生物工程設(shè)備課程設(shè)計

1、1m3機械攪拌生物反應(yīng)器西南科技大學(xué)課程設(shè)計說明書題目: 1 M3機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐設(shè)計院 系： 生命學(xué)院 專業(yè)班級： 生物工程 姓名學(xué)號：李澎 20093457；王超20093469郝希超20093522；宋毅20093520陳霄20093524 指導(dǎo)教師： 黎先發(fā) 2012 年 7月 2 日 1 M3機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計任務(wù)書設(shè)計者姓名、學(xué)號：李澎 20093457；王超2009346；郝希超20093522；宋毅20093520；陳霄20093524班級：生物工程 組別：3指導(dǎo)老師姓名：黎先發(fā) 日期： 2012 年 7 月 2 日一、設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一臺機械攪拌通風(fēng)式生物反應(yīng)器二、設(shè)計參數(shù)

2、和技術(shù)特性指標(biāo)序號名稱指標(biāo)1工作壓力罐內(nèi)0.2MPa夾套（蛇管）內(nèi)0.3MPa2工作溫度罐內(nèi)121夾套（蛇管）內(nèi)<1503工作罐內(nèi)輕微腐蝕性物料介質(zhì)夾套內(nèi)（或蛇管）蒸汽 4組別123456789101112135裝料量（m3）0.10.411.8510152030405060706產(chǎn)物賴氨酸檸檬酸糖化酶谷氨酸纈氨酸賴氨酸檸檬酸糖化酶谷氨酸賴氨酸檸檬酸糖化酶谷氨酸7傳熱面積（m2）傳熱面積由夾套結(jié)構(gòu)確定，夾套高度不低于液位高度。8102432485056608攪拌器型式彎葉渦輪彎葉渦輪彎葉渦輪彎葉渦輪彎葉渦輪直葉渦輪直葉渦輪直葉渦輪直葉渦輪直葉渦輪組合組合組合9攪拌器轉(zhuǎn)速/rmp40035

3、025022021020020020019018017016016010攪拌功率（參考）0.723.55102028527072759010011其它四塊擋板，滿足全擋板條件12罐體材料16MnR建議：H/D取1.7-2.5；裝料系數(shù)取0.60.8；通風(fēng)管通風(fēng)比（通氣速率/發(fā)酵液體積）取0.50.9vvm 發(fā)酵液密度為1076kg/m3，最大粘度3×10-3N·s/m2；給出的攪拌功率為參考值，實際通風(fēng)攪拌功率需計算確定。初始水溫20.接管建議（推薦）：出料口 冷凝液出口 蒸汽進口 溫度計插口 視鏡 進料口 人孔 手孔 壓縮空氣入口Dg80 Dg30 Dg30 Dg70 D

4、g80 Dg50 400 100 50三、設(shè)計要求：1、機械攪拌生物反應(yīng)器機械計算及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成設(shè)計說明書。（1）進行罐體及夾套（或內(nèi)部蛇管）設(shè)計計算（2）進行攪拌裝置設(shè)計：攪拌器的選型設(shè)計；選擇軸承、聯(lián)軸器，罐內(nèi)攪拌軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，攪拌軸計算和校核；（3）傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算：盡可能采用V帶傳動，進行傳動系統(tǒng)方案設(shè)計；進行帶傳動設(shè)計計算； （4）密封裝置的選型設(shè)計（5）選擇支座形式并計算（6）手孔或人孔選型（7）選擇接管、管法蘭、設(shè)備法蘭（8）設(shè)計機架結(jié)構(gòu)（9）設(shè)計凸緣及安裝底蓋結(jié)構(gòu)（10）視鏡的選型設(shè)計2、繪制攪拌式生物反應(yīng)器裝配圖(3號圖紙)。學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)班級： 課程設(shè)計題

5、目： 指導(dǎo)教師評語： 成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日西南科技大學(xué)課程設(shè)計成績評定表1m3機械攪拌生物反應(yīng)器目錄1概述11.1發(fā)酵罐設(shè)計前景11.2 微生物生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用概述11.3 微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展22罐體的設(shè)計22.1罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計22.2罐體幾何尺寸的計算32.3 確定封頭的結(jié)構(gòu)尺寸42.4 罐體實際總體積與公稱容積42.5 確定罐內(nèi)發(fā)酵液高度42.6確定筒體的厚度42.7確定封頭的厚度52.8 罐體壓力試驗63換熱裝置設(shè)計63.1 夾套常用結(jié)構(gòu)形式63.2 夾套幾何尺寸計算73.3實際傳熱面積的計算73.4夾套的筒體厚度83.5 夾套壓力試驗（采用水壓試驗）：94 擋

6、板的尺寸計算94.1 擋板的寬度94.2 擋板與罐壁間間隙104.3擋板高度105攪拌器的設(shè)計105.1確定攪拌器的尺寸105.2 攪拌器功率116 消泡裝置127攪拌軸127.1攪拌軸的材料127.2攪拌軸的結(jié)構(gòu)127.3 攪拌軸強度校核計算137.4 攪拌軸的支承結(jié)構(gòu)137.5 攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核138 傳動軸149機架1510 密封裝置1611凸緣法蘭1612 安裝底蓋1613電機選用1713.1 電機功率1713.2 電機型號選定1814 減速器的類型選用與設(shè)計1914.1減速器類型及其選用1914.2 V帶減速器的設(shè)計計算1915 法蘭選擇2015.1容器法蘭2015.2管法蘭201

