反应釜设计10m3发酵罐设计.docx

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反应釜设计10m3发酵罐设计

毕业设计说明书

题目：

反应釜设计——10m3发酵罐设计

姓名：

学号：

指导教师：

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所在学院和系：

完成日期：

答辩日期：

2

反应釜设计-10m3发酵罐设计

摘要

本次设计的反应设备为机械搅拌发酵罐，其结构采用夹套式。

设计方法采用压力容器的常规设计方法，设计内容主要包括设计方案的选择，釜体（内筒和夹套）强度、结构的设计、校核和水压试验；搅拌装备的设计与校核；传动装置设计以及反应釜其他零部件设计等。

关键词：

发酵罐，强度设计，填料密封

THEREACTIONDESIGN-10m3FERMENTATIONTANKDESIGN

Abstract

Thedesigninvolvesthemixingequipmentisstirredtankreactor,whosethestructureusedjacket.Thedesignmethodusesconventionaldesignmethodsforpressurevessels.Thedesigncontentmainlyincludestheselectionofdesignschemes;Kettle（tubeandjacket）strength,thedesigningandverificationofthedesign,andthehydraulicpressuretest;thedesignandcheckofthemixingequipment;thedesignoftransmissiondeviceandotherpartsofthereactor.

Keywords:

Fermentationtank,Strengthdesign,Packingseal

1.概述

1.1发酵罐的基本结构

反应器，是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。

釜式搅拌反应器更是普遍应用的设备。

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、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等；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。

发酵罐属于众多反应设备中的的一员，发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备，是连接原料和产物的桥梁，也是多种科学的交叉点。

在发酵罐中，通过产物的合成，廉价的原料升值了，因此可以说发酵罐是发酵行业的心脏。

随着生化技术的提高和生化产品需求量的不断增加，对发酵罐的大型化、节能和高效提出了越来越高的要求。

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[1]。

搅拌发酵罐的结构常主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些其他附件等组成。

其结构示意图大致如下图1-1所示：

图1-1发酵罐结构图

搅拌容器分筒体与夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为带动搅拌装置设计的，主要由电动机、减速器、联轴器和传动轴等组成；轴封装置为东密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成了完整的夹套反应釜。

搅拌反应设备的作用一般有如下几点：

1.使物料混合均匀；

2.使气体在液体中很好地分散；

3.使固体颗粒（如催化剂）在液相中均匀地悬浮；

4.使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化；

5.加强相间传质（如吸收等）；

6.强化传热（维持反应或反应产生的热量）。

搅拌反应设备在工业生产中应用范围很广，尤其是石油化工中，很多化工生产中都应用搅拌操作，石油化工工艺过程中的很多化学变化是一参加反应物的充分混合为前提的，对于加热、冷却、液体的萃取以及气体的吸收等物理变化过程，也往往要采用搅拌操作才能得到良好的效果，搅拌反应设备在许多场合时作为反应器来应用的。

在化工生产中，制造乙烯、丙乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺染料等工艺过程，都采用各种型式的搅拌反应设备。

其他如染料、医药、农药、油漆等行业，搅拌反应设备的应用亦相当广泛[2]。

1.2搅拌发酵罐设备设计的基本要求

1.2.1安全可靠要求

生产过程苛刻的操作条件决定了设备必须可靠运行。

为了保证其安全运行，防止事故的发生，化工设备应具有足够的能力来承受使用寿命内可能遇到的各种外来载荷。

要求所使用的设备具有足够的强度、刚度和韧性，以及良好的密封性和耐腐蚀性。

化工设备是由不同的材料制造而成的，其安全性与材料本身的强度密切相关。

在相同的设计条件下，提高材料强度无疑可以保证设备具有较高的安全性。

但满足强度要求并非是选用材料的强度等级越高越好，而是要选择合适的材料。

无原则地选用高强度材料，结果只会导致材料和制造成本提高以及设备抗脆断性能力降低。

另外，除了保证所有零部件选用的材料具有足够的强度外，还要考虑设备各零部件的连接结构形式。

因为化工设备多数是以焊接方式进行连接的，其应力集中现象比较严重，存在缺陷的可能性也比较大特别是设备比较薄弱的环节。

所以化工设备的设计和制造必须足够重视。

由于选材、焊接和使用条件等各种原因，化工设备不可避免地会产生各种各样的缺陷，如果在选材时充分考虑材料的破坏前吸收变形能量的能力水平（即材料的韧性），并注意材料的强度和韧性的合理搭配，最大限度地降低化工设备对缺陷的敏感程度，对于保证设备的安全运行也是一个非常有效的措施。

刚度是保证化工设备安全运行的另一个重要方面。

刚度不足是过程设备过度变形的原因之一，失稳是化工设备常见的失效形式之一，因此，化工过程设备应具有足够的抗失稳能力。

密封性是指化工过程设备防止介质或空气泄漏的能力。

泄漏分为内泄漏和外泄漏。

内泄漏可能会引起产品污染，严重时还会引起爆炸事故。

化工设备内的介质往往具有危害性，外泄漏不仅仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且还会造成环境污染。

