攪拌罐的設(shè)計(jì)

* 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(zhuān)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(xiě)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(mén)或機(jī)構(gòu)送交設(shè)計(jì)的復(fù)印件和磁盤(pán)，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10mm傳熱面積15.8 點(diǎn)；選用六直葉圓盤(pán)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) 11. 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)介紹 12. 攪拌容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12.1確定發(fā)酵罐的幾何形狀12.2夾套幾何尺寸計(jì)算22.3攪拌器的幾何尺寸 22.4接管 22.5擋板 22.6人孔 22.7視鏡 22.8支座 23攪拌設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算 33.1筒體強(qiáng)度計(jì)算 33.2夾套強(qiáng)度計(jì)算 33.3封頭強(qiáng)度計(jì)算 33.4攪拌功率計(jì)算 33.5電動(dòng)機(jī)額定功率的確定 43.6攪拌器強(qiáng)度設(shè)計(jì) 43.7攪拌軸設(shè)計(jì) 53.8傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 53.9支座 63.9.1支座承受的實(shí)際載荷 Q 63.9.2計(jì)算支座處圓筒所受的支座彎矩 M l 73.10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,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 mni 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=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= 1900mm，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(pán)渦輪式攪拌器。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, l=0.25di=0.25 X600=150mm攪拌器圓盤(pán)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=3m2.4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PN0.6MPa2.5擋板11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1010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=0.22MPa,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=2.08,由 GB150 查得：A=0.000313, E=1.91X 105MPa , B= 41MPa 3所以p=BBD o /、 e D o /、 e1824/11.2 =0.25 MPa圓筒穩(wěn)定性滿足要求，所以取圓筒名義厚度3=12mm3.2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 mm2b p 2漢 113漢0.850.22取腐蝕余量 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=10mm3.3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_13已知 n=120r/min=2s , dj=600mm=0.6m, p=1050kg/m ,尸0.092 Pa - sdj nP 0 62>< 21050對(duì)于單層攪拌器而言：雷諾數(shù) Re= j =0.62 1050 =8217.440.092查Rushton的：-Re圖，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Pn3dj5Nz =Npn3dj5=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 kW3.5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%50%。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 kW0.95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=15kW。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(pán)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)斷面處的彎矩為X43 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(pán)渦輪的槳葉內(nèi)半徑，m；r3圓盤(pán)渦輪的圓盤(pán)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=0.15mr3=200mm=0.2m，可計(jì)算出95510.241 -0.2 30.54 ,X0=0.241m，貝U M=68.9N?m60.241120攪拌器槳葉厚度取10mm，由b=120mm， 3=10mm，計(jì)算抗彎截面系數(shù)= 0.12 7.0082=6= 1.28 10"6m310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 MPa2.5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 315=47.1 mm牡訂 nY 58.3X20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=1536.64PI .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 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。3.9支座選用4個(gè)A5耳式支座進(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, ct=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. 443 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?？傊兀òㄎ锪希﹎0= 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(pán)渦輪攪拌器質(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 Nfi=1.0 （設(shè)備高度7m,按Ho=1Om取值），貝UP 二 Pe 0.25Pw = 35280 0.25 5990.4 =36777.6 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 mQ = | = + 1=51.24 kNJ kn nD 丿 10.83如 42.152 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 ,K1M L =3= 5.64 kN?mL 103103夾套筒體有效厚度為 飛二10-2.8 = 7.2 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(xiāo)軸，檢修時(shí)只需松開(kāi)螺栓將蓋板繞銷(xiāo)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，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 mmD2 - D1760 - 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(xiě)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(pán)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)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(zhuān)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(pán)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.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.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).2006.11.277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