立式热交换搅拌器固体发酵设备设计.doc

目目 录录 摘要 III ABSTRACT IV 1前言 5 2发酵罐的设计与选用 6 2 1发酵罐的总体结构 6 2 2发酵罐的几何尺寸确定 6 2 2 1发酵罐的长径比确定 6 2 2 2发酵罐内径和高度的确定 7 2 2 3发酵罐壁厚确定 7 2 3搅拌器结构设计 8 2 3 1搅拌器叶轮与罐径比 8 2 3 2搅拌器尺寸参数设计 9 2 3 3 搅拌器功率计算 9 2 4夹套设计 10 2 5 圆柱形筒体的选用 11 2 6 标准椭圆形封头的选择 12 2 7 法兰连接的设计 14 2 7 1 法兰的工作原理 14 2 7 2 法兰的焊接 14 3 减速电机的选择 15 3 1 填料密封的摩擦损耗功率 15 3 2 机械密封处的摩擦损耗功率 15 3 3 减速齿轮的确定 16 4 机械密封的选择 16 4 1 机械密封的优点 16 4 2 机械密封的型号选择 17 5 电气控制设计 18 5 1 概述 18 5 2 控制系统设计 18 5 2 1 传感器的选用 18 5 2 2 PLC 的选择 19 5 2 3 I O 口的分配 21 5 2 4 分析控制系统 22 5 3 控制算法分析 22 5 3 1 原料加湿搅拌阶段 23 5 3 2 罐内原料预热阶段 23 5 3 3 原料杀菌阶段 23 5 3 4 原料冷却阶段 24 5 4 程序指令表和梯形图 25 结束语 27 鸣 谢 28 参考文献 29 摘要 目前制备固态发酵类生物制品基本是采用人工操作方法来完成 在制备固态类生 物制品时采用人工操作所带来的问题较多 如在加水湿混 冷却 原料接种 发酵控 制的环节上 采用人工方法进行检测 恶 以及温度和湿度的控制 因原料暴露在露 天场地 灭菌不透切 无法达到无菌环境作业 原料在上料加工过程中容易被病菌污 染 而且在发酵过程中 生物繁殖成功率低 均匀性 稳定性差 生产效率低 本课题拟选择一条操作简便 耗能低的固态发酵工艺 所设计的装置采用立式固 体发酵设备 该设备主要由罐体 减速电机 粉碎面电机 管道 阀门 无菌过滤器 热交换器 抽真空泵 其中 在罐体的上端设置有进料口和减速电机 在减速机座内 安装有上搅拌轴 在罐体内安装有下搅拌轴 在下搅拌轴上设置有空心轴空心螺旋带 搅拌器 在罐体下端的周围设置有夹层 在罐体的侧面安装有温度传感器和一个湿度 变送器 在夹层的侧面装有温度传感器 使得在大型发酵设备的温控问题得以解决 本设计根据固体发酵的特性和给定的设计条件并通过查阅相关资料 然后再通过 一系列的计算得出发酵罐的几何尺寸 最后基于 AutoCAD 平台生成装配图 在本设计中简述了以固体原料生产饲料 发酵罐的作用和结构组成 通过对发酵 条件的综合分析发酵的条件和工艺 然后根据所选定的条件确定罐体的几何尺寸 计 算罐体主要部件的尺寸 如封头的选型 罐体和封头的壁厚 空心轴搅拌器和窥视镜 的选取等 并且本设计还对冷却和加热装置的设计 通风装置的设计 接种和加湿的 设计 搅拌器类型的选择和轴功率的计算 主要技术资料 设计说明书一份 光碟一张 设备结构装备图一张 非标准零件 图若干张等 关键词 固体发酵 发酵罐 空心轴 热交换 搅拌器 Abstract At present preparation of solid state fermentation basic category of biological products using manual methods to complete in the preparation of solid state type of biological products used in manual operation the problems brought about by more such as wet mixed in Canada cooling inoculation of raw materials fermentation control areas use of artificial methods of detection the evil as well as temperature and humidity control as raw materials exposed to open space sterilization is not thorough not to achieve an aseptic environment operations raw materials processing in the process of bacteria vulnerable to pollution but also in fermentation process the low success rate of biological reproduction homogeneity stability poor