因此，密封是化工设备安全操作的必要条件。

耐腐蚀性是保证化工设备安全运行的一个基本要求。

特别是处理化工生产中的介质，由于它们具有不同程度的腐蚀性，一方面，可能使设备的厚度减薄，使用寿命缩短；另一方面，还会在应力集中及两种材料或构件焊接处等区域造成更为严重的腐蚀，结果引起泄漏或爆炸。

为此，选择合理的耐蚀材料或采用相应的防腐措施，将大大提高化工设备的使用寿命和安全可靠性。

1.2.2工艺条件要求

工艺条件要求主要应包括功能要求和寿命要求。

化工设备是为工艺过程服务的，其功能要求是为满足一定的生产需要提出来的。

如果功能要求不能得到满足，会影响整个过程的生产效率。

1.综合经济性

在保证化工设备安全运行和满足工艺条件的前提下，要尽量做到经济合理。

因为经济性是否合理是衡量化工设备优劣的一个重要指标。

化工过程设备的综合经济性主要体现在以下几个方面：

Ⅰ.生产效率高、消耗低；

Ⅱ.结构合理、制造简便；

Ⅲ.易于运输和安装。

易于操作、维护和控制

化工设备除了要满足安全可靠性、工艺条件和考虑经济性能外，使设备操作简单、便于维护和控制也是一个十分重要的方面。

2.环境保护要求

随着社会的进步，人们的环保意识日益加强，产品的竞争趋向国际化，化工过程设备失效的外延也在不断扩大，它不仅仅是指爆炸、泄漏、生产效率降低等功能失效，还应包括环境失效。

如有害物质泄漏至环境中、噪声、设备服役期满后无法清除有害物质、无法翻新或循环利用等也应作为设计考虑的因素。

泄漏检测是发现泄漏源、控制有害物质浓度和保护环境的有效措施。

有的发达国家已制定出强制性的规范标准，要求一些化工设备必须设有在线泄漏检测装置。

1.3发酵罐的工程应用

反应器，是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。

釜式搅拌反应器更是普遍应用的设备。

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、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，例如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等；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。

发酵罐属于众多反应设备中的的一员，发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备，是连接原料和产物的桥梁，也是多种科学的交叉点。

在发酵罐中，通过产物的合成，廉价的原料升值了，因此可以说发酵罐是发酵行业的心脏。

随着生化技术的提高和生化产品需求量的不断增加，对发酵罐的大型化、节能和高效提出了越来越高的要求。

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。

2设计方案的选择及设计参数的确定

2.1发酵罐类型的选择

搅拌反应釜是化工生产中常用的典型设备，一台搅拌反应设备大致由釜体、换热元件、搅拌装置、传动装置以及密封装置等组成。

搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。

搅拌筒体基本上是圆筒形，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，其中以椭圆形封头应用最为广泛。

根据工艺要求容器上装有各种接管，以满足进料、出料等要求。

为了加热或取走反应热量，常设置外夹套或内盘管，上封头上焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接，为了在操作中对物料进行控制，还必须在容器上设有温度、压力等传感器。

搅拌反应设备可以从不同的角度进行分类，其中按搅拌装置的安装型式可分为以下几类：

立式容器中心搅拌、偏心式搅拌、倾斜式搅拌、底搅拌、卧式容器搅拌、旁入式搅拌等。

现将立式容器中心搅拌型式具体一些特点列出：

立式容器中心搅拌设备，是将搅拌装置安装在立式设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动或齿轮传动，用普通电机直联或减速器直联，功率为0.1kW，在实际应用中0.2～22kW比较常见。

由于设备的大型化，超过400kW的大型设备也出现了，一般认为功率3.7kW以下为小型，5.5～22kW为中型，转速低于100r/min为低速，100～400r/min为中速，大于400r/min为高速。

中、小型立式容器搅拌反应设备，转速为300～360r/min，电机功率大约为0.4～15kW的范围，用皮带或齿轮一级减速。

桨叶的形状，根据用途可以考虑各种各样的组合方式，以三叶推进式、涡轮式为主体。

本次设计为夹套反应釜发酵罐，鉴于以上立式容器中心搅拌的一些特点，及考虑到设备的安全性、合理性和经济性，并遵循搅拌设备设计要求，故本次设计就选用立式搅拌设备。

2.2设计参数的确定

2.2.1设计压力的确定

设计压力是指设定的容器顶端部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。

实际计算时可以按《压力容器安全技术监察规程》等有关规定来确定相应的设计压力。

本次设计为10m3夹套反应釜，釜内和夹套的工作压力分别为常压和0.2MPa，容器上并未装设安全阀和爆破片等安全泄放装置，本次釜内和夹套的设计压力分别为常压和0.22MPa。

2.2.2设计温度的确定

设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应设计压力下，设定的受压元件金属温度。

对于0°C以上的金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度；对于0°C以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

设计温度与设计压力存在对应关系。

当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力和温度组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。

