生物发酵反应釜的设计(机械CAD图纸).doc

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 摘 要本篇主要设计以玉米为原料生产活性高硒酵母的过程机械设备。将重点设计生物发酵反应釜及糖化罐，同时也包括实现生产高硒酵母工艺流程的其它过程设备：糖化罐、营养盐罐、酸碱罐，分离机、干燥机及管道、泵体，阀体，和电气控制等重要方面的研究设计和选型。本次设计是在确定高硒酵母的生产工艺流程及相关成产参数之后的基础上进行的。其生产工艺流程：加水玉米粉搅拌蒸煮糊化冷却糖化冷却上层清夜冷却发酵接种培养离心分离干燥。根据它们各个流程所需的化工设备的作用，把它们放在三个车间，各个车间用管道连接起来。酵母生产主要有三个生产车间，即原料制备车间、发酵反应车间和干燥分离车间。酵釜选为间歇式搅拌釜，供中室试验和工业生产流程数据放大用。整个过程分为三个主要阶段：备料阶段、发酵阶段和干燥分离阶段。而以设备型式为标准则可分为：硬件系统和软件系统。实现发酵系统的微机在线控制检测。在反应釜，糖化罐重点设备设计时，主要对釜（罐）体，换热装置，搅拌装置，传动装置和轴封结构进行设计。本次设计的过程中对电气控制部分也作扼要的阐述。希望设计出合理、稳定、安全，经济和实用的设备，能最佳的实现高硒酵母的生产。关键词：玉米发酵过程 在线控制目 录中文摘要11.概述22.工艺分析22.1糖液的制备22.2营养盐的配32.3酵母的培养32.4酵母的分离和干燥 33.部分设备分析 34.发酵釜罐体的设计 44.1直径的计算44.2封头厚度的设计 54.3保温设备的选择 74.4 计算筒体的高度 75.发酵釜搅拌系统的设计选型 85.1搅拌混合机理85.2搅拌器形式的选择 85.2.1叶轮在釜中的位置 95.2.2叶轮的个数和布置 95.2.3搅拌附件: 挡板 95.3搅拌功率的计算 95.3.1功率关联式95.3.2计算搅拌功率125.4 搅拌轴的设计125.4.1设计计算 125.4.2搅拌轴刚度的校核135.4.3搅拌轴的支持条件145.5电动机功率确定156.糖化罐设计概述166.1糖化概论 166.2糖化罐的工作原理与结构 166.2.1釜体176.2.2换热装置 176.2.3搅拌装置 176.2.4传动装置176.2.5轴封结构 186.3糖化罐的设计计算186.3.1糖化罐机械设计的依据 186.3.2糖化罐的基本要求186.3.3糖化罐体积的确定186.4确定筒体和封头形式196.4.1罐体的直径和高度196.4.2选择夹套的类型及尺寸 207.搅拌装置的机械设计 237.1原理及选型 237.2搅拌器的功率的计算247.2.1搅拌器的功率247.2.2搅拌器的强度计算257.2.3搅拌轴设计 267.2.4搅拌轴刚度的校核277.3传动装置的设计与选型297.4轴封装置 298.工艺管口 309.营养盐罐的设计计算 3110.酸、碱液罐的设计计算3211.传感器的设置和选取3312.总结33参考文献 351.概述本设计是以玉米为原料生产高硒酵母的试验和工业化生产提供技术装备，同时稍加改装也可用于其他类型的化学，生物反应设备，其用途相当广泛。 我国是农业大国，但并不是农业强国。以玉米为例，玉米是我国的主要经济作物之一。种植面积广泛，产量较大，但其深加工量不到玉米产量的两成。致使玉米大量积压，严重影响综合效益和农民收入水平。而我国现有的生产加工设备工艺落后自动化水平低，生产工艺及生产参数计算机控制应用不广泛。