{医疗药品管理}制药设备课程设计

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1、制药设备课程设计() 机械搅拌通风发酵罐设计,一、设计目的,（1）培养学生把所学的制药设备与工艺设计、机械制图、化工原理及其制药工艺学等相关课程的理论知识，在课程设计中综合地加以运用，巩固和强化有关制药设备与工艺设计程的基本理论和基本知识。 （2）培养学生对制药工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题的能力。树立正确的设计思想，掌握机械搅拌通风生物反应器设计的基本方法和步骤，为今后创造性设计生物反应器和相关技术改造工作打下一定的基础。 （3）培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、编写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术

2、人员在机械设计方面所必备的设计能力的基本训练。,二、课程设计的要求,（1）树立正确的设计思想。在设计中自始至终本着对工程设计负责的态度，从难从严要求，综合考虑经济性、实用性、安全可靠性和先进性，严肃认真地进行设计，高质量完成设计任务。 （2）具有积极主动的学习态度和进取精神。在课程设计中遇到问题不敷衍，通过查阅资料和复习有关教科书，积极思考、提出个人见解，主动解决问题，注重能力培养。 强调独立思考，有创造性的设计。在课程设计中学会收集、理解、熟悉和使用各种资料，是培养设计能力的重要方面，也是设计能力强的重要表现。 （3）学会正确的设计方法，统筹兼顾、抓住主要矛盾。对于初学者，往往把设计片面的理

3、解为是理论上的强度、刚度等计算，认为这些计算结果不可更改，实际上，对于设备的合理设计，其计算结果只是设计时某一方面的依据，设计是还要考虑结构等方面的要求。,三、课程设计的内容,1、准备阶段 （1）设计前应预先准备好设计资料、手册、图册、计算和绘图工具、图纸等； （2）认真研究设计任务书，分析设计题目的原始数据和工艺条件，明确设计要求和设计内容； （3）设计前应认真复习有关教材，熟悉有关资料和设计步骤； （4）有条件的应结合现场参观，熟悉典型设备的结构，比较其优缺点，以便选择出适当的结构为己所用，没有现场条件的也要先读懂几张典型设备图。,2、工艺计算和机械设计阶段,根据设备的工艺条件，围绕设备内

4、、外附件的选型进行结构设计、围绕着确定厚度大小进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算，一般步骤如下： （1）全面考虑按压力大小、温度高低和腐蚀性大小等因素来选材。 （2）选用零部件。 （3）强度、刚度、稳定性设计和校核计算。 （4）传动设备的计算与选型。 （5）绘制设备总装配图。对初学者，常采用“边算、边选、边画、边改”的作法，初步计算后，确定大体结构尺寸，分配图纸幅面，绘出视图初稿，待尺寸确定后再加深成正式图纸。 （6）绘制零部件图。 （7）提出技术要求。对设备制造、装配、检验和试车等工序提出合理的要求，以文字形式标注在总装配图上。,3、编制设计计算说明书,设计计算说明数是图纸设计的理论依据，

5、是设计计算的整理和总结，是审核设计的技术文件之一，其内容大致包括： 目录 设计任务书 设计方案的分析和拟定； 各部分结构尺寸的确定和设计计算； 设计总结（每人一份，独立完成）； 参考文献。 附件：发酵罐装配图1张,课程设计参考资料,电子资源：学校数字化图书馆，主要包括： 1）典型化工设备机械设计指导； 2）化工设备机械基础课程设计； 3）化工设备设计全书搅拌设备设计； 4）挠性传动设计； 5）发酵生产设备； 6）发酵工程与设备； 纸本图书资源： 主要在老区图书馆借阅。 主要包括化工机械设备及其设计等。,四、设计步骤,（一）、发酵罐的总体结构设计 根据工艺要求并考虑制造、安装、维护检修的方便，确

