倪强谷朊粉生产装置设计

机 械 工 程 学 院 毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目： 谷朊粉生产装置的设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 11级2班 姓 名： 倪强 学 号： 1670110013 指导教师： 孟令启（教授） 日 期： 2015年 1 月 4日 目录1.引言41.1谷朊粉生产的设计背景41.2设计任务51.3方案的列出62.卧螺离心机的工作原理73 .传动设计83.1 螺旋输送器相关参数的确定83.1.1螺旋推料器的基本参数93.1.2螺旋的头数93.1.3螺距93.1.4推料器与转鼓的间隙93.1.5叶片与转鼓内表面母线的关系103.1.6螺旋输送器叶片的选择104.卧螺离心机工艺计算105.强度校核125.1 转鼓的强度校核125.1.1离心力场中物料的液体压力125.1.2转鼓壁厚计算135.1.3转鼓强度计算155.1.4转鼓的疲劳强度校核165.2 主轴的强度校核16结语21致谢22参 考 文 献23附：本课题完成的CAD图27谷朊粉生产装置设计 摘 要：本文根据现有条件对谷朊粉生产装置进行设计，采用的是卧式螺旋机，设计形式为卧式圆筒状 ，内部有螺旋输送器，从进料口将由均质机中均质后的面浆导入该装置，该装置通过电动机的带动将面浆悬浮液进行分离，得到淀粉和谷朊粉，之后再对谷朊粉进行干燥处理。 本文主要对卧螺离心机整体进行设计，并对轴和转鼓进行了强度校核。 关键词：谷朊粉；离心分离；卧螺离心机；设计。1.引言 谷朊粉又被称为活性面筋粉，是小麦面粉加工后所得到的副产品。其蛋白质含量较高，大约占80%以上，并且它的氨基酸组成比较齐全，矿物质含量也是非常的高，是营养丰富、纯天然的绿色植物性蛋白源。谷朊粉吸水后会形成具有网络结构的湿面筋，其具有良好的黏弹性、延伸性、乳化性，以及薄膜成型性。生活中的许多美食都离不开谷朊粉，比如传统产品中的面筋、素肠、素鸡、素鸭、等等。目前谷朊粉的生产方法主要有传统的马丁法和随着离心机的发展而出现的新工艺-离心分离法。1.1谷朊粉生产的设计背景 谷朊粉一开始是小麦淀粉的副产物，其与纤维等一起作为动物饲料使用的，但随着谷朊粉的价值逐步被人们发现，它的商业价值甚至超过了小麦淀粉，因而大大带动了小麦面粉商业化生产的开展。现在主流的谷朊粉生产方法，都是利用离心分离的原理来生产的。离心分离技术，是利用离心力对液固等非均相混合物进行离心分离的过程。离心分离技术的装置为离心机。离心机基本上利用离心分离原理，主要应用于脱水、分离、等工艺过程。离心机是伴随着现代工业的不断进步和发展，而逐步产生和发展的的。1在18世纪产业革命之后，随着纺织工业的迅猛发展，1836年生产出了棉布脱水机。1877年为了适应乳酪加工工业的需求，分离牛奶的分离机应运而生。自从进入20世纪后，随着石油综合利用的发展，需要把水、固体杂质、焦油状物料等除去，以便使重油用作燃料油使用。50年代研制成功了能自动排渣的碟式活塞排渣分离机，到了60年代逐步有了系列的产品。伴随着近代人们环境保护意识的渐渐提高，对于工业废水和污泥处理的要求都变得很高，因此促使卧螺离心机、碟式分离机和三足式下部卸料离心机的飞速发展。特别是卧螺离心机的发展尤为迅速。随着中国的国民经济各行业的不断发展，各种类型的离心机在不断地发展，各种新型离心机也在不断涌现。2离心机的使用，也逐步变得更广泛。最开始的卧螺离心机是由两对开式齿轮传动，从而获得转鼓与螺旋之间的转速差，才能输送沉渣，并被用在淀粉工业生产上。真正具有现代实用价值的第一台卧螺离心机，是在1954年被制造出来的，该机第一次使用了二级行星齿轮差速器。自从卧螺离心机出现之后，由于它具有突出的长处而得到了迅猛发展，它在离心分离领域内一直占有特殊的地位。3我国卧螺离心机的发展比较晚，但是近年来发展非常的快。目前我国已能自主生产的卧螺离心机有WL-200、350、380、450、600、1000等规格。