生物工程设备课程设计

1、1m3机械搅拌生物反应器西南科技大学课程设计说明书题目: 1 M3机械搅拌通风发酵罐设计院 系： 生命学院 专业班级： 生物工程 姓名学号：李澎 20093457；王超20093469郝希超20093522；宋毅20093520陈霄20093524 指导教师： 黎先发 2012 年 7月 2 日 1 M3机械搅拌生物反应器设计任务书设计者姓名、学号：李澎 20093457；王超2009346；郝希超20093522；宋毅20093520；陈霄20093524班级：生物工程 组别：3指导老师姓名：黎先发 日期： 2012 年 7 月 2 日一、设计内容设计一台机械搅拌通风式生物反应器二、设计参数

2、和技术特性指标序号名称指标1工作压力罐内0.2MPa夹套（蛇管）内0.3MPa2工作温度罐内121夹套（蛇管）内<1503工作罐内轻微腐蚀性物料介质夹套内（或蛇管）蒸汽 4组别123456789101112135装料量（m3）0.10.411.8510152030405060706产物赖氨酸柠檬酸糖化酶谷氨酸缬氨酸赖氨酸柠檬酸糖化酶谷氨酸赖氨酸柠檬酸糖化酶谷氨酸7传热面积（m2）传热面积由夹套结构确定，夹套高度不低于液位高度。8102432485056608搅拌器型式弯叶涡轮弯叶涡轮弯叶涡轮弯叶涡轮弯叶涡轮直叶涡轮直叶涡轮直叶涡轮直叶涡轮直叶涡轮组合组合组合9搅拌器转速/rmp40035

3、025022021020020020019018017016016010搅拌功率（参考）0.723.55102028527072759010011其它四块挡板，满足全挡板条件12罐体材料16MnR建议：H/D取1.7-2.5；装料系数取0.60.8；通风管通风比（通气速率/发酵液体积）取0.50.9vvm 发酵液密度为1076kg/m3，最大粘度3×10-3N·s/m2；给出的搅拌功率为参考值，实际通风搅拌功率需计算确定。初始水温20.接管建议（推荐）：出料口 冷凝液出口 蒸汽进口 温度计插口 视镜 进料口 人孔 手孔 压缩空气入口Dg80 Dg30 Dg30 Dg70 D

4、g80 Dg50 400 100 50三、设计要求：1、机械搅拌生物反应器机械计算及整体结构设计，完成设计说明书。（1）进行罐体及夹套（或内部蛇管）设计计算（2）进行搅拌装置设计：搅拌器的选型设计；选择轴承、联轴器，罐内搅拌轴的结构设计，搅拌轴计算和校核；（3）传动系统的设计计算：尽可能采用V带传动，进行传动系统方案设计；进行带传动设计计算； （4）密封装置的选型设计（5）选择支座形式并计算（6）手孔或人孔选型（7）选择接管、管法兰、设备法兰（8）设计机架结构（9）设计凸缘及安装底盖结构（10）视镜的选型设计2、绘制搅拌式生物反应器装配图(3号图纸)。学生姓名： 学号： 专业班级： 课程设计题

5、目： 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日西南科技大学课程设计成绩评定表1m3机械搅拌生物反应器目录1概述11.1发酵罐设计前景11.2 微生物生物反应器的研究与应用概述11.3 微生物反应器的研究和应用进展22罐体的设计22.1罐体的结构设计22.2罐体几何尺寸的计算32.3 确定封头的结构尺寸42.4 罐体实际总体积与公称容积42.5 确定罐内发酵液高度42.6确定筒体的厚度42.7确定封头的厚度52.8 罐体压力试验63换热装置设计63.1 夹套常用结构形式63.2 夹套几何尺寸计算73.3实际传热面积的计算73.4夹套的筒体厚度83.5 夹套压力试验（采用水压试验）：94 挡