7、6發(fā)酵罐的其他附件2116.1進空氣管2116.2 手孔2116.3 支座2216.4 視鏡2316.5液面計2316.6 部分傳感器24設(shè)計結(jié)果匯總25參考文獻28設(shè)計心得29321概述1.1發(fā)酵罐設(shè)計前景生物反應(yīng)器是多學(xué)科交叉的生物技術(shù)領(lǐng)域，是21世紀(jì)生物工程發(fā)展的重要前沿之一。近年來，國內(nèi)外利用動物、植物和微生物生物反應(yīng)器生產(chǎn)蛋白藥物與其它重要產(chǎn)品的研究取得了令人矚目的進展，特別是功能基因的高效表達技術(shù)與方法研究有了許多新的突破，不少產(chǎn)品已進入研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段。生物反應(yīng)器（bioreactor）是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，其設(shè)計、放大是

8、生化反應(yīng)工程的中心內(nèi)容。從反應(yīng)過程上看，生物反應(yīng)器根據(jù)培養(yǎng)對象的不同可分為以下幾種。微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器。微生物反應(yīng)器是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設(shè)備，其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要求，保證和控制各種生化反應(yīng)條件，如溫度、壓力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促進微生物的新陳代謝，使之能在低消耗下獲得較高的產(chǎn)量。酶反應(yīng)器可分游離酶及固定化酶反應(yīng)器兩大類。細(xì)胞生物反應(yīng)器。動物細(xì)胞或植物愈傷組織培養(yǎng)條件苛刻，培養(yǎng)周期長，雜菌污染的危害性大，因此動植物細(xì)胞反應(yīng)器的設(shè)計遠(yuǎn)較微生物反應(yīng)器復(fù)雜。轉(zhuǎn)基因動植物生物反應(yīng)器。目前，動物生物反應(yīng)器中研究與應(yīng)用較多的是乳腺生物反應(yīng)器，該類反應(yīng)器基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)平臺，使源

9、基因?qū)雱游锘蚪M中并定位表達于動物乳腺，利用動物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白質(zhì)的能力，在動物的乳汁中生產(chǎn)一些具有重要價值的產(chǎn)品。植物生物反應(yīng)器主要是指利用轉(zhuǎn)基因植物來生產(chǎn)蛋白質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物等工程產(chǎn)品。1.2 微生物生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用概述微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器發(fā)展至今，已經(jīng)形成了多種類型：在操作方式上，間歇式、連續(xù)式和半間歇式均已得到研究和應(yīng)用 ；在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征上，目前已發(fā)展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等類型 ；在能量的輸入方式上，目前已發(fā)展了通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式、利用氣體噴射動能的氣升式和利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應(yīng)器等 ；在生物催化劑在反應(yīng)器中的分布

10、方式上，目前已發(fā)展了生物團塊反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器，其中生物團塊反應(yīng)器根據(jù)催化劑相態(tài)的不同又發(fā)展了填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤等多種型式的生物反應(yīng)器 ；在反應(yīng)器內(nèi)的流動和混合狀態(tài)上，目前生物反應(yīng)器已發(fā)展至全混流型生物反應(yīng)器和活塞流型生物反應(yīng)器。微生物反應(yīng)器的研究和開發(fā)需要經(jīng)歷三個階段 ：實驗室階段 微生物的篩選和培養(yǎng)基的研究，在搖瓶培養(yǎng)或1 3L 反應(yīng)器中進行 ；中試階段 5 500L 規(guī)模小型反應(yīng)器，環(huán)境因素最佳操作條件研究；工廠化規(guī)模生產(chǎn) 實驗生產(chǎn)至商業(yè)化生產(chǎn)，提供產(chǎn)品并獲得經(jīng)濟效益。酶反應(yīng)器和下述的細(xì)胞生物反應(yīng)器研究也同樣需要經(jīng)歷實驗室階段、中試階段和規(guī)模生產(chǎn)階段。在三個階段中，盡管生物反應(yīng)過

11、程相同，但規(guī)模的不同使反應(yīng)溶液的混合狀態(tài)、傳質(zhì)與傳熱速率等不盡相同，如何讓微生物、酶、細(xì)胞充分與外界接觸并完成生化過程，達到足夠高的反應(yīng)效率，在工藝上都會有許多新的困難。反應(yīng)器類型的多樣性和工藝的復(fù)雜性一方面提高了反應(yīng)器研究和應(yīng)用的難度，另一方面也給生物反應(yīng)器的研究和發(fā)展帶來了巨大的空間。例如，近年來，膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用不斷發(fā)展。1.3 微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展膜生物反應(yīng)器在污染處理中的應(yīng)用是近年來微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展的代表性技術(shù)之一。除此之外，結(jié)合數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化工工程原理、計算機等技術(shù)研究微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器中的生化過程，使其過程控制的工藝更為合理，而固液分

12、離技術(shù)（離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）、蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等）等下游技術(shù)的發(fā)展促進了生物反應(yīng)器設(shè)計水平的提高。另一方面，近年來基因工程技術(shù)等的發(fā)展推動了微生物反應(yīng)器研究的快速進步。例如，乙酸氧化脫硫單胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土桿菌科（Geobacteraceae）的電極還原微生物等細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)和改造與質(zhì)子交換膜（PEM）的技術(shù)進步，共同推動了微生物燃料電池（MFC）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。2 罐體的設(shè)計2.1罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計罐體由頂蓋、筒體和罐底組成，通過支座安裝在基礎(chǔ)或平臺上

13、，罐底通常采用橢圓形封頭，頂蓋在受壓狀態(tài)下操作，常選用橢圓形封頭，對直徑較小的種子罐，頂蓋可采用薄鋼板制造的平蓋，并在薄鋼板上加設(shè)型鋼制的橫梁，用以支撐攪拌器及其傳動裝置。頂蓋與罐底分別與筒體相連，罐底與筒體的連接采用焊接。筒體與頂蓋的連接形式分為可拆連接和不可拆連接，筒體內(nèi)徑D11200mm，宜采用可拆的法蘭連接，常采用甲型平焊法蘭連接。大型發(fā)酵罐一般采用焊接連接。2.2罐體幾何尺寸的計算設(shè)計條件給出的是發(fā)酵罐的裝料量是1m3。為了提高空氣利用率，假設(shè)罐的高徑比為2，即H/D取2；裝料系數(shù)取0.75。故罐體的全體積為V全=1.33m3發(fā)酵罐是由圓柱形筒體和上、下橢圓形封頭組成。)m(1.33

