毕业设计(论文)-50l通用式厌氧发酵罐的设计[管理资料].docx
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目录
目录 I
摘要 III
Abstract IV
第一章前言 1
1引言 1
2餐厨垃圾处理处置现状 1
粉碎直排 1
肥料化处理 2
饲料化处理 2
生物发酵制氢技术 2
厌氧发酵技术 3
3厨余垃圾厌氧发酵技术详探 4
第二章：
工艺计算 6
6
设计计算参数 6
7
8
第三章发酵罐的结构设计 9
发酵罐尺寸的初选 9
发酵罐搅拌器的选型 10
发酵罐传热元件的设计 11
传热元件的选取 11
夹套的尺寸及连接型式 12
发酵罐的具体尺寸的设计计算 13
发酵罐筒体厚度设计计算 13
封头厚度计算 14
16
发酵罐搅拌功率计算及电机的选型 16
16
电机的选型 16
传动装置及选型 17
17
联轴器的选择 17
搅拌轴的设计 18
搅拌轴强度预算 18
按扭矩和弯矩合成计算轴强度 19
搅拌轴临界转速的校核 21
凸缘法兰的选型 23
安装底盖的选型 24
25
水压试验 26
27
第四章发酵罐的附件的选取 29
视镜的选取 29
温度计测量元件 29
挡板的选型 30
支座的选型 30
转轴的密封 32
33
结论 35
致谢 36
参考文献 37
附录 39
50L通用式厌氧发酵罐的设计
摘要
本设计介绍了餐厨垃圾的成分、特点，综述了目前处理厨余垃圾的基本方法：
饲料化技术、堆肥化处理技术、生物厌氧发酵技术。
确定了厨余垃圾的厌氧发酵工艺，先对收集来的厨余垃圾进行预处理：
除杂、含水量的调节、PH的调节等，用泵打入发酵罐进行厌氧发酵。
本设计着重于厌氧发酵罐的设计，对发酵罐罐体的尺寸，发酵工艺，搅拌功率，搅拌桨，搅拌轴等进行了设计计算和应力校核。
对于一些相对复杂的设计过程全部运用了MATLAB进行编程计算。
关键词：
厨余垃圾；处理技术；厌氧发酵；厌氧发酵罐；搅拌轴设计；MATLAB编程计算
50LUniversalDesignofanaerobicfermentationtank
Abstract
Thisdesignintroducesfoodwastecomposition,characteristics,reviewthecurrentbasickitchenwastetreatmentmethod:
Feedtechnology,composting,biologicalanaerobicfermentation.Kitchenwastetodeterminetheanaerobicfermentationprocess,thefirstofcollectedkitchenwastepretreatment:
purification,waterregulation,PHadjustment,etc.,intothefermentationtankwithapumpforanaerobicfermentation.Thedesignfocusesonthedesignofanaerobicfermentation,thefermentationjarsofbodysize,fermentationtechnology,mixingpower,impeller,shaft,etc.Checkthedesign.ForsomerelativelycomplexdesignofallcalculatedusingtheMATLABprogramming.
