生物发酵搅拌反应釜的设计

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 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 Abstract： In the chemical reaction kettle, stainless steel production is widely used in petroleum, chemical industry, rubber, pesticide, dye, medicine, food and other production-oriented users and various research projects, to complete hydrolysis, neutralization, crystallization, distillation, evaporation, storage, hydrogenated, alkylation, polymerization, condensation, heating mixed wit h constant temperature and reaction process containers. Biological fermentation tank is a stirring the react or. The main use blades stirring to take part i n response to the material mixed liquid, gas wel l in scattered, strengthen and heat transfer, mass transfer. Mixing equi pment in industrial production, wide applications, especially in the fermentation process, it is one of the important operation unit. Acco rding to the mater ial and USES o f reaction caldron can be d ivided into: stainless steel reactio n kettle, g lass lining reaction kettle, magnetic stirrer tanks, unsaturated polyester resin complete equip ment and steam reacto r. By mix ing equipment mainly consists of reacto r body parts, stirring shaft sealing device, and heat transfer device and transmissio n of five. Therefo re, how to choose appropr iate reaction kettle, establish the best oper ating conditions and the design o f the reaction kettle, reasonable and reliable process industry develop ment satisf ies demand has the extremely vital significance.This design according to general reactor design ideas and metho ds to carry o n the desig n, acco rding to provide techno logical design par ameters, mechanical desig n. This design is the fo cus o f the structure desig n and calculatio n, according to the relevant chemical equip ment and learned knowledge of machinery, acco rding to general reacto r design steps and structural design, selection of design and intensity, eventually make the reactor can reach the desig n r equirements. Keywords: reaction kettle biological fermentation tank stir mechanical desig n 4 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 Ansys 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 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 