螺杆式连续提取装置.docx
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螺杆式连续提取装置.docx
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螺杆式连续提取装置
摘要
本设备是一种较新型动态提取设备,设计特点在于设计过程及工程绘图部分既含有典型化工设备的强度结构设计,又需要考虑运动机构及较高装配要求的零件设计,特别是运动机构,是本设备的主要设计部分。
设计中的难点是在满足生产中的使用条件下,如何使设备更合理,提高产品质量,减少动力消耗,螺杆的刚度和强度设计,转速设计和保证药物有足够浸出时间的设计。
特别是设备要有一定的倾角,如何保证生产过程的正常进行;如何满足生产过程中对温度进行实时观测、控制等。
由于大部分工艺参数和操作条件都处于摸索阶段,因此本设备只能进行试验性生产。
关键词
螺杆式连续提取装置
减速机
螺旋
进、出料口
轴承
支座
Summary
Thisequipmentsisanewdevelopmenttowithdrawtheequipments,designcharacteristicstoconsistindesigningtheprocessandengineeringpaintingpartofsinceimplythetypicalmodelchemicalengineeringtheequipments'sstrengthconstructionthedesign,andagainneedtoconsidertoexercisetheorganizationandhigherassemblethesparepartsthatrequestdesign,andespeciallyexercisetheorganization,andisthemaindesignofthisequipmentspart.Thedifficultpointofthedesigninsideisundersatisfyandproducetheinsideofusetheterm,andhowtomaketheequipmentsmorereasonable,increasetheproductquantity,andreducethemotivethedepletion,spiralpoleofjustthedegreedesignwithstrength,andturntosoondesignwithguaranteethemedicinetohaveenoughimmerseouttimeofdesign.EspeciallytohavethethecertaintilttoonesidetheCapetheequipmentsthehowthetotheguaranteethethetheproductiontheline'sthenormaltheproceeding;Howtosatisfytheproductionlinetoinsideproceedstotemperaturesolidthehourprognosticate,controltheetc..
Becauseofbigandpartofcraftstheconstantcountwithoperatethetermtoallbeplacedintogropeforthestage,forthisreasonthisequipmentstocanproceedtheexperimentofproduction.
Closethekeyphrase
Thespiralpoletypecontinuouslywithdrawsthedevices
Deceleratethemachine
Spiral
Enter,outthematerial
Bearings
第一节设计课题
螺杆式连续提取装置(以中药提用取为主要应)
螺杆式连续提取装置是由螺旋数送机和螺旋加料机的工作原理设计得来,用于生物化工或中药现代化生产企业的主要生产设备,是近年才开始研究的提取设备,目前技术并不完善,处于研究阶段,只在小规模的药厂使用,但本设备有其独特的优点:
