【文章內(nèi)容簡介】 階段。在此階段中，產(chǎn)氨細(xì)菌大量活動(dòng)，使氨態(tài)氮濃度增高，氧化還原勢(shì)降低，為甲烷菌生活提供適宜的環(huán)境。在甲烷細(xì)菌的作用下，將產(chǎn)酸 階段合成甲烷基質(zhì)的產(chǎn)物，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成甲烷。人工制取沼氣的方法叫做厭氧消化，這是在隔絕空氣的條件下，利用甲烷細(xì)菌使有機(jī)物發(fā)酵而分解。沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段是相互依賴和連續(xù)進(jìn)行的，并保持動(dòng)態(tài)平衡。在沼氣發(fā)酵初期，第一、二階段起主要作用，也有第三階段作用；在沼氣發(fā)酵后期，則是三個(gè)階段的作用同時(shí)進(jìn)行，到一定時(shí)期，保持一定的動(dòng)態(tài)平衡才能持續(xù)而正常地產(chǎn)氣【 8】。 發(fā)酵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)及性能指標(biāo) 因?yàn)檎右旱陌l(fā)酵產(chǎn)氣過程分為不同的三個(gè)階段，所以在整個(gè)發(fā)酵過程中要求設(shè)計(jì)多個(gè)罐體，用于觀察和檢測(cè)沼液在不同的發(fā)酵階段的產(chǎn)氣情況和 發(fā)酵情況。初步預(yù)計(jì)設(shè)計(jì) 4個(gè)罐體，分別為預(yù)發(fā)酵罐、一次發(fā)酵罐、二次發(fā)酵罐和一個(gè)備用發(fā)酵罐。 發(fā)酵罐 是 工業(yè)上用來進(jìn)行微生物發(fā)酵的裝置。在設(shè)計(jì)和加工中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，合理。能耐受蒸汽滅菌、有一定操作彈性、內(nèi)部附件盡量減少（避免死角）、物料與能量傳遞性能強(qiáng)，并可進(jìn)行一定調(diào)節(jié)以便于清洗、減少污染，適合于多種產(chǎn)品的生產(chǎn)以及減少能量消耗。 在設(shè)計(jì)過程中主要考慮發(fā)酵溫度、工作介質(zhì)、工OHCO 22 ? COOHCH3 OHCH 24 ? OHCH 24 ? 作壓力、裝料量、攪拌器、及傳熱面積等。 厭氧發(fā)酵可在較為廣泛的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 ， 一般來講，在 4℃ 至 65℃的范圍內(nèi)都能進(jìn)行 。 國、內(nèi)外許多學(xué)者曾系 統(tǒng)的研究了溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣量的影響， 發(fā)現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)， 溫度越高， 其產(chǎn)氣量也會(huì)越高， 但并不是呈線性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)溫度在 37℃和 52℃左右有兩個(gè)產(chǎn)氣高峰， 所以工藝上常依照此劃分為常溫發(fā)酵 (即自然溫度 )、中溫發(fā)酵 (30℃ 45℃ )、 高溫發(fā)酵 45℃ 60℃ )三種厭氧發(fā)酵類型 。我們實(shí)驗(yàn)在 35℃ 38℃ 間，屬于中溫發(fā)酵。 發(fā)酵罐內(nèi)主要是水和秸稈的混合物， PH接近中性，對(duì)罐體的腐蝕性較小，夾套和罐體之間采用水冷卻的方式。 沼液發(fā)酵罐中的壓力主要是發(fā)酵過程中產(chǎn)生沼氣的壓力， 容器內(nèi)壓力≤， 屬于低壓容器（ ≤ P≤ ）。 因?yàn)槲覀冏龅檬窃囼?yàn)設(shè)備，所以要求攪拌的槳葉是可以調(diào)節(jié)的，所以槳葉的轉(zhuǎn)數(shù)、形式和功率都有不同的數(shù)據(jù)。 