目录 第 1 章 釜体及传热装置设计 10 1.1 釜体及封头的几何尺寸的计算 10 1.1.1 确定釜体的容积 10 1.1.2 确定釜体的长径比 10 1.1.3 确定釜体及封头的几何尺寸 11 1.2 夹套及封头的几何尺寸计算 13 1.2.1 夹套直径的确定 13 1.2.2 夹套结构的选型及连接型式 13 1.2.3 夹套的参数确定 14 1.2.4 确定夹套的高度 14 1.3 釜体、夹套及封头壁厚的计算 15 1.3.1 选择材料，确定设计压力 15 1.3.2 夹套壁厚及封头壁厚的计算 16 1.3.3 内筒体壁厚及封头壁厚的计算 16 1.3.4 水压试验校核 19 1.3.5 工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 2.1 搅拌轴的计算 23 2.1.1 搅拌功率的计算 23 2.1.2 搅拌轴的设计计算 24 7 2.2 搅拌器的选型及分布 27 2.2.1 上桨叶选择三叶推进式搅拌器 28 2.2.2 搅拌器上桨叶的强度校核 28 2.2.3 下桨叶选择平直叶圆盘式 29 2.2.4 搅拌器下桨叶的强度校核 30 2.3 挡板的设计 31 第 3 章 传动装置的设计 32 3.1 电动机的选择 32 3.2 减速机的选择 33 3.3 机架的选择 34 3.4 安装底盖的选择 34 3.5 联轴器的选择 35 3.6 传动轴的设计 36 3.7 凸缘法兰的选择 36 第 4 章 轴封装置的设计 37 4.1 填料的选择 37 4.2 轴封结构的选择 37 第 5 章 反应釜其它附件的选型与尺寸设计 39 5.1 视镜的选择 39 5.2 支座的选型 39 5.3 手孔的选择 40 8 5.3.1 手孔的选型结果 40 5.3.2 手孔的开孔补强计算 41 5.4 最终确定选择不锈钢 42 结论 43 参考文献 44 致谢 45 9 第 1 章 釜体及传热装置设计 1.1 釜体及封头的几何尺寸的计算 1.1. 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 V0=0.25m，根据发酵反应时物料特性，选取装料系数 =0.7，则： 全容积 1.1. 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：Ndj5，长径比越 大，即所需搅拌功率也越小。 D1 或 dj 越小， 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 11 几种搅拌釜的长径比 i(H/D1)值 本设计中的反应物料为气-液相物料，且为发酵罐类，先取长径比 H/ Di=2 。 10 种类 釜内介质接触形式 H/Di液-液相或液-固相物料 1 1.3一般反应釜气-液相物料 1 2发酵罐类 气-液相物料 1.7 2.5V 3V 0.357 m1.1. 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：H-罐直筒部分高度，mm； Di -罐直径，mm; d-搅拌器直径，mm； B-搅拌器桨距离罐底距离，m； S-多个搅拌桨时的桨距，m； 由筒体体积近似公式： 4 4得： 3HDi 11 V D H D 2 Di 3 4H D V 3 42 0.357 0.610m i 圆整到公称直径，取 DN=600mm。 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 1.1 釜体封头的结构与尺寸 根据 JB/T4737-95,椭圆封头的选取结果见下表：表 1.2 筒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 Vh=0.0353m，则由： 4得：H=1.13m，因此，取 H=1200mm。 则：H/Di=1200/600=2 ，在 1.7 2.5 之内，符合要求。 12 DN/mm h0/mm H/mm /mm Vh/ m3 m/kg A/ m 2600 25 150 6 0. 0353 20.44 0.4656 V VH D1.2 夹套及封头的几何尺寸的计算 1.2. 1 夹套直径的确定 由下表： 表 1.3 夹套直径与内筒体直径关系 可见， D j = Di +50=600+50=650mm。1.2. 2 夹套结构的选型及连接型式 1. 夹套选型由下表： 表 1.4 各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 1.2 整体夹套型式 13 内筒体直径 Di 500600 7001800 20003000夹套直径 D j Di +50 Di +100 Di +200夹套型式 温度， 压力，MPa整体夹套 350300 0.61.6半圆管夹套 280 1.06.3型钢夹套 225 0.62.5蜂窝夹套 250 2.54.02. 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 1.3 夹套连接型式 1.2. 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 1-1 其具体参数见下表： 表 1.5 夹套椭圆封头参数 1.2. 