Keywords：
foodwaste;processingtechnology;anaerobicfermentation;anaerobicfermentation;shaftdesign;MATLABprogrammingcalculation
朗读
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第一章前言
1引言
餐厨垃圾主要是指居民日常生活及除此以外的食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾[1]。
餐厨垃圾包括废弃食用油脂和厨余垃圾。
其中废弃食用油脂是指不可再食用的动植物油脂和各类油水混合物，而厨余垃圾是指食物残余和食品加工废料，主要为餐厨垃圾中的固体残留物。
近年来,随着人们生活水平的日益提高以及全球人口的增加，厨余垃圾的产量呈现明显的增长趋势。
目前，全球每年产生的城市生活垃圾为500亿t左右，其中厨余垃圾约占其中的10％～20％[2]。
我国厨余垃圾产量巨大，据国家环境公报显示，，～，占城市生活垃圾总量的30％～50％[3]。
目前，国内外厨余垃圾资源化技术主要有粉碎直排、料化处理技术、饲料化技术肥、生物制氢、厌氧发酵处理技术等。
2餐厨垃圾处理处置现状
粉碎直排
由于厨房空间有限，因此就地减量处理是餐厨垃圾处理的基本立足点。
目前一些国家普遍采用在厨房配置餐厨垃圾处理装置，将粉碎后的餐厨垃圾排人市政下水管网的方法。
如国外研制的餐厨垃圾机械研磨装置即通过高速运转的刀片将装在内胆的各种食物垃圾切碎搅拌后冲入下水道，这样可部分解决下水道堵塞问题。
但餐厨垃圾粉碎直排容易产生污水和臭气，滋生病菌、蚊蝇和导致疾病传播，油污凝结成块会造成排水管堵塞，降低城市下水道的排水能力，高油脂含量等特性也增加了城市污水处理厂和垃圾填埋场负荷，同时也不可避免地产生二次污染[4]。
肥料化处理
厨余垃圾的肥料化处理方法主要包括好氧堆肥和厌氧消化两种。
好氧堆肥过程是在有氧条件下，利用好氧微生物分泌的胞外酶将有机物固体分解为可溶性有机物质，再渗入到细胞中，通过微生物的新陈代谢，实现整个堆肥过程[5]。
同时，由好氧堆肥引申出一些类似的方法，如蚯蚓堆肥是近年来发展起来的一项新技术，利用蚯蚓吞食大量厨余垃圾，并将其与土壤混合，通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学作用将有机物转化为自身或其他生物可以利用的营养物质。
厨余垃圾的厌氧消化处理是指在特定的厌氧条件下，微生物将有机垃圾进行分解，其中的碳、氢、氧转化为甲烷和二氧化碳，而氮、磷、钾等元素则存留于残留物中，并转化为易被动植物吸收利用的形式[6]。
厨余垃圾的肥料化处理的缺点是肥料质量不高，同时较高质量的堆肥方式成本比较高，推广困难。
饲料化处理
厨余垃圾的饲料化处理原理是利用厨余垃圾中含有的大量有机物，通过对其粉碎、脱水、发酵、软硬分离后，将垃圾转变成高热量的动物饲料，变废为宝目前我国厨余垃圾的饲料化处理技术已趋成熟，有多种类型的处理技术在上海、北京、武汉、济南等城市推广应用。
在饲料化处理中，最为重要的一步工艺就是发酵，在该方向上很多研究都取得了显著成果。
邬苏焕[7]等通过采用多种酵母菌和霉菌的混合发酵，筛选出白地酶F-1，米曲霉F-6进行优势菌种组合，在一定的发酵条件下，％，％；陈金钟[8]等采用多菌种混合发酵同时处理泔脚和秸杆，在两者按3:
1混合，温度150℃，高压锅中高温湿热酸处理的条件下，获得了粗蛋白>25％，粗纤维<18％，水分<10％的高饲料。
