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 ①高径比 HD 17-40② 搅拌器六弯叶涡轮搅拌器 DidiLB 201554 ③搅拌器直径 Di D3④搅拌器间距 S 095-105D ⑤最下一组搅拌器与罐底的距离 C 08-10D⑥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 ①装料系数种子罐 050-065发酵罐 065-08②发酵液物性参数密度 1080kgm3粘度 20× 10-3Nsm2 导热系数 0621Wm℃比热 4174kJkg℃③ 高峰期发酵热 3-35 ×104kJhm3④ 溶氧系数种子罐 5-7 ×10-6molO2com发酵罐 6-9 ×10-6molO2com⑤ 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 4 ×3964 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- 2×1050 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 4 ×4140 16560mmHL H-2Hf 16560- 2×1050 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 π4 D2HL2Vf 得V 2074m3≈ 210 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 D500mm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 S0×10取 C3 0 代入上式C 120 3mmD－罐体直径 mm p－耐受压强 取 04MPaφ － 焊缝系数双面焊取 08[ σ ] －设计温度下的许用应力 kgfc16MnR钢焊接压力容器许用 应力为 150℃170MPaC －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 988㎏ M筒 988 × 1656 1636128 ㎏33 封头壁厚计算 圆整取 S2 18mmD－罐体直径 mmp－耐受压强 取 04MPay－开孔系数取 23φ － 焊缝系数双面焊取 08[ σ ] －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 075 × 1380 1035mm DiL 4 则叶长 L Di4 13804 345mm 叶宽 B Di5 13805 276mm 35 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 RFⅡ R·G450-06 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Ⅱ 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 210 × 075 1575物料体积流量 Q V12 15752× 3600 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 170mm φ180×5mm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 0204vvm为常温下 20℃ 01Mpa下的情况要这算为 04Mpa33℃下通风量 Q1取大值Q1 V1×04 1575 ×04 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 185 ×5mm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 2 ×096 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 Φ 180×5mm开在封头上排料口 Φ 180×5mm开在罐底进气口 Φ 180×5mm开在封头上排气口 Φ 180×5mm开在封头上冷却水进出口 Φ127× 3mm开在罐身补料口 Φ 180×5mm开在封头上取样口 Φ 180×5mm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 210×75 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×1575 5512500KJh即 Q Q发×V1 35×10443 冷却水耗量 由实际情况选用进出口水温为℃ ℃则 Q－单位时间传热量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 πdL 冷却列管总长度 m冷却水的流量 W 164611204㎏ h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取n 4则取 Φ127×3mm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 25 ×0121 03025m 列管与罐内壁的最小间距为 03m罐外径 D 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 4× 03025×0127 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 110rminNp 47公式以等 P0V为基准放大 则雷诺准数 为湍流则搅拌功率准数 鲁士顿 Rushton J HP0－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 NP≈47－涡轮转速 rmin－液体密度 kgm3因发酵液不同而不同一般取 800－1650 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η －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。