通用发酵罐设计与强度分析-硕士论文

C l a s s i f i e dI n d e x ：T H 4 9 U D C ：6 2 1 S e c r e c yR a t e ：P u b l i c i z e d U n i v e r s i t yC o d e ：1 0 0 8 2 H e b e i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y D i s s e r t a t i o nf o rt h eM a s t e rD e g r e e D e s i g na n dS t r e n t hA n a l y s i s f o raG e n e r a l C a n d i d a t e ： S u p e r v i s o r ： A s s o c i a t eS u p e r v i s o r ： Fe r m e n t a t i o nT a n k W e iH o n g p u P r o f Y uX i n q i S e n i o rE n g i n e e rW a n gP e n g h u i A c a d e m i cD e g r e eA p p p f i e df o r ：M a s t e ro f E n g i n e e r i n g S p e c i a l i t y ： E m p l o y e r ： M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g D a t eo fO r a lE x a m i n a t i o n ： M a y , 2 0 14 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 弛蔫 j 步铲 弘，哆年广月旷日 Cq 年歹月c ，日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 诉保密。 ( 请在以上方框内打“”) 靴敝储獬：韶崤 D f 够年r 月I 厂日 j 够寸 【唯年声月Ir 日 摘要 摘要 发酵技术大规模用于工业生产源于上世纪青霉素等药物的发明，之后扩展到化 工、食品、制药、能源等工业领域，已经成为当今工业生产最为重要的生物技术之 一。发酵罐是发酵工艺中的关键设备，本文对发酵罐的设计理论和强度进行研究， 具有一定的工程意义。 参照有关标准和参考资料对l O O m 3 发酵罐的简体壁厚、封头壁厚进行了设计， 采用等面积法对按照标准无法免于补强的开孔接管进行了补强面积的计算，采用传 热学理论和实验公式对发酵罐的传热面积进行了计算，对搅拌器进行了设计计算和 选型，对其功率进行了计算。在进行设计计算的基础上，采用有限元方法对开孔接 管进行了应力分析和安全评定，对直叶带圆盘的涡轮式搅拌器和将搅拌器等效为均 质圆盘两种模型的搅拌轴的白振频率进行了计算。 通过将开孔接管有限元分析的结果与设计计算结果进行对比发现，按照等面积 法计算，有3 个接管需要补强，但根据有限元分析结果，需要进行补强计算的5 个 接管均满足强度要求，而且除了位于筒体上的一个接管之外，均具有较大的安全裕 度，说明等面积法对有效补强面积估计不足；通过对搅拌轴的分析发现，叶轮形式 对于搅拌轴的自振频率影响明显，在进行搅拌轴设计时，需要予以考虑。 关键词发酵罐；搅拌轴；自振频率；开孔补强；有限元分析 河北科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t F e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yb e c a m ep o p u l a t i o nf r o mt h ei n v e n t i o no fm e d i c i n e ss u c ha s p e n i c i l l i n ，a n dt h e nh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r yf i e l d sw h i c ha r ec h e m i c a l i n d u s t r y , f o o d ，p h a r m a c y , e n e r g ye ta 1 N o w , f e r m e n t a t i o n i st h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g yi nt h eb i o l o g i c a li n d u s t r y F e r m e n t a t i o nt a n ki st h ek e