制药设备与工程设计课程设计模板

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……………………………………………………

3.3.2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

公称容积错误！未找到引用源。缬氨酸发酵罐设计

1.2建议设计参数和技术特性指标

错误！未找到引用源。取错误！未找到引用源。；装料系数错误！未找到引用源。取错误！未找到引用源。；通风管通风比（通气速率/发酵液体积）取错误！未找到引用源。发酵液密度为错误！未找到引用源。，最大粘度错误！未找到引用源。；初始水温错误！未找到引用源。.

接管建议（推荐）：

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错误！未找到引用源。，装料量约错误！未找到引用源。，总高度约错误！未找到引用源。，罐体公称直径错误！未找到引用源。。采用夹套换热器、错误！未找到引用源。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

图中：错误！未找到引用源。罐直筒部分高度，错误！未找到引用源。；

错误！未找到引用源。罐直径，错误！未找到引用源。;

错误！未找到引用源。搅拌器直径，错误！未找到引用源。；

错误！未找到引用源。搅拌器桨距离罐底距离，错误！未找到引用源。；

错误！未找到引用源。多个搅拌桨时的桨距，错误！未找到引用源。；

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：

3.1.1确定罐体高径比

表 1几种搅拌釜的长径比值

对于机械搅拌发酵罐，这里取高径比为错误！未找到引用源。

3.1.2罐体容积计算

已知公称容积错误！未找到引用源。，选取高径比错误！未找到引用源。

罐体内径：错误！未找到引用源。，圆整取公称直径错误！未找到引用源。

查手册得，错误！未找到引用源。的标准椭圆形封头曲面高错误！未找到引用源。，直边高度错误！未找到引用源。，封头容积错误！未找到引用源。，表面积错误！未找到引用源。，查手册得

一米高筒体容积错误！未找到引用源。，表面积错误！未找到引用源。

计算筒高：

筒体高度圆整得错误！未找到引用源。

由计算结果得实际高径比错误！未找到引用源。

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：错误！未找到引用源。

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：错误！未找到引用源。

3.1.2.3设备总容积：错误！未找到引用源。

装料量：错误！未找到引用源。（装料量系数错误！未找到引用源。）

传热面积：错误！未找到引用源。（传热面积按错误！未找到引用源。装料量计算）

3.1.3筒体厚度的确定

3.1.3.1设计要求

罐内压力错误！未找到引用源。；夹套或蛇管压力错误！未找到引用源。；工作温度:罐内小于或等于错误！未找到引用源。，蛇管或夹套小于或等于错误！未找到引用源。；工作介质：罐内轻微腐蚀性，蛇管或夹套蒸汽；搅拌器转速错误！未找到引用源。，物料密度错误！未找到引用源。

3.1.3.2筒体厚度计算

选用错误！未找到引用源。钢材，查表得错误！未找到引用源。钢错误！未找到引用源。，厚度错误！未找到引用源。，设计温度错误！未找到引用源。的许应力为错误！未找到引用源。。

选取筒内设计压力错误！未找到引用源。，同时需判断是否考虑液体静压力

错误！未找到引用源。，超过设计压力的错误！未找到引用源。，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，焊缝系数错误！未找到引用源。

设钢板厚度错误！未找到引用源。，则取负偏差错误！未找到引用源。，双面腐蚀度错误！未找到引用源。

所以错误！未找到引用源。

考虑安全裕量，并参考筒体容积、面积和质量的关系，取筒体厚度错误！未找到引用源。3.1.4上封头厚度的确定

在上封头厚度计算公式中，对标准椭圆形封头错误！未找到引用源。

根据容器最小壁厚的规定，其最小壁厚不应小于错误！未找到引用源。，腐蚀裕量另加，负偏差错误！未找到引用源。上封头外面无夹套，所以无物料腐蚀，错误！未找到引用源。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：错误！未找到引用源。

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：错误！未找到引用源。，直面高度：错误！未找到引用源。

所以下封头装液的高度：错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。，超过设计压力的错误！未找到引用源。，应计算在设计压力内，故错误！未找到引用源。

取负偏差错误！未找到引用源。，双面腐蚀度错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。

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：错误！未找到引用源。

3.1.6罐体压力试验

采用水压试验，试验压力公式：

屈服点强度错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。

得到错误！未找到引用源。，所以压力试验强度足够

3.2夹套直径和高度的确定

表 2

对于筒体内径错误！未找到引用源。，在错误！未找到引用源。范围内

夹套内径错误！未找到引用源。，符合压力容器公称直径

查手册得：错误！未找到引用源。的标准椭圆形封头的封头容积错误！未找到引用源。，表面积错误！未找到引用源。，一米高筒体容积错误！未找到引用源。，表面积错误！未找到引用源。

