華南理工大學(xué)發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)第六章 設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型final

1、第六章 設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型一、專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的依據(jù) 由工藝計(jì)算確定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗風(fēng)量、耗冷量等。 工藝操作的最適外部條件(溫度、壓力、真空度等)。 設(shè)備的構(gòu)造類型和性能。二、專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的程序和內(nèi)容 (1)設(shè)備的工藝操作任務(wù)、工作性質(zhì)、工作參數(shù)的確定。 (2)設(shè)備選型及該型號(hào)設(shè)備的性能、特點(diǎn)評(píng)價(jià)。 (3)設(shè)備生產(chǎn)能力的確定。 (4)設(shè)備數(shù)量計(jì)算。 (5)設(shè)備主要尺寸的確定。 (6)設(shè)備的傳動(dòng)攪拌和動(dòng)力消耗計(jì)算。 (7)設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)。 (8)支撐方式的計(jì)算選型。 (9)壁厚的計(jì)算選擇。 (10)材質(zhì)的選擇和用量計(jì)算。 (11)其他特殊問題的考慮。(一)間歇操作

2、設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算 1間歇操作設(shè)備生產(chǎn)能力的確定 生產(chǎn)能力的表示方法，一般為t(罐批)或m3(罐批)。例如3000ta味精廠選容積為100t的發(fā)酵罐，其生產(chǎn)能力為： 10070154880112 (1-1)4.47t(罐批) 100發(fā)酵罐容積(t) 15發(fā)酵初糖濃度 70填充系數(shù) 48發(fā)酵轉(zhuǎn)化率 80提取率 112精制收率 1染菌率3設(shè)備容積的計(jì)算 式中 V 設(shè)備的總?cè)莘e(m3) Va24h內(nèi)加工的成品或半成品的容積() r操作周期，包括預(yù)備時(shí)間、操作和清洗等輔助操作時(shí)間(h) ? 設(shè)備的填充系數(shù)，裝有攪拌和冷卻裝置的或產(chǎn)生泡沫多的物料應(yīng)取0.60.8，酒精發(fā)酵罐等取0.80.85，汽液分離器取0

3、.7等4設(shè)備主要尺寸的計(jì)算 發(fā)酵工廠的設(shè)備多為容器型設(shè)備。不同的設(shè)備，高徑比有很大差別。錐形底制作容易，排料干凈，間歇操作采用較多。 通常根據(jù)已知容量V以及高徑比、封頭高度，列出數(shù)學(xué)方程求出各部尺寸。 直徑計(jì)算出來后，應(yīng)將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)。然后校核總?cè)萘渴欠窨蓾M足工藝計(jì)算的容量要求。如偏差太大，還要作相應(yīng)調(diào)整，直到符合要求。 直徑確定后，可根據(jù)關(guān)系求出其他尺寸。(二)連續(xù)操作設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)的依據(jù)： (1)物料流量V(m3s或ts)：物料的流量V，是根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，通過計(jì)算確定。 (2)物料在設(shè)備中的逗留時(shí)間(s)：物料在連續(xù)操作設(shè)備中的逗留時(shí)間則取決于生產(chǎn)工的要求。 (3)物料

4、在設(shè)備各部位的流速(ms)。 1生產(chǎn)能力的確定 對(duì)于連續(xù)操作的設(shè)備，其生產(chǎn)能力是在保證生產(chǎn)工藝條件的基礎(chǔ)上，單位時(shí)間通過設(shè)備的物料量，由工廠的規(guī)模與物料衡算確定。 2設(shè)備容積的計(jì)算 已知物料的流量V和逗留時(shí)間，可以計(jì)算出設(shè)備的有效容量V有效： 3設(shè)備數(shù)量的計(jì)算 4設(shè)備主要尺寸計(jì)算（三）專用設(shè)備設(shè)計(jì)常識(shí)發(fā)酵罐谷氨酸發(fā)酵罐1、罐體2、攪拌器和擋板3、消泡器4、聯(lián)軸器及軸承。5、變速裝置6、空氣分布裝置7、軸封8、冷卻裝置 發(fā)酵罐制造發(fā)酵罐為封閉式，一般都在一定罐壓下操作，同時(shí)還需用蒸汽進(jìn)行空罐或?qū)嵐逌缇?，所以罐體是一個(gè)受壓容器，見圖2。要根據(jù)最大使用壓力(一般采用滅菌時(shí)的蒸汽壓力，Pg0.25 M