14、 V2VV3=+=封筒全又)m(1.33D6h2D2D4V2VV32=úûùêëé÷øöçèæp+p=+=封筒全 橢圓形封頭的直邊高度先忽略不計，以方便計算。)m(1.332D24D2D785.0V2VV332=´p+´=+=封筒全解方程得：D=0.88m=880mm，由此取公稱直徑D=900mm，則發(fā)酵罐的高度H=2D=1800mm圓柱部份容積V筒為：)m(1151.85785.0D2D785.0V322=´´=´=筒 上、

15、下封頭體積V封為： 全容積驗算：V全=V筒+2V封=1.15+2符合設(shè)計要求，可行。2.3 確定封頭的結(jié)構(gòu)尺寸查得當(dāng)直徑D1=900mm時，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭曲面高度ha= D1/4=225mm，直邊高度hb=25mm，內(nèi)表面積F封=0.945m2，容積Vb=0.112m3，質(zhì)量為22.5kg。2.4 罐體實際總體積與公稱容積罐體實際總體積：VT=4D12H+2Vb=3.144×0.92×3+2×0.112=1.37m3 罐體的公稱容積： V公=V封+V筒=4D12H+Vb=1.27m32.5 確定罐內(nèi)發(fā)酵液高度已知裝料系數(shù)=0.75，則罐內(nèi)發(fā)酵液高度HL滿足下式：V

16、料=4D12HL+Vb7=3.144×0.92×HL+0.112解得HL=1.39m取罐內(nèi)發(fā)酵液高度HL=1.4m=1400mm2.6確定筒體的厚度根據(jù)工藝條件，罐體材料選取為標(biāo)準(zhǔn)是GB5618的16MnR低合金鋼板，工作溫度罐內(nèi)121，夾套溫度<150，查表可得罐體材料在設(shè)計溫度下的許用壓力=170MPa。采用雙面焊接技術(shù)，焊接系數(shù)= 0.8。又罐內(nèi)工作壓力0.2Mpa；最高工作壓力為0.2Mpa，取設(shè)計壓力等于最高工作壓力的1.1倍,設(shè)計壓力為P設(shè)=0.2×1.1=0.22Mpa，罐體內(nèi)徑D1=900mm；罐內(nèi)介質(zhì)為輕微腐蝕性物料，取腐蝕裕度C=3mm。

17、則筒體厚度其中td設(shè)計厚度，mm；p為設(shè)計壓力，MPa；D1為薄壁圓筒內(nèi)徑,mm；材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa設(shè)計壓力為0.22Mpa，帶入上式計算得： =0.66 mm根據(jù)容器最小壁厚的規(guī)定，最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕度另加。查表1-2常用鋼板厚度負(fù)偏差C1值，取鋼板厚度負(fù)偏差C1為0.25 mm。取腐蝕裕度為C2=3mm所以筒體的設(shè)計厚度為：td=t+ C1+ C2 =0.66+0.25+3=3. 91mm。圓整后取筒體的名義厚度為td=4mm。2.7確定封頭的厚度對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭k=1：計算得 =0.66 mm同理，根據(jù)容器最小壁厚的規(guī)定，最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕度另加

18、。查表1-2常用鋼板厚度負(fù)偏差C1值，取鋼板厚度負(fù)偏差C1為0.25 mm。取腐蝕裕度為C2=3mm所以封頭的設(shè)計厚度為：td=t+ C1+ C2 =0.66+0.25+3=3.91 mm。圓整后取封頭的名義厚度為td=4mm。對于下封頭，要考慮液體靜壓力。因為罐內(nèi)發(fā)酵液高度為1400mm，而下封頭高度為225mm，故液體總高為1625mm。則筒體部分靜壓力為：= 由上述計算可知，筒體部分靜壓力大于的，故要計為設(shè)計壓力以內(nèi)。故P下=0.22+0.017=0.037MPa。同理：計算得 =0.74 mm同理，根據(jù)容器最小壁厚的規(guī)定，最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕度另加。查表1-2常用鋼板厚度負(fù)偏

19、差C1值，取鋼板厚度負(fù)偏差C1為0.25 mm。取腐蝕裕度為C2=3mm所以封頭的設(shè)計厚度為：td=t+ C1+ C2 =0.74+0.25+3=3.99 mm。圓整后取封頭的名義厚度為td=4mm。2.8 罐體壓力試驗采用水壓試驗，試驗壓力公式為：其中：為實驗溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa； t為設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。設(shè)計溫度為121，此時材料的許用應(yīng)力t=170 MPa；假設(shè)實驗溫度為150，查表，此時材料的許用應(yīng)力=170 MPa。試驗壓力為：試驗壓力下圓筒中的應(yīng)力為： 查材料的屈服點強度s=345MPa，0.9 s，則壓力試驗強度足夠，罐體厚度滿足要求。3換熱裝置設(shè)計換熱方式

20、優(yōu)先采用夾套換熱，當(dāng)夾套傳熱面積難以滿足工藝溫度的要求時，采用內(nèi)蛇管或列管換熱，對特別大型的發(fā)酵管可能采用外部夾套和內(nèi)部蛇管或列管聯(lián)合換熱。根據(jù)工藝要求，本設(shè)計采用不可拆卸的夾套換熱裝置。3.1 夾套常用結(jié)構(gòu)形式本設(shè)計采用（a）這種結(jié)構(gòu)形式3.2 夾套幾何尺寸計算夾套的內(nèi)徑D2可根據(jù)筒體內(nèi)徑D1，按經(jīng)驗選?。炈悖?。表 夾套內(nèi)徑D2 mmD1500-600700-18002000-3000D2D1+50D1+100D1+200筒體內(nèi)徑D1=1500mm，則夾套內(nèi)徑：D2=D1+100=900+100=1000mm夾套高度H2由傳熱面積確定，高度不低于料液高度。夾套高度Hj：Hj>HL因為

