课程设计--夹套发酵罐的设计

1、编号 夹套发酵罐设计题目： 夹套发酵罐设计 机械工程 学院 过程设备与控制工程专业学 号 1040212205 学生姓名 付永生 指导教师 崔政伟 教授 石秀东 副教授 目录一、 课程设计的目的和要求-3二、 课程设计的学时和学分-3三、 课程设计的主要内容1.夹套好氧发酵罐设计-32. 主要设备的工艺设计计算-3四、 计算及说明-5（一）搅拌装置的设计-51.传动装置的设计-5 （1）电动机的选型-5 （2）减速机的选型-6 （3）机架-62. 搅拌轴的设计-7 （1）搅拌轴的材料-7 （2）搅拌轴的结构-8（3）搅拌轴的强度校核-83. 联轴器的选取-94. 轴承3的选取及其轴承寿命的核算

2、-95. 密封装置的选取-106. 搅拌器的设计-10 （1）搅拌器的类型及应用场合-11（2）搅拌器的计算-127. 搅拌轴的临界转速-13（二）设备本体的设计-131. 罐体的设计-13（1）罐体，夹套的筒体，封头的直径，长度设计、计算-13（2）罐体及夹套的厚度计算及稳定性校核-15（3）罐体压力试验时应力校核及容积验算-182. 附件的选取-19（1）工艺接管及观测部件-19（2） 法兰的选取-20（3）人孔及手孔-21（4）传热部件的计算-21（5）挡板、中间支承、扶梯的选取-21（6） 设备支座设计-22参考文献-22一. 课程设计的目的和要求目的：通过开设本课程设计，可使学生全面

3、综合应用机械CAD、热工学、传热与传质、过程设备设计及化工机器等课程的知识，将理论和实践结合起来，使学生所学的知识得到更深刻的理解和升华要求：全面认识掌握传热的工程计算，化工设备的结构设计和强度计算，熟悉并掌握化工设备图的画法及有关的规范、标准和手册，为毕业设计打下坚实的基础。二. 课程设计的学时和学分学时：3 周学分：1.5三.课程设计的主要内容1.夹套好氧发酵罐设计设计参数及要求容器内夹套内工作压力/MPa0.150.12设计压力/ MPa0.180.15工作温度/50-7020设计温度/11080介质有机发酵液水腐蚀情况无无推荐材料304不锈钢304不锈钢搅拌器形式组合桨全容积/1 m3

4、 /第一组100升 /第二组30 升 /第三组操作容积/75%全容积/75%全容积/75%全容积/传热面积轴功率4 KW1.5-2.2 KW0.75-1.1 KW搅拌器的转速5060 r/min6080 r/min100 r/min搅拌器的传动形式顶部机械搅拌顶部机械搅拌底部磁力驱动机械搅拌接管表符号公称尺寸DN连接面型式用途a蒸汽入口b加料口C1c2视镜d温度计接口epH计接口f溶氧计接口g罐压压力表接口h取样口i压缩空气入口j放料口k冷凝水出口结构示意图见课本。温度、转速、pH、溶氧、消泡、补料、空气流压力、罐压2. 主要设备的工艺设计计算搅拌反应器主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三部分组成。

5、三个组成部分各起如下的作用: 搅拌装置: 由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成, 由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转, 以实现搅拌的目的。轴封: 为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封, 以封住罐内的流体不致泄漏。搅拌罐: 罐体、加热装置及附件。它是盛放反应物料和提供传热量的部件。搅拌设备设计包括化学工程和机械结构两个部分, 化学工程设计提出了机械设计的原始条件,即给出生产量、操作方式、最大工作压力最高工作温度、工作介质物性和腐蚀情况等。有时还需提出传热面的型式和传热面积、搅拌器的形式、搅拌的转速和功率, 对于机械设计, 应对搅拌设备的容积、搅拌装置、传动装置和轴封装置进行合理的选型，强度

6、计算和结构计算、设计。计算和说明（一）搅拌装置的设计1.传动装置的设计传动装置包括电动机，减速机，联轴器及机架。（1）电动机的选型。由搅拌功率计算电动机的功率可根据公式Pd=(P+Pm)/ 计算，根据化工设备课程设计指导表7-7 传动机械效率取圆柱齿轮传动的效率1=0.95，轴承的传动效率为2=0.99，可求得组合装置的传动效率为=1223=0.952×0.993=0.876。填料密封功率损失约为搅拌器的10%，Pm=2x0.1=0.2kw 本装置选用填料密封因此求电动机功率Pd=(P+Pm)/ =（2+0.2）/0 .875=2.514kw。查表机械手册表12-1，选取电机的尺寸如