6、板的尺寸计算94.1 挡板的宽度94.2 挡板与罐壁间间隙104.3挡板高度105搅拌器的设计105.1确定搅拌器的尺寸105.2 搅拌器功率116 消泡装置127搅拌轴127.1搅拌轴的材料127.2搅拌轴的结构127.3 搅拌轴强度校核计算137.4 搅拌轴的支承结构137.5 搅拌轴临界转速校核138 传动轴149机架1510 密封装置1611凸缘法兰1612 安装底盖1613电机选用1713.1 电机功率1713.2 电机型号选定1814 减速器的类型选用与设计1914.1减速器类型及其选用1914.2 V带减速器的设计计算1915 法兰选择2015.1容器法兰2015.2管法兰201

7、6发酵罐的其他附件2116.1进空气管2116.2 手孔2116.3 支座2216.4 视镜2316.5液面计2316.6 部分传感器24设计结果汇总25参考文献28设计心得29321概述1.1发酵罐设计前景生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是

8、生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源

9、基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应器中的分布

10、方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 ；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段 ：实验室阶段 微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1 3L 反应器中进行 ；中试阶段 5 500L 规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；工厂化规模生产 实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过

11、程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。1.3 微生物反应器的研究和应用进展膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合理，而固液分

12、离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM）的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC）技术的发展和应用。2 罐体的设计2.1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

13、，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D11200mm，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。2.2罐体几何尺寸的计算设计条件给出的是发酵罐的装料量是1m3。为了提高空气利用率，假设罐的高径比为2，即H/D取2；装料系数取0.75。故罐体的全体积为V全=1.33m3发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。)m(1.33

14、 V2VV3=+=封筒全又)m(1.33D6h2D2D4V2VV32=úûùêëé÷øöçèæp+p=+=封筒全 椭圆形封头的直边高度先忽略不计，以方便计算。)m(1.332D24D2D785.0V2VV332=´p+´=+=封筒全解方程得：D=0.88m=880mm，由此取公称直径D=900mm，则发酵罐的高度H=2D=1800mm圆柱部份容积V筒为：)m(1151.85785.0D2D785.0V322=´´=´=筒 上、

15、下封头体积V封为： 全容积验算：V全=V筒+2V封=1.15+2符合设计要求，可行。2.3 确定封头的结构尺寸查得当直径D1=900mm时，标准椭圆形封头曲面高度ha= D1/4=225mm，直边高度hb=25mm，内表面积F封=0.945m2，容积Vb=0.112m3，质量为22.5kg。2.4 罐体实际总体积与公称容积罐体实际总体积：VT=4D12H+2Vb=3.144×0.92×3+2×0.112=1.37m3 罐体的公称容积： V公=V封+V筒=4D12H+Vb=1.27m32.5 确定罐内发酵液高度已知装料系数=0.75，则罐内发酵液高度HL满足下式：V

16、料=4D12HL+Vb7=3.144×0.92×HL+0.112解得HL=1.39m取罐内发酵液高度HL=1.4m=1400mm2.6确定筒体的厚度根据工艺条件，罐体材料选取为标准是GB5618的16MnR低合金钢板，工作温度罐内121，夹套温度<150，查表可得罐体材料在设计温度下的许用压力=170MPa。采用双面焊接技术，焊接系数= 0.8。又罐内工作压力0.2Mpa；最高工作压力为0.2Mpa，取设计压力等于最高工作压力的1.1倍,设计压力为P设=0.2×1.1=0.22Mpa，罐体内径D1=900mm；罐内介质为轻微腐蚀性物料，取腐蚀裕度C=3mm。

17、则筒体厚度其中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设计压力为0.22Mpa，带入上式计算得： =0.66 mm根据容器最小壁厚的规定，最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕度另加。查表1-2常用钢板厚度负偏差C1值，取钢板厚度负偏差C1为0.25 mm。取腐蚀裕度为C2=3mm所以筒体的设计厚度为：td=t+ C1+ C2 =0.66+0.25+3=3. 91mm。圆整后取筒体的名义厚度为td=4mm。2.7确定封头的厚度对于标准椭圆形封头k=1：计算得 =0.66 mm同理，根据容器最小壁厚的规定，最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕度另加