ye q u i p m e n ti nt h e f e r m e n t a t i o np r o c e s s ，a n ds t u d i e so ft h ed e s i g nt h e o r ya n ds t r e n g t hf o rt h ef e r m e n t a t i o n t a n ki nt h i sp a p e ri so fas i g n i f i c a n ts e n s ef o rb i o l o g i c a le n g i n e e r i n g A c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d sa n do t h e rr e f e r e n c e ，t h i c k n e s s e so ft h ec y l i n d e ra n dt h e s p h e r i c a lh e a d sh a v eb e e nc a l c u l a t e df o raf e r m e n t a t i o nt a n kw h o s ec a p a c i t yi s10 0 m 3 A r e ar e p l a c e m e n tm e t h o dh a sb e e nu s e df o rc a l c u l a t i n gt h er e i n f o r c e m e n ta r e ao ft h e5 o p e n i n g sw h i c hd o n o ta g r e ew i t ht h ep r i n c i p l e so fe x e m p t i o nf o rr e i n f o r c e m e n t T h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf o r m u l a sh a v eb e e nu s e dt oa n a l y z et h eh e a tt r a n s f e ra r e a s f o rt h ef e r m e n t a t i o nt a n k ，a n da l s ot ot h eg e o m e t r ya n dp o w e rn e e d e do ft h e s t i r r i n g d e v i c e F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sb e e nc o n d u c t e dt ot h eo p e n i n g sa n dn o z z l e sf o r s 仃e n g t hc a l c u l a t i o na n ds a f e t ya s s e s s m e n t M o d a la n a l y s i sh a sa l s oc o n d u c t e dt ot h es h a f t w i mat u r b i n e - t y p es t i r r i n gd e v i c ew i t hap l a t ea n ds i xn o r m a la n dp l a t ep a d d l e st o e x a m i n et h en a t u r ef r e q u e n c i e s A n o t h e rm o d e lw h i c ht a k e st h es t i r r i n gd e v i c ea sac i r c l e p l a t ei sa l s ou s e di nt h em o d a la n a l y s i s B yc o m p a r i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t st ot h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h e d e s i g nb ys t a n d a r d s ，ac o n c l u s i o nc a l lb em a d et h a ta l lt h e5o p e n i n g sa n dn o z z l e sa r eo f n on e e df o rr e i n f o r c e m e n ta n da l lo ft h e me x c e p to n eo nt h ec y l i n d e ra r eo f e n o u g hs a f e t y m a r