7、下：型号：Y132M2-8额定功率：3kw满载转速：710r/min堵转转矩：2.0kw最大转矩：2.0kw质量79kg。（2）减速机的选型。立式减速器主要类型有摆线针轮减速器、齿轮减速器和带传动减速器三大类。在此经过计算选用齿轮减速器，其主要特点是传动比准确，使用寿命长，在相同速比范围内，较之于其他传动装置，具有体积小、效率高、制造成本低、结构简单、装配检修方便等特点。齿轮减速器允许正反旋转，不允许承受外加轴向载荷或只允许在搅拌轴向力较小的场合，可用于有防爆要求的场合，与电动机直连供应。由化工设备课程设计指导表7-8减速器如下:根据转速n=6080 r/min，取n=80,则传动比为710/

8、80=8.875，故可选用YK系列LC100二级圆柱齿轮减速器:传动比8.85，中心距a=100，轴径d=40k6，输出轴许用转矩T=328N·m，轴承间距G=160，F=66，D=316，B=398，H=681，H1=326，H2=137，H=818，H”=495（3）机架立式搅拌设备传动装置大多是通过机架、安装底盖安装在搅拌设备封头上的。机架上端与减速器连接尺寸相匹配，下端采用螺柱与安装底盖连接。机架是安放减速机用的，它与减速机底座尺寸应匹配。机架一般有无支点机架，单支点机架，双支点机架。无支点机架的选用条件：电动机或减速机具备两个支点，并经核算确认轴承能够承受由搅拌轴传递而带来

9、的径向和轴向载荷者；电动机或减速机有一个支点，但釜内设有底轴承，中间轴承或轴封本体设有可以作为支点的轴承，上下组成一对轴支撑者。无支点机架一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件。减速器输出的轴联轴器形式为夹壳式联轴器或刚性凸缘联轴器。单支点机架单支点机架的选用条件：电动机或减速机有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；搅拌容器内设置底轴承，作为一个支点；轴封本体设有可以作为支点的轴承；在搅拌容器内，轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点者。在不宜采用无支点或单支点机架的时候采用双支点机架，但减速器输出轴与搅拌轴之间必须采用弹性联轴器连接。按上述条件选用无支点机架J-A-50机座。轴径d=40，

10、D1=340,D2=305,D3=270,D4=395,D5=360,D6=290,H=460,H1=248,b1=18,b2=20,f1=5,f2=6,n1=8,d1=18,n2=8,d2=18,s=10,质量33.1kg。2. 搅拌轴的设计搅拌轴的设计包括材料的选用、结构确定、支承条件确定和强度计算等内容。（1）搅拌轴的材料搅拌轴的材料以45钢应用最广，当介质有腐蚀等要求时，应采用不锈钢材料。当搅拌轴分段安装时，搅拌轴和传动轴可根据其接触介质的情况，分别采用不同的材料。本发酵罐的腐蚀情况为无腐蚀，因此选用304不锈钢。（2）搅拌轴的结构搅拌轴的结构可采用实心轴或空心轴，结构形式根据轴上安装

11、的搅拌器类型、支承的结构和数量以及与联轴器的连接要求而定，还要考虑腐蚀等条件。本发酵罐搅拌轴的结构型式选用实心直轴。（3）搅拌轴的强度校核a. 轴的强度计算，按扭矩计算轴的强度实心轴直径d365.13Pkn查表76，k=30MPa得d365.13230×80=34.36mmb. 轴的刚度计算，按扭转角计算扭转的刚度实心轴直径d1536.64PGn对于合金钢G=7.94×104MPa一般传动和搅拌轴取=0.8°/m得d1536.6420.5×7.94×104×80=38.49mm综上所述，取d=40mm。3. 联轴器的选取联轴器的选择：

12、电机或减速机输出轴与传动轴之间及传动轴与搅拌轴之间的连接，都是通过联轴器连接的。常用的联轴器有弹性块式联轴器，刚性凸缘联轴器，夹壳联轴器和紧箍夹壳联轴器等。在本发酵罐中采用刚性凸缘联轴器Y45×112J140×84。查机械设计课程设计手册表8-2 凸缘联轴器，其主要尺寸如下：标准符号孔径公称转矩/Nm主要尺寸(mm)质量kg转动惯量/（kg.m2）DD1bb1sGY640/4590014080405687.590.0154. 轴承3的选取及其轴承寿命的核算搅拌轴的支承：一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。搅拌轴的支撑采用滚动轴承。搅拌轴的滚动轴承，通常根据转速、载荷的大

