圆盘蜗轮搅拌发酵罐设计

1、目录 毕业论文（设计）任务书 开题报告 指导教师审查意见 评阅教师评语 答辩会议记录 中外文摘要 前言.1 1 选题背景.2 1.1 题目来源.2 1.2 研究目的和意义.2 1.3 国内外现状和发展趋势.2 1.4 主要内容和解决思路.4 2 方案论证.6 2.1 发酵罐罐体设计方案选择.6 2.2 换热装置设计方案的选择.6 2.3 搅拌器设计方案的选择.7 2.4 密封装置设计方案的选择.8 3 发酵罐罐体的设计.10 3.1 确定筒体和封头直径.10 3.2 确定筒体高度.10 3.3 发酵罐筒体及封头厚度的确定与校核.10 4 换热装置的选型和设计.12 4.1 确定夹套直径.12

2、4.2 确定夹套高度.12 4.3 传热面积的计算及校核.12 5 发酵罐搅拌装置的设计.13 5.1 搅拌器的选用.13 5.2 组合式搅拌叶轮几何尺寸的确定.13 5.3 组合式搅拌器的安装.14 5.4 搅拌功率计算.14 5.5 搅拌轴设计.18 5.6 搅拌附件设计.20 6 传动装置.21 6.1 电机的选型.21 6.2 减速器的选型.22 6.3 联轴器的选用.22 6.4 机架选用.23 6.5 凸缘封头法兰的选择.24 6.6 安装底盖的选用.24 6.7 轴封装置.25 6.8 搅拌轴底轴承选取.26 7 发酵罐其它附件设计.28 7.1 人孔选用.28 7.2 人孔补强

3、圈设计.28 7.3 视镜选用.29 7.4 工艺接管.30 7.5 支座的选择.30 7.6 消泡器的选取.31 7.7 空气分布装置的选用.32 7.8 加强套管温度计的选用.32 8 搅拌器内流场模拟.33 8.1 模拟软件介绍.33 8.2 用 mixsim进行几何建模.33 8.3 网格划分.36 8.4 物理模型和边界条件设置及求解.37 8.5 显示搅拌流场.37 8.6 结论.38 参考文献.39 致谢.40 附录.41 前言 第 1 页 共 42 页 前言前言 搅拌设备在工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产都 或多或少的应用着搅拌操作。可以这么说，搅拌技术

4、的发展极大程度上提高了工业 生产的生产效率。本次我所研究的课题就是其中的一种搅拌器，虽然是本人的第一 次独立设计课题，但我依旧具有极大信心去完成。 对于我们即将毕业的大四学子来说，毕业设计是我们走向工作岗位前的一次练 兵，是对大学四年所学知识的一次完整的总结，通过毕业设计，我们应从中了解机 械设计和过程工艺的一般程序，并且通过现场观摩和学习，不但使自己在专业上提 高一个档次，并且在这个学习的过程中增长知识，所以毕业设计具有非常重要的意 义。从一开始，我就在老师的指导下不断通过在图书馆和网络上查阅的有关资料， 对本次设计内容有了大致的了解，并确定了研究的主攻方向以及设计方案。同时我 也整理了一套

5、毕业设计的解决思路并做出了进度与时间安排。 在设计的具体工作过程中，我将会按照我的设计思路，一步步完成各项设计任 务。如设备的总体设计、方案确定、搅拌器设计、轴封装置的设计和传动设计等， 进行设计结果的圆整以及强度、使用寿命等内容的校核。另外，还要通过 autocad 绘制搅拌器的总装配图和部分零件图。通过设计演练，我将会从中学到很多知识， 并能够更好的巩固我以前所学知识，同时也检验了我的学习和理解能力以及实践与 理论结合的综合应用能力。 当然，在我能力范围内，不可能将本次设计完成的很完美，其中的不足肯定是 存在的。但我会尽最大努力去完善，以达到预期的效果。我相信，在指导老师的悉 心带领下，通

6、过自己不懈努力，我一定能够圆满完成此次毕业设计！ 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 2 页 共 42 页 1 选题背景选题背景 1.1 题目来源题目来源 题目来源于生产实际 1.2 研究目的和意义研究目的和意义 一般来说搅拌有人工搅拌、磁力搅拌、机械搅拌三种，而圆盘涡轮式搅拌器属 于机械搅拌类。圆盘涡轮式搅拌器在生物化学工程设备当中是应用较广泛的一种， 它适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液-液分散、夜-固悬浮、以及促进良好的 传热、传质和化学反应。为了能具体确切的掌握该搅拌器的功能原理和应用，本人 对其进行了设计。这就是本课题的研究目的。 圆盘涡轮式搅拌器在生物发酵、化工、冶金、医药、造纸、化妆品

7、、涂饰材 料食品饲料以及废水处理等行业中都能得到应用，尤以化学工业使用最多。故圆盘 涡轮式搅拌发酵罐的设计和研究对化工工程和生物化学工程等多种行业的发展具有 重大作用1。此外，在整个设计过程中，我将学习到很多知识，比如搅拌叶片的选 择、搅拌功率的计算、密封装置的选择等。 1.3 国内外现状和发展趋势国内外现状和发展趋势 随着工业化发展的日益加剧，国内外搅拌设备的发展也异常激烈。以前人们都 用人工搅拌，现在发展为机械搅拌或磁力搅拌。由于每一种搅拌器都不是万能的， 只有在某一特定的应用范围内才是高效的。因此人们在不断的探索和研究，希望开 发出更高效的搅拌设备，以便于能够更好的提高产品的质量，降低设

