（化工过程机械专业论文）超临界流体连续萃取装置研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 文中对超i 临界流体萃取固相物料萃取釜结构进行了综述，现 在所使用的主要为间歇式萃取装置，工作效率低，每次装料和卸 料需要打开萃取器端盖，重复升压和降压，工人的劳动强度大， 设备容易出现疲劳，减少寿命，安全自锁装置一旦失效，容易发 生意外。 为了解决间歇式结构所存在的问题，文中提出了两种连续进 卸料装置，即球形进卸料结构连续萃取器和链状进卸料结构管式 连续萃取器。使超临界流体萃取设备具有连续地送入萃取物和连 续排出萃余物的功能，提高了生产效率 整个操作过程封闭状态下完成，即节省萃取剂，又节约能源， 降低了生产成本，减少了对环境的污染，提高了萃取装置的安全 性和可靠性。 参照g b l5 0 一1 9 9 8 钢制压力容器和j b 4 7 3 2 一1 9 9 5 钢制 压力容器一分析设计标准，给出了球形进卸料结构连续萃取器的 理论设计方法和计算公式。利用该方法给出了一个设计案例。 运用有限元软件( a n s y s ) 对球形进卸料结构连续萃取器的 球体中问板进行了分析，结果表明所设计的球体隔板结构和厚度 满足强度要求。不会发生疲劳失效 关键词：超临界流体萃取连续操作球形进卸料结构连续萃取 器链状进卸料结构管式连续萃取器a n s y s 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r e so fe x t r a c t o r sf o rs o l i dm a t e r i a l e x t r a c t i o nb ys u p e r c r i t i c a if l u i d sw e r es u m m a r i z e d a tp r e s e n t ，t h e e q u i p m e n ti n u s ei s m a i n l yi n t e r m i t t e n to p e r a t i o ne q u i p m e n t t h e w o r ke f f i c i e n c yo ft h ee q u i p m e n ti sl o w e v e r yt i m eo fl o a d i n g a n du n l o a d i n gm a t e r i a l ，t h ec o v er so ft h ee x t r a c t o r sm u s tb eo p e n e d t h ep r e s s u r ei nt h ee x t r a c t o r si n c r e a s e sa n dd e c r e a s e sr e p e a t e d l y t h ew o r k e r s i n t e n s i t yo fl a b o u ri sh e a v y t h ee q u i p m e n ti se a s yt o f a t i g u ea n dr e d u c e1 i r ei t s e l f o n c et h es a f e g u a r di sd i s a b l e da n da n a c c i d e n ti si n e v i t a b l e f o rs o l v i n gt h ep r o b l e m si ni n t e r m i t t e n to p e r a t i o ne q u i p m e n t ， t w ok i n d so fc o n t i n u o u s l yl o a d i n g - u n l o a d i n ge q u i p m e n tw e r ep u t f o r w a r di nt h i sp a p e r t h e ya r et h es p h e r i c a l l o a d i n g u n l o a d i n g e x t r a c t o r sa n dt h e e h a i n l o a d i n g u n i o a d i n g t u b a l e x t r a c t o r s a p p l y i n gt h e s e e x t r a c t o r s ，t h es u p e r e r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n e q u i p m e n tc a nc o n t i n u o u s l yi n p u ts o l i dm a t e r i a la n do u t p u tt h e r e m a i n d e ra n dt h ew o r ke f f i c i e n c yi si n c r e a s e d t h ew h o l eo p e r a t i o np r