g i n T h i sc o n c l u s i o ni s d i f f e r e n tt ot h ea r e ar e p l a c e m e n tm e t h o di nt h e d e s i g n c a l c u l a t i o n ，a n di ti sb e c a u s et h a ti nt h ea r e ar e p l a c e m e n tm e t h o d ，t h ee f f e c t i v e r e i n f o r c e m e n ta r e ah a sb e e ni n s u f f i c i e n t l ye s t i m a t e d I nt h em o d a la n a l y s i s ，t h et w o m o d e l sa r eo fac e r t a i nd e g r e e so fd i f f e r e n c eo nt h en a t u r a lf r e q u e n c Na n dt h ea n a l y s i s r e s u l ti n t r o d u c e st h a ti n f l u e n c eo ft h es t i r r i n gd e v i c es h o u l dn o tb ei g n o r e da n di nt h e d e s i g no fs t i r r i n gd e v i c e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o u l db ed o n et oe n s u r et h es a f e t y K e yw o r d s F e r m e n t a t i o nt a n k ；S t i r r i n gs h a f t ：N a t u r a lf r e q u e n c y ；R e i n f o r c e m e n t ；F i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s I I 目录 目录 摘要I A b s t r a c t I I 第1 章绪论1 l 。1课题的研究背景和意义1 1 1 1 发酵罐结构与应用1 1 1 2 搅拌反应设备的国内外研究现状2 1 2 本课题的研究内容与方法6 第2 章发酵罐结构设计7 2 1 主要设计参数7 2 2 发酵罐及封头设计一7 2 2 1 发酵罐内径设计一7 2 2 2 发酵罐简体设计一8 2 3 开孔与接管设计”9 2 4 搅拌传动装置设计1 2 2 5 传热设计15 2 6 轴封装置设计1 6 2 7 本章小结1 8 第3 章基于应力分析方法的开孔接管设计1 9 3 1 研究模型1 9 3 2 下封头分析2 0 3 2 1 分析模型一2 0 3 2 2 重力内压联合作用下的开孔接管应力集中分析2 2 3 2 3 无重力作用下的开孔接管应力集中分析”2 7 3 2 。4 封头与裙座连接部位应力集中对分析结果的影响一2 9 3 3 上封头分析3 2 3 4 本章小结3 7 第4 章传动轴设计3 9 4 1 传动轴及搅拌器模型3 9 4 2 平桨叶模型有限元分析结果4 0 4 3 等效均值圆盘条件下的分析结果4 4 4 4 两种模型的对比分析4 6 河北科技大学硕士学位论文 4 5 本章小结4 8 结论4 9 参考文献51 致谢5 5 个人简历5 7 I V 第1 章绪论 = = ：= ；= ：= = = = = = ：= = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 发酵罐结构与应用 2 1 世纪以微生物技术为代表的生物技术成为促进人类经济发展的重要技术之 一，给人类带来了巨大的经济利益和实用价值。微生物发酵技术是生物技术的基础 和重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节【l 。3 | 。发酵技术大规模用于工业生产 源于上世纪青霉素等药物的发明，之后扩展到化工、食品、制药、能源、日化、高 分子等工业领域，已经成为当今工业生产最为重要的生物技术之一【4 。J 。 发酵罐是发酵过程的关键设备，属于一种搅拌反应设备，一般由不锈钢制成， 典型的发酵罐结构如图1 1 所示峭J 。 根据承担的功能不同，搅拌反应设备主要可以分为简体、封头、开孔接管、传 热设备、搅拌设备、传动设备、支撑装置等部分，搅拌反应设备的设计计算工作涉 及理论力学、材料力学、流体力学、传热学、机械设计等多个领域【8 】。 