low productivity To be the subject of choosing a simple low energy solid state fermentation process Designed vertical solid fermentation devices used equipment which by the tank speed motor motor smash face piping valves sterile filters heat exchangers vacuum pump of which in the tank top set I have the feed and speed motor With related materials refered and reviewed this designing is based upon the feature of solid fermentation of bean pulp and the given designing limitation a serious of calculation was carried out for the geometeral size of the fermentation vessel and it s finally brought out by AutoCAD Detailed in the designing are the function and process of using bean pulp as raw materials for the production of animal feeds accompanied by the frame of the fermentation vessel Through the comprehensice analysis of fermentation premises the geometeral size and the main species of the fermentation vessel i e the selection of gland s type the thickness of the shell of vessel and the gland agitator and spyhole So is this designing presenting the thoughts and details about the freezing devices the heating devices the ventilation devices the brewery and dampness generating devices the selecion of the agitator s types and the calculation of axis s power Chief technique information 1 designing instrution 1 DVD 1 chart of the species of the designing several charts of unstandardized species KEYWORDS Solid state fermentation fermentation tank hollow shaft heat exchange blender 5 立式热交换搅拌器固体发酵设备设计 毕业设计说明书 1前言 固体发酵是指没有或几乎没有自由水存在下 在有一定湿度的水不溶性固 态基质中 用一种或多种微生物的一个生物反应过程 这种固态发酵的方法 设备简单 生产容易 原料易得 能源消耗低 成本低廉 粕类固体发酵是把难以消化利用的纤维素等高分子碳水化合降解转化为易 被动物吸收消化利用的养分 增加可消化性蛋白质的含量 能扩大饲料来源节 约粮食 提高营养价值 减少公害 增加肥源 而粕类固体发酵具有操作简便 能耗低 发酵过程容易控制 对无菌要求相对较低 不易发生大面积的污染等 优点 更重要的是 真菌在静态的环境中生长得更好 次生代谢物积累的效率 更高 这说明固体发酵技术具有很大的发展潜力 固体发酵有许多液体发酵无 所比拟的优势 如为非均相系统 有利于特定培养物的自组织行为 液固相接 触比表面积大 一般无液体发酵所面临的高密度培养时溶氧水平不足 生产过 程中几乎没有废水排放 不需要进行污水处理 本设计的内容及方法 可以归纳如下 发酵罐的机械结构设计 发酵罐主要由罐体和冷却和加热装置 以及搅拌 装置 传动装置 轴封装置和其它的一些附件组成 根据固体发酵的特性 选择 罐体材料 确定罐体外形 选定封头的类型 罐体和封头的壁厚 根据计算发 酵搅拌所需的功率选择适合的搅拌装置 传动装置等一些附件的确定 在参考 相关的市场相关生产产品对其他的接管进行设计 