8、备能耗和生产 成本。近年来，各国学者采用各种理论和方法对搅拌设备进行了深入的探讨和研究， 并取得了卓越的成就，并不断把新的技术应用实际。比如，世界著名的美国莱宁 （lightnin）公司新研制出了新型轴向流搅拌叶轮 a310 叶轮，这是一种新型高节 能、低造价且易于大型化的轴向流叶轮，a310 叶轮的叶片由钢板按一定规律弯曲制 成，不必使用铣或精密浇铸等成型工艺。且三枚叶片用螺栓固定在轮毂上，易于装 配出较大型叶轮。尺寸较小的 a310 叶轮也有铸造成型的。当用于固液悬浮操作时， 达到同样悬浮效果。a310 叶轮比传统上使用的 45折叶蜗轮要节能 50%。又如， 近些年日本开发出数种在很宽的粘

9、度范围均能进行高效混合的搅拌叶轮，且叶轮结 构相当简单，还不需要复杂的传动机构。其粘度适用范围为 1100000m。与此spa 选题背景 第 3 页 共 42 页 同时，欧洲和日本又相继开发了很多种卧式搅拌设备，这些设备大多是用于高粘度 物质的反应设备。如瑞士 list 公司开发的卧式单轴自清洁型搅拌设备和日本住友重 机公司开发的全相型自清洁卧式双轴搅拌设备。这些搅拌设备都是一种全相型，它 们对粘性液体和粉体都能够高效的进行混合。更有特点的是美国 ross 公司开发的真 空乳化釜搅拌器，它是目前搅拌设备中机电一体化程度最高的搅拌设备之一，全自 动的真空乳化釜已经能在无人操作条件下，自动准确的履

10、行原料的计量、加热、溶 解、乳化及冷却等制造工艺中的温度控制、搅拌机变速、真空吸收、脱气等全部操 作。并能使冷却过程按一定的冷却曲线进行，以正确的重现冷却速度过程。这比传 统的搅拌设备技术先进的多，是一种多功能高智能化的生产搅拌设备。但是，这种 技术在世界范围内应用的较少。由此可以看出，国外搅拌混合技术水平在搅拌设备 日益更新的前提下不断提高。混合技术的发展不断推动工业化脚步迅猛向前1。 目前中国在混合搅拌技术方面也发展迅猛。中国的工业化水平排在世界前列， 这跟混合搅拌技术的发展是分不开的。最近开发了几种适用于低、中粘度流体的高 效轴流型搅拌器，由于叶片的宽度和倾角随径向位置而变，被称为变倾角

11、变叶宽搅 拌器。这种搅拌器非常适用于均相混合、固液悬浮操作。如典型的轴向流hpm搅拌 器和径向流型的scuba搅拌器。不仅如此，混合式搅拌器也被我们请到工业化舞台。 如在一个搅拌容器内设置不同构型、不同转速的搅拌器以达到全罐搅拌与混合的目 的。这种组合式搅拌器因为可以减少混合时间，大量节省能耗，提高产品质量而在 我国得到推广和应用。我国虽然没有像一些先进国家那样在搅拌技术研究方面有非 常突破性的发明，但我国在八十年代中期就开始将电磁搅拌技术作为“七五”、“八五” 国家重大科技攻关项目进行攻关, 在攻克了一系列设计和工艺上的关键技术问题后, 于九十年代末开始大规模的工业应用, 目前国内连铸电磁搅

12、拌技术已达国际先进水 平, 产品满足国内企业需要的同时, 已形成批量出口。因此这也带动了我国在混合搅 拌技术领域的一次飞跃发展。例如，我国玻璃液搅拌器技术已日趋成熟，迄今为止 国内多家大中型企业都采用此种技术。近几年的实践证明，平板玻璃工业采用玻璃 液搅拌器已成为一种发展趋势。 综上所述，未来混合搅拌技术的发展趋势有以下特点： 1.搅拌设备的机电一体化和智能化； 2.高粘度流体搅拌设备的进一步发展； 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 4 页 共 42 页 3.全相型搅拌设备应用的普遍化； 4.搅拌设备内部结构和材质的改进或更新； 5.新型高效搅拌器设计的理论化、普遍化和精确化； 6.搅拌器结构的优化

13、组合以及搅拌釜内三维流场的数值模拟2。 圆盘涡轮式搅拌发酵罐属于典型的生物化学反应搅拌设备的一种。盘式叶轮有 圆盘直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。在本次设计中采用六直叶圆盘和轴流式叶轮的 组合式搅拌器。该组合搅拌器对发酵罐内气液混合起到很好的效果。由于是对发酵 罐内的气液进行混合，这就要求反应器内有强烈的分散作用。如何加强分散效果， 提高搅拌效率，让空气与液体介质充分混合，保证供给酵母生长繁殖，发酵所需氧 气是本次设计的主要研究方向。 1.4 主要内容和解决思路主要内容和解决思路 1.4.1 主要研究内容主要研究内容 搅拌器与流动特征研究； 发酵罐罐体设计； 圆盘涡轮式搅拌器的结构设计； 搅拌功率

14、的计算； 圆盘涡轮式搅拌器的搅拌轴设计及校核； 圆盘涡轮式搅拌器的附件设计； 绘制图纸； 进行流场模拟分析。 1.4.2 解决思路解决思路 根据自己所掌握的关于搅拌设备相关的知识和已知的一些设计参数和环境，应该 按下面步骤去完成此次的毕业设计： 第一步：去图书馆或在网上查阅相关文献和资料，从中获取相关的知识，为后面 的设计分析做准备。熟悉毕业设计的任务和内容，并认真完成外文期刊翻译工作。 第二步：分析近几年国内以及国外各种新型搅拌器的设计思路和发展趋势，并将 不同的设计方案和不同型的搅拌器进行对比，选择合适的设计方案。 第三步：发酵罐罐体及传热装置的设计。 选题背景 第 5 页 共 42 页