6、定各部分的结构形式，如封头的形式，传热方式，传动类型、轴封和各种附件的结构形式。,1 罐体的设计,11 罐体的结构设计 罐体由顶盖、筒体和罐底组成，通过支座安装在基础或平台上，罐底通常采用椭圆形封头，顶盖在受压状态下操作，常选用椭圆形封头，对直径较小的种子罐，顶盖可采用薄钢板制造的平盖，并在薄钢板上加设型钢制的横梁，用以支撑搅拌器及其传动装置。顶盖与罐底分别与筒体相连，罐底与筒体的连接采用焊接。筒体与顶盖的连接形式分为可拆连接和不可拆连接，筒体内径D11200mm，宜采用可拆的法兰连接，常采用甲型平焊法兰连接。大型发酵罐一般采用焊接连接。,发酵罐的结构,1.2 罐体几何尺寸的计算,121 确定

7、筒体的内径D 一般由工艺条件给定的公称容积V、装料系数和高径比H/D，计算确定筒体的内径D。 122确定筒体的高度H。 根据计算的罐体直径计算H,其中：Vb为下封头的容积 V1为1米高筒体的容积，与内径有关，可查手册确定。,压力容器公称直径D的选择,括号为非优先系列。,尽量不采用括号的直径系列,搅拌罐尺寸关系,d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 s/d =1.52.5,123 确定筒体的厚度,根据工艺条件，筒体材料、内压力已确定的内径等参数，按强度计算公式确定筒体的设计厚度。,其中td设计厚度，mm； p为设计压力，MPa； D1为薄壁圆筒内径,mm 材料在设计

8、温度下的许用应力，MPa；,厚度附加量,设计压力与工作压力,注意：设计任务书中给定压力为最大工作压力； 使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍； 使用防爆破膜时根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。,许用应力,许用应力是容器壳体等受压元件的材料许用强度，取材料极限强度与相应的安全系数之比。 材料的极限强度的选择取决于容器材料的判废标准，对于常温或温度不高的搅拌罐，为了防止在操作过程中出现过度塑性变形或断裂等破坏形式，在工程设计中通常取屈服点s和抗拉强度b作为强度极限， 与所选材料有关，可以通过查资料或手册得到。,nb、ns分别是抗拉强

9、度、屈服点的安全系数,安全系数是一个反映包括设计分析、材料试验制造运行控制等水平不同的质量保证参数，对于碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢：nb3.0 ns1.6,常用材料的许用应力数据,焊接接头系数,焊接削弱而降低设计许用应力的系数。 根据接头型式及无损检测长度比例确定。,符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。,厚度附加量,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2,腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀)时： 碳素钢和低合金钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm，

10、 当腐蚀速度0.05mma时，单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C24mm。 不锈钢取C20。,1.3.4 确定封头厚度和结构尺寸,封头的设计已标准化，内径与筒体的内径一致，标准锥形封头、椭圆标准封头尺寸可查设计资料。 封头设计厚度按工艺条件，用强度计算公式进行计算。对椭圆形封头:,对标准椭圆形封头:K=1,1.3 罐体压力试验,采用水压试验，试验压力公式为 其中：为实验温度下材料的许用应力，MPa； t为设计温度下材料的许用应力，MPa。,试验压力下圆筒中的应力为： 查材料的屈服点强度s 如满足0.9 s，则压力试验强度足够。,例题1,试设计一酒精发酵罐，工艺要求为：一次投入50t的发酵液，密

11、度为1.076t/m3，要求装料系数为0.8，发酵最高温度为32,最高工作压力为0.1MPa,试确定发酵的主要结构尺寸和壁厚。 解: 1.选材 对于生物加工工业，发酵罐的制造材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢，相对于其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀性不大，温度不高，压力为低压，故可选用16MnR钢材,材料在设计温度下的许用应力为T=170MPa， 查表16MnR钢b =510MPAa，安全系数nb取3。,2. 发酵罐的主要尺寸,发酵罐的总容积为 发酵罐为立式容器,上封头选用标准椭圆形封头,下封头为了考虑排料选用无折边的锥形封头,并选取筒体高度H与筒体半径D1的比值为1.2:1。 初选筒体直径取3