我国离心分离行业目前正处于逐步发展中，总体水平不高。随着社会进步和发展，人们对于环保、能源以及装备对产品品质的影响有了新的认识。同时，通过与国外技术交流和合作，以及成套项目技术的引进、消化与吸收，大大加速了我国离心分离技术的发展，主要体现在这几方面：1) 我国已基本形成了一个集科研、设计和制造的体系。2) 成立了离心分离领域的各个学术组织。3) 在理论与应用方面进行了大量研究。4) 目前已能自主生产上悬、活塞、螺旋、离心力卸料，进动卸料、刮刀及虹吸刮刀等各种离心机。这些自主生产的产品不仅遍及全国且远销国外，并且技术有所提高4。5) 为了满足特殊工艺要求，如防污染、密闭、防爆等，一些新型离心机也先后问世。6) 自动控制技术与CAD技术的应用与发展。7) 各种相关标准的制订。8) 与国外著名离心机厂商的技术合作。 离心机的主要特点有这几方面：一是使用范围广；二是产品的规格多、变形多；三是对物料的适用性较强。离心机一般用于工艺流程中的后处理设备，这直接关系到产品的最终质量。离心机和其它分离装置相比，不仅能得到含湿量较低的固相和高纯度的液相，而且能节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件，还有连续运转、自动遥控、装置操作安全可靠和占地面积较小等优点。因此自从1836年第一台工业用的三足式离心机在德国问世，到一百多年来己得到很大的发展。各种类型的离心机繁多，各有特点。离心机正在向提高技术参数、系列化、自动化方向发展，并且组合转鼓结构增多，专用品种越来越多。离心机现在已被广泛应用于化工、淀粉生产、石油提炼、轻工、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、环保、军工等各个部门。例如小麦淀粉的生产；湿法采煤的煤粉回收；石油开采的钻并泥浆净化回用；污水处理的污泥浓缩和脱水；石油化工产品的精制；抗菌素、农药的提取；织品纤维脱水；润滑油、燃料油的提纯等都需要使用离心机。离心机现已成为国民经济各方面广泛应用的一种通用装置。41.2设计任务对谷朊粉生产装置的要求： 设计处理量 38/h 淀粉和谷朊粉的总得率 90% 用水量与原料的比重值 4:1 工作时间 12h/d1.3方案的列出 方案一 马丁法在马丁法工艺中，小麦面粉加水搅拌所形成的面团是以面筋为中心的网状结构，面筋网络将淀粉、非面筋蛋白质及其他成分如脂质等包围在其中。在面团搅拌过程中，可以认为经过水面混合阶段、面筋形成阶段、面筋扩散阶段、搅拌完成阶段、搅拌过度阶段、面筋破坏阶段等六个阶段。由于面筋网络的存在，面团内部包含的淀粉不容易被洗出来，而且越接近面团中心部位，淀粉就越难被洗净。在洗涤过程中有搅拌，过度的机械搅拌会软化面筋网络直至对面筋网络结构造成破坏。因此面团的洗涤一定要在“搅拌完成阶段”完成，这是本工艺的缺陷之一，同时谷朊粉的蛋白质含量和质量难以兼顾；另外，尽管控制好搅拌时间，面筋网络在搅拌过程中是不断变化的，最终弱化了面筋网络强度。 方案二 卧螺离心工艺 本工艺主要采用二相卧螺离心机，其基本原理就是通过离心力将面粉中比重不同的成分淀粉与谷朊在悬浊液中分离开来, 然后采用干燥系统进行瞬时高温干燥，从而获得高质量的淀粉与谷朊粉。工艺流程框图如图1。 图1 卧螺离心工艺方案三 三相卧螺工艺本工艺采用三相卧螺离心机。三相卧螺工艺是由德国韦斯伐里亚公司开发的小麦淀粉与谷朊粉分离方法，因工艺中采用了其独特的专利技术三相卧螺分离机而得名。三相卧螺工艺主要包括小麦面粉制备、加水调浆、均质、面筋分离等工艺阶段。工艺采用了三相卧螺离心机，可以将物料分为三相，在工艺前就把戊聚糖分离除去，因此节省了水的用量，提高了环境的保护，也保证了产品的质量。本工艺多采用进口设备，有操作比较麻烦、维护成本较高等缺点。工艺流程框图如图2:图2三相卧螺工艺1.4方案的选定根据实际需求，我们需要采用能耗低，价格合理的生产方法。方案一能耗较大，不宜采用。方案三，三相卧螺离心机价格高昂，维护成本高。结合各方面的综合考虑，我们选择方案二。2.