具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和特性參數(shù)如表 21 所示。 表 21 設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)特性指標(biāo) 名稱 指標(biāo) 工作壓力 罐內(nèi) ≤ 夾套內(nèi) ≤ 工作溫度 罐內(nèi) ≤ 50℃ 夾套內(nèi) ≤ 50℃ 工作介質(zhì) 罐內(nèi) 輕微腐蝕性物料 夾套內(nèi) 水 確定 發(fā)酵罐的筒體的尺寸 筒體通常由多個(gè)筒節(jié)焊接而成，每一個(gè)筒節(jié)通常由鋼 板卷焊而成或取自大口徑的無縫鋼管，在某些特殊的場(chǎng)合也有采用鑄造和澆注的方法制造。對(duì)于用鋼板卷制的筒體，其內(nèi)徑必須符合公稱直徑的數(shù)值。對(duì)于直徑較小的筒體，為方便計(jì)算，可選用無縫鋼管制造，由于鋼管的內(nèi)徑會(huì)因?yàn)椴煌暮穸纫?guī)格而變化，故取其外徑為公稱直徑。設(shè)計(jì)筒體的公稱直徑時(shí)除滿足工藝要求以外，還必須按照表31 中的規(guī)定，否則就沒有標(biāo)準(zhǔn)的封頭可與之配合，這樣就給制造增加了難度。 表 31 壓力容器的公稱直徑（ DN） 【 9】 600 （ 650） 700 800 900 1000 （ 1100） 1200 （ 1300） 1400 （ 1500） 1600 1800 （ 1900） 2021 2200 （ 2300） 2400 2600 2800 注：帶括號(hào)的公稱直徑盡量不要采用。 以上只選取了部分?jǐn)?shù)據(jù)。 確定罐體的內(nèi)徑 D（公稱直徑）和筒體的高度 H： 罐體的高徑 選擇罐體的高徑比主要有 3 方面的考慮，即高徑比對(duì)攪拌功率的影響，對(duì)傳熱的影響以及物料反應(yīng)特性對(duì)高徑比的要求。 （ 1）高徑比對(duì)攪拌功率的影響： 一定結(jié)構(gòu)形式攪拌器的葉輪直徑和其裝配的攪拌罐體內(nèi)徑通常由一定的比率范圍。隨著罐體高徑比的減小，攪 拌器漿葉輪的直徑也就會(huì)相應(yīng)的增大。在固定的攪拌轉(zhuǎn)數(shù)下，攪拌器的功率與葉輪直徑的 5次方成正比。所以，隨著罐體直徑的增大，攪拌器的功率將會(huì)增加很多。 （ 2）罐體高徑比對(duì)傳熱的影響： 罐體高徑比對(duì)夾套傳熱有顯著的影響。容積一定時(shí)高徑比越大則罐體盛裝物料部分的表面積越大，夾套的傳熱面積也就越大。同時(shí)，高徑比越大，傳熱表面距離罐體重心也越近，物料的問題梯度也就越小，有利于提高傳熱效果。 （ 3）物料特性對(duì)高徑比的要求： 某些物料的攪拌反應(yīng)過程對(duì)罐體的高徑比有這特殊的要求，例如有的在反應(yīng)過程中需要大量的氧氣，為了 使通入罐體內(nèi)的空氣與罐體內(nèi)的發(fā)酵液有充分的接觸時(shí)間，就會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)有意的增加高徑比的值。 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，幾種攪拌罐的高徑比大致如下表 32. 表 32 幾種攪拌罐的 H/D 值 【 10】 種類 設(shè)備內(nèi)的物料類型 H/D 一般攪拌罐 固液兩相或液液相物料 發(fā)酵罐類 由于我們?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵的物料主要是秸稈物料，在這里我們的高徑比的取值是按照固液兩相物料進(jìn)行取值的。所以 H/D 的取值是 。 先計(jì)算第一個(gè)預(yù)發(fā)酵罐的幾何尺寸： 對(duì)于機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，取高徑比為 H/D=1 選取攪拌罐裝料系數(shù)為 ?? ,已知裝料量 【 10】 ? VV?0 （ 31） 初步計(jì)算筒體的直徑： 為了方便計(jì)算，先忽略封頭的容積，認(rèn)為 【 10】 ： HDV 24?? (32) 將 (32)式中的高度 H代換后可以得到 【 10】 ： )(4 3 DHDV ?? (33) 將 (32)帶入到 (33)并整理后得到 【 10】 ： 30)(4?? DHNVD? (34) 確定筒體的高度 將計(jì)算出來的結(jié)果整理成標(biāo)準(zhǔn)的公稱直徑，帶入 H/D=1 進(jìn)行計(jì)算高度 H。 