食品工廠課程設(shè)計---機(jī)械攪拌發(fā)酵罐設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一.設(shè)計任務(wù)書-----------------------------------------------------------------------------------------------------------2</p><p>　　1.1設(shè)計內(nèi)容--------------------

2、-------------------------------------------------------------------------------------------3</p><p>　　1.2 設(shè)計參數(shù)和技術(shù)特性指標(biāo)---------------------------------------------------------------------------------------4&l

3、t;/p><p>　　1.3 設(shè)計要求--------------------------------------------------------------------------------------------------------------4</p><p>　　二.緒論-----------------------------------------------------

4、-----------------------------------------------------------------4</p><p>　　三.進(jìn)行罐體及夾套（或內(nèi)部蛇管）設(shè)計計算------------------------------------------------------------------5</p><p>　　3.1罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計-----------

5、----------------------------------------------------------------------------------------5</p><p>　　3.2罐體幾何尺寸計算-----------------------------------------------------------------------------------------------5&

6、lt;/p><p>　　3.2.3確定攪拌罐筒體的厚--------------------------------------------------------------------------------------7</p><p>　　3.2.3.1筒體的選---------------------------------------------------------------

7、----------------------------------7</p><p>　　3.2.3.2攪拌罐筒體壁厚計-----------------------------------------------------------------------------------8</p><p>　　3.2.3.3上下封頭壁厚計算-------------------------

8、------------------------------------------------------------8</p><p>　　3.2.3.4壓力試驗(yàn)--------------------------------------------------------------------------------------------------9</p><p>　　四換熱

9、管裝置設(shè)---------------------------------------------------------------------------------------------------------9</p><p>　　4.1夾套設(shè)---------------------------------------------------------------------------------

10、------------------------------9</p><p>　　4.1.1夾套幾何尺寸計算------------------------------------------------------------------------------------------------9</p><p>　　五.攪拌裝置設(shè)--------------------------

11、--------------------------------------------------------------------------------10</p><p>　　5.1攪拌器的選型設(shè)------------------------------------------------------------------------------------------------10</p&

12、gt;<p>　　5.2罐內(nèi)攪拌軸的結(jié)構(gòu)設(shè)------------------------------------------------------------------------------------------11</p><p>　　5.3 攪拌軸計算和校核-----------------------------------------------------------------

13、-----------------------------11</p><p>　　5.4選擇攪拌軸軸承聯(lián)軸------------------------------------------------------------------------------------------12</p><p>　　六.傳動系統(tǒng)的設(shè)計------------------------------

14、----------------------------------------------------------------------13</p><p>　　6.1電機(jī)減速器的計算與選型------------------------------------------------------------------------------------13</p><p>　　6.

15、2聯(lián)軸器選-----------------------------------------------------------------------------------------------------------18</p><p>　　6.2.1傳動軸聯(lián)軸器------------------------------------------------------------------------

16、------------------------18</p><p>　　6.3選用和計算機(jī)架結(jié)--------------------------------------------------------------------------------------------18</p><p>　　6.4設(shè)計凸緣及安裝底蓋結(jié)------------------------------

17、---------------------------------------------------------20</p><p>　　七.密封裝置的選型設(shè)計----------------------------------------------------------------------------------------------22</p><p>　　7.1機(jī)械密封的

18、選取------------------------------------------------------------------------------------------------22</p><p>　　八.發(fā)酵罐的其他附件---------------------------------------------------------------------------------------

19、----------24</p><p>　　8.1選擇支座形式并計算------------------------------------------------------------------------------------------24</p><p>　　8.2手孔或人孔選型------------------------------------------------

20、------------------------------------------------25</p><p>　　8.3視鏡的選型設(shè)計-------------------------------------------------------------------------------------------------26</p><p>　　8.4無菌空氣分布管設(shè)計---

21、---------------------------------------------------------------------------------------27</p><p>　　8.5消泡裝置設(shè)計---------------------------------------------------------------------------------------------------

22、-27</p><p>　　九.選擇接管管法蘭設(shè)備法蘭---------------------------------------------------------------------------------------27</p><p>　　9.1管道接口（采用法蘭接口）------------------------------------------------------

23、-----------------------------29</p><p>　　9.2儀表接口-----------------------------------------------------------------------------------------------------------29</p><p>　　9.3擋板----------------------

24、-------------------------------------------------------------------------------------------30</p><p>　　十.參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------------------------------

25、------------30</p><p>　　一、帶換熱裝置的攪拌罐（機(jī)械攪拌發(fā)酵罐）設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　1.1設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　15m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐設(shè)計</p><p>　　設(shè)計參數(shù)和技術(shù)特性指標(biāo)</p><p>　　1.2設(shè)計參數(shù)和技術(shù)特性指標(biāo)&l

26、t;/p><p>　　建議：H/D取1.7~2.5；裝料系數(shù)η取0.6~0.8； 罐內(nèi)料液密度為1076kg/m3</p><p><b>　　接管建議（推薦）：</b></p><p>　　出料口 冷凝液出口 蒸汽進(jìn)口 溫度計插口 視鏡 進(jìn)料口 人孔 手孔 </p><p>　　Dg80 Dg57

27、 Dg30 Dg70 Dg80 　Dg50 400 100 </p><p><b>　　1.3設(shè)計要求：</b></p><p>　　1、攪拌罐（機(jī)械攪拌發(fā)酵罐）計算及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成設(shè)計說明書。</p><p>　?。?）進(jìn)行罐體及夾套（或內(nèi)部蛇管）設(shè)計計算</p>&l

28、t;p>　?。?）進(jìn)行攪拌裝置設(shè)計：攪拌器的選型設(shè)計；選擇軸承、聯(lián)軸器，罐內(nèi)攪拌軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，攪拌軸計算和校核；</p><p>　?。?）傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算：</p><p>　　盡可能采用V帶傳動，進(jìn)行傳動系統(tǒng)方案設(shè)計；</p><p>　　進(jìn)行帶傳動設(shè)計計算； </p><p>　?。?）密封裝置的選型設(shè)計</p>

