设计内容 目录 70m 机械搅拌生物反应器设计任务书

目录

设计任务书... 1

设计方案的分析和拟定 ... 2

工艺设计... 2

1.反应器的总体结构设计 ... 2

2.设备结构部件设计 ... 3

2.1 罐体的设计 ... 3

2.2 搅拌装置设计 ... 5

2.3 零部件 ... 10

2.4 冷却装置 ... 11

2.5 密封装置的选型设计... 11

设计结果... 13

设计小结... 14

参考资料... 15

70m

机械搅拌生物反应器设计任务书

设计者姓名：候一粟 曾鸿雁 学号：20083212 20083196

班级：生物 0802 组别：七组

指导老师：任鹏 日期： 年 月 日 设计内容

1.设计一套机械搅拌通风式生物反应器。

2.设计参数和技术特征指标

序号 名称 指标

1 工作压力 罐内 ≤0.2MPa

夹套内 ≤0.3MPa

2 工作温度 罐内 ≤121℃

夹套内 ＜150℃

3 工作介质 罐内 轻微腐蚀性物料

夹套内 蒸汽

4 组别 13

5 公称容积（m³） 70

6 传热面积（m²） 60

7 搅拌器型式 弯叶涡轮

8 搅拌器转速（/rmp） 130

10 搅拌轴功率 125

11 其他 四块挡板，满足全挡板条件

12 罐体材料 16MnR

2

70m

机械搅拌生物反应器课程设计说明书正文

一 设计方案的分析和拟定

设计的发酵罐公称容积为 70m³。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌 装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对 70m³ 通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，

确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据设计任务的传热面积进行冷却装置的设 计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一 些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。

设计包含设计说明书和装配图二部分，装配图应包含总图和部分截面图，选 用计算机辅助作图，装配图的要求按照工程制图的指标严格制作。说明书主要是 记录设计的思路和过程以及相关参考依据。

根据设计任务，汇总相关设计条件如下表：

表 设计条件

项目及代号 参数及结果 备注

工作压力 0.2MPa 设计任务要求

设计压力 0.22MPa 计算

发酵温度 不高于121℃ 设计任务要求

设计温度 120℃ 由工艺条件确定

冷却方式 蛇管冷却 由工艺条件确定

发酵液密度 1076kg/m³ 设计任务要求

装料系数 0.75 设计任务要求

二 工艺设计

1.反应器的总体结构设计

反应器主要由搅拌容器、搅拌装置、蛇管加热装置、传动装置、轴封装置、

支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。搅拌容器主要由封头和筒体组成，筒体 和封头的连接采用焊接焊死，选用椭圆形封头，为中低压内压压力容器；搅拌装 置由搅拌器和搅拌轴组成，搅拌器类型根据要求为弯叶涡轮；传动装置主要包括 电机、减速器、联轴器和传动轴组成；轴封装置为双端面机械动环轴封；它们与 支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的机械搅拌生物反应器。

2.设备结构部件设计

2.1 罐体的设计

2.1.1 罐体几何尺寸计算

（1）筒体内径

罐体的长径比H/D1选择为2.5，装料系数 η 取 0.75。公称容积 V 为 70m³。

根据发酵罐全体积近似计算式（忽略封头体积）： 1³

 

2

1 0.15

4

D H D m V   

则筒体内径D1：

    m

D H

D V

15 . 0 5 . 4 2

70 15

. 0 4 /

3 3

1

1











  

，圆整为3.20m

（2）封头规格

查《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，由发酵罐工程内径可 得封头规格如下：

表 1 发酵罐规格

公称直径D1/mm 总深度ha/mm 内表面积 Aa/m² 容积Va/m³ 3200 840 11.5021 4.6110

（3）罐体高度 H 和筒体高度 H0

筒体高度 ^7.6

 

4 2V -

2 1

0

 