4 确定夹套的高度 Hj 14 DN/mm h0/mm H/mm /mm Vh/ m3 m/kg A/ m 2650 25 162 6 000442 23.75 0.05090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 =0.869m，取： H j =900mm。 1.3 釜体、夹套及封头壁厚的计算 1.3. 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1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢完全满足要求，在 60时： =105MPa，常 屈服极限 s=205MPa。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：Pj=0.4MPa; 内筒体和底封头既受内压又外压的作用， 图 1.3 压力示意图按内压取设计压力为 Pi =0.25MPa，按外压取设计压力 Pj =0.4MP（考虑操作过程可能出现的最大压差） 。 15 V V0 hH j DitPi 3. 确定内筒体的压力 P1.3. 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： j2 1 0 5 0 .8 5 0 .6夹套采用双面焊 ，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 0.85 ，取钢板的厚度负偏差 C1=0.8mm，腐蚀裕量 C2=1mm， 故厚度附加量 C= C1+ C2=1.8mm jnj2. 夹套封头壁厚计算 由夹套封头的壁厚计算公式： j2 1050.85 0.50.61 2 kjnkj1.3. 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 0.25MPa 内压计算 焊缝系数同夹套一样，取 0.85 ，则由内筒体体壁厚计算公式得： 16 p Dj2 p0 .4 6 5 0得：=C 1.46 1.8 3.26mm4mmp Dj j t2 0.5p0.46501.46mmkjC C C 1.8mm C 1.46 1.8 3.26mm4mm0.25650 2pi Dii得： 21050.85 0.253mm0.911m m ， C 1 0.3, C 2 1mm ， 取经过圆整 n 。 (2) 按承受 0.6MPa 外压计算 设内筒体名义厚度 n 6mm, Ce n C 6 1 . 8 4 . 2 ， 内筒体外径： 1 0.8, C 2 1mm ，即 C 1.8mm ，则： 内筒体长度： D0 Di22 n 600 12 612 mm 2则： L H j 2h 0 3 h11200 2 25 D3 162 1358 mmLD01358 612 2.21, 0 E 6124.2 145.7 根据图算法，查化工设备设计基础图 3-14 几何参数计算图，得：A=0.00034 根据 A 查图 3-16 外压圆筒和球壳厚度计算图，得：B=45MPa 此时许用外压： D0 612因此，取 n 6mm 不能满足内筒体稳定性要求。 再假设内筒体名义厚度 n 8mm, C1 0.8, C 2 1mm ，即 C 1.8mm ，则： e n C 8 1 .8 6.2 mm ， 内筒体外径： D0 Di 2n 6 00 16 616 mm 内筒体长度：L=1358mm 则： 17 t pB45 4.2p 0.308MPa 0.4MPa LD01358 616 2.20 ,D0 E 6166.2 99.35根据图算法，查化工设备设计基础图 3-14 得：A=0.00052 根据 A 查 3-16 得：B=69MPa 此时许用外压： D0 616因此，取 n 8mm 能满足内筒体稳定性要求，取内筒体的壁厚为 8mm。 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 nk 8mm 。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 1.8 6. 2mm 椭圆形封头的当量球壳内半径 Ri（当量曲率半径）： 表 1.5 椭圆封头的当量曲率半径折算表 Di 2h 600 2162 1.85，说明封头为非标准椭圆封头，故： R i k D i 0 .8 3 6 0 0 4 9 8 m m由： R0 Ri nk 498 16 414 mm 0.125A R0e得：A=0.0002415,查得 B=33MPa，则： 18 Di / 2h1 2. 6 2. 4 2. 2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0k 1.18 1.08 0.99 0.90 0.81 0.73 0.65 0.57 0.50B69 6.2p 0.694MPa 0.4MPa p Bie 33 6.2414 0.494MPa 0.4MPa 故封头壁厚取 8mm 可以满足稳定要求。 1.3. 4 水压试验校核 1试验压力的计算 液压试验压力：1 . 