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生物工程设备课程设计 机械搅拌通风反应器设计 2020 3 27 1 一 设计目的 1 培养学生把所学的 生物工程设备 机械制图 化工原理 极其相关课程的理论知识 在课程设计中综合地加以运用 把生物发酵工程工艺条件与化工设备设计有机结合起来 巩固和强化有关生物工程设备与原理课程的基本理论和基本知识 2 培养学生对生物工程设计的技能以及独立分析问题 解决问题的能力 树立正确的设计思想 掌握机械搅拌通风生物反应器设计的基本方法和步骤 为今后创造性设计生物反应器和相关技术改造工作打下一定的基础 3 培养学生熟悉 查阅并综合运用各种有关的设计手册 规范 标准 图册等设计技术资料 进一步培养学生识图 制图 运算 编写设计说明书等基本技能 完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的设计能力的基本训练 2020 3 27 2 二 课程设计的要求 1 树立正确的设计思想 在设计中自始至终本着对工程设计负责的态度 从难从严要求 综合考虑经济性 实用性 安全可靠性和先进性 严肃认真地进行设计 高质量完成设计任务 2 具有积极主动的学习态度和进取精神 在课程设计中遇到问题不敷衍 通过查阅资料和复习有关教科书 积极思考 提出个人见解 主动解决问题 注重能力培养 强调独立思考 有创造性的设计 并不等于凭空设想 在课程设计中学会收集 理解 熟悉和使用各种资料 正是培养设计能力的重要方面 也是设计能力强的重要表现 3 学会正确的设计方法 统筹兼顾 抓住主要矛盾 对于初学者 往往把设计片面的理解为是理论上的强度 刚度等计算 认为这些计算结果不可更改 实际上 对于设备的合理设计 其计算结果只是设计时某一方面的依据 设计是还要考虑结构等方面的要求 2020 3 27 3 三 课程设计的内容 1 准备阶段 1 设计前应预先准备好设计资料 手册 图册 计算和绘图工具 图纸等 2 认真研究设计任务书 分析设计题目的原始数据和工艺条件 明确设计要求和设计内容 3 设计前应认真复习有关教材 熟悉有关资料和设计步骤 4 有条件的应结合现场参观 熟悉典型设备的结构 比较其优缺点 以便选择出适当的结构为己所用 没有现场条件的也要先读懂几张典型设备图 2020 3 27 4 2 工艺计算和机械设计阶段 根据设备的工艺条件 围绕设备内 外附件的选型进行结构设计 围绕着确定厚度大小进行强度 刚度和稳定性设计和校核计算 一般步骤如下 1 全面考虑按压力大小 温度高低和腐蚀性大小等因素来选材 2 选用零部件 3 强度 刚度 稳定性设计和校核计算 4 传动设备的计算与选型 5 绘制设备总装配图 对初学者 常采用 边算 边选 边画 边改 的作法 初步计算后 确定大体结构尺寸 分配图纸幅面 绘出视图初稿 待尺寸确定后再加深成正式图纸 6 绘制零部件图 7 提出技术要求 对设备制造 装配 检验和试车等工序提出合理的要求 以文字形式标注在总装配图上 2020 3 27 5 3 编制设计计算说明书 设计计算说明数是图纸设计的理论依据 是设计计算的整理和总结 是审核设计的技术文件之一 其内容大致包括 目录设计任务书设计方案的分析和拟定 各部分结构尺寸的确定和设计计算 设计小结 参考资料 设计说明书要求计算正确 论述清楚 文字精炼 插图简明 书写工整 装订成册 2020 3 27 6 课程设计的图样及设计说明书全部完成后 进行课程设计答辩及审阅 课程设计的成绩根据图样 设计说明书和答辩所反映的设计质量和能力以及设计过程中的学习态度综合加以评定 4 课程设计答辩 成绩 2020 3 27 7 四 设计步骤 一 反应器的总体结构设计根据工艺要求并考虑制造 安装 维护检修的方便 确定各部分的结构形式 如封头的形式 传热方式 传动类型 轴封和各种附件的结构形式 2020 3 27 8 1罐体的设计 1 1罐体的结构设计罐体由顶盖 筒体和罐底组成 通过支座安装在基础或平台上 罐底通常采用椭圆形封头 顶盖在受压状态下操作 常选用椭圆形封头 对直径较小的种子罐 顶盖可采用薄钢板制造的平盖 并在薄钢板上加设型钢制的横梁 