如果本设计能顺利实现工业化生产的要求，可以为我国居民的食品营养又添新色，同时也可以为玉米的深加工提供又一条途径，为解决“三农问题”，实现和谐社会的目标做出贡献本次设计牵涉的知识面较广，要设计的是一个系统，而不是个单一的零件或者部件，要独立完成一定的功能。要求能满足发酵过程的全部工艺要求。而且要求有较高的自动化程度，能够实现微机处理的发酵过程在线检测、控制。这就将整个系统分为两大部分：硬件部分和软件部分。硬件机械部分的设计、计算和选型应和系统的生产能力相匹配，不能使资源浪费，更不允许出现部件的选择达不到生产的需要。要求各生物发酵中设备的功能可以满足生物发酵工艺过程设计的需要，满足发酵的中试需要，并为将来放大为工业生产提供更确切的数据模型资料；机电一体化程度高，能够实现微机实时在线检测、控制；要求发酵各设备强度、刚度满足生产要求，运行可靠、稳定，无噪声；造型简洁美观，易于打扫、清洗。软件部分各电器元件的选择应和要检测的物理量相适应，芯片的处理能力和速度能满足生产要求。电器元件和芯片的数模转换顺利，兼容性强，通用性好。各数据接口和硬件设计中开口衔接过渡合适，密封容易有效。各电气元件的数据接口和PLC控制芯片的数模转换对接、兼容性好。2.工艺分析2.1糖液的制备把优质玉米粉放入蒸锅中，加入一定量的水煮一个小时左右。煮的过程中要不停的搅拌，防止玉米粉结成团块，出现内生外熟的现象。淀粉糊化后，冷却至5560摄氏度。糖液用水稀释至2025度巴林。离心分离得到上层清夜作为培养液。糖液的制备过程中所加入的淀粉酶的量应与原料的量相对应，就得到生产所须的糖液。2.2营养盐的配置酵母的生产制作过程中所须要的营养盐主要是含氮，含磷的无机盐类。常用的磷盐有过磷酸钙，正磷酸钙。溶解配置时按盐和水的比例为的比例配制成营养盐液，先取一定量的过磷酸钙盐溶于8倍的水中，然后再取相同质量的硫酸铵。在混合液中，硫酸铵和过磷酸钙发生反应，生产硫酸钙沉淀和磷酸二氢铵，经过澄清以后，去掉沉淀，得到澄清液体便可供使用。2.3酵母的培养在发酵反应器中，首先把糖液和营养盐在一定的稳定下灭菌，然后进行冷却。在培养的过程中不断加入糖液，同时不断的搅拌，使得酵母有足够的氧气，以利于酵母更好的生长。 接种时要保证严格的无菌条件，接种所用的器具要经彻底的灭菌，以防止培养时受到杂菌的污染。发酵时要严格控制反应器内的温度，因为稳定是影响微生物生命活动的重要条件，所以要选择和控制最合适的温度。反应液PH值的高低也对酵母的生产影响较大。如果PH值过高或者过低都会影响酵母的新陈代谢的进行，以致影响产品的质量和产量。2.4酵母的分离和干燥酵母生产中采用的分离方法有化学、生物和机械法。实际生产中常用的是机械法，主要设备是离心机，转速为48006500转/分钟。利用酵母和发酵液中其他物质质量的不同，在高速旋转的转鼓产生的离心作用力下，把酵母提取出来。我们的设计工艺流程所用的就是机械的离心分离法。在离心分离机的离心杯下可以得到酵母泥，然后干燥酵母。为了使酵母具有充分的活性，必须在低温下进行干燥。把酵母泥置于热风干燥箱中，通入温度为3435摄氏度的空气流进行干燥。在这种条件下，只能除掉细菌表面及细菌内的水分，所以能使酵母具有充分的活性。水分含量高时，酵母保持活力的时间会变短。所以要控制好通入的热空气的流量。3.部分设备分析整个过程分为三个主要阶段：备料阶段、发酵阶段和干燥分离阶段。而以设备型式为标准则可分为：硬件系统和软件系统。本设计中以硬件计算为主，实现发酵系统的微机在线控制检测。微机控制利用现有的传感测量装置和软件，只涉及各系统元件与控制软件的接口兼容性，而不进行控制系统的编程，编程部分有从事计算机专业设计。