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1、制药设备与工程设计课程设计题目：公称容积30 m3缬氨酸发酵罐设计设计小组：第六组专业班级：制药 班设计组成员：指导教师：黎先发西南科技大学生命科学与工程学院二一三年十二月目录一、设计任务书1.1设计内容1.2设计参数和技术特性指标1.3设计要求二、概述2.1设计目的2.2设计思想及依据2.3设计原则2.4发酵罐设计概述三、罐体及传热装置的设计3.1罐体及换热装置的设计3.1.1确定罐体高径比3.1.2罐体容积计算3.1.3管体厚度的确定3.1.4上封头厚度的确定3.1.5下封头厚度的确定3.1.6罐体压力试验3.2夹套直径和高度的确定3.3夹套材料和壁厚的确定3.3.1夹套封头厚度的确定3.
2、3.2夹套压力试验四、搅拌装置及附件设计4.1搅拌轴计算4.1.1搅拌轴功率计算4.1.2按扭矩计算轴的强度4.1.3搅拌器支撑尺寸计算4.2搅拌器选型及分布4.2.1搅拌器基本尺寸计算4.2.2搅拌器结构4.3挡板设置五、传动装置设计及部分其它装置选型设计5.1电动机选择5.2减速机选型5.2.1 V带设计5.3联轴器选型5.4密封装置选型5.5机架选型5.6安装底盖5.7凸缘法兰选型5.8罐体上接管口5.9人孔选型5.10接管法兰5.11支座设计和计算5.11.1支座选型5.11.2计算总载荷六、剩余其它装置选型设计6.1视镜选型设计6.2消泡装置选型设计6.3液面计设计6.4无菌空气分布
3、管设计七、设计总结7.1设计组成员信息7.2设计分工7.3组员个人总结八、公称容积30 m3缬氨酸发酵罐设计装配图（附图）九、参考文献一、设计任务书1.1设计内容公称容积缬氨酸发酵罐设计项目名称参数或指标工作压力罐内0.15Mpa夹套（蛇管）内0.25Mpa工作温度罐内121夹套（蛇管）内150工作介质罐内轻微腐蚀性物料夹套内蒸汽组别6装料量（m3）26传热面积（m2）39搅拌器型式直叶圆盘涡轮搅拌器转速/rmp200搅拌轴功率kw9.06其它夹套换热时，至少应装四块挡板（根据需要设置）罐体材料16Mn1.2建议设计参数和技术特性指标取；装料系数取；通风管通风比（通气速率/发酵液体积）取 发酵
4、液密度为，最大粘度；初始水温.接管建议（推荐）：出料口冷凝液出口蒸汽进口温度计插口视镜进料口人孔手孔压缩空气入口1.3设计要求1.3.1机械搅拌生物反应器机械计算及整体结构设计，完成设计说明书。1.3.1.1进行罐体及夹套（或内部蛇管）设计计算1.3.1.2进行搅拌装置设计：搅拌器的选型设计；选择轴承、联轴器，罐内搅拌轴的结构设计，搅拌轴计算和校核；1.3.1.3搅拌器、电机功率计算、传动系统的设计计算：尽可能采用V带传动，进行传动系统方案设计；进行带传动设计计算； 1.3.1.4密封装置的选型设计1.3.1.5选择支座形式并计算1.3.1.6手孔或人孔选型1.3.1.7选择接管、管法兰、设备
5、法兰1.3.1.8设计机架结构1.3.1.9设计凸缘及安装底盖结构1.3.1.10空气分布管、视镜的选型设计1.3.2绘制搅拌式生物反应器装配图(3号图纸)。二、概述2.1设计目的本设计涉及到化工原理、制药工艺学、工程制图以及制药设备与工程设计等多门课程所学知识，通过这次课程设计我们对所学各科知识有一个具体的运用机会，同时达到温故知新的目的。在设计过程中会遇到不同的问题，需要靠组员的积极协调与配合才能保质保量的完成设计，所以此设计要求我们要在发现问题后积极独立的分析问题并讨论出解决问题的办法。设计要求各组员按各自专长进行分工，已达到资源充分合理的利用。2.2设计思想及依据 本机械搅拌发酵罐的设