13、小及轴径d选择，高转速、轻载荷承受一定的轴向载荷，可选用角接触球轴承；低速、重载荷可选用圆锥滚子轴承。根据轴端直径d=40mm，选用圆锥滚子轴承，由表4-12角接触球轴承，选用型号为30308，d=40mm，D=90mm，B=23mm。安装轴承处轴的公差带采用k6，外壳孔的公差带采用H7。安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取1.0，外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6。采用背对背安装成对轴承.5. 密封装置的选取轴封是搅拌设备的一个重要组成部分。其任务是保证搅拌设备内处于一定的正压力的真空状态以及防止反应物料逸出和杂质的渗入。鉴于搅拌设备以立式容器中心顶插式搅拌为主，很少满釜操作，轴封的对象主

14、要为气体；而且搅拌设备由于反应工况复杂，轴的偏摆振动大，运转稳定性差等特点，故不是所有形式的轴封都能用于搅拌设备上。发酵罐搅拌轴处的密封，属于动密封，常用的有填料密封和机械密封两种形式，它们都有标准，设计时要根据要求选用。填料密封是搅拌设备最早采用的一种轴封结构，它的基本结构是由填料，填料箱，压盖，紧压螺栓及油杯等组成。因其结构简单，易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用。一般用于常压，低压，低转速及允许定期维护的搅拌设备。当采用填料密封时，应优先选用标准填料箱。标准填料箱中，HG21537.7-92为碳钢填料箱，HG21537.8-92为不锈钢填料箱。填料箱密封的选用还注意以下几方面：当填料箱

15、的的结构和填料的材料选择合理，并有良好润滑和冷却条件时，可用于较高的工作压力，温度和转速条件下；当填料无冷却，润滑时，转轴线速度不应超过1m/s;当搅拌容器内介质温度大于200时，应对填料密封进行有效冷却；当从填料箱油杯中压注密封润滑液时，润滑液流入容器内对工艺性能有影响时，应在填料箱下端轴上设置储油杯；填料箱一般可不设支承套，应将搅拌轴的支承设置在机架上。机械密封是一种功耗小，泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀，易燃，易爆，剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。由于发酵罐多采用立式结构，转速低，但搅拌轴直径大，尺寸长，摆动和振动较大，故机械密封常采用外装式（

16、静环装于釜口法兰外恻），小弹簧（补偿机构中含有多个沿周向分布的弹簧），旋转式（弹性元件随轴旋转）的结构，当介质压力、温度低且腐蚀性大时，可采用单端面（由一对密封端面组成），非平衡型（载荷系数K1）的机械密封。当介质压力，温度高或介质为易燃，易爆，有毒时，应采用双端面（由两对密封面组成），平衡型（载荷系数K<1）的机械密封。当搅拌设备采用机械密封时，在下列情况下，应采用必要的措施，以便保证密封使用性能，提高使用寿命。当密封腔介质温度超过80时，对单端面和双端面机械密封，都应采用冷却措施；为防止密封面干摩擦，对单端面机械密封，应采用润滑措施；当采用双端面机械密封时，应采用密封液系统，向密封端

17、面提供密封液，用于冷却，润滑密封端面；必要时，应对润滑液，密封液进行过滤；当采用润滑及密封液系统时，需考虑一旦润滑液，密封液漏入搅拌容器内，应不会影响容器内物料的工艺性能，不会使物料变质，必要时应采用缓冲液杯和漏夜收集器等防污染措施。本发酵罐一般在常压，低压，低转速下使用,故采用填料密封。因其结构简单，易于制造，在搅拌设备上曾得到广泛应用,且便于定期维护此搅拌设备。6. 搅拌器的设计（1）搅拌器的类型及应用场合搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。a 桨式搅拌器桨式搅拌器用于液夜物系的搅拌，可使物料充分混合，温度均匀，用于固液物系搅拌，可防止固体物料的沉降，但不适于

18、保持气体和细微化为目的的气液扩散操作中。平叶的桨面与运动方向垂直，转速低时，液体做水平环向运动，搅拌效果较差。转速越大，平叶排出的径流越强，主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶氏比平叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多，也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。b.涡轮搅拌器涡轮搅拌器几乎能完成所有的搅拌操作，处理介质黏度范围广，是一种得到广泛应用的搅拌器。涡轮搅拌器有较大的剪切力，适用于低粘度到中等黏度液体的混合，液夜分散，固液悬浮，以及良好的传热，传质和化学反应。c.框式和锚式搅拌器框式和锚式搅拌器适用于椭圆或碟形下封头的釜体或锥形封头