15、第四步：进行搅拌器功率计算和结构设计以及搅拌轴设计并校核。 第五步：搅拌器附件设计和计算。 第六步：将设计过程及数据整理和完善并绘制图纸。 第七步：进行发酵搅拌器内流场的模拟。 第八步：进行整体审核与分析。 在进行设计过程中，除了要求它满足特定的工艺条件外，还应满足高效节能， 操作稳定，混合流体阻力小，结构简单，制造、安装、维修方便等一系列要求。但 在实际应用中，任何一个搅拌设备能够同时满足上述要求是比较困难的。因此只能 从生产需要及经济合理性要求出发抓住主要矛盾进行设计。以期最大程度的满足上 述对搅拌设备设计的要求。 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 6 页 共 42 页 2 方案论证方案论证 2

16、.1 发酵罐罐体设计方案选择发酵罐罐体设计方案选择 由于发酵罐为低压容器，而且发酵罐内介质对刚才腐蚀性不是很强，故本设计 对发酵罐罐体的材料和强度要求不高。 封头常有椭圆形封头、锥形封头和平盖封头等几种。首先，椭圆形封头是由半 个椭球面和短圆筒组成。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲 率突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连接，故 应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较小，易于冲压成型，是目前中低压容器中 应用的较多的封头之一。其次，锥形封头的结构特殊，它的应力分布不理想。在设 计锥形封头时，要考虑到很多因素。但其特殊结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘 稠

17、液体的排放，一般可作为不同直径筒体的中间过渡段。在中低压容器中实用也较 为普遍。最后，平盖封头其实就是一种圆平板形式。其厚度的计算是以圆平板应力 分析为基础的。平盖封头锻制如图 1。它主要用于直径较小，压力较高的容器2。 图图 1 锻锻制平封制平封头头 综上所述，本设计罐体选用圆筒，上下封头均采用标准椭圆形封头，且上、下 封头均与筒体焊接。 2.2 换热装置设计方案的选择换热装置设计方案的选择 发酵过程中发酵液产生的净热量为发酵热。发酵热随发酵时间而改变。发酵最 旺盛时，发酵热量最大，发酵热的平均值可取为（）。为3350010400)/( 3 hmkj 维持一定的最适宜培养温度，需用冷却水导出

18、部分热量。发酵罐的传热装置有夹套 和蛇管两种12。 方案论证 第 7 页 共 42 页 （1）整体夹套常用的有圆筒型和 u 型。圆筒型夹套仅在圆筒部分有夹套，传热 面积较小，适用于换热要求不高的场合。u 型夹套是圆筒部分和下封头都包有夹套， 其传热面积大是最常用的结构。u 型夹套如图 2。 图图 2 u 型型夹夹套套 （2）型钢夹套一般用角钢与筒体焊接组成。角钢的布置方式有螺旋形角钢互搭 式和缠绕式。但两种形式的制作工艺很高，结构较之圆筒型复杂。 （3）半圆夹套式虽加工方便，但其缺点是焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时 易造成焊接变形。 （4）蜂窝夹套是以整体夹套为基础采取折边或短管等加强措施，

19、减少流道面积 减薄筒体厚度，强化传热效果。但其形式也不满足加工工艺简单，焊接量少等特点。 （5）蛇管式换热装置一般有盘式蛇管和立式蛇管。蛇管式传热效果好，但缺点 是容易产生死角，清洗不彻底时容易染菌。这对发酵工业来说极为不利。 为此，纵观上述几种形式，设计应该采用 u 型夹套最为合适。 2.3 搅拌器设计方案的选择搅拌器设计方案的选择 搅拌系统是发酵罐设计中的关键，它直接关系到发酵效果的好坏。搅拌器又称 搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。其功能是提供过程所需要的能量和 适应的流动状态。搅拌器的流行与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌器内 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 8 页 共 42

20、 页 的流型取决与搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特性，以及流体性质、搅拌器 转速等因素。通过整理我选出三种适合发酵罐搅拌器设计的方案。 （1）径向流式搅拌器 它能使流体流动方向直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容 器壁面分成两股流体分别向上，向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下 两个循环流动。该类搅拌器适用于气液分散等要求大剪切的混合操作。 （2）轴向流式搅拌器 它能使流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动， 使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流。该类搅拌器适用于均相 混合、固液悬浮循环操作场合。 （3）轴径流组合搅拌器 该类搅拌器是综合了以上两类搅拌器的特点。其特 点主

21、要有：可获得更好的气液分散和气液传质效果。在轴径流组合搅拌系统中， 上层轴流搅拌器的功率因数大大低于径流型搅拌器的功率因数，因此其所耗用的搅 拌功率较小，可以将更多的搅拌功率集中用于底层搅拌器，从而底层搅拌器可以选 用较大的直径，提高底层搅拌的气液分散能力。由于上面各层轴流搅拌器的大循 环量的作用，气体会多次被带回轴流搅拌器中央，再被上面的轴流搅拌器接力似地 向下送回到底层搅拌器，并被再次分散。气体在离开发酵液之前，会多次在罐中上 下往返运动，因此气体在发酵液中有更多的停留时间，也就是说，有更长的气液 传质时间；可改善固液悬浮和液液混合效果。轴径流组合搅拌系统形成了 在全罐范围内的整体循环流动