6、计主要是按照指导老师给定的设计任务书进行设计，在设计过程中遇到的问题先是组员之间协商解决，若不能再与其他组成员进行交流，希望能够尽量独立完成这次设计。对于设备的参数选择及选型严格按照机械设计手册和相关参考资料进行选择设计。2.3设计原则本设计中遵循“边算、边选、边改，最后绘图”的原则，设备参数选择及选型多从生产要求出发考虑经济效益进行选择，已达到经济高效的生产目的。2.4发酵罐设计概述发酵罐是用于培养微生物或细胞的封闭容器或生物反应装置。因材料、大小和形状的差异，发酵罐有很多种类，可用于研究、分析和生产。本缬氨酸发酵罐的设计根据工艺要求并考虑制造、安装、维护检修的方便，需要确定换热装置、传热装
7、置、搅拌装置和其他附件的参数和型号。由设计题目，我组设计的缬氨酸发酵罐总容积，装料量约，总高度约，罐体公称直径。采用夹套换热器、带减速器、直叶涡轮圆盘式搅拌器，联轴器设计在罐体内部，还包括接管、支座、轴封、法兰、安装底座、人孔、试镜、液面计、消泡器等附件。三、罐体及换热装置的设计3.1罐体及封头几何尺寸计算图1 罐体结构简图图中：罐直筒部分高度，；罐直径，;搅拌器直径，；搅拌器桨距离罐底距离，；多个搅拌桨时的桨距，；选取标准椭圆形封头，封头的公称直径与筒体相同，结构如图：图2 封头结构3.1.1确定罐体高径比种类釜内介质接触形式H/Di一般反应釜液-液相或液-固相物料1 1.3气-液相物料1
8、2发酵罐类气-液相物料1.7 2.5表 1 几种搅拌釜的长径比值对于机械搅拌发酵罐，这里取高径比为3.1.2罐体容积计算已知公称容积 ，选取高径比罐体内径：，圆整取公称直径查手册得，的标准椭圆形封头曲面高，直边高度 ，封头容积，表面积，查手册得一米高筒体容积，表面积计算筒高：筒体高度圆整得由计算结果得实际高径比复核结果与选取高径比相同，满足要求。3.1.2.1全容积：罐的圆柱体部分体积和上下封头体积之和即：3.1.2.2公称容积：罐的圆柱体部分体积和下封头的体积之和（取整数） 即：3.1.2.3设备总容积： 装料量： （装料量系数） 传热面积： （传热面积按装料量计算）3.1.3筒体厚度的确定
9、3.1.3.1设计要求罐内压力；夹套或蛇管压力；工作温度:罐内小于或等于，蛇管或夹套小于或等于；工作介质：罐内轻微腐蚀性，蛇管或夹套蒸汽；搅拌器转速，物料密度3.1.3.2筒体厚度计算选用钢材，查表得钢，厚度，设计温度的许应力为。选取筒内设计压力，同时需判断是否考虑液体静压力 ，超过设计压力的，应计算在设计压力内筒体的焊缝采用单面对接焊缝，几部无损伤，焊缝系数设钢板厚度，则取负偏差，双面腐蚀度所以考虑安全裕量，并参考筒体容积、面积和质量的关系，取筒体厚度3.1.4上封头厚度的确定在上封头厚度计算公式中，对标准椭圆形封头根据容器最小壁厚的规定，其最小壁厚不应小于，腐蚀裕量另加，负偏差上封头外面无
10、夹套，所以无物料腐蚀，所以上上封头的设计厚度为：为了便于制造，上封头与筒体设计为相同厚度，即：3.1.5下封头厚度的确定据公称直径查相应标准椭圆形封头的参数得：曲面高度：，直面高度：所以下封头装液的高度：，超过设计压力的，应计算在设计压力内，故取负偏差，双面腐蚀度，下封头设计厚度为：为了便于制造，下封头与筒体设计为相同厚度，即：3.1.6罐体压力试验采用水压试验，试验压力公式：屈服点强度，所以得到，所以压力试验强度足够3.2夹套直径和高度的确定表 2对于筒体内径，在范围内夹套内径，符合压力容器公称直径查手册得：的标准椭圆形封头的封头容积，表面积，一米高筒体容积，表面积根据夹套内径计算夹套高度：
11、夹套高度不得低于料液高度，为保证安全，选取夹套高度验算夹套传热面积：符合设计要求3.3夹套材料和壁厚的确定为便于制造，同样选取为夹套材料查表得：厚度在罐内温度的许应力，选取夹套设计压力，焊接系数，取负偏差，单面腐蚀取腐蚀裕量，所以考虑安全裕量，选取夹套厚度3.3.1夹套封头厚度的确定采用标准椭圆形封头，壁厚附加量取取夹套的筒体和封头的壁厚均为3.3.2夹套压力试验采用水压试验，试验压力公式：屈服点强度，所以得到，所以压力试验强度足够四、搅拌装置及附件设计4.1搅拌轴计算4.1.1搅拌轴功率计算由于设计搅拌发酵罐，搅拌器既要有较强剪切力，又要有较大的流体循环特性，涡轮式适于搅拌多种物料，尤其对中
