1、吉 林 大 学食 品 工 程 系 统设 计 说 明 书弧底篮式过滤器的设计作 者 姓 名 ：班 级 ：学 号 ：导 师 姓 名 ：2012 年 9 月目 录1 绪论 11.1 果汁加工业的发展趋势 11.2 我国浓缩苹果汁的发展现状 11.3 本设计的内容 22 总体方案的选择 32.1 方案的论证 32.2 过滤器的选型 33 设计计算 43.1 过滤器整体结构43.2 法兰盖设计4 3.3 法兰设计63.4 螺栓设计8 3.5 筒体设计103.6 筛网设计11 4 结构设计 134.1 过滤器结构分析 134.2 密封设计 135 总结 . 16参考文献 17篮式过滤器设计说明书- 1 -
2、1 绪论1.1 果汁加工业的发展趋势全套图纸，加 153893706果汁加工工业是从 19 世纪末才诞生的新兴工业，到现在已有 100 多年的历史，世界上果汗每年的贸易额为 40 亿元。出口额最大的 5 个国家是巴西、美国、荷兰、德国、以色列。世界发达国家果汁的消费量呈快速增长的趋势。2003 年，德国人均果汁消费量为 47 升。国外发达国家果汁人均年消费量约 20 升，发展中国家人均年消费量约为 10.8 升。据估算，西欧和日本、南韩等国的果汗消费量在近几年将以每年 10%的速度上升。1.2 我国浓缩苹果汁的发展现状我国专家预测，2010 年我国水果总产将达到 9300 万吨，人均占有量达到
3、 67.7 公斤，接近上世纪 80 年代发达国家人均 70 公斤的水平。目前，我国果汁加工业仍以生产带肉果汁为主，近 10 多年来，国内有些加工企业花费大量的资金引进国外浓缩果汁生产设备，生产浓缩苹果清汁以供出口。但由于设备投资昂贵，只有少数工厂效益较好。利用国产设备生产具有中国特色的澄清果汁，在国内外具有广阔的市场。篮式过滤器设计说明书- 2 -现阶段， 随着我国苹果产量的增加，在国内各主要苹果产地相继建立了许多浓缩苹果汁生产企业。我国浓缩苹果汁加工业始自 80 年代初期，历经 20 年发展，年生产能力已由 90 年代中期的 5000 吨增致现在的 30 万吨。当前，中国浓缩苹果汁行业已经从
4、成长阶段发展到相对成熟期。近十年来，我国苹果加工有了较大的发展，我国现有苹果浓缩汁企业近 50 家，苹果浓缩汁生产线近 70 条，绝大部分都是在 90 年代建立的，其中从国外引进的生产线占 2/3，国产线占 1/3，主要集中分布在北方苹果产区，以山东、河南、山西、河北、东北地区为多。我国已成为世界最大的苹果浓缩汁生产国。目前全国加工能力 10 吨每小时以上的浓缩苹果汁生产型公司超过 35 家。我国作为世界主要浓缩苹果汁生产国，占全球产量的 40%-50%，尽管由于气候原因导致我国 2005/06 榨季苹果产量减少 15%，这也是全球2005/06 榨季较上一榨季下滑 14 万吨至 126 万吨
5、的主要原因，我国的浓缩苹果汁在该榨季仍占世界产量的近一半。1.3 本设计的内容通过以上的分析论证，我们可以发现果汁的过滤是生产浓缩苹果汁的主要工序，如何采取经济可行的果汁过滤的方法及高效的过滤设备是提高浓缩苹果汁产量和质量的关键所在，所以本次设计的方向即为果汁过滤系统。本设计的内容：果汁过滤系统总体方案的选择、篮式过滤器的设计计算及结构设计。设计的重点在篮式过滤器的结构设计、关键零件的设计计算。篮式过滤器设计说明书- 3 -2 总体方案的选择2.1 方案的论证浓缩苹果汁工艺流程：原料清洗选果破碎压榨预杀菌澄清过滤浓缩杀菌检验无菌罐装冷库贮存过滤器是浓缩苹果汁生产中常见的设备，其作用是过滤介质，