22、。由于轴流搅拌提供的循环量大，在单位时间内完成 的全罐循环次数多，流速高，从而大大强化了固液悬浮和液液混合的效果。 可提高传热系数。在搅拌器直径较小，循环流量也较小的情况下，常会在靠近罐壁 处产生流动死区。轴径流搅拌器组合系统的各层搅拌器直径均大于纯径流搅拌器 组合系统，较大的搅拌器直径减小了搅拌器边缘到罐壁的距离，减小了流体速度衰 减量，既提高了罐内换热器表面的流体更新速度又减薄了滞留层，因此能获得更高 的给热系数，提高换热效率5。由此可见，随着工业的不断发展，发酵罐搅拌器向 轴径流组合搅拌器发展已然势在必行。 2.4 密封装置设计方案的选择密封装置设计方案的选择 轴封的目的是避免介质通过轴

23、从搅拌容器内泄漏或外部杂质渗入搅拌容器内。 用于机械搅拌反应器的轴封主要有两种：填料密封和机械密封。 （1）填料密封结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要 方案论证 第 9 页 共 42 页 求不高、并允许定期维护的搅拌设备。但填料密封不可能不漏，其泄漏量一般为 。因为压紧力增加，填料压紧在转动轴上，会加速轴与填料的磨损，hml /)450180( 使轴封更快失效。由此，填料密封的使用寿命短，在使用过程中要适当调整压盖的 压紧力，并需定期更换填料。 （2）机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的 互相贴合，并作相对运动达到密封的装置。机械密封的泄漏率低

24、，密封性能可靠， 功耗小，使用寿命长，在搅拌反应器中广泛应用6。 下面是填料密封与机械密封的工艺参数具体比较： 比较项目填料箱密封机械密封 泄漏量180450ml/h 一般平均泄漏量为填料密封 的 1%。 摩擦功损失机械密封为填料密封的 10%50% 轴磨损有磨损，用久后轴要换几无磨损 维护及寿命 需要经常维护，更换填料，个别情况 8 小时 （每班）更换一次 寿命 0.51 年或更长，很少 需要维护 高参数 高压、高温、高真空、高转速、大直径密封 很难解决 可以 加工及安装加工要求一般，填料更换方便 动环、静环表面光洁及平直 度要求高，不易加工，成本 高，装拆方便 对材料要求一般 动环、静环要

25、求较高减磨性 能 根据工艺条件和综上所述的比较，选用机械密封最为合适。 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 10 页 共 42 页 3 发酵罐罐体的设计发酵罐罐体的设计 3.1 确定筒体和封头直径确定筒体和封头直径 由前面设计方案可以看出，本设计选择圆柱形筒体和标准椭圆形封头如图 3。 图图 3 标标准准椭圆椭圆形封形封头头 由原始数据可知，发酵罐容积为 15m3，可取高径比=2.0，装料系数为dih =0.8。 则发酵罐直径估算如下： （1） mmm v d i d h i 2122122.2 0.2 1544 3 3 圆整至公称直径标准系列，取=2000mm，封头直径取相同内经。 i d 3.2

26、确定筒体高度确定筒体高度 当 dn=2000mm 时，通过压力容器与化工设备实用手册查表得标准椭圆形封 头容积=1.126，同样查表 2-1-2 得筒体每一米高的容积为=3.142。则筒 h v 3 m 1 v 3 m 体高可估算为： （2）m v vv h h 4 . 4 142 . 3 126 . 1 15 1 取 h=4.4m，于是，经复核符合原定范围。2 . 220004400 i dh 发酵罐罐体设计 第 11 页 共 42 页 3.33.3 发酵罐筒体及封头厚度的确定与校核发酵罐筒体及封头厚度的确定与校核 对于发酵反应的罐体，一般情况下需承受 0.25的绝压。材料均选mpa 钢。腐

27、蚀裕量设计为较大值。则bq2352 2 c 筒体厚度为： （3）mmc p dpk c t ic 09 . 5 2 25 . 0 1 . 185 . 0 1052 200025 . 0 1 . 1 2 2 1 封头厚度为： （4）mmc p dpk c t ic 10 . 5 2 1 . 125 . 0 5 . 085 . 0 1052 200025 . 0 1 . 1 5 . 0 2 2 1 圆整后按照标准尺寸，取内筒体和封头厚度均为 8mm。 强度校核： 对筒体 （5）mpa t pr 25.31 8 100025 . 0 （6）mpa t pr 63.15 82 100025 . 0 2

28、 对封头 （7）mpa bt pa 25.31 85002 100025 . 0 2 22 其中 a 为标准椭圆长半轴，b 为标准椭圆短半轴。 在常温下，钢的许用应力为 105mpa，故都满足要求。bq235 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 12 页 共 42 页 4 4 换热装置的选型和设计换热装置的选型和设计 4.14.1 确定夹套直径确定夹套直径 选夹套材料为 q235-a,厚度取 6mm。 表表 1 1 夹套内径夹套内径与筒体内径与筒体内径的关系的关系 j d i d ，mm i d500600700180020003000 ，mm j d+50 i d+ +100 i d+ +200 i

29、 d 由表 1 中数据可得，夹套内经= =+ +200=2000+200=2200mm，夹套封头也采用 j d i d 椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。 4.24.2 确定夹套高度确定夹套高度 一般夹套上端的位置应当高于搅拌槽内物料的高度。夹套筒体高度可由下式 j h 估算： （8）m v vv h h j 46 . 3 142 . 3 126 . 1 158 . 0 1 取=3.5m。 j h 由于是设计发酵罐罐体夹套，夹套内介质为水，且是在正常压力下进行，因此 不需要对夹套进行水压试验。夹套筒体和封头材料选钢，厚度均取 6mm。bq235 通过上述数据和手册，可得发酵液与发酵罐的接触面积：