5、Pa)來決定鋼板的厚度。罐體是一個(gè)圓柱體，罐頂和罐底采用橢圓形或碟形封頭，因?yàn)檫@種封頭比其他型式的封頭在同樣使用壓力下可用較薄的鋼板， 2立方米以下的小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，大中型發(fā)酵罐大多是整體焊接。為了便于清洗，小型發(fā)酵罐罐頂設(shè)有清洗用的手孔 ，大中型發(fā)酵罐則要裝設(shè)人孔，并在罐內(nèi)設(shè)置爬梯，人孔的大小不但要考慮操作人員能方便進(jìn)出，還要考慮安裝和檢修時(shí)，罐內(nèi)最大部件能順利放入或取出。罐頂還裝有 視鏡和燈孔以便觀察罐內(nèi)情況，在視鏡和燈孔近旁，必要時(shí)還裝設(shè)無菌壓縮空氣或蒸汽的吹管，用以沖洗玻璃。裝于罐頂?shù)慕庸苡校哼M(jìn)料口、補(bǔ)料口、排氣口、接種口和壓力表等，裝于罐身的接管有：冷卻水進(jìn)出口、空

6、氣進(jìn)口、溫度和其他測(cè)控儀表的接口。罐頂上面的排氣口位置靠近罐中心的位置。這樣，不僅防止或減少氣泡的逃逸，而且由于抽吸作用，也減少了泡沫的產(chǎn)生。攪拌槳平直葉渦輪攪拌器為什么要安一個(gè)圓盤呢 ？ 通用式機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中的平直葉渦輪攪拌器如果沒有圓盤，從攪拌器下方空氣管進(jìn)入的無菌空氣氣泡就會(huì)沿著軸部的葉片空隙上升，不能被攪拌葉片打碎，致使氣泡的總表面積減少，溶氧系數(shù)降低；同時(shí)氣泡大，上升速度快，走短路，傳質(zhì)效果差。而安一個(gè)圓盤，大的氣泡受到圓盤的阻礙，只能從圓盤中央流至其邊緣，從而被圓盤周邊的攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數(shù) 空氣凈化系統(tǒng) 一般每升高10米，空氣中的含菌量就降低一個(gè)數(shù)量級(jí)；城市的空氣

7、中含菌量較多，農(nóng)村的空氣中含菌量較少，一般城市空氣中雜菌數(shù)為30008000個(gè)立方米。 介質(zhì)過濾除菌是使空氣通過經(jīng)高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質(zhì)層中，而達(dá)到除菌的目的。目前常用的過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、超細(xì)玻璃纖維、石棉濾紙、PVA燒結(jié)材料過濾介質(zhì)、燒結(jié)金屬過濾介質(zhì)等。思考？ 口罩真能過濾細(xì)菌嗎？過濾除菌機(jī)理 常見懸浮于空氣中的微生物粒子大小在0.52微米之間，深層過濾所用的過濾介質(zhì)-棉花的纖維直徑一般為1620微米。充填系數(shù)為8%時(shí)，棉花纖維所形成網(wǎng)格的孔隙為2050微米，微粒隨氣流通過濾層時(shí)，濾層纖維所形成的網(wǎng)格阻礙氣流前進(jìn)，使氣流出現(xiàn)無數(shù)次改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，

