沼气发酵反应釜的研究与设计-毕业论文

1、科类 工科 学号 本科生毕业论文沼气发酵反应釜的研究与设计Research and design of anaerobic fermentation reaction kettle 指导教师： 职称 大学 昆明 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 年级： 11级论文提交日期： 2015-05-13 答辩日期： 2015-05-17 答辩委员会主任： 年 月 日沼气发酵反应釜的研究与设计摘要 随着传统能源的消耗与污染问题日益增加，可再生能源如风能、太阳能、生物质能逐渐成为现代能源的重要组成部分。生物质能以其环保及节能的优点，越来越受到人们的重视。可以预测到在未来的能源消耗中

2、可再生资源将扮演者重要的角色。 我国是农业大国，农业的迅速发展为我国城镇居民提供丰富的粮食等农副产品的同时，其生产过程中产生的大量秸秆废弃物如果处理不当，直接焚烧或大量堆积，不仅会造成资源浪费，还会严重污染周边的水体，土壤及空气，对人类和生态环境造成危害。与各种处理方法相比，厌氧发酵技术因其具有显著的能源、生态，经济和环保效益， 而广泛地应用于处理有机废弃物，这将促进生态农业建设。 我们主要设计一套用于作物秸秆发酵产生沼气实验设备，装置由发酵罐部分与集气装置部分组成， 具有操作方便，浆叶要求设计为可以进行调节（主要包括桨叶的类型、桨叶的高度、桨叶转速的大小），整套发酵装置要求拆装方便，有相应的

3、检测及控制装置， 运行稳定等特点， 适宜于实验室研究使用。关键词: 生物质能、作物秸秆、厌氧发酵、发酵罐。Research and design of anaerobic fermentation reaction kettle As the traditional energy consumption and pollution problem increasingly, renewable energy sources such as wind, solar, biomass energy has gradually become an important part of modern e

4、nergy. Biomass for its environmental protection and energy saving advantages, more and more get peoples attention. Can predict the future of the energy consumption of renewable resources will plays an important role. The rapid development of our country is agricultural country, agriculture for urban

5、 residents in China rich in grain and other agricultural and sideline products, the production process of a large number of straw waste if not handled properly, direct burning or a large number of accumulation, not only will cause the waste of resources, will seriously pollute nearby bodies of water

6、, soil and air, cause a harm to human and ecological environment. Compared with all kinds of processing methods, anaerobic fermentation technology because of its remarkable energy, ecological, economic and environmental benefits, and widely used in the treatment of organic waste, it will promote the

7、 construction of ecological agriculture. We mainly design a set of used in crop straw fermentation to produce anaerobic laboratory equipment, apparatus is composed of fermentation tank sections and gas collecting device, is convenient to operate, design for the blade can be adjusted (mainly includin

8、g the type of blade, blade height, the size of the blade rotation speed), a complete set of fermentation device requires the tear open outfit is convenient, have corresponding detection and control equipment, stable operation, etc, suitable for laboratory research use. Key words:Biomass energy, Crop

9、 straw, Anaerobic fermentation, Fermentation tank. 1 前言31.1引言31.2国内外生物质能沼气化设备的发展现状42 沼气发酵过程原理及发酵罐设计标72.1生物质沼气化原理72.2发酵系统的设计参数及性能指标93.发酵罐的设计93.1确定发酵罐的筒体的尺寸93.2封头的尺寸设计163.3筒体与各封头的连接193.4预发酵罐的气压试验223.5夹套的结构设计233.6挡板的设计263.7支承件的选择27第四章 物料的输送设备354.1秸秆物料的输送354.2发酵液的输送364.3阀门的选取374.4连接管道的选择385传感器的选择385.1温度

10、传感器的选择：385.2压力传感器的选择：405.3PH传感器的选择则42参考文献42致谢431 前言1.1引言生物质是由植物的光合作用固定于地球的太阳能，每年经光合作用产生的生物质约 1700 亿吨,其能量约相当于世界主要燃料消耗的 10 倍，而生物质作为能源的利用量还不到其总量的 1%【1】。目前，生物质能是唯一的可再生又可直接贮存与运输的能源，是仅次于煤炭、石油和天然气的第 4 大能源资源【2】。生物质的主要组成成分是碳、氢和氧，它们占生物质总量的 95%以上，与常规的矿物能源如石油、煤等相比，生物质能不仅有 与它们相似的的内部结构和特性，而且有它们不可媲美的优势。生物质能是一种随处可见