6、阻挡流通介质内一定粒度大小范围内的杂质通过阀门、仪表、设备等，避免杂物卡阻机构动作、磨损间隙表面、缠绕抱死轴上，从而保证这些设备安全运转。因此，在浓缩苹果汁的生产中，过滤器的选用是澄清果汁，保证浓缩苹果汁产品品质极为重要的一个环节，对过滤设备进行设计论证显得尤为重要。2.2 过滤器的选型澄清后的苹果汁必须过滤，除去细小的悬浮物。篮式过滤器用于液体管道上，过滤管道里的杂物，过滤孔面积比通径管面积大于 2-3 倍。远远超过型、型过滤器过滤面积。篮式过滤器精度在过滤器中属于一种精度最佳的过滤器，滤网结构与其它过滤网不一样，因形状像篮子，故名蓝式过滤器。篮式过滤器设计说明书- 4 -目前，篮式过滤器已
7、广泛应用于石油、化工、医药、食品、环保等行业。若将其串连的安装在泵的入口或系统管线的其他部位，则既可以延长泵和其他设备的使用寿命，又能保证整个系统的安全。因此，本次果汁过滤系统选择篮式过滤器作为设计对象。3 设计计算3.1 过滤器整体结构本次设计的过滤器类型为弧底篮式过滤器。弧底篮式过滤器主要由接管、筒体、滤篮、法兰、法兰盖及紧固件等组成。弧底结构是为了收集杂质，方便在排污口进行定期清理。过滤器安装在管道上能除去流体中的较大固体杂质，使机器设备、仪表能正常工作和运转，达到稳定工艺过程，保障安全生产的作用。 3.2 法兰盖设计通常当液体通过筒体进入滤篮后，固体杂质颗粒被阻挡在滤篮内，而洁净的流体
8、通过滤篮，由过滤器出口排出。当需要清洗时，旋开主管底部螺塞，排净流体，拆卸法兰盖，清洗后重新装入即可。可见，法兰盖在篮式过滤器的清洗维护中起着重要作用。3.2.1 法兰盖的类型法兰盖也称盲板法兰、盲板，是中间不带孔的法兰，供封住管道堵头用。作用与焊接封头及丝扣管帽是一样的，盲板法兰和丝扣管帽可以随时卸下来，而焊接封头则不行。密封面的形式种类较多，有平面、凸面、凹凸面、榫槽面、环连接面。针对本设计加工对象综合考虑，确定采用突面（RF）密封，突面式篮式过滤器设计说明书- 5 -法兰盖结构简图和实物图分别见图 1 和图 2。图 1 凸面式法兰盖结构简图图 2 凸面式法兰盖实物图3.2.2 法兰盖选材
9、按照化工行业标准 HG20601-97，考虑到苹果汁对过滤器内壁的腐蚀作用，本设计中的法兰盖选用 304ss。3.2.3 法兰盖厚度设计表 1 法兰盖设计计算表计算参数 计算单位计算压力 pc 2.0 MPa设计温度 t 120.0 C设备壳体内径 Di 380.0 mm计算直径 Dc 400.0 mm材料名称 304许用应力 t 173.6 MPa中心圆直径 Db 325.0 mm篮式过滤器设计说明书- 6 -3.3 法兰设计根据生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修方便，大多数化工设备采用可拆卸的联接结构，其中常见的可拆卸结构中法兰联接应用最为广泛。法兰联接由法兰对、螺垫片组成，法兰通过
10、紧固螺栓压紧垫片实现密封。因此法兰连接不是独立的承载部件，而是一个“法兰螺栓垫片系统” 。本设计中涉及的法兰分为两类，一类是压力容器法兰，即设备法兰，另一个是接管法兰，其结构简图如图 3。螺 公称直径 dB 60.0 mm栓 数量 n 4 个材料名称 35CrMoA厚 度 设 计预紧时Am =445.1 Ab =1879.2 W = 0.5( Am + Ab )b = 244050.51.18378.1CGDpLK系数 K (取大值) 操作时W =83679.00.703.0C开孔削弱系数 = 0.33计算厚度 p = Dc = 50.20 mmtK篮式过滤器设计说明书- 7 -图 3 管法兰
11、和设备法兰结构简图设备法兰与管法兰均已制定出标准。在实际的工程应用中，可以根据公称直径和公称压力，从相应的标准中查到。由于本工艺流程中的弧底篮式过滤器使用的法兰超出标准规定范围，所以需进行设计。3.3.1 设备法兰设计设备法兰为联接篮式过滤器本体和法兰盖的法兰。（1）焊接形式 根据生产过程中的实际情况，设备法兰的焊接形式选用对焊。设计的长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大，更高压力范围(PN 0.6MPa6.4MPa)和直径范围(DN300mm2000mm)，适用温度范围为-20450。（2）材料选用 对焊法兰有带衬环的与不带衬环的两种。当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，可以节省
