毕业设计（论文）-10立方米发酵罐设计

常州大学本科生毕业设计（论文） 学号： 毕业设计（论文）（2018届）题 目 发酵罐设计 学 生 赵道良 学 院 机械工程学院 专业班级 校内指导教师 校外指导老师 年六月 10发酵罐设计摘 要:本文主要介绍了发酵罐的主要设计步骤。在工艺计算中，大致计算了发酵罐筒体的筒径，高度。选定了封头形状，确定了夹套高度和搅拌桨叶的分布。对搅拌功率进行了试算，选定了电机功率。参照相关的标准和参考资料对发酵罐受内外压情况下的筒体壁厚，封头壁厚，受内压的夹套壁厚进行设计计算。对支座，凸缘，安装底盖，法兰，人孔等进行了选型。参考机械搅拌设备对搅拌桨进行了设计和强度校核。同时，按扭转变形，根据临界转速，强度计算，和轴封处允许的径向位移四种方法对轴径进行计算和强度校核。参照国标规则，运用等面积补强的方法对接管开孔进行了开孔补强，最后对搅拌设备的制造，检验安装进行了简要说明设计结果：设计出了工作容积为10m3的发酵罐，筒体材料为，内筒壁厚为，内径为，夹套厚度为。筒体高度，采用机械密封及三层搅拌桨形式搅拌。机架采用机械密封和单点支架的配合，支座采用支撑式支座支座。搅拌轴轴径为。关键词：发酵罐；搅拌桨；搅拌轴；强度校核；开孔补强全套图 纸加扣 3346389411或3012250582The design of 10 cubic meters fermentation tank Abstract:Fermentation technology has become an indispensable technology in food, chemical and pharmaceutical industries.Besides,the Fermentation tank takes a large place in Fermentation process. The main steps in the design of a 10 cubic meter fermenter are detailed introduced in this paper,and I choose the design and strength check of the agitator shaft as my main research direction.In my opinions,my research will have a certain significance in practical engineering design.In the process calculation, the diameter and height of the cylinder of the fermentor were roughly calculated.In this part,i has also sclected the shape of the head and have confirmed the height of the jack,the position of the impeller. the stirring power was calculated and the motor power was selected.With reference to the relevant standards and reference materials, the wall thickness of the cylinder, the wall thickness of the head, and the wall thickness of the jacket subjected to internal pressure are designed and calculated for the fermenter under the conditions of internal and external pressure.Also,I designed and checked the strength of the mixing paddle.The type of bearing, flange, bottom cover, flange and manhole are selected.At the same time, according to the four ways,including torsional deformation, the critical speed, strength calculation, and the radial displacement allowed at the shaft seal, I calculate the shaft diameter