选择法兰 进出料管的规格 和大小 对整体发酵罐的设计进行布局 确定各个部件的装配位置 完成整个 装备图 水路 气路的设计 根据发酵微生物产生的发酵热 发酵罐的装物料量 加热及冷却方式等进行冷却和加热装置的设计 计算 对于实现接种和加湿 根据发酵罐的几何形状合理的对水 气路管道进行布局 控制部分的设计 根据固体发酵的特点需要实现自动调整量温度 水活度 供 氧 空气 量 在参考相关的市场相关生产产品对传感器的选用 利用可编程 序控制器 PLC 实现自动调节温度 湿度 完成接种和搅拌等工作 方案探讨 方案探讨 6 固态物料的发酵技术具有悠久的历史 有简单易行 投资少等特点 广泛 用于酿酒 制曲 生物饲料 生物农药 生物肥料 酶制剂等领域 但固体发 酵也存在着设备占地面积大 劳动强度大 传质 传热困难 参数 如物料 pH 值 物料温度 物料湿度 菌体增殖量 产物生成量 难检测等问题 随着科 学技术的进步 固体发酵存在的缺点也逐渐被克服 少数发达国家的固体发酵 已实现机械化规模生产 近几年我国固体发酵技术也有所发展 出现了多种形 式的固态物料发酵设备 到目前为止 还无法判定何种发酵设备是较理想的固 态物料发酵设备 各种形式的固态物料发酵设备都有各自的优缺点 许多问题 有待研究解决 现有的固态发酵设备主要采用大池 浅盘 箱式 转盘等形式 大多将物 料的灭菌与发酵过程分开操作 在发酵过程中又大都采用自然通风 往往劳动 强度大 效率低 生产能力小 盘式 灭菌环境难以控制 杂菌污染率高等缺 点 本设计主要为杜绝杂菌污染 减轻了劳动强度 改善了环境卫生 提高了 自动化程度 产品的产量和质量 固态发酵设备可分为立式和卧式两种 卧式发酵设备的优缺点 优点 物料直接在罐内灭菌 冷却 从而避免了物料的二次污染 在 灭菌和发酵的过程中 物料通过叶片的正 反转 保证物料的疏松 均匀 提 高了发酵的均匀性 缩短了发酵周期 提高了生产率 由于通入无菌空气 大大降低了杂菌污染率 提高了产品的得率和质量 可适用于丝状菌体的工 业化生产 缺点 不利与夹套设置 使得冷却不够理想 不适于大容量的发酵设备 不利于出料 或出料不净等 立式发酵设备的优缺点 优点 物料直接在罐内灭菌 冷却 从而避免了物料的二次污染 在 灭菌和发酵的过程中 物料通过螺带的正 反转 保证物料的疏松 均匀 但 是不够卧式理想 提高了发酵的均匀性 缩短了发酵周期 提高了生产率 由于通入无菌空气 大大降低了杂菌污染率 提高了产品的得率和质量 可 适用于丝状菌体的工业化生产 有利于夹套的设置 可通过导流板使水螺旋 上升 达到好的冷却效果 缺点 设备过高不利于进料 下端不利于安装轴承 固体发酵的缺点也是显而易见的 主要体现为产能太低 现有的技术条件 不利于大规模的工业化生产 虽然现在也有一些固体发酵设备 但和深层发酵 相比 亦是望尘莫及 同时 固体发酵往往在工程放大中面临热量积累导致温 度失控问题 通过固体发酵的缺点可知 对于大型设备 卧式发酵设备存在面临热量积 累导致温度失控问题 经比较选用立式固态发酵设备更为合理 2发酵罐的设计与选用 2 1 发酵罐的总体结构 7 发酵罐主要由搅拌容器 搅拌装置 传动装置 轴封装置 支座 工艺接 管和一些附件组成 搅拌容器分罐体和夹套两部分 主要由封头和筒体组成 多为中 低压压力容器 搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成 其形式通常由工艺 设计而定 传动装置是为带动搅拌装置设置的 主要由电机 减速器 齿轮副 和传动轴等组成 轴封装置为动密封 一般采用机械密封或填料密封 它们与 支座和工艺接管等附件一起 构成完整的生物反应器 2 2 发酵罐的几何尺寸确定 已知 有效装料容积 5 3 m 即公称容积为 3 5mVN 发酵罐有立式和卧式两种结构形式 本设计为粕类固体发酵 采用立式发 酵罐 有利于提高搅拌效率 同时能使固体物料充分混合 因为是粕类固体发 酵 工作压力介于 0 05 到 0 07Mpa 之间 属于低压压力容器 温度低于 120 带有一定的腐蚀性 故根据文献 1 表 2 9 搅拌罐的材料选用 0Cr18Ni10Ti 根据文献 2 公式 8 1 VVN 式中 公称容积 N V 3 m V 发酵罐全容积 3 m 装料系数 通常可取 0 6 0 85 对于物料反应平稳且黏度较 大的 本设计取 0 6 故 3 3 8 6 0 5 m V V N 考虑搅拌器及其他附件体积 取全容积 V 8 3 m 2 2 1 发酵罐的长径比确定 选择发酵罐的长径比应考虑的主要因素有 3 个方面 即长径比对搅拌功率 的影响 对传热的影响以及物料搅拌反应特性对长径比的要求 综合考虑固体 发酵罐长径比的要求 根据文献 2 表 8 1 确定罐体长径比为 1 3 i DH 式中 H 发酵罐的长度 mm 8 罐体直径 mm i D 2 2 2 发酵罐内径和高度的确定 本设计发酵罐封头形式采用平底 平盖 如图 2 1 所示 图 2 