在搅拌反应设备的主要部件之中，简体和封头主要起到密封和承受内压的作用， 封头和筒体联合作用为搅拌液提供一个密闭的空间，避免搅拌液损失或者流出造成 人员伤亡、财产损失或者污染环境，同时还可以提供搅拌反应过程所需要的压力； 开孔接管的作用主要有两种，一种是为了工艺物料的流进和流出，另一种作用是用 于测量、控制或者检修，如P H 值检测孔、温度检测孔、人孔手孔等；传热设备的主 要功能是为搅拌反应过程提供必要的热量或者带走反应热，一般采用内蛇管或者外 加套作为传热装置，又也可以两者联合使用；搅拌设备主要是指搅拌轴和搅拌器， 主要用于使气体在设备中中均匀分布、物料充分混合、提高传热效率等功能；传动 装置主要包括电动机、减速机、传动带等部件，主要作用是为搅拌轴提供动力；支 撑装置主要用于支撑电机、减速机以及用于整个搅拌反应设备的支撑和固定作用： 轴封装置主要用于传动轴穿出反应釜开孔的动密封，主要有填料密封和机械密封两 种。 在搅拌反应器的设计、制造和使用过程中，需要考虑搅拌反应器在不同行业中 的应用。用于发酵工艺的发酵罐，对温度的控制比较严格，一般需要进行通气，因 此，在搅拌器选择和温度控制方面，都具有一定的要求。同时，发酵罐对于搅拌器 的材料选择也比较严格，为了保持发酵液清洁，一般选用不锈钢制作发酵罐，相关 搅拌传热设备也需要采用不锈钢来制作。 河北科技大学硕士学位论文 1 一电动机：2 减速机；3 机架；4 一人孔；5 一密封装置：6 - - 进料口；7 - - 上封头；8 - - 简体；9 一联轴器：1 0 一 搅拌轴；1 1 - - - 夹套；1 2 传热介质出口；1 3 挡板；1 4 螺旋导流板；1 5 轴向流搅拌器；1 6 径向流搅拌器； 1 7 - - 气体分布器：1 8 一下封头；1 9 一出料口；2 0 传热介质进口；2 1 一气体进口 图1 1 发酵罐结构图 1 1 2 搅拌反应设备的国内外研究现状 搅拌反应设备由于涉及理论力学、材料力学、流体力学、传热学、机械设计等 多个领域，因此，其研究也涉及了多个方面，大致可以分为反应釜设计、内部流动 与传热特性、搅拌器与传动装置设计、搅拌反应设备控制等几个方面。 ( 1 )反应釜设计反应釜的设计主要包括筒体与封头的设计、传热装置设计、 开孔与接管的设计、轴封设计等方面，所采用的方法也涉及理论分析、数值模拟、 实验测定等多个方面。 在简体和封头设计方面，一般搅拌反应设备采用圆筒形容器作为釜体，由于搅 2 第1 章绪论 拌反应设备压力不高，一般选用椭圆形封头。筒体和封头的设计方面的研究主要集 中在设备的计算机辅助设计技术应用及完整性方面。 周新光 9 】等针对设备内壁产生的裂纹进行了分析，并提出了补焊修复的措施；马 爱亮m 1 1 】等基于C + + 平台开发了具有智能学习功能的搅拌反应釜智能设计C A D 系 统，该系统可以根据设计历史进行自我学习和自我完善，提高了设计效率。目前， 搅拌反应设备可以方便的采用C A D 软件来进行参数化设计。 搅拌反应釜的传热装置主要的形式有内蛇管和外夹套两种形式，有关研究主要 涉及传热性能、强度和结构等方面。 陈晓宁【l2 J 等结合生产实际，对半管夹套的设计和制造工艺进行了研究，提出了 一种高效率的滚筒机制作半管的工艺，这种工艺的材料利用率明显高于传统工艺。 黄煜【13 J 等对半管夹套进行了分析，对其结构、成型原理和注意事项进行了研究。 马青辉【1 4 J 等介绍了一种新型大容量搪玻璃搅拌反应器夹套结构，与传统的夹套 式反应釜相比，这种新型大容量搪玻璃反应器具有结构合理、技术先进、安全性好、 换热效率高、易于维修等特点。 开孔接管设计是压力容器设计中一个重要的研究内容，目前主要研究热点在于 开孔接管的安全评定方法及补强效果方面，主要采用的方法是有限元分析。 何家胜【l5 J 等采用预应力条件下的有限元方法对天然气管道的带压开孔工艺进行 了研究，提出了先焊支管再焊方形补强片的工艺路线。 彭培英【l6 】等采用有限元方法对补强圈补强的适用性和补强效果进行了研究，研 究表明，等面积法对于接管补强范围估计不足，略偏于保守，补强圈适用于压力较 低的工况。 刘庆刚【l7 J 等采用A N S Y S 软件对圆筒容器沿着圆周方向的相邻径向开孔进行了 分析，结果表明，环向开孔与径向开孔的应力集中情况不同，总体应力集中水平较 低。 动密封一直是搅拌反应设备的一个薄弱环境，搅拌设备常用的轴封装置有填料 密封和机械密封两种，其中机械密封较为常用。有关机械密封方面的研究主要集中 在机械密封原理与密封效果分析和新型密封材料应用方面。 N o e lB 1 8 1 等对不用润滑条件下的机械密封性能进行了有限元分析，分析表明液 膜厚度是决定密封端面润滑性能的重要因素。 T a k a h a s h 1 9 l 等对机械密封技术在能源和环保领域的应用进行概括总结，强调了发 展机械密封技术的重要性。 