12立方米搅拌装置毕业设计1

第页1.2m3反应釜设计摘要带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体或气体物料混匀，促进其反应的设备。一台带搅拌的夹套反应釜。它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。本文主要介绍的时一种推进式夹套反应釜设计，包括整体结构设计、强度校核以及一些工艺设计。夹套反应釜分罐体和夹套两部分，主要有封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置有搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺而定；传动装置主要有电动机、减速器、联轴器和传动轴等组成；轴封装置一般采用机械密封或填料密封；它们及支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。

关键词：反应釜、筒体设计、夹套设计、法兰、接管、焊缝、开孔补强

1.2m3reactordesignAbstractAstirredjacketedreactoristhechemical,pharmaceuticalandfoodindustriesinthetypicalreactiontooneofthedevicesused.Itisacertainpressureandtemperature,bymeansofastirrertoavolumeoftwo(ormore)ofliquidandtheliquidorgas,Bodymaterialmix,promotingthereactionofthedevice.Ajacketedstirredreactor.Itmainlyconsistsofmixingvessel,astirringdevice,transmissiondevice,theshaftsealingdevice,bearing,manholes,pipeconnectionandsomeaccessories.Thispaperdescribestime-jacketedreactoronekindpushdesign,includingtheoverallstructuraldesign,strengthcheck,andsomeprocessdesign.Jacketedreactortankandajacketoftwoparts,themaincompositionandthecylinderhead,mostlyinlowpressurevessel;stirringmeanswithastirrerandthestirringshaft,whoseformisusuallydeterminedbytheprocessand;transmissionmainmotor,reducer,couplingsanddriveshaftsandothercomponents;sealdevicecommonlyusedmechanicalsealorpackingseal;themwithsupport,manholes,andotheraccessoriestakeoverprocess,togetherconstituteacompletejacketedreactor.Keywords:reactor、cylinderdesign、jacketdesign、flange、receivership、welds,openingreinforcement

引言反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，根据不同的工艺条件需求进行容器的结构设计及参数配置，设计条件、过程、检验及制造、验收需依据相关技术标准，以实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配反应功能。压力容器必须遵循GB150{钢制压力容器}的标准，常压容器必须遵循NB/T47003.1-2009{钢制焊接常压容器}的标准。随之反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于非标的容器设备。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工艺过程的容器。反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制（搅拌、鼓风等）、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。