1 发酵罐示意图 根据文献 2 公式 8 3 mV DjH D2 4 3 j 查文献 2 表 8 3 将发酵罐直径圆整成标准 2m i D 根据文献 2 公式 8 4 m D V H i 54 2 214 3 844 22 取圆筒高度为 2m 圆锥高度为 1 7m 2 2 3 发酵罐壁厚确定 对于不锈钢发酵罐 其罐体的最小壁厚 由于本设计固体发酵mmC2 min 罐压力较小 圆筒壁厚的设计厚度根据文献 1 公式 3 2 C p pDi 2 1 式中 罐体直径 mm i D 耐受压强 本发酵罐的设计压力为 0 099MPa p 9 焊缝系数 双面焊取 0 8 无缝焊取 1 0 本设计采用 0 8 设计温度下的许用应力 0Cr18Ni10Ti 的许用应力为 137MPa kgf c 2 m 为腐蚀裕度 不锈钢的腐蚀裕度为零 C mmC p pD 10 2 1 取 6mm 查文献 3 表 2 2 取钢板负偏差值为 0 6 则发酵罐体名义 1 1 C 厚度根据文献 3 式子 2 1 mmCS 6 106 010 211 所以发酵罐的直径 2m 长度 H 2 5m 由于容器体积大 取厚度 i D S 14mm 2 3 搅拌器结构设计 2 3 1 搅拌器叶轮与罐径比 本设计搅拌器型式采用空心螺带式搅拌器 如图 2 2 所示 由于是物料黏 度较大 所以叶轮叶径与罐径之比应取得大些 根据文献 10 表 2 7 可得叶轮 叶径与罐径比为 85 0 ij DD 式中 罐体直径 mm i D 螺带叶轮直径 mm j D 10 图 2 2 搅拌器结构 2 3 2 搅拌器尺寸参数设计 由搅拌器叶轮与罐径比可取螺带叶轮直径为 1980mm 可参考表 5 20 得出螺带式搅拌器具体尺寸参数见图纸 另外 考虑此搅拌器为固体发酵搅拌 根据需要螺带螺杆的有效长度取为 h 5400mm 2 3 3 搅拌器功率计算 根据文献 2 表 2 4 可以知道螺带 螺杆式搅拌器的转速范围为 0 5 50r min 常用介质黏度范围小于 本设计中 根据实际情况可smP 5 10 取搅拌器转速为 14r min 而固体发酵物料的黏度比较难确定 本设计是属于 高黏度流体搅拌 查资料知道糖蜜有一黏度为 通过比较 本设计中smP 5 10 可取黏度较大值为 smP 4 10 由此可得出搅拌器搅拌参数为 0 5r smin 30rN sPsmPa 10104 根据文献 2 公式 3 40 中高黏度物系搅拌功率计算公式有 131 n spsu n P kKdNKP 式中 P 搅拌器功率 功率常数 查表 3 12 可得单螺带 螺杆搅拌器 p K250 p K 11 N 搅拌器转速 n 流变参数 本设计中物料属于牛顿流体 故 n 1 d 搅拌器叶轮直径 稠度系数 对于牛顿流体有 psu K psu K Metzner 常数 s k 可得螺带搅拌功率为 w 5 12238 131 1 n spsu n P kKdNKP 螺杆搅拌功率为 w 6 3148 131 2 n spsu n P kKdNKP 故搅拌器功率为 w 15 387kw 1 15387 21 PPP 2 4 夹套设计 在发酵过程中 需要维持生产菌的适宜的培养条件 其中比较重要的就是 保持菌生长和合成产物所需要的最适温度 因为微生物的生长及产物的合成都 是在各种酶催化下进行的 而温度恰恰是保证酶活性的重要因素 所以在发酵 系统中必须保证稳定而合适的温度环境 发酵过程中 由于菌体对培养基利用 而发生的生物反应及搅拌时产生的摩擦等等 都会产生一定的热量 同时罐壁 的散热 搅拌器的散热 水分的蒸发等也带走了一部分热量 搅拌过程常伴有 放热或吸热现象 有时还需要将搅拌容器里的物料维持在一定的温度下 以利 于反应的进行 这样就需对搅拌容器内的物料进行加热或冷却 因此搅拌设备 要设置传热元件 本设计采用整体式圆筒型夹套 结构简单 根据文献 2 表 8 5 查得整体 夹套最高温度可达 350 C 承受压力能力较小 为 0 6MPa 由于夹套内无需经 常清洗 故可采用不可拆卸式和罐体连接方式为焊接 根据文献 2 表 8 9 夹套封闭构件设计采用锥体形封闭件 如图 2 3 12 图 2 3 夹套示意图 整体夹套的直径与搅拌罐内直径的关系根据 10 表 7 2 有 100 2000 100 2100mm j D i D 确定夹套各尺寸参数如下 表 2 2 夹套尺寸参数 mm 代号 i D j D j S c S 尺寸 mm 20002100141430 2 5 圆柱形筒体的选用 圆柱形罐体的公称直径 容积 表面积和质量 1 公称直径 对于用钢板卷焊的罐体 规定用罐体的内径作为它的公称直径 用无缝钢 管作罐体时 规定用钢管外径作为罐体的公称直径 表 5 3 压力容器的公称直径 mm 300 350 400 450 500 550 600 650 7008009001000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 