18、。查表1-2常用钢板厚度负偏差C1值，取钢板厚度负偏差C1为0.25 mm。取腐蚀裕度为C2=3mm所以封头的设计厚度为：td=t+ C1+ C2 =0.66+0.25+3=3.91 mm。圆整后取封头的名义厚度为td=4mm。对于下封头，要考虑液体静压力。因为罐内发酵液高度为1400mm，而下封头高度为225mm，故液体总高为1625mm。则筒体部分静压力为：= 由上述计算可知，筒体部分静压力大于的，故要计为设计压力以内。故P下=0.22+0.017=0.037MPa。同理：计算得 =0.74 mm同理，根据容器最小壁厚的规定，最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕度另加。查表1-2常用钢板厚度负偏

19、差C1值，取钢板厚度负偏差C1为0.25 mm。取腐蚀裕度为C2=3mm所以封头的设计厚度为：td=t+ C1+ C2 =0.74+0.25+3=3.99 mm。圆整后取封头的名义厚度为td=4mm。2.8 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。设计温度为121，此时材料的许用应力t=170 MPa；假设实验温度为150，查表，此时材料的许用应力=170 MPa。试验压力为：试验压力下圆筒中的应力为： 查材料的屈服点强度s=345MPa，0.9 s，则压力试验强度足够，罐体厚度满足要求。3换热装置设计换热方式

20、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。根据工艺要求，本设计采用不可拆卸的夹套换热装置。3.1 夹套常用结构形式本设计采用（a）这种结构形式3.2 夹套几何尺寸计算夹套的内径D2可根据筒体内径D1，按经验选取（验算）。表 夹套内径D2 mmD1500-600700-18002000-3000D2D1+50D1+100D1+200筒体内径D1=1500mm，则夹套内径：D2=D1+100=900+100=1000mm夹套高度H2由传热面积确定，高度不低于料液高度。夹套高度Hj：Hj>HL因为

21、HL=1400mm取Hj=1450mm3.3实际传热面积的计算由上表可取最大发酵热18800(kJ/·h)单位时间传热量发酵热×装料量即：Q= Q发×V=18800×1=18800KJ/h进水温度为200C，出水温度为280C冷却水的消耗量：=561.4 (kg/h)冷却水的平均比热为4.186 kJ/（kg·0C）=330C= 0.88×103 kJ/(M2 ·h·)所以夹套所包围的罐体表面积即为实际传热面积A：A=F筒=D1Hj=3.14×0.9×1.45=4.1m2>A=2.6m2所

22、以设计是合理的。3.4夹套的筒体厚度根据工艺条件，罐体材料选取为标准是GB664的16MnR低合金钢板，工作温度罐内121，夹套温度<150，查表可得罐体材料在设计温度下的许用压力=170MPa。采用双面焊接技术，焊接系数= 0.8。又夹套内工作压力0.3Mpa；最高工作压力为0.3Mpa，取设计压力等于最高工作压力的1.1倍,设计压力为P设=0.3×1.1=0.33Mpa，罐体内径D1=1000mm；罐内介质为轻微腐蚀性物料，取腐蚀裕度C=3mm。则筒体厚度其中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设计压力为0.

23、22Mpa，带入上式计算得： =1.215 mm根据容器最小壁厚的规定，最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕度另加。查表1-2常用钢板厚度负偏差C1值，取钢板厚度负偏差C1为0.25 mm。取腐蚀裕度为C2=3mm所以筒体的设计厚度为：td=t+ C1+ C2 =1.215+0.25+3=4.465mm。圆整后取筒体的名义厚度为td=6mm。3.5 夹套压力试验（采用水压试验）： 设计温度为150，此时材料的许用应力t=170 MPa；假设实验温度为120，查表，此时材料的许用应力=170 MPa。试验压力为：试验压力下圆筒中的应力为：查材料的屈服点强度s=345MPa，0.9 s，则压力试验强度足

24、够，罐体厚度满足要求。4 挡板的尺寸计算发酵罐内装设挡板的作用是防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质。通常，设46块挡板，其宽度为0.10.2D。则可以达到全挡板条件。全挡板条件必须满足如下条件：bDn=0.10.2DDn=0.5式中 D发酵罐内径，mm； b挡板宽度，mm；、 n挡板数4.1 挡板的宽度根据设计要求，四块挡板，满足全挡板条件：则挡板宽度：bD1n=（b900）×4=0.5解得挡板宽度b=112.5mm。4.2 挡板与罐壁间间隙为防止出现死角，挡板与罐壁间通常会留出一条间隙，其宽度为（1815）D。挡板与罐壁间间隙取D18=9008=112.5mm。4.3挡