第1章绪论1.1反应釜的用途反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，根据不同的工艺条件需求进行容器的结构设计及参数配置，设计条件、过程、检验及制造、验收需依据相关技术标准，以实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配反应功能。压力容器必须遵循GB150{钢制压力容器}的标准，常压容器必须遵循NB/T47003.1-2009{钢制焊接常压容器}的标准。随之反应过程中的压力要求对容器的设计要求也不尽相同。生产必须严格按照相应的标准加工、检测并试运行。不锈钢反应釜根据不同的生产工艺、操作条件等不尽相同，反应釜的设计结构及参数不同，即反应釜的结构样式不同，属于非标的容器设备。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工艺过程的容器。反应釜是综合反应容器，根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件的设计。从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤，对反应过程中的温度、压力、力学控制（搅拌、鼓风等）、反应物/产五浓度等重要参数进行严格的调控。反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。反应釜可采用SUS304、SUS316L等不锈钢材料制造。搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式，刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、无级变速减速机或变频调速等，可满足各种物料的特殊反应要求。密封装置可采用机械密封、填料密封等密封结构。加热、冷却可采用夹套、半管、盘管、米勒板等结构，加热方式有：蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境的工艺需要。而且可根据用户工艺要求进行设计、制造。1.2反应釜的常见类型根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类。反应釜按材质及用途可分为不锈钢反应釜,搪玻璃反应釜。每一种结构都有他的适用范围和优缺点。其主要类型有以下几种：不锈钢反应釜不锈钢反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料；根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类。不锈钢反应釜搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配.。不锈钢反应釜的密封型式不同可分为：填料密封机械密封和磁力密封。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、外(内)盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却。不锈钢反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜等。搪玻璃反应釜搪玻璃反应釜是将含高二氧化硅的玻璃，衬在钢制容器的内表面，经高温灼烧而牢固地密着于金属表面上成为复合材料制品。因此搪玻璃反应釜具有玻璃的稳定性和金属强度的双重优点，是一种优良的耐腐蚀设备。搪玻璃反应釜技术规范：使用压力：0.20.8Mpa。耐酸性：对各种有机酸、无机酸、有机溶剂均有较好的抗蚀性。耐碱性：搪玻璃对碱性溶液抗蚀性较酸溶液差。但将我厂搪玻璃试样置于1N氢氧化钠溶液腐蚀，试验温度80℃时间48h。操作温度：搪玻璃设备加热和冷却时，应缓慢进行。我厂制造的搪玻璃设备使用温度为-20－200℃，耐温急变性≥200℃。瓷层厚度：玻璃设备的瓷层厚度0.8-2.3mm，搪玻璃设备附件的瓷层厚度0.6-1.8mm。耐压电：搪玻璃具有良好的绝缘性，当搪玻璃在规定厚度内用20KV高频电火花检查瓷层时，高频电火花不能击穿瓷层。耐冲击性：玻璃层的内应力越小，弹性越好，硬度越大，抗弯抗压强度越高，则耐冲击就越好。我厂之玻璃层在规定厚度内，用直径30mm，重量112g钢球冲击时，其冲击功为282×10-3J（优等品指标为260×10-3J）磁力搅拌反应釜采用静密封结构，搅拌器及电机传动间采用磁力偶合器联接，由于其无接触的传递力矩，以静密封取代动密封，能彻底解决以前机械密封及填料密封无法解决的泄漏问题，使整个介质各搅拌部件完全处于绝对密封的状态中进行工作，因此，更适合用于各种易燃易爆、剧毒、贵重介质及其它渗透力极强的化学介质进行反应，是石油、化工、有机合成、高分子材料聚合、食品等工艺中进行硫化、氟化、氢化、氧化等反应最理想的无泄漏反应设备。不饱和聚酯树脂全套设备不饱和聚脂树脂设备由立式冷凝器、卧式冷凝器、反应釜、储水器、分馏柱五部分组成适用范围：用于生产不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、ABS树脂、油漆的关键设备。根据反应釜的密封型式不同可分为：填料密封，机械密封和磁力密封。蒸汽反应釜使用的前提是客户本身备有外加入源（如蒸汽）或冷却源（如自来水）。必须注意，蒸汽加热方式为上进下出液体加热或冷却为下进上出。在各种方式出口管路无阀门，保证畅通。电加热反应釜电加热反应釜具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、无环境污染等特点，广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等行业，也用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、缩合、聚合等工艺过程。电加热反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔、因康镍）合金及其它复合材料；根据反应釜的制造结构可分为开式平盖式反应釜、开式对焊法兰式反应釜和闭式反应釜三大类，每一种结构都有他的适用范围和优缺点。根据反应釜的密封型式不同可分为：填料密封，机械密封和磁力密封。种子罐、发酵罐发酵设备是广泛用于微生物生长的一种反应设备。在发酵种子罐内各种微生物在适当的环境中生长，新陈代谢和形成发酵产物。因此该设备广泛地用于制药、味精、酶制剂、食品等行业。1.3反应釜基本特点反应釜体普遍采用钢制(或衬里)、铸铁或搪玻璃。反应釜所用的材料、搅拌装置、加热方法、轴封结构、容积大小、温度、压力等各有异同、种类很多，它们的基本特点分述如下：结构：反应釜结构基本相同，除有反应釜体外，还有传动装置、搅拌和加热(或冷却)装置等，可改善传热条件，使反应温度控制得比较均匀，并不强化传质过程。操作压力：反应釜操作压力较高。釜内的压力是化学反应产生或由温度升高而形成，压力波动较大，有时操作不稳定，突然的压力升高可能超过正常压力的几倍，因此，大部分反应釜属于受压容器。操作温度：反应釜操作温度较高，通常化学反应需要在一定的温度条件下才能进行，所以反应釜既承受压力又承受温度。获得高温的方法通常有以下几种：水加温要求温度不高时可采用，其加热系统有敞开式和密闭式两种。敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器所组成，当采用高压水时，设备机械强度要求高，反应釜外表面焊上蛇管，蛇管及釜壁有间隙，使热阻增加，传热效果降低。蒸汽加热加热温度在100℃以下时，可用一个大气压以下的蒸汽来加热；100~180℃范围内，用饱和蒸汽；当温度更高时，可采用高压过热蒸汽。用其它介质加热若工艺要求必须在高温下操作或欲避免采用高压的加热系统时，可用其它介质来代替水和蒸汽，如矿物油(275～300℃)、联苯醚混合剂(沸点258℃)、熔盐(140～540℃)、液态铅(熔点327℃)等。电加热将电阻丝缠绕在反应釜筒体的绝缘层上，或安装在离反应釜若干距离的特设绝缘体上，因此，在电阻丝及反应釜体之间形成了不大的空间间隙。前三种方法获得高温均需在釜体上增设夹套，由于温度变化的幅度大，使釜的夹套及壳体承受温度变化而产生温差压力。采用电加热时，设备较轻便简单，温度较易调节，而且不用泵、炉子、烟囱等设施，开动也非常简单，危险性不高，成本费用较低，但操作费用较其它加热方法高，热效率在85%以下，因此适用于加热温度在400℃以下和电能价格较低的地方。反应釜搅拌结构：在反应釜中通常要进行化学反应，为保证反应能均匀而较快的进行，提高效率，通常在反应釜中装有相应的搅拌装置，于是便带来传动轴的动密封及防止泄漏的问题。反应釜的工作：反应釜多属间隙操作，有时为保证产品质量，每批出料后都需进行清洗；釜顶装有快开人孔及手孔，便于取样、测体积、观察反应情况和进入设备内部检修。1.4安装使用1、应安装在坚固、平整的工作台上，工作台高度根据使用情况决定，设备及工作台四周应留有一定的空间（≥360cm），以便安装及后期维修。2、安装时要求传动轴及地水平面垂直，不垂直度（倾斜度）不得大于设备总高度的1/1000。3、设备本身各工艺接管上的自备件，安全阀，必须按反应釜的要求配备。4、安装完毕检查各连接部件及传动部位是否牢固可靠，各连接管道、管口、密封件及整机做气密试验，应无泡、冒、滴、漏现象。5、开机前减速机注入46#机械油，打开电机防护罩用手转动风叶检查有无卡怠现象，搅拌桨有无刮壁现象，清理釜内污物，方可开机。空车运转30分钟无不正常噪音、振动，方可正式投料生产。另视生产情况定期更换减速机油。1.5反应釜的发展趋势1、大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。染料生产用反应釜国内多为6000L以下，其它行业有的达30m³；国外在染料行业有20000～40000L，而其它行业可达120m³。2、反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。3、以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。4、合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。