o c e s si sc o m p l e t e di nc l o s es t a t u s ， e x t r a c t i o ns o l v e n ta n de n e r g ya r es a v e d ，p r o d u c t i o nc o s ti sr e d u c e d t h ee n v i r o n m e n t p o l l u t i o n i sd e c r e a s e da n dt h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t ya r ee n h a n c e d b a s e do ng bl5 0 - - 19 9 8s t e e lp r e s s u r e i r e s s e l sa n d j b 4 7 3 2 1 9 9 5s t e e lp r e s s u r ev e s s e l s d p s 堙拧b ya n a t y s i s ，t h e f o r m u l a sa n dm e t h o dd e s i g no ft h es p h e r i c a l - l o a d i n g - u n l o a d i n g e x t r a c t o r sw e r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，a ne x a m p l e w a sg i v e n t h em i dd i s ko ft h es p h e r ei nt h es p h e r i c a l - l o a d i n g - u n l o a d i n g e x t r a c t o r sw a sa n a l y z e db yf i n i t e - e l e m e n ts o f t w a r e ( a n s y s ) t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r u c t u r ea n dt h i c k n e s so ft h ed i s kc o u l d s a t i s f yi n t e n s i t yr e q u i r e m e n ta n dn o tg e tf a t i g u ef a i l u r e ， k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ； c o n t i n u o u so p e r a t i o n ； s p h e r i c a l i o a d i n g - u n l o a d i n g e x t r a c t o r s： c h a i n l o a d i n g - u n l o a d i n g - t u b a le x t r a c t o r s ； a n s y s i i 原创性声明 ， 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：在墨叁 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者虢盎至奁导师签名：强匦日 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超临界流体萃取技术 英国人t h o m a sa n d r e w s j 早在一个多世纪前就发现了超临 界现象，自18 7 9 年h a n n y 和h o g a r t ht 2 l 首次发表了“超临界流体 能够溶解低蒸汽压的固体物质”一文以来，文献上断续出现了关 于s c f 现象的报道。特别是f r a n c i s t 3 i 在1 9 5 4 年完成了在2 5 和 5 5 m p a 下，由液态c 0 2 和其它两种化合物组成的共4 6 4 个三元系的 平衡相图的研究，提供了大量的高压下溶解度信息，为人们采用 超临界流体萃取( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ，简称s c f e ) 提 供了进一步的理论依据1 9 7 0 年以后，s c f e 技术迅速发展，虽然 才短短的三十几年，但由于这种技术的卓越性能和良好的应用前 景，许多研究者进行了广泛深入的研究，现已初步实现工业化， 在化学、医药和食品行业已经得到大量应用1 4 l ，s c f e 已经成为超 临界流体技术中最成熟、应用最广泛的一种 我国在这一领域的研究工作起步较晚，始于上世纪八十年 代。当时从国外相继引进了几台小设备，进行了一些理论和应用 基础研究，主要涉及食品、香料和石油化工领域1 9 9 1 年被列为 “八五”国家科技攻关计划后，超l 豳界流体技术在国内才迅速发 展，并于1 9 9 4 年在北京召开了首次全国超临界流体技术学术及 应用研讨会，以后定期召开。