11、，普遍而廉价的能源，只要太阳辐射能没有消失，植物的光合作用就会继续，生物质能就源源不断。而且与矿石燃料相比生物质炭活性较高，含硫、含氮量较少，挥发组分高，灰分少，燃烧后SO、灰尘等的排放量也小得多，是一种清洁燃料。生物质的这种低排放，永不枯竭的自然特性自然得到了人们广泛的重视。因此，我们可以充分利用已发展起来的相同或相似的矿石燃料利用技术对生物质进行处理和利用以代替矿石燃料， 从而减少对矿物能源的依赖，减轻能源消费对自然环境造成的污染。目前，全球各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用 技术，以达到保护矿产资源，保障国家能源安全，实现 减排，保持国家经济可持续 发展的目的

12、。我国拥有丰富的生物质资源，据测算，中国理论生物质能资源有 50 亿吨左右【3】。可供开发利用的资源主要有农业废弃物、林业废弃物、禽畜粪便、工业有机废 弃物和城市固体有机垃圾等。我国政府也大力提倡和鼓励发展可再生能源、节约能源， 建设节约型的社会。同时，一系列的法律、法规和综合利用政策的出台，保障了生物质能开发利用处于良好的政策环境。应当说当前是开发和利用生物质的好时机，其发展前景十分广阔。生物质能源的开发利用技术主要包括：生物质直接燃烧、生物质气化技术、生物质 液化技术、生物质沼气化技术以及生物质固化技术。世界上许多国家，都已经制定了适合自己的生物质能源开发利用计划，并取得了一定的成绩，如美

13、国的能源农场，印度的绿色能源工程等。对中国而言，我国正处在社会经济发展的重要阶段，发展适合我国国情的生物质能源利用技术，显得尤为重要。因此，我们的设计重点是为研究以生物质沼气化技术提供一套完整的可行的，可以满足实验需求厌氧发酵装置，对生物质能源的合理利用具有实践指导意义。1.2国内外生物质能沼气化设备的发展现状1.2.1国内生物质沼气化设备的发展现状 沼气发电机组的研发在专业制造商的参与下得到了较大提高，由于国家政策的导向、生物质能产业的兴起以及大中型沼气工程的快速发展，沼气发电已经开始引起了众多投资者和制造商的重视。一些有实力的发电设备制造企业先后将沼气发电设备的研制、生产与市场营销列入了近

14、期重点发展领域之一。特别是从2000年起，我国沼气发电技术的研发和设备制造水平在专业制造商的参与下有了长足的长进，主要表现在：技术研发上了一个新台阶 中国沼气发电技术的研发已有二十年的历史，特别是在近十年期间有一批科研单位和专业制造商重点从事沼气发电技术的研究及沼气发电设备的开发，并走出国门引进发达国家的先进技术与关键部件，如：“十五”科技攻关课题大型高效厌氧沼气发电技术及示范电站的研究成果之一是研制出600GFN1大功率沼气发电机组为增压、中冷、高速内燃机组。该机组首次采用了机械式单缸可调缸内沼气喷射的内混方式，与高能量智能化点火系统和高压缩比燃烧系统相结合，使单台机组平均有效压力达784k

15、Pa，气耗率0573NmSkW*h，机组的热效率1292，主要性能指标国内领先水平，接近国外同类机型的先进水平，填补了我国大功率沼气发电机组的空白(课题研究单位：农业部沼气科学研究所、杭州能源环境工程设计所、济南柴油机股份有限公司、太仓新太酒精有限公司)；“胜动”经过多年实践与努力，在燃气发电机组的开发方面取得了电控混合技术、多点电控技术等10多项专利技术；“潍柴”除拥有现代化的研发中心及国内一流的产品实验室和试验检测设备，还与国际著名的柴油机研发机构结成战略联盟，在欧洲设立了研发中心；“济柴”引进美国的I-DEAS软件，对燃气发电机组零部件的实行三维图形设计、有限元分析、机构运动仿真分析和装

16、机干涉分析等，大大提高了发电机组的研究与开发水平。由于专业研究单位与有实力的专业制造商的联手与介入，使得国内新一轮开发出来的沼气发电机组，已不再是过去简单改装内燃机的发电机组。新研发和生产的沼气发电机组在性能方面和质量方面已缩小了与国外先进机组的差距，特别是大功率机组的各项性能已经接近国外先进机组的技术指标。沼气发电机组已逐渐进入专业化和系列化的生产阶段 目前我国沼气发动机是以内燃气体发动机为母体，燃烧组织的优化设计与过程控制是根据沼气的燃烧特性确定的，安全防范和预警等系统实施自动化控制。关键部件(如燃气控制系统、点火系统、数据检测系统和火花塞等)均采用进口产品(从美国、德国、奥地利和日本等发