D H V



此时，H/D=8÷3.2=2.5，与假设的 H/d 符合。

罐体高度H=H0+2ha=8.0+2×0.84=9.68m 实际发酵罐体积 0 a

 

2

1 2 73.56m

'



D H  V  V 

忽略搅拌器的体积，假设发酵液最高不超过筒体上端，则发酵罐内溶液体积满足：

4 h

2 1

a

D

V

V

   

  m 38 . 6 2

. 4 3

611 . 4 75 . 0 56 . 73 4

h

2 2

1







 

   

 D

V V

，h=6.38<H0，说明假设成立。

4

发酵液高度Hf=h+ha=6.38+0.84=7.22m 2.1.2 厚度计算

（1）筒体设计厚度 δd

计算厚度计算式：

 

c

P D P

 



 

式中，Pc——计算压力，罐体内最大工作压力 P0=0.2MPa，取设计压力 P=0.2×1.1=0.22MPa。装满液体时，筒体内任一点静压强 P=P0+ρgx，取 x 极限值，

即 x=H0+ha=8.84m 。 g 取 9.87N/kg 。 则 筒 体 底 部 液 柱 静 压 强 P=1076×9.87×8.84÷10^6=0.094MPa，超过设计压力的 5%，因此计算压力 Pc应 计算液柱静压力在内，即Pc=0.22+0.094=0. 314MPa；

[ς]t——材料在设计温度下的许用应力，根绝设计任务的要求，选用 16MnR 钢，在温度低于 150℃时，其许用应力为 170MPa；

φ——焊接接头系数，取 0.85（双面对接焊，局部无损伤害）；

得到筒体计算厚度 3.5

 

. 0 85 . 0 170 2

3200 314

.

0









 



介于发酵液是轻微腐蚀性液体，取腐蚀浴量3.5，则设计厚度 δd=7mm 查表钢材厚度负偏差C1=0.5mm，取钢材圆整量 2.5mm，因此 δn=10.0mm

图 1 厚度关系

常温下做水压试验，δe=5.0mm，查机械化工手册上常温下 16MnR 的许用应力为 170MPa，屈服极限 δs为345MPa。

   

   

a 85 136

. 0 0 . 5 2

0 . 5 3200 361

. 0 2

a 361 . 170 0 314 170 . 0 15 . 1 15

. 1

1 t

D MP P

MP P

P

E E T

T T

 





 

 















 





显然，δT<0.9δs，设计符合要求。

δ s 钢 板 厚 度

δ_e有效厚度 δ_d设计厚度

C3制造减薄量

C1钢材厚度负偏差

C2腐蚀浴量

δ 计算厚度

Δ 钢材圆整量

δ n 名义厚度

（2）封头厚度 δ 封

计算式：

^   ^

^{ } _ ^

^ _ ^

h D P D KP

5 4 . 0 2

y ₁

t 1







式中

 





 





 

 



 