and check the strength.With reference to the national standard rules, the opening of the nozzle was reinforced by the method of equal area reinforcement.In the end, I did a simple introduction about the manufacture, inspection and installation of the mixing equipment.Design result: I have designed a fermentation tank with a working volume of 10.The cylinder body material is S30408. The inner wall thickness is 14mm.The inner diameter is 1800mm and the height of the cylinder body is 3900mm.The equipment is mechanically sealed and stirred in the form of a three-layer mixing paddle.The rack is equipped with a mechanical seal and a single point bracket, and the support is supported by a support bracket and the stir shaft diameter is 130mm.Key words: Fermentation tank;impeller;Agitator shaft;Strength Check;Reinforcement目 录中文摘要英文摘要目录1 前言11.1 设计任务11.2 发展趋势11.3 结构和材料选择12 工艺计算22.1 确定筒体内径22.2 确定上下封头几何参数22.3 重新确定筒体高度22.4 轴封损耗功率计算32.5 单个搅拌桨功率计算32.6 三层搅拌桨功率计算42.7 接管计算52.8 搅拌罐工艺参数53 结构强度计算63.1 受内压的筒体壁厚计算63.2 受外压的筒体壁厚计算63.3 封头内压计算103.4 封头外压计算113.5 带夹套筒体的壁厚计算123.6 带夹套封头的壁厚计算123.7 支座选择133.8 法兰的选择163.9 安装底盖的选用173.10 机架的选择183.10 人孔选择193.11 密封形式204 搅拌轴设计214.1 按扭转变形计算搅拌轴直径214.2 根据临界转速校核搅拌轴轴径214.2.1 搅拌轴有效质量计算214.2.2 圆盘有效质量计算224.2.3 单跨轴一阶临界转速的计算234.3 按强度计算搅拌轴的轴径254.4 应按轴封处允许径向位移验算轴径285 搅拌桨计算295.1 确定搅拌桨设计功率295.2 每层搅拌桨的设计功率295.3 搅拌桨桨叶材料的许用应力305.4 圆盘涡轮式搅拌桨计算306 接管开孔补强317 制造、检验、安装、使用、维修387.1 轴的加工要求387.2 搅拌器加工要求387.3 搅拌设备壳体的制造要求及检验387.4 搅拌轴的试运转388 结束语39参 考 文 献40致 谢411 前言1.1 设计任务发酵罐设计，釜内的工作介质为发酵液，操作容积为，搅拌转速为，工作温度133，工作压力0.2MPa；夹套内的工作介质为饱和水蒸气,工作压力0.3MPa；盘管内的工作介质为饱和水蒸气、冷却水，工作压力0.6MPa,工作温度165/25。1.2 发展趋势现在国内外发酵罐主要的研究方向在于改进反应釜设计，搅拌器，传动装置，传热装置设计等，在发酵罐的结构设计方面进行创新从而提高工作效率。在理论方面，许多国家就搅拌釜内的流场1问题进行研究。国内外发酵设备做的比较好的公司是德国贝朗（占中国市场的80%）、美国NBS、韩国、日本、瑞士比欧、江苏理工和华东理工。我国发酵工业的发展不仅在于产量的提升，更在于发酵技术和发酵工艺的巨大进步。当前取得的成果：经济技术指标的明显提高、工艺技术的重大改进、装备水平的改善。为了适应时代的发展，发酵罐的设计也在不断改进。智能与全能化始终是第一要题。在需求的推动下，发酵罐的巨大化成了技术主流。国外的聚合容积已由之前的增加到。大型聚合釜的使用可减少投入操作和检修人员。实现密闭或开放式发酵容器的转变，增大产量，提高生产效率，从而使处理大量或超大量的物料成为可能。所以低价值产品的巨大化，能以几十或数百吨的产量来取胜是现在许多企业关心的地方。