12、等粘度液体特别有效；混合生产能力较高，能量消耗少，搅拌效率较高；有较高的局部剪切效应；容易清洗和造价较高。涡轮式搅拌机常用于制备低粘度的乳浊液、悬浮液和固体溶液。所以选用直叶圆盘涡轮式搅拌器。当高径比小于时一般采用单层搅拌器，此后每多倍，就加一层搅拌器,由于，则搅拌器层数取已知，一般,取下层搅拌器与罐底的距离高度，取所以两搅拌器之间的间距，取为避免搅拌器工作时产生漩涡，应使搅拌器暴露在空气中，第一个搅拌器距离料液液面的高度不小于搅拌器外径的1.5倍，所以，圆整取由于，料液浓度，料液粘度，则所以，料液流动状态为湍流搅拌功率计算：表3 湍流时各搅拌的功率准数氨基酸发酵搅拌过程为固体有机物悬浮，所以
13、搅拌功率系数取对于多层搅拌器来说，其功率用下列公式计算式中为搅拌层数，故4.1.2按扭矩计算轴的强度搅拌轴材料采用45钢，45钢的许用应力，计算系数，则搅拌轴直径估算考虑到键槽和腐蚀取裕量，取4.1.3搅拌器支撑尺寸图3 搅拌轴结构根据经验轴的悬臂、轴径和两轴承间距应满足系列关系：，根据，所以,则取取，所以由于搅拌轴较长，故在底部增加一个底轴承。4.2搅拌器选型及分布4.2.1搅拌器基本尺寸设计由于浆径，所以采用两叶可拆的圆盘式涡轮，根据直叶圆盘涡轮式搅拌器，桨径：桨长：桨宽则，圆盘直径一般取浆径,所以圆盘直径为保持一定的刚性及支持周边的桨叶，取圆盘厚度为4.2.2搅拌器结构图4 直叶圆盘搅拌
14、器结构4.3挡板设置由于釜内物质粘度不大，选择把挡板装在壁上，挡板类型选择型，挡板数量，挡板材料选取材料。挡板宽度，取挡板与筒体壁的缝隙挡板高度应由罐底起至设计液面高度为止，由，取整得挡板高度五、传动装置的设计搅拌釜的传动装置一般包括：电动机、减速器、联轴器、机架及传动轴。电动机经减速器将转速降低，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器转动。整个传动装置连同机架及轴封装置都安装在底座上。图55.1 电动机的选择表4电动机用带传动，由上表选择传动系统的效率电动机功率：公式中：为电机功率，； 为搅拌所需的轴功率，； 为轴封摩擦损失功率,一般为的1%，； 为传动系统的效率，取搅拌所需要的轴功率轴
15、封摩擦损失功率电动机功率:由上表得选择电动机型号为：即：电动机按型安装，功率为，电机同步转速，满载转速安装型式示意图中心高度（）表5 电动机安装代号30图6 电动机结构单位：表6 电动机安装及外形尺寸5.2减速机选型根据电机的功率，搅拌转速，传动比，所以选择带传动减速器带减速器的特点具有结构简单，制造方便，价格低廉，能防止过载，噪音小。但不适用于防爆场合。传动带按照截面形状可分为：平带、形带（又称三角带）、圆形带等类型。普通V形带的工作面是两侧面，与平带相比，由于截面的楔形效应，其摩擦力较大，所以能传递较大的功率。普通形带无接头，传动平稳，应用最广泛。由于设计的电动功率小于，传动比，故本设计采
16、用普通形带传动。带传动设计和计算主要内容：带的选型、根数、长度、带轮直径、中心距及带轮的结构尺寸等。5.2.1V带设计图7 带传动组成5.2.1.1传动额定功率：（电动机）5.2.1.2小皮带轮转速：5.2.1.3大皮带轮转速：5.2.1.4工况系数选择表7根据上表，由于是液体搅拌机，生产时工作时长大于，载荷几乎无变动，所以工况系数选择5.2.1.5设计功率：5.2.1.6带型号选择表8根据上表，由设计功率和小带轮转速决定选择B型5.2.1.7速度比：5.2.1.8小皮带轮计算直径由表初选，验算带速:所以不符合要求，应重新选带选带5.2.1.9验算带速：通常V型带的带速，所以符合要求5.2.1
