生物发酵搅拌反应釜的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 本 科 毕 业 设 计 题目： 生物发酵搅拌反应釜的设计 個人製作 教务处制 1 成绩 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 诚信声明 本人郑重声明：本人所呈交的毕业 论文（设计），是在导师的指 导下独立进 行研究所取得的成果。毕业 论文（设计） 中凡引用他人 已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或在网上发表的论文。 特此声明 。 论文作者签名： 日 期： 年 月 日 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 生物发酵搅拌反应釜的设计 摘要： 在化工生产中，不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、 染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中 和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应 等工艺过程的容器。生物发酵罐是一种搅拌反应器， 主要利用浆叶搅拌， 使参 加反应的物料混合均匀，使气体在液相中很好地分散、强化相间的传热、传质。 搅拌设备在工业生产中应用范围很广，尤其在生物发酵过程中，它是重要的操作 单元之一。 反应釜按 材质及用途可分为：不锈钢反应釜、搪玻璃反应釜、磁力 搅拌反应釜、不饱和聚酯树脂全套设备和蒸汽反应釜。搅拌设备由主要由釜体部 分、搅拌装置、轴封、传热装置和传动装置五大部分组成。因此如何选用合适的 反应釜型式，确立最佳的操作条件和设计合理可靠的反应釜，满足日益发展的过 程工业的需求具有十分重要的意义。 本设计按照一般的反应釜设计思路和方法进行设计，根据所提供的工艺设计 参数进行机械设计。本设计的重点是结构设计和强度计算，根据所学的有关化工 设备和机械方面的知识，按照一般的反应釜设计步骤进行选型设计和结构设计 ， 然后进行强度校核，最终使设计的反应釜能够达到要求。 关键词 ： 反应釜 生物发酵罐 搅拌 机械设计 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 h is a i n l to o f d n g r. of r n o f o n n, n. fo o f n n, r n r n 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 序言 在化工生产过程中，为化学反应提供反应空间和反应条件的装置称为反应釜 或反应设备。为了使化学反应快速均匀进行，需对参加化学反应的物质进行充分 混合，且对物料加热或冷却，采取搅拌操作才能得到良好的效果。实现搅拌的方 法有机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态（管道）搅拌和电磁搅拌。其中机械 搅拌应用最早，至今仍被广泛采用。 发酵技术在生物制药、饲料、酒精、酵母生产、酶类生产、蛋白质衍生物、 碳氢化合物、饮料、活性污泥处理等过程中应用非常广泛。发酵过程可以分为有 氧发酵和无氧发酵。其中发酵设备大多采用搅 拌反应釜。对于酒类和活性污泥处 理等无氧发酵过程，对搅拌强度要求非常低；而对有氧发酵过程，搅拌条件的影 响非常敏感。发酵过程中的搅拌作用会涉及到气体分散、固液悬浮、传热和混匀 等。发酵过程所使用的容器称为发酵罐。 发酵罐的设计包括工艺设计和机械设计两部分。工艺设计是根据设计任务提 供的原始数据和生产工艺要求确定反应釜的主要尺寸；机械设计是根据工艺尺寸 设计反应釜的结构、选择结构材料及进行强度、刚度和稳定计算，给出反应釜的 装配图和零件图。本设计进行的是机械设计，是在工艺设计之后进行的，工艺设 计所确定的对 搅拌反应釜的工艺要求是机械设计的依据。由于本设计是普通夹套 的反应釜，在设计的过程中按照一般的反应釜设计思路和步骤进行结构设计和强 度校核，以及反应釜附件的选型设计，最终是设计出来的反应釜能够达到工艺要 求。 生物发酵用的搅拌反应釜的设计主要包括 4 个方面：釜体及夹套的设计，搅 拌装置的设计，传动装置的设计和轴封装置的设计。而从机械设计的角度来讲， 反应釜的设计要涵盖以下内容：确定搅拌反应釜的结构形式和尺寸；选择材料； 计算强度和稳定性；选用主要零部件；绘制图样；提出技术要求。这就是本设计 所遵循的设计 步骤和方法，这也是比较传统的方法。