备料阶段的主要设备：糖罐：设计计算获得。 营养盐罐：设计计算获得。 酸、碱罐：设计计算获得。发酵阶段的主要设备：发酵罐：设计计算获得。 干燥阶段的主要设备：实施三阶段分离，需八台保留固体式离心机，及其配套的电动机经计算选型后外购。 干燥塔：外购。各泵，管道，阀门和电器元件经计算选型后外购。需要实现的在线控制、检测的数据包括：温度、液体流量、空气流量、速度、PH值、液位和压力。具体体现在各阶段的参数测定：备料阶段：糖罐内压力、液位、温度、流量;营养盐罐内压力、液位、温度、流量；碱液罐内液位、流量；酸液罐内液位、流量。发酵阶段：发酵罐内压力、空气流量、温度、液位、PH值和搅拌转速。干燥分离阶段：八个分离机各泵流量、干燥空气温度和流量。可见各罐体为本设计的重点，又以发酵罐为发酵系统的主要设备作为本设计的重中之重。而对发酵系统工艺数据的数据建模在发酵罐中的应用和发酵罐在保证安全使用前提下的优化设计以及各控制、测量装置和电器元件的数模转换和控制系统的兼容性则为本次设计的难点，但不是本设计的重点。4.发酵釜罐体的设计搅拌反应器的机械设计是在工艺设计后进行的，本设计以体积100L的发酵釜为设计样本，发酵釜选为间歇式搅拌釜，供中试试验和工业生产流程数据放大用。4.1直径的计算罐体的长径比：发酵罐 1.72.5 取2.0装料系数：物料反应稳定 0.80.85 取0.8设备容积对直立的搅拌反应器来说包括筒体及封头所包括的体积，当筒体直径未定时封头的容积和罐体的全部就不能最后确定。为了便于假设计算先忽略封头的体积为： 设备容积 ； 筒体直径 ；筒体高度 ；代入罐体长径比得：代入有效容积公式 整理得： 设备的有效容积（操作容积）； 装料系数；代入数值 初步估算反应釜的内径得：圆整后取1600m。4.2封头厚度的设计封头的基本形式有椭圆形封头、锥形封头、平板形封头等。选用椭圆形封头（化工设备机械基础 P295 图14-13）。采用标准型椭圆封头由材料力学知识可知椭圆封头上的最大综合应力为薄膜应力与边缘应力的合成应力。其公式为：K 为应力修正系数，与椭圆壳体形状特征有关。根据第三强度理论椭圆形封头的强度条件为：上式引入壁厚附加量，并作适当简化得：假设壁厚标准椭圆封头 材料许用应力取137化工设备机械基础P288表14-3; 罐内压力取0.2； 罐体直径1600m； 焊缝系数取0.85； 厚度附加量；钢板厚度负偏差 化工设备机械基础P291表14-5；腐蚀裕量 ；代入数值计算得：可见估算值能达到设计要求，选。可由化工设备机械基础P320表16-6查得封头尺寸封头取: 曲面高度：；直角边高度：；内表面积：； 容积：；对于本设计选用的直立式反应釜圆筒部分的高度： :筒体每一米高的容积 ；由化工设备机械基础表16-5查得；计算得： 圆整后得：；复核4.3保温设备的选择在发酵过程中为使酶保持高活性，高反应速率。有工艺过程确定温度保持在30左右。从经济使用方面考虑，用水浴加热保温，选用夹套传热结构。其套在罐体外面，并与罐体外表面形成一个可以供传热介质流动的密闭空间。这种设备机构简单基本上不需要进行维修。因夹套向外有热量散失，需在夹套外面包保温材料。 选用仅罐体和下封头部分有夹套的类型化工设备机械基础P395 图18-6 B或者C。用蒸汽加热从上部进入夹套，冷凝水从夹套底部排出。使夹套中经常充满传热介质，充分利用传热面加强传热效果。整体夹套的出口管和一般容器一样，而进口管采用侧开口或在夹套中安装挡板。因为夹套和罐体的距离较小，可以避免载热流体直接冲刷罐体表面，影响罐体的局部强度。