卧螺离心机的工作原理2.3 卧螺离心机的工作原理卧螺离心机的工作原理是这样的：主电动机通过三角皮带轮带动转鼓旋转，转鼓最右端与差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋推进器转动，且与转鼓的转向一样，但二者转速不一样。小麦面浆悬浮液从左端的加料管连续送入机内，通过螺旋推进器内的进料孔进到转鼓内。在离心力的作用下转鼓内形成分界不明显的轻重两相，重相固体颗粒（主要为淀粉液体）沉降到转鼓内表面，轻相粘附在重相表面。由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，重相被螺旋叶片推送到转鼓的小端，送出液面并从排渣口甩出。轻相液（主要为谷朊粉）经溢流口排出。而轻相液中就有我们需要的谷朊粉。如下图3 图3 卧螺离心机结构示意图1-加料管；2-左轴承；3-溢流口；4-进料孔；5-右轴承；6-排渣口；7-差速器；8-皮轮轮；9-转鼓；10-螺旋推进器3 .传动设计3.1 螺旋输送器相关参数的确定图4 卧螺离心机二维结构图1-大端轴承盖；2-密封环；3-溢流口；4-叶片；5-转鼓；6-排渣口；7-螺栓；8-轴；9-小端轴承盖3.1.1螺旋推料器的基本参数螺旋推料器的基本参数，包括:螺旋头数、螺距、推料器与转鼓的间隙、叶片与转鼓内壁母线的关系等。3.1.2螺旋的头数螺旋叶片可以是单头，双头，多头。每当螺旋的头数增加一倍时，螺旋的输渣效率也相应的增加一倍，但随着螺旋头数的增加，大大降低了沉降的效果。5本装置采用的是单头。3.1.3螺距离心机在转鼓对应的柱段采用距形式，螺距为120mm。在转鼓对应的锥段采用变螺距形式，锥段螺距从120100mm。螺旋推料器在锥段采用变螺距的方式，目的是增加沉降时间，提高分离效果。3.1.4推料器与转鼓的间隙本设计中，螺旋推料器的外圆面与转鼓的内圆面同心，两者之间应有0.5mm2.5mm的间隙，间隙越小越利于工作效率。但如果间隙太小，可能会使螺旋推料器的叶片与转鼓内表面发生摩擦，出现事故。6本装置取值为1.5mm。3.1.5叶片与转鼓内表面母线的关系通过资料可以发现，工业用离心机的螺旋叶片一般选择垂直于转鼓壁内表面设计，它比选择叶片垂直于转鼓轴线要节省很多功率。本设计中采用叶片垂直于转鼓内表面母线。3.1.6螺旋输送器叶片的选择螺旋叶片选用连续整体螺旋叶片，叶片厚度8mm。螺旋输送器的圆柱段半径为175mm。材料与转鼓的材料相同，都是采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。为了增加叶片的耐磨性，需要对叶片的推料面进行硬化处理，采用在叶片表面喷涂30%镍基碳化钨硬质合金。3.2进料口直径的确定由计算可知，本项目的离心机生产能力为：Q=38m3/h. 根据水的流速为：u=1-2m/s，取物料流速为：u=1.5m/sA=Q/U=0.00556d=4A/d=0.095m圆整后为d=65mm。螺旋输送器结构参数：螺旋内筒半径:d=175mm;螺距：s=120mm;叶片厚度：8mm；推料器与转鼓的间隙：1.5mm。3.3 差速器的选择 本装置采用2K-H型渐开线行星齿轮差速器。该差速器噪音小，便于维修。4.卧螺离心机工艺计算4.1 分离因数的计算分离因数是卧螺离心机分离能力的主要指标，也是卧螺离心机性能的重要标志之一。分离因数值愈大，物料受的离心力愈大，分离效果也就愈好。分离因数为是被分离的物料在离心力场中所受的离心力与它所受的重力的比值，即 （）式中 离心力场中物料的质量（kg）转鼓的角速度：=2n/60=262rad/s转鼓内半径：R=300mm将上述数据代入可得分离因数：通过上述各式可以找到提高分离因数的方法。可以看出，分离因数Fr与转鼓半径R成正比，因此增大转鼓尺寸时Fr值增长比较平缓，但是在增大转鼓半径后，转鼓的应力将会受到较大影响，而分离因数Fr与转鼓转速n成平方关系，提高转速时，分离因数增长很快。高速离心机的结构特点可以总结为转速高、直径小、分离因数大。