21、HL=1400mm取Hj=1450mm3.3實際傳熱面積的計算由上表可取最大發(fā)酵熱18800(kJ/·h)單位時間傳熱量發(fā)酵熱×裝料量即：Q= Q發(fā)×V=18800×1=18800KJ/h進水溫度為200C，出水溫度為280C冷卻水的消耗量：=561.4 (kg/h)冷卻水的平均比熱為4.186 kJ/（kg·0C）=330C= 0.88×103 kJ/(M2 ·h·)所以夾套所包圍的罐體表面積即為實際傳熱面積A：A=F筒=D1Hj=3.14×0.9×1.45=4.1m2>A=2.6m2所

22、以設(shè)計是合理的。3.4夾套的筒體厚度根據(jù)工藝條件，罐體材料選取為標(biāo)準(zhǔn)是GB664的16MnR低合金鋼板，工作溫度罐內(nèi)121，夾套溫度<150，查表可得罐體材料在設(shè)計溫度下的許用壓力=170MPa。采用雙面焊接技術(shù)，焊接系數(shù)= 0.8。又夾套內(nèi)工作壓力0.3Mpa；最高工作壓力為0.3Mpa，取設(shè)計壓力等于最高工作壓力的1.1倍,設(shè)計壓力為P設(shè)=0.3×1.1=0.33Mpa，罐體內(nèi)徑D1=1000mm；罐內(nèi)介質(zhì)為輕微腐蝕性物料，取腐蝕裕度C=3mm。則筒體厚度其中td設(shè)計厚度，mm；p為設(shè)計壓力，MPa；D1為薄壁圓筒內(nèi)徑,mm；材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa設(shè)計壓力為0.

23、22Mpa，帶入上式計算得： =1.215 mm根據(jù)容器最小壁厚的規(guī)定，最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕度另加。查表1-2常用鋼板厚度負(fù)偏差C1值，取鋼板厚度負(fù)偏差C1為0.25 mm。取腐蝕裕度為C2=3mm所以筒體的設(shè)計厚度為：td=t+ C1+ C2 =1.215+0.25+3=4.465mm。圓整后取筒體的名義厚度為td=6mm。3.5 夾套壓力試驗（采用水壓試驗）： 設(shè)計溫度為150，此時材料的許用應(yīng)力t=170 MPa；假設(shè)實驗溫度為120，查表，此時材料的許用應(yīng)力=170 MPa。試驗壓力為：試驗壓力下圓筒中的應(yīng)力為：查材料的屈服點強度s=345MPa，0.9 s，則壓力試驗強度足

24、夠，罐體厚度滿足要求。4 擋板的尺寸計算發(fā)酵罐內(nèi)裝設(shè)擋板的作用是防止液面中央形成漩渦流動，增強其湍動和溶氧傳質(zhì)。通常，設(shè)46塊擋板，其寬度為0.10.2D。則可以達到全擋板條件。全擋板條件必須滿足如下條件：bDn=0.10.2DDn=0.5式中 D發(fā)酵罐內(nèi)徑，mm； b擋板寬度，mm；、 n擋板數(shù)4.1 擋板的寬度根據(jù)設(shè)計要求，四塊擋板，滿足全擋板條件：則擋板寬度：bD1n=（b900）×4=0.5解得擋板寬度b=112.5mm。4.2 擋板與罐壁間間隙為防止出現(xiàn)死角，擋板與罐壁間通常會留出一條間隙，其寬度為（1815）D。擋板與罐壁間間隙取D18=9008=112.5mm。4.3擋

25、板高度擋板上緣一般與攪拌容器內(nèi)的液面齊平，當(dāng)液面上有輕質(zhì)易浮而不易潤濕的固體物料時，擋板上緣可低于液面100150mm，這樣可形成漩渦，潤濕固體物料。擋板下緣一般與攪拌容器底封頭的切線齊平。如希望將攪拌容器底部介質(zhì)中的較重物料沉降分離出來，則可將擋板下緣設(shè)置得高于攪拌器，從而使容器底部維持水平回轉(zhuǎn)流，以有利于較重物料的沉降。本設(shè)計液面高度HL=2400mm，適當(dāng)使擋板上緣可低于液面，則擋板高度H擋=1400-100=1300mm。5攪拌器的設(shè)計5.1確定攪拌器的尺寸一般情況下，攪拌器結(jié)構(gòu)型式的選用應(yīng)滿足下列基本要求:保證物料的有效棍合，消耗最少的功率，所需費用最低，操作方便，易于制造和維修。根

26、據(jù)設(shè)計要求，攪拌器的材料選擇用45號鋼，穩(wěn)定耐用。攪拌轉(zhuǎn)速為250 rpm，攪拌器型式選用彎葉渦輪型。同時考慮更好的滿足溶氧要求，最終選用后六彎葉圓盤渦輪。攪拌器直徑di的計算取diD1=0.3，則攪拌器直徑：di=0.3×900=300mm扇葉的長度l和寬度b的計算dilb=2054扇葉的長度l=520×300=75mm。扇葉的寬度b=420×300=600mm。扇葉數(shù)Z=6。扇葉后彎角度=45°，無斜角。攪拌器離發(fā)酵罐低端距離h=di=300mm渦輪式為快速型，快速型攪拌器一般在時設(shè)置多層攪拌器，且相鄰攪拌器間距不小于葉輪直徑Di。液面高度H=1.4

