发酵罐设计

食品工厂机械与设备课程设计（装料量5 m 3机械搅拌发酵罐设计）设计小组：第19组组长：林挺（20103302组员：高鑫培（20103296李瑞轩（20103299）李亮（20103298）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目录一、设计任务2二、设计要求3三、概述3四、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8五、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12六、传动装置的设计146.1 电动机选型156.2 减速器选型166.3 联轴器选型20七、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 m 3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W0.3Mpa夹套（蛇管） 内W0.5Mpa工作温度罐内W121C夹套（蛇管） 内150C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，夹套咼度不低于液位咼 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，至少应装四块挡板（根据需要设置）。罐体材料16MnH/D装料系 数n罐内料 液密度1.0 1.30.7 0.91076Kg/m3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Dg80Dg57Dg30Dg70Dg80Dg50400100二、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；（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酵母、饲料酵母、活性干酵母、液体曲、谷 氨酸、柠檬酸、抗生素、维生素、酶制剂、食用醋、赖氨酸等。机械搅拌发酵罐 其实就是一种生物反应器，生物反应器是指为活细胞或酶提供适宜的反应环境， 让他们进行细胞增殖或生产的装置系统。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。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耳二0.8,已知装料量V二V耳二5m30总可得设备总容积V= = 6.25m 3总耳 0.8对于机械搅拌发酵罐，取高径比为HID二2初选筒体直径取D=1500mm,查手册D = 1500mm的标准椭圆形封头的封头容积为 V 二 0.513m3，则公称容积 V = 6.25-0.513 = 5.737m3b估算筒体的内径D=1540mm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=1.767m 3,表面 积 F1=4.71m3V - VbV15.737 - 0.6171.767=2.897 m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 林 查表16MnR钢。b =510MPa，查表得厚度6 16mm设计温度121 C的许应 力为170MPa。选取筒体内设计压力P二1.1P二1.1x0.3二0.33MPa，同时还需判max断是否需要考虑液体静压力：V -V二一0bV15 - 0.5131.767=2.539mP物料 竹斗二1076X98X2539二027MPa，超过设计压力的5%，应计算在内P 二 P + P 二 0.357MPa内 物料筒体的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数0二0.8 opD0.357x1500t = 1.97 mmd 2In .10 - p 2 x 170 x 0.8 - 0.357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t = 3mm d设钢板厚度在4.55.5mm，则取负偏差c = 0.2mm双面腐蚀度c二2 mm12c = c + c = 2.2 mm12pD-p+ c = 3 + 2.2 = 5.2mm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t上 = 2心5 p对标准椭圆形封头K=1lx 0.33 x 1500I_ 2 x 170 x 0.8 - 0.5 x 0.33 _负偏差c = 0.2上封头由于外无夹套，故无物料腐蚀，c = c11t =KPD+ c = 3 +1 + 0.2 = 4.2mm上2站-0.5 p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： h = 400mm 直面高度： h = 40mm12下封头装液的高度 H = H + h + h = 2539 + 400 + 40 = 2979mm2 料 12p =p H g = 1076 x 2.979 x 9.8 = 0.031MPa，超过设计压力的5%,应计算在内22p = p + p = 0.33 + 0.031 = 0.361MPa真2Kp Dt = 真= 1.99mm下2la_l - 0.5 p2 x170 x 0.8 - 0.5 x 0.361真0.361x1500由结果取厚度附加量负偏差c = 0.2双面腐蚀度c = 2mm c = c + c = 2.21 2 1 2Kp D2曲-0.5 p真+ c = 3 + 2.2 = 5.2mm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p 二 1.25p 卑二 1.25 x 0.357 x170 二 0.446MptIn170ap Id +(t - c) 0.446 x 11500 +(4.5 - 2.2) n=Tn = 182.07Mp2(t - c)02 x(4.5 - 2.2丿：厂nX 0.8屈服点强度n = 345Mpa , 0.9b = 0.9x345 = 310.5Mpas可见n 0.9n压力试验强度足够s4.4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D1500-600-3000DD +50D +100D +2002111表 夹套内径 D mm2对于筒体内径 Di=7001800mm，夹套的内径D = D +100 = 1500 +100 = 1600mm，符合压力容器公称直径。 j根据夹套内径估算夹套高度:nv - v沁bvmnv -v 0.8x 6.25 - 0.513b = 2.540m兀小兀 T LD 2X1.5244H = V0 - Vb = 5 0.513 = 2.539 m，HH，故符合。 料 V1.767夹 料14.4.2 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 罐内温度150C 的许应力o t=170MPa,选取夹套设计压力 P = 1.1P = 1.1x 0.5 = 0.55MPa, max夹套的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数0 =0.8。取负偏差C=0.6mm,单面腐蚀取腐蚀余量c2=1mm。c = c + c = 1.6 mm12pDj, cd=2&1p+c0.55 x 16002 x 170 x 0.8-0.55+1.6 = 4.84 mm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=1.6mm=PDjd封2匚申-0.5p+1.6 = 4.838mm0.55 x 16002 x 170 x 0.8-0.55 x 0.5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p = 1.25 p- = 1.25 x 0.55 x 竺=0.6875 MpatloT170p t +C c） 0.6875 xl1600 +（6 -1.6）o = ljn= 156.67Mp2（t 一 c）（p2 x6 一 1.6）x 0.8an屈服点强度o = 345Mpa , 0.9o = 0.9x 345 = 310.5Mpass可见o 0.9o压力试验强度足够s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0.2Dj0.5，取Dj = 0.33搅拌器直径为 D 二 0.33D 二 0.33 xl500 二 495mm，圆整取 D 二 500mm jj根据发酵罐尺寸关系：d/D = 1/2-1/3W / D = 1/8 -1/12B / D = 0.8 -1.0S / d = 1.5 - 2.5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。搅拌器直径Dj层数材料叶片500mm2层16M3片我们可以得出搅拌器的一些参数：搅拌器参数表查表得转速为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 n(0.75 一 0.8) nc95爲3EIn 沁 950 -cWL 2( L + B) d 11式中，E轴材料弹性模量，MPa；I轴的惯性矩，I = 1/64Sd4)，m 4 ；d轴径，m；B两支点间的距离，m；W 轴及搅拌器的等效重量， N d查表得相关系数得：E = 2.05MPa d = 40mm = 0.04mI = 1/64(Kd4) = 1/64(兀 x0.044) = 1942.809m4B = 0.8mL1 二 6mW 二 36.2N d由上述参数得：3EI950 1W L 2( L + B) d 11=950 x 三05匹 36.2 x 0.62 x (0.6 + 0.8) 654.89rmin(0.75-0.8)n 二(491 -524)r/min，显然n(0.75 -0.8)n，所以符合cc要求。5.1.2 搅拌轴搅拌轴的直径d的计算：d A諾=170x备=49.71mm选用直叶涡轮式搅拌器，式中，A为碳钢在121C，查表得在该条件下时的许应力为170MPa。