浸出温度低,适用于热敏性药材的提取;封闭系统,适宜于挥发性有机溶媒浸出,亦可以水为溶济;适用于自动化要求较高的新建药厂;可扩展性较强。
本设备设计的特点在于设计及工程绘图部分既含典型化工设备的强度结构设计,又要考虑运动机构及较高装配要求的零件设计,特别是螺杆的设计,设计精度要求高。
设计的难点在于在满足生产使用条件下,如何能提高生产稳定性,安装、检修拆卸方便,避免死角和出液口堵塞等。
设计参数及设计思想
A~设计参数
表1
项目参数
提取介质中草药(根、茎、叶、花)
筒体设计压力0.1Mpa
处理量(净药材)1T/h
堆积密度(ρ)0.4T/m3
设计温度1000C
滞留时间至少20分钟
设计寿命10年
介质性质轻度水或有机溶剂(乙醇等)
B~设计思想
本设备作为新型的化工、制药设备,设计需要考虑满足生产中的使用要求。
中药提取生产过程中,水、有机溶媒都具有轻微腐蚀性,而且中药的质检要求还有色度要求,所以选材不能选取易生锈而污染药物色度的碳钢。
在衡量安全性与经济性后,选择0Cr18Ni9作为主要制造材料,Q235-A等作为螺栓、支座等附件制造材料。
设备承受压力范围为0.1~1.6Mpa,属于I类容器。
为实现控制原料的进量,在进料口设计有调节进料量的调节器,以方便满足不同生产量的生产要求;同时,设备受常压,筒体为卧式,本不需要进行开孔补强,但考虑到进料口开孔较大,且要承受料斗的重量,对进料口开孔进行等面积不强。
出料口尽量靠近设备末端,以保证药材在筒体内的滞留时间足够长;进液口在出料口的前方,并把卧式设备设计为有15。
倾角的倾斜设备,目的是不让液体从出料口流出;出液口要设置滤网,以免被药渣堵塞,且滤网要方便拆卸清洗,出液口附近的筒体内部会出现药液的滞留死角,故在此处再设计一块能密封可拆卸钢板,使死角尽量减到最小。
螺杆的设计要符合刚度和强度要求,叶片外径和筒体内壁之间的间隙不能太大。
筒体直径大,长度短,使设备运转更趋平稳,安全。
因为螺杆式提取装置是低压设备,且大部分工艺参数和操作条件等都处于摸索阶段,故此设备只属于试验性生产设备,部分零件没有办法进行校核,只能选择偏于安全的设计,各个零部件均取得偏于安全,无需进行全面校核,故可能会使设备造价偏高。
其他附件选择详见后面各节。
C~整体设计
表2
项目形式
螺杆式提取装置外形卧式圆筒,倾角15。
封头类型平板封头(拼焊Ø=15。
)、法兰联接
支撑形式鞍座支撑(轻型A型),上部15。
倾角
加热形式直接输入热液体(水为100。
C),用泵输入
运动形式旋转,物料沿筒体轴线前进
传动形式电动机经减速机后,使转速降至
0.5rpm,再经联轴器传给螺杆
第二节强度设计
一、螺杆和筒体的尺寸
螺杆的尺寸主要是确定它的处理量、筒体的尺寸和壁厚。
1、螺杆
螺杆式连续提取装置的生产要求主要是处理量的大小,单位是
T/h,此给定值就是确定螺杆尺寸的主要依据。
在计算螺杆尺寸前,螺旋的选择很关键、在此我选择的是实体面型螺旋(S制法)。
如图1:
图1
生产率:
Q=
(T/h)
式中:
D——螺旋外径(m);
S——螺距(m)
n——螺杆每分钟转速(rpm)
d——螺旋轴直径(m)
λ——螺旋外径与输送管内表面的间隙(m)
Kd——充填系数
Kβ——倾斜输送系数
λ——堆积密度(T/m3)
查阅《实用机械设计手册》P524表13-5913-62
可得:
Kd=0.30Kz=0.0490Kl=50Kβ=0.92(β=15○)
给定参数为净药材处理量Q=1T/h
堆积密度γ=0.4T/m2溶剂为水
由于在提取过程中,净药材能吸收存留部分容积,故在给定参数为处理量Q=1T/h,物料堆积密度为γ=0.4T/m2时,取处理量为Q=3T/h,物料堆积密度取溶剂的密度,堆积密度取γ=0.4T/m2。
这样取数值偏大,以保证净药材的处理量。
试算:
查阅《实用机械设计手册》P524表13-55
根据物料性质,选取:
螺旋外径D=996mm
螺旋内径d=159mm
螺旋外经与筒体内壁之间的间隙λ=2mm
螺旋厚度δ=3mm
螺距S=0.5D=498mm
因此:
(1)生产率:
Q=
=
=6.310n
当Q≥3T/h时
即6.310n≥3可求得n≥0.459rpm取n=0.5rpm
(2)螺旋直径D
D≥
≥
≥0.12736m
即D≥127.36mm故合适。