第2章反应釜釜体的设计2.1釜体、的确定2.1.1釜体的确定将釜体视为筒体，取L/D=1.1由V=(π/4)，L=1.1则（1-1）圆整由表8-1查得釜体的2.1.2釜体PN的确定因操作压力＝0.2，故：＝0.252.2釜体筒体壁厚的设计2.2.1设计参数的确定设计压力：＝0.22Mpa工作压力：0.2；设计温度：150℃；焊缝系数：＝1.0（双面对接焊，100%无损探伤）；许用应力：根据材料Q235-A、设计温度150℃，由文献[2]252页表知＝113；钢板负偏差：＝0.25（GB6654）腐蚀裕量：＝1.0（双面腐蚀）。2.2.2筒体壁厚的设计由公式得：(1-2)考虑，则=+=2.41，圆整刚度校核：不锈钢的考虑筒体的加工壁厚不小于5mm，故筒体的壁厚取12.3釜体封头的设计2.3.1封头的选型由文献316页表16-3选釜体的封头选标准椭球型，代号EHA、标准JB/T4746—2019。设计参数的确定＝0.22Mpa；0.2；＝1.0（整板冲压）；＝0.25（GB6654）；＝1.0。2.3.2封头的壁厚的设计由公式得：(1-3)考虑，圆整得根据规定，取封头壁厚及筒体壁厚一致23.3封头的直边尺寸、体积及重量的确定根据，由文献[2]196页表8-27知：直边高度;体积V：V=0.2545曲面：内表面积f：f=1.665质量m:m=63.5kg2.3.4筒体长度的设计筒体长度H的设计==0.836圆整得:H=8402.3.5釜体长径比的复核在1.0~1.3之间，满足要求。2.4外压筒体壁厚的设计设计外压的确定由设计条件单可知，夹套内介质的压力为常压，设计外压=0.3。2.4.1设计筒体的壁厚查文献449表18-4当DN=1200mm，时。不能满足要求。同理查上述文献可知当时，，满足外压的要求。因为＝0.3<＝0.4，所以假设＝8合理，取封头的壁厚＝8。。2.5外压封头壁厚的设计2.5.1设计外压的确定封头的设计外压及筒体相同，即设计外压=0.3。2.5.2封头壁厚的计算设封头的壁厚=8，则:=–=5-1.25=6.75，对于标准椭球形封头=0.9，＝0.9×1200=1080，=1080/6.75=160计算系数：==7.8125×10-4由文献[2]中图14-3中选取，在水平坐标中找到=7.8125×10-4点，由该点做竖直线及对应的材料温度线相交，沿此点再做水平线及右方的纵坐标相交，得到系数的值为值为：≈80、=2.0×105根据=得：==0.5（）．因为＝0.3<＝0.5，所以假设＝8偏大，考虑到及筒体的焊接，取封头的壁厚及筒体一致，故取＝8。由在文献[2]317中表,釜体封头的结构如图1-1，封头质量：106（）图1-1釜体封头的结构及尺寸

第3章反应釜夹套的设计3.1夹套的、的确定3.1.1夹套的确定由夹套的筒体内径及釜体筒体内径之间的关系可知：＝1200+100=13003.1.2夹套的确定由设备设计条件单知，夹套内介质的工作压力为常压，取＝0.33.2夹套筒体的设计夹套筒体壁厚的设计因为为常压0.3，所以需要根据刚度条件设计筒体的最小壁厚。又因为＝1300＜3800，取min＝2/1000且不小于3另加，所以min＝3+1=4（），圆整=5。对于碳钢制造的筒体壁厚取＝6。夹套筒体长度的初步设计圆整后=660mm3.3夹套封头的设计封头的选型夹套的下封头选标准椭球型，内径及筒体相同（＝1300）。代号EHA，标准JB/T4746—2019。椭球形封头壁厚的设计因为为常压0.3，所以需要根据刚度条件设计封头的最小壁厚。∵＝1300＜3800，取min＝2/1000且不小于3另加，∴min＝3+1=4（）对于碳钢制造的封头壁厚取＝6。椭球形封头结构尺寸的确定由文献[1]页表8－27。见表2-1表2-1封头尺寸直边高度深度容积质量253750.3977102.9封头的下部结构如图2-1。由设备设计条件单知：下料口的＝50，封头下部结构的主要结构尺寸＝100。图2-1下封头的结构3.4传热面积的校核=1200mm釜体下封头的内表面积=1.665=1200mm筒体（1高）的内表面积=4.772夹套包围筒体的表面积=×=4.77×0.66=3.1482（2）+=1.6552+3.9878=4.8132>3故满足传热面积要求。