17、达国家引进)，而机体和零(部)件则由国内知名专业制造商供应，其机组的组装也是在专业生产线上完成的。出厂的每一台机组都经过严格的检验和台架试验，因此机组的质量能得到有效的控制。可以说，沼气发电机组已逐渐进入专业化和系列化的生产阶段，沼气发电机组的整体质量已在逐渐接近国外先进国家的制造水平。 据不完全统计，国产沼气发电机组已有10kW-600kW系列产品问世，其中以40kW、80kW、200kW和500kW的机组居多，而且也比较成熟。如“胜动”的沼气发电机组的功率规格分别为24kW、40kW、120kW、300kW和500kW；“潍柴”的沼气发电机组规格为30kW、50kW、120kW和200kW

18、；“济柴”的沼气发电机组功率规格分别为40kW、500kW、600kW和700kW。 另外，据资料和有关文献查询，重庆红岩机械厂和无锡柴油机厂等企业也利用柴油机改装生产沼气发电机组。河南、河北、广东和江苏等地根据养殖专业户和养殖小区的实际特点，也研发和生产出了小至1kW以下，大到10kW的小型沼气发电机组，这些都为我国沼气发电事业的大规模发展提供了技术和产品支撑。1.2.2国外生物质能沼气化设备的发展现状 自1990年以来，生物质气化及发电技术在发达国家尤其是欧盟国家发展非常迅速，如奥地利、瑞典、法国、德国、芬兰、挪威、丹麦等。其中芬兰由于没有化石燃料资源，因此，大力发展用林业废弃物、造纸废弃

19、物等生物质发电，目前生物质发电量占本国发 电量的 11%，成为欧盟国家中利用生物质发电最成功的国家之一【4】。 2002 年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以后，全球生物质能的开发利用得到了迅速的发展。截至2004 年，世界生物质发电装机已达 3900 万千瓦，年发电量约2000亿千瓦时，可替代7000万吨 标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和【5】。预计到 2020 年，西方发达国家15%的电力将来自生物质发电，而目前生物质发电只占整个电力生产的 1%。届时，西方将有 1 亿个家庭使用的电力来自生物质发电，生物质发电产业还将为社会提供 40 万个就业机会。 在欧洲，生物质与煤间接混

20、合燃烧技术目前已进入商业化运行，技术上被认为是相当成熟。例如，位于奥地利 Styria 的 Zeltweg 电厂，采用循环流化床技术，以空气为气 化剂气化木柴，产生可燃气体输入锅炉的燃烧室和烟煤一起燃烧，超过 5000t 的生物质被气化和燃烧，目前系统运行效果良好。此外，芬兰的 Lahti 电站与荷兰的 Amer 电站的9号机组，均是生物质与煤间接混燃技术成功运用的案例【6】。综上将国内外生物质沼气化设备及技术进行对比可以看出，我国在这方面虽然有相关的研究，但是应用并不到位。尤其是我国的能源结构不合理，过分依赖煤炭，污染严重，能源利用效率低已经成为制约我国国民经济发展的重要瓶颈。据国家发展和改

21、革委员会的数据，我国已成为世界第二大能源消费国，2003年，我国能源消耗总量为168亿吨标准煤。其中，煤炭占671，原油占227，天然气占28，可再生能源占73。农村生活用能结构不合理，品质不高，设施落后，浪费严重的现状，又使农村能源供求矛盾有增无减。目前大部分农村仍以秸秆、薪柴和畜粪直接燃烧作为主要用能方式，约占60-70，商品能源，新能源及可再生能源只起补充和替代作用。这种不合理的用能结构直接制约着农村经济的发展，又使本该回到生态系统中参与能量和物质循环的有益原料白白烧掉了，导致了土壤肥力不断下降，生态环境进一步恶化，增加了生产成本，减少了农民经济收入。德国，法国等欧洲经济强国已开始大量利

22、用农作物秸秆这一可再生且廉价的资源。具体到本国的自然环境及经济情况，通过厌氧发酵的途径把生物质有机废水等物质转化为可被利用具有热值的沼气，一方面可以在一定程度上缓解我国因经济快速发展对能源的需求，另一方面，由于使秸秆能够被利用产生可再生资源，不仅使农民不要辛苦的收集并堆积秸秆，更为重要的是，这样做可以减少农民对多余秸秆的焚烧，从而避免其对环境造成的污染及其影响，简言之，通过厌氧发酵产沼气是一种符合可持续发展的有利方案。不仅使生物质资源得到了很好的利用，而且避免了传统的度秸秆进行焚烧所造成的比好的影响。1.3本次设计的主要内容 目前国内的生物质能源的开发利用主要以生物质直接燃烧发电和并联燃烧发电