(3)转速n
n≤nj=
=
=50.1rpm
故转速合适。
(4)给定参数的滞留时间是至少20分钟
则螺杆长度L=n•s•t=0.5x0.498x20=4.98m
取L=5m
(5)螺旋输送轴功率
N0=
(Kw)
试中:
Q——生产率(T/h)
H——物料的提升高度(m)
L——被输送物运送行程的水平投影距离(m)
W0——被输送物料在输送管内运动阻力系数
η——修正系数
g——9.81m/s2
查阅《实用机械设计手册》P524表13-60表13-61
查表得:
β<20º时、η=1
湿的、无磨琢性物料取W0=1.5
计算得:
L=
=4.8296m
H=
=1.2941m
因此:
N0=
=0.0698(Kw)
(6)电动机所需功率
N=
(Kw)
kf值:
对Jo3电动机kf=1.0;
对Jo2电动机kf=1.4;
减速机的传递系数η2=0.9
若选Jo3型电动机则N=0.07756Kw
若选Jo2型电动机则N=0.1086Kw
(7)对充填系数进行验算:
Kd=
=
=0.28
由于Kd的推荐值范围为0.25~0.35之间,故Kd符合要求
因此整个设计也就符合要求,设计思路和所选数据基本可以
注:
Kd值若高于表列数值上限,则应加大螺旋直径;Kd若低于表列数值下限,则应降低螺旋转速。
螺旋的材料选取时考虑到其实际情况和经济原因,应选择不锈钢0Cr18Ni9,这样经济又实用。
由于螺旋的叶片对螺旋轴本身就有加强作用,故对螺旋轴的校核就主要集中在对轴刚度的校核这里:
轴刚度的校核:
首先轴受到的电动机传递给它的功率为:
N0=
=
=10.93Kw
那么轴受到的扭矩为
T=
=
=21.86KN·m
此扭矩下轴的转角为
φ=
=
=0.0011(弧度)
其中:
Kf系数,对Jo2型电动机则Kf=1.4
η2系数,对NGW83型减速机则η2=0.9
α为空心轴系数:
α=
=
=0.81
因此:
=0.5695
钢管的许用转角
=0.0016(弧度)
故钢管符合强度要求。
2、筒体
筒体选用密封圆筒,常压设备,工作压力低于0.4MPa;由于设备用于中草药的提取,有色度要求,故选用不锈钢材料0Cr18Ni9作为设备的主要制造材料。
由于螺旋直径为D=996mm,螺旋外径与筒体内壁间隙
λ=2mm.
因此,筒体在常压容器国标中选取时选择标准筒体:
公称直径DN=1000mm
圆筒壁厚选δ=4mm
不锈钢许用应力[θ]=140MPa。
由于是常压设备,筒体上又没有太多附件,且为卧式圆筒,
故无需进行强度校核。
筒体的计算壁厚为:
δ=
=
=0.42mm
而选用的筒体壁厚为δ=4mm符合要求
法兰:
据国标GB3274和GB6654规定,选用标准容器法兰,公称直径
DN=1000mm,公称压力:
PN=0.25MPa
甲型平焊法兰材料选用不锈钢0Cr18Ni9
法兰密封采用凹凸面密封,密封材料为氯丁橡胶板,耐磨,防腐蚀。
垫片密封,垫片厚度3mm。
密封面粗糙度为12.5,垫片系数为m=1,
比压力为y=0.1MPa.
国标选用可查阅资料《化工容器及设备简明设计手册》和
《压力容器与化工设备使用手册》。
筒体的开孔补强:
进料口的开孔形式如图2.所示
图2
在进行等面积补强时,开孔的面积时
开孔面积A=350×200=70000mm
进行等面积补强时,计算得补强的宽度为60mm
二、电动机与减速机的选择
1、减速机的选取
在减速机的选取过程中,我根据螺旋输送机的所需转速和现有电动机的型号、特点、最低转速和电动机的输出功率等进行选择。
螺旋输送机的转速在满足省查要求的前提下,我选的是n=0.5rpm,现有的电动机,一般转速都在几百以上,在查阅了很多资料后,根据生产需要,我选了转速为n=600rpm的电动机,故选择减速机时,传动比i=1250,
这是一个很大的传动比,一般的减速机的传动比都没有办法达到要求,在参考了几个型号的减速机后,我选择了NGW83型行星摆线型减速机,此减速机为三级减速机,可以基本满足要求,传动时的功率传动系数为η0=0.9,
减速机的实际传动传动比为i=1176,可以满足生产要求。
查阅《机械传动设计手册》(下册)P465
联轴器:
选择类型的考虑
(1)、传递扭矩的大小和载荷的性质(如冲击、共振等)
(2)、转速高时,应验算外缘的离心应力和弹性元件的变形,并进行平衡检验。