17、.10滑动率：对于V形带，本设计选取5.2.1.11大皮带轮计算直径：圆整取5.2.1.12初定中心距：因为，经计算初定5.2.1.13带的基准长度：查手册，圆整后取5.2.1.14初定中心距：安装V带时所需要的最小中心距和最大中心距计算5.2.1.15小皮带轮包角：，符合要求5.2.1.16单根V带额定功率：查手册得，5.2.1.17 时，单根V带额定功率增量：查手册得，5.2.1.18包角修正系数查手册得，包角修正系数5.2.1.19带长修正系数：查手册得，带长修正系数5.2.1.20V带根数：取整得，所以符合要求5.3联轴器选型选择联轴器时主要考虑以下几个方面：载荷的大小及性质，轴转速的
18、高低，两轴相对位移的大小及性质，工作环境，装拆、调整维护要求及价格等。对载荷平稳的低速轴，如两轴对中精确，轴本身刚度较好时，可选用刚性联轴器。本设计根据要求选择立式夹壳联轴器图8 立式夹壳联轴器结构图由于搅拌轴的轴径，所以选择轴径为的联轴器，手册可得所选联轴器和联轴节主要结构尺寸参数：单位：轴径501813562429019024836螺栓个数直径长度最大扭矩（Nm）94570100160.66M1255530表9 联轴器结构尺寸验算联轴器的扭矩：查手册得,工况系数对联轴器计算名义扭矩：确定计算扭矩：符合要求5.4密封装置选型密封装置有填料函密封和机械密封，一般采用机械密封。机械密封分为平衡型
19、和非平衡型两大类，常用的机械密封装置已有标准系列，可根据轴径等要求直接选用。轴封是搅拌轴与机架间的密封装置，本设计选择机械密封。机械密封的密封性能良好，摩擦功率损失小，对轴的磨损轻微，工作状态稳定，维修周期长，能满足多种特殊工艺条件的需要。选择轴径为的202型标准机械密封图9 202型标准机械密封结构 单位：搅拌轴轴径50502602251881804.5201001608-1816表10 机械密封结构尺寸5.5机架选型机架是安放加速器用的，它与减速器底座尺寸相匹配。标准机架有无支点机架、单支点机架和双支点机架。本设计中选用的V带减速器直径较小的齿轮连接在传动机轴上，较大的选用单点无支点机架。
20、由于罐体封头为椭圆型，选择型底面螺孔布置。由于联轴器的，所选择得机架的内径应大于，考虑到空间和成本，选择公称直径为的WJ型机架。图10 WJ型无支点机架单位：表11 机架尺寸5.6安装底盖安装底盖采用螺栓等紧固件，上与机架相连，下与凸缘法兰连接，是整个搅拌传动装置与容器连接的主要连接件。安装底盖的公称直径与机架公称直径相同，机架公称直径，所以安装底盖公称直径图11 RS和LRS型安装底盖单位：表12 安装底盖尺寸5.7凸缘法兰选型型突面凸缘法兰较型凹面凸缘法兰与安装底盘能更紧密的结合，更合理的配合，所以本设计选择型突面凸缘法兰。安装底盖公称直径，所以对应的型突面凸缘法兰的公称直径也为。图12
21、R型突面凸缘法兰结构表13 凸缘法兰尺寸5.8罐体上接管口进料口接管伸入设备内部并制成斜口可避免物料沿罐体内壁流动，减少料液对壁面的磨损和腐蚀。本设计选用如图所示进料管结构，进料管插入液面 ，以减少冲击液面而产生泡沫，管上部液面以上分开小孔，以防料液虹吸。出料管有上出料（压料管）和下出料两种，当罐体壁温度与夹套壁温度相等时采用如图所示出料管结构进料口出料口图13 接管图仪表的接管和罐体的安装都用插入式，处于常低压条件下采用单面或双面角焊接，否则采用开坡口的单面或双面焊。温度计应深入料液中，由于受到料液的冲击，常采用多层套管加强保护。5.9人孔选型罐体直径大于可开设人孔，若直径较小则应开设手孔。
22、因为设备的直径大于，所以选择开设人孔。又圆形人孔制造比较方便，所以选择圆形人孔。设计技术要求人孔直径，满足容器直径的要求，但因手册建议括号中公称直径尽量不采用，所以改选直径为人孔，同时，也满足。公称压力，公称直径，型盖轴耳，采用型密封面，其中垫片采用石棉橡胶板垫的回转盖带颈平焊法兰人孔图14 回转盖带颈平焊法兰人孔结构图单位：mm表14 人孔尺寸表5.10接管法兰据手册法兰选用突面板式平焊钢制管法兰图15 突面板式平焊钢制管法兰结构根据设计任务书结合手册上突面板式平焊钢制管法兰理论尺寸对实际设计接管尺寸进行合理调整得到：单位：出料口冷凝液出口蒸汽进口温度计插口视镜进料口人孔压缩空气入口表15单