19、的釜体。反应釜的直径较大或物料黏度很大是，常用横梁加强，其结构就成为框式。其搅拌效果并不理想，只适于混合要求不太高的场合，但是在釜体器壁附近的液流可获得较大的流速，因此表面传热系数较大，常用于传热和晶析操作，还可用于黏度较高流体的搅拌。d.推进式搅拌器推进式搅拌器常用于低粘度介质的搅拌，搅拌效果好，温度混合均匀，且搅拌功率较小。本发酵罐搅拌装置的搅拌器采用组合式，主要为了使发酵液充分搅拌并使空气最大量的溶解在发酵液中。（2）搅拌器的计算桨式搅拌器的选择：对于生物发酵罐，底层采用径流型搅拌器，即直叶桨式搅拌器，起剪切和分散气体的作用，上层采用轴流型搅拌器，即折叶桨式搅拌器，促进整罐体的循环，增加

20、气液接触面积，延长气泡停留时间，起到高效节能的效果。查化工设备机械基础表14-5，叶片式搅拌器直径d/Di=0.35-0.8，b/d=0.1-0.25，z=2，=45°,60°取d/Di=0.6，b/d=0.125则叶片直径d=400×0.6=240mm,则搅拌器宽度b=240×0.125=30mm上层折叶式搅拌器选用=45°搅拌器距容器底的高度为125mm，两层搅拌器之间的距离为300mm。则桨式搅拌器的主要尺寸可由表4-5选取，起主要尺寸选取如下：（mm）Did螺栓螺钉B Cmfe质量 kgd0数量d1数量40045M122M1221250

21、140100_33.387. 搅拌轴的临界转速由于搅拌轴的转速低于200r/min，因此，不需要计算轴的临街转速。（二）设备本体的设计1. 罐体的设计（1）罐体，夹套的筒体，封头的直径，长度设计、计算筒体内径一般有工艺条件给定容积V、筒体内径Di 估算：Di=34Vi式中i为长径比，即： i=HiDi过程设备设计表8-5选取。根据题意取i=2.0，已知V=100L=0.1m3,则D=399.36mm, 将Di 圆整到公称直径系列，则D=400mm，此时每米高的筒体容积V1m=0.126m3，每米高的表面积A1m=1.257m2封头尺寸查附表D-2得，椭圆封头的总深度H=125mm，直角边深度2

22、5mm,曲面深度100mm，内表面积A封=0.204m2，容积V封=0.0115m3.确定筒体高度H1发酵罐容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度H1按式H1=(V-V封)/V1m=(0.1-0.0115)/0.126=0.702m。圆整后，取圆筒高度为710mm。当筒体高度确定后，应圆整后的筒体高.修正实际容积则V=V1mH1+V封=0.126×0.71+0.0115=0.100960.1m3.夹套几何尺寸计算查化工设备机械基础表14-2得，夹套内径D2=D1+50=400+50=450mm，=操作容积/全容积=0.75，夹套高H2按式H2=(vV-V封)/V1m=

23、(0.75×0.1-0.0115)/0.126=0.504mm,圆整后，取夹套高度为510mm。查表，椭圆封头的总深度H=137mm，直角边深度25mm,曲面深度112mm，内表面积A封=0.254m2，容积V封=0.0158m3.综上所述，圆筒和夹套的尺寸如下：直径(mm)高度（mm）筒体400710夹套450510（2）罐体及夹套的厚度计算及稳定性校核罐体和夹套材料选用304不锈钢，设计温度t1=100（容器内），设计压力P1= 0.18MPa（容器内），t1=80（夹套内），P2= 0.15MPa（夹套内）。罐体液柱静压力P1H=10-6gh=10-6×1×

24、9.8×710=0.006958MPa<=0.18x5%=0.009MPa罐体计算压力：P1c=0.18MPa夹套内介质为水，故其液柱静压力：P2H=10-6gh=10-6×1×9.8×510=0.004998MPa<=1.5Mx5%=0.0075MPa，则夹套的计算压力为P1c=0.15MPa焊接接头系数为f=0.85查表可知，110下304不锈钢的许用应力为=168MPa,80下的许用应力为为=180MPa， 按内压设计筒体的计算厚度：1=p1c×D12t-p1c=0.18×4002×168×0.8