12、600mm,则标准椭圆形封头的容积为6.62m3, 设锥形封头锥体高度为h,半锥顶角为30,则h= 故发酵罐的容积由上封头容积1、下封头容积V2和筒体容积V3组成。,解得D1=3530mm，经圆整并取公称直径为D1=3600mm。 3、发酵罐筒体壁厚计算： 取设计压力等于最高工作压力的1.1倍，即1.10.1=0.11MPa。同时还需判断是否需要考虑液体静压力。 罐内实装发酵液为50/1.076=46.47m3，锥体部分的发酵液为 ，所以筒身部分实装发酵液为46.47-10.57=35.9m3，故筒身部分液柱高度为 ，筒体底部静压力为：,由上述计算可见，筒体部分液柱静压力已超过设计压力的5%，

13、应计如设计压力内，计设计压力为p=0.11+0.037=0.147MPa筒体的焊缝采用带垫板的单面对接焊缝，局部无损伤，焊缝系数=0.8。,筒体的计算壁厚为： 根据容器最小壁厚的规定，最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕度另加。 由表14-7查得钢板厚度负偏差c1=0.22mm，腐蚀裕量取c2=1mm， 所以筒体的设计厚度为： td=t+c1+c2=3+0.22+1=4.22mm 考虑安全裕量，圆整后取筒体的名义厚度为5mm。,4.上封头壁厚计算,上封头为标准的椭圆形封头，其壁厚按前面公式计算，对于标准椭圆形封头，形状系数K=1，所以上封头计算厚度为： 根据容器最小壁厚的规定，其最小壁厚应不小于3m

14、m，腐蚀裕量另加，所以上封头的设计厚度为： t上d=t上+C2=3+1=4mm。 取与筒体一样的厚度5mm。,5.下封头的壁厚计算,下封头为无折边锥形封头(半顶角30），椎体部分厚度可按下式计算： 发酵液的高度为： 由于静压在封头底部产生的压力为： p2=H2g10766.679.80.07MPa,可见，锥形封头部分液柱静压已超过了设计压力的5%，应计入设计压力内，即锥形封头的设计压力为： p=0.110.07=0.18MPa 锥体部分的计算厚度为： 根据容器最小壁厚的规定，其最小壁厚应不小于3mm，腐蚀裕量另加，锥体部分的设计厚度为： t下d=tC2=31=4mm 取与筒体一样的厚度5mm

15、。,6.压力试验,采用水压试验，试验压力公式为 其中：为实验温度下材料的许用应力，MPa； t为设计温度下材料的许用应力，MPa。,试验压力下圆筒中的应力为： 而屈服点强度s345MPa 0.9 s0.9345310.5MPa 可见,0.9 s,所以压力试验强度足够。,2. 换热装置设计,换热方式： 中小型发酵罐优先采用夹套换热，当夹套传热面积难以满足工艺温度的要求时，采用内蛇管或列管换热。,2.1 夹套换热装置2.1 .1 夹套常用结构形式,发酵罐通常采用（b）这种结构形式,2.1.2 夹套几何尺寸计算,夹套的内径D2除根据工艺要求确定外，还需根据安装和结构要求合理确定，夹套的内径D2可根据

16、筒体内径D1，按经验选取（验算）。 表 夹套内径D2 mm,当发酵罐内径大于3000mm时，只能采用内部蛇管或列管换热。,夹套高度H2由传热面积确定，高度不低于料液高度，通常与装料系数有关。 夹套高度H2可按下式计算： H2=( V-V封)/V1m V1m1米高筒体容积，m3/m。 夹套所包围的罐体表面积(筒体表面积F筒+封头表面积F封)一定要大于工艺要求的传热面积F，即:,夹套的强度(厚度)计算,按内压薄壁容器对夹套筒体和封头进行强度计算，计算公式与釜体计算公式完全相同。 最后对夹套进行水压校核计算。,2.1.3 夹套与釜体连接与安装,夹套与釜体的连接可分为: 不可拆卸的整体夹套； 可拆卸的整体夹套。,不可拆整体夹套,可拆卸的整体夹套,夹套的安装,夹套与筒体的焊接点与法兰的距离要考虑装拆法兰螺栓的方便，一般不小于150200mm。,根据工艺要求温度、总散热量等确定冷却装置（设管、列管等）的冷却面积、管径、长度、高度等参数。,2.2 蛇管换热装置,无挡板的涡轮搅拌反应器,蛇管中径与容器直