(3)、相对位移的程度
(4)、工作环境、使用寿命、润滑及密封等条件。
在此考虑到以上的情况,我选的联轴器为YL——8型。
2.电动机的选取:
在电动机的选取过程中,我根据螺旋输送机的所需转速和现有减速机的型号、特点、传动比和减速机的功率传递系数等进行选择。
螺旋输送机的转速在满足生产要求的前提下,我选的是n=0.5rpm,现有的减速机,其传动比超过1000的已不是很多,特别是高传动比的减速机其价格也很高,且其他的辅助要求和安装要求很严格,在查阅了很多资料后,根据生产需要,我选了传动比为1250的NGW83行星摆线式减速机,这当然也是在参考了各种电动机的型号,性能和转速后选取的。
选取电动机的机座号为Jo2-81-10(铜线电动机),
同步转速为:
n=600rpm(10级)
结构型式为:
A101型
查阅《机械传动设计手册》二版(中册)P1088
第三节结构设计
一、鞍座的设计
设备整体质量的计算
(1)筒体的质量:
筒体的长度是5100mm,筒体的壁厚为4mm,上面有五个接管孔:
进料孔的面积是:
A1=350x200=70000mm
出料孔的面积是:
A2=300x200=60000mm
进液孔的面积是:
A3=3.14x452=6385.5mm
出液孔的面积是:
A4=3.14x542=9156.24mm
温度计接管孔的面积是:
A5=3.14x7.52176.625mm
两端的法兰选用标准筒体法兰,平焊法兰HG20954
材料的类别:
304钢号:
0Cr18Ni9标准号:
GB4237
公称压力:
PN=1.0~1.6Mpa
密封:
实心金属平垫片材料:
软铝
垫片系数:
m=4比压力:
y=60.7类别:
I类
重量:
213.6Kg
筒体的质量:
G1=7.9x1000x5x3.14x[(1.004/2)2-(1.0/2)2]+135.6x2
=373.21+271.2
=644.41(Kg)
查阅《压力容器及设备设计简明手册》P465P489~497
(2)螺杆的质量:
选用的是不锈钢管(0Cr18Ni9),厚度为15mm,
质量:
G2=ρπ(R2-r2)h
=3.14×[(0.159/2)2-(0.129/2)2]×5×7.9×103
=267.9(Kg)
(3)螺旋叶片的质量:
螺旋叶片是用不锈钢板(0Cr18Ni9)完全焊接而来,其质量进行的是估算,螺距为498mm,螺旋外径为996mm,内径为159mm,计算可知,
一个螺距的长度上需要钢板的长度是两倍的内径距离。
因此,螺旋的质量:
G3=(0.998-0.159)×0.5×0.003×9.9852×7.9×103
=99.27(Kg)
(4)物料的质量:
净药材在进入螺旋提取装置以后,在提取液对药材进行提取的过程中,净药材在提取液的浸泡下要膨胀,药材中会存留部分提取液,因此使得物料密度已经基本上和提取液的密度相差不大,在此我就取提取液的密度作为物料的密度进行物料质量计算,物料在前进的过程中,不可能会充满整个筒体,查阅资料后,根据物料的运动形式和放置形式,我选取的物料在筒体内的充填系数是Kd=0.3
质量:
G4=
=103×0.3×3.925
=1177.5(Kg)
(5)减速机的质量:
减速机选取的是标准件,三级NGW83型行星摆线式减速机,标准号为:
机械标准JB1799——76。
质量为:
G5=505(Kg)。
(6)电动机的质量:
电动机选取的为标准件,在此我选的是机座号为JO2-81-10型十级电动机,铜线电动机,标准号为:
机械标准JB742-66。
质量:
G6=372(Kg)。
(7)平动轴承的质量:
平动轴承选取标准件,安装在螺旋装置的尾部,故又称是尾部轴承,此轴承只是承受螺旋的径向力,而轴承的轴向力则是由螺旋装置的头部减速机上的止推轴承来承担,平动轴承在安装时,是安装在筒体尾部的法兰盖子上,并在盖子上设置有加强筋。
质量:
G7=17.9(Kg)
(8)其他附件的质量
螺杆式连续提取装置的主要附件有:
进料口和进料斗、出料口、进液管、出液管、热电阻温度计的安装接管、筒体法兰的螺栓、螺母和管法兰的螺栓、螺母等。
质量:
G8=419(Kg)
所以:
螺旋式连续提取装置的总质量是:
G总=G1+G2+G3+G4+G5+G6+G7+G8