本次设计严格遵循GB150规定，并且考虑到设计压力，工作温度釜内不高于50°C，夹套内不高50°C，即釜内设计温度为50°C，夹套设计温度为50°C。

2.2.3材料的选用

由于釜内盛装为发酵液可能是弱酸弱碱，而且考虑设备连续使用或间歇使用，其使用情况不同，腐蚀情况也不相同。

当间歇使用时，釜内发酵液时有时无，会对筒体产生腐蚀。

故从耐酸角度考虑，灰铸铁、高硅铸铁、碳钢和不锈钢都能使用。

但灰铸铁、高硅铸铁抗拉强度低、质脆，不宜采用。

碳钢力学强度高，质韧，焊接性能好，但稀酸对碳钢腐蚀严重，故不能采用。

故据以上分析，不锈钢的各种性能较合适，宜采用。

现选择不锈钢，其主要包括铬不锈钢及铬镍不锈钢，对于铬不锈钢，起耐酸作用的主要元素为铬，由于钢中存在碳元素，碳能与铬形成铬的碳化物（如Cr23C6等），因而消耗了铬，使钢的耐酸性降低，故对于该设计反应釜内筒体宜选用铬镍不锈钢，现选0Cr18Ni9不锈钢，其除与铬不锈钢一样具有氧化铬薄膜的保护作用外，还因镍能使钢形成单一奥氏体组织而得到强化，比铬不锈钢更具耐蚀性，同时这种不锈钢在冷磷酸、硝酸、以及其他的无机酸，多种盐及碱的溶液，有机酸，海水，蒸汽以及一些列石油产品中耐蚀性高，因此正适合做发酵罐的筒体材料。

夹套内介质为冷却水，在间断操作中冷却水与空气接触会对夹套产生微小腐蚀。

因碳钢价格便宜、操作方便，因此可选碳钢做夹套材料，工业也一般选取Q235B作为夹套材料。

故现在就选取Q235B作为夹套材料，同时采用喷涂或涂刷方法做防腐施工，亦可获得相当理想的防腐效果[3]。

对于Q235B在GB150-1998中对它有如下规定：

①容器设计压力P≤1.6MPa；

②钢板使用温度为0～350°C；

③用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；

④不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。

8结论

本次设计的是夹套反应釜，釜体内物料为发酵液，筒体内为常压，夹套传热物质为冷却水，温度不大于50°C。

釜体材料采用０Ｃｒ１８Ｎｉ９不锈钢，釜体封头为了便于焊接提高焊接性能亦采用同种材质０Ｃｒ１８Ｎｉ９，夹套材料采用Q235B。

封头都采用标准椭圆形封头。

釜体内径1800mm，釜体高度3600mm，夹套内径1900mm，夹套高度2500mm。

电动机型号Y112M-4，效率取0.95。

减速机采用摆线针轮行星减速机。

机架采用无支点机架作为减速机、轴封装置与封头的连接装置。

搅拌器选择桨式搅拌器，搅拌功率为1.83kW。

联轴器选用刚性凸缘联轴器。

容器法兰采用甲型平焊法兰，管法兰为板式平焊法兰密封面形式为突面（RF）。

接管开孔分别为Φ32mm，Φ45mm均小于Φ89mm不需要另行考虑其补强。

人孔开孔Φ450mm，经计算不需补强。

本设计设备具有操作灵活性大、结构简单、紧凑，占用空间及作业面积小、操作维修方便，且传热和传质效果好等优点，因此有良好的发展前景。

9参考文献：

[1]于信令，徐国汉.大型发酵罐设计的新进展[J].发酵科技通讯:

1999年，28

（1）

[3]石荣华.大型发酵罐设计实例[J].医药工程设计杂志:

2002年，3

（1）

[2]蔡纪宁，张秋翔.化工设备机械基础[M].北京：

化学工业出版社，2008

[4]董大勤.化工设备机械基础[M].北京：

出版社，2002

[5]顾方珍，陈国恒.化工设备设计基础[M].天津：

天津大学出版社，1994

[6]《化工设备机械基础》编写组编.化工设备机械基础[M].北京：

石油化学工业出版社，1978

[7]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].第三版.北京：

化学工业出版社，2010

[8]GB150—1998,钢制压力容器[S]

[9]大连理工大学工程画教研室编.机械制图[M].第五版.北京：

高等教育出版社，2006

[10]华东化工学院、浙江大学合编.化工容器设计[M].湖北：

湖北科学技术出版社，1985

10致谢

十分感谢青海大学四年来为我提供良好的学习环境，也衷心感谢化工学院化工机械系四年来教育我成长，衷心感谢化工机械系的领导及老师给我们孜孜不倦地教诲，以及在我的毕业设计过程当中给予的督促、指导和鼓励。

同时在这里特别感谢我的设计指导老师祁玉红老师，祁老师虽然平日里工作繁忙，但在我们做毕业设计的每个阶段，从设计草案的确定和修改到中期检查，后期详细设计，装备草图等整个过程中都给予了我悉心的指导，并对我的设计提出了许多宝贵的建议，使我能顺利地完成本次设计任务。

真的，在此向老师说声谢谢！

其次还要感谢本次设计中的同组同学们，在设计中，我们一起克服了许多困难，相互帮助，相互借阅资料，对设计顺利完成起到了很大地帮助作用。

最后，郑重地对精心审阅设计的各位老师致以最由衷的谢意！