2 5 tT 取两者较大者。式中： pT试验压力，MPa： p设计压力，MPa； p 0 . 1 容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa； 容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa； 对于筒体 已知：p=0.25MPa, =105MPa, =113MPa,取水压试验温度为 25。 最后算得： pT 0.27 MPa 对于夹套 已 知： 已知 ：p=0.4MPa, =105MPa, =113MPa, 取水 压试 验 温度 为25。 最后算得： pT 0.43MPa 2内压试验校核 内筒体应力： 2e2 80.8519 Rptttp (D ) 0.25 (600 8)11.18M Pa夹套应力： TjT j2ej) 0.43(608 4)2 4 0.85 38.7MPaej对于液压试验，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 0.694MPa ，大于夹套 0.43MPa 的水压试验压力，故在做夹套的试验压力时，满足水压实验要求的压力。 1.3. 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 383.5 的接管，管长 150，材料选用无缝不锈钢钢管。 结构示意图： Dmin 90 mm 。图 1.3 出料管结构 20 p (D90% 90% 205 184. 5MPa(2) 法兰连接的垫片材料：石棉橡胶（ HG 20606-97） 全平面形式，垫片内径 D1=38mm，外径 D2=76mm，(3) 接管连接法兰： =2mm。 选择板式平焊法兰 HG 20593-1997 PL76-3.5 RF，结构示意图如下： 图 1.4 板式平焊法兰 表 1.6 法兰结构尺寸 (4) 螺栓：螺栓 GB/T 5782 -2000 M1260,n=4，材料为 35#钢。 (5) 螺母：螺母 M12 GB/T 6170-2000,n=4，材料为 Q235-A。 (6) 垫圈：垫圈 GB/T 97.1 -1985 12-A140，材料为 Q235-A。 表 1.7 法兰、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 连 接 尺 寸公 接D K L n Th坡32 38 120 90 14 4 M 12 16 39 0法 兰 垫 片 螺 栓 螺 母 垫 圈Q235-A 橡胶石棉 Q235-A Q235-A 100HV(1) 选 择长颈法兰 JB/T4703 DN600 PN 0.6, 材料为数量 2 个。 选择 PI 型密封面。 表 1.8 长颈法兰的尺寸 1Cr18Ni9Ti（ 锻件）,(2) 垫片 DN 600 JB 4707-92,d=603mm，D=639mm，材料是 0Cr13 镀锌薄钢板。 =3mm，为金属包垫片，图 1.5 垫片的结构 表 1.9 垫片的尺寸 (3) 螺柱：选择等长双头螺柱 B 级，GB/T 901-1988 M20220,材料为 40Cr,数量 n=20。 (4) 螺母：GB/T 6170 -2000 M24，材料为 35#钢，数量=40。 (5) 垫圈:选择平垫圈 GB97.1-1985 24-A140，材料为 Q235-A,数量 n=40。22 法兰，mm公 称直径D D1 D2 D3 D4 H h a a1 1 2 R d螺柱 对 接筒 体600 740 700 665 655 652 44 105 25 17 14 12 22 12 23 M20x28 6D0 / mm di / mm / mm639 603 3第 2 章 搅拌装置及附件设计 2.1 搅拌轴的计算 2.1. 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 sS=355MPa， b=600MPa, E=2.10 10 MPa，G=8.1 10 MPa， s 3 118M Pa 分别从四方面对轴进行计算和校核。 搅拌功率的计算： 式中： NN3 K N n 3d 5被搅拌介质密度，kg/m ； n搅拌器转速，r/s； d 搅拌器直径，mm。 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 =200mm,桨 端速度 v=5.4m/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 0.2 ，密度 1000kg / m ，则： 23 功率数； d =（0.250.75） ， 32d nRe得: R e1720 ，由 Re 查 K N 1.18 从而计算出搅拌功率1 N3 ( 5.43.140.2 ) 0.25 0.24 KW2. 上层搅拌器：取 d =200mm,桨端速度 v=5.4m/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 0.2 ，密度 1000kg / m ，则： 得: Re 1720 ，由 Re 查 KN 3.6从而计算出搅拌功率 2 N3 ( 5.43.140.2 )3 0.2 5 0.73KW搅拌总功率： N N 1 N 2 0.97 KW2.1. 