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1、200立方米机械搅拌通风发酵罐设计方案 200M3机械搅拌通风发酵罐设计方案1 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HD 17-40搅拌器六弯叶涡轮搅拌器DidiLB 201554搅拌器直径Di D3搅拌器间距S 095-105D最下一组搅拌器与罐底的距离C 08-10D挡板宽度B 01D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050-065 发酵罐065-08发酵液物性参数密度1080kgm3 粘度2
2、010-3Nsm2 导热系数0621Wm 比热4174kJkg高峰期发酵热3-35104kJhm3溶氧系数种子罐5-710-6molO2com 发酵罐6-910-6molO2com标准空气通风量种子罐04-06vvm 发酵罐02-04vvm3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04MPa夹套025 MPa发酵罐主要由罐体和冷却列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
3、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视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及代号参数及结果备注有机酸工作压力04MPa由任务书确定设计压力04MPa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由工艺条件确定发
4、酵液黏度由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定21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22 几何尺寸的确定 根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸高径比HD 4则H 4D初步设计设计条件给出的是发酵罐的公称体积200M3 公称体积V罐的筒身圆柱体积和底封头体积之
5、和全体积V0公称体积和上封头体积之和封头体积 近似公式假设HLD 39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 罐体直径D 3964mm罐体总高度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 hahb内表面积Af 179容积Vf 902m3可得罐筒身高HL H-2Hf 15855-21050 13755mm则此时与前面的假设不相近又设HLD 34所以则可知D 4306mm圆整取D 4140mmH 4D 44140 16560mmHL H-2Hf 16560-
6、21050 14460mm与前面的假设相近故可认为D 4140mm是合适的发酵罐的全体积由V 4 D2HL2Vf得V 2074m3210 m3搅拌叶直径DiD 13Di 41403 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31 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45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D 500mm所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接32 罐体壁厚其中C为壁厚附加量C C1C2C3C1-钢板负偏差其范围
7、为013-13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 120 3mmD罐体直径mmp耐受压强 取04MPa 焊缝系数双面焊取08 设计温度下的许用应力kgfc16MnR钢焊接压力容器许用应力为150170MPaC 腐蚀裕度 选用10mm的16MnR钢板制作查附表17知D 414mS1 10mmH 1656m每米筒重988M筒 9881656 163612833 封头壁厚计算圆整取S2 18mmD罐体直径mm p耐受压强 取04MPa y开孔系数取23 焊缝系数双面焊取08 设计温度下的许用应力1
8、6MnR钢焊接压力容器许用应力为150170MPa选取18mm的16MnR钢板制作34 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200m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶搅拌叶轮直径Di 1380mm盘径di 075Di 0751380 1035mmDiL 4则叶长L Di4 13804 345mm叶宽B Di5 13805 276mm35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RFRG450-06 HG21522-1
9、995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 PN10 DN80 HGJ501-86-1736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V1 210075 1575物料体积流量Q V12 157523600 0022m3s则进料管截面积F QV 00221 0022又得取无缝钢管查阅资料平焊钢管法兰GB8163-87取公称直径170mm1805mm以排气管为例计算如下若压缩空气在04MPa以下支管气速为2025ms标准通风比为0204v
10、vm为常温下2001Mpa下的情况要这算为04Mpa33下通风量Q1取大值Q1 V104 157504 63m3min 105 m3s利用气态方程式计算工作状态下的通风量Qf取风速风管截面积 又则气管直径d气为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 管道截面积 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 2096 192h其他管道也是如此计算com 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
11、1805mm开在封头上取样口1805mm开在封头上com 仪表接口温度计装配式热电阻温度传感器Pt100型开在封头上液位计采用标准 型号 直径开在罐身上溶氧探头pH探头型4 冷却装置设计41 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42 装液量 设计发酵罐装料系数取75发酵罐装料液体积V1 21075 1575m3不计算下封头时的装液体积 1575-902 14848m3装液高度单位时间传热量发酵热装料量 即Q Q发V1 35104 1575 5512500KJh43 冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为 则Q单位
12、时间传热量Cp冷却水的平均比热取4186 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 t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 发酵温度 44 冷却面积 对数平均温度差K传热总系数取2090 kJ m2 h 冷却面积 A dL 冷却列管总长度 m 冷却水的流量W 164611204h则 取冷却水在列管中的流速 1ms根据流体力学方程冷却管总截面积设冷却管管径为组数为n又取n 4则 取1273mm无缝钢管d内 0121m 121mm取冷却管总高度为L取每组15根则每根长度冷却管的排列方式取管间距25d外 250121 03025m列管与罐内壁的最小间距为03m罐外径D
13、414m叶轮直径Di 138m叶轮外边沿到罐壁的距离为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4030250127 01537 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03025m列管与罐壁的最小间距为03m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51不通气条件下的轴功率P0取发酵醪液黏度密度 搅拌转速取两档搅拌搅拌转速N可根据50m3罐搅拌器直径105转速N1 110rmin以等P0V为基准放大则雷诺准数为湍流则搅拌功率准数Np 47鲁士顿 Rushton J H 公式P0无通气搅拌输入的功率W功率准数是搅拌雷
14、诺数ReM的函数圆盘六弯叶涡轮 NP47涡轮转速rmin液体密度kgm3因发酵液不同而不同一般取8001650 kgm3 本设计取涡轮直径m52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两层搅拌输入的功率kW涡轮转速rmin涡轮直径m138mQ通气量已知标准通风比为0204vvm取低极限如果通风量变大变小为安全起见现取02vvm则 计算53电机及变速装置选用根据搅拌功率选用电动机时应考虑传动装置的机械效率搅拌轴功率轴封摩擦损失功率一般为传动机构效率根据生产需要选择三角皮带电机三角皮带的效率是 092滚动轴承的效率是 099滑动轴承的效率是098端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1则电机的功率6 附属设备
