攪拌罐的設(shè)計(jì)

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1、* XUCHANG UNIVERSITY 化工設(shè)備課程設(shè)計(jì) 8m3夾套攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計(jì) 院 系 化學(xué)化工學(xué)院 專 業(yè) 09級(jí)化學(xué)工程與工藝 班 級(jí) 2班 學(xué) 號(hào) 學(xué)生 姓名 聯(lián)系 方式 指導(dǎo)教師 職稱 2012年6月 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的課程設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下取得的研究成 果。除了文中特別加以注釋和致謝的地方外， 設(shè)計(jì)中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫的研究成果。與本研究成果相關(guān)的所有人所做出的任何貢獻(xiàn)均已在設(shè)計(jì)中作了 明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名： 年_月_日 授權(quán)聲明 本人完

2、全了解許昌學(xué)院有關(guān)保留、使用本科生課程設(shè)計(jì)的規(guī)定，即：有權(quán)保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)的復(fù)印件和磁盤，允許設(shè)計(jì)被查閱和借閱。 本人授權(quán)許昌學(xué)院可以將設(shè)計(jì)的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 可以 采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編設(shè)計(jì)。 本人設(shè)計(jì)中有原創(chuàng)性數(shù)據(jù)需要保密的部分：無(wú)。 簽名： 年—月—日 指導(dǎo)教師簽名： 年—月—日 本設(shè)計(jì)是關(guān)于容積為 8m3的夾套攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)，立式結(jié)構(gòu)，攪拌速度 n=120r/min,容器內(nèi)：發(fā)酵醪溶液；筒體材質(zhì)：0Cr18Ni9，筒體高徑比為2.1， 厚度是12mm夾套筒體材質(zhì)為Q235B內(nèi)徑1900mm厚度為10m

3、m傳熱面積15.8 點(diǎn)；選用六直葉圓盤渦輪式攪拌器，3層，攪拌功率11.95kW 封頭是公稱直徑 DN為1800mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，厚度為8mm電動(dòng)機(jī)選用YB2-200L1-2-15kW;減速 器選用擺線針齒行星裝置 XL-15/120 I，與電動(dòng)機(jī)直徑相連，軸封選用機(jī)械密封； 中間軸承選用SL80-2000T1;支座為4個(gè)A5耳式支座。 關(guān)鍵詞：夾套攪拌發(fā)酵罐；高徑比；筒體；攪拌器；電動(dòng)機(jī)；減速機(jī)；支座 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 1 1. 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)介紹 1 2. 攪拌容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 2.1確定發(fā)酵罐的幾何形狀 1 2.2夾套幾何尺寸計(jì)算 2 2.3攪拌器的幾何尺寸 2

4、2.4接管 2 2.5擋板 2 2.6人孔 2 2.7視鏡 2 2.8支座 2 3攪拌設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算 3 3.1筒體強(qiáng)度計(jì)算 3 3.2夾套強(qiáng)度計(jì)算 3 3.3封頭強(qiáng)度計(jì)算 3 3.4攪拌功率計(jì)算 3 3.5電動(dòng)機(jī)額定功率的確定 4 3.6攪拌器強(qiáng)度設(shè)計(jì) 4 3.7攪拌軸設(shè)計(jì) 5 3.8傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 5 3.9支座 6 3.9.1支座承受的實(shí)際載荷 Q 6 3.9.2計(jì)算支座處圓筒所受的支座彎矩 M l 7 3.10開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 7 設(shè)計(jì)小結(jié) 8 參考文獻(xiàn) 9 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 已知攪拌發(fā)酵罐的工藝條件如下。容積8m3

5、,立式結(jié)構(gòu)，攪拌速度n=60r/min, 要求物料分散均勻；容器內(nèi)：發(fā)酵醪溶液， 尸0.092 Pa- s, p=1050kg/m3；夾套： 冷卻水；容器內(nèi)操作條件：工作壓力：常壓（短時(shí)蒸汽消毒 0.1MPa）;工作溫度 35C,（短時(shí)121C）；夾套內(nèi)冷卻水壓力為0.2 MPa （表）;冷卻水進(jìn)口溫度25C, 出口溫度30E ;夾套高度取筒體高度的75%~85%;筒體材質(zhì)：0Cr18Ni9;裝料 系數(shù)忻0.85。 設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)出攪拌容器結(jié)構(gòu)，包括罐體幾何形狀、夾套、攪拌器、接管、 擋板、人孔、視鏡、支座的計(jì)算和設(shè)計(jì)；進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，包括筒體、夾套、封頭、 攪拌功率、電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算及設(shè)計(jì)及攪