原计划对局部利用 软件进行有限元分析，但由于时间比较仓促，只好用传统的方法进行计算。 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 本次设计也是对自我知识和经验不足的认识过程，查取了大量的资料，尽可能 的做好设计，但是由于自身知识的有限和经验不足，加上时间有些仓促，以至于 设计中存在着一些问题，衷心的希望看到本设计的老师们给予指正。 6 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 第 1 章 釜体及传热装置设计 10 体及封头的几何尺寸的计算 10 确定釜体的容积 10 确定釜体的长径比 10 确定釜体及封头的几何尺寸 11 套及封头的几何尺寸计算 13 套直径的确定 13 套结构的选型及连接型式 13 套的参数确定 14 定夹套的高度 14 体、夹套及封头壁厚的计算 15 择材料，确定设计压力 15 套壁厚及封头壁厚的计算 16 筒体壁厚及封头壁厚的计算 16 压试验校核 19 艺接管口和设备的选型设计 20 第 2 章 搅拌装置及附件设计 23 拌轴的计算 23 拌功率的计算 23 拌轴的设计计算 24 7 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 拌器的选型及分布 27 桨叶选择三叶推进式搅拌器 28 拌器上桨叶的强度校核 28 桨叶选择平直叶圆盘式 29 拌器下桨叶的强度校核 30 板的设计 31 第 3 章 传动装置的设计 32 动机的选择 32 速机的选择 33 架的选择 34 装底盖的选择 34 轴器的选择 35 动轴的设计 36 缘法兰的选择 36 第 4 章 轴封装置的设计 37 料的选择 37 封结构的选择 37 第 5 章 反应釜其它附件的选型与尺寸设计 39 镜的选择 39 座的选型 39 孔的选择 40 8 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 孔的选型结果 40 孔的开孔补强计算 41 终确定选择不锈钢 42 结论 43 参考文献 44 致谢 45 9 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 章 釜体及传热装置设计 釜体及封头的几何尺寸的计算 1 确定釜体的容积 选择圆柱形筒体和椭圆形封头 。 已知釜体操作容积 根据发酵反应时物料特性，选取装料系数 =： 全容积 2 确定釜体的长径比 确定长径比因考虑一下因素： 长径比对搅拌功率的影响： N 径比越 大，即 所需搅拌功率也越小。 小， 长径比对传热的影响：长径比大，可以使传热表面到釜中心的距离较小， 釜内温度梯度小，有利于传热。 反应过程对长径比的要求：用于发酵过程的发酵罐，为使通入的空气与 发酵液充分接触，需有足够的液深，因此要求长径比大。 表 1 1 几种搅拌釜的长径比 i(H/ 本设计中的反应物料为气 为发酵罐类，先取长径比H/ 。 10 种类 釜内介质接触形式 H/般反应釜 液 固相物料 1 1 2 发酵罐类 气 3 V m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 确定釜体及封头的几何尺寸 1釜体直径的计算 釜体结构简图： 图中： m； m； 由筒体体积近似公式： 4 4 得： 3 H 11 V D H D 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 4 H D V 3 4 2 i 圆整到公称直径，取 00 2. 封头选型 为了制造的方便，取封头的公称直径与筒体相同，封头结构如图： 图 釜体封头的结构与尺寸 根据 4737圆封头的选取结果见下表： 表 体椭圆封头的参数 可见，封头为标准椭圆形封头，且选择 可拆封头。 3. 确定内筒体的高度 H 已知内筒体封头的容积 则由： 4 得： H=此，取 H=1200 则： H/200/600=2，在 内，符合要求。 12 DN/mm h0/ V V H D 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 套及封头的几何尺寸的计算 1 夹套直径的确定 由下表： 表 套直径与内筒体直径关系 可见， D j = 50=600+50=650 2 夹套结构的选型及连接型式 1. 夹套选型 由下表： 表 类型夹套的适用范围 可见，发酵罐适宜压力较小的整体夹套 , 型式为 型如下 图 整体夹套 型式 13 内筒体直径 00600 7001800 20003000 夹套直径 D j 50 100 200 夹套型式 温度， 压力， 体夹套 350 300 圆管夹套 280 钢夹套 225 窝夹套 250 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2. 