但就总体来说，厨余垃圾饲料化同样存在着质量不高、销路不好的问题。
生物发酵制氢技术
氢是一种清洁能源，且燃烧发热量高,因此被普遍认为是最有潜力的替代能源。
传统的化学产氢法;电解水或热解石油、天然气>能耗大且生产成本高，而生物制氢；主要利用光合细菌产氢和发酵产氢>法反应条件温和、能耗低，因而受到关注。
LayJiunn-Jyi[8]等从活性污泥中获取微生物，对不同化学组成的餐厨垃圾：
糖类（米和马铃薯）、酯类（肥肉和鸡皮）、蛋白质（鸡蛋和瘦肉）进
行发酵产氢，得出糖类垃圾的产氢能力大概是其他2类的20倍。
刘敏等[9]采用连续流厌氧发酵法研究了糖蜜废水、淀粉废水与牛奶废水生物制氢，结果表明，糖蜜废水与淀粉废水都是较好的厌氧发酵法生物产氢底物，3大类有机物中碳水
化合物是目前技术条件下最具可能性的原材料。
而碳水化合物中，溶解性好的糖比溶解性差的淀粉更具生物产氢可行性，但淀粉比溶解性糖更具有产氢前景，牛奶废水则不适用于作为CSTR反应器中发酵法生物制氢底物。
赵春芳等[10]，进行了以葡萄糖为基质的消化污泥厌氧发酵产氢气的研究，结果表明在厌氧产酸阶段，通过控制体系的PH和污泥停留时间（SRT），可以得到较高的产氢量。
、SRT为6h的条件下，（L·D），。
厌氧发酵技术
由于厨余垃圾容易发酵、变质、腐烂，不仅产生大量的毒素，散发恶臭气体，还污染水体和大气，所以厨余垃圾如果得不到及时的处理，不仅影响城市市容和环境卫生，而且会传播疾病，危害人们的日常生活和身体健康。
但与其他垃圾相比，厨余垃圾因其高碳氮比（C/N）、营养元素多、可生化性强等特点，适合于厌氧发酵的处理技术。
其处理的优点在于利用微生物降解有机成分，不仅具有较高的废物处理效率，而且还可以得到有机肥料、化工产品以及生物气能源等。
目前，在国内外厌氧发酵技术已应用于酒精、食品、制药、化工等行业的废水处理过程中。
随着厌氧发酵技术的广泛运用，国内外已经有将该技术用于厨余垃圾处理的实例，并获得乙酸等化工产品，取得了一定的效果。
为了提高厨余垃圾厌氧发酵产酸的效率，笔者以厨余垃圾为原料，采用正交试验设计方法，研究接种比例、pH值和温度对厨余垃圾厌氧发酵产酸的影响，并最终确定厨余垃圾厌氧发酵产酸的最佳条件[11]。
其具体工艺如下
此工艺是以后各种高固体厌氧消化工艺的基础。
3厨余垃圾厌氧发酵技术详探
采用厌氧发酵工艺处理厨余垃圾具有许多独特的优点[12]:
（1）厌氧系统可以处理含固率为10%-25%的有机废弃物,厨余垃圾的含固率一般在15%-20%左右,因此发酵前既不需加水也不需要脱水,简化了前处理,也节约了能耗；
（2）通常,有机物碳氮比在20-30间最适合厌氧发酵而厨余垃圾的碳氮比在10-25之间,非常适合厌氧发酵,如果碳氮比过低还可以添加猪粪和污泥等碳氮比较高的有机废弃物进行调节；（3）厌氧发酵具有有机负荷高、占地少、周期短、对环境造成的负面作用小特别适合环境要求高的城市；（4）厌氧发酵可以在处理厨余垃圾时，同时处理其它可腐有机物如粪便、污泥等，并根据各种需求添加相应的添加料、制造特种肥料、提高产品的附加值。
厌氧发酵的产物乳酸（LacticAcid）又名α-羟基丙酸。
物理性质：
纯品为无色液体，工业品为无色到浅黄色液体。
无气味，具有吸湿性。
（25/4℃）。
熔点18℃。
沸点122℃（2kPa）。
折射率nD（20℃）。
能与水、乙醇、甘油混溶，不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。
在常压下加热分解，浓缩至50%时，部分变成乳酸酐，因此产品中常含有10%～15%的乳酸酐。
化学性质：