1 9 9 8 年化学工业出版社出版了陈维 扭编著的国内第一部超临界流体萃取的专著i ”我国的超临界流 体萃取研究已从早期偏重相平衡研究、数学模型的建立、理论公 式的探讨等方面向实用化、工业化拓展，应用领域也从石油、化 工等工业领域扩展到食品、医药、化妆品等行业1 6 l 。 1 1 1s c f e 原理 物质处于其临界温度( l ) 和临界压力( p 。) 以上状态时， 向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液 态性质，同时还保留气体的特性1 7 1 ，这种状态的流体称为超临界 流体( s u p e r c r i t i c a if l u i d ，简称s c f ) ，物质的物理状态可以用p r 相图来描述( 见图1 1 ) ( 1 ) s c f 的特性 山东大学硕士学位论文 超临界流体因其温度、压力均在其临界点之上，表现出一些 独特的性质： p 压力 p c 图1 1p r 相图 a 具有与液体相当的密度，比气体的大数百倍 b 与气体接近的粘度，比起液体要小两个数量级。 c 介于气体和液体之问的扩散系数( 大约是气体的1 1 0 0 ， 比液体大数百倍) d 高吸附能力和流动、传递能力。 e 在临界点附近，超临界流体温度和压力的轻微改变，都可 导致物质物理化学性质如密度、介电常数、扩散系数、粘度、溶 解度的巨大变化，导致溶剂和溶质的分离。 ( 2 ) s c f e 技术的原理 s c f e 过程的原理是利用s c f 在不同条件下对溶质溶解度的 差异来完成溶质萃取分离的溶质在s c f 中的溶解度可以认为随 其密度增大而增大，s c f 的密度随温度和压力的变化发生十分明 显的变化，通过改变其温度和压力，改变溶质的溶解度，从而将 溶质从s c f 中分离出来 1 1 2 超临界c 0 2 萃取的特点 表1 一l 示出了常用萃取溶剂的物理性质，虽然表1 1 中的化 2 山东大学硕士学位论文 合物都可以作为超临界流体萃取剂，但是最常用的超临界流体萃 取剂是c 0 2 ，其临界压力为7 3 8 m p a ，临界温度为31 i ，因此 萃取过程可以在较平和的条件下操作。 表1 1 常用萃取溶剂的物理性质【“9 利用s c f 进行萃取时，可以通过改变压力和调节温度来 改变溶解性能，对于萃取成分具有选择性，且其扩散系数大而 粘度小，大大节省了萃取时间，萃取效率高但利用c 0 2 作为 萃取剂有以下很多独特的优点l l o l ： ( i )可以在3 5 4 0 的条件下进行提取，能够防止热敏性物 质的变质和挥发性物质的逸散 ( 2 )c 0 2 气体笼罩下进行萃取，萃取过程中不发生化学反应； 又由于完全隔绝了空气中的氧，因此，萃取物不会因氧 化或化学变化而变质 3 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 由于c 0 2 不具备可燃性，且萃取过程中不使用易燃易爆 的有机溶剂，相对安全 ( 4 ) c 0 2 是较容易提纯与分离的气体，因此萃取物几乎无溶 剂残留，也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染 ( 5 )萃取和分离合二为一，当饱含溶解物流经分离器时，由 于压力下降使得c 0 2 与萃取物迅速分离，成为两相，故 能耗较少。 ( 6 )c 0 2 无味、无臭、无毒，价格便宜，纯度高，容易取得， 且能够实现循环使用，降低了成本。 ( 7 )具有杀菌和保鲜的作用。 1 1 3 超临界c 0 2 萃取的典型工艺流程 s c f e 技术基本工艺流程为：原料经除杂、粉碎或轧片等一 系列预处理后装入萃取器中，系统充入超临界流体并加压物科 在超临界流体作用下，可溶成分进入s c f 相流出萃取器的s c f 相经减压、调温或吸附作用，可选择性地从s c f 相分离出萃取物 的各组分，s c f 再经调温和压缩回到萃取器循环使用l l l i 。 s c c 0 2 萃取工艺流程由萃取和分离两大部分组成。对于原料 为固体的萃取过程可归纳为3 种基本工艺流程一一等温变压工 艺、等压变温工艺和恒温恒压工艺 ( 1 ) 等温等压工艺 该工艺的工作原理是：萃取和分离在同一温度下进行，萃取 完毕，通过节流降压进入分离器，由于压力降低，流体对被萃取 物的溶解能力逐步减小，萃取物被析出，得以分离该工艺的优 点是：由于没有温度变化，故操作简单，可实现对高沸点、热敏 性，易氧化物质接近常温的萃取。缺点：压力高，投资大，能耗 高 ( 2 ) 等压变温工艺 萃取和分离在同一压力下进行，萃取完毕，通过热交换升高 温度，流体在特定压力下，溶解能力随温度升高而减小，溶质析 出优点：压缩能耗相对较小。缺点：对热敏性物质有影响。 s 墨 筹：( 矿) 】 t ， 式中s ，墨，s ，一一s o 值 ，i ，一一设计疲劳数据得到的相应循环数 3 2 萃取器承压简体壁厚计算 萃取器承压简体属于内压筒体，按照j b 4 7 3 2 - - 1 9 9 5 钢制压 力容器一分析设计标准来校核其厚度 对于仅承受内压的回转壳，当设计压力见o 4 k s 时，圆简的 壁厚按下式计算： 艿：丝( 3 - 2 ) 2 k s 一仇 也可以表示为： 艿：监( 3 - 3 ) 2 k s 。