P h i l i p t 2 0 J 等认为包括流体膜压力、表面固体接触压力、弹簧力和O 形圈接触压力 在内的机械载荷使密封端面凹入，流体膜产生发散变形，在此基础上提出端面变形 的分析模型，并采用一种新型的局部磨损测量技术进行了端面磨损实验，数值计算 河北科技大学硕士学位论文 结果与实验结果一致。 魏伟【2 l 】等以石墨、高碳、铜粉为原料，酚醛树脂为粘结剂，经机械混合、冷压 成型、加热固化制备C u 碳石墨机械密封复合材料，并对其性能进行了分析，对各组 分的含量进行了优化。 ( 2 ) 内部流动特性及搅拌系统设计搅拌反应中涉及固、液、气三相的传动、 传热、传质过程，流动状态十分复杂1 2 1 。2 3 1 。搅拌反应器中的传递过程与搅拌器的形 式、转速，传热装置的设计，挡板设计，简体高径比等多种因素有关。关于搅拌釜 内的流动状态、传热机理、混合效果以及搅拌功率等研究一直以来都是搅拌反应器 研究的重点。 流体流动状态和传热传质过程的研究，一般采用实验研究和数值模拟两种方法 2 4 - 2 6 】。采用计算流体力学进行搅拌反应器内部流场的研究具有效率高、成本低的优 点，可以显著推进搅拌器、搅拌釜的设计理论进步和新形式搅拌器的开发。但是， 由于人们对于湍流模型、两相流以及多相流的流动特征了解还不是特别清楚，采用 数值模拟进行流动和传热特性的研究还受到一些限制，其分析结果的可靠性还需要 实验来验证【2 7 2 3 】。采用实验方法进行搅拌反应器内部流动的研究成本高、周期长， 且难以全程监测反应釜内部的流动特性的参数。因此，将数值分析和实验测试联合 使用，是目前研究搅拌反应器内部流动特性的常见做法【2 9 观J 。 搅拌反应器内部流动特性、传热机理的研究主要是采用计算流体力学和数值传 热学的理论和方法，借助于通用的有限元分析软件C F X 、F L U E N T 等开展，采用数 值模拟的方法进行研究是目前的热点。 曾勇 3 3 1 等对大漩涡方法在搅拌反应器流动特性数值模拟中的应用情况进行了概 述，他认为与传统的雷诺平均相比，大涡模拟方法在搅拌反应器内流动预测方面有 明显改进。对反应器内两类宏观不稳定现象的预测值与实验数据吻合较好，但搅拌 反应器大涡模拟研究仍处于实验室规模的研究阶段，与实际工业反应器规模的应用 研究还有一段较长的路要走。 张林进【3 4 】等采用计算流休力学技术对某钢铁厂烟气脱硫吸收塔底部浆液池的侧 进式搅拌流场进行了数值模拟。研究了搅拌转速和搅拌桨安装角度等因素对3 维流 场的影响规律。 刘作华【3 5 】等结合图像处理软件，实验研究了偏心空气射流双层桨搅拌槽内空气 水体系的流场，认为流场结构分形维数受搅拌转速和空气流速的共同作用：偏心空气 射流能改变流场结构分形维数，使流体混沌混合特性增强；机械搅拌转速增大，能改 变射流场的拟序结构，提高气液混合效率。 研究内部流场的实验测定方法主要有粒子成像测速技术【3 6 1 ，激光多普勒测速技 术 3 6 , 3 7 1 ，超声波多普勒测速技术38 】等，其中粒子成像测速技术应用最为广泛。 4 第1 章绪论 邵春雷【3 9 】等通过P I V 技术对低比转速泵叶轮流道内部流动特性进行了研究，他 采用自行设计的实验台和透明泵进行试验，得到了稳态流动条件下的流场情况。 王晨【4 0 】等采用P I V 技术对螺旋折流板换热器壳程的流动情况进行了研究，对不 同结构参数的影响进行了分析。 洪厚胜【4 1 】等分别采用计算流体力学和P I V 技术，将数值模拟与实验测定相结合， 研究了气升式内环流生物反应器内部的流动特性和传热传质效果，实验测定结果与 数值分析基本吻合； 赵秋月 4 2 1 等对管式搅拌反应器中的流动特性进行了数值模拟和实验测定，分别 研究了平均停留时间和转速等影响。 ( 3 )搅拌反应器控制系统研究搅拌反应器的控制是近年来搅拌反应设备的 研究热点之一。随着计算机技术的进步，企业生产的自动化程度越来越高。自动化 技术不但可以避免人为误操作带来的产品质量下降，还可以有效避免危险事故的发 生 4 3 - 4 5 J ，因此，近年来，搅拌反应器的控制技术成为了这个领域的研究热点。 对于搅拌反应设备的控制研究主要集中在控制精度、控制可靠性和新型控制模 式等方面。 董立新【4 6 J 等针对搅拌反应釜连续反应过程，采用多功能过程和实验系统中的连 续搅拌反应过程进行控制系统设计。进料流量采用比值控制，液位采用串级控制，升 温过程采用预测模糊控制，恒温阶段采用模糊免疫P I D 控制，并设计了压力安全联 锁控制系统。 陈瑁【47 】等研究了一类连续搅拌反应釜系统的H l 控制问题系统中的非线性动态 特性可采用T a k a g i S u g e n o ( T - S ) 模糊双线性模型进行描述。通过引入两个自由矩阵， 给出一个新的保证闭环模糊双线性系统在H 1 性能指标下全局渐近稳定的充分条件 和控制器设计方法，并且该条件最终可归结为求解一组线性矩阵不等式的可行性问 题。系统的仿真结果表明设计方法的有效性。 