23、为主。将生物质能沼气化大多还处在示范工程研究阶段。 根据上面的介绍可知，面临全球能源短缺和环境恶化的现状，生物质能作为一种相对稳定的可再生资源被认为是化石燃料的很好的代品。传统的直接燃烧生物质并不能高效地利用生物质能，也不能有效地改善环境问题。如何高效利用生物质能，此次设计提出了采用生物质沼气化技术，为此，本次主要致力于以下几个工作：（1） 了解生物质沼气化原理和过程。有机物质在厌氧的条件下，被多种发酵微生物分解转化的过程叫沼气发酵，又叫厌氧发酵或厌氧消化。微生物分泌的酶，是一类具有特殊催化能力的蛋白质，它能引起和加速动植物残体发生分解，对有机物的分解转化过程，起着至关重要的作用。沼气发酵是一

24、个非常复杂的反应过程。一般情况下，可将参与沼气发酵的微生物分为三类，它们是发酵细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌，相应其发挥的不同作用，可将沼气发酵的生化过程分成三个阶段：第一是水解阶段，由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进一步形成丙酮酸；把蛋白质水解成氨基酸，并进一步形成有机酸和氢；把脂类水解成甘油和脂肪酸，并进一步形成丙酸、乙酸、丁酸、R和C02的过程；第二是产酸阶段，由厌氧的产氢产乙酸细菌群，把第一阶段产生的各种有机酸分解成乙酸、H：和CO：的过程；第三阶段是产甲烷阶段，由严格厌氧的产甲烷菌群利用CO：、甲醇、甲酸、甲基胺或CO等一碳化合物、乙酸等二碳化

25、合物和H：产生甲烷的过程。 （2） 对作物秸秆发酵产生沼气实验设备进行合理的设计，设计合适的高径比，确保罐体有足够的强度，浆叶要求设计为可以进行调节的，具有操作方便，拆装方便的特点。2 沼气发酵过程原理及发酵罐设计标2.1生物质沼气化原理 厌氧发酵产沼气理论。沼气是对于经常在沼泽、池塘、粪坑、污水沟、城市下水道等处的底部冒出的气体的俗称，这种气体具有可燃性。沼气最早是由意大利物理学家于1776年发现的，认为其与在湖波中沉积的腐烂植物体有关系，并分析了其成分，沼气是一种可燃性气体混合物，略比空气轻，但其成分非常复杂，除了最主要的成分甲烷、二氧化碳以外，还含有少量的CO、等气体。由于沼气然后主要产

26、物为二氧化碳和水，所以是一种方便、清洁的气体燃料，因而可以广泛应用于生产生活中。如今随着环境污染的加重和人们环保意识的提高，沼气发酵越来越受到人们的重视。沼气发酵是一个复杂的微生物学过程。目前为大家所公认的沼气发酵过程如图2-1所示。其中参与沼气发酵活动的细菌共有五大类：发酵性细菌；产氢产乙酸菌；耗氢产乙酸菌；食氢产乙酸菌；食乙酸产甲烷菌。各种复杂有机物，无论是固体或是溶解状态，都可以经微生物作用而最终生成沼气。沼气的产生通常可以分为三个阶段【7】：复杂有机物（多糖、纤维素类）可溶性物质（糖类、氨基酸等）丙酸、丁酸等图2-1沼气发酵过程示意图 第一阶段是液化阶段。在微生物胞外酶的作用下，如纤维

27、素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解，将多糖水解成单糖或二糖，蛋白质转化成肽和氨基酸，脂肪酸转变为甘油和脂肪酸，也就是将固体有机物转化成可溶性物质。 第二阶段是产酸阶段。液化产物进入微生物细胞，在胞内酶的作用下，转化成低分子化合物，如低级脂肪酸、醇等，其中主要是挥发性酸包括乙酸、丙酸和丁酸，乙酸所占比例最大，约占80%。因此，第二阶段称为产酸阶段。第一和第二阶段是一个连续过程，统称为不产甲烷阶段。在这个阶段中，除形成大量的小分子化合物外，还产生大量的二氧化碳和少量的氢气，这些都是合成甲烷的物质。因此，可把不产甲烷阶段看成是一个合成甲烷的准备阶段，即将复杂的有机物转化成可供沼气细