8、繞過纖維前進(jìn)，這些改變引起微粒以對(duì)濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、阻攔、重力沉降、布朗擴(kuò)散、靜電吸引等作用而把微粒滯留在纖維表面上。慣性沖擊滯留機(jī)理 圖1攔截滯留作用機(jī)理 氣流速度降到臨界速度以下，微粒不能因慣性碰撞而滯留于纖維上，捕+集效率顯著下必,但隨時(shí)著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對(duì)微粒的捕集效率又有回升。原因是微生物直徑很細(xì)，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在的主導(dǎo)氣流流線受纖維所阻，而改變流動(dòng)方向，繞過纖維前進(jìn)，并在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。滯流區(qū)的氣流速度更慢,進(jìn)到這滯留區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被粘附滯留,稱為攔截滯留作用布朗擴(kuò)散作用機(jī)理 直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)

9、生一種不規(guī)則的直線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗擴(kuò)散。布朗擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)距離很短，在較大的氣速，較大的纖維間隙中是不起作用的，但在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中，布朗擴(kuò)散作用大大增加了微粒與纖維的接觸滯留機(jī)會(huì)重力沉降作用機(jī)理 重力沉降是一個(gè)穩(wěn)定的分離作用，當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖帶力時(shí)，微粒就容易沉降.就單一的重力沉降情況下，大顆粒比小顆粒作用顯著，對(duì)于小顆粒只有在氣流速度很慢時(shí)才起作用。一般它是與攔截作用相配合的，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率靜電吸附作用機(jī)理 干空氣對(duì)非導(dǎo)體的物質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)磨擦?xí)r，會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，纖維和樹脂處理過的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在

10、空氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷，如枯草桿菌孢子20%帶正電荷，20% 帶負(fù)電荷，15%中性， 這些帶電的微粒會(huì)受帶異性電荷的物體所吸引而沉降.此外，表面吸附也歸屬于這個(gè)范疇，如活性炭的大部分過濾效能應(yīng)是表面吸附的作用。過濾除菌效率（）與氣流速（s）度的關(guān)系 味精廠常用的空氣凈化流程 粗過濾器 空氣壓縮機(jī) 貯罐 空氣冷卻器 油水分離器二級(jí)空氣冷卻器 除霧器 空氣加熱器 空氣過濾器 10金屬微孔過濾器（三）專用設(shè)備設(shè)計(jì)常識(shí)換熱器根據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法間壁式混合式蓄熱式換熱面的型式 管式板式翅片式1、管式換熱器、管式換熱器 1）沉浸式換熱器）沉浸式換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種

11、與容器相適應(yīng)的形狀（多盤成蛇形，常稱蛇管），并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管內(nèi)、外的兩種流體進(jìn)行熱量交換。幾種常見的蛇管形式如圖所示。優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造 缺點(diǎn) ：容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)流傳熱系數(shù)小。 2）噴淋式換熱器）噴淋式換熱器噴淋式換熱器也為蛇管式換熱器，多用作冷卻器。，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果要好得多。同時(shí)它還便于檢修和清洗等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。3）套管式換熱器）套管式換熱器 套管式換熱器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型彎頭連接而成。每一段套管稱為一程，每程有效長(zhǎng)度約為46m，若管子過長(zhǎng)，管中間會(huì)向下彎曲。 在套管式

12、換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙4）列管式換熱器）列管式換熱器 優(yōu)點(diǎn) ：?jiǎn)挝惑w積所具有的傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、緊固傳熱效果好。能用多種材料制造，故適用性較強(qiáng)，操作彈性較大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中多采用列管式換熱器。（2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的特點(diǎn)是有一端管板不與外殼連為一體，可以沿軸向自由浮動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不但完全消除了熱應(yīng)力的影響，且由于固定端的管板以法蘭與殼體連接，整個(gè)管束可以從殼體中抽出，因此便于清洗和檢修。故浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。（3）U型管式換熱器 U型管式換熱器每根管子都彎成U型，進(jìn)出口分別安裝在同一管板的兩側(cè)，封頭用隔板分成兩室