第4章反应釜釜体及夹套的压力试验4.1釜体的水压试验4.1.1水压试验压力的确定水压试验的压力：且不小于(+0.1)，查.0，（+0.1）=0.32，取=0.324.1.2液压试验的强度校核由得：＝（4-1）0.9=0.9×235×1.0=211.5（）由＝28.60<0.9=211.5故液压强度足够4.1．3压力表的量程压力表的最大量程：=2=2×0.32=0.64或1.5PT4PT即0.48MPa1.284.1.4水压试验的操作过程操作过程：在保持釜体表面干燥的条件下，首先用水将釜体内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.32，保压不低于30，然后将压力缓慢降至0.2，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将釜体内的水排净，用压缩空气吹干釜体。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。水压试验合格后再做气压试验。4.2釜体的气压试验4.2.1气压试验压力的确定气压试验的压力：(4-2)=1.15×0.22×1.0=0.253（）取=0.264.2.2气压试验的强度校核由得：＝=23.24(4-3)因为＝23.24＜0.8=0.8×235×1.0=159.8（）所以气压强度足够4.2.3气压试验的操作过程做气压试验时，将压缩空气的压力缓慢将升至0.06，保持5min并进行初检。合格后继续升压至0.1，其后按每级的0.04级差，逐级升至试验压力0.26，保持10，然后再降至0.16，保压足够长时间同时进行检查，如有泄露，修补后再按上述规定重新进行试验。釜体试压合格后，再焊上夹套进行压力试验。4.3夹套的液压试验4.3.1液压试验压力的确定液压试验的压力：且不小于(+0.1)，查=1.0=1.25×0.3×1.0=0.375，(+0.1)=0.4＜(+0.1)，取=0.44.3.2液压试验的强度校核由得：＝=35.75（4-4）因为＝35.75＜0.9=0.9×235×1.0=211.5所以液压强度足够4.3.3压力表的量程压力表的量程：=2=2×0.4=0.8或1.5PT4PT即0.6MPa1.6MPa4.3.4液压试验的操作过程在保持夹套表面干燥的条件下，首先用水将夹套内的空气排空，再将水的压力缓慢升至0.4，保压不低于30min，然后将压力缓慢降至0.168，保压足够长时间，检查所有焊缝和连接部位有无泄露和明显的残留变形。若质量合格，缓慢降压将夹套内的水排净，用压缩空气吹干。若质量不合格，修补后重新试压直至合格为止。

第5章反应釜附件的选型及尺寸设计5.1釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。5.1.1法兰的设计根据＝1200mm、＝0.25，由文献[1]254页表10-2确定法兰的类型为甲型平焊法兰。标记：法兰、 RF1200-0.25JB/T4701材料：0Cr18Ni10Ti5.1.2法兰的结构和主要尺寸如图5—1如表5—1图5—1甲型平焊法兰表5-1法兰的主要尺寸公称直径DN/法兰/螺栓规格数量12823M20485.1.3密封面形式的选型根据＝0.25＜1.6、介质温度120℃和介质的性质，由文献[1]331页表16－14知密封面形式为光滑面。5.1.4垫片的设计由文献【1】表331页16-14得垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（GB/T539），结构及尺寸见图5—2和。尺寸见表5-2图4-2垫片的结构表4-2垫片的尺寸12405.1.5螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格本设计选用六角头螺栓（C级、GB/T5780-2000）、Ⅰ型六角螺母（C级、GB/T41-2000）平垫圈（100HV、GB/T95-2019）5.1.6螺栓长度的计算：螺栓的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（）、螺母的厚度（）、垫圈厚度（）、螺栓伸出长度确定。其中=44、=2、=30、=34、螺栓伸出长度取=0.3×23螺栓的长度为：=132.9（）取＝133螺栓标记：GB/T5780-2000螺母标记：GB/T41-2000垫圈标记：GB/T95-201924-100HV5.1.7法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料根据甲型平焊法兰、工作温度=130℃的条件，由文献[3]附录8法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表4—2所示。表4—3法兰、垫片、螺栓、螺母的材料法兰垫片螺栓螺母垫圈0Cr18Ni10Ti耐油橡胶石棉3520100HV5.2工艺接管的设计由GB_T_17395查无缝钢管水蒸气进口、水蒸气出口采用573.5无缝钢管，罐内的接管及夹套内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰PL50-0.25RF0Cr18Ni10Ti。5.2.2安全阀进口采用27×1.0无缝钢管，接管及封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰PL25-0.25RF0Cr18Ni10Ti。5.2.3温度计接口采用21×0.5无缝钢管，伸入釜体内一定长度。配用突面板式平焊管法兰：HG20592-2009法兰PL20-0.5RF0Cr18Ni10Ti。5.2.4放料口采用无缝钢管，接管及封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰PL50-3.0RF0Cr18Ni10Ti。及其配套的是手动下展式铸不锈钢放料阀，标记：放料阀6-100HG5-11-81-3.5.2.5进料口采用573.5无缝钢管，罐内的接管及下封头内表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰PL50-0.25RF20。5.2.6冷凝器接口采用无缝钢管，罐内的接管及下封头内表面磨平磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰PL80-0.1RF20。5.2.7视镜采用无缝钢管，接管及封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592法兰PL80-4RF0Cr18Ni10Ti。5.3管法兰尺寸的设计工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图。由文献【3】311表10-25得并根据、和接管的，由板式平焊管法兰标准（HG20592）确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见表4-3。图5—3板式平焊管法兰5.3垫片尺寸及材质工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的垫片尺寸、材质文献【4】49页表5-2查如表6-5所示。垫片的结构图4-4管道法兰用软垫片