满红【4 8 】等针对化工过程中广泛使用的连续搅拌反应釜，提出一种基于神经网络 的模型预测控制策略，采用分段最4 , - 乘支持向量机辨识H a m m e r s t e i n W i e n e r 模型 系数的方法，在此基础上建立线性自回归模式结构和高斯径向基神经网络串联的非 线性预测控制器。利用B P 神经网络训练预测控制输入序列和拟牛顿算法求解非线性 预测控制律，从而实现一种基于支持向量机H a m m e r s t e i n W i e n e r 辨识模型的非线性 神经网络预测控制算法。对控制的仿真结果表明，该方法能够更有效地跟踪控制反 应物浓度。 于占东【4 9 J 等采用自适应模糊控制方法，设计了腊纶聚合连续搅拌反应釜转化率 和温度的耦合控制器，首先利用反馈线性化方法对腊纶水相聚合模型进行处理，设计 系统的等效控制模糊系统可以较好地逼近非线性函数，等效控制器中的非线性和参 河北科技大学硕士学位论文 数不确定性，可采用模糊系统进行逼近模糊参数的求解在线实时进行，参数自适应 律由L y a P o u n o v 综合法获得针对模糊逼近误差，采用而n l n a x 鲁棒最优控制方法，抑 制误差干扰项对系统的影响系统仿真结果表明，这种控制方法能够在保证聚合过程 的转化效率的前提下，调节反应温度。 李冬娟【5 0 】等基于神经网络的逼近特性，针对一类包含未知函数的串级连续搅拌 釜式反应系统，提出了一种自适应控制算法，利用李雅普诺夫稳定性分析方法，提 出的控制算法保证了闭环系统的所有信号是有界的和系统的输出收敛到零的邻域 内，并通过仿真实例证实了其有效性。 1 2 本课题的研究内容与方法 本课题针对生物发酵生产中广泛采用的发酵罐开展研究，分别依据标准、流体 力学及传热学理论，并参考以往设计经验对某发酵罐进行了设计，同时采用有限元 方法对发酵罐的开孔结构、封头强度和搅拌轴进行了分析，主要内容如下： ( 1 ) 发酵罐的简体和封头设计采用G B l 5 0 2 0 1 1 等国家标准，并结合发酵罐设 计实践经验和有关研究结论对发酵罐的直径、高度、壁厚等进行设计计算；采用等 面积法以及标准规定的免于补强准则进行开孔接管及开孔补强的设计。 ( 2 ) 搅拌传动装置设计采用前人理论和实验研究相结合得到的经验公式，对 搅拌器进行选型，对结构尺寸进行设计计算，并考虑雷诺数、通气量等因素，对搅 拌轴功率进行设计，在考虑了摩擦损失、传动效率等条件下，对电机和减速机进行 设计计算，并根据最大功率进行传动轴尺寸和稳定性的设计。 ( 3 ) 传热设计根据经验传热公式对搅拌反应设备的传热装置进行设计，对传 热量和换热面积进行了核算，在考虑了搅拌混合效果的情况下，对传热装置进行选 型，并校核传热效果。 ( 4 ) 轴封设计对比用于搅拌反应釜的常见轴封装置，根据搅拌反应釜的轴功 率、传动轴尺寸、工作压力等条件，参照国家标准进行了轴封装置的选型。 ( 5 ) 基于有限元方法的开孔补强设计采用有限元方法，分别对按照标准规定 不能免于补强的开孔进行应力分析，并参照标准进行安全评定。 ( ，6 ) 搅拌轴振动分析采用有限元软件对搅拌轴进行自振频率的分析，找出各 阶振动频率，并与参照资料的计算结果进行比较。 6 第2 章发酵罐结构设计 第2 章发酵罐结构设计 2 1 主要设计参数 发酵罐属于搅拌反应设备，主要包括釜体、传热装置、传动装置、搅拌装置、 轴封装置等。本章主要根据相关标准和参考资料对上述装置进行计算，并给定主要 设计参数。本文设计的发酵罐主要的设计参数如表2 1 所示。 表2 1 设计参数表 项目参数 工作压力 工作温度 冷却介质 冷却水进出口温度 发酵液密度 发酵液粘度 发酵罐工作容积 发热量 2 2 发酵罐及封头设计 2 2 1 发酵罐内径设计 如果发酵罐的工作容积为V o ，总容积为V ，填充系数为r ，则 矿= 鲁 p ， 本文中发酵罐工作容积为V o = 7 0 m 3 ，根据要求，存在发泡或者沸腾的发酵罐，其 装填系数r = 0 6 一O 7 ，本文取装填系数为O 7 ，则发酵罐总容积为 V ：一V o ：7 0 ：1 0 0 m 3 r 0 7 发酵罐的总容积包括筒体和上下两个封头的容积之和，为了得到发酵罐的内径 D i 、高度凰等参数，可以先忽略两个封头的容积，根据式( 2 2 ) 估计D i 和凰。 y = 乏哦H o ( 2 - 2 ) 4 ” 根据相关文献，发酵罐简体的高与内径之比鲁应该在1 。7 到2 5 之间，取 一 一水 一一耐一 河北科技大学硕士学位论文 鲁_ 2 ，根据式( 2 - 2 ) ： 耻拌_ 3 9 9 3 6 n u n 由于罐体设计压力较低，选择椭圆封头，根据标准，当D N 2 0 0 0 m m 时，椭圆 封头直边高度一般g v , h a = 4 0 m m ，标准椭圆封头的容积按照下式计算。 圪= 鲁 ( 2 - 3 ) 则发酵罐的全容积可以按照下式计算： y = 三珥( 风秘。) + 壁1 2 ( 2 4 ) 将肛1 。