夹套直径与筒体直径的关系轻化工与食品设备P315 表5-2取：夹套进口接管结构轻化工与食品设备P315 图5-3。4.4 计算筒体的高度 夹套筒体的高度主要决定于传热面积的要求，夹套的高度一般应不底于料液的高度，以保证充分传热。估算公式：计算得：圆整得：1.8m 校核传热面积能否满足工艺化工设备机械基础P323 表16-6和表16-5查得：夹套包围部分的内表面积： ：每一米筒高内表面。计算得： 封头内表面积：5.发酵釜搅拌系统的设计选型5.1搅拌混合机理在搅拌釜中，通过叶轮的旋转把机械能传送给物料，造成液体的强制对流，混合过程是在强制对流作用下的强制扩散过程。强制扩散过程包括主体对流扩散和涡流扩散。 搅拌叶轮将能量 输送给液体，产生一股高速液流，并推动周围的液体，造成全部液体在釜内的流动。这种在整个釜内的循环流动称为 “宏观流动”,由此产生的全釜范围的扩散为主体对流扩散。当叶轮产生的高速液流通过静止的或者较低的运动速度的流体时，在高速流体与低速流体界面上的流体受到强烈的剪切作用，产生大量漩涡。这些漩涡迅速向周围扩散，一方面把更多的流体夹带到宏观流动的液体中，另一方面形成局部范围内的物料作快速而紊乱的对流运动。这种漩涡运动称为“微观流动”，由漩涡运动造成的局部范围内的对流扩散称为涡流扩散。叶轮对流体的直接剪切作用当然也造成强烈的漩涡运动。任何达到最终分子尺寸度均匀还必须通过分子扩散。5.2搅拌器形式的选择流动状态有轴向流动、经向流动和环向分流。多在层流、过度流状态时操作。叶轮直径与搅拌直径的比值：化学反应器分析P56 表3-1平桨时取0.350.83黏度较低，转速较高 选0.5计算得: 5.2.1叶轮在釜中的位置在工业装置中常将叶轮安装在釜中心线上，叶轮到釜底的距离一般为一个叶轮直径。5.2.2叶轮的个数和布置 搅拌釜中采用叶轮的个数取决于釜内液层深度与釜径当时则采用多个叶轮。叶轮之间的距离应为1.01.5倍叶轮直径。若叶轮轮距相距太远，则在各个叶轮的作用场之间可能形成为受到搅拌的区域。倘若相距太近则来自相邻叶轮的液流可能互相干扰而起不到充分混合的作用。5.2.3搅拌附件: 挡板挡板是指长条形的竖向固定在搅拌反应器内壁上的板，它是消除反应器内物料“打旋”现象的有效措施之一。挡板的作用还在于转换切向流为径向流或轴向流。增强液体的对流循环强度充分利用桨叶输入的能量，增大湍流程度，提高搅拌效果。若搅拌反应器内的折流挡板数目恰到好处，再增加挡板数也不会使搅拌器的功率增加，而且也不会改变搅拌效果，少装则不能消除现象。这种装有适宜数目的挡板称为“完全挡板”。实践证明，安装四块宽度为容器（）的折流挡板可以完全消除“打旋”现象。选四片宽度的挡板。5.3搅拌功率的计算搅拌釜内液体运动的能量来自叶轮，叶轮功率消耗的大小是釜内液体搅拌程度和运动状态的量。同时，又是选择电动机功率的依据。搅拌需要的功率取决于所期望的流行和湍流程度。具体地说，搅拌功率是叶轮形状和大小、转速、液体性质、搅拌釜的尺寸和内部构件以及叶轮在釜内位置的函数。5.3.1功率关联式叶轮的搅拌功率消耗取决于以下变量：叶轮直径，叶轮转速，液体密度，黏度，重力加速，釜径，釜内液体深度，挡板条件（数目，宽度和位置）。假定釜中各项尺寸都和叶轮直径有一定比例关系。例如液体深度 与叶轮直径之比：，挡板宽度与叶轮直径之比：等，把这些比值称作形状因子。假使先不考虑形状因子的影响，则消耗功率可表述为上述诸变量的函数: .