘制装配图是生物工程设备的机械设计核心内容，绘制装配图要有合理的选择基本視图，和各种表达方式，有合理的选择比例，大小，和合理的安排幅面。说明书就是要写清楚设计的思路和步骤表-发酵罐主要设计条件项目
4、及代号 参数及结果 备注发酵产品 有机酸工作压力 0.4MPa 由任务书确定设计压力 0.4MPa 由任务书确定发酵温度（工作温度） 33 根据任务书选取设计温度 150 由工艺条件确定冷却方式 列管冷却 由工艺条件确定发酵液密度 3/108mKg由工艺条件确定发酵液黏度 2.2sN由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定2.1 发酵反应釜的总体结构发酵反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔，工艺接管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为为带动搅拌装置设置的
5、，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的发酵反应釜。2.2 几何尺寸的确定 3根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比 H/D=4，则 H=4D；初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（200M 3） 公称体积 V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积 V0公称体积和上封头体积之和封头体积 214h)6bD封 （近似公式）2304.5H假设 HL/D=3.9，根据设计条件发酵罐的公称体积为 200M3由公称体积的近似公式 可以计算出 2304.15VHD罐体直径 D=3964mm，罐体
6、总高度H=4D=43964=15855mm，查阅文献【2】 ，当公称直径 Dn=4000mm 时，标准椭圆封头 的曲面高度 ha=1000mm，直边高度 hb=50mm，总深度为 Hf=ha+hb， 内表面积 Af=17.9，容积 Vf=9.02m，可得罐筒身高，HL=H-2Hf=15855-21050=13755mm则此时 ，与前面的假设不相近，43875.01DL又设 HL/D=3.4，所以 ，2304.1V则可知，D=4306mm，圆整取 D=4140mm，H=4D=44140=16560mm，HL=H-2Hf=16560-21050=14460mm，与前面的假设相近49.3106D故可
7、认为 D=4140mm 是合适的发酵罐的全体积由 V=(/4)DH L+2Vf，得V=207.4m210 m搅拌叶直径:D i/D=1/3，4Di=4140/3=1380mm搅拌叶间距 S= Di=1380mm底搅拌叶至底封头高度 C= Di=1380mm3 罐体主要部件尺寸的设计计算3.1 罐体考虑压力，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。因有机酸是偏酸性（pH 值为 4.5） ，对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR 钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因 D500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.2 罐体壁厚CpDS2其中 C 为壁厚
8、附加量C=C1+C2+C3C1-钢板负偏差，其范围为 0.13-1.3，取 C1=1mmC2-为腐蚀裕量，单面腐蚀取 1mm，双面腐蚀取 2mmC3-加工减薄量，对冷加工 C3=0，热加工封头 C3=S010%；取 C3=0，代入上式C=1+2+0=3mm mS 11.94.08172. ， 圆 整 取D罐体直径（mm）p耐受压强 (取 0.4MPa) 焊缝系数，双面焊取 0.8 设计温度下的许用应力（kgf/c ） （16MnR 钢焊接压力容器许用应力为2m150，170MPa）C 腐蚀裕度 选用 10mm 的 16MnR 钢板制作查附表 17 知，D=4.14m，S 1=10mm，H=16
9、.56m每米筒重 988，M 筒 =98816.56=16361.2853.3 封头壁厚计算，圆整取 S2=18mmmCpDyS1738.01724.2D罐体直径（mm） p耐受压强 (取 0.4MPa)y开孔系数，取 2.3 焊缝系数，双面焊取 0.8 设计温度下的许用应力（16MnR 钢焊接压力容器许用应力为 150，170MPa）选取 18mm 的 16MnR 钢板制作3.4 搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据 d 确定 h 和 b 的值尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献2可知 200m发酵罐采用 6-
10、6-6 弯叶式搅拌叶搅拌叶轮直径 Di=1380mm，盘径 di=0.75Di=0.751380=1035mm，Di/L=4,则叶长 L= Di/4=1380/4=345mm叶宽 B= Di/5=1380/5=276mm3.5 人孔和视镜人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设计只设置了 1 个人孔，标准号为： 人孔 RF（RG）450-0.6 HG21522-1995，公称直径 450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴 750mm 处视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了 2 视镜，直径为 DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴 750mm 处，标记为视镜
11、 PN1.0 DN80 HGJ501-86-17a r弯 =(1/2)d-箭 40a38e:hb.5图 6通 用 的 涡 轮 式 搅 拌 器六 平 叶 六 弯 叶 c六 箭 叶bd163.6 接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为 ，2h 排尽。发酵罐装料液体积：V 1 =2100.75=157.51/vms 3m物料体积流量 Q=V1/2=157.5/23600=0.022m/s，则进料管截面积 F=Q/V=0.022/1=0.022，又 ，20.785Fd得 ，m170.取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰 GB8163-87，取公称直径170mm，1805mm。以排气管为例计算如下：若压
12、缩空气在 0.4MPa 以下，支管气速为 2025m/s，标准通风比为 0.20.4vvm，为常温下 20，0.1Mpa 下的情况，要这算为 0.4Mpa，33下。通风量 Q1 取大值。Q1= V10.4=157.50.4=63m/min=1.05 m/s利用气态方程式计算工作状态下的通风量 Qf：sf /27.034.053取风速 s/2m风管截面积 218.25.mVQFff又 ，则气管直径 d 气 为：气2785.0df.1.气因通风管也是进料管，故取两者的大值。取 d=1855mm 无缝钢管可满足工艺要求。复核：物料流量 ，ssmQ/1/02.3， 流 速管道截面积 ，22m3.07.