+ p c 式中艿一一内压圆筒的计算厚度，m m ； ， x 一一载荷组合系数； & 一一设计应力强度，m p a - d 一一内压圆筒的内直径，m m ： d o 一一内压圆筒的外直径，m m ： 3 3 球体中间圆形平板厚度计算 球体中间圆形平板厚度计算没有完全合适的公式进行计算， 在这里借用平盖厚度计算公式，考虑准确的平板边界约束条件， 应借助有限元分析来校核所计算的厚度公式l 1 如下： 磊- - d o 3 0 ( 3 4 ) 山东大学硕士学位论文 式中瓦一一圆形平板的计算厚度，m m ： 口一一科仓套的计算直径，m i l l ； 以一一设计压力，m p a 置一一结构特征系数，丘= o 2 7 ； p r 一一设计温度下材料的许用应力，m p a ： 一一焊接接头系数 3 4 球体的密封设计 该结构中，球体的密封采用球面垫密封，密封面计算比压计 算公式如下： q = 乳i x ( + 6 m ) ( 3 - 5 ) 式中q 一密封面处介质作用力，n ； 4 一一密封面计算比压，m p a ； 一一密封面内径，m m ； k 一一密封面宽度，m m ； 其中密封面处介质作用力可以用下式计算： 乳= 烈d + 6 m ) 2 p 。1 4 密封砸必须比压计算公式： 3 等 若铀 q 【刎，则密封设计合格 3 5 压紧螺母螺纹牙的强度校核 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 由于压紧螺母只受到上球面密封垫沿进料器壳体轴向的压 力，并且旋合长度较短，每个螺纹牙受到沿轴向的剪切应力，为 了防止螺纹牙被剪断，应该校核螺纹牙的剪切强度。由于压紧螺 母和进料器壳体材料相同，所以只需要校核外螺纹的强度即可， 即只需要校核压紧螺母的螺纹牙剪切强度 s n l 螺纹牙的剪切应力计算公式如下： f ：上 。 ( 3 - 8 - i $ ) f = 一 一 l， 七z 碱瑟 山东大学硕士学位论文 式中r 一一螺纹剪应力，m p a ； p 一一压紧螺母受力，n ； 以一一载荷不均系数： 西一一外螺纹小径，m m ； b 一一螺纹牙根部宽度，m m ； ：一一螺纹圈数 其中压紧螺母受力用以下公式计算： p ：车成 ( 3 - 9 ) 式中d g 一一球面密封垫密封面的平均直径，m m ； 螺纹牙根部宽度西和载荷不均系数的计算如下表所示： 牙形普通螺纹梯形螺纹3 3 。锯齿形螺矩形螺纹 纹 b 0 8 7 p0 6 5 p0 7 4 p0 5 p 内、外螺 9 疋：堑 纹均为 d 钢时 形斗1 6 也= o 5 6 外螺纹 形 8 t ：垒 为钢内 2 d 螺纹为 啦! 6 t = o 7 5 铝 p 一一螺距，m m ；乞一一载荷不均系数 螺纹强度校核： 若r 【f 】，则螺纹满足强度要求 3 6 驱动杆力矩计算 该结构中驱动杆力矩( n m m ) 按下式计算”l ； m | = m 罐七m n + m 3 - 1 0 、 式中一一球体与球面密封垫密封面问的摩擦力矩，i q m m ： 肘f r 一一o 形圈与驱动杆问摩擦力矩，n m m ： m f c 一一驱动杆头部的摩擦力矩，n m m 山东大学硕士学位论文 3 6 1 球体与球面密封垫密封面问摩擦力矩计算 肘o f 的计算按如下的条件和假设进行： l 、体压力作用的有效面积按平均直径计算； 2 、球体与驱动杆的连接形式不影响球面密封垫上的作用力 肘o f ( n 。m m ) 为： = 蛾见厶r ( i + c o s 妒) ( s c o s 9 ) ( 3 - 1 1 ) 式中d o 一一球面密封垫密封面的平均直径，o o = + k ，m m ； 兀一一球体与密封面的摩擦因数，对聚四氟乙烯密封面 厶= 0 0 5 ，对卡普隆密封面允= o 1 0 1 5 ： r 一一球体半径，m m ； 矽一一球体与密封面接触点与通道轴法向夹角； 3 6 2o 形圈的摩擦力矩计算 o 形圈的摩擦力矩( n m n l ) 为： = q t 喀1 2 ( 3 一1 2 ) 式中以一一驱动杆直径，m m ： ， q t 一一o 形圈与驱动杆问摩擦力，n ； o 形圈与驱动杆问摩擦力i ”l 按下式计算： q t = 磷( 0 3 3 + 0 9 2 鸬a o p ) ( 3 - 1 3 ) 式中胁一一橡胶对金属的摩擦系数，硒= o 3 - 0 4 ，有润滑时 风= 0 1 5 ； a o 一一0 形圈截面直径，m m l p 一一流体压力，m p a 将式( 3 13 ) 代入式( 3 1 2 ) 则得： = 去磷2 ( o 3 3 + 0 9 2 约矗p ) ( 3 - 1 4 ) 3 6 3 驱动杆头部的摩擦力矩计算 驱动杆头部的摩擦力矩按下式计算： = o 2 5 d f , 兀如 ( 3 - 1 5 ) 式中南一一驱动杆头部接触面直径，m m ； 厶一一驱动杆头部摩擦因数； 。 