30、 0 a （9） 2 10 22.26493 . 4 28 . 6 46 . 3 mahaa hj 4.34.3 传热面积的计算及校核传热面积的计算及校核 取发酵最旺时的发酵热的平均值为（） 9。则 1 小时 3350010400)( 3 hmkj 内发酵罐内总热量为： 。 kjq 5 0 10)02 . 4 25. 1 (8 . 015)3350010400( （10） 故传热量 。 wtqq 535 0 10)117 . 1 347 . 0 (3600/1010)02 . 4 25. 1 (/ （11） 取最大值。kwq 5 10117 . 1 一般常温发酵罐介质温度为，中高温发酵罐更高，

31、而冷却水温度低于c 3010 发酵罐搅拌装置的设计 第 13 页 共 42 页 10为宜。取。热导率为。那么，由传热公式c ct 101kmw40 t aq 可得 2 335 max 34.22 140 1081010117 . 1 m t q a （12） 综上，满足条件aa max 5 5 发酵罐搅拌装置的设计发酵罐搅拌装置的设计 5.15.1 搅拌器的选用搅拌器的选用 由前面的设计方案可知，搅拌器选用轴径流组合式。根据工艺条件，发酵罐 内流体介质粘度不大，轴向流搅拌器可选用推进式搅拌叶轮，产生轴向流。尽管搅 拌产生的湍流程度不大，但循环量大，而且搅拌功率较小。径向流搅拌器选用平直 叶圆盘

32、蜗轮搅拌器，产生径向流。它的作用有：打碎空气气泡，使气泡细化以增 加气液接触界面，提高气液面的传质速率；使发酵液有较大的流动循环量，让液 体中的固形物保持悬浮状态12。在相同搅拌功率下，按粉碎气泡的能力来看，圆盘 涡轮式搅拌器大于推进式；按反动流体能力来看，推进式搅拌器比圆盘涡轮强。二 者相辅相成，更有利于发酵生产。 5.2 组合式搅拌叶轮几何尺寸的确定组合式搅拌叶轮几何尺寸的确定 (a) 推进式搅拌叶轮如下图 4。主要参数有：（以 0.33 居多） ，5 . 02 . 0dd j 浆叶数量有 2、3、4 等多种结构，常见为 3 叶浆，转速 n=100500r/min，介质粘 度小于 2。本设

33、计桨叶数量选取 3 叶，。spammdd j 66033 . 0 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 14 页 共 42 页 图图 4 推推进进式式搅搅拌器拌器 (b) 圆盘蜗轮式叶轮如下图 5。主要参数有： ，4、6、8，=，介质粘度4:5:20:bld j z5 . 02 . 0dd jm nmin/30010r 小于 50。本设计中采用 6 直叶圆盘蜗轮，圆盘涡轮直径，spammdd j 66033 . 0 叶轮宽度,叶片长，圆盘直径mmdb j 1322 . 0mmdl j 16525 . 0 。两搅拌器材料均选 q235-b 钢。mmdd j 44032 0 图图 5 圆盘蜗轮搅圆盘蜗轮搅拌

34、器拌器 5.35.3 组合式搅拌器的安装组合式搅拌器的安装 按照发酵罐搅拌器的安装原则，圆盘蜗轮式搅拌器安装在底端距离罐底 的高度，推进式搅拌器安装在圆盘涡轮式搅拌器之上，距离mmdc660 0 的高度。mmds i 2000 5.45.4 搅拌功率计算搅拌功率计算 5.4.15.4.1 搅拌转速的确定搅拌转速的确定 搅拌器转速直接影响搅拌罐罐体内流体的流动状态，从而影响发酵的优劣，发 酵罐一般采用恒速搅拌。由于罐体内介质粘度比较小（） ，为防止打旋现smpa100 象，搅拌器转速不宜过高。依照搅拌器的转速参照范围，根据经验，可以选取转速 为。min/100rn 发酵罐搅拌装置的设计 第 15

35、 页 共 42 页 5.4.25.4.2 搅拌功率的计算搅拌功率的计算 计算雷诺数： e r 9 . 14522 1 . 0 66 . 0 667 . 1 2000 22 nd re （13） 图图 6 雷雷诺诺数表数表 查图 6 雷诺数表功率曲线 1 得，则圆盘涡轮式叶轮搅拌功率为：4 . 6 p n （14）kwdnnp p 5 . 766 . 0 667 . 1 20004 . 6 5353 查图 6 雷诺数表功率曲线 3 得 np=1.0,则推进式搅拌叶轮功率为： （15）kwdnnp p 16 . 1 66 . 0 667 . 1 20000 . 1 5353 选功率大的为搅拌器设计

36、功率。kwp45 . 7 5.4.35.4.3 搅拌器的强度计算及校核搅拌器的强度计算及校核 （1）圆盘涡轮搅拌器叶轮强度计算及校核 圆盘涡轮式叶轮的危险截面在如图 7 所示的 i-i 断面上。 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 16 页 共 42 页 图图 7 圆盘涡轮浆圆盘涡轮浆叶受力分析叶受力分析 搅拌器 i-i 断面上的弯矩 i m （16）mn nz p m j i 4 . 119 1006 5 . 7 95539553 搅拌器 i-i 断面上的抗弯截面模量= i w 6 2 e b 搅拌器叶轮的有效厚度：mmc ne 10160660 所以 （17） 3 22 2200 6 10132