分离因数的提高并不是任意限制的，其极限值取决于转鼓的机械强度。4.2 生产能力计算悬浮液通过进料口进入卧螺离心机转鼓后，轻相沿转鼓轴向流动至溢流口处排出，其中的重相随轻相作轴向移动外，还在离心力作用下沿径向沉降。较小的颗粒由于沉降速度比较慢，沉降到鼓壁所需的时间比较长。所以沉降离心机的生产能力，应理解为能将分离的最小固相颗粒沉降在鼓内。这样，分离因数一定的同一个卧螺离心机，对不同的物料或者同一物料在不同的分离要求下，生产能力也是不同的。卧螺离心机的生产能力取决于轻相的轴向流速和粒子的离心沉降速度。7卧螺离心机的生产能力是指在满足分离液澄清度或沉渣含湿量要求前提下的进料流量。 用理论计算生产能力，它是安布勒于1952年提出用以计算离心机的生产能力，所跟据的是“活塞式流动特性，由于它的表达式简单，概念明确，所以一直被沿用至今。柱锥形转鼓的卧螺离心机的生产能力为： ?式中 修正系数，； 固相密度，；液相密度，；固、液相密度差，；临界颗粒直径，； 沉降区长度，L=1.264m；重力沉降速度，；黏度，；当量沉降面积，；转鼓速度，；=2n/60=262rad/s 柱段转鼓长度，=1.05m;圆锥段转鼓长度，；=0.758m;转鼓的内半径，；溢流层表面半径，=0.54m；与有关的函数，将上述各数据代入各式可得：修正系数：重力沉降速度： 当量沉降面积：将上述数据代入即可得离心机的生产能力Q：=38.282m/h考虑到其他影响因素，则本项目的离心机实际生产能力为：Q=38 m/h。 4.3 电动机的选择通过查阅机械设计课程设计手册 Y系列三相异步电动机技术数据，本装置最终选择Y225M-2型电动机。5.强度校核5.1 转鼓的强度校核5.1.1离心力场中物料的液体压力当卧螺离心机工作时，处于转鼓中的轻相和重相，在离心力场的作用下，将给转鼓内壁造成相当大的压力，称为离心液压。8离心液体压力随着转鼓半径上的变化是从液环内表面的零值到转鼓壁达最大值，根据化学工程手册可知物料对筒壁的压力计算公式如下：式中 离心液压，；转鼓内被分离物料的重度 ，；转鼓的回转角速度，；转鼓内表面半径，；转鼓内物料环的半径 ，；重力加速度 ，。当转鼓转速变得很大时，液面与转鼓平行的同心圆柱面，此时可以近似于常数.在本离心机项目中：转鼓内被分离物料的重度， ；转鼓的回转角速度 ，；转鼓内表面半径，； 转鼓内物料环的内径，；转鼓内物料环的半径 。将上述数据代入可得物料对筒壁的离心液压：卧螺离心机离心压力离心液压不仅作用在转鼓壁上，同时也作用在顶盖和鼓底上。在计算转鼓强度时一定把离心液压计算进去。5.1.2转鼓壁厚计算圆筒形转鼓壁厚为: 圆锥形转鼓壁厚为:在本设计中，转鼓的圆锥形大口处周向应力是最大，因此壁厚按大口处计算。按圆锥形转鼓壁厚计算得:式中 转鼓的内半径，m；转鼓中物料的填充系数；焊缝的强度系数；转鼓壁材料的许用应力，Pa；转鼓半锥角。许用应力选取下列两个值中的较小者: 式中 设计温度下材料的屈服极限；计温度下材料的强度极限；屈服极限的安全系数，一般为；强度极限的安全系数，一般为。本设计中： 转鼓材料选择为1Cr18Ni9Ti，密度=7.9103kg/m3； 焊缝的强度系数， =0.95； 钻井液密度，=1150kg/m3； 转鼓的内半径，R=0.3m； 角速度，=262rad/s； 转鼓半锥角，=8。由圆锥形转鼓壁厚计算公式: 式中 转鼓的许用应力计算如下：根据机械手册可以查得: ， 取 则， 取最小值。将上述各值代入壁厚计算式，则得：由钢板的标准厚度，综合考虑到圆筒及圆锥部分的加工制造简便和腐蚀裕量等因素，取=10mm。5.1.3转鼓强度计算5.1.3.1材料的许用应力取其小者，许用应力为5.1.3.2转鼓应力1) 转鼓圆筒部分转鼓单独旋转时鼓壁内的环向应力：式中 转鼓的开孔系数，q=1； 转鼓材质密度，=7.9g/cm3；转鼓平均半径，R2=305mm。代入各值，得物料载荷离心力产生的鼓壁环向应力为：式中 物料的密度，=1.085g/cm3； 转鼓内半径，R1=300mm； 物料环内半径，R3=250mm； 转鼓壁厚，=10mm；加强箍系数，Z=1。