随着发酵罐体积的逐渐巨大化，发酵罐也向矮胖型聚合釜发展，采用底部搅拌方式的发酵罐越来越多，其中，三叶后掠式搅拌器是目前最好的选择之一，拥有排出量大，聚合釜内液相循环充分等的特点。而另一方面，高价值转基因产品的小型化也成为热门话题，能把基因工程技术与发酵技术完美结合是一大难题。可适应多相物料的反应也是发酵罐未来的发展趋势之一，现在的工业反应大多不是单纯的单相反应，为了适应多相反应系统的需要，目前在工业上主要采用机械搅拌型，输液泵型和气升式发酵罐，但都还存在维修不方便、实现放大化难度大、适用范围小等的缺点，所以都还有很大改进的空间。1.3 结构和材料选择经过设计，确定发酵罐筒径，筒高。封头为标准椭圆形封头。夹套高度定为，夹套直径，材料选择，机架选取单支点机架，轴端密封选取单端面机械密封。接管由于所设计的设备是间歇性操作，不考虑流量，按经验法选取。接管材料选择。支座选择支撑式支座，B系列B4型。减速器经计算，选取额定功率为的减速器，搅拌轴直径定为，长度，材料为不锈钢，内容器与封头材料选取不锈钢。2 工艺计算2.1 确定筒体内径设计要求给定的操作体积取装料系数实际体积： （2.1） 取高径比： （2.2）内径： （2.3） 取圆整数据为。高度： （2.4） 2.2 确定上下封头几何参数选取的标准椭圆封头，查表2 图1标准椭圆形封头2.3 重新确定筒体高度 （2.5）此时,在规定范围内。装料系数： （2.6） 2.4 轴封损耗功率计算选取单端面机械密封,轴封处消耗功率其中：搅拌轴直径 试取 （2.7） 2.5 单个搅拌桨功率计算2功率准数： （2.8）其中：为方程式参数，可由和计算。雷诺数：查找相关文献4得一般发酵液的密度， 黏度，选取六叶直叶涡轮，浆直径，浆宽，挡板数，搅拌轴的转速，挡板宽度取。存在挡板时符合全挡板条件。 （2.9）该流动属于层流流动。 （2.10） （2.11） （2.12）当则的算式中包含四次方的项可忽略。 （2.13） （2.14）2.6 三层搅拌桨功率计算液面高度计算： （2.15）最下一层离罐底，上面二层均以安装当当表1搅拌桨位置设定表i123456hi0.25D0.33D0.33D0.33D0.33D0.49Di0.94511111 （2.16） （2.17）搅拌功率： （2.18） 取 其中：减速器传动效率 滚动轴承传动效率滑动轴承传动效率 （2.19）查表5取电机功率为,Y225S-4电动机。2.7 接管计算由于本设计设备属于间歇操作设备，不应考虑流量，所以接管直径不用计算得出，而是由经验选取。2.8 搅拌罐工艺参数 表2 发酵罐工艺数据表 由以上计算，获得的工艺计算数据如下表： 设备名称发酵罐10立方米1800筒体高度（mm）3900夹套直径（mm）1900装料系数0.864轴封功率kw0.344雷诺数22.248液面高度（mm）3281搅拌功率kw32.35电机功率kw37符号尺寸用途连接型式a出料口b1,2/cd14e14f进气口gh14j加料口k接种口m500表2 发酵罐工艺数据表（续）n12125视镜r/sRFt/外螺纹uPN6DN50RF3 结构强度计算工艺给定的工作压力为0.2MPa,介质密度液柱静压力： （3.1）设计压力为最高工作压力的1.1倍6，则： （3.2）液柱静压力： （3.3）计算压力: （3.4）3.1 受内压的筒体壁厚计算内容器材料选择，取，根据7，焊接系数，取，壁厚按下式计算： （3.5）名义厚度 （3.6） 3.2 受外压的筒体壁厚计算夹套高度取。设内筒名义厚度，设计厚度： （3.6）内筒体外径： （3.7）内筒体计算长度其中， 图2夹套筒体简图查阅8，如下表，表3抗拉强度表序号钢号（）设计温度范围参考过程设备设计9，查下表，外压应变系数， 许用外压力: （3.8）许用外压力，此时，不符合强度要求。其中，夹套设计压力取，内筒体计算长度，查过程设备设计，由图外压应变系数,查表 。 （3.9）符合强度条件，内筒体壁厚取。筒体内的水压校核： （3.10）其中：耐压试验压力系数，取常温下材料的许用压力，取 设计温度下材料的许用压力，取水压试验应力校核： （3.11）其中：有效厚度， （3.12）液压试验时应满足： （3.13）其中，屈服强度，根据上述计算，筒体水压试验在的情况下能够满足强度要求。 图3外压应变系数A曲线图4外压应变系数B曲线3.3 封头内压计算受内压椭圆形封头封头计算厚度按下式计算： （3.14）其中椭圆形封头形状系数 （3.15），内压计算压力 （3.16）名义厚度： （3.17）3.4 封头外压计算假设封头壁厚 （3.18） （3.19）外封头短轴长度按下式： （3.20） （3.21）当量球壳半径： （3.22）其中由椭圆形长短轴比值决定的系数，见下表：表4系数K值表外压应变系数，查表 （3.23）由此，取封头壁厚，符合强度要求。