27、m，最上層葉輪高度離液面至少要有1.5Di的深度為：h =1.5Di=1.5×0.3=0.45 m當(dāng)攪拌葉輪間距為s>Di時H-h-（C-0.25D)=1.4-0.45-（0.3-0.225）=0.8750.875/0.33攪拌器的安裝層數(shù):設(shè)計為三層槳葉。為防止底部有沉淀，將底層葉輪放置低些，離底層高度為C=0.3m，上層葉輪高度離液面h=0.45 m的深度。液層總高為1.4+0.225=1.625m則兩個攪拌器間距為0.438m，該值也大于于葉輪直徑，故符合要求，所以取三層。5.2 攪拌器功率根據(jù)設(shè)計要求，攪拌轉(zhuǎn)速N=250rpm=3.5rps。發(fā)酵液密度為1076kg/m

28、3，設(shè)粘度=3×10-3PaS,則雷諾準(zhǔn)數(shù)為Rem=di2N=0.32×250603×10762×10-31.34×103因為Rem>10-4，屬湍流狀態(tài)，查表，六彎葉圓盤渦輪攪拌器的K=4.8，所以單層攪拌功率P=KN3di5=4.7×250603×0.35×1076=0.89kW實際比例尺寸D1di*=900300=3，（HLdi）*=1400300=4.7，則P*=13D1di*HLdi*×P=13×3×4.7×0.891.11kW雙層攪拌器時的攪拌功率Pm=P*

29、0.4+0.6m=1.11×0.4+0.6×3=2.4kW以上是不通風(fēng)時攪拌功率的計算。通風(fēng)時攪拌器的軸功率消耗降低，其降低程度與通風(fēng)量Qgm3min及液體翻動量Q1（m3min）（Q1Nd3）等因素有關(guān)。根據(jù)設(shè)計要求，通風(fēng)管通風(fēng)比為0.50.9vvm，取0.5vvm，則通風(fēng)量Qg=0.5×VL=0.5××VT=0.9×0.75×1.37=0.925m3min=0.015m3s則通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)NaNa=QgNdi3=0.01525060×0.33=0.133>0.035則通風(fēng)事攪拌功率PgPg=Pm0.62-1.8

30、5×Na=2.4×0.62-1.85×0.133=0.79kW6 消泡裝置發(fā)酵液中含蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)，故在通氣攪拌條件下會產(chǎn)生泡沫，發(fā)泡嚴(yán)重時會使發(fā)酵液隨排氣而外溢，造成跑料，且增加感染雜菌機會。在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方式，一是加入化學(xué)消泡劑，二是使用機械消泡裝置。通常，是把上述兩種方法聯(lián)合使用。最簡單實用的消泡裝置為耙式消泡器，可以直接安裝在攪拌軸上。取耙式消泡器直徑400mm。耙式消泡器的齒底部應(yīng)比發(fā)酵液高出適當(dāng)高度，由于液面高度為1400mm，故可取安裝高度為1550mm，位于液面以上150mm處。7攪拌軸7.1攪拌軸的材料常用45號鋼，有防腐或防污染物

31、料等要求較高的場合，應(yīng)采用不銹耐酸鋼。7.2攪拌軸的結(jié)構(gòu)常用實心或空心直軸，結(jié)構(gòu)型式根據(jù)軸上安裝攪拌器類型、支承的結(jié)構(gòu)和數(shù)量，以及與聯(lián)軸器的連接要求而定，還要考慮腐蝕等因素的影響。連接槳式和框式攪拌器的軸頭較簡單，因用螺栓對夾，所以用光軸即可；連接推進式和渦輪式攪拌器的軸頭需車削臺肩，開鍵槽，軸端還要車螺紋。較長的攪拌軸，為加工和安裝的方便，常分段制造后用聯(lián)軸器連接起來。安裝攪拌器部分稱攪拌軸，與減速器輸出軸相聯(lián)的軸稱傳動軸，與聯(lián)軸器配合的軸頭部分，按聯(lián)軸器的要求而定。7.3 攪拌軸強度校核計算攪拌軸的特點是細(xì)長,安裝在軸的最遠(yuǎn)端,軸經(jīng)常受到的載荷是扭轉(zhuǎn)載荷彎曲載荷和軸向載荷等組成的合成載荷。

32、計算比較復(fù)雜。工程實際中常采用近似的方法進行強度計算，假定軸只承受扭矩的作用，然后用增加安全系數(shù)以降低材料的許用應(yīng)力，彌補由于忽略彎曲載荷引起的誤差。攪拌軸的直徑可按下式估算： =（118107）=22.8025.13mm所以取攪拌軸直徑為40mm式中：P為軸傳遞的功率，kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；A為隨許用剪應(yīng)力 變化的系數(shù)；可查手冊選取，；為軸材料的許用剪切應(yīng)力，Mpa。7.4 攪拌軸的支承結(jié)構(gòu)一般攪拌軸可可依靠減速器內(nèi)的一對軸承支承。當(dāng)攪拌軸較長時，軸的剛度條件變壞。為保證攪拌軸懸臂穩(wěn)定性，軸的懸臂L1、軸徑d和兩軸承間距B應(yīng)滿足系列關(guān)系：L1/B45；L1/d4050。若軸封能起支