25、板高度挡板上缘一般与搅拌容器内的液面齐平，当液面上有轻质易浮而不易润湿的固体物料时，挡板上缘可低于液面100150mm，这样可形成漩涡，润湿固体物料。挡板下缘一般与搅拌容器底封头的切线齐平。如希望将搅拌容器底部介质中的较重物料沉降分离出来，则可将挡板下缘设置得高于搅拌器，从而使容器底部维持水平回转流，以有利于较重物料的沉降。本设计液面高度HL=2400mm，适当使挡板上缘可低于液面，则挡板高度H挡=1400-100=1300mm。5搅拌器的设计5.1确定搅拌器的尺寸一般情况下，搅拌器结构型式的选用应满足下列基本要求:保证物料的有效棍合，消耗最少的功率，所需费用最低，操作方便，易于制造和维修。根

26、据设计要求，搅拌器的材料选择用45号钢，稳定耐用。搅拌转速为250 rpm，搅拌器型式选用弯叶涡轮型。同时考虑更好的满足溶氧要求，最终选用后六弯叶圆盘涡轮。搅拌器直径di的计算取diD1=0.3，则搅拌器直径：di=0.3×900=300mm扇叶的长度l和宽度b的计算dilb=2054扇叶的长度l=520×300=75mm。扇叶的宽度b=420×300=600mm。扇叶数Z=6。扇叶后弯角度=45°，无斜角。搅拌器离发酵罐低端距离h=di=300mm涡轮式为快速型，快速型搅拌器一般在时设置多层搅拌器，且相邻搅拌器间距不小于叶轮直径Di。液面高度H=1.4

27、m，最上层叶轮高度离液面至少要有1.5Di的深度为：h =1.5Di=1.5×0.3=0.45 m当搅拌叶轮间距为s>Di时H-h-（C-0.25D)=1.4-0.45-（0.3-0.225）=0.8750.875/0.33搅拌器的安装层数:设计为三层桨叶。为防止底部有沉淀，将底层叶轮放置低些，离底层高度为C=0.3m，上层叶轮高度离液面h=0.45 m的深度。液层总高为1.4+0.225=1.625m则两个搅拌器间距为0.438m，该值也大于于叶轮直径，故符合要求，所以取三层。5.2 搅拌器功率根据设计要求，搅拌转速N=250rpm=3.5rps。发酵液密度为1076kg/m

28、3，设粘度=3×10-3PaS,则雷诺准数为Rem=di2N=0.32×250603×10762×10-31.34×103因为Rem>10-4，属湍流状态，查表，六弯叶圆盘涡轮搅拌器的K=4.8，所以单层搅拌功率P=KN3di5=4.7×250603×0.35×1076=0.89kW实际比例尺寸D1di*=900300=3，（HLdi）*=1400300=4.7，则P*=13D1di*HLdi*×P=13×3×4.7×0.891.11kW双层搅拌器时的搅拌功率Pm=P*

29、0.4+0.6m=1.11×0.4+0.6×3=2.4kW以上是不通风时搅拌功率的计算。通风时搅拌器的轴功率消耗降低，其降低程度与通风量Qgm3min及液体翻动量Q1（m3min）（Q1Nd3）等因素有关。根据设计要求，通风管通风比为0.50.9vvm，取0.5vvm，则通风量Qg=0.5×VL=0.5××VT=0.9×0.75×1.37=0.925m3min=0.015m3s则通风准数NaNa=QgNdi3=0.01525060×0.33=0.133>0.035则通风事搅拌功率PgPg=Pm0.62-1.8

30、5×Na=2.4×0.62-1.85×0.133=0.79kW6 消泡装置发酵液中含蛋白质等发泡物质，故在通气搅拌条件下会产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，造成跑料，且增加感染杂菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方式，一是加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是把上述两种方法联合使用。最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可以直接安装在搅拌轴上。取耙式消泡器直径400mm。耙式消泡器的齿底部应比发酵液高出适当高度，由于液面高度为1400mm，故可取安装高度为1550mm，位于液面以上150mm处。7搅拌轴7.1搅拌轴的材料常用45号钢，有防腐或防污染物