12、不锈钢。（3）最大工作压力的确定 参考 GB/T9113.1-2000平面、突面整体钢制管法兰 ，本设计中的法兰公称压力 PN 为 2.0MPa。3.3.2 接管法兰设计本设计中提到的接管法兰是指联接篮式过滤器筒体和外置管道的法兰。其结构简图如图 4 所示。篮式过滤器设计说明书- 8 -图 4 接管法兰结构简图由于实际使用的接管法兰的结构参数超出了标准范围，因此需要自行设计，其主要结构参数见表 2。表 2 接管法兰结构参数法兰内径 d1 250.00 mm 法兰密封面外径 d2 290.00 mm法兰外径 d3 430.00 mm法兰根部外径 d4 270.00 mm法兰颈部外径 d5 290
13、.00 mm法兰螺栓孔内径 d 50.00 mm法兰螺栓孔数量 n 4 个法兰密封面高度 h1 10.00 mm法兰环高度 h2 50.00 mm法兰颈部锥段高度 h3 50.00 mm法兰根部高度 h4 20 .00 mm取法兰材料密度 为 7850.00 Kg/m3，则法兰体积 V=d22h1/4+d32h2/4+h3(d52+d5d4+d42)/12+d42h4/4-nd2h2/4-d12(h1+h2+h3+h4)/4= 5.7*10-3 m3法兰重量G=V*=5.7* 7850.00=44.7 Kg3.4 螺栓设计螺栓设计包括螺栓载荷计算、螺栓尺寸与数目的确定。3.4.1 螺栓载荷计算
14、篮式过滤器设计说明书- 9 -螺旋载荷的计算分为预紧和操作两种工况。（1）预紧工况螺栓拉力应等于压紧垫片所需的最小压紧载荷。按照下列公式计算螺栓的最小预紧载荷：其中，密封基本宽度与有效密封宽度，两者的关系如下：垫片的基本宽度 b0=5 mm，则 b=b0=5 mm。确定了有效宽度，则可以得到相应的用于计算的垫片平均直径：可知，D G=420 mm，选择聚四氟乙烯类非金属垫片，其比压范围11.77-19.6MPa。取 y=12MPa，根据上述公式，螺栓的最小预紧载荷=3.14*5*420*12=79128 NybDGWn（2）操作工况螺栓载荷应等于抵抗内压产生的轴向使法兰连接分开的载荷和维持密封
15、垫片表面必需的压紧载荷之和，即篮式过滤器设计说明书- 10 -式中，D G垫片平均直径，mm；p计算压力，MPa；b垫片有效密封宽度，mm；m垫片系数，垫片本身特有的数值，其值因垫片的形状、材质等不同而异。根据上述公式，可计算在操作工况下，螺栓载荷= =0.34MPpDGp2b4W 0.2541.3520.42 a3.4.2 螺栓尺寸与数目确定螺栓尺寸就是确定螺栓截面的尺寸，需要按照两种工况来计算，然后选择大的作为所需要的螺栓总截面积，从而确定实际选用螺栓直径与个数。在预紧工况下，由于实际的螺栓尺寸可能大于计算值，在拧紧螺栓的时候可能造成实际螺栓载荷超出计算数值，所以确定预紧工况螺栓设计载荷时
16、，螺栓总截面积取平均值。本设计中的螺栓选用 35CrMoA，规格为 M60*200，数目为 4。3.5 筒体设计3.5.1 筒体材料的选择筒体是篮式过滤器的主要部分，篮式滤网安装在筒体中，由管道流入的果汁在筒体中被过滤澄清。因此，要求筒体耐酸抗腐蚀，综合考虑加工对象之后，筒体选用 20 合金。篮式过滤器设计说明书- 11 -3.5.2 筒体结构参数确定筒体的整体结构是一个圆环状的套筒，筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需要由工艺计算确定。由于本设计中筒体直径较小（小于 500mm） ，因此，圆筒可用无缝钢管制作；另外，由于本设计筒体长度较短，