6、拌軸設(shè)計(jì)、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、支座；繪制夾 套攪拌發(fā)酵罐的工程圖樣。 1. 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)介紹 機(jī)械攪拌設(shè)備主要用于物料的混合、傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)等過(guò)程。一般來(lái)講， 攪拌反應(yīng)釜主要是由反應(yīng)釜、攪拌裝置、傳動(dòng)裝置和軸封等組成。反應(yīng)釜包括釜 體和傳熱裝置，它是提供反應(yīng)空間和反應(yīng)條件的部件， 如蛇管、夾套和端蓋工藝 接管等。攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成， 靠攪拌軸傳遞動(dòng)力，由攪拌器達(dá)到攪 拌目的。傳動(dòng)裝置包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)及機(jī)座、聯(lián)軸器和底座等附件，它為攪拌 器提供攪拌動(dòng)力和相應(yīng)的條件。軸封為反應(yīng)釜攪拌軸之間的密封裝置，以封住釜 體內(nèi)的流體不致泄露。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速機(jī)帶動(dòng)攪拌軸及安裝在軸上的攪

7、拌器 攪拌反應(yīng)釜的操作目的主要表現(xiàn)為：（1）使不互溶液體混合均勻，制備均勻混 合液、乳化液，強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程；（2）使氣體在液體中充分分散，強(qiáng)化傳質(zhì)或化學(xué) 反應(yīng)；（3）制備均勻懸浮液，促使固體加速溶解、浸取或液 -固化學(xué)反應(yīng)；（4）強(qiáng) 化傳熱，防止局部過(guò)熱或過(guò)冷。 2. 攪拌容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1確定發(fā)酵罐的幾何形狀 根據(jù)表7-1,選發(fā)酵罐的高徑比為2.1，兩端采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，則圓筒體內(nèi)徑 Di=3 4V =3 4 8 =1.69 m \ni Y"2.1 圓整發(fā)酵罐的內(nèi)徑為Di=1.8m 查JB/T 4746-2002標(biāo)準(zhǔn)可知公稱直徑 DN1800mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的容積 Vd=

8、0.826m3 則筒體的高度 H=Di X i=1.8X 2.1=3.8 m 核算高徑比i和容積V,都符合要求。 2.2夾套幾何尺寸計(jì)算 夾套內(nèi)徑取 D2i= 1900mm⑴，則夾套高度 H2=0.75H=0.75 X.8=2.8 m 因此傳熱面積為 A=jDi H2= n X8 X8=15.8 m2 所以只在筒體部分設(shè)有夾套即可。 2.3攪拌器的幾何尺寸 要求物料分散均勻，選用六直葉圓盤渦輪式攪拌器 ⑵。具體尺寸如下： 攪拌器直徑di/Di=1/3，則di=600mm,由di : l : b=20 : 5 : 4,則攪拌器寬 度 b=0.2di=0.2 X600=120mm

9、, l=0.25di=0.25 X600=150mm 攪拌器圓盤直徑一般取槳徑的 2/3, d3=400mm 因?yàn)橐簩虞^高，選用三層攪拌器。攪拌器距器底高度為 C=0.6m,兩層攪拌 器間距為0.9m液面深度H=3m 2.4接管 根據(jù)工藝條件，確定各接管的尺寸，選用板式平焊法蘭，公稱壓力為 PN0.6MPa 2.5擋板 1 1 選擋板寬度 W= Di= X1800=180mm,擋板數(shù)Z=4,即可實(shí)現(xiàn)全擋板化 10 10 條件 2.6人孔 為了方便安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備，在上封頭上開(kāi)公稱直徑為 450mm 的人孔，選用HG/T 21516-2005標(biāo)準(zhǔn)中的回轉(zhuǎn)蓋板