代入数据，得： 则圆筒部分应力： 上式中 K为焊缝系数，当焊缝的机械性能和转鼓材料的机械性能相当，此时要引入焊缝系数K来考虑焊缝处强度的削弱。对于按GB 11345规定进行100射线探伤检查或其他等效的探伤方法进行检查的焊缝，其焊缝系数K=0.95。 2) 转鼓锥体部分空转鼓旋转时鼓壁内的环向应力：物料载荷离心力产生的鼓壁环向应力：锥段应力：取其大者t=28.77MPa=105MPa，转鼓强度满足要求。5.1.4转鼓的疲劳强度校核对于承受循环载荷次数较高的离心机转鼓，比如卧螺离心机、间歇操作的三足式离心机应考虑疲劳强度校核。按我国GB 3705标准规定，建议按转鼓材料测定其承受次以上循环载荷作用下的疲劳强度，并且进行疲劳强度校核，即式中 转鼓的环向总应力； 安全系数； 转鼓材料的抗疲劳强度极限。本卧螺离心机转鼓的环向应力t=28.77MPa，转鼓的抗疲劳强度极限，故可知其安全。5.2 主轴的强度校核图5 轴 通过轴的主要结构尺寸，轴上零件位置的确定，以及外载荷和支反力的作用位置都已确定，轴上弯矩和扭矩可以求得，因此可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。一般的轴用这种方法计算即可。9 计算步骤如下：M=1600kg，得式中， （1） 作出剪力图 ： 图6剪力图?/ （2）作出弯矩图： 图7 弯矩图（3）作出扭矩图： 图8 扭矩图（4）轴的强度校核已知轴的弯矩和扭矩后，可对危险截面做弯扭合成强度校核计算。10 计算应力： 通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为：式中的弯曲应力为对称循环应力。当扭转切应力为静应力时，取；当扭转切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取，本设计取。对于直径为d 的圆轴，弯曲应力为，扭转切应力，将和代入上式，则轴的弯扭合成强度条件为式中 轴的计算应力，MPa；轴所受的弯矩， ； 轴所受的扭矩，；轴的抗弯截面系数，；对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。式中 则，把各值代入上式得：代入式：对于1Cr18Ni9Ti，即有：，故满足强度条件。电机选择结语本设计根据任务书的要求，对谷朊粉生产的核心装置卧螺离心机进行了设计，对于关键参数的选取进行了详细的说明，同时对于分离因数，生产能力等进行了计算，对于转鼓、主轴等关键部分进行了相应的计算和校核。通过一系列的设计计算，所设计的卧螺离心机符合要求，各项技术性能指标都达到预期目标。 本次谷朊粉生产装置的设计，是在前期做了大量的文献阅读和学习，所以设计才有了影子。然而由于本人知识水平不高，难免在设计中会有不足的地方，敬请读者给予合理的建议与指导。我一定会虚心求教。致谢眨眼间大学四年就已快要过去了，在这大学的几年间我学到了很多东西。这将是我的一笔难忘的记忆。此刻我的心情思绪万千。本次的毕业论文设计，我前后花了大量的时间与无数的精力。出了我自身的付出外，我也要衷心的感谢一些人。首先，我要感谢我的论文指导老师。正是有孟老师的悉心指导，我才有明确的方向可走。最后，我也要感谢在论文设计期间，给与我提出建议与指导的同学。感谢所有给予我帮助的人。参 考 文 献1 袁惠新分离过程与设备M北京：化学工业出版社，20082 孙启才分离机械M北京：化学工业出版社，19923 孙启才，金鼎伍 离心机原理结构与设计计算M北京：机械工业出版社，19784 Tania Garcia，Jose Villar，Mercedes Gonzalez Filtra & SeparaJ，2005，42(8)：36-375 常映辉卧式螺旋沉降离心机理论计算与分析D北京：北京化工大学，20066 李福明螺旋卸料离心机的螺旋叶片展开计算研究J过滤与分离，1995，（2）：711 7 陈崔龙，席莹本，章棣Lw450x1810N型卧式螺