发酵罐设计(共27页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上食品工厂机械与设备 课程设计（装料量5机械搅拌发酵罐设计）设计小组：第19组 组 长：林挺 （） 组 员：高鑫培（） 李瑞轩（） 李亮 （） 专 业：食品科学与工程 指导老师：黎先发 设计成绩：日期： 2012年1月16日西南科技大学 生命科学与工程学院专心-专注-专业目 录1、 设计任务.22、 设计要求.33、 概述.34、 总体结构设计.44.1罐头设计.44.2罐头及封头的几何尺寸的计算.44.3罐头压力测试.64.4确定夹套的几何尺寸的计算.74.5夹套压力试验.85、 搅拌装置及附件设计.85.1搅拌轴计算.85.2搅拌器选型及分布.126、 传动装置的设

2、计.146.1电动机选型.156.2减速器选型.166.3联轴器选型.207、 其他辅助设备的选型.217.1支座的选择.217.2人孔的选择.237.3视镜的选择.237.4无菌空气通风管设计.237.5消泡器.24八、各自的设计任务.24一、设计任务 装料量5机械搅拌发酵罐设计设计参数和技术特性指标名称指标工作压力罐内0.3Mpa夹套（蛇管）内0.5Mpa工作温度罐内121夹套（蛇管）内150工作介质罐内轻微腐蚀性物料夹套内蒸汽装料量（m3）5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。搅拌器型式涡轮式搅拌器转速/rmp260（参考）搅拌轴功率kw6.5其它夹套换热时，

3、至少应装四块挡板（根据需要设置）。罐体材料16Mn H/D装料系数罐内料液密度1.01.30.70.91076Kg/m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Dg80Dg57Dg30Dg70Dg80Dg504001002、 设计要求1. 机械搅拌发酵罐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；

4、（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；（11）消泡装置设计；（12）无菌空气分布管设计。2.绘制搅拌罐装配图(2号或3号图纸)。三、概述机械搅拌发酵罐是生物制药工厂常用类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。机械搅拌发酵罐可用于生产药用、谷氨酸、抗生素、等。机械搅拌其实就是一种，生物反应器是指为活细胞或酶提供适宜的反应环境，让他们进行或生产的装置系统。生物反应器为细菌的生长和繁殖提供适宜的生长环境，促进菌体生产人们需要的产物

5、。广泛应用于乳制品、饮料、生物工程、制药、精细化工等行业，罐体设有夹层、保温层、可加热、冷却、保温。罐内壁经镜面抛光处理，无卫生死角，而全封闭设计确保物料始终处一无污染的状态下混合、发酵，设备配备空气呼吸孔，CIP清洗喷头，人孔等装置。机械搅拌发酵罐主要由罐体、封头、夹套、联轴器、传动系统、消泡器等结构构成。 机械搅拌发酵罐的基本要求： （1）机械搅拌通风发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高； （2）机械搅拌通风发酵罐能承受一定的压力； （3）要保证发酵液必须的溶解氧； （4）机械搅拌通风发酵罐应具有足够的冷却面积； （5）机械搅拌通风发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能

6、彻底，避免染菌； （6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。 罐体的材料要根据发酵液对钢材腐蚀的程度来选择，此款机械搅拌发酵罐主要是用于食品的加工，其腐蚀程度相对较低，我们选择16Mn材料制作罐体、封头、夹套等。四、总体结构设计4.1罐体设计4.1.1确定罐头上下封头的形式 搅拌罐为立式容器,上封头选用标准椭圆形封头,下封头为了考虑排料选用无折边的锥形封头,并选取筒体高度H与筒体半径D1的比值为2:1；上、下封头也可相同。4.2罐体及封头的几何尺寸的计算4.2.1确定罐体的内径D（公称直径）和筒体的高度H选取搅拌罐装料系数为,已知装料量可得设备总容积对于机械搅拌发酵罐，取高径比为初选筒体直径取

7、D=1500mm,查手册的标准椭圆形封头的封头容积为，则公称容积估算筒体的内径 将计算结果圆整至公称直径标准系列，取筒体内径D=1500mm，查手册D=1500mm的标准椭圆形封头曲面高度h1=400mm，直边高度h2=40mm，封头容积Vb=0.513m3,表面积Fb=2.62m2,查手册得一米高筒体容积V1=1.767m3,表面积F1=4.71m3筒体高度圆整为2.9m演算实际高径比H/D=2.9/1.51.93复核结果基本接近2，满足要求。 4.2.2确定筒体的厚度食品液体对钢材的腐蚀性不大，温度不高，压力为低压，故可选用16Mn钢材, 查表16MnR钢b =510MPa，查表得厚度 设