2 1

2 2 6 1

h

K D

Y 为开孔系数，取 2.3

计算得K≈0.94，δ 封=7.1mm。名义厚度取 12mm。

2.2 搅拌装置设计

搅拌器的钢材选用Q235-B。其力学性能如下：

屈服强度Reh N/mm²

抗拉强度ζ b

MPa 伸长率A/% 许用应力 MPa 厚度≤16mm 厚度≤40mm 厚度≤16mm

温度≤150℃

225 375～500 26 113 2.2.1 搅拌器的结构形式及安装

根据任务要求，搅拌器为后弯叶圆盘涡轮搅拌器。 图 2 发酵罐图 后弯叶角度β=45°； 桨叶数Z=6；

总直径Dj=1/3D1=1066.7m，取 Dj=1m； 桨叶宽度b=0.2Dj=0.2m；

桨叶长度l=0.25Dj=0.25m； 桨叶厚度δ =0.02Dj=20mm；

圆盘直径rd=0.65Dj=0.65m； 圆盘厚度δ d=0.02Dj=20mm；

转速n=130/rmp。

考虑到液体高度超过最佳装液高度（Hf=D1），因此采用多层搅拌器。

第一层搅拌桨距离发酵罐底C=0.85Dj=0.85m；

第二层搅拌桨距离第一层搅拌桨S1=2.4Dj=2.4m；

第三层搅拌桨距离第二层搅拌桨S2=2.4Dj=2.4m 2.2.2 搅拌器的设计功率及强度计算

搅拌器的钢材选用Q235-B。其力学性能如下：

（1）设计功率计算

第i 层搅拌器设计功率计算式

  W D

D P P

k

ji 5 ji s

qi

^ 

式中， Ps——搅拌器的搅拌轴功率，kW；

Dji——第i 层搅拌器直径，mm；

∑——各层搅拌器直径

D

6 代入数值，计算得各层搅拌器功率

^P

 ^{41 . 67}   ^{k W}

（2）强度计算

如图所示，弯叶圆盘涡轮搅拌器的危险断面在图中I-I 断面处。

弯矩：

3 2 3 1

4 1 4 1

j q

t

x 0 . 75 · R

x r -

· x 9553 n

R R R Z

M P



 

 

 ，式中，

式中， R1表示搅拌器半径，R1=0.5Dj=500mm；

R2表示叶根半径，为250mm;

r=0.5rd=0.325m 因此，x=0.4m，

 ^m 

69 . 4 95

. 0

325 . 0 4 . 0 130 6

67 . 9553 41 x

r -

· x 9553 n

j q

t

   

 

 



 N

Z M P

抗弯断面模数W1：





2 2 e

1 8533mm

6 16 200 6

b

   

 

W

式中,



  mm C

n

C

e

  



 20  0 . 5  3 . 5  16



弯曲应力

         ^{，满足条件}

 

 11 . 2 a

8533 1000 69 . 95 10

t 3 t

1

MP

W M

2.2.2 搅拌轴的设计

搅拌轴的材料选择45 号钢，其力学性能如下表：

表 2 45 号钢力学性能 技术

条件

界面尺寸 mm

δb

MPa δn

MPa δs

%

αk

J/cm2 HB [τ]

MPa A

JB755-85 ≤100 588 294 15

39 ^{162～217 30～40 118～107}

＞100 568 284 15 ^149～217 取A=118

搅拌轴的直径

¹¹⁵   ^mm

135 118 125

d 

n P  

 A

上式中，P——轴传递的额定功率，根据任务目标取 125kW N——轴的转速，根据任务目标取 135rpm

考虑到轴上连有联轴器有孔槽以及一定的腐蚀浴度和安全系数，取搅拌轴的直径 d=130mm。由于转速<200rpm，因此不需要做搅拌轴临界转速校核。

扭转切应力校核： ^2.1





130 130 2 . 0

125 10 55 . 9 n d 2 . 0

10 55 . 9 d 2 .

0 ³

5

3 5

3



  







 

 



 T P MP

W T

T

因此，设计符合要求。

2.2.3 轴承的设计

轴承的安装选用推力滑动轴承。取 d1=130mm，因此选用代号为 81226 的 8000 型轴承，基本参数如下：

表 3 轴承基本参数 基本尺寸

/mm

d 130 D 190

H 45

安装尺寸 /mm

da 181 Da 137 ra 1.5 其他尺寸

/mm

d1 133 D1 187 r 1.5 基本额定载

荷/kN

Ca 368 C0a 1420 最小载荷常

数 A 0.164

极限转速 /rpm

脂 450 油 700 重量/kg W≈ 4.59

图3 轴承示意图

轴颈采用未淬火钢，轴承采用轴承合金。查机械设计手册知：[p]=4～5（MPa），

[pv]=1～2.5（MPa·m/s）。

校核：

    ^{ }

  ^{30000 12000}  ^{190 130 130}  ^{0 . 86 [ ]}

30000

] [ a 796 . 130 0 190

12000 4

p 4

2 2

Z pv d D pv Fn

p Z MP

d D

F



 