夹套的连接型式 整体夹套和罐体有两种连接型式，即可拆卸式和不可拆卸式。而不可拆卸 式夹套连接型式有多种，考虑到罐体材质是不锈钢，而夹套是普通碳钢，在结构 上避免不锈钢罐体与碳钢的夹套直接焊接，以防止在焊缝处渗入过量碳元素使不 锈钢产生局部腐蚀。选用如下结构型式： 图 夹套连接型式 3 夹套封头的参数确定 夹套封头的直径也取与夹套的直径相同，结构见图 1其具体参数见下表： 表 套椭圆封头参数 4 确定夹套的高度 14 DN/mm h0/ 00442 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 设夹套的高度等于料液的高度（一般不应低于料液高度），计算方法与内筒 体高度计算类似，由： 4 得： H j =： H j =900 体、夹套及封头壁厚的计算 1 选择材料，确定设计压力 1. 选择筒体和夹套材料 釜 体 内 介 质 为除 氢 氟 酸 、强 碱 以 外 的 有 机酸 、 无 机 酸 、 弱碱 等 ， 选 用 1氏体不锈钢完全满足要求，在 60时： =105 屈服极限 s=205 2确定夹套的设计压力 对于大多数动物酶的最适温度为 37一 40， 植物酶的最适温度 50一 60 。对于 体内和夹套内 的设计温度均为 60。设夹套为一内压容器， 取设计压力为夹套的工作压力的最高工作压 力，即： 内筒体和底封头既 受内压又外压的作用， 图 力示意图 按内压取设计压力为 =外压取设计压力 虑操作过 程可能出现的最大压差）。 15 V V 0 h H j Di t P i 3. 确定内筒体的压力 P 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 夹套壁厚及封头的壁厚计算 1夹套壁厚计算 夹套只受内压的作用，故其按照内压设计，根据内压壁厚计算公式： j 2 1 0 5 0 0 套采用双面焊 ，局部探伤检查，查化工容器及设备简明设计手册 得 焊 接接头系数 取钢板的厚度负偏差 蚀裕量 故厚度附加量 C= j . 夹套封头壁厚计算 由夹套封头的壁厚计算公式： j 2 105 2 kj 3 内筒体壁厚及封头的壁厚计算 1内筒体壁厚计算 (1) 按承受 压计算 焊缝系数同夹套一样，取 则由内筒体体壁厚计算公式 得： 16 p D j 2 p 0 6 5 0 得：= C 4mm p D j j t 2 650 C C C 4文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 650 2 i i 得： 21053m ， C 1 C 2 1 取经过圆整 n 。 (2) 按承受 压计算 设内筒体名义厚度 n 6C e n C 6 1 . 8 4 . 2 ， 内筒体外径： 1 C 2 1即 C 则： 内筒体长度： D 0 2 n 600 12 612 2 则： L H j 2h 0 3 1200 2 25 D 3 162 1358 1358 612 0 E 612 根据图算法，查化工设备设计基础图 3何参数计算图，得： A=根据 A 查图 3压圆筒和球壳厚度计算图，得： B=45此时许用外压： 612 因此，取 n 6能满足内筒体稳定性要求。 再假设内筒体名义厚度 n 8C 2 1即 C 则： e n C 8 1 6.2 内筒体外径： 2n 6 00 16 616 内筒体长度： L=1358则： 17 t p B45 4.2 p 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 L 1358 616 D 0 E 616 据图算法，查化工设备设计基础图 3： A=根据 A 查 3： B=69此时许用外压： 616 因此，取 n 8满足内筒体稳定性要求，取内筒体的壁厚为 8 2内筒体封头壁厚计算 考虑到加工制造方便，取封头与筒体壁厚相同，即取封头名义厚度 8按内压计算肯定满足强度要求，下面，仅按封头手外压情况进行 校核。 封头的有效厚度 e 8 6. 2 椭圆形封头的当量球壳内半径 量曲率半径）： 表 圆封头的当量曲率半径折算表 h 600 2162 说明封头为非标准椭圆封头，故： R i k D i 0 6 0 0 4 9 8 m m 由： 498 16 414 e 得： A=得 B=33： 18 2. 6 2. 4 2. 2 .0 k 69 6.2 p 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 p B i e 33 14 故封头壁厚取 8以满足稳定要求。 