m 3 ，办a - 4 。吼，鲁= 2 带入可得D i = 3 7 8 2 n u n ，圆整到。i = 3 8 。o 倒m ，罐 体高H = 2 D i = 7 6 0 0 m m ，取H = 7 5 0 0 m m 。 按照D i = 3 8 0 0 m m ，H = 7 5 0 0 m m ，h 。- - 4 0 m m 重新核算全容积得V = 1 0 0 2 8 m 3 ，高径 比芸= 1 9 7 3 7 ，装填系数7 7 = o 6 9 8 ，均符合要求。 2 2 2 发酵罐简体设计 发酵罐工作压力为0 3 M P a ，取设计压力P = I 1 e w = 0 3 3 M P a ，液体密度 P = 9 5 0 k g m 3 ，液体静压力按照下式计算。 P L = P L g ( H o 秘。+ 圭日 = 0 0 8 9 M P a 由于最5 P ，因此只= 尸+ 最= 0 4 1 9M P a 。 在罐体壁厚设计过程中，可以按照下式计算最小厚度。 万2 而P c O i ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中： 矽表示焊接接头系数： b f J 表示许用应力。 为了保障发酵液的清洁，选用不锈钢$ 3 0 4 0 8 设计发酵罐，1 5 0 条件下许用应 力为b J - 1 0 3M P a ，由于设计不采用10 0 探伤，焊接接头系数取= 0 8 5 ，先按照 公称直径根据式f 2 5 1 估算筒体厚度。 第2 章发酵罐结构设计 万2 孤_ P c D i = 9 一 由于不锈钢腐蚀很小，因此取c ：o ，暂时不考虑钢板负偏差，将万圆整后可得 瓯= 1 0 m m 。 查标准可知当板厚为瓯= 1 0 m m 时，负偏差C l = O 8 m m ，则简体有效厚度为： e = 瓯一C l C 2 = 9 2 m m 由于皖 万因此，名义厚度瓯= l O m m 满足要求。 标准椭圆形封头的计算厚度为： 瓯2 燕以，n u n 因此，可以取椭圆形封头与简体相同的厚度，但考虑到由于上封头需要承受传 动装备的重量，取上封头厚度皖。= 1 6 m m ，取下封头厚度为屯= 1 4 n u n 。 2 3 开孔与接管设计 根据工艺要求分别需要在筒体和封头上进行开孔，开孔的位置和尺寸如表2 - 2 所示。 表2 - 2 罐体及封头开孑L 开孔标号 公称尺寸( m m )开孔位置 备注 一 ：二 A 1 0 0 下封头 物料进口 B 3 2 上封头 补料口 C 1 6 简体 取样口 D 1 6 筒体 接种口 E 、F 5 0 简体 蛇管进出口 G 1 5 上封头 消沫剂口 H 6 0 0 上封头 人孔 L 3 2 简体溶氧入口 Q1 5 0 上封头 视镜 J 3 2 简体PH计入口 M 2 7 筒体 温度传感器入口 N 1 5 0 简体 空气进口 T 2 0 0 上封头 排气口 P 1 5 上封头 冲视镜孔 ! ：1 5 0 半圆管 半圆管进出口 = 二二一 ：= ：= = ： 9 河北科技大学硕士学位论文 对于各开孔处的接管壁厚，应按照公式( 2 - 5 ) 计算允许的最小壁厚。由于开孔接 管与物料接触，因此也选用$ 3 0 4 0 8 材料制造。根据式( 2 5 ) 计算各开孔处的最小允许 壁厚，并根据相关标准选用接管，其结果如表2 3 所示。 表2 - 3 各开孔接管最小允许壁厚及所选接管尺寸 开孔标号开孔尺寸( m m )最小允许壁厚( m m )所选接管尺寸( m m ) A1 0 00 2 4妒1 0 8 4 ，三2 1 0 8 B3 10 0 8 痧3 8 。3 5 ，L 2 1 8 0 C1 20 0 3 西1 8 。3 ，2 1 3 8 D7 7 o 1 9妒8 9 6 ，L = 1 6 8 E 、F5 0o 1 2妒5 7 。3 5 ，L = 1 5 0 G 1 20 0 3 西1 8 3 ，三2 1 4 8 H6 1 81 4 9 矽1 8 3 ，L = 2 2 8 L3 10 0 8 妒3 8 x 3 。5 ，2 1 8 0 Q 1 5 00 3 6 痧1 5 4 5 ，上2 1 5 0 J3 10 0 8 妒3 8 3 5 ，2 1 8 0 M2 7螺栓连接 N1 5 00 3 6 痧1 5 9 4 5 ，三。1 5 0 T2 0 70 5 0妒2 1 9 x 6 ，L = 2 0 0 P1 20 0 3 西1 8 x 3 ，2 1 5 0 S 、T5 0开孔在半圆管上 开孔会破坏容器的整体性，还会造成应力集中，削弱容器的承载能力，因此需 要对开孔进行补强设计。在开孔补强设计中，可以采用的方法包括等面积法、压力 面积法和分析法，其中等面积法应用最为广泛。 此外，标准还对不需要另行补强的开孔范围做出了规定，主要条件如下： a ) 设计压力小于或等于2 5 M P a 。 