密封面形式及垫片尺寸表4-5密封面形式及垫片尺寸接管名称密封面型式垫片尺寸()垫片材质外径内径厚度安全阀接口RF64342耐油石棉橡胶板水蒸气的进出口RF96612耐油石棉橡胶板有机溶剂的进出口RF96642耐油石棉橡胶板温度计接口RF54272耐油石棉橡胶板冷凝器接口视镜1、2RF132892油石棉橡胶板5.4视镜的选型由于釜内介质压力较低（＝0.2）且考虑，本设计选用两个=80的带颈视镜。其结构见图4-6。由文献【5】4-159页表4-5-7确定视镜的规定标记、标准图号、视镜的尺寸及材料。标记：视镜Ⅱ0.25，80标准图号：HG502-1986-8。图4-6视镜的结构型式

表4-7视镜的尺寸视镜玻璃双头螺柱数量直径801631408M12表4-8视镜的材料件号名称数量材料件号名称数量材料1视镜玻璃1硼硅玻璃(SJ-6)4压紧环1Q235-A2衬垫2石棉橡胶板5双头螺柱8Q235-A3接缘11Cr18Ni9Ti6螺母16Q235-A5.5支座的选型及设计5.5.1支座的选型及尺寸的初步设计：文献632页表22-25所以选耳式B型支座，支座数量为4个反应釜总质量的估算：式中：—釜体的质量（）；—夹套的质量（）；—搅拌装置的质量（）—附件的质量（）；查文献可知物料总质量的估算：式中：—釜体介质的质量（）；—夹套内水蒸气的质量（）反应釜的总质量估算为500，物料的质量为1200（以水装满釜体计算），夹套的质量和水约为1500kg装置的总质量：每个支座承受的重量约为：3200×9.81/4＝7.9（）根据由文献[1]632表22-25初选B型耳式支座，支座号为3。标记：JB/T4725-92耳座B3材料：Q235-A·F系列参数尺寸如表6—16。底板筋板垫板地脚螺栓支座重量规格220083030248.3表6—16B型耳式支座的尺寸5.5.2支座载荷的校核计算耳式支座实际承受的载荷按下式近似计算：式中D支座的安装尺寸，mmg重力加速度，取D==1533.2，＝9.81，=3200，，=4，=0，将已知值代入得因为＜[Q]=30KN，所以选用的耳式支座满足要求。

第5章反应釜的搅拌装置搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是推进式搅拌器。推进式搅拌器的特点是能使液体产生激烈流动及湍流运动的性能很高。推进式搅拌器的主要运用范围是搅拌及混合绝对粘度小于36000厘泊的各种流动性的液体，以及制成乳浊液或悬浮液。推进式搅拌器机械设计的主要内容是：确定搅拌轴的直径、搅拌器直径、搅拌器及搅拌轴的连接结构。进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构及材料的选用。由于介质具有一定的腐蚀性，搅拌装置的材料选用及反应罐主体材料相同的材料06Gr19Ni10同一数字代号S30403。由前四章的相关设计得知反应釜净直径Di=1200mm，净高H=1440mm；工作温度：100℃；工作压力：0.2MPa。5.1搅拌器形式的确定根据实际生产要求，初步设定搅拌器为两层搅拌，采用三叶开启涡轮式搅拌器(又称为螺旋推进式搅拌器）。搅拌器直径Dj取标准值，即搅拌容器直径的三分之一：[4]底间距（C）即搅拌器距容器底部高度，通常底间距及搅拌容器内径比值一般在0.05-0.3范围内选取[4]。则因为底间距比值越小，固相完全离底悬浮临界转数越小，所以在满足底层桨轴向排量的前提下，该比值尽量取得最小。但是考虑到实际生产中容器底部会出现一定量的沉积物，C值不能太小；C值太大搅拌效果不足，结合实际取C=200mm搅拌器浸入搅拌容器液面下的深度（S），搅拌器浸入液体内的最佳深度为：[2]S=对于双层搅拌器，搅拌器层间距（Sp）及桨径之比一般为0.5~2范围内，由搅拌桨的轴向作用范围和反应釜的高度决定搅拌桨层数。对于两层以上的多层桨，要调整桨径和层数取得合理的层间距，达到搅拌效果好，轴功率低的效果。故：取Sp=400mm搅拌器和容器的几何参数条件如表3-1[5]：

表3-1搅拌器容器几何参数条件挡板数量无搅拌器距容器底部距离挡板宽度无搅拌器潜液深度S=960挡板及容器内壁间距无搅拌器直径Dj=400搅拌器桨叶数量Zj=3搅拌器桨叶的螺距表3-2推进式桨叶尺寸表Djdd1螺钉δ1δ1h键槽aP/n不大于d2bt4005090M16148951655.135°19′0.0315.2搅拌轴的设计搅拌轴将电动机的动力传递给搅拌器。它承受的是以扭转为主的扭—弯联合作用。5.2.1搅拌轴轴径的设计计算搅拌轴的材料：选用1Cr18Ni9Ti；搅拌轴的结构：用实心直轴搅拌轴功率：P=4Kw搅拌轴转速：n=200r/min