乳酸分子中既带羟基又带羧基，是自然界中存在的最广泛的一种羟基羧酸，也是最简单的一种羟酸，因而乳酸可以进行范围广泛的化学反应，如氧化反应、还原反应、缩合和在醇基上的取代反应等，从而制备多种乳酸衍生物。
乳酸是世界上公认的三大有机酸之一。
其分子中有一个不对称的碳原子，所以有两种旋光异构体，即L-乳酸和D-乳酸。
乳酸广泛存在于自然界中，如在血液、酸奶、泡菜、奶酪、及啤酒中都有发现。
乳酸用途很广，主要用于食品、医药、化工、轻工等行业。
厨余垃圾厌氧发酵生产乳酸工艺的影响因素有很多：
底物特性、发酵温度、发酵PH值等[13]。
而目前，利用富含碳水化合物的有机废弃物（如麦麸、厨余垃圾等）发酵产乳酸已有了广泛研究[14]。
乳酸细菌大多是中温细菌,控制温度在35～40℃有利于乳酸的产生[15]。
在适当的垃圾粒径、固含率和C／N条件下，厌氧发酵产酸的最佳反应条件:
温度为37℃，pH值为6，接种比例为4：
1时，厨余垃圾厌氧发酵所产乙酸和VFA在第5天达到最大值，．36g／L。
在不同的条件下，乙酸都是最主要的产物，VFA组分中乙酸均占到55％以上，而丙酸和正丁酸的产量都比较低[16]。
第二章：
工艺计算
发酵周期：
5d
夹套进出口温度：
t1=20℃，出口温度：
t2=30℃
物料每立方米放出的热量：
Q=20MJ/m3·h
物料密度：
ρ=850kg/m3
物料粘度：
µ=·s
搅拌速度：
n=300r/min
发酵罐的设计压力：
P=
反应器料液保持恒温T1=T2=37℃，夹套冷却水进口温度为t1=20℃，出口温度为t2=30℃
料液平均温度：
T=（T1+T2）/2=37℃
冷却水平均温度：
t=（t1+t2）/2=25℃
水在25℃下的比热容：
Cp2=·kg-1·K-1
设计计算参数
厨余垃圾发酵工艺采用间歇式进料，其进料量Va的粗略计算如下：
V=（2-1）
V:
搅拌容器容积，.
Va：
每昼夜处理的物料体积，（m3/24h）.
t：
每批物料的处理时间，524h.
η:
搅拌器的备用系数，.
Ф：
装料系数，
m：
发酵罐台数，1.
将各个系数代入式中，应用MATLAB求得
va=24**1*（5*24*（1+））%m3/24h
va=
所以间歇式进料量Va=。
搅拌反应的传热粗略过程可以用下式描述：
（2-2）
Q:
流体传递的热量，W；
K：
总传热系数，W/（m2·K）；
F:
传热面积，m2；
Δt：
被搅拌液和热载体之温差，K。
而发酵反应器中
（2-3）
Q发：
每小时1m3发酵液反应的产热值，取值20MJ（m3·h）；
V：
发酵液体积，m3；
求得Q=201MJ/h
采用夹套逆流传热，K取120J/m2·s-1·℃-1
冷热流体的温差计算（MATLAB）：
clc
clear
T1=37,T2=37,t1=20,t2=30;
t=（（T2-t1）-（T1-t2））/log（（T2-t1）/（T1-t2））
运行后得到结果
t=
所以Δt=℃。
传热面积F=Q/（K·Δt）==。
改进料50L反应容器的传热面积为
F反应器=
有F反应器，所以传热设计合理。
物料的产热量计算：
Q总=ms2·Cp2（t1-t2）=1MJ/h
夹套的水流量计算：
Ms2=Q总/（Cp2·（t1-t2））=
第三章发酵罐的结构设计
发酵罐尺寸的初选
发酵罐体积的近似计算：
（3-1）
V0：
发酵罐的公称容积，；
Vb：
发酵罐的筒身容积，；
Vd：
发酵罐的下封头容积，；
D：
发酵罐的筒体直径，；
H：
发酵罐的筒体高度，；
，取值H/D=2代入3-1式求得
D=，H=。
取整得：
D=，H=，H/D=。
