50L通用式厌氧发酵罐的设计

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)

2.1 粉碎直排 (1)

2.2 肥料化处理 (2)

2.3 饲料化处理 (2)

2.4 生物发酵制氢技术 (2)

2.5 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)

2.1初始设计参数 (6)

2.2 设计计算参数 (6)

2.3反应器的传热计算 (7)

2.4确定夹套里水的质量流量 (8)

第三章发酵罐的结构设计 (9)

3.1 发酵罐尺寸的初选 (9)

3.2 发酵罐搅拌器的选型 (10)

3.3 发酵罐传热元件的设计 (11)

3.3.1 传热元件的选取 (11)

3.3.2 夹套的尺寸及连接型式 (12)

3.4 发酵罐的具体尺寸的设计计算 (13)

3.4.1 发酵罐筒体厚度设计计算 (13)

3.4.2 封头厚度计算 (14)

3.4.3夹套的壁厚计算 (16)

3.5 发酵罐搅拌功率计算及电机的选型 (16)

3.5.1搅拌功率计算 (16)

3.5.2 电机的选型 (16)

3.6 传动装置及选型 (17)

3.6.1减速器的选取 (17)

3.6.2 联轴器的选择 (17)

3.6.3 搅拌轴的设计 (18)

3.6.3.1 搅拌轴强度预算 (18)

3.6.3.2 按扭矩和弯矩合成计算轴强度 (19)

3.6.3.3 搅拌轴临界转速的校核 (21)

3.6.4 凸缘法兰的选型 (23)

3.6.5 安装底盖的选型 (24)

3.6.6螺栓强度的校核 (25)

3.7 水压试验 (26)

3.8接管及管法兰的设计 (27)

第四章发酵罐的附件的选取 (29)

4.1 视镜的选取 (29)

4.2 温度计测量元件 (29)

4.3 挡板的选型 (30)

4.4 支座的选型 (30)

4.5 转轴的密封 (32)

4.6焊接结构设计 (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

50L Universal Design of anaerobic

fermentation tank

Abstract

This design introduces food waste composition, characteristics, review the current basic kitchen waste treatment method: Feed technology, composting, biological anaerobic fermentation. Kitchen waste to determine the anaerobic fermentation process, the first of collected kitchen waste pretreatment: purification, water regulation, PH adjustment, etc., into the fermentation tank with a pump for anaerobic fermentation. The design focuses on the design of anaerobic fermentation, the fermentation jars of body size, fermentation technology, mixing power, impeller, shaft, etc. Check the design. For some relatively complex design of all calculated using the MATLAB programming.

Key words：food waste; processing technology; anaerobic fermentation; anaerobic fermentation; shaft design; MATLAB programming calculation

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，2001年城市生活垃圾的清运量13470.4万t，其中厨余垃圾4041.1万～5388.2万t，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

2.1 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]。

2.2 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。

2.3 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，最终得到的饲料粗蛋白含量33.87％，比原料增加了6.85％；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。

2.4 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。

Lay Jiunn-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。在PH为5.0、SRT为6h的条件下，产氢能力达到2.298L/(L·D)，日均处理葡萄糖COD负荷8.7Kg。

2.5 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（Lactic Acid）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。相对密度1.2060(25/4℃)。熔点18℃。沸点122℃（2kPa)。折射率nD(20℃)1.4392。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，分别为11.87g/L和17．36g／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

2.1初始设计参数

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=1.01Pa·s

搅拌速度：n=300r/min

发酵罐的设计压力：P=0.5MPa

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：C p2=4.183kJ·kg-1·K-1

2.2 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V a的粗略计算如下：

V=

(2-1) V:搅拌容器容积，0.05m3.

V a：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，取0.11.

Ф：装料系数，搅拌状态平稳其取值范围0.8-0.85.此处取值0.8

m：发酵罐台数，1.

将各个系数代入式中，应用MATLAB求得

va=24*0.8*1*0.05/(5*24*(1+0.11)) %m3/24h

va =

0.0072

所以间歇式进料量 V a=0.0072m3/24h。

2.3反应器的传热计算

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 =

11.2701

所以Δt=11.2701℃。

传热面积F=Q/(K·Δt)==0.205。

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。

2.4确定夹套里水的质量流量

物料的产热量计算：

Q总=m s2·C p2（t1-t2）=1MJ/h

夹套的水流量计算：

M s2=Q总/（C p2·（t1-t2））=6.60kg/s

第三章发酵罐的结构设计

3.1 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，已知V0为0.05m3；

V b：发酵罐的筒身容积，；

V d：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，；

由3.1表知道H/D的取值范围为1.7-2.5，取值H/D=2代入3-1式求得

D=0.307m，H=0.614m。

取整得：D=0.30m，H=0.61m ，H/D=2.03在取值范围内符合要求。

表3.1几种搅拌罐的H/D i值

3.2 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，设计压力为0.5MPa，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（见图3.1）。

图3.1 六叶开启涡轮式搅拌桨

叶轮直径的选取：D J/D=0.2-0.5，取值0.5求得d=150m。查表3.2可得到其具体参数如下:

搅拌器结构参数（mm）搅

拌

桨

直

径：

D J

轴

套

内

径：

d

轴

套

外

径：

d1

轴

套

上

端

高：

h2

d m1/d

m2

桨

高：

h

轴

套

整

体

高：

h1

桨

宽：

δ

桨的

质量：

m（kg）

表3.2 六叶开启涡轮式搅拌器的主要尺寸

3.3 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。

3.3.1 传热元件的选取

由于本设计工作压力仅为0.5MPa，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（图3.2）。

图3.2 U型整体夹套

3.3.2 夹套的尺寸及连接型式

表3.3整体夹套直径的确定

由表3.3可知筒体直径为300mm时候夹套的直径D j为340mm。夹套的高度一般壁料液高50-100mm。

H L=H·Ф=610

H夹=H L+50=538mm