假定此函数关系为最简单的指数函数则：式中为一常数，用长度-质量-时间（）基本单量纲表示各项因子，则得：因此：从而：于是：因此: 或：令：则上式可写为: 功率准数； 搅拌雷诺数； 弗鲁特准数；上式也可写为 为功率函数；代表系统几何构型的总形状数；设置完全挡板的搅拌釜消除了“打旋”现象，则功率消耗可忽略重力的影响，弗鲁特准数指数为0。则：搅拌釜中流动状态按搅拌雷诺数划分为层流、过度流和湍流。不同的流动状态相应的功率消耗也不同，这体现在搅拌雷诺数幂指数值上。层流区此时；湍流区表明功率准数与搅拌雷诺数变化无关；当则为过渡流区值随数变化。计算雷诺数 ： 叶端速度 （工业搅拌釜中常用2）；： 叶轮直径 ；： 液体密度 ；： 黏度 ；可求得：可见搅拌器工作在湍流区。5.3.2计算搅拌功率由化学反应器分析有图3-12可查得 可见功率过大，主要是因为选用的叶轮直径过大，需调整选取直径。重新计算得：5.4 搅拌轴的设计考虑到设备不允许有污染还要满足设计的机械要求，轴的材料选用1Cr18Ni9Ti，搅拌轴承受扭矩和弯矩联合作用，而主要是承受扭矩，弯矩的作用不大。所以在工程应用中常用近似的方法来计算以承受扭矩作用为主的轴。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补，由于忽略受弯矩作用而引起的误差，轴扭转时其截面上长生剪应力。5.4.1设计计算轴扭转的强度条件：扭转剪切应力；：计算断面处轴的直径；：轴的抗扭断面模数；：许用扭住剪切应力；：轴的转速；：轴传递功率；由上式可转换得：本式中: 由轻化工与食品设备P348 表5-8查得:求得直径：圆整后轴最小处直径取：80mm。5.4.2搅拌轴刚度的校核为了防止轴产生过大的扭转变形，以免在运转中引起振动造成轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，因此需进行搅拌轴进行刚度计算。工程上以单位长度的扭转角不得超过许用扭转角作为扭转的刚度条件。扭角由此可得单位轴长的扭矩为：轴受转矩作用长度；：轴截面的极惯性矩，；：轴材料的切变模量；：实心轴的抗剪模数，；扭转角单位转换得计算得：本式中：不同时A值由机械设计P321 表16.4取一般传动和搅拌轴取0.75计算得：最后轴的具体结构尺寸根据与之配合的零部件如轴承，联轴器等安装加工要求将其园整为：805.4.3搅拌轴的支持条件在一般条件下，搅拌轴是依靠减速器箱内的一对轴承来支持。由于搅拌轴往往比较长且悬伸到反应器内进行搅拌操作，因此搅拌轴的支持条件很差。当搅拌轴悬伸过长而又很细时常常会将轴扭弯，而离心力作用也随着递增，甚至使轴破坏。保证搅拌轴悬臂稳定性的允许长度，在一般工作条件下，轻化工与食品设备P353根据经验数据公式：悬臂长度；：两轴承间距离；在搅拌时转速较低，的裕量较大，且搅拌器经过动力平衡试验取。则轴最小长度：轴的最小长度：5.5电动机功率确定搅拌功率是推动搅拌浆叶旋转并使液体造成一定流型需要输入给搅拌浆叶的净功率，它没有考虑到电动机与传动机构上的功率损失。电动机的实际功率大于搅拌器运转所需要的功率。搅拌器电动机功率必须满足：、 搅拌器运转所需要的功率；、 克服传动机构和轴封中的阻力所损失的功率；、 失迎于某些不利因素而引起启动功率的增加。电动机功率：电动机的计算功率；：搅拌轴所需的功率；：轴封系统的摩擦功率损失；：传动机构的机械效率；：启动时的功率超载系数；一般取，因为一般异步电动机有30左右允许超载。此外，通过计算圆整一般所选定动机额定功率计算值大。因此有一定的功率储备量可补偿启动时功率的增加值。传动机构的机械效率取0.85；单端面机械密封损耗功率：；双端面机械密封损耗功率：转轴直径。计算得：6.