制药设备课程设计培训讲学

制药设备课程设计(Ⅰ)——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。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，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1．1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D1≤1200mm，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1．2．1确定筒体的内径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。1．2．2．确定筒体的高度H。根据计算的罐体直径计算H3/4）（DHVD1bVVVH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。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000尽量不采用括号的直径系列搅拌罐尺寸关系d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/D=0.8~1.0s/d=1.5~2.51．2．3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。cppDtd][21其中td设计厚度，mm；p为设计压力，MPa；D1为薄壁圆筒内径,mm[σ]τ材料在设计温度下的许用应力，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1.05～1.10倍；使用防爆破膜时根据其型式，一般取最大工作压力的1.15～1.4倍作为设计压力。许用应力[σ]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σ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σs和抗拉强度σb作为强度极限，σ与所选材料有关，可以通过查资料或手册得到。ssbbnn][][nb、ns分别是抗拉强度、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：nb≥3.0ns≥1.6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。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8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厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60负偏差0.60.80.911.11.21.3腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取C2＝2mm，当腐蚀速度＞0.05mm／a时，单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。不锈钢取C2＝0。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:pKpDtt5.0][21对标准椭圆形封头:K=11.3罐体压力试验采用水压试验，试验压力公式为其中：[σ]为实验温度下材料的许用应力，MPa；[σ]t为设计温度下材料的许用应力，MPa。tTpp][][25.1试验压力下圆筒中的应力为：查材料的屈服点强度σs如满足σ＜0.9σs，则压力试验强度足够。MPaCtCtDpnnT1188.0)6.16(2)]6.16(3600[23.0)(2)]([1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[σ]T=170MPa，查表16MnR钢σb=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Ｄ１＝3600mm,则标准椭圆形封头的容积为Ｖ１＝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Ｖ1、下封头容积V2和筒体容积V3组成。3588.0076.1/50mVt3231D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1.1×0.1=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：1211213212.14323413162.6DDDDVVVV312157.103234131mDDmDH55.34/)(9.3521MPagHp037.08.955.3107611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%，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Φ=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。mppDt95.1147.08.017023600147.0][21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3mm，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。mmpKpDt5.111.05.08.01702360011.015.0][21上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=ρH2g＝1076×6.67×9.8＝0.07MPacos1][21ppDt下mDHH67.6326.3355.3323112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=0.11＋0.07=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=t＋C2=3＋1=4mm取与筒体一样的厚度5mm。mmppDt75.230cos118.08.01702360018.0cos1][21下6.压力试验采用水压试验，试验压力公式为其中：[σ]为实验温度下材料的许用应力，MPa；[σ]t为设计温度下材料的许用应力，MPa。MPapptT23.017017018.025.1][][25.1tTpp][][25.1试验压力下圆筒中的应力为：而屈服点强度σs＝345MPa0.9σs＝0.9×345＝310.5MPa可见,σ