8、计温度121的许应力为170MPa。选取筒体内设计压力，同时还需判断是否需要考虑液体静压力：，超过设计压力的5%，应计算在内筒体的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数。因为市面上所出售的材料其厚度最小为3mm，所以我们取筒壁厚设钢板厚度在，则取负偏差 双面腐蚀度mm mm考虑安全裕量，取筒体的厚度为6mm4.2.3确定上封头的厚度所选取的筒体的上封头为标准椭圆形封头 对标准椭圆形封头 K=1mm负偏差上封头由于外无夹套，故无物料腐蚀，为了便于制造和焊接，封头常与筒体的厚度相同，即筒体和封头的厚度都为6mm。4.2.4下封头的厚度与高度根据公称直径查相应标准椭圆封头的相关参数：曲面盖度：

9、直面高度：下封头装液的高度，超过设计压力的5%，应计算在内由结果取厚度附加量负偏差 双面腐蚀度 为了便于制造和焊接，封头常与筒体的厚度相同，即筒体和封头的厚度都为6mm4.3罐体压力试验采用水压试验，试验压力公式为屈服点强度，可见压力试验强度足够4.4确定夹套的几何尺寸的计算4.4.1确定夹套的直径和高度 表 夹套内径mm500-600700-18002000-3000+50+100+200对于筒体内径Di=7001800mm，夹套的内径，符合压力容器公称直径。根据夹套内径估算夹套高度: ，故符合。4.4.2确定夹套的材料和壁厚为便于制造，同样选用16Mn为夹套材料，查表得厚度为616mm罐内

10、温度150的许应力t=170MPa，选取夹套设计压力,夹套的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数。取负偏差c1=0.6mm，单面腐蚀取腐蚀余量c2=1mm。mmd=考虑安全裕量，选取夹套的壁厚为6mm。4.4.3确定夹套封头的厚度采用标准椭圆形封头，壁厚附加量取c=1.6mmd封=考虑安全裕量，圆整到钢板规格厚度，并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为6mm。4.5夹套压力试验采用水压试验，试验压力公式为屈服点强度，可见压力试验强度足够五、搅拌装置及附件设计5.1 搅拌轴计算搅拌装置的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵罐充分混合，气泡细碎以增大气液界面，获得所

11、需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮于发酵体系中，以维持适当的气液固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为实现这些目的，搅拌装置的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向流动。 5.1.1搅拌器的结构形式与安装根据设计任务要求，我们采取推进式搅拌器，中心式安装。由于，取搅拌器直径为，圆整取根据发酵罐尺寸关系： 发酵罐尺寸关系图 我们通过初步计算，确定搅拌器层数为2层。搅拌器参数表我们可以得出搅拌器的一些参数：搅拌器直径DJ层数材料叶片500mm2层16M3片查表得转速为260r/min，由于其转速大于200r/min，所以需要进行搅拌轴临界转速的校核。使搅拌轴的转速 式中，E轴材料弹

12、性模量，MPa； I轴的惯性矩，； d轴径，m； B两支点间的距离，m； 轴及搅拌器的等效重量，N。查表得相关系数得： 由上述参数得： ，显然，所以符合要求。5.1.2搅拌轴 搅拌轴的直径d的计算： 式中，A为碳钢在121，查表得在该条件下时的许应力为170MPa。选用直叶涡轮式搅拌器，由于，故取搅拌层数为2，已知，一般，取，则搅拌器外径:料液流动状态为湍流。我们还需安装挡板，安装挡板是为了防止液面中央产生漩涡；促使液体激烈翻滚，增加溶解氧；改变液流的方向，由径向流改为轴向流。因为液体处于湍流状态，所以x=0，又由于采取全挡板的方式，所以y=0，因此可以简化搅拌轴功率的计算公式得：搅拌器为直叶