糖化罐设计概述6.1糖化概论糖化是玉米酵母生产工艺过程中必不可少的关键性的一步，它是连接液化好的玉米湖化醪溶液与下一步反应发酵的中间过程。所以完成糖化过程的设备装置是非常重要的。糖化工艺就是将液化好的玉米粉溶液，在一定温度下，和糖化酶的作用下，一定时间内进行糖化。该工序的主要设备就是糖化罐和相应的提升设备。6.2糖化罐的工作原理与结构根据玉米酵母化学生产工艺及要求，收集查阅大量化工设备设计等相关资料，选择使用间歇式糖化罐。糖化罐的作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与糖化酶（酶制剂）混合，在一定温度下维持一定时间，保持流动状态，以利于酶的活动，进行糖化作用。糖化罐具有圆筒形外壳，球形或锥形底，若进入的糊化醪未经冷却或冷却不够，则糖化罐内需设有冷却管，如图如下图所示。无冷却管的连续糖化罐，糊化醪由管1进入，管1上按有阀门，开工时应将该阀门关闭，以避免破坏真空冷却器的真空，为使糖化酶和湖化醪均匀混合，糖化酶液和经冷却的糊化醪在进入管处混合后进入。若糊化醪未经冷却直接进入糖化罐时，应先进到气囱，然后落入糖化罐。为保证醪液有一定的糖化时间，（采用45分钟或更长时间），应保证糖化醪的容量不变，故设有自动控制液面的装置，因而在管3连续送入无菌压缩空气，罐盖有人孔4，罐侧中部有温度计测温口5，糖化罐每天杀菌一次，在罐侧和罐底有杀菌蒸汽进管6，罐内装有搅拌器，转速为 。连续糖化罐一般在常压下操作，为减少染菌，可作成密闭式。1 湖化缪进口；2水和糖化酶进口；3无菌空气压缩管；4人孔；5温度计测温口；6杀菌空气进口管；7糖化醪出口；8搅拌装置6.2.1釜体这是一个容器，为物料进行化学反应提共一定的空间。釜体通常有筒体及上、下封头组成。反应釜的直径和高度有生产能力和反应要求决定。反应釜大多数是封闭的，因为其中的化学反应物料可能是易燃、易爆或有毒，也可能要保持一定的操作温度、压力（或真空）等。有时由于反应过程的允许，它也可以设计成敞开的。6.2.2换热装置换热装置可以传递化学反应所需的热量或带走反应生成的热量，保持一定的操作温度。换热装置的结构形式通常有夹套形式和蛇管形式。6.2.3搅拌装置搅拌装置有搅拌器和搅拌轴组成。一般有13层浆叶，搅拌器的形式根据需要进行选择。6.2.4传动装置为了使搅拌装置转动，需要有动力和传动装置。传动装置的选择根据搅拌功率的大小等。下面的具体计算选型中将做详细阐述。6.2.5轴封结构由于搅拌轴是转动的，而糖化罐的封头是静止的，在搅拌轴伸出封头处必须进行密封，以阻止糖化罐内介质泄露，或阻止空气进入真空罐内这中密封一般为动密封，动密封通常有填料密封和机械密封。除了以上几部分主要结构外，还有各种接管、人孔、手空及支坐等附件。上面所论述的糖化罐的结构是本次设计的思路，作为本次设计的参考，与发酵反应釜相似。6.3糖化罐的设计计算6.3.1糖化罐机械设计的依据糖化罐的机械设计是在工艺要求确定之后进行的。糖化罐的工艺要求通常包括糖化罐的容积、最大工作压力、工作温度、工作介质及腐蚀情况、传热面积、搅拌形式转速及功率、装配那些接管口等内容。6.3.2糖化罐的基本要求此糖化罐属低压下操作工作。罐体上结构需根据工艺的要求确定，按工艺要求需要安装各种各种接关口，因此罐体的要求确定如下内容：罐体的结构形式和各部分尺寸，传热形式和结构，工艺管口的安设等。设计罐体应满足一般压力容器的基本要求：a 有足够的刚度。b 有足够的强度。c 有足够的使用寿命。d 有合理的结构。与此同时，保证它的安全性和经济性。