28、菌利用的物质，特别是低分子的乙酸。乙酸是脂肪、淀粉和蛋白质发酵后，所形成的一种最普通的副产物。大致70的甲烷都是在发酵过程中有乙酸形成的，它可以为甲烷提供丰富的营养，为产生大量甲烷奠定物质基础。 第三阶段是产甲烷阶段。在此阶段中，产氨细菌大量活动，使氨态氮浓度增高，氧化还原势降低，为甲烷菌生活提供适宜的环境。在甲烷细菌的作用下，将产酸阶段合成甲烷基质的产物，进一步转化成甲烷。人工制取沼气的方法叫做厌氧消化，这是在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使有机物发酵而分解。沼气发酵的三个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。在沼气发酵初期，第一、二阶段起主要作用，也有第三阶段作用；在沼气发酵后期，则

29、是三个阶段的作用同时进行，到一定时期，保持一定的动态平衡才能持续而正常地产气【8】。2.2发酵系统的设计参数及性能指标因为沼液的发酵产气过程分为不同的三个阶段，所以在整个发酵过程中要求设计多个罐体，用于观察和检测沼液在不同的发酵阶段的产气情况和发酵情况。初步预计设计4个罐体，分别为预发酵罐、一次发酵罐、二次发酵罐和一个备用发酵罐。发酵罐是工业上用来进行微生物发酵的装置。在设计和加工中应注意结构严密，合理。能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少（避免死角）、物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。在设计过程中主要考虑发酵温度、工

30、作介质、工作压力、装料量、搅拌器、及传热面积等。厌氧发酵可在较为广泛的温度范围内进行，一般来讲，在 4 至65的范围内都能进行。国、内外许多学者曾系统的研究了温度对厌氧发酵产生沼气量的影响， 发现在一定温度范围内， 温度越高， 其产气量也会越高， 但并不是呈线性关系。研究发现温度在37和 52左右有两个产气高峰， 所以工艺上常依照此划分为常温发酵 (即自然温度)、中温发酵(30- 45)、高温发酵 45- 60)三种厌氧发酵类型 。我们实验在35-38间，属于中温发酵。发酵罐内主要是水和秸秆的混合物，PH接近中性，对罐体的腐蚀性较小，夹套和罐体之间采用水冷却的方式。沼液发酵罐中的压力主要是发酵

31、过程中产生沼气的压力，容器内压力0.2Mpa，属于低压容器（0.1MpaP1.6Mpa）。因为我们做得是试验设备，所以要求搅拌的桨叶是可以调节的，所以桨叶的转数、形式和功率都有不同的数据。具体的设计参数和特性参数如表2-1所示。表2-1 设计参数和技术特性指标名称指标工作压力罐内0.2Mpa夹套内0.3Mpa工作温度罐内50夹套内50工作介质罐内轻微腐蚀性物料夹套内水3.发酵罐的设计3.1确定发酵罐的筒体的尺寸 筒体通常由多个筒节焊接而成，每一个筒节通常由钢板卷焊而成或取自大口径的无缝钢管，在某些特殊的场合也有采用铸造和浇注的方法制造。对于用钢板卷制的筒体，其内径必须符合公称直径的数值。对于直

32、径较小的筒体，为方便计算，可选用无缝钢管制造，由于钢管的内径会因为不同的厚度规格而变化，故取其外径为公称直径。设计筒体的公称直径时除满足工艺要求以外，还必须按照表3-1中的规定，否则就没有标准的封头可与之配合，这样就给制造增加了难度。表3-1 压力容器的公称直径（DN）【9】600（650）7008009001000（1100）1200（1300）1400（1500）16001800（1900）20002200（2300）240026002800注：带括号的公称直径尽量不要采用。以上只选取了部分数据。确定罐体的内径D（公称直径）和筒体的高度H：3.1.1罐体的高径 选择罐体的高径比主要有3方面

33、的考虑，即高径比对搅拌功率的影响，对传热的影响以及物料反应特性对高径比的要求。（1）高径比对搅拌功率的影响： 一定结构形式搅拌器的叶轮直径和其装配的搅拌罐体内径通常由一定的比率范围。随着罐体高径比的减小，搅拌器浆叶轮的直径也就会相应的增大。在固定的搅拌转数下，搅拌器的功率与叶轮直径的5次方成正比。所以，随着罐体直径的增大，搅拌器的功率将会增加很多。（2）罐体高径比对传热的影响：罐体高径比对夹套传热有显著的影响。容积一定时高径比越大则罐体盛装物料部分的表面积越大，夹套的传热面积也就越大。同时，高径比越大，传热表面距离罐体重心也越近，物料的问题梯度也就越小，有利于提高传热效果。（3）物料特性对高径

