发酵罐设计

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以下贴子出自《通用发酵罐设计与强度分析》论文作者：魏洪普
根据承担的功能不同，搅拌反应设备主要可以分为筒体、封头、开孔接管、传热设备、搅拌设备、传动设备、支撑装置等部分，搅拌反应设备的设计计算工作涉及理论力学、材料力学、流体力学、传热学、机械设计等多个领域。

在搅拌反应设备的主要部件之中，筒体和封头主要起到密封和承受内压的作用，封头和筒体联合作用为搅拌液提供一个密闭的空间，避免搅拌液损失或者流出造成人员伤亡、财产损失或者污染环境，同时还可以提供搅拌反应过程所需要的压力；开孔接管的作用主要有两种，一种是为了工艺物料的流进和流出，另一种作用是用于测量、控制或者检修，如 pH 值检测孔、温度检测孔、人孔手孔等；传热设备的主要功能是为搅拌反应过程提供必要的热量或者带走反应热，一般采用内蛇管或者外加套作为传热装置，又也可以两者联合使用；搅拌设备主要是指搅拌轴和搅拌器，主要用于使气体在设备中中均匀分布、物料充分混合、提高传热效率等功能；传动装置主要包括电动机、减速机、传动带等部件，主要作用是为搅拌轴提供动力；支撑装置主要用于支撑电机、减速机以及用于整个搅拌反应设备的支撑和固定作用；轴封装置主要用于传动轴穿出反应釜开孔的动密封，主要有填料密封和机械密封两种。

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反应釜设计  
反应釜的设计主要包括筒体与封头的设计、传热装置设计、开孔与接管的设计、轴封设计等方面，所采用的方法也涉及理论分析、数值模拟、实验测定等多个方面。

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周新光等针对设备内壁产生的裂纹进行了分析，并提出了补焊修复的措施；马爱亮等基于 C++平台开发了具有智能学习功能的搅拌反应釜智能设计 CAD 系统，该系统可以根据设计历史进行自我学习和自我完善，提高了设计效率。目前，搅拌反应设备可以方便的采用 CAD 软件来进行参数化设计。搅拌反应釜的传热装置主要的形式有内蛇管和外夹套两种形式，有关研究主要涉及传热性能、强度和结构等方面。
陈晓宁等结合生产实际，对半管夹套的设计和制造工艺进行了研究，提出了一种高效率的滚筒机制作半管的工艺，这种工艺的材料利用率明显高于传统工艺。黄煜等对半管夹套进行了分析，对其结构、成型原理和注意事项进行了研究。
马青辉等介绍了一种新型大容量搪玻璃搅拌反应器夹套结构，与传统的夹套式反应釜相比，这种新型大容量搪玻璃反应器具有结构合理、技术先进、安全性好、换热效率高、易于维修等特点。开孔接管设计是压力容器设计中一个重要的研究内容，目前主要研究热点在于开孔接管的安全评定方法及补强效果方面，主要采用的方法是有限元分析。
何家胜等采用预应力条件下的有限元方法对天然气管道的带压开孔工艺进行了研究，提出了先焊支管再焊方形补强片的工艺路线。
彭培英等采用有限元方法对补强圈补强的适用性和补强效果进行了研究，研究表明，等面积法对于接管补强范围估计不足，略偏于保守，补强圈适用于压力较低的工况。
刘庆刚等采用 ANSYS 软件对圆筒容器沿着圆周方向的相邻径向开孔进行了分析，结果表明，环向开孔与径向开孔的应力集中情况不同，总体应力集中水平较低。
动密封一直是搅拌反应设备的一个薄弱环境，搅拌设备常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种，其中机械密封较为常用。有关机械密封方面的研究主要集中在机械密封原理与密封效果分析和新型密封材料应用方面。
Noel  B等对不用润滑条件下的机械密封性能进行了有限元分析，分析表明液膜厚度是决定密封端面润滑性能的重要因素。
Takahash等对机械密封技术在能源和环保领域的应用进行概括总结，强调了发展机械密封技术的重要性。
Philip等认为包括流体膜压力、表面固体接触压力、弹簧力和Ｏ形圈接触压力在内的机械载荷使密封端面凹入，流体膜产生发散变形，在此基础上提出端面变形的分析模型，并采用一种新型的局部磨损测量技术进行了端面磨损实验，数值计算结果与实验结果一致。
魏伟等以石墨、高碳、铜粉为原料，酚醛树脂为粘结剂，经机械混合、冷压成型、加热固化制备
Cu/碳石墨机械密封复合材料，并对其性能进行了分析，对各组分的含量进行了优化。

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内部流动特性及搅拌系统设计  
搅拌反应中涉及固、液、气三相的传动、传热、传质过程，流动状态十分复杂。搅拌反应器中的传递过程与搅拌器的形式、转速，传热装置的设计，挡板设计，筒体高径比等多种因素有关。关于搅拌釜内的流动状态、传热机理、混合效果以及搅拌功率等研究一直以来都是搅拌反应器研究的重点。
流体流动状态和传热传质过程的研究，一般采用实验研究和数值模拟两种方法。采用计算流体力学进行搅拌反应器内部流场的研究具有效率高、成本低的优点，可以显著推进搅拌器、搅拌釜的设计理论进步和新形式搅拌器的开发。但是，由于人们对于湍流模型、两相流以及多相流的流动特征了解还不是特别清楚，采用数值模拟进行流动和传热特性的研究还受到一些限制，其分析结果的可靠性还需要实验来验证。采用实验方法进行搅拌反应器内部流动的研究成本高、周期长，且难以全程监测反应釜内部的流动特性的参数。因此，将数值分析和实验测试联合使用，是目前研究搅拌反应器内部流动特性的常见做法

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搅拌反应器控制系统研究

搅拌反应器的控制是近年来搅拌反应设备的研究热点之一。随着计算机技术的进步，企业生产的自动化程度越来越高。自动化技术不但可以避免人为误操作带来的产品质量下降，还可以有效避免危险事故的发生，因此，近年来，搅拌反应器的控制技术成为了这个领域的研究热点。对于搅拌反应设备的控制研究主要集中在控制精度、控制可靠性和新型控制模式等方面。
满红等针对化工过程中广泛使用的连续搅拌反应釜，提出一种基于神经网络的模型预测控制策略，采用分段最小二乘支持向量机辨识 Hammerstein-Wiener 模型系数的方法，在此基础上建立线性自回归模式结构和高斯径向基神经网络串联的非线性预测控制器。利用 BP 神经网络训练预测控制输入序列和拟牛顿算法求解非线性预测控制律，从而实现一种基于支持向量机 Hammerstein-Wiener 辨识模型的非线性神经网络预测控制算法。对控制的仿真结果表明，该方法能够更有效地跟踪控制反应物浓度。