33、承作用，式中B算至軸封處，當(dāng)d的裕量較大和軸轉(zhuǎn)速較低，L1/B及L1/d取偏大值，否則取偏小值。攪拌軸的支撐常采用滾動軸承。攪拌軸的滾動軸承通常根據(jù)轉(zhuǎn)速、載荷的大小及軸徑d選擇，高轉(zhuǎn)速、輕載荷可選用角接觸球軸承；低速、重載荷可選用圓錐滾子軸承。7.5 攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸上裝有攪拌器，往往由于結(jié)構(gòu)不對稱、加工安裝有誤差等原因，使回轉(zhuǎn)中心離開軸線而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)離心力，使軸受到周期性載荷干擾。當(dāng)周期載荷的頻率與攪拌軸的自然頻率接近時，軸便發(fā)生劇烈振動，這種現(xiàn)象稱為軸的共振。產(chǎn)生共振時，攪拌軸的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。攪拌器的轉(zhuǎn)速n200轉(zhuǎn)/分時，都應(yīng)作臨界轉(zhuǎn)速校核，一般攪拌周常設(shè)計呈剛性軸，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（引用出處：攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速分析 葉 林 尹清珍 陳樹新.化 工 設(shè) 備 設(shè) 計. 1997 年第 3 4 卷）所以設(shè)計合理8 傳動軸選用ASC型（即機架型式為A，釜內(nèi)聯(lián)軸器為凸緣C，傳動軸安裝型式為上裝S）。如下圖：可以取傳動軸軸徑等于攪拌軸軸徑，即為40mm。根據(jù)上表，可以查得：傳動軸上端軸徑d1=30mm；釜內(nèi)軸長L=250mm；下端軸徑=35mm（采用的是凸緣聯(lián)軸器）；攪拌軸根據(jù)前的

35、設(shè)計，攪拌軸的直徑為30mm， 9機架本設(shè)計設(shè)置了底軸承，可選用單支點機架。根據(jù)傳動軸軸徑為40mm，選用A型機架公稱直徑為200mm。其它尺寸主要為：D1=245mm，D2=295mm，D3=340mm，D4=330mm，D5=360mm，H=575mm，H1=220mm，軸承型號為46208，質(zhì)量為44kg。根據(jù)機架公稱直徑為200mm，且為A型，確定單支點機架的支點軸承位置及減速機輸出軸側(cè)軸承間的間距L為405mm。10 密封裝置軸封是機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的一個重要組成部分，其任務(wù)是保證反應(yīng)器處于正壓操作，防止發(fā)酵液泄露和污染雜菌。發(fā)酵罐軸封屬于動密封，軸封要求較高，因此一般采用機械密封（

36、下伸軸為單端面，上伸軸采用雙端面）。機械密封分為平衡型和非平衡型兩大類，常用的機械密封裝置已有標(biāo)準(zhǔn)系列，可根據(jù)要求直接選用。本設(shè)計確定采用雙端面機械軸封，選用2008型雙端面機械軸封。根據(jù)其軸徑為40mm，查得 其主要尺寸為：D1=175mm D2=145mm D3=110mm，L1不大于135mm。根據(jù)設(shè)計，物料為一般介質(zhì)，得出雙端面機械軸封的材料組合。介質(zhì)側(cè)：旋轉(zhuǎn)環(huán)為石墨浸漬樹脂；靜止環(huán)為碳化鎢；輔助密封環(huán)為氟橡膠。大氣側(cè)同介質(zhì)側(cè)一樣。11凸緣法蘭凸緣法蘭一般焊接于發(fā)酵罐上封頭上，用于連接攪拌傳動裝置，也可兼作安裝、檢修、檢查用孔。凸緣法蘭分整體和襯里兩種結(jié)構(gòu)形式，密封面分為凸面（R）和凹

37、面（M）兩種。選用R型凸緣法蘭，公稱直徑DN=200mm， 其主要尺寸為d1=200mm，d2=340mm，d3=230mm，d4=245mm，d6=266mm，K=295mm，h1=34mm，h2=65mm，h3=3mm，h4=4mm。其質(zhì)量為19kg。12 安裝底蓋安裝底蓋采用螺栓等緊固件，上與機架相連，下與凸緣法蘭連接，是整個攪拌傳動裝置與容器連接的主要連接件。由已選定凸緣法蘭的型式（R型為：整體結(jié)構(gòu)，突面密封面）和傳動軸的安裝型式（S：上裝），按下表可以確定底蓋安裝型式為：RS型。裝配如下圖：安裝底蓋的公稱直徑與凸緣法蘭的公稱直徑相同。形式選取時，應(yīng)與凸緣法蘭的密封面配合（凸面配凸面，

38、凹面配凹面）。根據(jù)之前設(shè)計，機架公稱直徑為200mm，R型凸緣法蘭公稱直徑200mm，則選用安裝底蓋公稱直徑為200mm，同時傳動軸軸徑為40mm，參閱上表選取R型凸緣法蘭其它主要尺寸。13電機選用發(fā)酵設(shè)備的攪拌裝置選用電機，主要是確定電機功率、轉(zhuǎn)速、型號以及安裝形式和防爆要求等內(nèi)容。最常用的為Y系列全封閉自扇式三相異步電動機，當(dāng)有防爆要求時，可選用YB系列。13.1 電機功率電動機功率必須同時滿足攪拌器運轉(zhuǎn)及傳動裝置和密封系統(tǒng)功率損耗的要求。其中攪拌軸功率以不通氣時為準(zhǔn)。P=Pm+PT式中 P：電機功率，kW；Pm：攪拌軸功率，kW；PT：軸封摩擦損失功率，kW；:傳動系統(tǒng)的效率。本設(shè)計采用

39、的雙端面機械密封：功率損耗近似值PT=2.4d01.2×10-3=2.4×401.2×10-3=0.192kw（式中d0為設(shè)計最終確定的密封部位實心軸軸徑，此處為40mm）。傳動裝置選用V帶減少器，其效率=0.95。電機功率P:P=Pm+PT=1.8+0.1070.95=2.73kW13.2 電機型號選定由于設(shè)計功率為2.73kw，所以選定電機型號Y112m-4。該型電機額定功率為4.0kW，滿載時輸出效率84.5%，則其最大輸出功率4.0×84.5%=3.38kW2.73kW,滿足要求。查得其轉(zhuǎn)速為1440r/min，重量為47kg。14 減速器的類型