23、位：表16 接管法兰尺寸5.11支座设计和计算5.11.1支座选型最常用的支座为耳式支座，分为型和型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上时，选型，故本设计选型。图16 A型耳式支座结构5.11.2计算总载荷5.11.2.1料液总重量5.11.2.2设备总重量查手册得：厚度为的筒体1米高筒节钢板理论质量，筒高重力加速度，所以筒体重量：查手册得：直径为且厚度为，曲边高度，直边高度的椭圆形封头质量，所以封头重量：所以，罐体重量：夹套高度，厚度,夹套外径，钢的密度，冷凝水密度所以夹套重量： 冷凝水重量 其余部件的重量较小，可以忽略不计，所以设计的机械搅拌发酵罐设备总重量:加满料液后发酵罐的总重量：5
24、.11.2.3支座选型每台搅拌罐常用4个支座，但作承重计算时，考虑到安装误差造成的受力情况变坏，应按两个支座计算。如果不考虑动载荷，支座承受的总重量为设备的总重量及工作介质及冷却介质的总重量之和。按两个支座计算允许载荷：所选支座的允许载荷应大于计算允许载荷，所以选择允许载荷为的支座单位：表17 型耳式支座主要尺寸六、其他装置选型设计6.1视镜选型设计 视镜主要用来观察搅拌罐内物料混合情况，也可作液面指示镜。根据HG/T 21575-94选择带灯有颈视镜尺寸图17 带灯有颈视镜结构表18 带灯有颈视镜尺寸6.2消泡装置选型设计常用的机械消泡装置分为罐内消泡装置和罐外消泡装置。本设计是设计一个搅拌
25、发酵罐选用罐内消泡装置。最简单的是在搅拌轴上加上一个消泡浆，通过转动产生的剪切力打碎泡沫，也有利用泡沫旋转产生的离心力破泡的形式。装置结构主要有耙式，旋转圆板式，冲击反射式等。常用消泡装置介绍：（1） 耙式消泡桨，固定在搅拌轴上，安装在液面略上部位，随搅拌轴一起转动，利用耙齿将泡沫打碎，消泡效果有限，辅助消泡，与消泡剂配合使用。（2） 旋转圆板式消泡装置，在发酵罐内的气相中，与发酵液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。但需要动力装置，本着节约能量的原则本设计不选用此种消泡装置。（3） 变径孔式消泡桨，消泡桨安装在发酵液液面略
26、上的搅拌轴上，依靠原来电机提供动力，变径孔氏消泡桨主要是依靠泡沫通过变径时所产生的压力变化以及转动时所产生的剪切力来消除泡沫。 此种消泡装置节省能源，消泡效果较好，适用于本次所设计的装置。图186.3液面计设计 液面计是用来观察设备内部液面位置的装置。常见的液面计有板式液面计、玻璃管液面计、浮子式液面计、和磁性液面计4种类型，尤其以玻璃管液面计最为常用。液面计结构有多种型式，其中部分已经标准化，最常用的是玻璃管液面计、玻璃板液面计等。 其中玻璃板液位计具有读书清析、直观、可靠、结构简单、维修方便、经久耐用的特点，所以本次设计选用玻璃板液面计。其中T型液面计适用于公称压力2.5及6.3的情况，R
27、型适用于公称压力4.0的情况，S型适用于常压及公称压力为0.6的情况。所以本次选用S型S0.6-Q由碳钢制成的玻璃板式液面计。图196.4无菌空气分布管设计 无菌空气分布管采用空气分布装置，其作用是吹入无菌空气，使空气分布均匀。采用单管装置，单管装置简单实用，单次通入量大。因为培养液体积为，通风管通风比（通气/发酵液体积）取，本设计取0.2则计算空气流量：计算压缩空气流量：通风管中压缩空气流速为，则管径选用的无缝钢管七、设计总结7.1设计组成员信息（按学号先后排序）姓 名学号班级组别制药第六组制药第六组制药第六组制药第六组表197.2设计分工姓 名分工内容搅拌装置及附件设计，剩余其它装置选型设计，组员工作协调传动装置设计及部分其它装置选型设计，概述，电子文档编辑制图，检查之前步骤的合理性，统一前后计算选型罐体及换热装置的设计，数据计算审核表207.3组员个人总结八、公称容积30 m3缬氨酸发酵罐设计装配图（附图）九、参考文献