 

 



 

 

 





2.2.4 传动电机设计选型

电机功率



P

P P 



式中Pm——搅拌所需轴功率；

PT——为轴封摩擦损失功率，按 1%Pm 计算；

8

η——为传动系统的效率，选择三角皮带传送，皮带传动效率取 0.96，轴承 滚动效率取0.99，轴承滑动效率取 0.99，则 η=0.96×0.99×0.99=0.94

假设ReM<104，即发酵液处于湍流状态，且 D/d=3、Hf/d=3、B/d=1、挡板 数为4 的情况下，此时对于六弯叶涡轮搅拌器 K=4.8，搅拌轴功率

P

 K 

  ^W

P 1 52 . 5 k

60 1076 130 8 . 4

3 '

m

  



 



 





由于实际发酵罐中D/d≠3，对此还要对搅拌功率做以下校正：

W d P

H d P D

P

52 . 5 84 . 1 k

1 22 . 7 1

2 . 3 3 1 3

f

1

m

        

而对于多层搅拌器，Pm=52.5×（0.4+0.6×3）=115kW 因此，电机功率

P

 

W

94 . 0

% 1 1

115

  



查相关资料，选用电机型号YB2-315M-4 型，参数如下：

表 4 YB2-315M-4 型电机基本参数 型号 额定功率 电流

（A）

转速

（rpm）

效率

（%）

功率 因素

额定 转矩

额定 电流

重量

千瓦 马力 （kg）

YB2-35

5M2-10 132 175 275 597 93.5 0.78 1.3 5.5 1820 2.2.5 联轴器的设计选型

考虑到发酵罐中中轴的载荷平稳、转速稳定，且联轴器的安装能保证被两轴 轴线相对偏移极小，选用刚性凸缘联轴器。本次轴的使用是在搅拌轴分段间的使 用，因此d=130mm 固定，而联轴器为标准间，以 d 为条件查机械设计手册，选 用GY11 型凸缘联轴器。参数如下

：

表 5 联轴器参数

型号 GY11

工程转矩Tn/N·m 25000 许用转速[n]/rpm 2500 轴孔直径d1、d2/mm 130

轴孔长度 Y 型 252

J1 型 202

D 380

D1 260

b 80

b1 98

S 10

转动惯量I/（kg·m2） 2.278 质量m/kg 162.2 2.2.6 传送 V 带的设计

步骤 设计项目 单位 公式及数据 备注

1 ^{传动的额定功率 P} kW 132 已知

2 小皮带轮转速 n1 rpm 597 已知

3 ^{大皮带轮转速 n}2 rpm 130 已知

4 工况系数 1.3 查化工机械设备基础

5 设计功率 Pd kW Pd=KA*P=169 计算

6 选 V 带型号 根据 pD 和 n1 选区 E 型带 查化工机械设备基础 P264

7 ^{速比 i} I=n1/n2=597/130=4.59 计算

8 小皮带轮计算直径 d1 mm 500 按参考文献选取

9 验算带速 v m/s ^15.62

1000 60

597 500 1000

v 60 ^{1 1} 





 





 d n  Vmax=25～30m/x

Vmin=5m/s

10 ^滑动率ε 0.02 选区

11 大皮带轮计算直径 d2 mm

D2=id1(1-ε )

=4.59×500×（1-0.02）=2249 圆整为 2360

圆整按照 GB/T 10412-2002 圆整

12 ^{初定中心距 a}0 mm 0.7（d1+d2）<a0<2(d1+d2)，取 3000

13 ^{带的基准长度 L}d0 mm

   

   

11200 17

. 10204

3000 4

500 2360 2360

2 500 3000 2

4 2 2

2 0

2 1 2 2 1 0 0







 