40、選用與設(shè)計14.1減速器類型及其選用減速器的類型主要有：兩級齒輪傳動減速器、三角皮帶減速器、擺線針齒行星減速器、蝸桿傳動減速器和諧波減速器。V帶減速器在機械通風(fēng)發(fā)酵罐使用頻率很高，按截面形狀，傳動帶可分為：平帶、形帶（又稱三角帶）、圓形帶等類型，普通V形帶的工作面是兩側(cè)面，與平帶相比，由于截面的楔形效應(yīng)，其摩擦力較大，所以能傳遞較大的功率。普通形帶無接頭，傳動平穩(wěn)，應(yīng)用最廣泛。故在本設(shè)計中選用V帶減速器。V帶減速器的特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價格低廉，能防止過載，噪音小，但不適用于防爆場合。14.2 V帶減速器的設(shè)計計算減速器的設(shè)計重點是V帶輪的設(shè)計以及普通V帶的截面形狀、尺寸及設(shè)計計算。步驟

41、設(shè)計項目單位公式及數(shù)據(jù)備注1傳動的額定功率PkW4已知電機功率2小皮帶輪轉(zhuǎn)速n1rpm1440已知電機轉(zhuǎn)速3大皮帶輪轉(zhuǎn)速n2rpm250已知攪拌器轉(zhuǎn)速6選V帶型號根據(jù)pD和n1選區(qū)Z型帶查化工機械設(shè)備基礎(chǔ)7速比iI=n1/n2=1440/250=5.76計算8小皮帶輪計算直徑d1mm70按參考文獻初選9驗算帶速vm/s在兩者之間Vmax=2530m/xVmin=5m/s10滑動率0.02選取11大皮帶輪計算直徑d2mmd2=id1(1-)=5.76×70×（1-0.02）=392.4圓整為400圓整按照GB/T 10412-2002圓整12初定中心距a0mm0.7（d1+d

42、2）<a0<2(d1+d2)，取350mm13單根V帶額定功率P1Kw1.26有參考文獻1表13-7選取14i1時，單根V帶額定功率增加量P1Kw0.09有參考文獻1表13-8選取15包角修正系數(shù)0.93有參考文獻1表13-5選取16帶長修正系數(shù)1.13有參考文獻1表13-6選取17V帶根數(shù)zZ=PdP1+P1Km·KLZ=41.26+0.090.93×1.13取z=3計算后圓整通過上面計算，選定小皮帶輪直徑70mm，大皮帶輪直徑400mm。修改中心距為350mm。15 法蘭選擇15.1容器法蘭壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭兩類。平焊法蘭分甲型和乙型兩種，其中

43、甲型平焊法蘭使用最廣泛。壓力容器法蘭的公稱直徑與壓力容器的公稱直徑取同一系列值，由于容器公稱直徑為900mm，應(yīng)當(dāng)配用DN900的壓力容器法蘭。根據(jù)設(shè)計，采用甲型平焊法蘭。差得DN900的壓力容器法蘭的主要尺寸為：D=1050mm，D1=980mm，D2=950mm，D3=940mm，D4=937mm，d=18mm，=40mm。15.2管法蘭接管與管法蘭是用來與管道或其他設(shè)備連接的。標(biāo)準(zhǔn)管法蘭的主要參數(shù)是公稱通徑（DN）和公稱壓力（PN）。接管的伸出長度一般為從法蘭密封面到殼體外徑為150mm。管法蘭分為：板式平焊法蘭（PN）、帶頸平焊法蘭（SO）、帶頸對焊法蘭（WN）等，法蘭密封面形式主要有

44、突面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）種，本設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)突面（RF）板式平焊鋼制管法蘭。 接管管徑：出料口： 80mm管徑89×4.5mm ，K=190mm,D=190mm，C=18mm，B=91mm，L=18mm蒸汽出口：32mm管徑38×3mm， K=90mm,D=120mm，C=16mm，B=39mm，L=14mm蒸汽進口：32mm管徑38×3mm，K=90mm,D=120mm，C=16mm，B=39mm，L=14mm進料口 ：50mm管徑57×3.5mm，K=110mm,D=140mm，C=16mm，B=59mm，L=14mm壓縮空氣入口

45、：50mm管徑57×3.5mm，K=110mm,D=140mm，C=16mm，B=59mm，L=14mm補料口 ：32mm管徑38×3mm，K=90mm,D=120mm，C=16mm，B=39mm，L=14mm16發(fā)酵罐的其他附件16.1進空氣管 本設(shè)計采用單管式進空氣管。已知培養(yǎng)液為，取通風(fēng)比（空氣流量與發(fā)酵液體積之比）為0.5，發(fā)酵溫度為33c,無菌壓縮空氣條件為：壓力為0.22Mpa=2.2kg/m3,溫度為45°C.空氣流量：Qg=1×0.5=0.5m/min壓縮空氣流量： V=0.5××=0.243(m/min)通風(fēng)管內(nèi)壓縮

46、空氣流速為10m/s,則管徑為： （m）選用323.5的無縫鋼管。16.2 手孔手孔直徑一般為150250mm，應(yīng)使工人帶上手套并握有工具的手能方便通過。當(dāng)設(shè)備的直徑大于900mm時，應(yīng)開設(shè)人孔。由于所設(shè)計罐體直徑為900mm，開設(shè)人孔的話沒有余量，故設(shè)手孔比較合適。 根據(jù)設(shè)計要求：p=0.22Mpa，所以選用公稱壓力為1.0Mpa，公稱直徑為250mm的凸面（RF）型手孔。其主要尺寸為：公稱直徑為250mm，dw×S=273×8，D=395 mm，D1=350mm，b=26mm，b1=23mm，b2=26mm，H1=190mm，H2=92mm，質(zhì)量為49.3kg。16.3

