课程设计夹套发酵罐的设计.doc

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
学生姓名 付永生
指导教师 崔政伟 专家
石秀东 副专家

目录
一、 课程设计的目的和规定---------------------------------3
二、 课程设计的学时和学分---------------------------------3
三、 课程设计的重要内容
1.夹套好氧发酵罐设计---------------------------------3
2. 重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--------------------------------------5
1.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-----------------------------------------6
2. 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------------------------------8
3. 联轴器的选取-----------9
4. 轴承3的选取及其轴承寿命的核算--------------------9
5. 密封装置的选取-----------------------------------10
6. 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---------------------------------12
7. 搅拌轴的临界转速------------------------13
（二）设备本体的设计------------------------------------13
1. 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）罐体压力实验时应力校核及容积验算---------------18
2. 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. 课程设计的目的和规定
目的：通过开设本课程设计，可使学生全面综合应用机械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
规定：全面结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.课程设计的重要内容
1.夹套好氧发酵罐设计

设计参数及规定

容器内
夹套内
工作压力/MPa
0.15
0.12
设计压力/ MPa
0.18
0.15
工作温度/℃
50-70℃
20℃
设计温度/℃
110℃
80℃
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 /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 KW
1.5-2.2 KW
0.75-1.1 KW
搅拌器的转速
50~60 r/min
60~80 r/min
100 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
C1\c2

视镜
d

温度计接口
e

pH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. 重要设备的工艺设计计算
搅拌反映器重要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三部分组成。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。它是盛放反映物料和提供传热量的部件。
搅拌设备设计涉及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
传动装置涉及电动机，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)/ η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η1=0.95，
轴承的传动效率为η2=0.99，
可求得组合装置的传动效率为
。
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)/ η=（2+0.2）/0 .875=2.514kw。
查表机械手册表12-1，选取电机的尺寸如下：
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。
立式减速器重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。在此通过计算选用齿轮减速器，其重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、制导致本低、结构简朴、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，可用于有防爆规定的场合，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=60~80 r/min，取n=80,则传动比为710/80=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，，，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：
①电动机或减速机具有两个支点，并经核算确认轴承可以承受由搅拌轴传递而带来的径向和轴向载荷者；
②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。
无支点机架一般仅合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：
①电动机或减速机有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；
②搅拌容器内设立底轴承，作为一个支点；
③轴封本体设有可以作为支点的轴承；
④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，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
搅拌轴的设计涉及材料的选用、结构拟定、支承条件拟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，当介质有腐蚀等规定期，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的搅拌器类型、支承的结构和数量以及与联轴器的连接规定而定，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

查表7—6，30MPa
得=34.36mm
b. 轴的刚度计算，按扭转角计算扭转的刚度
实心轴直径

对于合金钢
一般传动和搅拌轴取
得

综上所述，取d=40mm。

3. 联轴器的选取
联轴器的选择：
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。
查机械设计课程设计手册表8-2 凸缘联轴器，其重要尺寸如下：
标准符号
孔径
公称转矩/Nm
重要尺寸(mm)
质量kg
转动惯量/（kg.m2）
D
D1
b
b1
s
GY6
40/45
900
140
80
40
56
8
7.59
0.015

4. 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在一定的正压力的真空状态以及防止反映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，轴封的对象重要为气体；并且搅拌设备由于反映工况复杂，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，设计时要根据规定选用。
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。因其结构简朴，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：
①当填料箱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；
②当填料无冷却，润滑时，转轴线速度不应超过1m/s;
③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；
④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立储油杯；
填料箱一般可不设支承套，应将搅拌轴的支承设立在机架上。
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。重要用于腐蚀，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（静环装于釜口法兰外恻），小弹簧（补偿机构中具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K≥1）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。
①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；
②为防止密封面干摩擦，对单端面机械密封，应采用润滑措施；
③当采用双端面机械密封时，应采用密封液系统，向密封端面提供密封液，用于冷却，润滑密封端面；
④必要时，应对润滑液，密封液进行过滤；
⑤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。因其结构简朴，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
搅拌器的型式重要有：桨式、推动式、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，可使物料充足混合，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，重要用于流体的循环，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，促进流体的上下互换，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毕所有的搅拌操作，解决介质黏度范围广，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，合用于低粘度到中档黏度液体的混合，液夜分散，固液悬浮，以及良好的传热，，传质和化学反映。
c.框式和锚式搅拌器
框式和锚式搅拌器合用于椭圆或碟形下封头的釜体或锥形封头的釜体。反映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。
其搅拌效果并不抱负，只适于混合规定不太高的场合，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.推动式搅拌器
推动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，重要为了使发酵液充足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，增长气液接触面积，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，
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
搅拌器距容器底的高度为125mm，两层搅拌器之间的距离为300mm。
则桨式搅拌器的重要尺寸可由表4-5选取，起重要尺寸选取如下：（mm）
Di
d
螺栓
螺钉
δ
B
C
m
f
e
质量 kg
d0
数量
d1
数量
400
45
M12
2
M12
2
12
50
140
100
_
3
3.38

7. 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
①筒体内径
一般有工艺条件给定容积V、筒体内径Di 估算：式中i为长径比，即：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
，每米高的表面积
②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25mm,曲面深度100mm，内表面积
，容积.
③拟定筒体高度
发酵罐容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度按式
。
圆整后，取圆筒高度为710mm。
当筒体高度拟定后，应圆整后的筒体高.
修正实际容积则

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，η=操作容积/全容积=0.75，
夹套高按式
,
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
，容积.