表3-4传动装置各零部件的传动效率η1类别传动形式传动效率η1圆柱齿轮传动开式传动，铸齿（考虑轴承损失）0.9—0.93开式传动，铁齿（考虑轴承损失）0.95单级圆柱齿轮减速器0.97—0.98双级圆柱齿轮减速器0.95—0.96行星齿轮减速器0.9—0.93圆锥齿轮传动开式传动，铸齿（考虑轴承损失）0.9—0.93开式传动，铁齿（考虑轴承损失）0.9—0.93单级圆锥齿轮减速器0.9—0.93双级圆锥—圆柱齿轮减速器0.9—0.935.2.2搅拌轴直径的初步计算（1）搅拌轴直径的设计电机的功率＝4，搅拌轴的转速＝200，文献[1]235表11-1取用材料为1Cr18Ni9Ti，[]＝40，剪切弹性模量＝8.1×104，许用单位扭转角[]＝1°/m。由得：=（） 利用截面法得：由得：=由于搅拌轴为实心轴，则：得≥28.79mm取＝30mm（2）搅拌轴刚度的校核由得：=0.556（）因为最大单位扭转角max＝0.556＜[]＝1所以圆轴的刚度足够。考虑到搅拌轴及联轴器配合，＝30可能需要进一步调整。5．2.3搅拌抽临界转速校核计算由于反应釜的搅拌轴转速=201900，故不作临界转速校核计算。5.3搅拌器及搅拌轴的连接连接方式的选取搅拌器的轴套及搅拌轴采用键连接并用止动螺钉将其固定搅拌器轴套的外径d1取d1=70由搅拌轴的公称直径d=40，查文献[4]表12-11可知见得公称尺寸深度t=5，工作长度L=50mm。

第6章传动装置的选型和尺寸计算6.1电动机的选型由于反应釜里的物料一定的腐蚀性，故选用隔爆型三相异步电机（防爆标志Ⅱ）。根据电机的功率＝4、搅拌轴转速＝200，由文献16-52页表16-1-28选用的电机型号为：Y112M-4kw电动机。6.2减速器的选型减速器的选型根据电机的功率＝4、搅拌轴的转速＝200、传动比为1500/200＝7.5选用LC100（JB/T2982-1994），由文献【6】1218页表9-2-35确定其安装尺寸。6.2.1减速机的外形安装尺寸6.3机架的设计由于反应釜传来的轴向力不大，减速机输出轴使用了C型凸缘联轴器，且反应釜使用不带内置轴承的机械密封，故选用单支点机架（HG21566—95）。由搅拌轴的直径＝40mm可知，机架的公称直径250。结构如图6—2所示。图6—2WJ型无支点机架6.4底座的设计对于不锈钢设备，本设计如下底座的结构，其上部及机架的输出端接口和轴封装置采用可拆相联，下部伸入釜内，结构及尺寸如图6-3所示。图6-3底座的结构6.5反应釜的轴封装置设计