47、 支座機械攪拌反應(yīng)器一般為立式安裝，最常用的支座為耳式支座（JB/T4725-29），分為A型和B型兩種。當(dāng)設(shè)備需要保溫或直接支承在樓板上時，選B型，否則選A型。本設(shè)計為夾套設(shè)計，故選用B型耳式支座。每臺反應(yīng)器常用4個支座，但作承重計算時，考慮到安裝誤差造成的受力情況變壞，應(yīng)按兩個支座計算。如果不考慮動載荷，支座承受的總重量為設(shè)備的總重量及工作介質(zhì)及冷卻介質(zhì)的總重量之和。發(fā)酵液質(zhì)量：1076kg罐體圓筒質(zhì)量：1.8×0.9×3.14×0.006×7850=239.6kg罐體封頭質(zhì)量：2×22.5kg=45kg夾套圓筒質(zhì)量：1.45×1

48、.0×3.14×0.006×7850=214.4kg夾套封頭質(zhì)量：27.4kg攪拌器質(zhì)量：約為1.8×2=3.6kg傳動軸質(zhì)量：約為12.5kg聯(lián)軸器質(zhì)量：帶短節(jié)聯(lián)軸器7.5kg, GT型凸緣聯(lián)軸器 約9.6kgR型凸緣法蘭質(zhì)量：19kgRS型安裝底蓋質(zhì)量：約21.5kg機架質(zhì)量：44kg電機質(zhì)量：47kg手孔質(zhì)量：49.3kg其它設(shè)施：估計40kg總質(zhì)量：約為2000kg總載荷Q=2000×10=20kN按兩個支座計算，則單個支座應(yīng)載荷10kN，參閱上表，應(yīng)選用允許載荷Q=10kN的支座。支座尺寸參閱上表B型耳式支座的相關(guān)尺寸。16.4 視鏡

49、視鏡主要用來觀察反應(yīng)器內(nèi)物料及其反應(yīng)情況，也可作液面指示鏡。一般成對使用。 帶燈有頸視鏡1-視鏡玻璃 2-襯墊 3-有頸接緣 4-壓緊環(huán) 5-雙頭螺栓 6-蓋形螺母 7-視燈鏡帶燈有頸視鏡主要尺寸選用公稱直徑為100mm，D=180mm的帶燈有頸視鏡。其它尺寸參閱上表。16.5液面計液面計的簡化畫法裝配圖中帶有兩個接管的液面計的畫法（a)，帶有兩組或兩組以上的液面計畫法(b)。16.6 部分傳感器溫度計：裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，D=100mm，開在罐身上；壓力表：彈簧管壓力表，d1=20mm，精度1.6，型號Y-250，開在封頭上。溶氧探頭：SE-N-DO-F。pH探頭：PHS-2

50、型。設(shè)計結(jié)果匯總項目結(jié)果罐體公稱體積/m³127工作壓力0.2MPa工作溫度121工作介質(zhì)輕微腐蝕性材料全體積/m³1.37罐體內(nèi)徑/mm900筒體高度/mm1800H/D2筒體壁厚/mm4封頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭封頭內(nèi)徑/mm900封頭壁厚/mm4焊接方式雙面焊預(yù)計液面高度/mm1400材料16MnR換熱裝置裝置類型夾套式與釜體連接形式不可拆卸工作壓力0.3MPa工作溫度150工作介質(zhì)蒸汽夾套內(nèi)徑/mm1000夾套高度/mm1450筒體壁厚/mm6封頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭封頭內(nèi)徑/mm1000封頭壁厚/mm6焊接方式雙面焊實際傳熱面積/m24.1材料16MnR擋板擋板數(shù)量4寬度/

51、mm112.5與罐壁間間隙/mm112.5高度/mm1300攪拌裝置攪拌轉(zhuǎn)速/rpm250攪拌裝置攪拌器類型六彎葉圓盤渦輪攪拌器直徑/mm300層數(shù)3安裝高度（距罐底）/mm300間距/mm438消泡裝置類型耙式消泡器直徑/mm400攪拌軸軸功率/kW1.8軸徑/mm40材料45鋼傳動軸類型ASC型軸徑/mm40密封裝置類型2008型雙端面機械軸封適用軸徑/mm40凸緣法蘭類型R型凸緣法蘭公稱直徑/mm200安裝底蓋類型RS型公稱直徑/mm200機架類型A型單支點機架公稱直徑/mm300電機類型Y112m-4額定功率/kW4.0效率/%84.5%減速器類型V帶傳動減速機小皮帶輪直徑/mm70大

52、皮帶輪直徑/mm400中心距/mm350輸出軸軸徑/mm30手孔類型突面（RF型）手孔公稱直徑/mm250支座類型B型耳式支座允許載荷/kN10數(shù)量4選用標(biāo)準(zhǔn)JB/T4725-29視鏡類型帶燈有頸視鏡數(shù)量2公稱直徑/mm100傳感器溫度計型號Pt100型熱電阻溫度傳感器壓力表型號Y-250彈簧管壓力表溶氧探頭型號SE-N-DO-FpH探頭型號PHS-2型接管進料口規(guī)格57×3.5mm補料口規(guī)格38×3mm出料口規(guī)格89×4.5mm蒸汽進口規(guī)格38×3mm蒸汽出口規(guī)格38×3mm壓縮空氣入口規(guī)格32×3.5mm管法蘭類型標(biāo)準(zhǔn)突面板式平焊法蘭（PN）尺寸適用標(biāo)準(zhǔn)HG20593-97容器法蘭類型甲型平焊法蘭尺寸DN900參考文獻1 鄭津洋、董其伍、桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.82 賀匡國.化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊（第二版），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.83 潘永亮.化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，北京：科學(xué)出版社（第二版），2007.24 董大勤.壓力容器與化工設(shè)備實用手冊（上冊），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.35 曲文海.壓力容器與化工設(shè)備實用手冊（下冊），北京：化學(xué)工業(yè)出