29、<p>　?。?）選擇支座形式并計算</p><p>　　（6）手孔或人孔選型</p><p>　?。?）選擇接管、管法蘭、設(shè)備法蘭</p><p><b>　?。?）設(shè)計機(jī)架結(jié)構(gòu)</b></p><p>　?。?）設(shè)計凸緣及安裝底蓋結(jié)構(gòu)</p><p>　　（10）視鏡的選型設(shè)計<

30、;/p><p>　　對于發(fā)酵罐設(shè)計：還需要進(jìn)行消泡裝置、無菌空氣分布管設(shè)計。</p><p>　　2、繪制攪拌罐裝配圖(2號或3號圖紙)。</p><p><b>　　二、緒論</b></p><p>　　機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。它是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促進(jìn)氧的溶解，以保證供給微生物

31、生長繁殖和代謝所需的溶解氧。它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需要的功率。這種反應(yīng)器的適應(yīng)性最強(qiáng)，從牛頓型流體直到非牛頓型的發(fā)酵液，都能根據(jù)實(shí)際情況和需要，為之提供較高的傳質(zhì)速率和必要的混合速度。缺點(diǎn)是機(jī)械攪拌器的驅(qū)動功率較高。</p><p>　　機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的基本要求：</p><p>　　1.發(fā)酵罐應(yīng)該具有適宜的徑高比。</p><p>　　2.發(fā)酵罐要能

32、承受一定的壓力。</p><p>　　3.發(fā)酵罐的攪拌裝置能使氧氣和發(fā)酵液充分混合，保證發(fā)酵液必需的溶氧。</p><p>　　4.發(fā)酵罐應(yīng)該具有足夠的冷卻面積。</p><p>　　5.發(fā)酵罐內(nèi)減少死角，方便清洗，保證衛(wèi)生安全。</p><p>　　6.發(fā)酵罐的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄露。</p><p>　　7.機(jī)械

33、攪拌發(fā)酵罐被廣泛應(yīng)用于乳制品、飲料、生物工程、制藥、精細(xì)化工等行業(yè)。</p><p>　　三、進(jìn)行罐體及夾套設(shè)計計算</p><p>　　3.1罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　罐體由頂蓋、筒體和罐底組成，一般由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，材料一般為不銹鋼。頂蓋與罐底分別與筒體相連，罐底與筒體的連接采用焊接。且筒體與頂蓋的連

34、接形式分為可拆連接和不可拆連接。為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設(shè)有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝有快開人孔及清洗用的快開手孔。大型攪拌發(fā)酵罐一般情況下采用焊接連接。罐頂還裝有視鏡和燈鏡。在罐頂上的接管有進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管。在罐身上的接管有冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口。</p><p>　　3.2罐體幾何尺寸的計算</p><p>　　3．2．1

35、 確定罐體的內(nèi)徑D（公稱直徑）</p><p>　　選取發(fā)酵罐裝料系數(shù)為η=0.8。裝料量=15m3</p><p>　　則罐的發(fā)酵罐總?cè)莘e為 V=V0/ η=15/0.8=18.75m3 </p><p>　　發(fā)酵罐為立式容器,上下封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，對于發(fā)酵罐攪拌器，取高徑比為Ho/D=2.5</p><p>　　初選筒體直徑取D=2

36、000mm,查表得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的容積為=1.18m3</p><p>　　故攪拌罐的容積由上下封頭容積和筒體容積組成。</p><p><b>　　即D=</b></p><p>　　故筒體與頂蓋采用焊接方式，將計算結(jié)果圓整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取筒體內(nèi)徑D=2000mm </p><p>　　3．2．2．確定筒體的高

37、度Ho和罐體高度H</p><p>　　查閱文獻(xiàn)：當(dāng)公稱直徑DN=2000時，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度h1=500mm，直邊高度,h2=40mm總深度h=540mm,封頭容積Vb=1.18m3,表面積Fb=4.57m2</p><p>　　筒體身高Ho=5.220m</p><p>　　筒體高度圓整為5m。則實(shí)際高徑比Ho/D=5/2=2.5，與前面的假設(shè)符合。<

38、;/p><p>　　故可認(rèn)為D=2000mm是合適的</p><p><b>　　實(shí)際發(fā)酵罐體積:</b></p><p>　　罐體高度 H=H0+2h=5+2×0.54=6.08m</p><p>　　忽略攪拌器的體積，假設(shè)發(fā)酵液最高不超過筒體上端，則發(fā)酵罐內(nèi)溶液體積滿足：</p><p>

39、;　　?????式h中為筒體部分發(fā)酵液的高度，?取0.8</p><p>　　則有4.2m< H=5m 說明假設(shè)成立。</p><p>　　發(fā)酵液高度 Hf=h+ha=4.2+0.54=4.7m</p><p>　　3．2．3 確定攪拌發(fā)酵罐筒體的厚度</p><p>　　3．2．3. 1罐體選材</p><

40、p>　　對于食品工業(yè)，攪拌罐的制造材料可以選用碳鋼、不銹鋼、合金鋼，相對于其他工業(yè)來說，食品液體對鋼材的腐蝕性不大，溫度不高，壓力為低壓，故可選用16Mn鋼材, 查表16MnR鋼σb =510MPa，安全系數(shù)nb取3，則材料在設(shè)計溫度下121℃的許用應(yīng)力為[σ]T=170MPa。封頭設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。</p><p>　　3．2．3. 2攪拌發(fā)酵