发酵罐搅拌器的选型
发酵罐的搅拌速度为300r/min，搅拌液为固-液悬浮，PH值为6，且粘度较低，，故采用单层六叶开启涡轮式搅拌器，不锈钢材质。
又因固液密度差较小，故采用平桨（）。
六叶开启涡轮式搅拌桨
叶轮直径的选取：
DJ/D=，=150m。
:
搅拌器结构参数（mm）
搅拌桨直径：
DJ
轴套内径：
d
轴套外径：
d1
轴套上端高：
h2
dm1/dm2
桨高：
h
轴套整体高：
h1
桨宽：
δ
桨的质量：
m（kg）
150
35
60
8
M6/-
30
55
6
六叶开启涡轮式搅拌器的主要尺寸
发酵罐传热元件的设计
发酵罐的搅拌过程常常伴有放热或吸热现象，有时还需将容器内的物料维持在一定的温度下，以利于反应的进行。
这样多数的搅拌设备就需要设置传热原件。
传热元件的选取
，容积也只有50L，换热量不大，所以易采用夹套式传热，材质为0Cr18Ni9Ti不锈钢。
这样可减少容器内构件，又不占用容器的有效容积。
同时传热介质为水，不需要时常清洗筒壁所以采用整体式U型夹套，U型夹套筒身和封头都包有夹套，传热面积大，是最常用的结构（）。
U型整体夹套
夹套的尺寸及连接型式
。
夹套的高度一般壁料液高50-100mm。
HL=H·Ф=610
H夹=HL+50=538mm
取整得H夹=490mm。
不锈钢
（a）（b）
整体夹套的尺寸及连接型式，（a）封头的上连接形式（b）封头的下连接形式。
发酵罐的具体尺寸的设计计算
发酵罐筒体厚度设计计算
发酵罐的筒体材料是0Cr18Ni9Ti，查阅GB150-98知改不锈钢的许用应力[σ]t=137容器的壁厚计算及校核运用MATLAB求解：
clc
clear
P=;%输入初始设计压力
b=137;%输入材料的许用应力
d=850;%输入物料密度
D=300;%输入筒体直径，mm
g=;
h=;%输入料液高度
C1=;%厚度设计的负偏差，mm
C2=2;%腐蚀余量，mm
t=1;%焊缝系数，全焊透取值为1
Pc=P+（b*d*h）*10^（-6）;%计算容器总压力Pc，MPa
th=Pc*D/（2*b*t-Pc）;%计算厚度
fprintf（'计算厚度th=%\n',th）;%输出计算厚度
th1=th+C1+C2;%计算名义厚度
th1=ceil（th1）;%圆整名义厚度
fprintf（'名义厚度th1=%dmm\n',th1）;%输出名义厚度
th2=th1-C1-C2;%计算名义厚度
b2=Pc*（D+th2）/（2*th2）;
ifb2<=b*t
disp（'设计厚度符合要求，正确'）;
else
disp（'设计错误，请重新计算'）;
end
运行结果如下：
计算厚度th=
名义厚度th1=3mm
设计厚度符合要求，正确
所以筒体的壁厚（名义壁厚）δ=3mm。
封头厚度计算
，容积V<,为了满足搅拌装置的安装检修和料液的进出等要求，搅拌器的上封头选择开盖式椭圆封头，下封头选用椭圆封头。
材料都为1Cr18Ni9Ti。
其计算及校核通过MATLAB编程设计如下：
clc
clear
P=;%输入初始设计压力，MPa
b=137;%输入材料的许用应力，MPa
d=850;%输入物料密度，kg/m3
D=300;%输入筒体直径，mm
g=;
h=;%输入料液高度，m
C1=;%厚度设计的负偏差，mm
C2=2;%腐蚀余量，mm
t=1;%焊缝系数，全焊透取值为1
Pc=P+（b*d*h）*10^（-6）;%计算容器总压力Pc，MPa
th=Pc*D/（2*b**Pc）;%计算封头厚度
fprintf（'封头的计算厚度th=%\n',th）;%输出计算厚度