3.5 带夹套筒体的壁厚计算夹套材料选择,其夹套筒体壁厚 采用双面焊，局部探伤检测，查过程设备设计，。夹套内工作压力，介质密度液柱静压力： （3.24）设计压力： （3.25） （3.26） 计算压力=设计压力。 （3.27）取钢板负偏差，腐蚀裕量，带夹套筒体的名义厚度,。3.6 带夹套封头的壁厚计算带夹套封头的壁厚采用检测，取，按下式计算： （3.28）计算厚度，取带夹套处的壁厚为。夹套内的水压校核： （3.29）其中：耐压试验压力系数，取常温下材料的许用压力，取 材料在设计温度下的许用压力，取水压试验应力校核： （3.30）其中：有效厚度，液压试验时应满足： （3.31）其中，屈服强度，根据上述计算，夹套水压试验能够满足强度要求。3.7 支座选择根据工艺需求，由JBT4712.1-4712.4-2007压力容器支座10，选择支座为支承式支座，支座号4。图5支撑式支座B系列支撑式支座实际承受的载荷按下式计算： （3.32）其中：支座承受的载荷，支座安装尺寸，mm；对B型支座，查表得重力加速度，取；偏心载荷，;水平力作用点至底板的高度，mm不均匀系数，安装三个时，取；安装三个以上时，取；设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量），；支座数量；水平力，取和的大值，水平地震力， （3.33）地震影响系数，对7,8,9设防列度分别取0.08（0.12）、0.16（0.24）、0.32；水平风载荷， （3.34）容器外径，mm，有保温层时取保温层外径；风压高度变化系数，按设备质心所处高度取；表5对B类地面粗糙度设备质心所在高度，m风压高度变化系数，容器总高度，mm10m高度处的基本风压值，偏心距，mm。选用B4型支座，垫板，支座允许的载荷，偏向载荷,偏心距，。设备总质量：1) 封头质量：根据标准GB/T25198-2010压力容器封头选取 （3.35）2) 筒体质量： （3.36）3) 搅拌轴及其附件质量在搅拌轴设计部分计算： （3.37）4) 夹套质量： （3.38）5) 容器内介质质量： （3.39）6) 法兰质量：根据标准HG/T20592-2009钢制管法兰、垫片、紧固件11 （3.40）7) 接管质量：根据GB/T17395-2008无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差12 （3.41）设备总质量： （3.42）地震载荷： （3.43）由于所设计的设备为室内设备，无需计算风载荷水平力： （3.44）取4个支座，即承受载荷： （3.45）综上，满足要求。查询允许垂直载荷封头有效厚度： （3.46）由插值法求得,综上，四个B4支座满足封头允许垂直载荷的要求。图6钢制立式圆筒形焊接容器3.8 法兰的选择由文献HG 21564-95搅拌传动装置凸缘法兰13,选择R型凸缘法兰。 表6 R型凸缘法兰尺寸表mm凸缘法兰公称直径DN51542852螺栓质量 kg数量螺纹碳钢或整体不锈钢不锈钢衬里M2446图7R型凸缘法兰3.9 安装底盖的选用选用依据：搅拌传动装置安装底盖14，选用安装底盖公称直径为400mm的底盖。图8 上装式凸面安装底盖表7 底盖尺寸表安装底盖公称直径DN机架公称直径K螺栓孔螺纹孔S数量数量40040056551516264153.10 机架的选择根据参考文献HG 21566-95搅拌传动装置单支点机架15，选择LDJ90单支点机架。图9LDJ单支点机架表8LDJ单支点机架尺寸表型号H1H3H4H5H6输入端接口D1D2D3n1-MDJ,LDJ90A51922287840045049012-M163.10 人孔选择由16，选择凸面型回转盖板式平焊法兰人孔。图9 回转盖板式平焊法兰人孔表9 回转盖板式平焊法兰人孔尺寸螺栓螺母螺栓数量直径长度总质量其中不锈钢60017520M201003.11 密封形式根据17选择204单端面小弹簧平衡性机械密封。图10 204型机械密封表10 204型机械密封及法兰连接尺寸搅拌轴轴径12-184 搅拌轴设计184.1 按扭转变形计算搅拌轴直径受扭转变形控制的轴径按下式计算： （4.1）搅拌轴传递的最大扭矩， （4.2）其中，材料弹性模量，取，泊松比轴材料的剪切模量，按下式计算： （4.3）空心轴内径与外径的比值，搅拌轴为实心轴，取 （4.4）按照扭转变形计算的轴径取。根据轴径计算的扭转变形时，轴的扭转角需满足以下要求： （4.5）其中，许用扭转角，对于单跨梁，4.2 根据临界转速校核搅拌轴轴径4.2.1 搅拌轴有效质量计算刚性轴的有效质量等于轴自身的质量加上轴附带的液体质量。