41、罐筒體壁厚計算</p><p>　　根據(jù)工藝條件，筒體材料、內(nèi)壓力已確定的內(nèi)徑等參數(shù)，按薄壁內(nèi)壓容器強(qiáng)度計算公式確定筒體的設(shè)計厚度。</p><p>　　取設(shè)計壓力等于最高工作壓力的1.1倍（1.1～1.4），即1.1×0.3=0.33MPa。同時還需判斷是否需要考慮液體靜壓力。</p><p>　　裝滿物料時，筒體內(nèi)任一點(diǎn)靜壓強(qiáng) P=P0+gx，取 x

42、極限值，</p><p>　　即 x=H0+h=5+0.54=5.54m ,g 取9.8N/kg 。則筒體底部液柱靜壓強(qiáng)</p><p>　　由上述計算可見，筒體部分液柱靜壓力0.058MPa已超過設(shè)計壓力的5%，應(yīng)計如設(shè)計壓力內(nèi)，計設(shè)計壓力為p=0.33+0.058=0.388MPa</p><p>　　筒體的焊縫采用帶墊板的單面對接焊縫，局部無損傷，焊縫系數(shù)Φ=

43、0.8。</p><p><b>　　==3.14mm</b></p><p>　　根據(jù)容器最小壁厚的規(guī)定，最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕度另加。</p><p>　　由表查得鋼板厚度負(fù)偏差c1=0.16mm，腐蝕裕量取c2=2mm，</p><p>　　所以筒體的設(shè)計厚度為：</p><p>　

44、　td=t+c1+c2=3.14+0.16+2=5.3mm</p><p>　　考慮安全裕量，圓整后取筒體的名義厚度為6mm。</p><p>　　3．2．3. 3上下封頭壁厚計算</p><p>　　上下封頭為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形封頭，其壁厚按前面公式計算，對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，形狀系數(shù)K=1，所以上封頭計算厚度為：＝</p><p>　　根據(jù)容器最

45、小壁厚的規(guī)定，其最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕量另加，由結(jié)果取厚度附加量負(fù)偏差 上封頭由于外無夾套，故為單面腐蝕度所以上封頭的設(shè)計厚度為： </p><p>　　t上d=t上+C2=3+1+0.16=4.16mm。</p><p>　　為了便于制造和焊接，封頭常與筒體的厚度相同，即筒體和上封頭的厚度都為6mm</p><p>　　對于下封頭，由于靜壓在封頭底部產(chǎn)生的

46、壓力為：</p><p>　　可見，下橢圓封頭部分液柱靜壓已超過了設(shè)計壓力的5%，應(yīng)計入設(shè)計壓力內(nèi)，即下封頭的設(shè)計壓力為：</p><p>　　p=0.33＋0.058=0.388MPa</p><p>　　下封頭部分的計算厚度為：</p><p>　　根據(jù)容器最小壁厚的規(guī)定，其最小壁厚應(yīng)不小于3mm，腐蝕裕量另加，由結(jié)果取厚度附加量負(fù)偏差

47、雙面腐蝕度。則下封頭部分的設(shè)計厚度為：</p><p>　　t下d=t+C1+C2=3＋2+0.16=5.16mm</p><p>　　取與筒體一樣的厚度6mm 。</p><p>　　3．2．3. 4壓力試驗(yàn)</p><p>　　采用水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力公式為</p><p>　　其中：[σ]為實(shí)驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力

48、，MPa；</p><p>　　[σ]t為設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。</p><p>　　試驗(yàn)壓力下圓筒中的應(yīng)力為：</p><p>　　而屈服點(diǎn)強(qiáng)度＝345MPa</p><p>　　0.9 ＝0.9×345＝310.5MPa</p><p>　　可見,σ＜0.9,所以壓力試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。 </

49、p><p><b>　　3.3換熱裝置設(shè)計</b></p><p>　　3.3.1 夾套設(shè)計</p><p>　　中小型攪拌罐優(yōu)先采用夾套換熱，當(dāng)夾套傳熱面積難以滿足工藝溫度的要求時，采用內(nèi)蛇管或列管換熱，對特別大型的攪拌罐可以把采用外部夾套和內(nèi)部蛇管或列管聯(lián)合換熱。故設(shè)計采用夾套換熱。</p><p>　　3.3.2夾套幾

50、何尺寸計算</p><p>　　夾套的內(nèi)徑D2除根據(jù)工藝要求確定外，還需根據(jù)安裝和結(jié)構(gòu)要求合理確定，夾套的內(nèi)徑D2可根據(jù)筒體內(nèi)徑D1，按經(jīng)驗(yàn)選?。?yàn)算）。當(dāng)D超過3000時，則不能采用夾套換熱。</p><p>　　表為夾套內(nèi)徑D2 mm</p><p>　　3.3.2.1確定夾套的直徑和高度</p><p>　　對于筒體內(nèi)徑,夾套的內(nèi)徑&

51、lt;/p><p>　　因此2200mm，符合壓力容器公稱直徑。</p><p><b>　　估算夾套的高度為</b></p><p>　　選取夾套高度,200mm,這樣的便于筒體法蘭螺栓裝拆的。</p><p><b>　　驗(yàn)算夾套傳熱面積為</b></p><p><b

52、>　　F=</b></p><p>　　夾套傳熱面積符合設(shè)計要求。</p><p>　　3.3.2.2確定夾套的材料和壁厚</p><p>　　為便于制造，同樣選用16MnR為夾套材料，查文獻(xiàn)對板厚為4.5-16mm時得16MnR鋼σb =510MPa，安全系數(shù)nb取3，則材料在設(shè)計溫度下150℃的許用應(yīng)力為[σ]T=170MP，夾套加熱蒸汽系統(tǒng)裝

53、有安全閥。選取夾套設(shè)計壓力p=1.1，即p=0.55MPa, 夾套的焊縫采用單面對接焊縫，局部無損傷，夾套筒體與內(nèi)筒的焊接縫系數(shù)φ=0.80.取壁厚附加量中的鋼板厚度負(fù)偏差=0.2mm,單面腐蝕取腐蝕裕量=1mm</p><p>　　夾套的壁厚計算如下：</p><p>　　考慮安全裕量，選取夾套的壁厚為6mm</p><p>　　夾套封頭壁厚采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，壁