34、比的要求： 某些物料的搅拌反应过程对罐体的高径比有这特殊的要求，例如有的在反应过程中需要大量的氧气，为了使通入罐体内的空气与罐体内的发酵液有充分的接触时间，就会在设计时有意的增加高径比的值。 根据实践经验，几种搅拌罐的高径比大致如下表3-2.表3-2 几种搅拌罐的H/D值【10】种类设备内的物料类型H/D一般搅拌罐固液两相或液液相物料1-1.3发酵罐类1.7-2.5 由于我们设计的发酵罐进行发酵的物料主要是秸秆物料，在这里我们的高径比的取值是按照固液两相物料进行取值的。所以H/D的取值是1-1.3。先计算第一个预发酵罐的几何尺寸：对于机械搅拌发酵罐，取高径比为H/D=1选取搅拌罐装料系数为,已

35、知装料量【10】 （3-1）初步计算筒体的直径：为了方便计算，先忽略封头的容积，认为【10】： (3-2)将(3-2)式中的高度H代换后可以得到【10】： (3-3)将(3-2)带入到(3-3)并整理后得到【10】： (3-4)确定筒体的高度将计算出来的结果整理成标准的公称直径，带入H/D=1进行计算高度H。H确定后计算筒体的容积。首先对预发酵罐进行筒体尺寸的确定：要求与发酵罐的公称容积大致在0.5。的值取0.8。高径比取值为1。将以上取值带入公式（3-4）进行计算： 926.7mm。因为还要加行上下两个封头的体积，再参照 表3-2 压力容器的公称直径（DN）。此处当D的取值为900mm，加上

36、各封头容积后经过计算后罐的整体体积过大。所以筒体的高度H的值也为800mm。同时因为高径比的取值为1，则筒体的体积 。3.1.2确定筒体的厚度 工程上常用的容器一般都是圆筒形壳体、球形壳体和锥形壳体及椭球形壳体。我们所设计的四个发酵罐都是采用圆筒形壳体。 对于圆筒形壳体，周向应力是经向应力的两倍【9】： （3-5） （3-6） 为筒体的经向应力，； 为筒体的周向应力，；P 为圆筒的设计压力，；R 为圆筒的内直径，mm；t 为圆筒的计算厚度，mm；设圆筒的直径为D，厚度为t，受到均匀的内压P作用时，产生的薄壁膜应力为【9】： （3-7） （3-8）根据强度理论，要保证结构安全，其最大应力应小于许

37、用应力。对于薄壁圆筒则有【9】： （3-9）但是实际上大多圆筒都是由钢板卷制而成，焊缝区可能会存在某些焊接缺陷，从而导致该区域的金属强度低于母材强度，因此在（3-9）公式中材料的许用应力应乘以一个小于或者等于1的焊接接头系数【9】，即： （3-10）焊接接头系数：多数容器采用焊接结构，焊接可能会存在缺陷（如未焊透、气孔、夹渣等），使得焊缝热影响区往往成为容器强度较为薄弱的环节，因此在设计中用焊接接头系数表示焊缝热影响区金属与母材强度的比值，反应容器强度受削弱的程度。焊接接头系数的大小应根据受压元件的焊接接头形式及无损检测长度比例确定，具体可以根据表3-3规定选取。表3-3 焊接接头系数【9】焊

38、接接头形式无损检测要求值双面焊对接焊头或相当于双面焊的全焊透对接接头100%1.00局部0.85单面焊对接接头100%0.9局部0.8对（3-10）进行整理，可得【9】： （3-11）上式中t 是筒体安全承压所需要的最小理论厚度，mm；D 是筒体的内直径，mm；P 筒体的设计内压力，； 是筒体材料在设计温度下的许用应力，； 是焊接接头系数。腐蚀裕量实际容器会受到介质和周围大气对材料产生腐蚀作用，因此在计算筒体厚度时在厚度t的基础上还要增加一个腐蚀裕量。腐蚀裕量的取值根据介质对金属材料的腐蚀程度和预期容器的使用寿命来确定。厚度负偏差 在筒体厚度的设计基础上，考虑到钢板可能出现的钢板厚度负偏差，钢