4 水压试验校核 1试验压力的计算 液压试验压力： 1 . 2 5 t T 取两者较大者。式中： 试验压力， p 设计压力， p 0 . 1 容器元件材料在试验温度下的许用应力， 容器元件材料在设计温度下的许用应力， 对于筒体 已知： p= =105 =113水压试验温度为 25。 最后算得： 对于夹套 已 知： 已知 ： p= =105 =113取水 压试 验 温度 为 25。 最后算得： 2内压试验校核 内筒体应力： 2e2 89 R p t t t p (D ) (600 8) a 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 夹套应力： j 2 (608 4) 24 于液压试验，此应力值不得超过该试验压力温度下材料屈服强度的 90%， 而 s 故内筒和夹套均满足水压试验室的应力要求。 3外压试验校核 由前面的计算知： 内筒体许用外压 p 大于夹套 水压试验压力，故 在做夹套的试验压力时，满足水压实验要求的压力。 5 工艺接管口和设备的选型设计 1. 接管的选型设计 本设计的接管主要有：进料管、出料管、水进口管、水出口管、温度计套 管、压力计接管。 以 出料管为例，进行选型设计。 (1) 出料管选用 38 接管，管长 150，材料选用无缝不锈钢钢管。 结构示意图： D 90 图 料管结构 20 p (D 90% 90% 205 184. 5文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 (2) 法兰连接的垫片材料：石棉橡胶（ 0606 全平面形式，垫片内径 8径 6 (3) 接管连接法兰： =2 选择板式平焊法兰 0593F，结构示意图如下： 图 板 式平焊法兰 表 兰结构尺寸 (4) 螺栓：螺栓 5782 12 60,n=4，材料为 35#钢。 (5) 螺母：螺母 B/T 6170n=4，材料为 (6) 垫圈：垫圈 1985 12材料为 表 兰、垫片、螺栓、螺母的材料 其他接管的选型结果与出料口相同。 2. 封头与筒体的链接法兰 21 公 接 连 接 尺 寸 坡 D K L n 2 38 120 90 14 4 M 12 16 39 0 法 兰 垫 片 螺 栓 螺 母 垫 圈 胶石棉 23500文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 (1) 选 择长颈法兰 4703 N 材料为 数量 2 个。 选择 密封面。 表 长颈法兰的尺寸 1 锻件） , (2) 垫片 00 707d=603D=639 材料是 0锌薄钢板。 =3金属包垫片， 图 垫片的结构 表 垫片的尺寸 (3) 螺柱：选择等长双头螺柱 B 级， 90120 220,材料为 40数量 n=20。 (4) 螺母： 6170 24，材料为 35#钢，数量 =40。 (5) 垫圈 :选择平垫圈 4料为 量 n=40。 22 公 称 直径 法 兰， 柱 对 接 筒 体 D 2 4 H h a 1 2 R d 600 740 700 665 655 652 44 105 25 17 14 12 22 12 23 mm / 39 603 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 章 搅拌装置及附件设计 拌轴的计算 1 搅拌功率的计算 搅拌轴选用 的材料是 45#钢，正火处理， 5 4 s S=355 b=600 E= 10 G= 10 s 3 118M 别从四方面对轴进 行计算和校核。 搅拌功率的计算： 式中： N N 3 K N n 3 d 5 被搅拌介质密度， kg/m ； n 搅拌器转速， r/s； d 搅拌器直径， j 对 于通气式搅拌发 酵罐，其搅拌器的要求 既要有较强的剪切 力，又要 有较大 的流体循环特性， 故本发酵罐采用径向流和轴 向流结合的多层搅拌 桨组合 式的搅拌系统。上 层采用循环量大的轴向流三 叶推进式搅拌器 ，下 层采用剪切力强的圆盘式涡轮径流型搅拌器。 1. 下层搅拌 器 ：取 d =200 端速度 v=s,选 取平直叶 圆盘式搅拌 器，具体结构见下面。 釜体内物质粘度 密度 1000 m ，则： 23 功率数； d =（ ， 3 2 d n R e 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 得 : R e 1720 ，由 K N 从而计算出搅拌功率 1 N 3 ( W 2. 上层搅拌器： 取 d =200端速度 v=s,选取三窄叶旋桨式搅拌 器，具体结构见下面。 