th1=th+C1+C2;%计算名义厚度
th1=ceil（th1）;%圆整名义厚度
fprintf（'封头的名义厚度th1=%dmm\n',th1）;%输出名义厚度
th2=th1-C1-C2;%计算名义厚度
b2=*D/100;
ifb2disp（'封头的设计厚度符合要求，正确'）;
else
disp（'封头的厚度设计错误，请重新计算'）;
end
运行结果如下：
封头的计算厚度th=
封头的名义厚度th1=3mm
封头的设计厚度符合要求，正确
>>
所以有封头厚度取值δ·=3mm。
，其壁厚可以和筒体的壁厚取值相等3mm。
发酵罐搅拌功率计算及电机的选型
搅拌过程进行时需要动力，笼统地称这动力时可叫作搅拌
功率。
其具体计算公式如下：
P=NPρn3d5（3-2）
P：
搅拌功率，W；
NP：
搅拌功率准数，r/min；
ρ：
物料密度，850kg/m3；
n：
转速，300r/min；
d：
叶轮直径，150mm；
NP的确定可以运用Bates的算图来确定：
由搅拌雷诺数Re查阅NP。
Re（3-3）
代入数值求得Re=。
查阅Bates算图得NP=。
将NP代入3-2式求得P=,圆整后P=30W。
电机的选型
根据搅拌所需功率P=，可选择YX-40（）微型电机。
采用V1型（立式，机座不带底角，顶盖附有凸缘）安装。
YX-4O型电机
额定频率额定转速轴径轴高电机中间电机厚
电压功率粗直径
220V50Hz80W1350r/min10mm31mm82mm105mm68mm
传动装置及选型
发酵罐的搅拌设备有单独的传动机构。
包括电动机、减速器、联轴节及搅拌轴。
减速比i=
减速器采用固定式齿轮减速器，出轴转向为单向，可降低对搅拌轴的轴向力。
联轴器的选择
联轴器的作用是将两个独立设备的轴牢固的联在一起，以进行传递运动和功率。
联轴器随联接的不同要求而有不同的结构。
本设计材料为不锈钢，刚度大振动下，可以选用刚性联轴器（）。
此联轴器允许在任何方向转动，结构简单，制造方便一般适用于振动小刚度大的轴。
刚性联轴器
搅拌轴的设计
搅拌轴强度预算
搅拌轴材料为1Cr18Ni9Ti，搅拌轴承受的载荷以扭矩为主，且为实心轴。
可先假设轴仅受扭矩的作用，进行设计计算。
（3-4）
d：
所求的轴径；
P：
计算功率，；
[]k:
材料的许用剪应力，20MPa；
n：
电机转速，300r/min；
数据代入3-4式求得：
可初定d=30mm。
机架参数选定XD1-30A30Z型机架。
。
机架参数
XD型单支点机架结构简图
按扭矩和弯矩合成计算轴强度
搅拌轴结构简化图如下：
图，一端外伸单层搅拌轴力学模型
图中参数的确定：
a=220mm；
搅拌器的低间距C=（）d，C=50mm；
L2=H-C+H1/2=610-50+220/2=670mm；
L=L2+a=890mm；
运用MATLAB编程对轴进行校核如下：
clc
clear
P=;%
n=300;%搅拌速率300r/min
L=890;%输入轴的总长890mm
d=30;%预算的搅拌轴轴径，30mm
D=150;%叶轮直径，150mm
f=1;%本设计搅拌等级低于7级，取值为1
Fs=20;%材料的许用剪力，20MPa
Ft=137;%材料的许用应力，137MPa
r=1;%一般搅拌轴所允许的最大扭转角，（o）m
G=*10^4;%材料的弹性模量，MPa
Fh=2888000*P*f/（n*D）;%计算液体产生的最大径向力，N
M1=9553000*P/n;%计
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