240026028003000320034003600 13 38004000 2 罐体的容积 面积和质量 本次设计任务中要求的发酵罐体的容量为 8100L 即 8 1 m2 取公称直径 为 2000mm 高为 2000mm 容积计算 322 1 28 6 2114 3 mhR v 322 2 78 1 3 1 7 1114 3 mhR v mvv v 3 21 06 8 2 6 标准椭圆形封头的选择 标准椭圆形封头的几何形状 尺寸和质量如下 1 封头的几何形状 形成这种封头的母校是由 1 4 椭圆线和一条平行于回转轴的短直线光滑连 接而成 因而这种封头是由半个椭球和一个高度为 h0的圆柱形短节 称它为封 头的直边部分 构成 此次设计以内径为公称直径 则标准椭圆形封头如下图 所示 图 5 1 封头的几何形状 标准椭圆形封头的曲面深度 h1与封头公称直径之比为 1 比 4 直边高度按 14 封头壁厚有 3 种尺寸 25 40 和 50mm 如下表所示 表 5 4 标准椭圆形封头的直边高度 h0 mm 封头材料碳素钢 普低钢 复合钢板不锈钢 耐酸钢 封头壁厚 直边高度 4 8 25 10 18 40 20 50 3 9 25 10 18 40 20 50 这里取封头材料和发酵罐体的材料相同 都为 0Cr18Ni9 不锈钢 直边高度 取 h0 25mm 2 计算厚度 参照 压力窗口与化工设备实用手册 上册 董大勤 袁凤隐编 化工工业 出版社 P263 对椭圆形封头的厚度作如下的计算 根据常用的封头材料共编制了 6 张计算厚度表 表 EH 1 表 EH 6 这 些表可与内压圆筒的计算厚度表 表 NT 1 表 NT 6 配合使用 两组表的唯一 区别是焊缝系数的取值不同 封头的计算厚度是按确定的 而圆筒的 0 1 值则是按计算的 这里有两点考虑 第一 当封头直径不大是 封头往85 0 往采用整块钢板 这时封头上只有与筒体连接的环焊缝 如果封头直径较大需 要拼接时 按规定 封头的拼接焊缝必须 100 探伤 因此取是符合规定的 第 二 在相同 p Di的条件下 当筒体的 而封头的时 封头的计85 0 0 1 算厚度将小于圆筒的计算厚度 所差之值可用来补偿封头的加工减薄量 计算 由设计任务得 设计的压力必须大于任务所要求的罐体抽真空时所承受 的一个大气压 这里取 约 10 个大气压 由于设计温度为 200 MPapc1 大于制表时的 100 帮应该将表中的数值乘以 K 作为计算厚度 取 K 1 05 mmK Dp ic 30 2 05 1 0 11372 6001 2 设计进取椭圆封头的壁厚和发酵罐的壁厚相同 都为 12mm 满足设计要求 15 2 7 法兰连接的设计 2 7 1 法兰的工作原理 在石油 化工设备和管道中 由于生产工艺的要求 常采用可拆的连接结 构 由于法兰连接有较好的强度和密封性 适用的尺寸范围较广 在设备和管 道上都能应用 所以 法兰连接应用很普遍 法兰连接结构是一个组合体 它是有连接件 被连接件 密封原件组成 法兰盘为被连接件 螺栓 螺母为连接件 垫片为密封原件 上下法兰盘靠螺 栓紧固力压紧垫片 是连接处达到密封 并将两部分设备或管道连在一起 法兰连接的失效主要表现为泄漏 引起泄漏的因数很多 包括设计 制造 安装和使用等各个方面 从设计角度应把螺栓法兰连接作为一个系统来考虑 要确保螺栓法兰各零件有一定的强度 使它在工作条件下长期使用而不被破坏 最基本的要求是在工作条件下 螺栓法兰整个系统有足够的刚度 控制物料的 泄漏 达到 紧密不漏 应按照工作条件选择法兰类型 法兰的公称压力和法 兰结构尺寸 达到设计的要求 2 7 2 法兰的焊接 就法兰的承载能力而言 法兰有 3 种类型 即甲型平焊法兰 乙型平焊和 长颈对焊法兰 用于不锈钢容器时 法兰端面焊有不锈钢衬环 设计时采用乙型平焊 原因在于乙型平焊的法兰本身包括一个厚度为的 t 短节 也筒体直接连接的不是法兰而是这个短节 从而使筒体免受因法兰变形 带给它的刚度 1 法兰的法兰盘与圆筒或短节连接的焊逢应充满 完整 不得有凹坑等 危及强度的缺陷 2 法兰允许用钢板拼接或型钢焊接 拼接焊缝须经百分之百射线或超声 波探伤 合格标准 按 JB4730 射线 级 超声 级 并进行消除焊接应力的 热处理 3 带衬环的法兰 衬环焊接后 应从检漏孔通入 0 4 0 5MPa 的压缩空 气或 0 05MPa 的氨气进行焊缝质量和渗漏检查 衬环上密封上的加工 应从衬 环焊接 检验合格后进行 16 3 3 减速电机的选择减速电机的选择 由以上计算得到搅拌功率得 kwP387 15 减速机的计算功率 Kw ms M PP P 式中 搅拌功率 为 15 387kW s P 搅拌轴轴封处的摩擦损耗功率 kW m P 搅拌机传动装置各零部件的传动效率 其中摆线针式行星减速机的 传动效率 0 9 3 1 填料密封的摩擦损耗功率 kW 92 106 6 nhdP om 式中 h 