37、6 mm b w e i 搅拌器 i-i 断面上的弯曲应力 i （18）mpa w m i i i 3 . 54 2200 10 4 . 11910 33 搅拌器钢材的弯曲许用应力=mpa t 125 3 375 3 ,所以经校核圆盘涡轮叶轮强度在允许范围内合适。 i （2）推进式搅拌器叶轮强度计算及校核 推进式搅拌器对流体做功时叶轮的危险截面在图 8 所示的 ii 断面上，它受到 与搅拌轴平行的垂直力和垂直于搅拌轴线的水平力的作用，垂直力作用于 v f h f v f 桨叶的处；水平力作用于桨叶的处。2 1j dk 2 2j dk 发酵罐搅拌装置的设计 第 17 页 共 42 页 图图 8

38、推推进进式式搅搅拌器拌器浆浆叶受力分析叶受力分析 、值 1 k 2 k 查表 2 得=0.688，=0.632。 1 k 2 k 表表 2 2 作用力位置系数作用力位置系数值值 21,k k sdi/11.11.21.31.41.5 1.61.7 1 k0.6960.6950.6900.6870.6850.688 0.6900.696 2 k0.6000.5950.6110.6170.6240.632 0.6410.649 sdi/1.81.92.02.12.22.3 2.42.5 1 k0.7010.7060.7100.7140.7140.718 0.7160.706 2 k0.6530.6

39、570.6580.6580.6570.655 0.6500.646 每层桨叶一个叶片的轴向力和水平力（） v f h fkwppq75 . 2 3 =52525=52525=1094.3n v f 3 10 nzs p j q 503440 75 . 2 103 （19） =19106=19106=555n （20） h f nzdk p jj q 2 3 10 503850632 . 0 34 . 2 103 和力对 ii 断面产生的弯矩、 v f h f m m =（） m v f 22 1 1 d d k j 3 10 =1094.3= （21）) 2 280 2 660 688 . 0

40、 ( 3 10mn 3 . 95 =（） m v f 22 1 2 d d k j 3 10 =420= （22） 3 10) 2 280 2 660 632 . 0 ( mn 8 . 28 作用于搅拌轴线的平行面内，作用于垂直于搅拌轴线的平面内，将 m m 和两个弯矩值转换到作用于 ii 断面的两个主惯性轴 xx 和 yy 的弯 m m 矩为： =95.3cos+28.8sin=55 （23）sincos mmm x 73 73mn 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 18 页 共 42 页 =95.3sin+28.8cos=100 （24）cossin mmm y 73 73mn ii 断面上 1

41、，2，3 点的应力， 1 2 3 =40 y e x e m b m b 22 1 150008750 mpa （25） =36 （26） y e x e m b m b 22 2 150008750 mpa =-57.3 （27） 2 3 13125 e b x mmpa 由上计算可知，叶片上各点的盈利均满足，适合。 5.55.5 搅拌轴设计搅拌轴设计 5.5.15.5.1 搅拌轴材料选取及直径的确定搅拌轴材料选取及直径的确定 根据工艺要求，轴的材料选用 45 号钢。 已知搅拌功率为 7.5，电动机功率可用下式计算：kw m n pp p （28） 式中 传动系统的效率，选；9 . 0 p搅

42、拌功率，；kw 搅拌轴轴封处的摩擦损耗功率，。 m pkw 由于轴端采用双端面机械密封，机械密封处的磨损功率为，其 32 . 1 108 . 1 dpm 值很小，故 （29）kw ppp p m n 33 . 8 9 . 0 5 . 7 圆整到电机产品系列中的额定功率值，取。kwpn11 搅拌轴直径计算为： （30） 3 0 n p ad n 表表 3 3 轴常用几种材料的轴常用几种材料的 及及值值 t 0 a 轴的材料 q235-a 20 q275 35(1cr18ni9ti) 45 40cr、35simn 、 发酵罐搅拌装置的设计 第 19 页 共 42 页 / t mpa15252035

43、25453555 0 a14912613511212610311297 由于轴主要承受扭矩，所以取较小值，这里取为 110，则 0 a mm n p ad n 7 . 52 100 11 110 33 0 （31） 考虑到介质腐蚀性不强，根据标准选取轴最小直径为。采用光轴。mmd65 5.5.25.5.2 轴的强度校核轴的强度校核 按轴所受的扭矩来计算其强度。轴的扭转强度条件为 2.0 9553000 3 t t t d n p w t （32） 式中：扭转切应力，单位 t mpa 轴所受的扭矩，单位tmmn 轴的抗扭截面系数，单位 t w 3 mm 轴的转速，单位nmin/r 轴传递的功率，

44、单位pkw 计算截面处轴的直径，单位dmm 需用扭转应力，单位 t mpa 代入数据，有 mpampa tt 452513.19 652 . 0 100 11 9553000 3 （33） 故满足条件。 5.5.35.5.3 轴的刚度校核轴的刚度校核 轴的刚度以扭转角来度量。轴的刚度校核计算通常是计算出轴在受载时的变形 量，并控制其不大于允许值。 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 20 页 共 42 页 圆轴扭转角单位为的计算公式为：m/ p gi t 4 1073 . 5 （34） 式中：轴扭转变形的扭转角（） ；m/ 轴的材料的剪切弹性模量，对于钢材，=8.1 10；gmpag 4 mpa 轴截

45、面的极惯性矩，mm ,=； p i 4 p i 32 4 d 轴所受的扭矩，n mm 。t 4 所以，=0.425（） （35） p gi np/9550000 1073 . 5 4 m/ 对于一般传动轴，可取（） 。15 . 0m/ 故，满足刚度要求。 5.65.6 搅拌附件设计搅拌附件设计 5.6.15.6.1 挡板的选用挡板的选用 为了改善流动状态，增强搅拌效果，需要在发酵罐体内增设挡板，以消除罐体 中央部分在搅拌时出现的圆柱状回转区和改变由于搅拌时造成的中央液面下陷现象。 为此，在罐体内设置纵向挡板，可以将切向流动转变为轴向流动和径向流动，增大 被搅动的流体的湍动程度。挡板材料选择 q