2 搅拌轴的设计计算 1按允许的扭转变形计算d1 155.43式中： 4 TsaG(1K 4)G轴的剪切弹性模量，MPa； K空心轴内径与外径之比； n130r/min； Ts搅拌扭矩，Nm； a 许用扭转角，/m，由于轴底端无支撑， a=0.35/m； 24 3 5N K n d 1.18 10 332d nRe3 5N K n d 3.6 10计算出： Ts 9550Nn 9550 (0.973.14 0.2 ) 6018N m ，已知从而d1 2 4 . 6 7 m2按扭矩计算轴的强度 max MW t 式中： ma xp 截面上最大剪切应力，Pa； MWtt轴传递的扭矩，Nm； 抗扭断面系数， m ； 降低后的扭转许用剪应力， MPa 。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; Pmin 。 其中 =30 MPa ，经计算 d 14.5mm 。 3按扭矩和弯矩合成计算轴的强度 n最大弯矩： Mbmax (Fh Li ) ； 25 材料 A3、20 A5、35 45 40 Cr 1 Cr 13 1Cr18Ni9Ti 1220 2030 3040 4052 1824 15255.43N3 电机功率 ， Kw； rP搅拌轴上最大扭矩：M （9 553000 ） ； 液体动力产生的最大径向力： Fh 2888000N0 fs ； 所以 2nd j2 13ds ( M t max ) (M b max) 用剪应力计算的最小直径 2 ； 2 13用拉应力计算的最小直径 dt 16 M b max ( M t max ) ( 4M bmax ) ； s 式中 Li 第 i 个叶轮的流体动力作用点至 最下一个轴承的距离，mm； M t max 作用在搅拌轴上最大扭矩，Nmm; N 0 一个叶轮的搅拌功率，kW; d j 叶轮直径，mm； s 正常操作下轴的需用拉力，MPa； fs 搅拌系数，搅拌等级低于 7 时， 取 1；计算得： d s 16 .4mm dt 13 .7 mm 。 4按临界转速计算 L1 (L1 a)Ws式中： 0.7s ii 1第 i 个搅拌器有效质量 mie 在末端 S 点处相当质量 Wi L1 (L1 a)4ki k2 k126 1 6 E临界转速n 114.7d 2nn 临界转速，n 737r / min ，取 n 737 r / min 。 2在S 点处所有相当质量总和： W W W ； 2L (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 cos1 00.17 0.53DJi 第 i 个搅拌器直径，mm； hi 第 i 个搅拌器叶片宽度，mm。 轴有效质量 mie 在末端 S 点处的相当质量 420(L1 a)式中 a悬臂轴两支点间的距离，mm； L1 ， L2 第 1、2 个搅拌器的每个悬臂长度 ，mm ； s 轴材料密度， s 7.85 10 Kg / m 。 d 5计算出： d 4 24.66mm 。 搅拌轴的设计计算结果： 选取搅拌轴的轴径为 d=30mm，材料为 45#钢，均大于 d1 、 d2足要求。 、 d3 、 d 4 ，满2.2 搅拌器的选型及分布 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。 2.2. 1 上浆叶选择三叶推进式搅拌器 27 2 2140a 231L a 99L ； L1e3 3L1 4 5 对于悬臂轴满足的支撑条件： LLL=1250mm, a 250mm ,取 a 200mm ，且 d 31mm 。搅拌器结构示意图如下 图 2.1 三叶推进式搅拌器 搅拌器的的具体尺寸见下表： 表 2.1 三窄叶叶桨式搅拌器的尺寸（HG-T3796.8-2005） 2.2. 2 搅拌器上桨叶的强度校核 搅拌器桨叶的材料为:Q235-B 扁钢，桨叶数量 Z=3。 、按照许用弯曲应力进行校核。 1. 弯许用应力 b28 DJ d d 2 h 1 d1 1 b t 2 许用扭矩M质量G200 30 60 55 38.5 M12 10 8 33.3 5 48 1.9tbMPan表 2.2 安全系数 nbQ235 材料的 bt 为 375MPa，故选取 nb =3，计算得： 125MPa 2. 桨叶上承受的弯矩 M I 4777 an 4777 0.73516 6.76N m(1) 在 Y-Y 轴的抗弯截面模数 WZ桨叶无加强筋加强 6(2) 弯曲应力 2 316 8 102 133mm 3 I M I 10 50.82MPa WI可见，桨叶的强度满足要求。 2.2.3 下桨叶选择平直叶圆盘式 搅拌器结构示意图如下：图 2.2 平直叶圆盘式搅拌器 29 材料 不锈钢 铸不锈钢 碳钢 铸钢 铸铁nb 3.5 5 3 4.2 8P1Wb 搅拌器的的具体尺寸见下表： 表 2.1 平直叶圆盘式搅拌器的尺寸（HG-T3796.5-2005） 2.2. 4 搅拌器下桨叶的强度校核 搅拌器桨叶的材料为:Q235-B 扁钢，桨叶数量 Z=3。 、按照许用弯曲应力进行校核。 1.桨叶上承受的弯矩 每个叶片危险断面 I-I 上的弯矩值为： x0 n4 r1 r202. 弯曲应力 6 6WI可见，桨叶的强度满足要求。 