54、厚附加量取c=1.2mm</p><p>　　圓整至鋼板規(guī)格并查閱封頭標(biāo)準(zhǔn)，考慮安全裕量，選取夾套的筒體和封頭的壁厚均為6mm</p><p>　　3.3.2.3夾套壓力試驗(yàn)</p><p>　　采用水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力公式為</p><p><b>　　屈服點(diǎn)強(qiáng)度，</b></p><p>　　可

55、見壓力試驗(yàn)強(qiáng)度足夠</p><p><b>　　四、 攪拌裝置設(shè)計</b></p><p>　　攪拌裝置由攪拌器、軸及其支承組成。</p><p>　　當(dāng)攪拌器型式確定后，設(shè)計的主要內(nèi)容是確定攪拌器直徑、攪拌器與攪拌軸的連接結(jié)構(gòu)，進(jìn)行攪拌軸的強(qiáng)度設(shè)計和臨界轉(zhuǎn)速校核，選擇軸的支承結(jié)構(gòu)。</p><p>　　攪拌器直徑Dj與

56、發(fā)酵罐D(zhuǎn)1內(nèi)徑之比選取</p><p>　　4.1攪拌器的選型設(shè)計</p><p>　　典型的攪拌器有旋槳式、推進(jìn)式、渦輪式等。設(shè)計時，攪拌器形式的選擇一般根據(jù)工藝要求或由任務(wù)書給定。本設(shè)計選用直葉圓盤渦輪式攪拌器</p><p>　　攪拌器的安裝形式：中心式、偏心式、傾斜式、旁入式等，一般采用中心式。</p><p>　　渦輪式攪拌器有開啟

57、渦輪與圓盤渦輪兩種結(jié)構(gòu)型式。</p><p>　　渦輪式攪拌機(jī)的主要特點(diǎn)是：</p><p>　　①于攪拌多種物料，尤其對中等粘度液體特別有效；</p><p>　　②混合生產(chǎn)能力較高，能量消耗少，攪拌效率較高；</p><p>　?、塾休^高的局部剪切效應(yīng)；</p><p>　?、苋菀浊逑春驮靸r較高。渦輪式攪拌機(jī)常用于

58、制備低粘度的乳濁液、懸浮液和固體溶液。</p><p>　　按攪拌目的及適用條件，選用有擋板的渦輪式攪拌器。</p><p>　　渦輪式攪拌器與軸的連接是通過軸套用平鍵或螺釘固定，軸端加固定螺母。渦輪式攪拌器Dj常取內(nèi)徑的0.2-0.5.故可取系數(shù)為0.33.</p><p><b>　　,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取</b></p><p&

59、gt;　　直葉角度=30 槳葉寬度Z=6</p><p>　　攪拌器直徑=700mm 槳葉寬度b=0.2=350mm</p><p>　　槳葉長度l=0.25=175mm 槳葉厚度=0.02=35mm</p><p>　　圓盤直徑=0.

60、65=455mm 圓盤厚度=0.02=35mm</p><p>　　第一層攪拌槳距離發(fā)酵罐底C=0.8D=1600mm</p><p>　　第二層攪拌槳距離第一層攪拌槳L=2.5=1750mm</p><p>　　第二層攪拌器距離料液高度a=1.5=1050mm</p><p>　　攪拌器的安裝形式：中心

61、式</p><p>　　攪拌器的鋼材選用 Q235-B。其力學(xué)性能如下：</p><p>　　4.1.2槳葉強(qiáng)度校核</p><p>　　槳葉材料選用：Q235-B 扁鋼，槳葉數(shù)量z=6，初定槳葉厚度，按照許用彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核。</p><p><b>　　許用彎曲應(yīng)力：</b></p><p>

62、　　Q235 材料的為375MPa，故選取安全系數(shù)=3，計算得：=125MPa</p><p><b>　　槳葉強(qiáng)度計算功率：</b></p><p>　　式中：——槳葉強(qiáng)度計算功率</p><p>　　——啟動時電機(jī)的過載系數(shù)，即：最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩，查電機(jī)特性表查的</p><p>　　——傳動系統(tǒng)的機(jī)械效率，取0.

63、95</p><p>　　PT ——密封裝置摩擦損失功率，通常為P的1%（KW)</p><p>　?。?）槳葉上承受的彎矩：</p><p>　　——槳葉上液體阻力的合力作用位置，r1=350mm,r2=175mm,r3=235mm</p><p>　　——渦輪圓盤的半徑，mm</p><p><b>　　

64、（2）彎曲應(yīng)力：</b></p><p><b>　　抗彎截面模數(shù)：</b></p><p><b>　　彎曲應(yīng)力：</b></p><p>　　可見，槳葉強(qiáng)度滿足要求。</p><p>　　4.2罐內(nèi)攪拌軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　根據(jù)軸上安裝攪拌器類型、

65、支承的結(jié)構(gòu)和數(shù)量，以及與聯(lián)軸器的連接要求而定，還要考慮腐蝕等因素的影響。采用用實(shí)心直軸。渦輪式攪拌器的軸頭需車削臺肩，開鍵槽，軸端還要車螺紋。</p><p>　　較長的攪拌軸，為加工和安裝的方便，常分段制造后用聯(lián)軸器連接起來。安裝攪拌器部分稱攪拌軸，與減速器輸出軸相聯(lián)的軸稱傳動軸，與聯(lián)軸器配合的軸頭部分，按聯(lián)軸器的要求而定。</p><p>　　4.3攪拌軸計算和校核</p>