31、料等要求较高的场合，应采用不锈耐酸钢。7.2搅拌轴的结构常用实心或空心直轴，结构型式根据轴上安装搅拌器类型、支承的结构和数量，以及与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等因素的影响。连接桨式和框式搅拌器的轴头较简单，因用螺栓对夹，所以用光轴即可；连接推进式和涡轮式搅拌器的轴头需车削台肩，开键槽，轴端还要车螺纹。较长的搅拌轴，为加工和安装的方便，常分段制造后用联轴器连接起来。安装搅拌器部分称搅拌轴，与减速器输出轴相联的轴称传动轴，与联轴器配合的轴头部分，按联轴器的要求而定。7.3 搅拌轴强度校核计算搅拌轴的特点是细长,安装在轴的最远端,轴经常受到的载荷是扭转载荷弯曲载荷和轴向载荷等组成的合成载荷。

32、计算比较复杂。工程实际中常采用近似的方法进行强度计算，假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力，弥补由于忽略弯曲载荷引起的误差。搅拌轴的直径可按下式估算： =（118107）=22.8025.13mm所以取搅拌轴直径为40mm式中：P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min；A为随许用剪应力 变化的系数；可查手册选取，；为轴材料的许用剪切应力，Mpa。7.4 搅拌轴的支承结构一般搅拌轴可可依靠减速器内的一对轴承支承。当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂L1、轴径d和两轴承间距B应满足系列关系：L1/B45；L1/d4050。若轴封能起支

33、承作用，式中B算至轴封处，当d的裕量较大和轴转速较低，L1/B及L1/d取偏大值，否则取偏小值。搅拌轴的支撑常采用滚动轴承。搅拌轴的滚动轴承通常根据转速、载荷的大小及轴径d选择，高转速、轻载荷可选用角接触球轴承；低速、重载荷可选用圆锥滚子轴承。7.5 搅拌轴临界转速校核搅拌轴上装有搅拌器，往往由于结构不对称、加工安装有误差等原因，使回转中心离开轴线而产生回转离心力，使轴受到周期性载荷干扰。当周期载荷的频率与搅拌轴的自然频率接近时，轴便发生剧烈振动，这种现象称为轴的共振。产生共振时，搅拌轴的转速称为临界转速。搅拌器的转速n200转/分时，都应作临界转速校核，一般搅拌周常设计呈刚性轴，使n（0.7

34、50.8) nc1。=3.4×d/()=3.4××40/2000/2000=340r/minN=250 r/min <0.75=340×0.75=255r/min（引用出处：搅拌轴临界转速分析 叶 林 尹清珍 陈树新.化 工 设 备 设 计. 1997 年第 3 4 卷）所以设计合理8 传动轴选用ASC型（即机架型式为A，釜内联轴器为凸缘C，传动轴安装型式为上装S）。如下图：可以取传动轴轴径等于搅拌轴轴径，即为40mm。根据上表，可以查得：传动轴上端轴径d1=30mm；釜内轴长L=250mm；下端轴径=35mm（采用的是凸缘联轴器）；搅拌轴根据前的

35、设计，搅拌轴的直径为30mm， 9机架本设计设置了底轴承，可选用单支点机架。根据传动轴轴径为40mm，选用A型机架公称直径为200mm。其它尺寸主要为：D1=245mm，D2=295mm，D3=340mm，D4=330mm，D5=360mm，H=575mm，H1=220mm，轴承型号为46208，质量为44kg。根据机架公称直径为200mm，且为A型，确定单支点机架的支点轴承位置及减速机输出轴侧轴承间的间距L为405mm。10 密封装置轴封是机械搅拌通风发酵罐的一个重要组成部分，其任务是保证反应器处于正压操作，防止发酵液泄露和污染杂菌。发酵罐轴封属于动密封，轴封要求较高，因此一般采用机械密封（