不考虑密封环的填料密封圈总高度 mm n 搅拌轴转速 r min 所以 kWnhdP om 39292 1027 6104038256 6106 6 3 2 机械密封处的摩擦损耗功率 双端面机械密封 kWdP om 232 132 1 1057 8 10258 1108 1 综合 5 5 1 和 5 52 可以计算电动机的功率 kW PP P ms M 2 17 9 0 1057 8 1027 6 4 15 23 参考网址 选用 30kW 的摆线针轮减速机 电动机输 入的转速 980r min 输出转速为 42 6r min 减速比为 23 型号为 XLY301021 17 它的形状如下 图 5 4 减速电机形状 3 3 减速齿轮的确定 选用减速比为 3 04 小齿轮齿数为 25 大齿轮齿数为 76 齿轮模数 m 12 宽度为 150mm 4 4 机械密封的选择机械密封的选择 4 1 机械密封的优点 机械密封 mechanical seal 是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在 流体压力和补偿机构弹力 或磁力 的作用下以及辅助密封的配合下保持贴 合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置 弹力加载机构与辅助密封是金 属纹管的机械密封我们称为金属波纹管密封 在轻型密封中 还有使用橡胶 波纹管作辅助密封的 橡胶波纹管弹力有限 一般需要辅以弹簧来满足加载 弹力 机械密封的组成主要有以下四类部件 主要部件 动环和静环 辅助密封件 密封圈 有 O 形 X 形 U 型 楔形 矩形柔性石墨 PTFE 包覆橡胶 O 圈等 弹力补偿机构 弹簧 推环 传动件 弹 簧座及键或 各种螺钉 机械密封的优点如下 18 密封可靠在长周期的运行中 密封状态很稳定 泄漏量很小 按粗略 统计 其泄漏量一般仅为软填料密封的1 100 使用寿命长在油 水类介质中一般可达1 2 年或更长时间 在化工 介质中通常也能达半年以上 摩擦功率消耗小 机械密封的摩擦功率仅为软填料密封10 50 轴或轴套基本上不受摩损 维修周期长端面磨损后可自动补偿 一般情况下 不需要经常性的 维修 抗振性好 对旋转轴的振动 偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感 适用范围广机械密封能用于低温 高温 真空 高压 不同转速 以 及各种腐蚀性介质和含磨粒介质等的密封 4 2 机械密封的型号选择 本次设计中要抽真空对发酵材料进行杀菌和降温 对密封的要求较高 机械密封的优点可以解决这个问题 满足本次设计的需要 选择的机械密封 形状如下 图 5 5 机械密封的形状 19 型号为 2010 型带内置轴承中压机械密封 适用范围 密封腔压力 p 0 0 8MPa 密封腔温度 t 200C 2000C 转 速 min 300rn 介 质 油类 溶剂和一般的腐蚀性液体 5 电气控制设计 5 1 概述 可编程控制器的构成框图和计算机是一样的 都由中央处理器 CPU 存贮 器和输入 输出接口等构成 因此 从硬件结构来说 可编程控制器实际上就是 计算机 PLC 实质上是一种工业控制用的专业计算机 PLC 系统也是由硬件系统 和软件系统两大部分组成 本设计采用 PLC 实现对发酵的参数自动或手动控制 采用手动控制时 可利用传感器测量数据进行人为实时干预 也可以用自动控 制 对发酵过程进行全程控制 5 2 控制系统设计 5 2 1 传感器的选用 温度传感器的选用 粕类固体发酵最适合的温度是 20 30 发酵时发 酵罐内的温度变化范围一般是 0 50 之间 根据以上的数据选择昆仑工控 公司生产的 JM 系列一体化温度传感器的 JN202IQ 型号 该一体化传感器的参 数见表 5 1 表 4 1 JN202IQ 一体化温度传感器参数 20 测温范围 准确度 输出 mA 电源电压 DC V 传感器 40 85 0 5 4 2012 32硅半导体 湿度传感器的选用 粕类固体的最佳湿度是 85 97 发酵罐内的湿度 范围为 0 100 根据以上数据 选用昆仑工控公司生产的 JM 系列一体化 温湿度传感器的 JM100I 该传感器的参数见表 5 2 表 4 2 JM100I 一体化温湿度传感器参数 测湿范围 RH 准确度 RH 输出 mA 电源电压 DC V 传感器 0 100 5 4 2012 32硅半导体 5 2 2 PLC 的选择 控制系统有 4 个测温输入点 模拟量输入 1 个测湿输入点 模拟量输入 1 个电机正转起动按钮 1 个电机反转起动按钮 1 个电机停止按钮 1 个接种 泵起动按钮 1 个接种泵停止按钮 1 个空压机起动按钮 1 个空压机停止按钮 1 个总停按钮 5 个热继电器触点 6 个交流接触器 数字量输出 电磁阀一 个输出点 5 个报警灯输出点 因此需要 12 个输出点 根据以上分析 由文献 8 