10、式平焊法蘭人孔。 2.7視鏡 為了便于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況，安裝一對(duì)視鏡。 2.8支座 根據(jù)工藝要求，選用耳式支座。 3. 攪拌設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算 3.1筒體強(qiáng)度計(jì)算 發(fā)酵罐內(nèi)為常壓，而夾套內(nèi)工作壓力為 0.2 MPa，取其設(shè)計(jì)壓力為 P=0.22 MPa,則發(fā)酵罐圓筒承受外壓，故需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。筒體材質(zhì)為 0Cr18Ni9, 焊接接頭系數(shù)（1=0.85,［護(hù)137 MPa 。 設(shè)圓筒的厚度為12mm,取鋼板厚度負(fù)偏差為Ci=0.8mm,貝U筒體的有效厚 度 e 11.2mm，筒體外直徑D°=1824mm，筒體長(zhǎng)度L=3800mm 因 D0/35=162.9, L/ D0

11、=2.08,,由 GB150 查得： A=0.00031[3], E=1.91X 105MPa , B= 41MPa [3] 所以 [p]= B B D o /、? e D o /、? e 1824/11.2 =0.25 MPa 圓筒穩(wěn)定性滿足要求，所以取圓筒名義厚度 3=12mm 3.2夾套強(qiáng)度計(jì)算 夾套工作壓力為 0.2 MPa，取設(shè)計(jì)壓力為p =0.22 MPa，夾套筒體材質(zhì)為 Q235B,焊接接頭系數(shù) =0.85,[『=113 MPa, 則發(fā)酵罐壁厚 3= PD—= 0.22 1824 =2.09 mm 2b —p 2漢 113漢0.85—0.22 取腐蝕

12、余量 C2=2mm , C1=0.8mm,則厚度附加量 C=C2+ C1 =2.8 mm 夾套的設(shè)計(jì)厚度為 3=2.09+2.8=4.89 mm 圓整取夾套厚度為 3=10mm 3.3封頭強(qiáng)度計(jì)算 查JB/T4746-2002可知，公稱直徑DN為1800mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭最小厚度為 8mm,而容器內(nèi)為常壓，故取橢圓封頭名義厚度為 8mm,封頭材質(zhì)為0Cr18Ni9。 3.4攪拌功率計(jì)算 _1 3 已知 n=120r/min=2s , dj=600mm=0.6m, p=1050kg/m , 尸0.092 Pa - s dj nP 0 62>< 2^1050 對(duì)于單層攪拌器而言：雷諾數(shù)

13、 Re= j =0.6 2 1050 =8217.4 4 0.092 查Rushton的：-Re圖⑷，可知功率因數(shù)：=6.1 ,有擋板且為全擋板條件時(shí), 不需考慮Fr數(shù)，則 =Np 由功率數(shù)Np二」知，單層攪拌器的功率 Pn3dj5 Nz =Np「n3dj5=6.ix 1050X 23X 0.65=13447.4W=3.98 kW 由于采用3層攪拌器，近似認(rèn)為3層攪拌器的功率是單層攪拌器的 3倍，則 N=3 Nz =3X 3.98=11.95 kW 3.5電動(dòng)機(jī)額定功率的確定 填料密封功率損失約為攪拌器10%或至少0.368kW。而機(jī)械密封的功率損失 僅為填料密封的10%~5

14、0%。在此選用機(jī)械密封，其功率損失約為 0.24kW 。 選用傳送帶，機(jī)械效率 =0.95,則有Nm=0.24kW 故電動(dòng)機(jī)功率 Pn= N Nm =11.95 0.24 =12.83 kW □ 0.95 為了安全生產(chǎn)，選用三相防爆異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格，選用 P=15kW⑸。 3.6攪拌器強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 攪拌器強(qiáng)度計(jì)算中的計(jì)算功率：Nj=k P-Nm 式中k—啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)，由電動(dòng)機(jī)特性表中查得， k=2.20 所以 Nj =2.2 0.95 15-0.807=30.54 kW 每個(gè)圓盤渦輪葉片為6片，在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)以各葉片受力相等處理， 每個(gè)葉片 的危險(xiǎn)斷面處的彎

15、矩為 X 4 3 r1 式中 N—計(jì)算功率，kW; Z—葉片數(shù)量； n—轉(zhuǎn)速 r/min ； r1—攪拌器的外半徑，m； r2—圓盤渦輪的槳葉內(nèi)半徑，m； r3—圓盤渦輪的圓盤半徑，m； xo—槳葉上液體阻力的合力作用位置， m。 由前述工藝條件可知攪拌功率 Nj=22.18kW, n=120r/min ； Z=6。 由 ri=300mm=0.3m， r2=150mm=0.15m r3=200mm=0.2m，可計(jì)算出 9551 0.241 -0.2 30.54 , X0=0.241m，貝U M= =68.9N?m 6 0.241 120 攪拌器槳葉厚度