36、下伸轴为单端面，上伸轴采用双端面）。机械密封分为平衡型和非平衡型两大类，常用的机械密封装置已有标准系列，可根据要求直接选用。本设计确定采用双端面机械轴封，选用2008型双端面机械轴封。根据其轴径为40mm，查得 其主要尺寸为：D1=175mm D2=145mm D3=110mm，L1不大于135mm。根据设计，物料为一般介质，得出双端面机械轴封的材料组合。介质侧：旋转环为石墨浸渍树脂；静止环为碳化钨；辅助密封环为氟橡胶。大气侧同介质侧一样。11凸缘法兰凸缘法兰一般焊接于发酵罐上封头上，用于连接搅拌传动装置，也可兼作安装、检修、检查用孔。凸缘法兰分整体和衬里两种结构形式，密封面分为凸面（R）和凹

37、面（M）两种。选用R型凸缘法兰，公称直径DN=200mm， 其主要尺寸为d1=200mm，d2=340mm，d3=230mm，d4=245mm，d6=266mm，K=295mm，h1=34mm，h2=65mm，h3=3mm，h4=4mm。其质量为19kg。12 安装底盖安装底盖采用螺栓等紧固件，上与机架相连，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。由已选定凸缘法兰的型式（R型为：整体结构，突面密封面）和传动轴的安装型式（S：上装），按下表可以确定底盖安装型式为：RS型。装配如下图：安装底盖的公称直径与凸缘法兰的公称直径相同。形式选取时，应与凸缘法兰的密封面配合（凸面配凸面，

38、凹面配凹面）。根据之前设计，机架公称直径为200mm，R型凸缘法兰公称直径200mm，则选用安装底盖公称直径为200mm，同时传动轴轴径为40mm，参阅上表选取R型凸缘法兰其它主要尺寸。13电机选用发酵设备的搅拌装置选用电机，主要是确定电机功率、转速、型号以及安装形式和防爆要求等内容。最常用的为Y系列全封闭自扇式三相异步电动机，当有防爆要求时，可选用YB系列。13.1 电机功率电动机功率必须同时满足搅拌器运转及传动装置和密封系统功率损耗的要求。其中搅拌轴功率以不通气时为准。P=Pm+PT式中 P：电机功率，kW；Pm：搅拌轴功率，kW；PT：轴封摩擦损失功率，kW；:传动系统的效率。本设计采用

39、的双端面机械密封：功率损耗近似值PT=2.4d01.2×10-3=2.4×401.2×10-3=0.192kw（式中d0为设计最终确定的密封部位实心轴轴径，此处为40mm）。传动装置选用V带减少器，其效率=0.95。电机功率P:P=Pm+PT=1.8+0.1070.95=2.73kW13.2 电机型号选定由于设计功率为2.73kw，所以选定电机型号Y112m-4。该型电机额定功率为4.0kW，满载时输出效率84.5%，则其最大输出功率4.0×84.5%=3.38kW2.73kW,满足要求。查得其转速为1440r/min，重量为47kg。14 减速器的类型

40、选用与设计14.1减速器类型及其选用减速器的类型主要有：两级齿轮传动减速器、三角皮带减速器、摆线针齿行星减速器、蜗杆传动减速器和谐波减速器。V带减速器在机械通风发酵罐使用频率很高，按截面形状，传动带可分为：平带、形带（又称三角带）、圆形带等类型，普通V形带的工作面是两侧面，与平带相比，由于截面的楔形效应，其摩擦力较大，所以能传递较大的功率。普通形带无接头，传动平稳，应用最广泛。故在本设计中选用V带减速器。V带减速器的特点：结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪音小，但不适用于防爆场合。14.2 V带减速器的设计计算减速器的设计重点是V带轮的设计以及普通V带的截面形状、尺寸及设计计算。步骤

41、设计项目单位公式及数据备注1传动的额定功率PkW4已知电机功率2小皮带轮转速n1rpm1440已知电机转速3大皮带轮转速n2rpm250已知搅拌器转速6选V带型号根据pD和n1选区Z型带查化工机械设备基础7速比iI=n1/n2=1440/250=5.76计算8小皮带轮计算直径d1mm70按参考文献初选9验算带速vm/s在两者之间Vmax=2530m/xVmin=5m/s10滑动率0.02选取11大皮带轮计算直径d2mmd2=id1(1-)=5.76×70×（1-0.02）=392.4圆整为400圆整按照GB/T 10412-2002圆整12初定中心距a0mm0.7（d1+d