ProductionofxylanasebyAspergillusawamorioncomplexmediuminstirredtankandairlifttowerloopreactorsAbstractAspergillusawamoriwascultivatedoncomplexmediumcontainingwheatbranassolecarbonsourceinthepreculturesaswellasinthemainculturesinstirredtankandairlifttowerloopreactors.Thedecompositionofthewheatbranparticlesbyh-amylaseandxylanaseproducedbythefunguswasinvestigatedbymonitoringtheenzymeactivities,theCO2productionrate,theconcentrationsofreducingsugars,glucose,xylose,phosphateandammoniumaswellasbyapplyingtransmissionelectronmicroscopy.Byapplyingsyntheticmediuminthepreculture,thetimelagwaslonger,thegrowthfaster,thexylanaseactivityhigherinthemainculture,thanbyusingwheatbraninthepreculture.Withincreasingthestirrerspeedtheintimatecontactbetweenthepelletsandthewheatbranwasreduced,whichcausedadecreaseofthegrowthandthexylanaseproduction.Byapplyinggroundwheatbran,filamentousmyceliumwasformed,thegrowthandthesubstrateuptakeratesincreased,butthexylanaseproductiondecreasedduetothelessintimatecontactbetweenthefungusandthewheatbran.Intheairlifttowerloopreactorfilamentousmyceliumwasformedduetothelowspecificpowerinput.Inspiteofthehighmediumviscosity,highxylanaseproductivitywasobtained.Withgroundwheatbrantheparticleswerecompletelycoveredbyfilamentousmycelium,mediumviscositystronglyincreasedandasconsequencethegrowthandxylanaseproductiondecreased.©2019ElsevierScienceB.V.Keywords:Aspergillusawamori;Wheatbran;Stirredtank;Airlifttowerloopreactor;Filamentousmycelium;Pellets;Xylanase;Amylase1IntroductionInthepreviouspapers(Siedenbergetal.,2019a,b)Aspergillusawamoriwascultivatedonsyntheticmediumandthexylanaseproductionwasinducedbyxylan,whichwasaddedtothemediumatdifferenttimes.However,inindustrialproduction,complexmediawerepreferred,be-causeofthehighcostsofthesyntheticmediaandtheinductors.Themostpopularcomplexmediacontainagri-culturalbyproducts,whichconsistofcellulose,hemicellulose,starch,pectinandseveralothercompoundsinlowerconcentrations(SmithandWood,1991).Whencultivatingafungusonthesecomplexmedia,severalenzymesareinduced.,e.g.incaseofanAspergillusstraincellulases,pecting-lycosidases,h-glucosidase,i-glucosidase,i-galac-tosidase,galactomannase,xylanase,xylobiaseandvariousproteaseswithdifferentactivitiesweredetermined(Uhlig,1991).Whichoftheseenzymeswillbeproducedinlargeamount,dependsonthestrain,mediumcompositionandcultivationconditions.Itiswellknownthathemicelluloses,especiallyxylanfromvarioussources,areexcellentinductorsforxylanase.Wheat(straw)branisaninexpensivebyproduct,whichcontainsalotofxylan.Therefore,itisoneofthemostpopularcomponentsofcomplexmediaforxylanaseproduction(DeschampsandHuet,1985;Ghoshetal.,1993;Hoqetal.,1994).However,thewheatbranparti-clessuspendedinthecultivationmediumhavetobedecomposedtosolublecompoundstobeusedbythefungus.Theaimofthepresentedprojectwastoinvestigatetheinteractionbetweenthemoldandthewheatbranandthedecompositionofthewheatbranbytheenzymesproducedbythefungusinstirredtankandairlifttowerloopreactorsatvariousoperatingconditions.2.Materialsandmethods2.1Strain,precultureandmainculturesAspergillusawamoriCBS111.52wasusedfortheinvestigations.Thestrainwasmaintainedat4°Conpotato-dextrose-agar.Newstockcultureswereobtainedbyuseofsporesfromtheoldstockculturesandincubatingthemat30°Cfor7days.Theisolatedsporesfromstockcultureswereusedtoinoculatethemediumoftheprecultures.Atotalof50volumepartsofthecomplexmediumwereinoculatedwith1volumepartofpreculture.Forthepreparationofthesporesuspensions(Siedenberget2019a).AspergillusawamoriCBS111.52wasusedfortheinvestigations.Thestrainwasmaintainedat4°Conpotato-dextrose-agar.Newstockcultureswereobtainedbyuseofsporesfromtheoldstockculturesandincubatingthemat30°Cfor7days.Theisolatedsporesfromstockcultureswereused2.2.BioreactorsShakeflasks,a2-lbioreactorwith1.5-lworkingvolume(BiostatMBraunDiesselInternationalMelsungen),a30-lBioreactorwith20l-workingvolume(BiostatB20,BraunDiesselInternational,Melsungen)anda100-lairlifttowerloop(ATL)reactorwith65lworkingvolume(TCI,UniversityofHannover)wereusedforcultivations.Fordescriptionofthereactorsandtheiroperation(Siedenbergetal.,2019b).2.3.ProcessmonitoringTheon-lineandoff-lineanalysesfortheprocessmonitoringweredescribedalreadyinSiedenbergetal.(2019b).Inadditiontothesemethods;thewheatbranwasinvestigatedwithtransmissionelectronmicroscopy(Adolphetal.,1996)andwithfluorescencemicroscopy(Freudenbergetal.,1996).3.Results3.1.Culti6ationsinthestirredtankreactor3.1.1.DecompositionofwheatbranThedecompositionofwheatbranwasinvestigatedunderfollowingstandardoperationconditions:Precultureswereincubatedinshakedflaskculturesat150rpm,30°C,for9.5h.Maincultureswereperformedinastirredtankreactorwith7×104sporesml−1,atastirrerspeedof300rpm,temperature:25°C,pH4.5andaerationrate:1vvm.Inthecultivationmediumthewheatbranisthesolecarbonsourceandthesourceofthegrowthfactorsandtheinductors.Thewheatbranconsistsof28%hemicellulose,9%starch.8.7%cellulose,3.2%ligninand3%pectin(AndersonandClydesdale,1980;Weizenkleie,1995).Thefungususedthesesoleenergyandcarbonsourcesforgrowthbydecomposingthemwithparticularenzymes.Duringthedecompositionofthewheatbrannocellulaseandpectinaseactivitiy,butonlyh-amylaseandxylanasecouldbedetected.Onaccountofthepresenceofthesolidwheatbranandbecauseoftheadherenceofthefungustothewheatbranaswellasbytheinclusionofthefungusbythewheatbran(Adolphetal.,1996),itwasnotpossibletodeterminethefungalcellmassconcentrationintheculture.However,becauseofthecloserelationshipbetweenthegrowthrateandtheCO2productionrate(CPR),thecellmasscanbeestimatedbytheintegrationoftheCPRoverthetime.Accordingtothetransmissionelectonmicroscopicinvestigations,thefungusgrewinsidethebran.Itusedthemechanicaldamageofthebrantoevadeit.Inparticular,thelayerbetweentheinnerandtheouterpericarpwascolonized.Afterthedissolutionofthepectin-containingstructuresandthepenetrationintothisspace,thefungusfilledthewheatbranwithdensemycelium.Freudenbergetal.