66、<p>　　攪拌軸的特點(diǎn)是細(xì)長,攪拌器安裝在軸的最遠(yuǎn)端,軸經(jīng)常受到的載荷是扭轉(zhuǎn)載荷、彎曲載荷和軸向載荷等組成的合成載荷。計算比較復(fù)雜。工程實(shí)際中常采用近似的方法進(jìn)行強(qiáng)度計算，假定軸只承受扭矩的作用，然后用增加安全系數(shù)以降低材料的許用應(yīng)力，彌補(bǔ)由于忽略彎曲載荷引起的誤差。</p><p>　　4.3.1攪拌軸功率的計算</p><p>　　對于攪拌軸的工作性質(zhì)及材料的要求，出于

67、介質(zhì)具有腐蝕性，并且工作的溫度不太高，故選軸材料為45號碳素鋼。其力學(xué)性能如下表：</p><p>　　攪拌軸的直徑可按下式估算：</p><p>　　式中：P為軸傳遞的功率，kW；</p><p>　　n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min；</p><p>　　A為隨許用剪應(yīng)力[]變化的系數(shù)；</p><p>　　[]為軸材料的

68、許用剪切應(yīng)力，MPa。</p><p>　　料液密度，料液黏度，則</p><p>　　在不通氣條件下，，即發(fā)酵液處于湍流狀態(tài)，且Ｄ/ｄ＝3，Hf/d=1,B/d=1/5, 在，全擋板條件，六直葉圓盤渦輪BC，查得k=3.4</p><p>　　不通氣條件下的軸功率P為</p><p>　　式中，K為功率特征數(shù)，p為發(fā)酵罐液體密度。</

69、p><p><b>　　因此</b></p><p>　　對于2層攪拌器的軸功率可按下式估算：</p><p>　　=30.31×(0.4+0.6×2)=48.5kw</p><p>　　在通氣條件下，汽-液分散狀態(tài)下渦輪式攪拌器的表觀氣速一般為0.025-0.04m/s,最大時可達(dá)到0.1-0.12m/

70、s,則通氣速率= A×2.5×ml/min，因?yàn)槭桥ｎD流體，所以用以下公式計算</p><p><b>　　==34.6kW</b></p><p>　　攪拌軸直徑，n為轉(zhuǎn)速（單位為轉(zhuǎn)/分），系數(shù)A可以取107-118，取A=112已知P=54.38kW，n=220 ，則得，考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱、物料對軸的腐蝕和由攪拌器參數(shù)表確定的攪拌軸直徑，

71、取攪拌軸的直徑d=65mm</p><p>　　4.3.2攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核</p><p>　　由于轉(zhuǎn)速＝220r/min,因此需要做攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核。</p><p>　　當(dāng)軸上裝有2層且經(jīng)過很好平衡的攪拌器，其一階臨界轉(zhuǎn)速的近似計算式為</p><p>　　E為軸材料的彈性模量，2.1MPa　　 </p&

72、gt;<p>　　I為軸的慣性距，I=1/64（）, </p><p><b>　　d為軸徑，65mm</b></p><p>　　為軸和攪拌器的等效重量載荷，N</p><p>　　==3827+3827+0.24942.76=4430N</p><p>　　為各層攪拌器重

73、，390.59.8=3827N </p><p>　　為外伸端軸重量載荷，攪拌軸有效質(zhì)量的計算</p><p>　　剛性軸（不包括帶錨式和框式攪拌器的剛性軸）有效質(zhì)量的計算等于軸自身的重量加上軸附帶的液體的質(zhì)量。其中選用實(shí)心軸內(nèi)外徑的比值=1</p><p><b>　　對單跨軸：</b></p><p>　　故=96

74、.29.8=942.76N</p><p>　　為各層攪拌器外伸端長度，=40d=3.25m =1.5m </p><p>　　B為兩支點(diǎn)間距離，B=0.8m</p><p><b>　　295m/s</b></p><p>　　則可得 對于液-液混合，由下表可知</p><p><b&

75、gt;　　其抗振條件為0.7</b></p><p>　　n(0.75-0.8) 符合要求，采用剛性軸，</p><p><b>　　因此，設(shè)計符合要求</b></p><p>　　4.3.3按扭矩計算軸的強(qiáng)度校核</p><p><b>　　式中：</b></p>&

76、lt;p>　　?—— 截面上最大剪切應(yīng)力，MPa；</p><p>　　——軸傳遞的扭矩，Nm；</p><p>　　——抗扭斷面系數(shù)， 3 m ；</p><p>　　[] ——降低后的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力，MPa。攪拌軸材料采用45鋼，則[]=30-40</p><p>　　4.4選擇攪拌軸軸承、聯(lián)軸器</p><p&

77、gt;　　攪拌軸的支撐常采用滾動軸承。攪拌軸的滾動軸承選型通常根據(jù)轉(zhuǎn)速、載荷的大小及軸徑d選擇，高轉(zhuǎn)速、輕載荷可選用角接觸球軸承；低速、重載荷可選用圓錐滾子軸承。本設(shè)計用角接觸球軸承。</p><p>　　4.4.1攪拌器支承尺寸及底軸承</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)軸的懸臂L1、軸徑d和兩軸承間距B應(yīng)滿足系列關(guān)系：</p><p>　　根據(jù)d=80mm得：<

78、/p><p>　　取L1=3250mm,則B=800mm</p><p>　　由于攪拌軸較長，故在底部增加一個底軸承。</p><p>　　根據(jù)軸徑65mm在文獻(xiàn)選取。其示意圖見圖，參數(shù)見表。.</p><p>　　五、傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算</p><p>　　攪拌罐的攪拌器由傳動裝置來帶動，傳動裝置通常設(shè)置在頂封頭的上部，