42、2）<a0<2(d1+d2)，取350mm13单根V带额定功率P1Kw1.26有参考文献1表13-7选取14i1时，单根V带额定功率增加量P1Kw0.09有参考文献1表13-8选取15包角修正系数0.93有参考文献1表13-5选取16带长修正系数1.13有参考文献1表13-6选取17V带根数zZ=PdP1+P1Km·KLZ=41.26+0.090.93×1.13取z=3计算后圆整通过上面计算，选定小皮带轮直径70mm，大皮带轮直径400mm。修改中心距为350mm。15 法兰选择15.1容器法兰压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰两类。平焊法兰分甲型和乙型两种，其中

43、甲型平焊法兰使用最广泛。压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径取同一系列值，由于容器公称直径为900mm，应当配用DN900的压力容器法兰。根据设计，采用甲型平焊法兰。差得DN900的压力容器法兰的主要尺寸为：D=1050mm，D1=980mm，D2=950mm，D3=940mm，D4=937mm，d=18mm，=40mm。15.2管法兰接管与管法兰是用来与管道或其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称通径（DN）和公称压力（PN）。接管的伸出长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。管法兰分为：板式平焊法兰（PN）、带颈平焊法兰（SO）、带颈对焊法兰（WN）等，法兰密封面形式主要有

44、突面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）种，本设计采用标准突面（RF）板式平焊钢制管法兰。 接管管径：出料口： 80mm管径89×4.5mm ，K=190mm,D=190mm，C=18mm，B=91mm，L=18mm蒸汽出口：32mm管径38×3mm， K=90mm,D=120mm，C=16mm，B=39mm，L=14mm蒸汽进口：32mm管径38×3mm，K=90mm,D=120mm，C=16mm，B=39mm，L=14mm进料口 ：50mm管径57×3.5mm，K=110mm,D=140mm，C=16mm，B=59mm，L=14mm压缩空气入口

45、：50mm管径57×3.5mm，K=110mm,D=140mm，C=16mm，B=59mm，L=14mm补料口 ：32mm管径38×3mm，K=90mm,D=120mm，C=16mm，B=39mm，L=14mm16发酵罐的其他附件16.1进空气管 本设计采用单管式进空气管。已知培养液为，取通风比（空气流量与发酵液体积之比）为0.5，发酵温度为33c,无菌压缩空气条件为：压力为0.22Mpa=2.2kg/m3,温度为45°C.空气流量：Qg=1×0.5=0.5m/min压缩空气流量： V=0.5××=0.243(m/min)通风管内压缩

46、空气流速为10m/s,则管径为： （m）选用323.5的无缝钢管。16.2 手孔手孔直径一般为150250mm，应使工人带上手套并握有工具的手能方便通过。当设备的直径大于900mm时，应开设人孔。由于所设计罐体直径为900mm，开设人孔的话没有余量，故设手孔比较合适。 根据设计要求：p=0.22Mpa，所以选用公称压力为1.0Mpa，公称直径为250mm的凸面（RF）型手孔。其主要尺寸为：公称直径为250mm，dw×S=273×8，D=395 mm，D1=350mm，b=26mm，b1=23mm，b2=26mm，H1=190mm，H2=92mm，质量为49.3kg。16.3

47、 支座机械搅拌反应器一般为立式安装，最常用的支座为耳式支座（JB/T4725-29），分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上时，选B型，否则选A型。本设计为夹套设计，故选用B型耳式支座。每台反应器常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。如果不考虑动载荷，支座承受的总重量为设备的总重量及工作介质及冷却介质的总重量之和。发酵液质量：1076kg罐体圆筒质量：1.8×0.9×3.14×0.006×7850=239.6kg罐体封头质量：2×22.5kg=45kg夹套圆筒质量：1.45×1