PLC 部分选用三菱 FX2N 系列的 FX2N 64MR 32 点开关量输入 32 点开关量输出 主机 温度模块选用 FX2N 4AD TC 模拟 量输入模块 8 通道的电压 0 5V 0 10V 电流 0 20mA 4 20mA 输入可选 电源 DC 24V 10 湿度模块选用 FX2N 2AD 模拟量输入模块 8 通道的电压 0 5V 0 10V 电流 4 20mA 输入可选 电源 DC 24V 10 通过上位机设定作 为 FX2N 48MR 的特殊功能模块 21 22 5 2 3 I O 口的分配 PLC 的选型主要根据控制对象所需的 I O 点数 被控量的性质 如开关量或 者模拟量 以及是否要求联网通信等 根据以上要求 考虑到 I O 量都是开关 量 选用 FX 系列可编程序控制器即可满足原有的控制要求 具体的 I O 分配 如下表所示 表 4 3 I O 接口分配表 输入端输出端 自动 X000 旋钮 SA 手动 X001 M1 正转接触器 KM1 Y000 电动机正转按钮 SB1 X002 M1 反转接触器 KM2 Y001 电动机反转按钮 SB2 X003 M2 接触器 KM3 Y002 电动机停止按钮 SB3 X004 M3 接触器 KM4 Y003 空压机启动按钮 SB4 X005 M3 接触器 KM5 Y004 空压机停止按钮 SB5 X006 加热电磁阀 YV Y005 接种开始按钮 SB6 X007 M4 接触器 KM6 Y006 接种停止按钮 SB7 X010 电机报警灯 HL1 Y007 M1 热继电器 FR1 触点 X011 空压机报警灯 HL2 Y010 M2 热继电器 FR2 触点 X012 接种泵报警灯 HL3 Y011 M3 热继电器 FR3 触点 X013 加湿泵报警灯 HL4 Y012 M4 热继电器 FR4 触点 X014 冷却泵报警灯 HL5 Y013 M5 热继电器 FR5 触点 X015 总停按钮 SB8 X016 温度模块X020 X027 湿度模块X030 X037 23 5 2 4 分析控制系统 要实现对温度 湿度模拟变化量传感器采集数据输入 并要对发酵内温度和湿度实现 连续在线可调控制 实现温度在 40 摄氏度 湿度 60 的左右微小变化 保证固态发酵的 连续安全地进行 针对这一要求 此控制系统采用模拟量输入 电磁阀开关量输出的方式 用温度采集模块采集罐内和夹层的温度数字量 用模块实现PTADF N 4 2 ADF N 2 2 箱体内湿度的连续采集 用 PID 闭环控制系统 参数的自整定 将输入的温度湿度值转变 为电磁阀所应开启的时间值 对各电磁阀进行分时段开启与关闭 避免了电磁阀的频繁开 启与关闭 从而达到对发酵教程中温度 湿度的连续可调 温度 湿度控制精度高 5 3 控制算法分析 PID 控制器有 4 个主要的参数K p T I T D 和T S 需整定 无论哪一个参 数选择得不合适都会影响控制效果 在整定参数时应把握住 PID 参数与系统动 态 静态性能之间的关系 在 P 比例 I 积分 D 微分 这三种控制作用中 比例部分与误差 信号在时间上是一致的 只要误差一出现 比例部分就能及时地产生与误差成 正比的调节作用 具有调节及时的特点 比例系数K p 越大 比例调节作用越 强 系统的稳态精度越高 但是对于大多数系统 K p 过大会使系统的输出量 振荡加剧 稳定性降低 积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系 只要误差不为零 控制器的输出就会因积分作用而不断变化 一直要到误差消失 系统处于稳定 状态时 积分部分才不再变化 因此 积分部分可以消除稳态误差 提高控制 精度 但是积分作用的动作缓慢 可能给系统的动态稳定性带来不良影响 积 分时间常数T I 增大时 积分作用减弱 系统的动态性能 稳定性 可能有所 改善 但是消除稳态误差的速度减慢 微分部分是根据误差变化的速度 提前给出较大的调节作用 微分部分反 映了系统变化的趋势 它较比例调节更为及时 所以微分部分具有超前和预测 的特点 微分时间常数T D 增大时 超调量减小 动态性能得到改善 但是抑 制高频干扰的能力下降 选取采样周期T S 时 应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升 时间 为使采样值能及时反映模拟量的变化 T S 越小越好 但是T S 太小会 24 增加 CPU 的运算工作量 相邻两次采样的差值几乎没有什么变化 所以也不宜 将T S 取得过小 本次设计对温度和湿度的控制只要是对气动调节阀的控制达到控制的目的 气动调节阀在没有接通的情况下保持常开 当传感器检测到的温度或者湿度达 到设定的温度或者湿度值时 就会有一个输出电压给气动调节阀 调节阀就会 关闭 从而达到控制的目的 保持发酵过程中的温度和湿度不变 执行的原理 如下 5 3 1 原料加湿搅拌阶段 要实现气动调节阀 