根据夹套内径计算夹套高度：

夹套高度不得低于料液高度，为保证安全，选取夹套高度错误！未找到引用源。

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，同样选取错误！未找到引用源。为夹套材料

查表得：厚度在错误！未找到引用源。罐内温度错误！未找到引用源。的许应力错误！未找到引用源。，选取夹套设计压力错误！未找到引用源。，焊接系数错误！未找到引用源。，取负偏差错误！未找到引用源。，单面腐蚀取腐蚀裕量错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。

考虑安全裕量，选取夹套厚度错误！未找到引用源。

3.3.1夹套封头厚度的确定

采用标准椭圆形封头，壁厚附加量取错误！未找到引用源。

取夹套的筒体和封头的壁厚均为错误！未找到引用源。

3.3.2夹套压力试验

采用水压试验，试验压力公式：

屈服点强度错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。

得到错误！未找到引用源。，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。当高径比小于错误！未找到引用源。时一般采用单层搅拌器，此后每多错误！未找到引用源。倍，就加一层搅拌器,由于错误！未找到引用源。，则搅拌器层数取错误！未找到引用源。

已知错误！未找到引用源。，一般错误！未找到引用源。,取错误！未找到引用源。

下层搅拌器与罐底的距离高度错误！未找到引用源。，取错误！未找到引用源。

所以错误！未找到引用源。

两搅拌器之间的间距错误！未找到引用源。，取错误！未找到引用源。

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，所以错误！未找到引用源。，圆整取错误！未找到引用源。由于错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，料液浓度错误！未找到引用源。，料液粘度错误！未找到引用源。，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，所以搅拌功率系数取错误！未找到引用源。

对于多层搅拌器来说，其功率用下列公式计算

式中错误！未找到引用源。为搅拌层数，故错误！未找到引用源。

4.1.2按扭矩计算轴的强度

搅拌轴材料采用45钢，45钢的许用应力错误！未找到引用源。，计算系数错误！未找到引用源。，则搅拌轴直径估算

考虑到键槽和腐蚀取裕量错误！未找到引用源。，取错误！未找到引用源。

4.1.3搅拌器支撑尺寸

根据经验轴的悬臂错误！未找到引用源。、轴径错误！未找到引用源。和两轴承间距错误！未找到引用源。应满足系列关系：

错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。

根据错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。,则取错误！未找到引用源。

取错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。

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

由于浆径错误！未找到引用源。，所以采用两叶可拆的圆盘式涡轮，根据直叶圆盘涡轮式搅d：桨长l：桨宽b错误！未找到引用源。

拌器，桨径

j

则错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。

圆盘直径一般取浆径错误！未找到引用源。,所以圆盘直径错误！未找到引用源。

为保持一定的刚性及支持周边的桨叶，取圆盘厚度为错误！未找到引用源。

4.2.2搅拌器结构

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，挡板类型选择错误！未找到引用源。型，挡板数量错误！未找到引用源。，挡板材料选取错误！未找到引用源。材料。

挡板宽度错误！未找到引用源。，取错误！未找到引用源。

挡板与筒体壁的缝隙错误！未找到引用源。

挡板高度应由罐底起至设计液面高度为止，由错误！未找到引用源。，

取整得挡板高度错误！未找到引用源。

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。

5.1 电动机的选择

表4

电动机用错误！未找到引用源。带传动，由上表选择传动系统的效率错误！未找到引用源。 电动机功率：η

T

m P P P +=

公式中：错误！未找到引用源。为电机功率，错误！未找到引用源。；

错误！未找到引用源。为搅拌所需的轴功率，错误！未找到引用源。； 错误！未找到引用源。为轴封摩擦损失功率,一般为错误！未找到引用源。的1%，错误！未找到引用源。； 错误！未找到引用源。为传动系统的效率，取95.0=η 搅拌所需要的轴功率错误！未找到引用源。 轴封摩擦损失功率错误！未找到引用源。 电动机功率:

由上表得选择电动机型号为：错误！未找到引用源。

即：电动机按错误！未找到引用源。型安装，功率为错误！未找到引用源。，电机同步转速错误！未找到引用源。，满载转速错误！未找到引用源。

表5电动机安装代号

表6电动机安装及外形尺寸

5.2减速机选型

根据电机的功率错误！未找到引用源。，搅拌转速错误！未找到引用源。，传动比错误！未找到引用源。，所以选择带传动减速器

错误！未找到引用源。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、错误！未找到引用源。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Ｖ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错误！未找到引用源。，传动比错误！未找到引用源。，故本设计采用普通错误！未找到引用源。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