13、85.7dF在相同流速下，流过物料因管径较原来的计算结果大，则相应的流速低，则排料时间 t=20.96=1.92h)0.96(1.23倍其他管道也是如此计算。73.6.1 管道接口 （采用法兰接口）进料口：直径 1805mm，开在封头上，排料口：1805mm，开在罐底；进气口：1805mm，开在封头上；排气口：1805mm，开在封头上；冷却水进、出口：1273mm，开在罐身；补料口：1805mm，开在封头上；取样口：1805mm，开在封头上；3.6.2 仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器 Pt100 型，D100mm，开在罐身上；压力表；弹簧管压力表（径向型） ，d 1=20mm，精度 2
14、.5，型号： ，开在封头250YZ上；液位计：采用标准： 型号： 直径： ，开在罐身5368HG6R(614)m上；溶氧探头： ；pH 探头： 型；SENDOF2PHS4 冷却装置设计4.1 冷却方式 发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管式冷却装置。4.2 装液量 设计发酵罐装料系数：取 75%发酵罐装料液体积：V1=21075%=157.5m不计算下封头时的装液体积： V1柱 下 封 头 体 积=157.5-9.02=148.48m1柱 下 封 头 体 积8装液高度： mh04.1.4318D4V221 柱单位时间传热
15、量发酵热装料量即：Q=Q 发 V1=3.5104 157.5=5512500KJ/h4.3 冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为 、 ，则1826hKgtCQWp /04.26.45012 Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取 4.186 kJ/ (kg ) t2-t1冷却水进、出口温度差 对数平均温度差 ，由工艺条件知道 = ，Ft3）（）（ 53.107lg0.2618tlg30.2)()(21F1 tmt1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 发酵温度 F4.4 冷却面积 48.2503.12095mtKQA对数平均温度差K传热总系数，取 2090 kJ/(m2 h)冷却面积( ) A=
16、dL 2冷却列管总长度(m)：冷却水的流量 W=164611.204/h则 sWs /m46.0/h.16402.164V33取冷却水在列管中的流速 =1m/sv根据流体力学方程冷却管总截面积 总S9总 046.1.VsS设冷却管管径为 ，组数为 nd又20785.n总取 n=4，则 m21.85.7046d0取 1273mm 无缝钢管，d 内=0.121m=121mm取冷却管总高度为 L 6021.43850 AL取每组 15 根，则每根长度 m1540冷却管的排列方式：取管间距 2.5d 外=2.50.121=0.3025m，列管与罐内壁的最小间距为 0.3m罐外径 D=4.14m，叶轮直
17、径 Di=1.38m叶轮外边沿到罐壁的距离为 mDi38.12每组列管采用转角正三角形排列，每边排则 5 根管复核：正三角形的边长为 40.30250.127=0.1537叶轮外边沿到罐壁的距离故采用转角正三角形符合要求且每组管管间距为 0.3025m，列管与罐壁的最小间距为0.3m，四组管间采用转角正方形排列。由于采用列管式冷却，故无需挡板。5 搅拌器轴功率的计算5.1 不通气条件下的轴功率 P0取发酵醪液黏度 ，密度 ， /N12.-3s3/108m搅拌转速：取两档搅拌，搅拌转速 N 可根据 50m罐，搅拌器直径 1.05，转速 N1=110r/min.以等 P0/V 为基准放大：10mi
18、n/92i/6.91)38.05(1)(2321 rrDN则雷诺准数，为湍流，则搅拌功率准数 Np=4.746322 107.510.)69(Re i鲁士顿(Rushton J. H.)公式： KWP KWDNp72.186.902 86.901086.91.40 45353 P0无通气搅拌输入的功率（W） ；功率准数，是搅拌雷诺数 ReM 的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7涡轮转速（r/min） ；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取 8001650 kg/m3 ,本设计取；3/108mkg涡轮直径（m） ；iD5.2 通气搅拌功率 Pg 的计算因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算 39.08.203)(125.QDPPig两层搅拌输入的功率（kW）0涡轮转速（r/min） ，min/92r为涡轮直径（m） ，1.38miDQ通气量（ ） ，已知标准通风比为 0.20.4vvm。取低极限，如果通风量变大l/in， 变小。为安全起见，现取 0.2vvm，gP则 98.3)105.3( min/10527.708.76l计算 WQDPPig 08.14)98.3271(2.)(. 39.03.08.2