16、取10mm，由b=120mm， 3=10mm，計(jì)算抗彎截面系數(shù) = 0.12 7.0082 =6 = 1.28 10"6 m3 10 攪拌器安全強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù) n b=2.5，則1=旦=54.8 MPa 2.5 最大彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足二=—=—689 6 =53.84 MPa“：：匕1=54.8 MPa W 1.28 00 因此攪拌器強(qiáng)度足夠。 3.7攪拌軸設(shè)計(jì) 按彎矩計(jì)算： 軸材料選用45鋼，則選I Jk=58.3Ma，實(shí)心軸直徑： d 蘭 365.13br^— = 365.1 漢 3 15 =47.1 mm 牡訂 n Y 58.3X20

17、按剛度計(jì)算： 對(duì)于碳鋼及合金鋼 G=7.94X 104MPa； —般傳動(dòng)和攪拌軸的計(jì)算可選 「為 1/2 : 1(o)/m，故在此選I .1=1/2 (o)/m。則攪拌軸直徑 d=1536.64 P I .G0n / 15 \ 0.5 7.97 104 120 =64.7 mm 因此選擇軸徑d=70mm。 軸的轉(zhuǎn)速低于200r/min，故不需計(jì)算軸的臨界轉(zhuǎn)速。 3.8傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)選用YB2-200L1-2-30kW。減速器可選用擺線針齒行星裝置 XL-15/120 I⑹，與電動(dòng) 機(jī)直徑相連。軸封選用機(jī)械密封。中間軸承選用 SL80-2000T1。 3.9支座

18、 選用4個(gè)A5耳式支座⑺進(jìn)行校核，支座本體允許載荷[Q] =100kN。 設(shè)備殼體內(nèi)徑Dii=1800mm,總高度7m,夾套殼體內(nèi)徑D2i=1900mm,夾套厚6mm, 總重（包括物料），無(wú)偏心載荷。本地區(qū)的基本風(fēng)壓為 q°=400N?m_3，地震設(shè)防烈 度為8度（取a =0.24）。支座材料為Q235A, [ c]t=113MPa。A5支座相關(guān)尺寸： S=10mm, b2=180mm, l2=200mm, si=90mm 。支座底板離地面高度為 3m,h=1m。 不均勻系數(shù)k=0.83。 總高度 h=h1+h2+h3+h4=3.8+0.645+0.523+0. 475 2=5. 44

19、3 m 式中 h1――筒體高度，3.8m； h2 電動(dòng)機(jī)高度，0.645m； h3 減速機(jī)高度，0.523m； h4 封頭高度，0. 475m。 h 取 6m。 總重（包括物料）m0= m1 >2+ m2+ m3+ m4+ m5+ msx 4+ m7+ m8+ m9+ m10 =232 X 2+2036.8+10153.3+128+15.7+11. > 4+102+249+1244+400=14837 kg 式中 m1 封頭質(zhì)量，232kg; m2――筒體質(zhì)量，2036.8kg； m3――物料質(zhì)量，10153.3kg； m4 電動(dòng)機(jī)質(zhì)量，128kg； m5――圓盤渦輪攪拌

20、器質(zhì)量，15.7kg； ms 支座質(zhì)量，11.1kg； m7 人孔質(zhì)量，102kg； ms 減速器質(zhì)量，249 kg； mg――夾套質(zhì)量，1244kg； m10 ――接管，法蘭及其他附件質(zhì)量，400kg。 m0 取 15000kg。 3.9.1支座承受的實(shí)際載荷Q 地震載荷：Pe= :m0g=0.24 15000 9.8 =35280 N 風(fēng)載荷：Pw=1.2fiq°DoHo =1.2 1.00 400 1.92 6.5=5990.4 N fi=1.0 （設(shè)備高度7m,按Ho=1Om取值），貝U P 二 Pe 0.25Pw = 35280 0.25 5990.4 =367

21、77.6 N 安裝尺寸： D「（Dg 2価 2、3）2-b22 2山 _?） =J（1.9+2x0.01 + 2x0.01）2 —0.182 +2匯（0.2 — 0.09 尸 2.152 m Q = |— = + 1=51.24 kN J kn nD 丿 10.83如 4^2.152 丿 則Q ：：： Q丄100 kN，滿足支座本體允許載荷的要求。 3.9.2 ?計(jì)算支座處圓筒所受的支座彎矩 Ml 一 Q（J-0）51.24江（200-90 ）匚一 ,K1^ M L = 3 = 5.64 kN?m L 103 103 夾套筒體有效厚度為 飛二10-2.8 = 7.2