79、傳動裝置設(shè)計內(nèi)容一般包括：電機(jī)、減速器的計算與選型；聯(lián)軸器選型；選用和設(shè)計機(jī)架和底座等。</p><p>　　5.1電機(jī)、減速器的計算與選型</p><p>　　5.1.1電機(jī)功率的計算與選型</p><p>　　根據(jù)攪拌功率選用電動機(jī)時，應(yīng)考慮傳動裝置的機(jī)械效率。</p><p><b>　?。瓟嚢栎S功率</b><

80、;/p><p>　?。S封摩擦損失功率，一般為</p><p><b>　　η－傳動機(jī)構(gòu)效率</b></p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)需要選擇三角皮帶電機(jī)。三角皮帶的效率是 0.95，滾動軸承的效率是 0.99，滑動軸承的效率是0.98，端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的 1%，則電機(jī)的功率 ×（1+1%）</p><p&

81、gt;<b>　　=37.92kW</b></p><p>　　選型號為：Y280M-8-B3,B3型安裝，功率為45KW，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速750r/min，滿載轉(zhuǎn)速740r/min.</p><p>　　5.1.2減速器的計算與選型</p><p>　　減速裝置的類型主要有：兩級齒輪傳動減速器、三角皮帶減速器、擺線針齒行星減速器、蝸桿傳動減速器和

82、諧波減速器，本設(shè)計選擇三角皮帶減速器。普通Ｖ形帶無接頭，傳動平穩(wěn)，應(yīng)用最廣泛。通常V形帶用于功率小于100kW、帶速5～30m/s、傳動比i≤7(少數(shù)可達(dá)10)、傳動比要求不十分準(zhǔn)確的中小功率傳動。</p><p>　　帶傳動設(shè)計計算的主要內(nèi)容有：確定帶的型號、根數(shù)、長度、帶輪直徑、中心距及帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸等。</p><p>　　電機(jī)為8級電機(jī) Y280M-8電機(jī) 額定功率45kw<

83、/p><p>　　小皮帶輪轉(zhuǎn)速為n1=740r/min</p><p>　　大皮帶輪轉(zhuǎn)速為n2=220 r/min</p><p>　　工況系數(shù)KA=1.3 滑動率 ε=0.02</p><p><b>　　則：設(shè)計功率</b></p><p>　　kw 選擇V帶型號為D型</p>

84、<p><b>　　速度比</b></p><p><b>　　設(shè)：小皮帶直徑</b></p><p><b>　　預(yù)算帶速 </b></p><p>　　一般普通V帶 ，所以符合要求</p><p><b>　　大皮帶輪計算直徑</b>&l

85、t;/p><p><b>　　圓整，取</b></p><p>　　初定中心距a0 </p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　帶的基準(zhǔn)長度：</b></p><p><b>　　圓整取</b></

86、p><p><b>　　確定中心距</b></p><p>　　小皮帶輪包角符合要求</p><p>　　單根V帶傳遞功率的增量：</p><p>　　Kb 彎曲影響系數(shù)，查表可知：D型帶的Kb=14.24kw</p><p>　　K1傳動比系數(shù)，當(dāng)i＞2.95時 Ki=1.14kw</p>

87、;<p>　　單根V帶額定功率，P1=5.84kw</p><p>　　包角修正系數(shù)=0.92</p><p>　　帶長修正系數(shù)=0.93</p><p><b>　　V帶根數(shù)：</b></p><p>　　V帶根數(shù)Z=4根，且z<10，符合要求。</p><p><b

88、>　　5.2聯(lián)軸器選型</b></p><p>　　5.2.1傳動軸聯(lián)軸器</p><p>　　電機(jī)與減速器輸出軸及傳動軸與攪拌軸之間的連接，都是通過聯(lián)軸器連接的。</p><p>　　考慮到發(fā)酵罐中中軸的載荷平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，且聯(lián)軸器的安裝能保證被兩軸線相對偏移極小，選用剛性凸緣聯(lián)軸器。本次軸的使用是在攪拌軸分段間的使用，根據(jù)軸徑d=65mm，查閱

89、文獻(xiàn)，選取相應(yīng)凸緣聯(lián)軸器，其示意圖見圖，參數(shù)見表</p><p><b>　　凸緣聯(lián)軸器</b></p><p>　　5.3選用和設(shè)計機(jī)架結(jié)構(gòu)</p><p>　　機(jī)架是安放加速器用的，它與減速器底座尺寸相匹配。V帶減速器自帶機(jī)架，選用其他類型標(biāo)準(zhǔn)釜用減速器按標(biāo)準(zhǔn)選配機(jī)架。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架有無支點(diǎn)機(jī)架、單支點(diǎn)機(jī)架和雙支點(diǎn)機(jī)架。</p>&

90、lt;p>　　不同的機(jī)架用于不同的減速傳動系統(tǒng)，已知傳動軸軸徑為d=65mm、攪拌容器公稱直徑為DN2000m，查閱文獻(xiàn)，得機(jī)架公稱直徑DN為400mm，由V帶減速器的尺寸決定機(jī)架型號為WJ65其示意圖如圖所示，其性能參數(shù)見表。</p><p>　　5.4設(shè)計凸緣及安裝底蓋結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　5.4.1凸緣法蘭</b></p><

91、;p>　　凸緣法蘭一般焊接于發(fā)酵罐上封頭上，用于連接攪拌傳動裝置，也可兼作安裝、檢修、檢查用孔。凸緣法蘭分整體和襯里兩種結(jié)構(gòu)形式，密封面分為凸面（R）和凹面（M）兩種，根據(jù)機(jī)架選擇凸緣法蘭。</p><p>　　機(jī)架和凸緣法蘭的公稱直徑相等，查閱文獻(xiàn)，選擇公稱直徑DN400凸緣法蘭，示意圖如圖，性能參數(shù)見表。</p><p><b>　　凸緣法蘭</b><