综上所述，圆筒和夹套的尺寸如下：

直径(mm)
高度（mm）
筒体
400
710
夹套
450
510

（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℃（容器内），设计压力= 0.18MPa（容器内），
℃（夹套内），= 0.15MPa（夹套内）。
罐体液柱静压力

<=0.18x5%=0.009MPa
罐体计算压力：

夹套内介质为水，故其液柱静压力：

<=1.5Mx5%=0.0075MPa，
则夹套的计算压力为

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,
80℃下的许用应力为为，
① 按内压设计
筒体的计算厚度：

夹套的计算厚度：

筒体封头计算厚度：

夹套封头计算厚度：

取钢板厚度负偏差，腐蚀情况为无，腐蚀余量，
则
，
所以，
筒体设计厚度：低碳钢容器取最小厚度为3mm

夹套的设计厚度：

筒体封头设计厚度：

夹套封头设计厚度：

圆整后选取：
筒体名义厚度=6mm
夹套名义厚度=6mm
筒体封头名义厚度=4mm
夹套封头名义厚度=4mm
② 按外压进行稳定性校核
取圆筒厚度
=6-0.8=5.2mm,

查过程设备设计图4-6，取A=0.0012，查图4-8，取

0.18MPa<[p]/3=0.64MPa
因此，圆筒的稳定性符合规定。
取椭圆封头厚度
=6-0.8=5.2mm，
=400+12=412mm,
取=0.9,

查图4-8，,因此有

0.15Mpa<[P]/14.52=0.216Mpa
所以椭圆封头稳定性校核满足规定。
（3）罐体压力实验时应力校核及容积验算

按水压实验来计算
① 容器
内压容器：

外压容器：

采用大值进行计算，
=6-0.8=5.2mm，

因此，容器厚度满足水压实验规定
②夹套

=4-0.8=3.2mm，

因此夹套厚度满足水压实验规定
综上所诉，水压实验安全。
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。标准管法兰的重要参数是公称通径（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，当考虑设备保温等规定期，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，法兰密封面形式重要有突面（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重要尺寸，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，选用外径为19，内壁为2的钢管。
视镜重要用来观测设备内物料及其反映情况，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。
出料管结构设计重要从物料易放尽，阻力小和不易堵塞等因素考虑。此外还
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DN50，法兰外径D=150,螺栓孔中心圆直径K=120.5mm，螺栓孔径L=18mm，螺栓数量n=4，螺纹M16，密封面d=92,f=2，法兰厚度C=16,法兰径N=78。
法兰盖：
公称通径DN=50，法兰外径D=165,螺栓孔中心圆直径K=125mm，螺栓孔径L=18mm，螺栓数量n=4，螺纹M16，密封面d=99,f=2，法兰厚度C=20。
c. 开孔及开孔补强
由于开口，接管直径均小于89mm,因此只要接管的最小厚度满足过程设备设计表4-15，就不需另行补强。
（3）人孔及手孔
手孔和人孔的设立是为了安装，拆卸，清洗和检修设备内部的装置。 手孔直径一般为150-250mm应使工人带上手套并握有工具的手能方便的通过。当设备的直径大于900mm时，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆两种。 圆形人孔制造方便，应用较为广泛。人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于发酵罐而言，还要考虑搅拌器的尺寸，以便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。
本发酵罐因筒体安装处有法兰，因此不需设立手孔和人孔。
（4）传热部件的计算
夹套高度高于页面高度，次为重要传热部件。
（5）挡板、中间支承、扶梯的选取
挡板是为了改变罐体内液，固体的混合不均，其高度应与夹套相差不远。挡板宽度应为容器直径的1/12-1/10，此处选用4块挡板，其尺寸为40×600×6。支撑焊接在挡板和容器内壁是为了固定挡板用，选用50×20×5。由于容器高度不大，因此不需要扶梯。
（6） 设备支座设计
由容器内径400mm，选用4个A1耳式支座进行，材料为Q235不锈钢，尺寸如下：
支座本体允许载荷10KN，高度H=125mm，底板l1=100mm，b1=60mm，
δ1=6mm，S1=30mm，垫板l3=160mm，b3=125mm，δ3=6mm，e=20mm，
A型筋板l2=80mm，b2=70mm，δ2=4mm，地脚螺栓用24-M20。
A型盖板b4=30mm，质量m=1.7Kg。

参考文献
（1） 蔡纪宁，张莉彦，化工设备机械基础课程设计指导书（第二版），化学工业出版社
（2） 董大勤， 化工设备机械基础，化学工业出版社
（3） 郑津洋，董其伍，过程设备设计（第三版），化学工业出版社
（4） 方书起，化工设备课程设计指导，化学工业出版社
（5） 材料与零部件，上海人民出版社
（6） 搅拌设备设计，化学工业出版社
（7） 吴宗泽，罗圣国，机械设计课程设计手册，高等教育出版社