食品工厂机械与设备课程设计（装料量53m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 (4)4.1罐头设计 (4)4.2罐头及封头的几何尺寸的计算 (4)4.3罐头压力测试 (6)4.4确定夹套的几何尺寸的计算 (7)4.5夹套压力试验 (8)五、搅拌装置及附件设计 (8)5.1搅拌轴计算 (8)5.2搅拌器选型及分布 (12)六、传动装置的设计 (14)6.1电动机选型 (15)6.2减速器选型 (16)6.3联轴器选型 (20)七、其他辅助设备的选型 (21)7.1支座的选择 (21)7.2人孔的选择 (23)7.3视镜的选择 (23)7.4无菌空气通风管设计 (23)7.5消泡器 (24)八、各自的设计任务 (24)一、设计任务装料量53m机械搅拌发酵罐设计接管建议（推荐）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8.0=η,已知装料量305m V V ==η总 可得设备总容积3025.68.05m V V ===η总 对于机械搅拌发酵罐，取高径比为2/=D H初选筒体直径取D=1500mm,查手册mm D 1500=的标准椭圆形封头的封头容积为3513.0m V b =，则公称容积3737.5513.025.6m V =-= 估算筒体的内径mm D H V D 1540214.3737.54/433=⨯⨯==π 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=4.71m3m V V V H b 897.2767.1617.0737.51=-=-=筒体高度圆整为2.9m演算实际高径比H/D=2.9/1.5≈1.93 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σb =510MPa ，查表得厚度mm 16~6 设计温度121℃的许应力为170MPa 。
选取筒体内设计压力MPa P P 33.03.01.11.1max =⨯==，同时还需判断是否需要考虑液体静压力：m V V V H b 539.2767.1513.0510=-=-=料 MPa gH P 027.0539.28.91076=⨯⨯==料物料ρ，超过设计压力的5%，应计算在内MPa P P P 357.0=+=物料内筒体的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数8.0=φ。
[]mm ppD t td 97.1357.08.017021500357.02=-⨯⨯⨯=-=φσ 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mm t d 3= 设钢板厚度在mm 5.5~5.4，则取负偏差mm c 2.01= 双面腐蚀度22=c mm2.221=+=c c c mm[]mm c ppDt td 2.52.232=+=+-=φσ 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[]pKpDt t5.02-=φσ上 对标准椭圆形封头 K=1 821.133.05.08.01702150033.01=⨯-⨯⨯⨯⨯=上t mm负偏差2.01=c 上封头由于外无夹套，故无物料腐蚀，1c c =[]mm c pKpDt t2.42.0135.02=++=+-=φσ上 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：mm h 4001= 直面高度：mm h 402=下封头装液的高度mm h h H H 2979404002539212=++=++=料MPa g H p 031.08.9979.2107622=⨯⨯==ρ，超过设计压力的5%，应计算在内 MPa p p p 361.0031.033.02=+=+=真[]mm p D Kp t t99.1361.05.08.017021500361.05.02=⨯-⨯⨯⨯=-=真真下φσ由结果取厚度附加量负偏差2.01=c 双面腐蚀度mm c 22= 2.221=+=c c c[]mm c p DKp t 2.52.235.02=+=+-=真真下φσ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[][]a tT Mp pp 446.0170170357.025.125.1=⨯⨯==σσ()[]()[]()a n n T Mp c t c t D p 07.1828.02.25.422.25.41500446.0)(2=⨯-⨯-+⨯=--+=φσ屈服点强度Mpa s 345=σ，Mpa s 5.3103459.09.0=⨯=σ 可见s σσ9.0<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2D mm1D 500-60 0-30002D1D +50 1D +100 1D +200对于筒体内径Di=700—1800mm ，夹套的内径mm D D j 16001001500100=+=+=，符合压力容器公称直径。
根据夹套内径估算夹套高度:m DV V V V V H b mb540.25.14513.025.68.0422=⨯-⨯=-=-≈ππηη夹m V V V H b 539.2767.1513.0510=-=-=料，料夹H H 〉，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6—16mm 罐内温度150℃的许应力[σ]t =170MPa ，选取夹套设计压力MPa P P 55.05.01.11.1max =⨯==, 夹套的焊缝采用单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数8.0=φ。
取负偏差 c 1=0.6mm ，单面腐蚀取腐蚀余量c 2=1mm 。
6.121=+=c c c mmδd =[]mm c ppDj t84.46.10.55-0.8170216000.552=+⨯⨯⨯=+-ϕσ 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 Δd 封=[]mm c ppDj t838.46.10.50.55-0.8170200610.555.02=+⨯⨯⨯⨯=+-ϕσ 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[]Mpa pp tT 6875.017017055.025.125.1=⨯⨯==σσ ()[]()[]()an n j T Mp c t c t D p 67.1568.06.1626.1616006875.0)(2=⨯-⨯-+⨯=--+=ϕσ屈服点强度Mpa s 345=σ，Mpa s 5.3103459.09.0=⨯=σ 可见s σσ9.0<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。