13、。這樣，每根管子可以自由伸縮。而與其他管子和殼體均無關(guān)。這種換熱器結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，重量輕，但管程不易清洗，只適用于潔凈而不易結(jié)垢的流體，如高壓氣體的換熱。2、板式換熱器、板式換熱器 1）夾套式換熱器）夾套式換熱器 夾套式換熱器式最簡(jiǎn)單的板式換熱器，它是在容器外壁安裝夾套制成，夾套與容器之間形成的空間為加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的通路。這種換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱 或冷卻。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時(shí)，冷卻介質(zhì)（如冷卻水）由夾套下部接管進(jìn)入，由上部接管流出。夾套式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其加熱面受容器的限制，且傳熱系數(shù)也不高。為提高傳熱系數(shù)，可在器內(nèi)安裝

14、攪拌器，為補(bǔ)充傳熱面的不足，也可在器內(nèi)安裝蛇管。2）螺旋板式換熱器）螺旋板式換熱器 螺旋板式換熱器是由兩張間隔一定的平行薄金屬板卷制而成，在其內(nèi)部形成兩個(gè)同心的螺旋形通道。換熱器中央設(shè)有隔板，將螺旋形通道隔開，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距。在螺旋板兩側(cè)焊有蓋板。冷熱流體分別通過兩條通道，在器內(nèi)逆流流動(dòng)，通過薄板進(jìn)行換熱。螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)： 1）傳熱系數(shù)高：螺旋流道中的流體由于慣性離心力的作用和定距柱的干擾，在較低的雷諾數(shù)（一般Re=14001800或更低些）下即達(dá)到湍流，并且允許選用較高的流速（對(duì)液體為2m/s，氣體為20m/s），故傳熱系數(shù)較高。如水對(duì)水的換熱，其傳熱系數(shù)可達(dá)2000

15、3000W/（m2.K），而列管式換熱器一般為10002000 W/（m2.K）。平板式換熱器 平板式換熱器簡(jiǎn)稱板式換熱器，是由一組長(zhǎng)方形的薄金屬板平行排列，加緊組裝于支架上而構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后板間形成密封的流體通道，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)通道的大小。每塊板的四個(gè)角上，各開一個(gè)圓孔，其中有一對(duì)圓孔和一組板間流道相通，另外一對(duì)圓孔則通過在孔的周圍放置墊片而阻止流體進(jìn)入該組板間的通道。這兩對(duì)圓孔的位置在相鄰板上是錯(cuò)開的以分別形成兩流體的通道。冷熱流體交錯(cuò)地在板片兩側(cè)流過，通過板片進(jìn)行換熱。板片厚度約為0.53mm，通常壓制成凹凸地波紋狀。例如人字形波紋板。增加了板的剛度以防止板片

16、受壓時(shí)變形，同時(shí)又使流體分布均勻，增強(qiáng)了流體湍動(dòng)程度和加大了傳熱面積，有利于傳熱。 平板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是： 1）傳熱系數(shù)高：由于平板式換熱器中板面有波紋或溝槽，可在低雷諾數(shù)（Re=200左右）下即達(dá)到湍流。而且板片厚度又小，故傳熱系數(shù)大。例如水對(duì)水的傳熱系數(shù)可達(dá)15004700W/（m2.）。2）結(jié)構(gòu)緊湊：一般板間距為46mm，單位體積設(shè)備可提供的傳熱面為2501000m2/m3（列管式換熱器只有40150 m2/m3）。平板式換熱器的金屬消耗量可減少一半以上。3）具有可拆結(jié)構(gòu)：可根據(jù)需要，用調(diào)節(jié)板片數(shù)目的方法增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修、清洗也都比較方便。平板式換熱器的主要缺點(diǎn)是允許的操