39、板厚度负偏差可以根据表3-4进行选择。表3-4 热轧钢板厚度负偏差【9】钢板厚度22.52.5-33-3.5负偏差0.180.200.220.25注：该表为一部分厚度负偏差取值。并向上取圆整值至标准规格厚度，就可以得到圆筒的标准厚度【9】，即：上式中： （3-12）筒体的名义厚度，mm；t 是筒体安全承压所需要的最小理论厚度，mm；腐蚀裕量，mm；钢板厚度发偏差，mm；材料使用304不锈钢（0Cr18Ni9钢板 ）下列各表表是0Cr18Ni9钢板相关的数据；表3-5钢板的化学成分【10】化学成分所占百分比%CSiMoPSCrNi0.071.002.000.0350.03017-198-11表3

40、-6 GB150推荐的的高温屈服强度【10】板厚（mm)在下列温度()下的屈服强度（)不小于 100150200250300260171155144135127表3-7 钢板的许用应力【10】板厚（mm)在下列温度()下的许用应力（) 201001502003002601371371371301141371141039685表3-8 钢板的力学性能【10】拉伸试验硬度试验（）（）（%）HBHRBHV520 205 40 18790200 罐体内的设计压力为0.2，由于罐体内液体的静压力比较小，此处忽略不计。钢板的厚度预计在260mm，发酵温度在100以内，故查表3-8可得 =114。焊接采用单

41、面焊对接接头，并经局部无损探伤，查表8-1可得。将这些数据带入（3-11）可得： =0.8772mm为方便计算，此处t取值为1mm；钢板的负偏差根据表3-5，取值为0.18mm。腐蚀裕量的取值为1mm。 市场上不秀刚的厚度时有一定标准的，计算过程过程中取值要符合表3-10 不锈钢材质的厚度标准表。3-9不锈钢材质的厚度标准【10】标称厚度实际厚度材质2012023043211.0 0.76/0.80.9 0.9 0.9 1.2 0.96/1.01.0 1.1 1.1 1.5 1.25/1.3/1.41.3 1.4 1.4 2.0 1.66/1.7/1.81.7 1.8/1.91.8 2.5 2

42、.2 2.2 2.3 2.3 3.0 2.7 2.7 2.8 2.8 带如公式（3-12）得： =1mm+0.18mm+1mm+ =2.18mm+根据不锈钢材料的厚度标准，考虑到焊接的可靠性和钢板的实际厚度等综合因素。取筒体的名义厚度为3mm。3.2封头的尺寸设计封头是发酵罐容器的重要组成部分。实际工程中最常用的封头包括凸形封头、锥形封头及平板封头。因为我们设计的是试验用的装置，罐体内的搅拌设备可能要随时做出调整（可能要根据试验要求跟换桨叶的类型、调整桨叶的高度等）所以要方便拆装，这里将上封头设计为平板封头，与筒体间采用法兰连接，这样可以方便桨叶的跟换和调整。3.2.1上封头的设计及计算所选取

43、的筒体的上封头为平板封头，直边高度为40mm。根据公式（3-11）进行计算可得： =0.8772mmt取值为1mm上封头由于外无夹套，故无物料腐蚀，负偏差取值为0.18mm。还有上封头上需要开物料入口，电机插口及观察视镜口等，这些开口都将会造成封头整体强度的降低，所以将其厚度在理论值的基础上增加1mm。并在封头上加两条加强筋。 =1mm+0.18mm+ =2mm。 为了便于制造和配合，封头常与筒体的厚度相同，即筒体和封头的厚度都为3mm。上封头的容积 ： =0.02013.2.2下封头的设计及计算 下封头设计为锥形封头，锥角为90（）。在下封头的底端接有直径为100mm的出料管。下封头的厚度的

44、计算公式【9】： 承受内压的锥形壳体 （3-13） （3-14） 由上式可知，锥形壳体的周向应力是经向应力的两倍，计算时按周向应力值计算，还有随着点位置的不同，所承受的应力也不同，由公式可知在锥底的应力最大，而在锥顶的应力则为零，所以锥形开孔一般在锥顶开孔。由（3-14）可得：=1.1165mm负偏差取值为0.18mm。腐蚀裕量的取值为1mm。带如公式（3-12）得：=1mm+0.18mm+1mm+ =3mm。下分头的容积为+=0.16643.2.2下封头的设计及计算至此，与发酵罐的筒体和上、下封头的体积及强度计算都已经完成。接下来计算罐体的总体积V，总体积等于筒体的体积和上下封头的体积之和。