6.3.3糖化罐体积的确定通常情况下，根据处理能力对糖化罐进行设计和选型，在考虑糖化罐容积是首先要考虑糖化罐的装料系数。一般情况下，糖化罐的装料系数一般不超过0.85为宜，即糊化醪需要容积来计算。具体选型计算公式为： 根据化学工艺酵母生产中糖液制定的有关工艺参数，水与淀粉的配制比例批处理淀粉量为，有以上工艺参数，计算得糖化罐得容积为：6.4确定筒体和封头形式 从化学工艺要求的工作压力及温度以及设备的工艺性质，可以容易的看出它是属于带搅拌器的低常压糖化罐，根据惯例，选择圆柱形筒体和椭圆形封头。6.4.1罐体的直径和高度 罐体的基本尺寸是指内经与其高度的比值。根据化工设备手册及设计基础，罐体基本尺寸首先决定于化学工艺的要求，对于带搅拌器的糖化罐来说，设备容器为主要参数。由于搅拌器功率于搅拌直径的五次方成正比，而搅拌器直径往往随容器直径的加大而增大。因此，在同样的容积下，糖化罐的直径不宜太大。根据设计化工容器设备设计手册反应物料与液相类型选取比例为，设备容器要求为，由于容器不是太大取。这样可使直径不是太大。一般情况下，糖化罐的装料系数为0.75。种类罐内物料类型HtDi一般糖化罐液固相液或液液相液11.3气液相物料11.2反应釜类1.72.5糖化罐体的直径计算如下：圆整到公称直径标准系列，取。由于属于低压容器初选椭圆形封头。封头取相同的直径，封头的其它尺寸查化工设备设计基础表166为：其曲面高度，直边高度为；内装面积，容积为，其它尺寸以后在计算确定。确定罐体筒体的高度当，有上面的数据可知椭圆形封头的容积为。 从化工设备设计基础查表165得筒体每一米高的容积。则筒体高度估算为：=圆整到标准系列，取。于是。6.4.2选择夹套的类型及尺寸由于糖化过程的温度要求，所以糖化罐上要有传热装置。在这里我们就选择夹套装置，夹套装置传热结构简单，基本上不需要进行检修。采用夹套传热时，因夹套向外有热量散失，故需采取适当的保温措施。罐体外装有夹套可有以下几种形式：1.仅圆筒部分有夹套 2.仅圆筒和下封头部分有夹套;3.为减小外压容器计算长度L，在圆筒部分的夹套采用了分段结构或带有加强圈；4.为圆筒、下封头及上封头的一部分有夹套。按工艺设计要求及糖化罐的结构，选择第二中类型，材料选择0Cr18Ni9.夹套顶端的封闭结构采用有夹套筒体扳边而成，再焊接到罐壁上。下面是夹套的尺寸计算确定夹套的直径夹套内径Dj可根据下表的关系式进行选取:夹套直径与筒体直径的关系 Di500600700180020003000DjDi50Di100Di200由于筒体的直径为，则夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体取相同的直径。确定夹套筒体的高度夹套筒体的高度估算如下：V1圆整到标准，取校核传热面积. 当时，从化工设备设计基础上查表165、166得： 则：计算所得得传热面积大于工艺要求的的面积，说明以上确定的夹套高度是可以的。夹套最后确定的高度见糖化罐的装配图，因为它的高度还要满足工艺装配及安装的要求等。内筒及夹套的受力分析.工艺提供的条件为：罐体内筒中的工作压力，夹套内工作压力。则夹套筒体和夹套封头承受内压；而内筒的筒体和下封头为既承受内压，同时又承受外压，其最坏的的工作条件为：停止操作时，内筒无压而夹套内仍有压力，此时内筒承受外压。计算夹套筒体、封头厚度.夹套筒体与内筒的环焊缝，因无法探伤检查，故从化工设备设计手册查得焊缝系数为，从安全角度考虑夹套上所有焊缝均取，封头采用钢板拼制的标准椭圆形封头，材料均为0Cr18Ni9不锈钢。夹套厚度计算如下： = 夹套封头厚度计算如下：6.66圆整至钢板规定厚度并查阅封头标准，夹套筒体与夹套厚度均取为。