(1996)haveshown,thatinsideoflargepelletsandclumpsnomRNAcouldbeobserved.Thusnoproteinsynthesisoccurred.Itissomewhatunexpected,thatthecellsinthedensemyceliuminsidethewheatbranshellstillwereprovidedwithsufficientoxygenandnutrienttoproducexylanase.Beforethexylanaseappearedinthemedium,itcouldbealreadydetectedwithinthecytoplasmaandattheplasmamembranebyimmunogoldassay.After50hthexylanaseappearedonthesurfaceofthewheatbranfragmentsandatthewheatbran-hyphae-interfaceaswell(Adolphetal.,1996).Theconcentrationsoforthophosphateandammonium,originatingpartlyfromthenutrientsaltandpartlyfromthewheatbran,wereconsumedduringthefirst60handthanincreasedagain,astheolderhyphaestartedtostarveandlyseTheirfinalconcentrationssurpassedtheirstartingconcentrationsinthenutrientmedium.Thedifferenceoftheirfinalandoriginalconcentrationsisameasurefortheirshareoriginatingfromthewheatbran.3.1.2.InfluenceoftheprecultureThepreculturewaspreparedwithsporesinthecomplexmediumcontainingwheatbranassolecarbonsource.Thesporesneededfortheirgerminationthecarbonsourcefromthewheatbran.Forthispurposetheyadheredtothesurfaceofthewheatbrananddevelopedwithin24htohyphae.Thelargestpartofthefungalcellmassformedpelletsandwereboundtothewheatbran.Thedurationofthegerminationandthepenetrationofthehyphaeintothewheatbranaswellasthefungalmorphologywereindependentofthesporeconcentration.3.1.4.InfluenceofthestirrerspeedTheinvestigationswerecarriedoutunderstandardoperationconditions,exceptthestirrerspeed,whichwasmaintainedat300,500and750rpm,respectively.Bychangingthestirrerspeedthemorphologydidnotchange:pelletswereformed,whichweresurroundedbythewheatbran.Onlyatlatecultivationtime(after100h),whenthewheatbranpartlydecomposed(thealeuronlayerwasseparatedfromthestomaanddisintegrated)andthefungushyphaewerepartlylysed,theeffectofthestirrerspeedwasobservable.Theattachmentofthefungusonthewheatbransurfacewasreducedathigherstirrerspeeds.Onaccountofthesuspendedaleuronparticles,anaccelerationofthegrowthcouldbeexpected.However,theshortesttimelag,thefastestgrowthocurredattheloweststirrerspeed.(Fig.4A).Neithertheammoniumuptake,northephosphateuptakewashigherathighstirrerspeeds,thanatlowerones.Thesugaruptakewasconsiderablylowerat750rpm,thanat500or300rpm.(Fig.4B).Thexylanaseactivitywasthehighestat300rpm,andwithincreasingstirrerspeed,itdecreased(Fig4C).Thelowxylanaseactivityathighstirrerspeedcanbeexplainedbythelessintimatecontactbetweenthefungalmyceliumandthewheatbran.3.2.Culti6ationsintheairlifttowerloopreactor，Therunsintheairlifttowerloopreactorwereperformedunderfollowingconditions:Thepreculturewasincubatedat150rpm,and30°Cfor10hincomplexmedium.Theculturemediuminthereactorwasinoculatedwith5×104sporesml−1,andcultivatedat25°C,pH4.5and0.5vvm.Thespecificpowerinputandtheshearstressonthecellswerelowinthisreactor,incomparisonwiththoseinthestirredtankreactor.Thefilamentousmyceliumformedwaspartlyfreelysuspendedinthemedium,partlyattachedtothewheatbranparticles.Withincreasingcellmassconcentration,theviscosityofthecultivationmediumincreasedconsiderably.Inspiteofthat,thesupplyofthecellswithoxygenwassatisfactory,ascanbeseeninFig.5A,whichshowsthecoursesoftherelativedissolvedoxygenconcentrationspO2(withrespecttothesaturation)intheriseranddowncomerduringthebatchcultivation.Thegrowthrate,thereducingsugarsandglucoseuptakeratesandxylanaseproductionratewereinthisreactorconsiderablyhigherthaninthestirredtankreactor(Fig.5B,C).Aftertheglucosewasusedup,thexylanaseactivityquicklyincreasedandattainedaconstantandveryhighvaluealreadyat100h.Thephosphateandammoniumconcentrationsdecreasedduringthefirst40h,thenbetween40and60htheyincreasedanddecreasedandat70h(phosphate)and80h(ammonium),respectively,thentheyincreasedagain(Fig.5D,E).Themaximaofthephosphateandammoniumconcentrationsbetween40and80hcouldnotbeobservedinthestirredtankreac-tor.Theinvestigationswereperformedintheairlifttowerloopreactorwithgroundwheatbran,un-derthesamecultivationconditionsasusedwithnongroundwheatbran.Filamentousmyceliumwasformed,butincontrarytothenongroundwheatbranrun,thewheatbranfragmentswerecompletelycoveredbythemycelium.Theypartlyformedclumpsandpellets.Thisfilamentousnet-workincreasedthemediumviscosityconsider-ably,whichcausedareductionofthemediumcirculationandthedissolvedoxygenconcentra-tion(Becauseofthecellgrowthonthemembraneoftheoxygenelectrode,theexactmeasurementofpO2wasnotpossible).Acomparisonoftherunswithnongroundandgroundwheatbransindicated,thatwiththelatterthegrowthrateandCPRweremuchlower(Fig.6A),butthereleaseofreducingsugarsandglu-coseandtheirconsumptionratedifferedonlyslightly(Fig.6B,C).However,thexylanaseactiv-itywasmuchhigherwithnon-groundwheatbranthanwithgroundone(Fig.6D).4.Discussion4.1.Fungalmorphologyandproductformationi