45、即：=0.4021+0.0201+0.1664=0.5886公称体积= =0.58860.8=0.4709 实际公称体积和发酵罐的设计公称体积相差不多，所以该设计可以采用。3.3筒体与各封头的连接下封头和筒体间采用焊接的方式连接：因为封头和筒体的厚度都为3mm，都比较薄，所以在焊接的时候直接焊接，不用开坡口，采用手工焊接，建议使用焊条A107。A107不锈钢焊条符合 GB E308-15。说明: A107是碱性药皮的Cr19Ni10不锈钢焊条。熔敷金属具有良好的力学性能及抗晶间腐蚀性能。采用直流反接，能进行全位置焊接。 用途: 用于焊接工作温度低于300的耐腐蚀的0Cr19Ni9型不锈钢结构，

46、也可焊接一些可焊性较差的钢材（如高铬钢等）以及堆焊不锈钢表面层。 上封头与筒体间的螺栓连接：确定压力容器的螺栓连接尺寸，带密封圈，如图b。容器的内径D=800mm，气压为0.2，螺栓数Z=5，容器的凸缘厚度=15mm，容器材料为304不锈钢。按静压力确定螺栓直径：作用于上封头上的压力【11】 （3-15）根据（3-15）计算作用在上封头压力为： 作用于每个螺栓的外载荷为【11】 （3-16）根据（3-16）计算作用在每个螺栓的外载荷为： 压力容器有气密性要求，取残余预紧力为【11】： （3-17）根据（3-17）计算残余预紧力为： 因此，总预紧力为【11】： （3-18） 螺杆材料采用10.9

47、级40Cr钢，由表3-11可知。表3-10螺栓、螺柱的性能等级【11】性能等级8.89.810.912.9公称抗拉强度80090010001200屈服强度6407209001080硬度/245286316380 按不控制预紧力计算，预计螺杆为M16M30。根据表3-11，取安全系数S=4。表3-11 螺杆连接的安全系数S【11】受载荷类型静载荷动载荷螺栓连接按不控制机预紧力计算M6M16M16M30M30M60M6M16M16M30M30M60碳钢5442.52.52碳钢12.58.58.58.512.5合金钢5.7553.43.43合金钢106.86.86.810螺栓的危险截面应力为【11】

48、： （3-19） 螺栓的危险截面积【11】： （3-20） 根据表3-13查找螺栓的应力截面积，当螺栓的应力截面积大于螺栓的危险截面积就满足强度要求。表3-12螺杆代号及应力截面积【11】代号M16M18M20M22M24M2730应力截面积/157192245303353459561 根据表3-12螺杆代号为M24的应力截面积为353，大于计算螺栓的危险截面积=330.91。 综上：上封头和筒体的连接采用5颗10.9级40Cr钢代号为M24的螺杆连接。上封头与筒体间的垫圈采用橡胶垫圈，垫圈的内径810mm，外径为830mm。厚度为5mm。3.4预发酵罐的气压试验气压的试验压力规定为【9】：

49、（3-21）为试验压力，；P为设计压力，；为容器在试验温度下的许用应力，；为容器在设计温度下的许用应力，；=114=1.150.2=0.23压力容器的应力校核【9】： （3-22）为试验压力下发酵罐的薄膜应力，；为试验压力，；D为罐体的内径，mm；t为罐体的有效厚度，mm；（在这里取罐体的有效厚度为2mm）进行气压试验时【9】： （3-23）罐体材料在试验温度下的屈服点，；为焊接接头系数。（取值0.8，前面已经确定。）所以的材料为304不锈钢，查表3-9可以得到=205。 （3-22）=40.1因为，所以预发酵罐满足强度校核条件，说明以上设计可以使用。3.5夹套的结构设计3.5.1夹套尺寸的设

50、计 夹套在罐体外侧，以焊接或法兰连接的方法装设各种形状的钢结构，使其与罐体的外表面构成一个封闭的空间，在这个空间内通入热流体，用来加热或者冷却物料，以维持物料的温度在预定的范围内。根据夹套结构形式的不同，可以将其分为多种类型，如整体形、半圆管形、型钢形及蜂窝形等。 在这里我们采用整体形夹套，这种夹套结构简单方便，基本上不需要维修。我们所设计的罐体体积也比较小，适合选用整体形夹套。夹套直径确定：根据所设计的罐体的直径来确定夹套的直径，具体参照表3-13进行选取。表3-13 整体夹套直径的确定【12】DN, mm500-600700-18002000-3000D , mmDN+50DN+100DN+200我们预发酵罐的直径为800mm，所以夹套的直径为D=DN+100=800+100=900mm。夹套传热面积：传热面积是指罐体