3 3 山东大学硕士学位论文 如一一驱动杆总轴向力，n 其中驱动杆头部接触面直径砟，按下式计算： 如= 2 2 d f z r r ，( r r ) 式中冗一一驱动杆头部球面半径，m m ； 足一一球体槽部圆弧半径，f i l m ； e 一一材料弹性模量，m p a 如查文献【6 7 】表5 - 9 3 取鲸与鳙较大值。 o h * o h 如= 妣+ 弭 式中如一一密封面上总作用力，n 鸵= q + q k = 烈d + 气) 口k 式中一一密封面上密封力，n ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 3 7 萃取器简体与进卸料器筒体连接部位的强度校核 萃取器筒体与进卸料器简体连接部位的结构简图如图所示， 截面a a 和截面b b 为危险截面，应该对它们的当量应力进行 强度校核。 3 7 1a a 截面的当量应力校核 a - - a 截面的当量应力按式( 3 2 1 ) 校核： d k = 口。+ c r i o 9 p l l ( 3 - 2 1 ) 式中：一一弯曲应力，m p a ； ；亟丝蔷丝立，s - - - - 截面厚度； m 3 一一弯矩，计算见3 7 3 ，n m m m m ； m s 一一弯矩，计算见3 7 4 ，n r a m r a m ； 以一一拉应力，m p a ； 。 其它符号见图3 1 山东大学硕士学位论文 a h 1 i 麓 ：( c ( ，多f 矗r , d ：y ，：, 6 a t f y f , , 毳 ay 2 - _ 1 兽 藿蓁 r 以 霪 一b 强 任i d t ) ， 仉 d ， 图3 1 3 7 2b b 截面的当量应力校核 b b 截面的当量应力按式( 3 2 i ) 校核： 氏= 盯竹b o 9 【盯】i ( 3 - 2 2 ) 式中：一一弯曲应力，m p a ； ：墼掣，s - - - - 截面厚度； m 3 一一弯矩，计算见3 7 3 ，n 。m m m m ； m 5 一一弯矩，计算见3 7 4 ，n m m m m ； 吼一一拉应力，m p a ； o b2 其它符号见图3 一i 3 7 3 弯矩m s 的计算 ( i ) f + f 引起的弯矩： 山东大学硕士学位论文 m = tf + f o h i 式中；凰一一力臂，m m ； ( 2 ) 沿中性面y y 单位长度上的弯矩： 脱：旦 x d l 式中：d n l 一一中性面直径，r a m ； 见= d i s ( 3 ) 计算系数： = ( 4 ) 根据，i 查文献【5 4 】g 1 1 得( 鲁) 值； ( 5 ) 弯矩m ： 坞= m 3 7 4 弯矩m 5 的计算 ( 1 ) 凡引起的弯矩： 鸩= e h 2 。 式中：h ：为只的力臂 ( 2 ) 沿中性面y y 单位长度上的弯矩： m ：丝 1 x d o ( 3 ) 计算系数： 夕= ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 4 ) 根据，i 查文献【5 4 g 2 0 得系数矿值： ( 5 ) 弯矩m s ： 帆= m 妒 ( 3 - 3 0 ) 3 8o 形圈的选用 0 形圈属于挤压型密封圈挤压型密封圈的特点是尺寸与沟 粥 山东大学硕士学位论文 槽己标准化、结构简单、所需空间小、动摩擦阻力小、使用和装 拆方便、密封可靠、价格低廉、容易制造等。但对尺寸，配合间 隙、所用材料、沟槽尺寸、装配表面粗糙度都有一定的要求，在 挤压密封圈中，o 形圈密封应用最广泛，鉴于o 形圈有以上优点， 本设计中的密封大多采用了o 形圈o 形圈的选择以及沟槽尺寸 的确定可以根据相应的标准选取 3 9 本章小结 本章主要参照g b l5 0 1 9 9 8 钢制压力容器、j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准、 机械设计手册、机械 工程手册( 密封与润滑卷) 、实用阀门设计手册等，给出 了球形迸卸料结构连续萃取器的结构强度设计和密封设计方法 山东大学硕士学位论文 第4 章球形进卸料结构连续萃取器设计案例 4 1 免除疲劳设计 该结构的设计参数如下所示： 工作条件 工作压力p 。1 0 0 m p a 设计压力儿1 0 5 m p a 设计温度 1 0 0 萃取离物液，固体物料 溶剂超临界c 0 2 腐蚀程度轻微腐蚀 装置压力波动次数 1 4 5 次，天 装置压力波动幅度 5 设计寿命1 5 年( 3 0 0 天年) 主体选材 0 c r l8 n i 9 根据第3 章的设计理论只需满足条件a 、b 即可。 常温下0 c r l8 n i 9 的应力强度s 。= 1 3 7m p a ，设计温度下的应 力强度$ ；1 1 4m p a ，3 倍设计温度下应力强度为：3 掣= 3 4 2m p a 查j b 4 7 3 2 1 9 9 5 表c 1 得： s 。= 3 8 3m p a s i ；3 、9m p a n i = 2 x 1 0 4 n l = 5 x l o * 取s = 3 掣= 3 4 2m p a 带入公式( 3 - 1 ) 得： n = 3 5 2 7 0 包括启动与停车在内的全范围压力循环的预计( 设计) 循环 次数为n = i x 3 0 0 x 1 5 = 4 5 0 0 3 5 2 7 0 ，所以满足条件a 。 