用以支撑搅拌器及其传动装置 顶盖与罐底分别与筒体相连 罐底与筒体的连接采用焊接 筒体与顶盖的连接形式分为可拆连接和不可拆连接 筒体内径D1 1200mm 宜采用可拆的法兰连接 常采用甲型平焊法兰连接 大型发酵罐一般采用焊接连接 2020 3 27 9 1 2罐体几何尺寸的计算 1 2 1确定筒体的内径D一般由工艺条件给定的容积V 装料系数和高径比H D 计算确定筒体的内径D 1 2 2 确定筒体的高度H 2020 3 27 10 1 2 3确定筒体的厚度 根据工艺条件 筒体材料 内压力已确定的内径等参数 按强度计算公式确定筒体的设计厚度 其中td设计厚度 mm p为设计压力 MPa D1为薄壁圆筒内径 mm 材料在设计温度下的许用应力 MPa 11 1 3 4确定封头尺寸的厚度和结构尺寸 封头的设计已标准化 内径与筒体的内径一致 标准锥形封头 椭圆标准封头尺寸可查设计资料 封头设计厚度按工艺条件 用强度计算公式进行计算 对椭圆形封头 对标准椭圆形封头 K 1 12 1 3罐体压力试验 采用水压试验 试验压力公式为其中 为实验温度下材料的许用应力 MPa t为设计温度下材料的许用应力 MPa 13 试验压力下圆筒中的应力为 查材料的屈服点强度 s如满足 0 9 s 则压力试验强度足够 14 2 换热装置设计 换热方式优先采用夹套换热 当夹套传热面积难以满足工艺温度的要求时 采用内蛇管或列管换热 对特别大型的发酵管可能采用外部夹套和内部蛇管或列管联合换热 2020 3 27 15 2 1夹套换热装置2 1 1夹套常用结构形式 发酵罐通常采用 b 这种结构形式 16 2 1 2夹套几何尺寸计算 夹套的内径D2除根据工艺要求确定外 还需根据安装和结构要求合理确定 夹套的内径D2可根据筒体内径D1 按经验选取 验算 表夹套内径D2mm 17 夹套高度H2由传热面积确定 高度不低于料液高度 通常与装料系数 有关 夹套高度H2可按下式计算 H2 V V封 V1mV1m 1米高筒体容积 m3 m 夹套所包围的罐体表面积 筒体表面积F筒 封头表面积F封 一定要大于工艺要求的传热面积F 即 2020 3 27 18 夹套的强度 厚度 计算 按内压薄壁容器对夹套筒体和封头进行强度计算 计算公式与釜体计算公式完全相同 最后对夹套进行水压校核计算 2020 3 27 19 2 1 3夹套与釜体连接与安装 夹套与釜体的连接可分为 不可拆卸的整体夹套 可拆卸的整体夹套 不可拆整体夹套 2020 3 27 20 可拆卸的整体夹套 2020 3 27 21 夹套的安装 夹套与筒体的焊接点与法兰的距离要考虑装拆法兰螺栓的方便 一般不小于150 200mm 2020 3 27 22 根据工艺要求温度 总散热量等确定冷却装置 设管 列管等 的冷却面积 管径 长度 高度等参数 2 2蛇管换热装置 2020 3 27 23 无挡板的涡轮搅拌反应器 蛇管中径与容器直径之比Dc D 0 80 蛇管高度与容器直径之比Lc D 1 00 蛇管管子外径与蛇管中径之比Dco Dc 0 042 每圈蛇管之间距与蛇管管子外径之比Sc dco 1 0 蛇管距器底的高度与容器直径之比Hc D 0 10 2020 3 27 24 立式蛇管 2020 3 27 25 蛇管的固定 如果蛇管的中心圆直径较小或圈数不多 重量不大时 就利用蛇管进出口固定在顶盖上 不再另设支架固定蛇管 当蛇管比较笨重或搅拌时有振动 则则需要安装支架以增加蛇管的刚性 一般采用支柱和 U形 螺栓固定 蛇管常用的固定结构如图示 2020 3 27 26 2020 3 27 27 蛇管支柱 因为蛇管本身有一定的重量 且进出口与罐体相连 因此 除有强烈搅拌或剧烈振动外 一般情况支柱不必与设备筒体或下封头固定连接 以便于装拆 2020 3 27 28 蛇管进出口结构 蛇管进出口一般都设置在顶盖上 有时考虑结构上方便也可设置在筒体上 a 用于蛇管与封头一起抽出的情况 b 可拆卸蛇管 c 型结构简单 使用可靠 d 有衬里设备的蛇管进出口结构 e 进出口与顶盖采用填料函密封 f 型为适用于常压设备 2020 3 27 29 3 发酵罐搅拌装置设计 搅拌装置由搅拌器 轴及其支承组成 搅拌器的形式主要有 桨式 推