b ) 两相邻开孔中心的间距( 对曲面间距以弧长计算) 应不小于两孔直径之和的两 立 I 口o C ) 接管公称外径小于或等于8 9 m m 。 d ) 接管最小壁厚满足表2 4 的要求。 表2 4 不另行补强的接管最小厚度( 单位：m m ) 1 0 第2 章发酵罐结构设计 根据标准对免于补强条件的规定，表2 3 中除了接管A 、H 、q 、N 、T 之外，均 不需要另行补强。 根据等面积法，所需补强面积按照下式计算。 A = d o p 6 七堪一f 脚d ( 2 - 6 ) 其中， 疵。一表示开孔直径； 艿一简体计算壁厚； 坑，一表示接管有效厚度； 卜为接管材料与简体材料许用应力比值。 本例中，由于接管材料与筒体材料一致，因此，伊1 ，式( 2 6 ) 可改写为： A = d o p d ( 2 - 7 ) 当开孔的壳体为标准椭圆封头，且开孔中心所处的位置在8 0 直径之外时，按 照下式计算万。 瓯2 两0 砸5 p c D f 有效补强宽度按照下式中较大的一项计算； B ：j 2 【d 印+ 2 瓯+ 2 瓯， 外伸有效接管高度按照下式中较小者计算； 豇：j 氏 l 实际外伸高度 内伸有效接管高度按照下式中较小者计算； 见：，瓜 2 I 实际内伸高度 有效补强面积按照下式计算。 A 。= A l + A 24 - A 3 式中， 彳。一有效补强面积； 彳1 一壳体多余面积，按照式( 2 1 3 ) 计算； 彳广接管多余面积，按照式( 2 1 4 ) 计算； 彳3 一焊缝金属面积。 A 。= 协一d 叩_ ) ( 皖一万) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 河北科技大学硕士学位论文 A 2 = 2 h 。( 毛一4 ) + 2 h ：( B e ，一C ：) f 2 1 4 ) 若A ，A 则不需要补强，否则需要进行开孔补强，补强面积么4 为 彳4 = 彳一彳。 ( 2 1 5 ) 根据式( 2 7 ) 至式( 2 1 5 ) ，及表2 3 中的有关参数，可以计算得到接管A 、H 、Q 、 N 、T 所需补强面积，如表2 5 所示。 表2 5 接管A 、H 、Q 、N 、T 所需补强面积 标d 。 6 t8 e t6 8 e Bh l h 2 AA eA 4 呈f 里坐!f 翌翌)( 里里2f 婴坐)f 坐里2f 里里)i 里里2( 翌里2f 里婴2( 里里2f 里塑2 A1 0 00 2 43 79 11 3 22 0 02 008 2 8 49 1 08 1 6 H6 1 81 4 95 49 1 1 5 21 2 3 66 0 8 9 04 5 9 7 9 8 5 6 2 3 81 0 2 5 8 l Q 1 5 00 3 649 11 5 23 0 02 5 9 8o1 4 5 6 1 41 3 6 50 N1 5 00 3 649 19 23 0 02 5 9 8O3 6 4 1 31 3 6 51 0 0 0 8 6 T2 0 7O 5 05 49 11 5 24 1 43 5 2 4O1 9 6 0 0 71 8 8 3 7O 根据表2 5 ，接管A 、H 、N 需要补强，接管Q 、T 不需要补强。根据标准要求， 可以选择补强圈补强。 2 4 搅拌传动装置设计 搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成。电动机驱动搅拌轴上的搅拌器以一定的方向 和转速旋转，使静止的流体形成对流循环，并维持一定的湍流强度，从而达到加强 混合、提高传热和传质速率的目的。 常用的搅拌装置包括桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、锚式和框式搅拌器、推进式 搅拌器等。其中，涡轮式搅拌器常用于生物发酵罐的搅拌，本文选择三层涡轮搅拌 器，为了达到空气充分分散和高效传热传质的要求，上层两个选择开式折叶涡轮搅 拌器，下层空气进口处选择圆盘平直叶涡轮搅拌器。 根据资料，搅拌器浆径取4 = 0 2 0 5 D i ，工程中常取4 = 0 3 5 D i ，本例中， D i = 3 8 0 0 m m ，则搅拌器浆径为4 = 0 3 5 D i = 1 3 3 0 m m ，圆整取d j = 1 4 0 0 m m 。 查标准搅拌器参数可以得到搅拌器轮盘直径、轮盘厚度、叶高、叶长、叶厚、 轴毂内外径、轴毂高度等几何参数以及相关定位参数和总重。 涡轮式搅拌器的一般转速胛一般取n = 1 0 3 0 0 r p m ，本文选转速n = 1 0 0 r p m 。 搅拌反应中，发酵罐内需要达到湍流状态才能保证较好的传热和传质效率，因 素需要校验在n = 1 0 0 r p m 条件下，发酵罐内的流动状态。本文采用内蛇管作为主要的 传热装置，蛇管可以起到挡板的作用，因此，罐内雷诺数R 。可以按照下式计算。 1 2 第