Z5 自动调节水流量 确保湿度合适 将设定的湿度 K100 放在断电保持用寄存器 D200 中 将从中采集到的罐内原料的湿ADF N 2 2 度 K150 放到能用数据寄存器 D100 中 的 Y013 输出端通过接触器MFX N 80 2 K13 与气动调节阀 Z5 联系起来 5 3 2 罐内原料预热阶段 1 罐内通蒸汽对原料预热 要实现气动调节阀 Z3 自动调蒸汽流量 确保温度合适 将设定的温度 K102 放在断电保持用寄存器 D202 中 将从中采集到的罐内原料的温ADF N 2 2 度 K152 放到能用数据寄存器 D102 中 的 Y017 输出端通过接触器MFX N 80 2 K17 与气动调节阀 Z3 联系起来 2 夹层能蒸汽对原料预热 要实现气动调节阀 Z2 自动调蒸汽流量 确保温度合适 将设定的温度 K104 放在断电保持用寄存器 D204 中 将从中采集到的罐内原料的温ADF N 2 2 度 K154 放到能用数据寄存器 D104 中 的 Y021 输出端通过接触器MFX N 80 2 K21 与气动调节阀 Z2 联系起来 5 3 3 原料杀菌阶段 原料杀菌阶段也是通过对气动调节阀 Z3 的控制实现温度的控制 通过气动 调节阀 Z5 的控制实现温度的控制 程序和对 Z3 和 Z5 的控相同 25 5 3 4 原料冷却阶段 1 用冷却媒冷却 要实现气动调节阀 Z4 自动调节冷却媒的流量 控制夹层冷却的温度 将设 定的温度 K106 放在断电保持用寄存器 D206 中 将从中采集到的罐ADF N 2 2 内原料的温度 K156 放到能用数据寄存器 D106 中 的 Y027 输出端MFX N 80 2 通过接触器 K27 与气动调节阀 Z4 联系起来 2 压缩空气冷却 要实现气动调节阀 Z7 自动调节空气的流量 控制夹层冷却的温度 将设定 的温度 K108 放在断电保持用寄存器 D208 中 将从中采集到的罐内ADF N 2 2 原料的温度 K158 放到能用数据寄存器 D108 中 的 Y030 输出端通MFX N 80 2 过接触器 K30 与气动调节阀 Z7 联系起来 26 5 4 程序指令表和梯形图 一 一 罐内原料预热罐内原料预热 手动打开截止阀J1 截止阀J2 确保SB3 和SB5按下 启动罐内原料预热按钮SB9或 者夹层对罐内预热按钮SB11 Y019 Y024 罐内原料预热关闭按钮由SB10控制 夹层对罐内预热关闭按钮由SB12控 制 M105 Y020 Y022 Y023 Y006Y005 Y005Y006 Y019 Y018 Y016 M104 Y015 Y006 M105 M104 M104 M104 X010X009 三 罐内原料预热 X011X012 M105 M105 二 原料杀菌二 原料杀菌 对罐内原料预热完后只按 下SB12关闭夹层对原料预热 便可对原料进行杀菌 同时 按下SB7对原料进行自动加 水 杀菌完后按下SB10停止 进蒸汽 按下SB8停止进水 四 原料杀菌 LD X009 OR M104 ANI X010 OUT M104 LD X011 OR M105 ANI X012 OUT M105 LD M104 OR M105 OUT Y006 OUT Y015 LD M104 AND Y006 AND Y005 OUT Y016 OUT Y018 OUT Y019 LD Y019 OUT Y024 LD M105 AND Y006 AND Y005 OUT Y020 OUT Y022 OUT Y023 27 三 原料冷却三 原料冷却 X015 冷媒水冷却关闭按钮由SB14控制 压缩 空气冷却关闭按钮由SB16控制 Y034 Y032 Y033 Y031 Y029 M107 Y035 Y004 Y017 Y016 Y018 Y019 Y024 Y019 Y025 Y003 Y026Y014Y028 Y010 确保SB3和SB5按下 启动冷媒水冷却按 钮SB13和启动压缩空气冷却按钮SB15 手动打开球阀F1 球阀F2 球阀F3 球 阀F4 球阀F7 M106 M106 X013 五 原料冷却 X015X016 M107 M107 Y014 Y028 Y026 Y025 M106 Y003 LD X013 OR M106 ANI X015 OUT M106 LD X015 OR M107 ANI X016 OUT M107 LD M106 OUT Y025 OUT Y003 OUT Y026 OUT Y028 OUT Y014 LD Y025 AND Y003 AND Y026 AND Y028 AND Y014 OUT Y010 LD M107 OUT Y029 OUT Y031 OUT Y032 OUT Y033 OUT Y034 OUT Y035 OUT Y004 OUT Y016 OUT Y017 OUT Y018 OUT Y019 LD Y019 OUT