92、/p><p>　　5.4.2安裝底蓋結(jié)構(gòu)</p><p>　　安裝底蓋采用螺栓等緊固件，上與機(jī)架相連，下與凸緣法蘭連接，是整個攪拌傳動裝置與容器連接的主要連接件。</p><p>　　安裝底蓋的公稱直徑與凸緣法蘭的公稱直徑相同。已知傳動軸軸徑為d=65mm攪拌容器公稱直徑為DN2200m，查閱文獻(xiàn)，得安裝底蓋公稱直徑DN為400mm，選擇RS型安裝底蓋，其示意圖如圖所示

93、，其性能參數(shù)見表。</p><p>　　六、 密封裝置的選型設(shè)計</p><p>　　軸封是食品加工用攪拌罐的一個重要組成部分，其任務(wù)是保證潤滑介質(zhì)不會泄露到食品原料中。密封裝置有填料函密封和機(jī)械密封，一般采用機(jī)械密封。機(jī)械密封分為平衡型和非平衡型兩大類，常用的機(jī)械密封裝置已有標(biāo)準(zhǔn)系列，可根據(jù)軸徑等要求直接選用。</p><p>　　軸封的目的是避免介質(zhì)通過轉(zhuǎn)軸從攪

94、拌容器泄漏或外部雜質(zhì)滲入攪拌器內(nèi)。</p><p>　　機(jī)械密封是把轉(zhuǎn)軸的密封面從軸向改為徑向，通過動環(huán)和靜環(huán)兩個端面的相互貼合，并做相對運(yùn)動達(dá)到密封的裝置，又稱端面密封。機(jī)械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用壽命長，在攪拌反應(yīng)器中得到廣泛的應(yīng)用。故選機(jī)械密封。</p><p>　　6.1機(jī)械密封的選取</p><p>　　機(jī)械密封的選取中單面密封結(jié)構(gòu)簡單，

95、制造容易，維修方便，應(yīng)用廣泛，用于介質(zhì)本身潤滑性好和允許有微量泄漏的場合，是較常用的機(jī)械密封形式。</p><p>　　適用條件;設(shè)計壓力不大于0.5Pa,設(shè)計溫度-20-150</p><p>　　由上分析，選用單端面平衡型機(jī)械密封202型，如圖</p><p>　　七、發(fā)酵罐的其他附件</p><p>　　7.1選擇支座形式并計算<

96、/p><p>　　發(fā)酵設(shè)備常用支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式支座又分為支腿，圈型支座，鞍型支座三種。立式支座也分為三種即：懸掛支座，支撐式和裙式支座。</p><p>　　攪拌罐一般為立式安裝，型式有耳座、支承式支座 、裙式支座（多用于塔設(shè)備）等。最常用的支座為耳式支座（JB/T4725-29），分為A型和B型兩種。當(dāng)設(shè)備需要保溫或直接支承在樓板上時，選B型，否則選A型，故本設(shè)計選A型。

97、耳式支座的形式及尺寸見圖所示。</p><p><b>　　圖 A型支座</b></p><p><b>　　7.2人孔選型</b></p><p>　　人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。</p><p>　　因?yàn)樵O(shè)備的直徑大于900mm，所以選擇開設(shè)人孔。其中圓形人孔制造比較方

98、便，所以選擇圓形人孔。根據(jù)的筒體內(nèi)設(shè)計的公稱壓力PN小于1MPa，人孔選用公稱直徑為400mm。（容器直徑3000>2400</p><p>　　技術(shù)要求:人孔的技術(shù)要求應(yīng)符合HG21517-95中“技術(shù)條件”的規(guī)定。</p><p>　　公稱壓力PN1.0，公稱直徑400，H1=220采用RF型密封面，A型蓋軸耳，VII類材料，其中墊片采用石棉橡膠板墊的回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔，其規(guī)

99、定標(biāo)記符號為：人孔RF VII（A?G）A 400－1.0 HG21517-95</p><p>　　7.3視鏡的選型設(shè)計</p><p>　　視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。</p><p>　　本次設(shè)計設(shè)置了2個視鏡，標(biāo)準(zhǔn)號HG21505－1992，直徑為DN=100mm，開在頂封頭上，位于右邊軸線離中心軸500mm處，與人孔位于同一水平線上。</p&g

100、t;<p>　　7.4無菌空氣分布管設(shè)計</p><p>　　菌空氣分布管采用空氣分布裝置，其作用是吹入無菌空氣，使空氣分布均勻。采用單管裝置，單管裝置簡單實(shí)用，單次通入量大。</p><p><b>　　計算空氣流量：</b></p><p>　　在通氣條件下，汽-液分散狀態(tài)下渦輪式攪拌器的表觀氣速一般為0.025-0.04m/

101、s,最大時可達(dá)到0.1-0.12m/s,則通氣速率= A×2.5×ml/min </p><p>　　7.5消泡裝置的設(shè)計</p><p>　　常用的機(jī)械消泡裝置分為罐內(nèi)消泡裝置和罐外消泡裝置。本設(shè)計是設(shè)計一個攪拌發(fā)酵罐選用罐內(nèi)消泡裝置。</p><p>　　最簡單的是在攪拌軸上加上一個消泡漿，通過轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的剪切力打碎泡沫，也有利用泡沫旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的

102、離心力破泡的形式。裝置結(jié)構(gòu)主要有耙式，旋轉(zhuǎn)圓板式，沖擊反射式等。</p><p><b>　　常用消泡裝置介紹：</b></p><p>　　耙式消泡槳，固定在攪拌軸上，安裝在液面略上部位，隨攪拌軸一起轉(zhuǎn)動，利用耙齒將泡沫打碎，消泡效果有限，輔助消泡，與消泡劑配合使用。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)圓板式消泡裝置，在發(fā)酵罐內(nèi)的氣相中，與發(fā)酵液面保持