计算内筒体厚度.承受内压时的筒体高度： 承受0.3MPa外压时筒体厚度 为简化起见，首先假设8，则，由于顶部距容器定位见糖化罐装配图，因此内筒体承受外压部分的高度为，并以此确定及之值。 式中椭圆封头直边高度 椭圆封头曲面高度因此 ； 有化工设备设计基础图15-4查得0.003，再据此查图15-5得.则许用应力可计算如下： =因此当名义厚度为时，不能满足稳定要求。再假设时，根据上述计算方法，计算求得：因此，名义厚度为时，能满足稳定要求。由于筒体既可能承受内压又可能承受外压，所以筒体厚度应选取二者之中最大值，即确定筒体厚度为。s.确定内筒封头厚度.承受内压 4.66mm承受外压 设时，则，而A.查化工设备设计基础图155得，则 满足稳定要求。7.搅拌装置的机械设计7.1原理及选型在糖化罐中，为保证醪溶浓度与温度均匀，与糖化酶（酶制剂）充分混合避免固形物下沉，应装设搅拌装置。搅拌装置有搅拌器和搅拌轴组成，为了加强搅拌想效果，有时又为了严格控制流型，而只靠搅拌浆还不能满足要求时，可以加搅拌附件挡板和导流筒。搅拌器形式多样，通常其选择的形式有工艺确定。常见的搅拌器形式有：涡轮式、浆式、推进式、折叶开启涡轮式、布尔马金式、锚式或筐式、螺带式和螺杆式。根据根据糖液制备的相关要求，及相应的工艺参数，查化工设备设计基础第五版，表9-1选用浆式平叶搅拌器，转速范围为，最高粘度，圆周速度在之间。浆式搅拌器已有标准系列HG5-220-65见化工设备设计基础第一版表5-1。根据糖化罐筒体的直径为，查表得浆式搅拌器得相关尺寸：；具体尺寸见零见图搅拌器。由于液料层比较高，为了将物料搅拌均匀应装几层桨叶，相邻两层搅拌叶常交叉成安装，几层桨叶的安装位置如下：一层 安装在下封头焊缝线高度上；二层 一层安装在下封头焊缝线高度上，另一层安装在下封头焊缝与液面的中间或稍高些的位置上；三层 一层安装在下封头焊缝线高度上，另一层安装在液面下约处，中间再安装一层。搅拌器设计时根据需要可以参考以下设计参数：搅拌器直径为，罐体直径为，；浆宽为，有以上数据，有根据糖液的黏度等初步估算为，；其它尺寸有此查相关工艺手册，如过程机械设计等。7.2搅拌器的功率的计算7.2.1搅拌器的功率影响搅拌器的功率因素很多，如搅拌器的形状，尺寸和转速，搅拌物料的特性，糖化罐体的尺寸，搅拌附件结构以及搅拌器在罐内位置对搅拌功率产生的影响。查阅相关资料和工艺手册：许多科学技术人员和学者进行了各种实验研究和理论分析得出了这些特定条件准数关系和相图，在过程机械设计这本资料中列处了由搅拌过程求搅拌功率的算图，同时给出了Rushton的算图，得到功率因数；搅拌器功率公式：；过渡流区和湍流区的计算公式时不一样的，过渡流区时：湍流区时：上面各式中字母的含义为：搅拌功率；：为系统的形状系数； ：搅拌转速，1/s；：为搅拌器直径；：为液体密度；g：为重力加速度；，查过程机械表1414。根据以上公式算得。7.2.2搅拌器的强度计算最小搅拌轴功率的选定. 搅拌轴功率由工艺条件决定，但采用的最小搅拌轴功率应大于搅拌每单位容积物料所需要的功率，参考相关资料估算为：。桨叶强度计算时的设计功率电机功率的确定：在已知搅拌功率的情况下，电机功率有下式确定： ；式中，为传动系统的效率，见过程机械表1516传动机构的效率；为轴封出摩擦损失的功率。根据上式计算电动机的功率如下：搅拌器强度计算时的设计功率1.搅拌器每层的设计功率为：2.每个桨叶强度计算时的设计功率：浆面上某一处断面上，该断面所受的弯矩为： 3.，为弯矩应力。断面处的