规定的整个工作循环数= 1 4 5 3 0 0 l5 = 6 5 2 5 1 0 5 1 0 6 ，所 以s 取为对应于所用设计疲劳曲线上1 0 6 循环次数的s 。；1 9 4m p a 山东大学硕士学位论文 譬( 嗣= 坐3f ，。, 幽i 1 4 ) 瑚鄢胁 i e 常 i - 作时的预计( 设计) 压力循环范围：5 p c = 5 1 0 5 = 5 2 5m p a 5 9 5 6m p a ，所以满足条件b 。 由以上计算可知该结构可以免除疲劳分析 4 2 萃取器承压简体壁厚计算 萃取器承压简体选用0 c r l8 n i 9 ，设计压力以= 1 0 5 m p a ，取外 径玩= 2 0 0 m m ，足= l 代入公式( 3 - 3 ) 得内压圆筒计算厚度万= 6 3 0 6 m m 取名义厚度为：6 。= 6 5 m m 4 3 球体中间圆形平板厚度计算 球体选用材料0 c r l 8 n i 9 ，由于该结构中没有焊缝，所以，焊 接接头系数妒= l ，将d c = 4 0 ，k = 0 2 7 ，p r = 1 1 4m p a ，p 。= 1 0 5m p a 代入公式( 3 4 ) ， 得皖= 1 9 9 4 7 m m ，取名义厚度为2 6m m 。 4 4 球体的密封设计 鉴于萃取器的设计压力为1 0 5 m p a ，此处球面密封垫选用 3 5 c r m o a i a ( 渗氮钢) ，并取= 2 6 m m ，= 5 0 r a m ，以= 1 0 5m p a 带入公式( 3 - 5 ) 、( 3 - 6 ) 、( 3 - 7 ) 得：q = 7 6 7 3 4 m p a ，= 2 7 4 6 m p a 3 5 c r m o a i a ( 渗氮钢) 的密封面许用比压【g 】= 8 0m p a ， g 【胡，密封设计合格 4 5 压紧螺母螺纹牙的强度校核 压紧螺母选用材料o c r l 8 n i 9 ，将d o = 7 6 r a m ，见= 1 0 5 m p a ，带 入公式( 3 - 9 ) ，得压紧螺母受力p = 4 7 6 0 8 7n 取螺纹为普通螺纹，公称直径1 2 5 m m ，外螺纹小径 山东大学硕士学位论文 4 = i2 0 6 7 0 r a m ，螺距p = 4 m m ，螺纹圈数z = i5 ，因此，b = 3 4 8 m m ， 屯= o 5 6 ，带入公式( 3 - 8 ) ，得螺纹剪应力r = 4 2 9 6m p a 螺纹材料的许用剪应力【r 1 = 7 0m p a ，r 【f 】，螺纹满足强度 要求。 4 6 驱动杆力矩计算 4 6 1 球体与球面密封垫问摩擦力矩计算 取d o = 7 6 r a m ，厶= 0 0 5 ，r - - 5 5 ，矿= 4 5 。，p c = 1 0 5 m p a ，代入 公式( 3 1 1 ) 得 m 晒2 4 7 7 1 0 6 8 0 4 9 n m m 4 6 2o 形圈的摩擦力矩计算 取砟= 1 6 m m ，a o = 2 6 5 m m p = 1 0 5m p a ， ( 3 1 4 ) 得： 一 2 4 1 3 0 8 5 8n m m 4 6 3 驱动杆头部的摩擦力矩计算 g o - - 0 4 ，代入公式 驱动杆选用材料0 c r l 8 n i 9 ，对应的e - - 2 0 0 0 0 0m p a 并取足= 1 0 0 m m ，足= 8 0 m m ，代入公式( 3 - 1 6 ) 得；砟i = 2 4 0 3 r a m 根据公式( 3 1 7 ) 、( 3 1 8 ) 、( 3 一1 9 ) 、( 3 - 2 0 ) 得：如= 6 5 1 9 5 7 6 8 n 将d = 0 3 、南、如代入( 3 - 1 5 ) 得： = 1 1 7 4 9 9 0 7 2 9 n m m 4 6 4 驱动杆总力矩计算 根据公式( 3 一1 0 ) 得：版= 5 9 8 7 3 6 7 35 8 n f i l m 山东大学硕士学位论文 4 7 萃取器筒体与进卸料器筒体连接部位的强度校核 4 7 1a a 截面的当量应力校核计算过程 简体材料选用0 c r l8 n i 9 ，设计温度1 0 0 ，取h l - - 5 4 5 m m ， q = 2 5 0 m m ，s = 6 5 r a m ，d n l = 1 8 5 m m ，i i = 1 7 2 r a m ，2 0 3 预紧力只根据公式( 3 - 3 1 ) 计算得：只= 5 5 7 4 7 6n 内压产生的轴向力：f = i 7 9 2 只= 三x 7 6 2 1 0 5 = 4 7 6 3 2 8 2 8 n 拉应力吒= 根据3 7 3 计算得弯矩坞： m = 2 2 5 9 4 6 n m m m m 根据3 7 4 得弯矩m j ： 托2 0 = 1 2 7 6 m p a ：掣：3 2 0 9 m p a 由公式( 3 - 2 1 ) 得吒= 4 4 $ 5 m p a 在设计温度下，材料的许用应力【盯r = 1 4 4m p a ，t r 0 9 1 0 r ， 所以设计结构满足强度要求 