103、平行。圓板旋轉(zhuǎn)的同時將槽內(nèi)發(fā)酵液注入圓板的中央，通過離心力將破碎成微小泡沫散向槽壁，達(dá)到消泡的目的。但需要動力裝置，本著節(jié)約能量的原則本設(shè)計不選用此種消泡裝置。</p><p>　　變徑孔式消泡槳，消泡槳安裝在發(fā)酵液液面略上的攪拌軸上，依靠原來電機(jī)提供動力，變徑孔氏消泡槳主要是依靠泡沫通過變徑時所產(chǎn)生的壓力變化以及轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的剪切力來消除泡沫。此種消泡裝置節(jié)省能源，消泡效果較好，適用于本次所設(shè)計的裝置。<

104、/p><p><b>　　變徑孔式消泡槳</b></p><p>　　其中消泡裝置的軸徑與攪拌軸d一樣為90mm。安裝在發(fā)酵液液面略上。為能適應(yīng)攪拌壓力選擇與攪拌軸一樣的材料制作。</p><p><b>　　7.6液面計的選擇</b></p><p>　　液面計是用來觀察設(shè)備內(nèi)部液面位置的裝置。常見的

105、液面計有板式液面計、玻璃管液面計、浮子式液面計、和磁性液面計4種類型，尤其以玻璃管液面計最為常用。液面計結(jié)構(gòu)有多種型式，其中部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，最常用的是玻璃管液面計、玻璃板液面計等。</p><p>　　其中玻璃板液位計具有讀書清析、直觀、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、經(jīng)久耐用的特點(diǎn)，所以本次設(shè)計選用玻璃板液面計。其中T型液面計適用于公稱壓力2.5及6.3的情況，R型適用于公稱壓力4.0的情況，S型適用于常壓及公稱壓力

106、為0.6的情況。所以本次選用S型S0.6-ⅢQ由碳鋼Ⅲ制成的玻璃板式液面計。</p><p><b>　　7.7計算總載荷</b></p><p>　?。?）求總料液的重量</p><p><b>　?。?）設(shè)備總重量</b></p><p>　　① 罐體重量將為罐體近似為圓柱體公稱直徑D＝2000

107、mm，厚度為d＝6mm,</p><p>　　高度H＝5000mm,16Mn鋼密度為重力加速度g=9.8N/kg</p><p>　?、趭A套重量和冷凝水重量</p><p>　　夾套的高度，厚度，夾套的外徑 </p><p>　　16Mn鋼密度為， 冷凝水密度</p><p>　?、燮湓O(shè)備的

108、重量較小均可忽略</p><p><b>　?、芸傊亓康挠嬎?lt;/b></p><p>　　八、選擇接管、管法蘭、設(shè)備法蘭</p><p>　　用于攪拌罐的法蘭有容器法蘭和管法蘭。壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭兩類。一般罐徑小于2000攪拌罐的封頭與罐體可以采用容器法蘭連接，當(dāng)罐徑大于2000時，則不能采用法蘭連接。故本設(shè)計選用鋼制管法蘭連接&

109、lt;/p><p>　　法蘭公稱壓力的確定，與法蘭的最大操作壓力（即工作壓力）與操作溫度以及法蘭材料有關(guān)</p><p>　　接管與管法蘭是用來與管道或其他設(shè)備連接的。標(biāo)準(zhǔn)管法蘭的主要參數(shù)是管材公稱直徑（DN）和公稱壓力（PN）。接管的伸出長度一般為從法蘭密封面到殼體外徑為150mm。</p><p>　　確定根據(jù)管徑確定管法蘭材料、公稱壓力、主要尺寸及連接螺栓規(guī)格、數(shù)

110、量、尺寸等。 </p><p>　　8.1管道接口（采用法蘭接口）</p><p>　　進(jìn)料口：φ50×3.5采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97），接口直徑，大約人孔與視鏡中間。角度垂直。</p><p>　　出料口：φ80×4.5采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97），接口直徑，開在罐底中間

111、通風(fēng)管旁。</p><p>　　蒸進(jìn)氣口：φ30×3.0，開在封頭上，角度與水平線夾角45度</p><p>　　蒸排氣口：φ30×3.0 ，開在封頭上進(jìn)氣口以封頭很人孔中心連線為對稱軸的對稱位置上，角度與水平線夾角45度。</p><p>　　冷凝液進(jìn)、出口：采用法蘭接口，法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97）接口直徑 φ57&#

112、215;2.5，角度與水平線夾角45度。</p><p><b>　　8.2儀表接口</b></p><p>　　溫度計；裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，D＝70mm，開在罐身上；</p><p>　　法蘭型號：管式平焊鋼制管型（HG20593-97）</p><p>　　據(jù)HG20593-1997法蘭選用PN0.6

113、板式平焊鋼制管法蘭</p><p><b>　　8.3擋板</b></p><p>　　擋板寬度：B=0.1D=200mm，裝設(shè)4-6個即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加 所謂“全擋板條件” 罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。 罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板 條件必須滿足下式要求：</p><p>　　式中，B-擋

114、板寬度，mm；D-罐內(nèi)徑，mm；n-擋板數(shù)</p><p>　　根據(jù)下式計算擋板數(shù)n由此可得n=4</p><p><b>　　九、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]、陳志平,章序文,林興華等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊.化學(xué)工業(yè)出版社,2004</p><p>　　[2]、鄭津洋主編 過程設(shè)備設(shè)計 第三版.化

115、學(xué)工業(yè)出版社,2010.6</p><p>　　[3]、GB150-1998鋼制壓力容器</p><p>　　[4]、化工設(shè)備設(shè)計全書編輯委員會編寫 化工設(shè)備設(shè)計全書.攪拌設(shè)備設(shè)計，1983</p><p>　　[5]、蔡紀(jì)寧，張秋翔編 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ).課程設(shè)計指導(dǎo)書.化學(xué)工業(yè)出版社，2000.6</p><p>　　[6]、朱恩明，湯善甫