 







d d

L a

d d d

d a L

，圆整为





查机械化工手册

10 14

确定中心距 a 确定安装 V 带时所需 最小中心距 a_min和最

大中心距 amax

mm

2 3498 17 . 10204 11200 3000

a ₀ ⁰

 





 

 a

L a L^{d d}

3834 03 . 0 3330

015 . 0

max min













d d

L a a

L a

a

15 小皮带轮包角α1 (°)







 









 





150 3 . 3498 57

500 180 2360

3 . 57 -

180 ^{2 1}

1 a

d

 d

α 1>120°

16 包角修正系数 Kα 0.92 查机械化工手册

17 带长修正系数 KL 1.10 查机械化工手册

18 单根 V 带额定功率 P1 kW 24.21 查机械化工手册

19 I≠1 时，单根 V 带额 定功率增量△P1

kW 3.73 查机械化工手册

20 V 带根数 Z

 





d

1 1

 



 



 

KL

K P P Z P



2.3 零部件

2.3.1 人孔和视镜

（1）人孔

为了方便发酵罐内部附件安装、修理及对内部设备的检查、清洗，根据任务 目标要求，选用回转盖式人孔。查相关手册选用 DN400mm 人孔，密封面形式 为突面，安装位置在上封头处。

考虑到增加开孔会降低罐体强度，因此将人孔也当手孔。

（2）视镜

选择DN100 试镜，其中之一为带灯试镜，分别安装在上封头对称的两侧。

2.3.2 接管口

以进料口为例计算，设发酵醪液流速 v=1m/s，2h 排尽。发酵罐料液体积：

V1=74.6×0.75=55.95m³，物料体积流量 Q=55.95/（3600×2）=0.00777m³/s，

则排料管截面积F=Q/v=0.00777m²，又F=0.785d2， 得d=0.099m。取无缝钢管，查 GB/T17395-2000，

选取规格为Φ108×4.0mm。

（1）管道接口（采用平焊法兰连接）

进料口：Φ108×4.0mm，开在上封头上；

排料口：Φ108×4.0mm，开在罐底；

进气口：Φ108×4.0mm，开在下封头上；

排气口：Φ108×4.0mm，开在上封头上；

冷却水进、出口：，开在罐身；

取样口：，开在罐身

（2）仪表接口

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（参考 杭州富阳华博仪表有限公司生产标准）

液位计：采用标准：HG5-1368，型号：R-16，直径：Φ550（260×14）mm，开 在罐身上；

溶氧探头：SE-N-DO-F；pH 探头：PHS-2 型；

2.4 冷却装置

根据任务要求，传热面积A=60 ㎡。选用无缝不锈钢管 Φ60×3.0mm。

选用立式蛇管换热，蛇管同时充当挡板的作用，分为四组，排列形式 如图：

换热管总长度 318m

06 . 0

60 d

 

  

L A

每组换热管长度L0=L/4=80mm

每圈U 型弯管曲度 100mm，两端弯管总长度 l1=πD=314mm

可竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下端深入封底 200mm。则 蛇 管 总 高 H=6380+200=6580mm ， 直 管 部 分 高 度 h=6580-200=6380mm

每圈换热管长度l=2h+l1=2×6380+314=13074mm 每组换热管圈数n=L/l=80000÷13074=6（圈）

管间距τ1=1.5d=0.09m，靠近筒体的换热管距离管壁 τ2=0.15m 经核算，换热管与搅拌桨的距离在允许范围之内（不小于200mm）

2.5 密封装置的选型设计

2.5.1 轴封装置的选择

根据搅拌轴直径d=130mm，选用的 202 型标准机械封头标准如下：

表 6 202 标准机械封头参数 mm d D D1 D2 D3 h1 h2 h3 H n-Φ M 130 485 445 403 280 5 26 100 160 12-23 20