17、作壓強(qiáng)和溫度都比較低。通常操作壓強(qiáng)低于1.5Mpa，最高不超過2.0Mpa，壓強(qiáng)過高容易泄露。操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過250。另外由于兩板的間距僅幾毫米，流通面積較小，流速又不大，處理量較小。螺旋板式換熱器和平板式換熱器都具有結(jié)構(gòu)緊湊，材料消耗低，傳熱系數(shù)大的特點(diǎn)，都屬于新型的高效緊湊式換熱器。這類換熱器一般都不耐高溫高壓，但對(duì)于壓強(qiáng)較低，溫度不高或腐蝕性強(qiáng)而需用貴重材料的場(chǎng)合，則顯示出更大的優(yōu)越性，目前已廣泛應(yīng)用于食品、輕工和化學(xué)等工業(yè)。3、翅片式換熱器、翅片式換熱器 （四）、通用設(shè)備的選型泵 （1 1） 選用原則選用原則 （2 2） 選用分類選用分類 （3 3） 各種泵的

18、使用范圍各種泵的使用范圍（1 1） 選用原選用原則則根據(jù)所輸送的流體性質(zhì)選擇不同用途、不同類型的泵。流量、揚(yáng)程必須滿足工作中所需要的最大負(fù)荷。從節(jié)能觀點(diǎn)選泵，一方面要盡可能選用效率高的泵，另一方面必須使泵的運(yùn)行工作點(diǎn)長(zhǎng)期位于高效區(qū)之內(nèi)。為防止發(fā)生汽蝕，要求泵的必須汽蝕余量NPSHa小于裝置汽蝕余量NPSHa。按輸送工質(zhì)的特殊要求選泵。所選擇的泵應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作與維修、體積小、重量輕、設(shè)備投資少等特點(diǎn)。當(dāng)符合用戶要求的泵有兩種以上的規(guī)格時(shí)，應(yīng)以綜合指標(biāo)高者為最終選定的泵型號(hào)。 汽蝕是當(dāng)流道（可以是泵、水輪機(jī)、河流、閥門、螺旋槳甚至動(dòng)物的血管）中的液體（可以是水、油等）局部壓力下降臨界壓力

19、（一般接近汽化壓力）時(shí)，水中氣核成長(zhǎng)為汽泡，汽泡的聚積、流動(dòng)、分裂、潰滅過程的總稱。 泵在吸入真空度大于允許吸入真空度時(shí)，發(fā)生汽蝕現(xiàn)象（3 3） 選用分類選用分類59（1）單級(jí)單吸離心泵IS型單級(jí)單吸離心泵60IS型單級(jí)單吸離心泵61單級(jí)單吸離心泵結(jié)構(gòu)原理圖：62S型單級(jí)雙吸離心泵（2）單級(jí)雙吸離心泵63 s型單級(jí)雙吸離心泵結(jié)構(gòu)原理圖： 64（3）多級(jí)離心泵）多級(jí)離心泵DL、DLE型立式多級(jí)離心泵LG立式多級(jí)泵65QJ型潛水深井泵XBD5.4/10-LG型立式多級(jí)消防泵組66D、DG型多級(jí)離心泵.67GDL立式多級(jí)泵結(jié)構(gòu)圖 68沖壓立式多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)圖 69DG型泵系臥式單吸多級(jí)分段式離心泵 70（3 3） 各種泵的使用范各種泵的使用范圍圍a利用“泵型譜”選擇 b利用“泵性能表”選擇將所需要的流量qv和揚(yáng)程H畫到該型式的系列型譜圖上，看其交點(diǎn)M落在哪個(gè)切割工作區(qū)四邊形中，即可讀出該四邊形內(nèi)所標(biāo)注的離心泵型號(hào)。如果交點(diǎn)M不是恰好落在四邊形的上邊線上，則選用該泵后，可應(yīng)用切割葉輪直徑或降低工作轉(zhuǎn)速的方法改變泵的性能曲線，使其通過M點(diǎn)。這就應(yīng)從泵樣本或系列性能表中查出該泵的泵性能曲線，以便換算。如果交點(diǎn)M并不落在任一個(gè)工作區(qū)的四邊形中，這說明沒有一臺(tái)泵能滿足工作要求。