13、涡轮，查表得k=2.9 搅拌功率校正：式中，m为搅拌器的层数。经过计算最后确定搅拌器的搅拌功率为12.4046KW。5.1.3按扭矩计算轴的强度式中： 截面上最大剪切应力，MPa；轴传递的扭矩，Nm；抗扭断面系数， 3 m ；t 降低后的扭转许用剪应力，MPa。其数值可参考下表。搅拌轴材料采用45钢， 则搅拌轴的直径：考虑到键槽和腐蚀取裕量20%，取5.1.4搅拌器支承尺寸图根据经验轴的悬臂L1、轴径d和两轴承间距B应满足系列关系：根据d=50mm得：取L1=2000mm,则B=400mm5.2 搅拌器选型及分布5.2.1搅拌器基本尺寸设计 由于浆径接近500mm,所以采用两叶可拆的直叶涡轮，

14、根据直叶涡轮式搅拌器，桨径：桨长：桨宽=20：5：4由桨径=495mm,得桨长=123.75mm,桨宽=99mm圆盘直径一般去浆径的2/3，所以为保持一定的刚性及支持周边的桨叶，取圆盘厚度为5.2.2桨叶强度校核桨叶材料选用：Q235-B 扁钢，桨叶数量z=6，初定桨叶厚度，按照许用弯曲应力进行校核。许用弯曲应力：表 安全系数Q235 材料的为375MPa，故选取=3，计算得：=125MPa 桨叶强度计算功率：式中：桨叶强度计算功率启动时电机的过载系数，即：最大转矩/额定转矩，查电机特性表查的传动系统的机械效率，取0.95PT 密封装置摩擦损失功率，通常为P的1%（KW)5.2.3搅拌器结构

15、直叶涡轮搅拌器5.2.4桨叶分布下层搅拌器与罐底的距离通常B=（0.81.0）Di,取B=0.8Di=1200mm两搅拌器之间的距离取为避免搅拌器工作时产生涡旋使搅拌器露在空气中，因此第一个搅拌器距离料液液面的高度不小于搅拌器外径的1.5倍：，最终取5.2.5挡板设置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，挡板数量 =4，挡板材料选取1Cr18Ni9Ti材料。挡板结构示意图如下：宽度 取挡板宽度：挡板与筒体壁的缝隙。挡板高度Hb2500六、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

16、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。 6.1电动机的选择电动机功率：其中：P为电机功率，KW；Pm为搅拌所需的轴功率，KW；PT为轴封摩擦损失功率,一般为Pm的1%，KW；为传动系统的效率，取则电动机功率为：参考电机系列，选型号为：Y200L-8型安装，功率为15KW，电机同步转速750r/min，满载转速730r/min.6.2减速机选型根据电机的功率N =15KW 、搅拌轴的转速n260 r /min、传动比i为730/2602.8，选择带传动减速器。其特点为：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。按截面形状，传动带可分为：平带、

17、形带（又称三角带）、圆形带等类型,普通形带无接头，传动平稳，应用最广泛。由于功率小于100kW、传动比i7(少数可达10)，故本设计采用形带传动。带传动设计计算的主要内容有：确定带的型号、根数、长度、带轮直径、中心距及带轮的结构尺寸等。6.2.1 V带设计内容及步骤1. 传动额定功P：15KW（电动机Y200L-8）2. 小皮带轮转速n1：730r/min3. 大皮带轮转速n2：260r/min 4.工况系数KA：1.3 5.设计功率Pd： 6.选择V带型号：根据Pd和n1选取C带型图 7.速度比：8.小皮带轮计算直径d1：根据下表初选d1=200mm表 V带轮最小基准直径 9.验算带速： ，

18、符合要求。 10.滑动率：对于V带，故取 11.大皮带轮计算直径d2：根据表 圆整，取d2=560mm 12.初定中心距：由，初定 13.带的基准长度Ld0：根据下表圆整后，取Ld=3550mm表 14.确定中心距：安装V带是所需最小中心距和最大中心距： 15.小皮带轮包角：，符合要求。 16.单根V带额定功率P1：由下表查的P1=10.76KW表 D型单根普通V带的基本额定功率P1 17.时，单根V带额定功率增量：由下表查的表 单根普通V带时传动功率增加量 18.包角修正系数：由下表查的 表 包角修正系数 19.带长修正系数：有表 查的6. V带根数z：取整后，取z=2（根），且z2400）。 7.3视镜的选择当视镜需要斜装或设备直径较小时，则需用带劲视镜，不带劲的视镜结构简单，不易结料，便于窥视。我们此款发酵罐选用不带劲的视镜。视镜的直径为。 7.4无菌空气通风管设计无菌空气通风管作用是向机械搅拌发酵罐内吹入无菌空气，并使空气分布均匀。发酵罐的装料量为5m，设6分钟内排空