17、可直接在筒体的下端连接封头，构成一个封闭的压力空间，制成压力容器外壳。圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。本设计中筒体为单层式，其结构简图如图 5。图 5 篮式过滤器筒体结构简图筒体设计计算的主要结构参数如表 3 所示。表 3 筒体结构参数筒体内径 d 380.00mm 筒体外径 D 400.00mm 筒体长度 h 555.00 筒体材料密度 7850.00Kg/m3根据上表中的设计参数，经计算得，筒体体积 V=（D-d)/4*h=8.7*10 -6 m3篮式过滤器设计说明书- 12 -筒体重量 G=V*=0.068 Kg筒体内表面积 Si=dh=0.66 m 2筒体外表面积 So=Dh=
18、0.70 m 23.6 滤网设计3.6.1 滤网材料的选择由于本设计中的滤网除了起到过滤的作用外，还要支撑网壁上滤布，为苹果汁的精滤创造条件。因此，本滤网需要满足直接过滤，透气性好，精度均匀稳定，安装方便，效率高，使用寿命长的要求，考虑成本及实用性等因素，滤网的材料选择 304ss，其实物图形见图 6。图 6 不锈钢滤网实物图3.6.2 滤网参数确定滤网目数就是每平方英寸上的孔数目。目数越大，孔径越小。一般来说，目数 孔径（微米数）15000。滤网目数的大小决定了筛网孔径的大小，而筛网孔径的大小决定了所过筛粉体的最大颗粒 Dmax。由于存在开孔率的问题，也就是因为编织网时用的丝的粗细的不同，不
19、同的国家的标准也不一样，目前存在美国标准、英国标准和日本标准三种，我国使用的是美国标准。参考 GB5330-85工业用金属丝编织方孔筛网 ，本设计中的滤网为平纹编织，网孔基本尺寸为 1.00mm，金属丝直径为 0.355mm，1 级精度篮式过滤器设计说明书- 13 -的工业用金属丝平纹编织方孔筛网，其标记为 GF 1 W 1.00 /0.355。4 结构设计4.1 过滤器结构分析本弧底篮式过滤器设计为在布局上采用直通式，即接管布置在同一水平面上，将篮式滤网置于竖直面上(见图 7)。这样布置，一是较大幅度减少了过滤器整体长度，提高了设备刚度，节省了原材料，降低了成本；二是管道里液体经过过滤器时它
20、的污物由过滤器收藏到滤网中，在一定的程度时通过泄压孔泄压，起到了缓冲作用，以达到轻松打开壳盖清理滤网即可，并可通过滞留物排放口对壳体进行清理，可避免因原料带入异物造成滤网堵塞、引起瞬间负荷过大时，滤网损坏等故障的发生；三是采用直通弧底式结构，结构紧凑，过滤能力大，极大地降低了液体压头损失。 图 7 弧底篮式过滤器结构简图4.2 密封设计篮式过滤器设计说明书- 14 -法兰密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。4.2.1 垫片的类型垫片按材质分为三类：（1）非金属垫片 主要成分是橡胶石棉板、聚四氟乙烯等，柔软，但耐温和压力性能较金属垫片差。只适用于常
21、、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。（2）金属垫片 材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。常用是软铝、紫铜、软钢、蒙耐尔合金(含 Ni67，Cu30，Cr45)钢等。主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。（3）金属非金属组合垫片 主要有金属包垫片及缠绕垫片等。金属包垫片用薄金属板将非金属包起来；金属缠绕垫片是薄低碳钢带与石棉带一起绕制而成。金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些。4.2.2 垫片的选择本设计中根据温度、压力以及介质腐蚀，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等，参考压力容器用垫片标准JB4704-4706 和管道用垫片标准GB4