4 7 2b b 截面的当量应力校核计算过程 取h i = 2 9 5 m m ，见= 1 0 5 m p a ，d 2 = 2 0 0 r a m ，s = 6 5 m m ， 2 1 3 5 m m ，1 2 1 9 7 r a m ，p 2 0 3 预紧力e 根据公式( 3 - 3 1 ) 计算得：e = 5 5 7 4 7 6n 内压产生的轴向力；f = i z 2 见= 三7 6 2 1 0 5 = 4 7 6 3 2 8 2 8 n 拉应力 c r b = 根据3 7 3 计算得弯矩鸩： 鸩= 1 6 7 5 9 7 7n r a m r a m 根据3 7 4 得弯矩m 5 4 1 = 1 7 4 8 m p a 山东大学硕士学位论文 m 5 = o ：掣= 2 3 8 m p a 由公式( 3 - 2 1 ) 得o o b = 4 1 2 8 m p a 。 在设计温度下，材料的许用应力p 】= 1 4 4m p a ，吒 o 9 p 】， 所以设计结构满足强度要求。 4 8o 形圈的选用 4 8 1 驱动活塞o 形圈的选择和沟槽的设计 橡胶对金属的摩擦系数大，并且在超临界c 0 2 中溶涨，不适 合用作动密封材料。聚四氟乙烯( p t f e ) 具有优良的物理、化学 性能，常常作为密封材料。在聚四氟乙烯与金属闻产生相对滑动 时。由于聚四氟乙烯比较柔软，在运动过程中填满了金属的凹陷 部分，结果形成聚四氟乙烯之间的相对滑动因此，其摩擦系数 很小，无粘附性( 爬行现象) ，动摩擦系数与静摩擦系数大致相 等聚四氟乙烯在超临界c 0 2 中也不溶涨，因此，本结构中的动 密封都选用聚四氟乙烯o 形圈。 已知：所选0 形圈用于液压动密封，缸内径d 4 = 4 0 7 “( 公差 查文献【5 7 1 表6 - 9 ) 查表6 一1 5 选0 形圈规格为3 3 5 0 3 5 5 根据d 4 。i 。= 1 0 ，查表6 7 得t = 2 9 6 ，由d 3 m x = d 4 。i 。- 2 t 得 d 3 = 3 4 0 8 1 0 。( 公差查文献【5 7 1 表6 - 9 ) 其他沟槽查表6 7 ，表6 - 9 得到：沟槽宽度b = 4 8 7 ”，槽底圆 角半径r l = o 4 - 0 8 ，槽棱圆角半径i 2 = 0 1 0 3 ，导角长度z 。i 。= i 8 4 8 2 压紧螺母上o 形圈的选择和沟槽的设计 已知；所选0 形圈用于静密封，缸内径d 4 = 1 2 0 ? ”( 公差查文 献【5 7 1 表6 9 ) 查表6 15 选o 形圈规格为1 0 9 o o x5 3 0 根据d 4 m l 。= 1 2 0 ，查表6 7 得t = 4 1 9 ，由d 3 。= d 4 。i 。一2 t 得 d 3 = 1 1 1 6 2 ( 公差查文献【5 7 1 表6 - 9 ) 。 山东大学硬士学位论文 其他沟槽查表6 7 ，表6 - 9 得到：沟槽宽度b = 7 1 ”，槽底圆 角半径r l = o 4 0 8 ，槽棱圆角半径r 2 = o 1 o 3 ，导角长度z 。i 。= 2 7 4 8 3 驱动杆上o 形圈的选择和沟槽的设计 已知：所选0 形圈用于气动动密封，缸内径d 4 = 1 6 7 ”( 公差 查文献【5 7 】表6 9 ) 查表6 15 选0 形圈规格为2 6 5 1 1 ，2 0 。 根据d 4 m ；。= 1 6 ，查表6 7 得t = 2 2 3 ，由d 3 。，；= d 4 。i 。一2 t 得 d 3 = 1 1 5 4 0 ( 公差查文献【5 7 】表6 - 9 ) 。 其它沟槽查表6 7 ，表6 9 得到：沟槽宽度b = 3 4 ”，槽底圆 角半径n = o 2 - 0 4 ，槽棱圆角半径r 2 = o 1 一o ，3 ，导角长度z 。i 。= 1 5 。 4 8 4 料仓套间o 形圈的选择和沟槽的设计 己知：所选0 形圈用于液压动密封，活塞杆直径ds = 7 - 。0 。0 1 ( 公 差查文献【5 7 1 表6 - 9 ) 。 查表6 1 5 选0 形圈规格为6 7 0 1 8 。 由d 6 。i 。= d s 。，+ 2 t 得d 6 = 9 9 3 “( 公差查文献【5 7 】表6 - 9 ) d 5 b l t y g = 6 9 9 、t = 1 4 7 其它沟槽查表6 7 ，表6 - 9 得到：沟槽宽度b = 2 4 ，槽底圆 角半径r l - - 0 2 0 4 ，槽棱圆角半径r 2 = 0 1 o 3 ，导角长度z 。i 。