=86.87(Nm) 抗弯断面模数W1： W1=
=1633(mm3)
式中, 表示搅拌桨叶的有效厚度； =7mm 弯曲应力 =
=53.2MPa< =170MPa 满足设计 2.2.3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： 技术 条件 JB75585 界面 尺寸 mm ≤100 ＞ 100 δb MPa 588 588 δn MPa 294 284 δs % 15 15 αk J/cm2 39 HB [τ] MPa 30～ 40 A
H=H0+2ha=9.0+2×0.95=10.9m 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： V‘h= Va +
式h中为筒体部分发酵液的高度，h取0.75
则有h=7.07m< H0= 9 m
说明假设成立。
发酵液高度 Hf=h+ha=7.07+0.95=8.02m 考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头 结构、与罐体连接方式。罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计 为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连 接。 2.1.2 壁厚计算 （1）筒体设计厚度δd 计算厚度计算式: δd =
=
=2.1（MPa） [ ] 因此，设计符合要求。 2.2.4 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：
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）。 P=
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
为 345MPa。 PT=1.15P
=0.366MPa
=155MPa 显然，
<0.9
，设计符合要求。 (2)封头厚度δ封 计算式：δ封=
式中：K=
[2+
] Y 为开孔系数，取 2.3 计算得 K≈0.93，δ 封=8.1mm,取腐蚀浴量为3.5，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 抗拉强度 伸长率 A/% 许用应力 N/mm2 MPa
(KW) 式中，Ps——搅拌器的搅拌轴功率，kW； Dji——第i 层搅拌器直径，mm； Σ——各层搅拌器直径
之和，mm5 代入数值，计算得各层搅拌器功率 =41.67KW （2）强度计算 弯矩： Mt=9553
,式中，x=0.75
式中， R1 表示搅拌器半径，R1=0.5Dj=600mm； R2 表示叶根半径，为250mm; r=0.5rd=0.39m 因此，x=0.47m， Mt=9553
=0.796（MPa）<[p] 校荷 pv=
轴承设计合理
=0.86<[pv] 2.2.5 传动电机设计选型 电机功率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; 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Pm=K n3Dj5式中，K 为功率特征数，ρ 为发酵液体密度。因此 Pm=52.5（KW） 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： 而对于多层搅拌器，Pm=52.5×（0.4+0.6×3）=115kW
因此，电机功率P=
=123.6（KW） 查相关资料，选用电机型号YB2-315M-4 型，参数如下： 型号 额定功率 电 转 效率 功率 额 额 重量 流 速 因素 定 定 转 电 Kg YB2- 千 马 A rpm （%） 矩 流 35 瓦 力 5M210 132 175 275 597 93.5 0.78 1.3 5.5 1820
设计方案的分析和拟 定.................................................. 工艺设计...................................................
1.反应器的总体结构设 计........................................... 2. 设备结构部件设 计......................................... 2.1罐体的设计......................................... 2.2 搅拌装置设 计....................................... 2.3零部 件.............................................. 2.4传热面积及冷却水用量的计 算.............................. 2.5冷却装置.................................... 2.6 Байду номын сангаас封装置的选型设 计.................................... 设计结果 设计小结 参考文献
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 发酵设计为圆柱椭圆封头发酵罐，材质选用不锈钢板，型号为16MnR. 根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.5，则H=2.5D 初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（100m³） 公称体积V0－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之 和 全体积V－－公称体积和上封头体积之和 假设H/D=2.5，根据设计条件发酵罐的公称体积为100m³， 由公称容积的近似公式V=（π/4）D2H+0.15D³, 代入公式则可得 解得: D=3.6m， 封头体积 全体积
100m3 机械搅拌通风式生物反应器设计任务书
设计者姓名： 指导老师： 学号： 日期： 班级：
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 1 名称 工作压力 罐内 夹套内 2 工作温度 罐内 夹套内 3 工作介质 罐内 夹套内 4 5 6 7 公称容积（m3） 传热面积（m2） 搅拌器型式 指标 ≤0.2MPa ≤0.3MPa ≤121℃ ＜150℃ 轻微腐蚀性物料 蒸汽 100 100 弯叶涡轮
MPa 厚度 ≤16mm 225 375～500 厚度≤40mm 26 厚度≤16mm 温度≤150℃ 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。 后弯叶角度β=45°； 桨叶数Z=6； 总直径Dj=1/3D=1.2m； 桨叶宽度b=0.2Dj=0.2m； 桨叶长度l=0.25Dj=0.3m； 桨叶厚度δ =0.02Dj=24mm； 圆盘直径rd=0.65Dj=0.78m； 圆盘厚度δd=0.02Dj=24mm； 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=1.02m； 第二层搅拌桨距离第一层搅拌桨S1=1.6Dj=1.92m； 第三层搅拌桨距离第二层搅拌桨S2=1.6Dj=1.92m 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 =
]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；
——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 d=3.965(mm),d 圆整为4（mm） 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=7.5mm 查表钢材厚度负偏C1=0.5mm,取钢材圆整量 2.5mm,因此δn=10.5mm,圆 整为11mm
课程设计
课程名称：机械搅拌通风式生物反应器 学生学院： 化学工艺与技术学院 生物工程0901 200922153035 桂文涛 杨忠华
专业班级： 学 号：
学生姓名： 指导教师：
2012 年10 月 14 日
目
录
设计任务书 ............................................
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+ gx，取 x 极限值， 即 x=H0+ha=9+0.95=9.95m ,g 取9.87N/kg 。则筒体底部液柱静压强 P=1000 /106=0.098MPa，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+0.098=0. 318MPa； [
搅拌器转速（/rmp） 130
8 9 10
搅拌轴功率 罐体材料 其他
125Kw 16MnR 四块挡板，满足全挡板 条件
100m3机械搅拌通风式生物反应器课程设计说明书正文