22、622 等，选用聚四氟乙烯非金属垫片，其主要技术参数如表 3。 表 4 聚四氟乙烯垫片的主要技术参数四氟垫片压力 10MPa四氟垫片温度 250四氟垫片密度 2.1-2.3g/cm3四氟垫片 PH 值 0-144.2.3 压紧面的选择篮式过滤器设计说明书- 15 -要保证法兰连接的紧密性，必须合适地选择压紧面的形状。常用的压紧面形状有突面(a)、凹凸面 (b)、榫槽面(c) 和梯形槽 (d)等几种，如图 8 所示。图 8 压紧面的形式对于压力不高的场合(不大于 2.5MPa)，常用突台面形压紧面。为了使垫片容易变形和防止挤出，其突台面上常刻有 2-4 条同心的三角形沟槽，但对膨胀石墨垫片或缠绕
23、式垫片无须此槽。凹凸型压紧面分别由一个凸面和凹面配合而成，其优点是垫片便于对中，并不易被内压吹出，但宽度仍较大，故需较大的螺栓预紧力，法兰尺寸也要大一些。榫槽型压紧面由一对榫面和槽面配合而成。这种密封面较窄，用于压力更高、密封要求严的场合。这种压紧面不与介质接触，垫片不会挤入设备或管道内，但其拆卸比较困难，因垫片被挤压在槽内不易清除。梯形槽压紧面与椭圆垫圈和八角垫圈配用。其槽的锥面与垫圈形成线(或窄面 )接触密封，因此用于较高压力场合。梯型槽材料的硬度值宜比垫圈材料硬度(HB)高 3040。对比上述压紧面的优缺点，综合考虑加工对象对密封性的要求，本设计采用突台面型压紧面（a） 。篮式过滤器设计
24、说明书- 16 -5 总结本次课程设计主要是进行日产 20t 苹果汁过滤系统的设计。首先，在对全球和我国苹果产销和加工的现状进行充分分析的基础上，论证了随着我国果品产量的大幅度提高，大力发展果汁加工工业，对于稳定果品生产的发展，促进农业的产业化进程，满足人民的消费需求等方面具有重要的意义。然后，根据查阅到的果汁过滤系统的资料文献，决定选用结构简单、维护方便的篮式过滤器作为本次设计的对象。依据拟定的产量对弧底篮式过滤器中的关键部件，包括法兰盖、本体法兰、接管法兰、筒体、筛网等进行了设计计算，对弧底篮式过滤器的整体结构进行了分析，选择了满足密封条件的垫片和压紧面。最后，整个设计充分考虑了目前的经济
25、状况和今后发展的需要，从节能的角度出发选取材料，生产流程尽量提高机械化、自动化水平。此次课程设计虽然经过了多方面的理论论证，力求使设计的设备达到结构合理、经济实用，质量上可靠，布局上合理、规范，但由于理论知识的不足，以及实践经验的欠缺，设计的机难免会存在一些不足，还要在今后的实践中加以改进。本次课程设计得到了王笑丹老师的悉心指点，在此表示衷心的感谢！ 在方案的论证和确定上得到了小组成员的帮助，在此一并表示感谢！- 17 -参 考 文 献1 唐增宝，何永然，刘安俊主编机械设计课程设计（第二版） 华中科技大学出版社2 蔡春源主编新编机械设计实用手册北京：学苑出版社，2002.33 徐灏主编机械设计
26、手册北京：机械工业出版社，1999.14 周良德，朱泗芳等编著现代工程图学湖南科学技术出版社，2000.85 成大先主编机械设计手册（第四卷第五版） 化学工业出版社6 徐自芬，郑百哲.中国包装工程手册（第 1 版）.机械工业出版社，19967 邵长富，赵晋府 .软饮料工艺学M北京：中国轻工业出版社，19858 李基洪.饮料生产设备的使用与维护M.北京：机械工业出版社，19959 赵志新.中小型饮料灌装设备及其维修M北京：轻工业出版社，199810 倪元颖，张欣，葛毅强温带、亚热带果蔬汁原料及饮料制造M.北京：中国轻工业出版社，200111 张敏我国果蔬汁饮料加工现状及发展对策J 食品工业科技，2001(3):34-3712 李凡，李元瑞加工新技术在浓缩苹果汁生产中的应用J 保鲜与加工，2004(3)