釜体内物质粘度 密度 1000 m ，则： 得 : R e 1720 ，由 K N 而计算出搅拌功率 2 N 3 ( 3 拌总功率： N N 1 N 2 W 2 搅拌轴的设计计算 1按允许的扭转变形计算 中： 4 K 4 ) G 轴的剪切弹性模量， K 空心轴内径与外径之比； n 130r/ 搅拌扭矩， N m； a 许用扭转角， /m，由于轴底端无支撑， a =； 24 3 5 N K n d 10 3 3 2 d n R e 3 5 N K n d 10 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 计算出： 9550 N n 9550 ( 60 18N m ，已知从而 d 1 2 4 . 6 7 m 2按扭矩计算轴的强度 M 式中： ma x p 截面上最大剪切应力， M W t t 轴传递的扭矩， 抗扭断面系数， m ； 降低后的扭转许用剪应力， 其数值可参考下表。 则对于实心轴的直径： n m; 式中 d 搅拌器的直径， m; P 其中 =30 经计算 d 3按扭矩和 弯矩合成计算轴的强度 n 最大弯矩： (i ) ； 25 材料 20 35 45 40 3 1 12 20 20 30 30 40 40 52 18 24 15 25 N 3 电机功率 ， r P 搅拌轴上最大扭矩：M （ 9 553000 ）； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 液体动力产生的最大径向力： 2888000 N 0 f s ； 所以 2 nd j 2 1 3 d s ( M t (M b 用剪应力计算的最小直径 2 ； 2 1 3 用拉应力计算的最小直径 d t 16 M b ( M t ) ( 4M ； s 式中 第 i 个叶轮的流体动力作用点至 最下一个轴承的距离， M t 作用在搅拌轴上最大扭矩， N N 0 一个叶轮的搅拌功率， d j 叶轮直径， s 正常操作下轴的需用拉力， 搅拌系数，搅拌等级低于 7 时， 取 1； 计算得： d s 16 13 .7 4按临界转速计算 a)中： 0.7 s i i 1 第 i 个搅拌器有效质量 末端 S 点处相当质量 a) 4 6 1 6 E 临界转速n n n 临界转速，n 737r / 取 n 737 r / 2 在S 点处所有相当质量总和： W W W ； 2 L (L a) W m ； 2 悬臂轴有效质量：m d 2 L 1 0 ； 4 搅拌器有效质量：m m D h 1 0 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 i 个搅拌器直径， 第 i 个搅拌器 叶片宽度， 轴有效质量 末端 S 点处的相当质量 420(a) 式中 a 悬臂轴两支点间的距离， 第 1、 2 个搅拌器的每个悬臂长度 ， s 轴材料密度， s 10 m 。 d 5 计算出： d 4 搅拌轴的设计计算结果： 选取搅拌轴的轴径为 d=30料为 45#钢，均大于 要求。 、 d 4 ，满 拌器的选型及分布 对于生 物搅拌发酵罐，搅拌 器既要有较强剪切力， 又要有较大的流体 循环 特性，采取单一的径流型搅拌器是达不到要求的。故本反应罐采用了径向流和轴 向流相结合的双层搅拌桨组合式搅拌系统。上层采用三叶推进式，下层采用平直 叶圆盘式。 1 上浆叶选择三叶推进式搅拌器 27 2 2 140a 231L a 99L ； 3 L 1 4 5 对于悬臂轴满足的支撑条件： L L L=1250a 250取 a 200且 d 31 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 搅拌器结构示意图如下 图 叶推进式搅拌器 搅拌器的的具体尺寸见下表： 表 窄叶叶桨式搅拌器的尺寸（ 2 搅拌器上桨叶的强度校核 搅拌器桨叶的材料为 :钢，桨叶数量 Z=3。、按照许用弯曲应力进 行校核。 1. 弯许用应力 b 28 DJ d d 2 h 1 1 b t 2 许用扭矩 M 质量 G 200 30 60 55 12 10 8 48 1.9 t b 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 全系数 料的 b t 为 375选取 3，计算得： 1252. 桨叶上承受的弯矩 M I 4777 a n 4777 16 m (1) 在 的抗弯截面模数 叶无加强筋加强 6 (2) 弯曲应力 2 3 1 6 8 10 2 133 I M I 10 见，桨叶的强度满足要求。 桨叶选择平直叶圆盘式 搅拌器结构示意