2.25 桨叶分布设计 对于通气式搅拌反应罐，上层采用轴流式搅拌器，下层采用径流型搅拌器， 既满足气泡的分散，又能促进全罐的混合。 分布选择：令 D 600mmC 0.5D 300mm S 1.25D 750mmH 2 1550 mm 30 DJ d d 2 D1 d1 d0 1 B h h2 L b t M G200 30 45 130 M6 - 2 3 40 40 10 50 8 33.3 126 0.8N jM1 5 9 1 (Nmm) 4 43 r r其中 ； r 100 mm; r 50mm; r 65mm; 1 2 33 3M 0.85N mm1 1W b 40 3 60mmZ 13M 10弯曲应力： 14.17 MPa I2.3 挡板的设计 由于釜内物质粘度不大，选择把挡板装在壁上，挡板类型选择 B 型，挡板b挡板宽度： Wb 110图 2.2 B 型挡板 Di 20mm 挡板距筒体距离： S b 0.3Wb 6 mm 挡板高度： H b 800 mm 。31 数量 ，挡板材料选取 1Cr18Ni9Ti 材料。挡板结构示意图如下： 第 3 章 传动装置的设计 搅拌釜的传动装置一般包括：电动机、减速器、联轴器、机座及传动轴。电动机经减速器将转速降低，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器转动。整个传动装置连同机座及轴封装置都安装在底座上。 图 3.1 传动装置 3.1 电动机的选择 传动系统的机械效率取为N e0.93 ，则： 电动机功率 N 1.04 KW ，参考电机系列，选取型号为： JB/T 5271-1991 Y801-2,V1 型 安 装 ， 功 率 为 N 1.1KW ， 电 机 同 步 转 速1500r/min,满载时转速 1400r/min，重量为 27Kg。 32 3.2 减速机的选择 根据电机的功率 N 1.1KW 、搅拌轴的转速 n 516 r / min 、传动比 i 为 1500/ 5162.91，选用 DC 系列圆柱齿轮减速机（JB/T2982-1994） ，标记： DC21514。确定其安装尺寸，圆柱齿轮星减速机的外形见图、安装尺寸如表：图 3.2 DC 系列圆柱齿轮减速机 减速机外形安装尺寸见下表： 表 3.1 减速机的外形安装尺寸 G F D H 1 H 47454D1 D2 D3 l77 l65 53.5 M 02-M6 275 b 8 229 t 26 9 d 125 200 a14 230 b1 5 260 n d06-18 75 33 3.3 机架的选择 由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了带短节的夹壳联轴节，填料密封箱内有轴承，故选用单支点机架 A 型（HG2156695） 。由搅拌轴的直 径 d 30mm 可知，机架的公称直径 DN 200。结构如图所示。 图 3.3 单支点机架 表 3.2 单支点机架尺寸表 mm 3.4 安装底盖的选择 安装底座选择 DN250-RS HG21565-95,材料为 16MnR,重量为 22kg。 34 公称直径传动轴直径D1 D2 D3 D4 D5 n-H H3 轴承型号重量kg200 30 245 295 340 330 360 8 22 575 220 46208 44表 3.3 外形尺寸： 图 3.4 安装底盖示意图 3.5 联轴器的选择 选择 C 型凸缘联轴器 HG 21570-95，联轴器示意图和尺寸图如下： 图 3.5 C 型凸缘联轴器 表 3.4 C 型凸缘联轴器尺寸表 mm3.6 传动轴的设计 35 螺柱孔底 座 公 称 直 机架公 称直 d2 ，mm K数量 d5S200 200 340 295 8 22 40轴径 D L1 L2 L 许用扭矩Nm许用转速Nm质量 kg30 120 50 55 155 46 2200 7.47传动轴直径与搅拌轴直径相同，DN=30mm， 选取结果为：HG 21568-95 ASC 250-50,材 料为 45#钢，上端轴径 d1 20 mm ，釜内轴长 2图 3.6 传动轴零件图 3.7 凸缘法兰的选择 凸缘法兰选择 R 型凸缘法兰 HG21564-95，材料为 16Mn，凸缘法兰的连接尺 寸 和 法 兰 厚 度 按 HG20615-97 和 HG20624-97 标 准 ， 其 他 尺 寸 公 差 按GB/T1804。选型结果为：HG21564-95 法兰 R 200-16Mn。表 3.5 凸缘法兰的尺寸表 mm 图 3.7 R 型凸缘法兰 36 DN d1 d 2 d 3 d 4 k h1200 200 340 220 245 295 34h2 h4 d5 R1 R2 螺栓 质量 kg65 4 22 4 2 8 M 20 19，下端轴径 d 25 mm 。 第 4 章 轴封装置的设计 4.1 填料的选择 本设计轴封结构选择填料密封，由于釜体内介质多为多为酸、碱等腐蚀性物质，决定选用石棉浸四氟乙烯填料，填料规格为 1010。 4.2 轴封结构的选择 经过慎重考虑，轴封装置选用不锈钢填料箱，结果表示： PN0.6 DN30 HG2153.7-92-3。轴封装置的结构图： 图 4.1 碳钢填料箱 37 表 4.1 碳钢填料箱表 4.2 碳钢填料箱参数 mm 38