46、235b 钢6。 5.6.25.6.2 挡板数量的确定挡板数量的确定 由于搅拌罐罐体直径较大（2000mm） ，所以选用 6 块挡板。 5.6.35.6.3 挡板宽度的确定挡板宽度的确定 挡板的宽度 w 通常为搅拌罐罐体内径的（） 。故挡板宽度为： i d121101 mmdw i 67.1662000 12 1 12 1 （36） 取。mmw160 发酵罐搅拌装置的设计 第 21 页 共 42 页 5.6.45.6.4 挡板安装的确定挡板安装的确定 由于介质粘度为 100，故挡板要与搅拌容器内壁有一定间隙,取=smpa b s b s ， 挡板上缘低于液面 150mm，挡板下缘与罐体底封头的

47、切线齐平。 。mmw322 . 0 如下图： 图图 9 挡挡板安装方式示意板安装方式示意 6 6 传动装置传动装置 传动装置包括电动机、减速装置、联轴器、机座、轴封装置（填料密封、机械 密封） 、底座、封头、搅拌轴等，如下图所示： 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 22 页 共 42 页 1 电动电动机；机；2 减速器；减速器；3 联轴联轴器；器；4 机座；机座；5 轴轴封装置；封装置；6 安装底盖；安装底盖；7 凸凸缘缘封封头头法法兰兰 图图 10 传动传动装置装置 6.16.1 电机的选型电机的选型 由于采用双端面机械密封，则轴封摩擦损耗功率为： = 32 . 1 108 . 1 dpmkw27

48、 . 0 10658 . 1 32 . 1 （37） 根据电机功率计算公式，得 = （38） m n pp p kw63 . 8 9 . 0 27 . 0 5 . 7 圆整到电机产品系列中的额定功率值，取电机额定功率为 11kw 查机械设计手册 ，选用 y160m-4 型电动机，所选电机参数如下表： 表表 4 4 电动机的选型电动机的选型( (同步转速同步转速 1500r/min)1500r/min) 满载时型 号 额定 功率 /kw 额定 电流 /a 转速 r/min 效率 /% 功率因 数 cos 额 定 转 矩 额 定 电 流 最 大 转 矩 重 量 （b3） / y160m-4 112

49、31460880.842.27.02.3123 6.26.2 减速器的选型减速器的选型 查阅机械设计手册.单行本.减（变）速器.电机与电器釜用立式摆线针轮减 速器，根据电动机的额定功率，选用单级立式摆线针轮减速器，机型为 x6，具体参 数如（表 5）所示： 表表 5 减速器的选型减速器的选型 尺寸参考重量/ 机 型 h4h3 xl 型 x6395107162 6.36.3 联轴器的选用联轴器的选用 根据工作情况，由于搅拌轴较长，罐体内和罐体外都采用联轴器连接，选用凸 缘联轴器，其特点是刚性好，传动转矩大，结构简单，工作可靠，维护简单。 材料选用 35 号钢(gb 4385 级)，标记为 hg2

50、1570-95 联轴器 c65-35。如图： 传动装置 第 23 页 共 42 页 图图 11 凸凸缘联轴缘联轴器器 6.46.4 机架选用机架选用 结合安装底盖选型和搅拌轴直径，选用机架公称直径为，单支点mmdn300 b 型机架如图 12，标记为：hg21567-95 机架 b 300-80 具体尺寸见表 表表 6 6 机架尺寸表机架尺寸表 h 1 h 轴承 型号 机架质 量 （kg） 机 架 公 称 直 径 传 动 轴 轴 径 d 1 d ( 8 h ) 2 d 3 d 4 d 5 dn a 型 b 型 a 型 b 型 a 型 b 型 30 0 8 0 320 40 0 44 5 49

51、5 53 0 12- 22 79 5 104 0 27 9 39 9 4621 7 12 3 13 4 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 24 页 共 42 页 图图 12 单单支点支点 b 型机架型机架 6.56.5 凸缘封头法兰的选择凸缘封头法兰的选择 选用公称直径为的整体 r 型凸缘法兰(如下图 13)，法兰材料选用mmdn400 16mn,具体尺寸见表 7、8，标记为： hg21564-95 法兰 r 400-16mn。 表表 7 7 凸缘法兰的连接尺寸和结构尺寸凸缘法兰的连接尺寸和结构尺寸 质量 螺栓 碳钢或 整体不 锈钢 不锈 钢衬 里 凸缘 法兰 公称 直径 dn 1 d 2 d k3

52、 d 4 d 1 h 2 h 4 h 数 量 螺 纹 5 d 1 r 2 r 4004105655154304554285516m2426424652 表表 8 8 凸缘法兰的密封面尺寸凸缘法兰的密封面尺寸 r 型 dn 6 d 3 h 4004814 图图 13 r 型凸型凸缘缘法法兰兰 6.66.6 安装底盖的选用安装底盖的选用 结合凸缘法兰选型，选用公称直径为,机架公称直径为mmdn400 传动装置 第 25 页 共 42 页 整体上装式 rs 型，材料选用 16mn，垫片选用石棉橡胶垫片(代号 xb)，mmdn300 标记为：hg21565-95 底盖 rs 400-300-80-16