5.2.1.1传动额定功率错误！未找到引用源。：错误！未找到引用源。（电动机错误！未找到引用源。）

5.2.1.2小皮带轮转速错误！未找到引用源。：错误！未找到引用源。

5.2.1.3大皮带轮转速错误！未找到引用源。：错误！未找到引用源。

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错误！未找到引用源。，载荷几乎无变动，所以工况系数选择错误！未找到引用源。

5.2.1.5设计功率错误！未找到引用源。：

5.2.1.6错误！未找到引用源。带型号选择

表8

根据上表，由设计功率错误！未找到引用源。和小带轮转速错误！未找到引用源。决定选择B型

5.2.1.7速度比错误！未找到引用源。：

5.2.1.8小皮带轮计算直径错误！未找到引用源。

由表初选错误！未找到引用源。，验算带速:

所以不符合要求，应重新选带

选带错误！未找到引用源。

5.2.1.9验算带速错误！未找到引用源。：

通常V型带的带速错误！未找到引用源。，所以错误！未找到引用源。符合要求

5.2.1.10滑动率错误！未找到引用源。：对于V形带错误！未找到引用源。，本设计选取错误！未找到引用源。

5.2.1.11大皮带轮计算直径错误！未找到引用源。：

错误！未找到引用源。圆整取错误！未找到引用源。

5.2.1.12初定中心距错误！未找到引用源。：

因为错误！未找到引用源。，经计算初定错误！未找到引用源。

5.2.1.13带的基准长度错误！未找到引用源。：

查手册，圆整后取错误！未找到引用源。

5.2.1.14初定中心距错误！未找到引用源。：

安装V带时所需要的最小中心距错误！未找到引用源。和最大中心距错误！未找到引用源。计算

5.2.1.15小皮带轮包角错误！未找到引用源。：

错误！未找到引用源。，符合要求

5.2.1.16单根V带额定功率错误！未找到引用源。：

查手册得，错误！未找到引用源。

5.2.1.17 错误！未找到引用源。时，单根V带额定功率增量错误！未找到引用源。：

查手册得，错误！未找到引用源。

5.2.1.18包角修正系数错误！未找到引用源。

查手册得，包角修正系数错误！未找到引用源。

5.2.1.19带长修正系数错误！未找到引用源。：

查手册得，带长修正系数错误！未找到引用源。

5.2.1.20V带根数错误！未找到引用源。：

取整得错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。，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错误！未找到引用源。

由于搅拌轴的轴径错误！未找到引用源。，所以选择轴径为错误！未找到引用源。的联轴器，手册可得所选联轴器错误！未找到引用源。和联轴节错误！未找到引用源。主要结构尺寸参数：

表9 联轴器结构尺寸

验算联轴器的扭矩：

查手册得,工况系数错误！未找到引用源。

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。选择轴径为错误！未找到引用源。的202型标准机械密封

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。由于罐体封头为椭圆型，选择Ⅰ型底面螺孔布置。由于联轴器的错误！未找到引用源。，所选择得机架的内径应大于错误！未找到引用源。，考虑到空间和成本，选择公称直径为错误！未找到引用源。的WJ型机架错误！未找到引用源。。

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，机架公称直径错误！未找到引用源。，所以安装底盖公称直径错误！未找到引用源。

单位：错误！未找到引用源。

表12 安装底盖尺寸

5.7凸缘法兰选型

错误！未找到引用源。型突面凸缘法兰较错误！未找到引用源。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，所以本设计选择错误！未找到引用源。型突面凸缘法兰。安装底盖公称直径错误！未找到引用源。，所以对应的错误！未找到引用源。型突面凸缘法兰的公称直径也为错误！未找到引用源。。

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错误！未找到引用源。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错误！未找到引用源。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

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

罐体直径大于错误！未找到引用源。可开设人孔，若直径较小则应开设手孔。因为设备的直径大于错误！未找到引用源。，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错误！未找到引用源。，满足容器直径错误！未找到引用源。的要求，但因手册建议括号中公称直径尽量不采用，所以改选直径为错误！未找到引用源。人孔，同时，也满足错误！未找到引用源。。

公称压力错误！未找到引用源。，公称直径错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。型盖轴耳，采用错误！未找到引用源。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

表14 人孔尺寸表

5.10接管法兰

据手册法兰选用错误！未找到引用源。突面板式平焊钢制管法兰

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：错误！未找到引用源。

表15

单位：错误！未找到引用源。

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错误！未找到引用源。，分为错误！未找到引用源。型和错误！未找到引用源。型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上时，选错误！未找到引用源。型，故本设计选错误！未找到引用源。型。 5.11.2计算总载荷 5.11.2.1料液总重量