22、 mm 內(nèi)壓按0.22 MPa計(jì)。 根據(jù) 泊和p查JB/T 4712-2007標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)差得：[Ml ]= 7. 568 kN?m。 因此 Ml = 5.64 kN?mv [ Ml ] = 7. 568 kN?m,故 4 個(gè) A5 耳式支座能 滿足要求 3.10開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 人孔： 本設(shè)計(jì)考慮人孔筒節(jié)直徑較大較重， 故選用水平吊蓋人孔。該人孔結(jié)構(gòu)中有 吊鉤和銷軸，檢修時(shí)只需松開(kāi)螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度， 由吊鉤吊住，不 必將蓋板取下。 該人孔標(biāo)記為：HG21522-2005 I 人孔 RF （A?G） 450-0.6 人孔補(bǔ)強(qiáng)確定： 本設(shè)計(jì)所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑 d=450mm

23、，壁厚（n=10mmo故補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸為： 補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑D1=484mm，外徑D2=760mm，補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度按下式估算[2]: , d 軋 450 "1.2 、= e = =18.26 mm D2 - D1 760 - 484 設(shè)計(jì)小結(jié) 在此感謝李老師這段時(shí)間的堅(jiān)持不懈的指導(dǎo)，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué) 到了很多知識(shí)： （1） 查閱文獻(xiàn)的能力，本次設(shè)計(jì)中參考了大量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)自己的親自 動(dòng)手查閱，使得設(shè)計(jì)內(nèi)容順利進(jìn)行。 （2） 對(duì)Word文檔的編排、公式編輯器的使用、目錄的自動(dòng)生成更加熟悉， 為以后寫論文、做設(shè)計(jì)打下很好的基礎(chǔ)。 （3） 對(duì)這學(xué)期所學(xué)的設(shè)備選型有更深刻的認(rèn)識(shí)，例如攪

24、拌器、電動(dòng)機(jī)、減速 機(jī)、支座等。設(shè)計(jì)中選用的筒體材質(zhì)：0Cr18Ni9，筒體高徑比為2.1，厚度是12mm 夾套筒體材質(zhì)為Q235B內(nèi)徑1900mm厚度為10mm傳熱面積15.8 m；選用六 直葉圓盤渦輪式攪拌器，3層，攪拌功率11.95kW;封頭是公稱直徑DN為1800mm 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，厚度為8mm電動(dòng)機(jī)選用YB2-200L1-2-15kW 減速器選用擺線針 齒行星裝置XL-15/120 I，與電動(dòng)機(jī)直徑相連，軸封選用機(jī)械密封；中間軸承選 用SL80-2000T1;支座為4個(gè)A5耳式支座。掌握各種結(jié)果的校核，例如筒體高 徑比、圓筒穩(wěn)定性、攪拌器強(qiáng)度、支座的允許載荷和彎矩等。對(duì)于一些工業(yè)數(shù)

25、據(jù) 的選取，要符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。 （4） 運(yùn)用了以前所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)：化工制圖， CAD，以前畫(huà)圖用的都是 CAD2004版，這次設(shè)計(jì)畫(huà)圖用的是CAD2010版，這兩個(gè)版本的內(nèi)容還是有些不 同的，通過(guò)這次設(shè)計(jì)我對(duì) CAD的了解更加深入，運(yùn)用也更加熟練。 參考文獻(xiàn) [1] 方書(shū)起主編?化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2010.5:174-177. [2] 譚蔚主編.化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2010:191-215. [3] 中國(guó)發(fā)改委.圓盤渦輪式攪拌器[S].中國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006:2-3. [4] 中國(guó)石化集團(tuán) 上海工程 有限公 司.化工工藝 設(shè)計(jì)手 冊(cè)[S].化學(xué)工 業(yè)出版 社,2009:414. ⑸中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).搪玻璃閉式攪拌器[S].中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).2011:5. ⑹中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).ZJ系列行星齒輪減速器[S].中國(guó)國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn).2006.11.27 [7]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).容器支座[S].中國(guó)國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn).2007.8.28