53、mn/xb。 图图 14 rs 型安装底盖型安装底盖 表表 9 9 安装底盖外形尺寸安装底盖外形尺寸 螺柱孔螺纹孔安装 底盖 公称 直径 机架 公称 直径 2 d k 数量 5 d 6 d 7 h 1 k 数量 7 d s 400300565515162632040012m2050 表表 1010 安装底盖外形尺寸安装底盖外形尺寸 螺纹孔传动轴轴径 d 9 d)( 7 h 2 k 数量 10 d 802042408m20 6.76.7 轴封装置轴封装置 机械密封是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的转轴密封， 机械密封在运转时，除了装在轴上的浮动环由于磨损须做轴向移动补偿外，安装在

54、 浮动环上的辅助密封则伴随着浮动环沿轴表面做微小的轴向移动，故轴或轴套被磨 损是微不足道的因而可免去轴或轴套的维修，由于机械密封的有点多，因此，在搅 拌设备上已被大量采用15。 根据工艺条件，选用双端面、介质侧和大气侧均为平衡型，系列代号 2006 型釜 用机械密封，其公称直径为 80mm,其零件材料为： 介质侧：旋转环材料为石墨浸渍酚醛树脂（bq）,静止环为碳化钨（u）,辅助密 封圈材料为氟橡胶（v），弹簧材料为铬镍钢（f）,轴套及箱体与介质接触部分（结 构件）均为铬钢（e）。 大气侧：旋转环材料为石墨浸渍酚醛树脂（bq）,静止环为碳化钨（u）,辅助密 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 26 页

55、共 42 页 封圈材料为氟橡胶（v）。 标记为：hg21751-95 ms-2006-080-bquvfebquv，具体尺寸见表 11 表表 11 机械密封外形尺寸机械密封外形尺寸 螺柱孔 轴径 d 1 d 2 d 3 d n 1 l 2 l 封液进出口 a、 b （英寸） 80275240204822160280g1/2” 图图 15 机械密封机构机械密封机构 6.86.8 搅拌轴底轴承选取搅拌轴底轴承选取 根据工艺计算，可以看出搅拌轴较长，为了避免轴在运转过程中的径向偏摆量 大，造成搅拌不稳定，本设计选用不锈钢底轴承。 底轴承的结构和尺寸见图 16 和表 12。结构特点：在不拆除搅拌轴的情

56、况下可 装、拆底轴承。 传动装置 第 27 页 共 42 页 图图 16 搅搅拌拌轴轴底底轴轴承承 表表 12 搅拌轴底轴承尺寸表搅拌轴底轴承尺寸表 d 1 d 2 d 3 dl 1 l 2 l 3 lb 806095105360200235135240 1 b 2 bh 1 hsl 1 l b d 90130310250101081716m 与底轴承相配的搅拌轴轴端尺寸如图 17 和表 13。 图图 17 搅搅拌拌轴轴底底轴轴端端 表表 1313 轴端尺寸轴端尺寸 mm 轴径序号d 1 dl 1 lb 56056.570103.2 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 28 页 共 42 页 7 7

57、发酵罐其它附件设计发酵罐其它附件设计 7.17.1 人孔选用人孔选用 查压力容器与化工设备实用手册上册，根据人孔承压情况和给定的工艺条 件，选用回转盖平焊法兰人孔，标准号为：。具体尺寸见图 18 和表 14。79580jb 图图 18 回回转转盖盖带颈带颈平平焊焊法法兰兰人孔人孔 表表 1414 常压人孔尺寸表常压人孔尺寸表 公称直径 g dsdwd 1 dabl 1 h 4504806590550325150200220 2 hb 1 b 2 bd 螺栓数 量 直径*长度 质量 10230222420167520m88.9 7.27.2 人孔补强圈设计人孔补强圈设计 开孔所需补强面积:a )

58、1 (2 ret fda （39） 封头的计算厚度为 6.13mm，由于所选封头与人孔补强圈的材料一样，所以，1 r f 得 发酵罐其它附件设计 第 29 页 共 42 页 2 306513 . 6 500mmda （40） 封头多余金属面积： 1 a )( 1 e dba （41） 有效补强宽度，得。mmdb10002mm e 10 2 1 1935mma 焊缝面积（焊脚取 6.0mm）： 2 a 2 2 0 . 60 . 65 . 02mma （42） 有效补强面积： e a 2 21 1941mmaaae （43） 所需另行补强面积： 3 a 2 3 1124mmaaa e （44） 补

59、强圈设计 根据人孔公称直径选补强圈，参考补强圈 jb/t4736-2002 标准，mmdn500 取补强圈外径，内径，因,补强圈在有效mmd840 2 mmd550 1 2 1000dmmb 补强范围内。补强圈厚度为： （45）mm dd a 9 . 3 290 1124 12 3 考虑负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为 8。mm 7.37.3 视镜选用视镜选用 查手册，选用不锈钢带颈视镜，公称直径为，公称压力mmdn80 ，标记为：带颈视镜 ，具体几何mpapn6 . 010pn80dn1486502hgj 尺寸见图 19 和表 15。 圆盘涡轮搅拌发酵罐设计 第 30 页 共 42 页 图

60、图 19 带颈视镜带颈视镜 表表 1515 带颈视镜尺寸带颈视镜尺寸 螺柱标准图号 dnpndd1b1b2 *s h d hh1 数量 n 直径 d 重量 kg 不锈钢 ii 800.6160130242489*4701208m126.4hgj502-86-14 7.47.4 工艺接管工艺接管 进料管口 d 采用无缝钢管，配法兰5 . 357 。9720593,50,6 . 0hgdnmpapn 出料管口 h 采用无缝钢管，配法兰489 。9720593,80,6 . 0hgdnmpapn 排气口管 c 采用无缝钢管，配法兰5 . 332 。9720593,28,6 . 0hgdnmpapn