由于1.2 H /D 104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： P 二 k （血）x （吗 yn 3 d 5 p= kn 3d 5 p圏19全需板条件下的 折拌竦型M卩 g搅拌器为直叶涡轮，查表得k=2.9P 二 kn3d5p 二 2.9 x (260/60)3 x 0.55 x 1076 二 7.7529KWM搅拌功率校正：P 二 P (0.4 + 0.6m)二 7.7529 x (0.4 + 0.6x 2)二 12.4046KW m M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T 二 Mt A3 二 170 x 3 二 49.71mm n3 260考虑到键槽和腐蚀取裕量20%，取d = 50mm5.1.4搅拌器支承尺寸根据经验轴的悬臂L轴径d和两轴承间距B应满足系列关系：L / B 4 5; L / d 40 5011根据 d=50mm 得：L /d = L /50 4050 112000mm L 1.5d二1.5x 495二742.5mm，最终取 ja = 800mm5.2.5 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zb =4,挡板材料选取1Cr18Ni9Ti材料。挡板结构示意图如下：biW = D = 1500/10 = 150mm b i 10挡板与筒体壁的缝隙S = W = 150 x = 25mm。b b6 6挡板高度 Hb= 2500 mm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。】一电衲 fit筑3Lt-fifti i些G, 、_ ci6.1电动机的选择类別传动型式幵戏传功.椿齿垮龙咄承扔先）oge 3讦式传如 餓齿紬嗫损責）必95闘柱齿轮传动单级圆柱齿轮咸理需0,57-0.狛取總呦甘備轮咸連器0.95 H.S6行星音轮越連器G. 950.爵开式传动*铮齿琴虑轴承損失）0. fig-0.92开式传副.锥齿（君堪铀承損鬓）0. 91圆饶齿轮传型单議圆锥齿轮咸連藍0. 05D-9C績级冈擁一圜柱齿牠减速器0#495SO0.斗肛4S单头竭杆6 77* 75双头蜗杆0*75 3.83三头和四头精杆仏恥D. ?2區範蜗杆传动0-S5-0. 95摩带传动（平皮帝和三甬度带）0. 95-0.56错传动开式传勃在柚池中工作0.悦* 04队95仇97无级变逹雒0*920-35辅承綻动L 99 0, 995滑动a阴仇995电动机功率：P二P + P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； n为传动系统的效率，取耳=0.95则电动机功率为：P 二匕=124046+沁二 14.3632KW0.95参考电机系列，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n = 260 r /min、传动比i为730/ 260=2.8，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、V形带（又称三角带）、圆形 带等类型，普通V形带无接头，传动平稳，应用最广泛。由于功率小于100kW、 传动比iW7（少数可达10），故本设计采用V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/min4. 工况系数 KA： 1.35.设计功率 Pd： P 二 K P 二 1.3 x 15 二 19.5KWd d A6.选择V带型号：根据Pd和n1选取C带型女更二忘期娜也毎it算曲車Pr 4W)7. 速度比 i : i = i = 2.8n 26028. 小皮带轮计算直径：根据下表初选d1=200mm松型YZACDEdrmn207512520035550U江：带轮基准直往系列为 d 22.4, 25, 28, 31.5, 35.5, 40, 45, 50. 56, 63, 71lOfit106.112+ IE125.132,140 150. 160,170.IBS224, 236.25D,265.315, 335,355.375,400, 425. 450.475,5(ID,530,56(L枫0 63().67Df7l(j,75(h9(?ih iooil1060. 1120, I25lk 1400,15 DO-1800, 2000, 224IL25(X1,表 V 带轮最小基准直径9.验算带速v=7.64m / s兀d n兀 x 200 x 730v =1_1=60x100060x1000v= 5m / s v v = 25 30m / s，符合要求。minmax10. 滑动率对于V带“ 0.010.02，故取 = 0.0211. 大皮带轮计算直径 d2： d = id (1 ) = 2.8x 200x (1 - 0.02) = 548.8mm2 2 1根据表 圆整，取 d2=560mm12. 初定中心距a :由 0.7(d + d ) a 120，符合要求。16.单根V带额定功率Pg由下表查的P1=10.76KW更扛用功带轮基准门.