12

2.5.2 管法兰的选择

法兰的材料选用 16MnR。查 GB/T9113.3-2000 选用的法兰参数如下表：

表 7 管法兰参数 mm 公称直径 DN 100 钢管外径 A1 108

法兰外径 D 210 法兰内径 B1 110 螺孔中新绵直径 K 170 波口宽度 b 0

螺孔直径 L 18 法兰厚度 C 18 螺孔数量 n 4 法兰质量 kg 3.41

螺纹 Tb M16

设计结果

项目 参数及结果 备注

罐体

公称体积/m³ 70 设计条件

全体积/m³ 73.56 计算

罐体内径/mm 3200 计算

筒体高度/mm 8000 计算

H/D 2.5 设计条件

筒体壁厚/mm 10 计算

封头壁厚/mm 14mm 计算

焊接方式 双面焊接 选用

材料 16MnR 设计条件

人孔规格/mm Φ 400 选用

冷却蛇管 盘管直径/mm Φ 60×3.0 由工艺参数确定

传热面积/㎡ 60 设计要求

搅拌装置

搅拌转速/r·min-1 130 设计要求

轴径/mm 130 计算

中间轴承数 1 由工艺参数确定

搅拌器类型 6-6-6 弯叶圆盘 设计要求

搅拌器直径/mm 1000 计算

搅拌器层数 3 计算

电动机

型号 YB2-315M-4 由工艺参数确定

功率/kW 132 查表

转速 597 查表

减速器

三角皮带型号和根数 E×6 根 计算

小皮带轮直径/mm Φ 500 计算

大皮带轮直径/mm Φ 2360 计算

进气和排料管规格/mm Φ 108×4.0mm 由工艺参数确定

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设计小结

通过对发酵罐设备结构和部件的设计，从书本抽象概念到具体实物的设计，对我们的思 维和分析设计能力都有了很大的锻炼。作为一名工科学生，不仅仅要掌握理论知识，最主要 的是要用于动手实践能力。对本次设计的完成，让我们最直接的运用理论知识来解决实际问 题的能力，达到了学以致用。对发酵罐的每一部分都有了直观具体的了解，也为我们以后的 毕业设计打下基础。整个课程设计阶段，从前期准备，资料的搜集，到最后定稿打印，都是 经过我们独立完成。由于时间紧迫，但是很具有挑战性，我们都很感兴趣的在同学和老师帮 助下完成了。通过本次设计，我们养成了科学严谨的研究态度，同时也提高了专业技能。

参考资料

[1] 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，2000.3 [2] 曲文海.压力容器与化工设备实用手册（下册）.北京：化学工业出版社，2000.3 [3] 潘永亮.化工设备机械基础.北京：科学出版社，2007

[4] 丁伯民.化工容器.北京：化学工业出版社，2002.12 [5] 秦叔经，叶文邦.换热器. 化学工业出版社，2002.12

[6] 石荣华.大型发酵罐设计及实例.《医药工程设计杂志》，2002.23(1) [7] 郑津洋.过程设备设计.北京：化学工业出版社，2001.7

[8] 季维英.内压蛇管的设计计算.《化工装备技术》，2004.4(25) [9] 陈志平.搅拌与混合设备选用手册.北京：化学工业出版社，2004.4 [10] 机械设计手册软件版 2008.化学工业出版社

[11] 《普通和窄 V 带轮（基准宽度制）》（GB/T10412-2002）

[12] 《榫槽面整体钢制管法兰》（GB/T9113.3-2000）

[13] 《无缝钢管尺寸、外形、质量及允许偏差》（GB/T17395-2008）

[14] 《凸缘联轴器》（GB/T5843-2003）

[15] 《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》（JB4726-2000）

[16] 《钢制压力容器用封头》（JB/T4746-2002）

西南科技大学

课 程 设 计 说 明 书

题目: 70 M

机械搅拌生物反应器设计

院 系：生命科学与工程学院 专业班级：生物 0802 生物 0803 组 号： 第七组 . 学生姓名： 候一粟 20083212 曾鸿雁 20083196

年 月 日