48、.0×3.14×0.006×7850=214.4kg夹套封头质量：27.4kg搅拌器质量：约为1.8×2=3.6kg传动轴质量：约为12.5kg联轴器质量：带短节联轴器7.5kg, GT型凸缘联轴器 约9.6kgR型凸缘法兰质量：19kgRS型安装底盖质量：约21.5kg机架质量：44kg电机质量：47kg手孔质量：49.3kg其它设施：估计40kg总质量：约为2000kg总载荷Q=2000×10=20kN按两个支座计算，则单个支座应载荷10kN，参阅上表，应选用允许载荷Q=10kN的支座。支座尺寸参阅上表B型耳式支座的相关尺寸。16.4 视镜

49、视镜主要用来观察反应器内物料及其反应情况，也可作液面指示镜。一般成对使用。 带灯有颈视镜1-视镜玻璃 2-衬垫 3-有颈接缘 4-压紧环 5-双头螺栓 6-盖形螺母 7-视灯镜带灯有颈视镜主要尺寸选用公称直径为100mm，D=180mm的带灯有颈视镜。其它尺寸参阅上表。16.5液面计液面计的简化画法装配图中带有两个接管的液面计的画法（a)，带有两组或两组以上的液面计画法(b)。16.6 部分传感器温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100型，D=100mm，开在罐身上；压力表：弹簧管压力表，d1=20mm，精度1.6，型号Y-250，开在封头上。溶氧探头：SE-N-DO-F。pH探头：PHS-2

50、型。设计结果汇总项目结果罐体公称体积/m³127工作压力0.2MPa工作温度121工作介质轻微腐蚀性材料全体积/m³1.37罐体内径/mm900筒体高度/mm1800H/D2筒体壁厚/mm4封头类型标准椭圆封头封头内径/mm900封头壁厚/mm4焊接方式双面焊预计液面高度/mm1400材料16MnR换热装置装置类型夹套式与釜体连接形式不可拆卸工作压力0.3MPa工作温度150工作介质蒸汽夹套内径/mm1000夹套高度/mm1450筒体壁厚/mm6封头类型标准椭圆封头封头内径/mm1000封头壁厚/mm6焊接方式双面焊实际传热面积/m24.1材料16MnR挡板挡板数量4宽度/

51、mm112.5与罐壁间间隙/mm112.5高度/mm1300搅拌装置搅拌转速/rpm250搅拌装置搅拌器类型六弯叶圆盘涡轮搅拌器直径/mm300层数3安装高度（距罐底）/mm300间距/mm438消泡装置类型耙式消泡器直径/mm400搅拌轴轴功率/kW1.8轴径/mm40材料45钢传动轴类型ASC型轴径/mm40密封装置类型2008型双端面机械轴封适用轴径/mm40凸缘法兰类型R型凸缘法兰公称直径/mm200安装底盖类型RS型公称直径/mm200机架类型A型单支点机架公称直径/mm300电机类型Y112m-4额定功率/kW4.0效率/%84.5%减速器类型V带传动减速机小皮带轮直径/mm70大

52、皮带轮直径/mm400中心距/mm350输出轴轴径/mm30手孔类型突面（RF型）手孔公称直径/mm250支座类型B型耳式支座允许载荷/kN10数量4选用标准JB/T4725-29视镜类型带灯有颈视镜数量2公称直径/mm100传感器温度计型号Pt100型热电阻温度传感器压力表型号Y-250弹簧管压力表溶氧探头型号SE-N-DO-FpH探头型号PHS-2型接管进料口规格57×3.5mm补料口规格38×3mm出料口规格89×4.5mm蒸汽进口规格38×3mm蒸汽出口规格38×3mm压缩空气入口规格32×3.5mm管法兰类型标准突面板式平焊法兰（PN）尺寸适用标准HG20593-97容器法兰类型甲型平焊法兰尺寸DN900参考文献1 郑津洋、董其伍、桑芝富.过程设备设计，北京：化学工业出版社，2001.82 贺匡国.化工容器及设备简明设计手册（第二版），北京：化学工业出版社，2002.83 潘永亮.化工设备机械基础，北京：科学出版社（第二版），2007.24 董大勤.压力容器与化工设备实用手册（上册），北京：化学工业出版社，2000.35 曲文海.压力容器与化工设备实用手册（下册），北京：化学工业出