汁如诃FiL/(r/nrri、4(MJ4505(MJ56(J63C71081XJ1003.013.661.375.085 916.888.019.221501.205.1.4M77.I.S8.439.821 1.3813.1 1200U6.527. W9.2110.7612占414.55It. 76250就7.889 501 LOT12.9715.H17.5420.183007359.L3li.02118815.0717.5720352.394009,24IM1620L&9522P0525.4529.0850010.903.5?6.401.1722.3825.9429.7633.7?.60012.3915.421S.6721.7825.32?9.I835. IS37. B7301丄0417.5H21.1224.5228.2832.19节.盯39.26001W222525.7629533”鹑36.S7yso16.3020.2524.1627.603l,001 10016.9S2U.y924.842S.O2120017.2521 2024.84noo17.26I4W160016701嗣表D型单根普通V带的基本额定功率P117. i丰1时，单根V带额定功率增量AP :由下表查的AP = 0.26KW11更ftsljlt理 n：/i.时Eln4M730SOD980120414-6016002000l+W2A0D32m36m40005000Y1.35-1.51Mgo.coUXXJ0-00u.tw0i-20.01aoi(UHCl.020J01 omO.DQ0.D21),02D.03ojaD.03H.i_0-03 04o.20(M0.050.07O.t9o-oaooO.DSOJJi - I0.15 ： I J.lD.I5DJ911190.24(W0.29Dl26：J.3I6 v 10.390.40.440.380.480.47 fl .60B1.35-1 JIM20.10013U,.70.220J2QOJ250.23C?u30 J 3：U.4fr匸:9asj0.49ih.i：.i0.76二 7O.9-0.79II LH0.R9LI40.99J .27124LfOCJ.35IJIi 沁0.140.18U.2I门小0-27E()340.440.41W0.4816：-11550l7I0.S21.06讣1严I.IU-l.+lL23I z1.371.761.511.94D1.35-1.5120 490.630,940 97L251.22L561.461為B 701191 72.50、7i2-9723754534.9S5.62h1.35-151去20.961.14I.+5I戲L932JB2+13JU3.723.384.J43.86収斗网5.895.617.2 J&S3H78表 单根普通V带i丰1时传动功率增加量AP1表包角修正系数K18.包角修正系数K :由下表查的K = 0.98 aa山180175P0165160n155l新145c140“135130125120LIOn100kl1(199：,98：）960.95U,93).920.9u.890.S8川h:.840.82U.789740.&9a19.带长修正系数K :有表L查的K二0.96L6.V带根数z： z =Pd19.5=1.88 (P +AP)K K(10.76 + 0.26) x 0.98 x 0.9611 a取整后，取z=2 (根)且z2x 400)。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D 80 。g7.4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，并使空气分布均发酵罐的装料量为5m3,设6分无菌空气通风管示意图匀。钟内排空，则物料的体积流量为：Q =二 =0.0139(m3/s)6 x 60设发酵缪的流速为lm/s，则料管 截面积F師。贝V：物F = 0.017 = 1(m2 / s)物1又因为F二0.785d2物F所以管径d为：= 0.133m0.785则可取无缝钢管133 x 4，管内径为125mm，满足要求。7.5消泡器 发酵液中含有蛋白质等发泡物质，故在通气搅拌条件下回产生泡沫，发泡严 重时会使发酵液随排气而外溢，且增加杂菌感染机会。消泡器就是安装在机械搅拌发酵罐内转动轴的上部或安装在机械搅拌发酵 罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置。从 而达到消泡的目的。安装在机械搅拌通风发酵罐内的消泡器，最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可直接安装在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。耙氏消泡器结构图我们确定耙氏消泡器的直径为1200m m，中间的圆孔直径为50mm，材料为16Mn，安装高度（离罐底）2400mm左右。八、各自的设计任务李亮的设计任务：关于设计步骤的分析，罗列，整理，计算。 李瑞轩的设计任务：设计过程问题的探讨以及计算最后的验算 高鑫培的设计任务：设计过程问题的探讨、查阅资料以及整理 林挺的设计任务：设计过程问题的探讨以及画设计图形。参考文献：1 陈偕中主编.化工设备设计全书.化学工业出版社.北京:375-4152 陈乙崇主编.搅拌设备设计.化学工业出版社.北京.79-1543 化工设备机械基础，化工出版社， 20044 化工设备机械基础课程设计5 化工设备设计全书搅拌设备设计6 许学勤主编.食品工厂机械与设备.中国轻工业出版社.北京