25、5-0.18=0.252mm夹套的计算厚度：2=p2c×D22t-p2c=0.15×4502×180×0.85-0.15=0.221mm筒体封头计算厚度：1=p1c×D12t-0.5p1c=0.18×4002×168×0.85-0.5×0.18=0.252mm夹套封头计算厚度：2=p2c×D22t-0.5p2c=0.15×4502×180×0.85-0.5×0.15=0.221mm取钢板厚度负偏差C1=0.8mm，腐蚀情况为无，腐蚀余量C1=0，则C=C1

26、+C2=0.8mm，所以，筒体设计厚度：低碳钢容器取最小厚度为1=3mm1n=1+C=3+0.8=3.8mm夹套的设计厚度：2n=2+C=3+0.8=3.8mm筒体封头设计厚度：1n=1+C=3+0.8=3.8mm夹套封头设计厚度：2n=2+C=3+0.8=3.8mm圆整后选取：筒体名义厚度1n=6mm夹套名义厚度2n=6mm筒体封头名义厚度1n=4mm夹套封头名义厚度2n=4mm 按外压进行稳定性校核取圆筒厚度1e=6-0.8=5.2mm,D0=400+2×6=412LD0=620412=1.505D0e=4125.2=79.231>20查过程设备设计图4-6，取A=0.00

27、12，查图4-8，取E=1.92×105P=2AE3D0/e=2×0.0012×1.92×1053×79.231=1.92MPa0.18MPa<p/3=0.64MPa因此，圆筒的稳定性符合要求。取椭圆封头厚度1e=6-0.8=5.2mm，D0=400+12=412mm,取k1=0.9,R0=k1D0=0.9*412=370.8mm,A=0.125R0/e=0.125370.8/5.2=0.00175查图4-8，E=1.92×105,因此有P=2AE3R0/e=2×0.00175×1.92×1053&

28、#215;370.8/5.2=3.14MPa0.15Mpa<P/14.52=0.216Mpa所以椭圆封头稳定性校核满足要求。（3）罐体压力试验时应力校核及容积验算按水压试验来计算 容器内压容器：P1T=Pt=1.25×0.18×168168=0.225MPa外压容器：P1T=P=1.25×0.15=0.1875MPa采用大值进行计算，1e=6-0.8=5.2mm，1T=P1TD1+e2e=0.225×400+5.22×5.2=8.766MPa0.9Rel=0.9×0.85×304=232.56Mpa>1T 因此，

29、容器厚度满足水压试验要求夹套P2T=Pt=1.25×0.15×180180=0.1875MPa2e=4-0.8=3.2mm，2T=P2TD2+e2e=0.1875×400+3.22×3.2=11.813MPa0.9Rel=0.9×0.85×304=232.56Mpa>2T因此夹套厚度满足水压试验要求综上所诉，水压试验安全。2. 附件的选取（1）工艺接管及观测部件接管和管法兰是用来与管道或其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称通径（DN）和公称压力（PN）。接管的伸出长度一般为从法兰密封面到壳体外径为150mm，当考虑设备保温

30、等要求时，可取伸出长度为200mm。 管法兰分为：板式平焊法兰（PL），带颈平焊法兰（SO），带颈对焊法兰（WN）等，法兰密封面形式主要有突面（RF），凹凸面（MFM），榫槽面（TG）三种。选蒸汽入口、加料口和冷凝水出口的公称直径DN=25，由公称直径与钢管外径，需选用外径为32，质量为0.4kg的钢管。由标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸，选用外径为100mm，内径为33mm，螺纹为M10，理论质量为0.65kg 的法兰。选用温度计管口的公称直径DN20，由表4-16公称直径与钢管外径，选用外径为20，质量为1.7kg的钢管。选用放料口的公称直径DN=19，由表4-16公称直径与钢管外径，选

31、用外径为19，内壁为2的钢管。视镜主要用来观察设备内物料及其反应情况，也可作为料面指示镜，一般成对使用，当视镜需要斜装或设备直径较小时，采用带颈视镜。视镜的公称直径为50。由参考文献查得选取螺柱数量为8，直径为M12，质量为6.8kg，材质为碳素钢，标准图号HGJ501-86-4的视镜，数量为2个，总质量为13.6kg。出料管结构设计主要从物料易放尽，阻力小和不易堵塞等因素考虑。另外还要考虑温差应力的影响。本发酵罐采用液体出料管图选用放料口的直径为25根据物料进出口的结构均按过夹套的物料进出口图。选用冷凝水出口的直径为19（2） 法兰的选取采用凸面整体钢制管法兰，由公称通径为50mm查机械设计手册表11.5-28，其参数如下：法兰：公称通径DN=50