= 1 1 4 9 本章小结 本章主要按照第三章给出的的理论设计方法和计算公式，设 计了一台球形进卸料结构连续萃取器 该萃取器主要设计参数如下：设计压力见= 1 0 5 m p a ，设计温 度1 0 0 ，萃取器承压圆筒外直径2 0 0 m m 、厚6 5 m m ，总长7 7 0 r a m ， 球体半径5 5 m m ，球体中间圆板厚2 6 m m ，球体上开孔直径4 0 r a m 等 山东大学硕士学位论文 第5 章球体中间隔板有限元分析 5 1 有限元法简介 有限元法是日前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛 的数值模拟方法它的基本思想是将连续的结构离散成有限个单 元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节 点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为 基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中 场函数的分布规律；进而利用力学的某些变分原理去建立用以求 解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由 度问题化为离散域中的有限自由度问题一经求解就可以利用解 得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的 场函数。 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域结构分 析中计算得出的基本未知量( 节点自由度) 是位移，其他的一些未 知量，如应变，应力，和反力可通过节点位移导出 结构分析的类型有七种；静力分析，模态分析、谐波分析、 瞬态动力分析、谱分析、曲屈分析、显式动力分析 国际上大型的有限元分析程序主要有a n s y s ，a b a o u s 、 n a s t r a n 、a s k a 、a d i n a 、s a p 等等 n s y s 由于建模快速，界面友 好，计算精度高，应用领域广泛而成为有限元分析代表性的大型 通用软件 n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁，声学于一体的大型 通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业，铁道、石油化工、 航空航人、机械制造、能源、汽车交通、国防军工，电子、土木 工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、，日用家电等一般工 业及科学研究功能包括结构分析、非线性分析、热分析、电磁 场分析、电场分析、流体流动分析、耦合场分析软件提供了1 6 0 多种单元，分别对应不同的分析类型与不同的材料，并且提供了 自适应网格划分功能，程序可根据网格划分所带来的误差自动细 划网格 6 0 1 山东大学硕士学位论文 5 2 结构分析的有限元模型化 结构分析有限元模型化是结构分析的前提和计算成败的关 键。它更富于人工技巧和更需要工程师的判断不同经验的人即 使使用同一个程序来分析同一个结构也会得到不同的结果，这就 是模型的影响。如何建立一个合理丽简单的计算模型并没有固定 公式可循，需要结构工程师的创造性工作。大型复杂结构的模型 化，无论从实际应用和理论意义上看，它的重要性都不亚于新单 元、新方法的开发，是计算结构力学中最令人感兴趣的问题之一 结构模型化大致包括下列内容： 1 边界条件模型化 在建立力学模型时，最重要的是搞清楚计算结构和周围结构 间的关系，即边界条件模型化，根据结构受力特点，给定边界条 件就成为定解的前提在有限元位移法中，主要是建立符合实际 的位移边界条件，不能用力的边界条件来代替位移边界条件 2 结构处理模型化 用力学分析方法，抓住主要矛盾，用简化的模型来处理实际 结构。建立一个满足工程精度要求，反映结构力学特征的有限元 模型是进行结构分析的关键一步通常，结构有限元模型是根据 设计图纸制造的，常隐含理想化假定或简化例如在求解结构的 响应时，有限元分析预测的结果与在实际结构上测得的响应之问 不可避免地存在一定偏差利用结构现场实测的振动信息修正结 构有限元模型，使得修正后结构分析的模态参数与试验值趋于一 致，即为有限元模型修正 3 载荷的模型化 载荷的处理对分析结果有决定性的影响。载荷模型化的任务 是建立以有限参数来描述实际载荷，并且对多工况计算建立一套 有效的载荷处理方法 4 结构离散模型化 根据结构的几何合力学特征，选择单元类型并进行网格划 分网格租细除了要考虑应力梯度变化外，还要保证计算结果能 获得足够精度。特别是单元的选择。应根据结构及材料的具体受 力情况和物理特性来选择，在不确定的情况下应该试算进行比 山东大学硕士学位论文 较，不同的单元会得出不同的计算结果，它对有限元分析是至关 重要的因素之一 5 3 球体中间隔板的结构静力分析 5 3 1 球体中间隔板结构模型 在装卸料过程中球体中间隔板一面受压力时，另一面与大气 相通，转过1 8 0 。后，情况正好相反，这样隔板受到交变载荷作 用，隔板有可能产生疲劳，属于瞬态动力问题，要精确求解比较 麻烦。这里只需要考虑球体转动过程中的一个状态，即球体中间 隔板最大受力状态，对其进行结构静力分析球体上开的气体通 道孔很小，可以不考虑开孔对力学行为的影响，将其忽略：驱动 杆槽对只是起带动球转动的作用，对分析球体中间圆板是否疲劳 没有影响。为了简化模型，也将其忽略球体是轴对称的，并且 所受的外载荷和边界条件也沿轴对称，所以这个结构是轴对称结 构在a n s y s 中可以通过结构的轴对称简化模型，减少模型规 模、缩短计算时