对于单跨轴： （4.6）机架选取单支点机架，上封头到轴承的距离取，轴材料密度，发酵液密度，两轴承之间的轴长： （4.7） （4.8）图11 单跨轴搅拌典型受力力学模型4.2.2 圆盘有效质量计算刚性搅拌轴的圆盘有效质量等于圆盘自身质量加上搅拌桨附带的液体质量 （4.9）式中，第个搅拌桨的附加质量系数，按表查的表11 搅拌桨附加质量系数叶片数叶片角附加质量系数2（直叶）2（斜叶）3（直叶）3（斜叶）4（直叶）4（斜叶）6（直叶）6（斜叶）第个搅拌桨直径（）第个搅拌桨的叶片宽度，见下图取 （4.10）4.2.3 作用集中质量的单跨轴一阶临界转速的计算两端简支的等直径单跨轴，轴的有效质量在中点处的相当质量可以按下式计算： （4.11） 第个圆盘有效质量在中点处的相当质量按下式计算： （4.12）单跨轴第个圆盘至传动侧轴承距离与轴长的比值，按下式计算： （4.13）图12 两端简支的单跨轴其中，个圆盘的每个圆盘至传动侧轴承的距离。 （4.14）在处总的相当质量按下式计算： （4.15）临界转速： （4.16）属于刚性轴叶片式搅拌桨。根据临界转速所计算的搅拌轴轴径取。4.3 按强度计算搅拌轴的轴径受强度控制的轴径应按下式计算： （4.17）式中轴上扭矩和弯矩同时作用时的当量扭矩（） （4.18）轴材料的许用剪切应力（） （4.19）轴上扭矩按下式计算： （4.20）式中：括传动侧轴承在内的传动装置效率取轴上弯矩总和按下式计算： （4.21）径向力引起的轴上弯矩的计算单跨搅拌轴，径向力引起的轴上弯矩按下式计算： （4.22）第个搅拌桨上的流体径向力，按下式计算： （4.23）式中，流体径向系数，按下式计算： （4.24）取，取 （4.25）第个搅拌桨功率产生的扭矩（），按下式计算： （4.26）第个搅拌桨的搅拌功率： （4.27）为搅拌轴功率，由工艺过程确定，取 （4.28）搅拌轴与各层圆盘的组合质量按下式计算：单跨轴： （4.29）单跨轴段轴的质量： （4.30）第个搅拌桨质量，取 （4.31）搅拌轴与各层圆盘组合质量偏心引起的离心力按下式计算： （4.32） （4.33）， （4.34）搅拌轴与各层圆盘组合重心距离轴承距离按下式计算: （4.35） （4.36）工作压力,取 （4.37） （4.38）根据强度计算的搅拌轴轴径取。4.4 应按轴封处允许径向位移验算轴径因轴承径向游隙所引起轴上任意点轴承距离处的位移。 （4.39）式中，轴径取，径向游隙按下表选取：表12轴承径向游隙轴承型式轴径滚动滑动由流体径向作用力所引起轴上任意点距离轴承处的距离两端简支的单跨轴当时： （4.40）惯性矩： （4.41） （4.42）由搅拌轴及各层圆盘组合质量偏心引起的离心力在轴上任意点距离轴承处产生的位移。 （4.43）式中是位置系数。当时： （4.44） （4.45） 总位移按下式计算：刚性轴： （4.46）验算应满足下列条件：式中为轴上任意处的允许径向位移，按下式计算： （4.47） （4.48）满足强度条件。由轴封处允许的径向位移求得轴径。综上所述，最终取得搅拌轴轴径。5 搅拌桨计算5.1 确定搅拌桨设计功率电机计算功率由工艺计算已确定，取。轴封处摩擦损耗功率，选取单端面机械密封，按下式计算： （5.1）5.2 每层搅拌桨的设计功率对型式、规格相同的搅拌桨，每层的设计功率也相同，其值按下式计算： （5.2）其中：电机产品系列中的额定功率，由工艺取得 轴上相同搅拌桨的层数，由工艺取得每个桨叶强度计算时，设计功率按下式计算： （5.3）其中：搅拌桨的桨叶数，取6。5.3 搅拌桨桨叶材料的许用应力按下列规定确定：弯曲许用应力按下式计算： （5.4） 安全系数按表取规定值。表13常用材料安全系数材料不锈钢铸不锈钢碳钢铸钢铸铁铝铸铝搅拌桨桨叶材料为不锈钢，取，查表抗拉强度 （5.5）5.4 圆盘涡轮式搅拌桨计算断面的弯矩按下列规定计算对于直叶、弯叶，在断面的弯矩按下式计算： （5.6）式中： （5.7）式中：搅拌桨半径,查表取 搅拌桨叶根半径，查表取 涡轮式搅拌桨的圆盘外半径，查表取 （5.8）断面的抗弯断面模数按下列规定计算于直叶、弯叶、斜叶，在抗弯断面模数按下式计算 ： （5.9）式中：桨叶宽度，查表取 桨叶的有效厚度 （5.10） 桨叶的名义厚度，查表取断面的弯曲应力应满足下列要求 （5.11）满足要求。6 接管开孔补强根据中的相关规定，壳体开孔满足下述全部要求时，可以不另外进行开孔补强：1）设计压力2）两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径的和；对于三个或三个以上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于该两孔直径之和的倍。3）接管外径小于或等于4）接管壁厚满足下表要求，表中接管壁厚的腐蚀裕量为，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚。5）开孔不得位于A,B 类焊接接头。6）钢材的