H 確定后計(jì)算筒體的容積。 首先對(duì)預(yù)發(fā)酵罐進(jìn)行筒體尺寸的確定： 要求與發(fā)酵罐的公稱容積 VN 大致在 3m 。 ? 的值取 。 高徑比 DH 取值為 1。 將以上取值帶入公式（ 34）進(jìn)行計(jì)算： 30)(4?? DHNVD? ???? 1000? ? 。 因?yàn)檫€要加行上下兩個(gè)封頭的體積，再參照 表 32 壓力容器的公 稱直徑（ DN）。 此處當(dāng) D 的取值為 900mm，加上各封頭容積后經(jīng)過計(jì)算后罐的整體體積過大。所以筒體的高度 H的值也為 800mm。同時(shí)因?yàn)楦邚奖鹊娜≈禐?1，則筒體的體積 3221 )(44 ????? ?? HDV。 確定筒體的厚度 工程上常用的容器一般都是圓筒形殼體、球形殼體和錐形殼體及橢球形殼體。我們所設(shè)計(jì)的四個(gè)發(fā)酵罐都是采用圓筒形殼體。 對(duì)于圓筒形殼體，周向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的兩倍 【 9】 ： 2tPR??? （ 35） ?? ?? 2t ??PR （ 36） ?? 為筒體的經(jīng)向應(yīng)力， aMP ； ?? 為筒體的周向應(yīng)力， aMP ； P 為圓筒的設(shè)計(jì)壓力， aMP ； R 為圓筒的內(nèi)直徑， mm； t 為圓筒的計(jì)算厚度， mm； 設(shè)圓筒的直徑為 D，厚度為 t，受到均勻的內(nèi)壓 P作用時(shí)，產(chǎn)生的薄壁膜應(yīng)力為【 9】 ： t4PD??? （ 37） t2PD??? （ 38） 根據(jù)強(qiáng)度理論，要保證結(jié)構(gòu)安全，其最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力。對(duì)于薄壁圓筒則有 【 9】 ： ? ?tt2 ??? ??PD （ 39） 但是實(shí)際上大多圓筒都是由鋼板卷制而成，焊縫區(qū)可能會(huì)存在某些焊接缺陷，從而導(dǎo)致該區(qū)域的金屬強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度，因此在（ 39）公式中材料的許用應(yīng)力??t? 應(yīng)乘以一個(gè)小于或者等于 1 的焊接接頭系數(shù) ? 【 9】 ，即： ? ????? tt2 ?? PD （ 310） 焊接接頭系數(shù)：多數(shù)容器采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接可能會(huì)存在缺陷（如未焊透、氣孔、夾渣等），使得焊縫熱影響區(qū)往往成為容器強(qiáng)度較為薄弱的環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)中用焊接接頭系數(shù) ? 表示焊縫熱影響區(qū)金屬與母材強(qiáng)度的比值，反應(yīng)容器強(qiáng)度受削弱的程度。焊接接頭系數(shù)的大小應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭形式及無損檢測(cè)長度比例確定，具體可以根據(jù)表 33 規(guī)定選取。 表 33 焊接接頭系數(shù) 【 9】 焊接接頭形式 無損檢測(cè)要求 ? 值 雙面焊對(duì)接焊頭或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭 100% 局部 單面焊對(duì)接接頭 100% 局部 對(duì)（ 310）進(jìn)行整理，可得 【 9】 ： ? ???tPD2t ? （ 311） 上式中 t 是筒體安全承壓所需要的最小理論厚度， mm； D 是筒體的內(nèi)直徑， mm； P 筒體的設(shè)計(jì)內(nèi)壓力， aMP ； ??t? 是筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力， aMP ； ? 是焊接接頭系數(shù)。 腐蝕裕量 實(shí)際 容器會(huì)受到介質(zhì)和周圍大氣對(duì)材料產(chǎn)生腐蝕作用，因此在計(jì)算筒體厚度時(shí)在厚度 t 的基礎(chǔ)上還要增加一個(gè)腐蝕裕量 1C 。腐蝕裕量 1C 的取值根據(jù)介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕程度和預(yù)期容器的使用壽命來確定。 厚度負(fù)偏差 在筒體厚度的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，考慮到鋼板可能出現(xiàn)的鋼板厚度負(fù)偏差 2C ，鋼板厚 度負(fù)偏差可以根據(jù)表 34進(jìn)行選擇。 表 34 熱軋鋼板厚度負(fù)偏差 【 9】 鋼板厚度 2 負(fù)偏差 注：該表為一部分厚度負(fù)偏差取值。 并向上取圓整值至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度，就可以得到圓筒的標(biāo)準(zhǔn)厚度 nt 【 9】 ，即： 上式中： ????? 21n tt CC （ 312） nt 筒體的名義厚度， mm； t 是筒體安全承壓所需要的最小理論厚度， mm； 1C 腐蝕裕量， mm； 2C 鋼板厚度發(fā)偏差， mm； 材料使用 304 不銹鋼（ 0Cr18Ni9 鋼板 ） 下列各表表是 0Cr18Ni9 鋼板 相關(guān)的數(shù)據(jù)； 表 35 鋼板的化學(xué)成分 【 10】 化學(xué)成分所占百分比 % C Si Mo P S Cr Ni ? ? ? ? ? 1719 811 表 36 GB150 推薦的的高溫屈服強(qiáng)度 【 10】 板厚（ mm) 在下列溫度 (℃ )下的屈服強(qiáng)度（ paM )不小于 100 150 200 250 300 2～ 60 171 155 144 135 127 表 37 鋼板的許用應(yīng)力 【 10】 板厚（ mm) 在下列溫度 (℃ )下的許用應(yīng)力（ paM ) ≤ 20 100 150 200 300 2～ 60 137 137 137 130 114 137 114 103 96 85 表 38 鋼板的力學(xué)性能 【 10】 拉伸試驗(yàn) 硬度試驗(yàn) b? （ aMP ） ? （ aMP ） 5? （ %） HB HRB HV ≥ 520 ≥ 205 ≥ 40 ≤ 187 ≤ 90 ≤ 200 罐體內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力為 paM ，由于罐體內(nèi)液體的靜壓力比較小，此處忽略不計(jì)。鋼板的厚度預(yù)計(jì)在 2～ 60mm， 發(fā)酵溫度在 100℃ 以內(nèi)，故查表 38可得 ??t? =114 paM 。焊接采用單面焊對(duì)接接頭，并經(jīng)局部無損探傷，查表 81可得 ?? 。將這些數(shù)據(jù)帶入（ 311）可得： ? ???tPD2t ? = ??? ? 為 方便計(jì)算，此處 t取值為 1mm； 鋼板的負(fù)偏差根據(jù)表 35， 2C 取值為 。 腐蝕裕量 1C 的取值為 1mm。 市場(chǎng)上不秀剛的厚度時(shí)有一定標(biāo)準(zhǔn)的，計(jì)算過程過程中取值要符合表 310 不銹鋼材質(zhì)的厚度標(biāo)準(zhǔn)表。 39不銹鋼材質(zhì)的厚度標(biāo)準(zhǔn) 【 10】 標(biāo)稱厚度 實(shí)際厚度 材質(zhì) 201 202 304 321 帶如公式 （ 312）得： ????? 21n tt CC =1mm++1mm+ ? =+? 根據(jù)不銹鋼材料的厚度標(biāo)準(zhǔn)，考慮到焊接的可靠性和