=267.9+99.27+1175.5+505+372+17.9+419.75+644.41
=3501.73(Kg)
从而得到[Q]
34(KN)
查阅《化工容器及设备简明设计手册》和《化工容器与设备设计是用手册》
根据筒体的质量和螺旋装置的安装形式,在选取鞍座时,发现没有现成的鞍座能够被直接选来使用,我根据需要,选取轻型(A型)鞍座,包角为120o带垫板鞍式支座、焊制、四筋。
同时,我对A型鞍座进行了部分的修改,目的是能够符合我设计的需要,我把鞍座商和筒体接触部分设计成了有15o倾角的,并且,对螺旋式连续提取装置,我用了三个鞍式支座,分为支座A、支座B、支座C。
支座A是装在螺旋式连续提取装置的头部的,支座A在于筒体接触部分除了有15o倾角,另外在支撑减速机时,另在减速机的边缘部分设置的有上翻的边缘钢板,目的是防止筒体的下滑;支座B是装在筒体的中间的一个支座,防止筒体的刚度不够在中间产生弯曲变形,但是又不能让支座在支撑的过程中出现过定位,故此支座B在制作时要有一定的负偏差,在安装时要根据情况进行高度调节,可在垫板上面再垫上薄的软铝板或者软铜板,使其起到支撑的作用;支座C的制作工艺与支座B差别不是很大,但是不是一定要有负偏差,并且在与筒体的连接过程中要进行焊接,目的是防止螺杆式连续提取装置出现下滑现象。
三个支座在地面上安装时,都用地脚螺栓与地面进行连接。
二、保温层
螺杆式连续提取装置在提取过程中对提取液的加热采用的是外加热形式,提取液在进入提取装置之前,先加热到提取温度,再经过泵输入到提取装置中对药材进行提取,螺杆式连续提取装置本身并没有任何的加热措施,但是它的筒体材料采用的是4mm厚的不锈钢,其散热系数比较大,并且筒体的长度比较长,考虑到这些因素,我就采用了在螺杆式连续提取装置的外面装加保温层的措施,保证提取装置内提取液的提取温度,使中药提取能够正常进行,并且在出液口上方设置有热电阻温度计,随时对提取液的提取温度进行监控。
在装加保温层时,我采用的保温材料是岩棉,其总传热系数为
K=1500W/(m2.k),总的传热面积为A=π.d.L=15.7m2
Q=
=1500×15.7×(100-40)
=37680
由于
Q=
所以
b=
=
=3.75mm
圆整为b=5mm
保温层的厚度为5mm,由于是岩棉,需要在保温层的外面再加层保护层,在此我选用的是0.5mm厚的0Cr18Ni9不锈钢,保温层要在螺杆式连续提取装置现场安装完成后再进行安装。
三、接管
接管尺寸表
表3
接管公称尺寸联结方式法兰标准
进液接管DN83L=150凸面HG592-97
出液接管DN102L=150凸面HG592-97
温度接管DN32L=130螺纹HG592-97
四、焊接结构
I焊接接头
焊接接头的结构设计是否合理是影响整台设备安全使用的主要因素之一,所以焊接接头的结构设计属于压力容器结构设计的重要部分。
根据《钢制化工容器结构设计规定》(HG20583——1998)中提供的对接焊接接头,选择以下焊接接头:
适用范围:
钢板拼接,筒体纵、环焊缝
II焊接
采用熔化焊,二氧化碳气体保护焊或者钨极氩弧焊(可手工),
焊条的选择采用不锈钢焊条:
E00-19-10M02-18
药皮类型:
铁粉低氢型
电流形式:
交流或直流反接
第四节附件选择
附件
进料孔
进料孔在此开成方形的,目的是在满足开孔处筒体的刚度和强度要求情况下,尽量使进料孔能满足不同生产量的要求,因此在进料孔处设置有进料量的调节器,并且进料斗设计成可拆卸结构,方便安装。
出料孔
出料空与进料孔一样开成方形,并且在此出料孔的开孔小一点,并要靠近机壳的尾部,除可增加提取时间外,更要保证提取液不要从此处直接流出。
进液管
进液管选用标准的钢管,与筒体的连接方式是焊接,与外面热液体管子的连接方式是法兰连接,并且尽量要与出料孔中心线有一定的距离,避免进液直接从出料孔出去。
出液管
出液管选取的为标准不锈钢管子,直径比出液管大一点,并且,出液管与筒体的联结采用的是焊接形式,连接处筒体并不开孔,而是在上面打了许多的小孔,使其起到滤网的作用,在出液管的内部设计的有滤网对提取液进行第二次过滤,是从出液管中出来的液体尽量夹渣少。
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