華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final

華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final2024/3/24華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final一、專業(yè)設備設計與選型的依據(jù)由工藝計算確定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗風量、耗冷量等。工藝操作的最適外部條件(溫度、壓力、真空度等)。設備的構造類型和性能。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final二、專業(yè)設備設計與選型的程序和內容(1)設備的工藝操作任務、工作性質、工作參數(shù)的確定。(2)設備選型及該型號設備的性能、特點評價。(3)設備生產能力的確定。(4)設備數(shù)量計算。(5)設備主要尺寸的確定。(6)設備的傳動攪拌和動力消耗計算。(7)設備結構的工藝設計。(8)支撐方式的計算選型。(9)壁厚的計算選擇。(10)材質的選擇和用量計算。(11)其他特殊問題的考慮。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final(一)間歇操作設備的設計計算1．間歇操作設備生產能力的確定生產能力的表示方法，一般為t／(罐·批)或m3／(罐·批)。例如3000t／a味精廠選容積為100t的發(fā)酵罐，其生產能力為：100×70％×15％×48％×80％×112％(1-1％)＝4.47[t／(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)酵轉化率80％——提取率112％——精制收率1％——染菌率華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final3．設備容積的計算式中V設備的總容積(m3)Va——24h內加工的成品或半成品的容積()r——操作周期，包括預備時間、操作和清洗等輔助操作時間(h)?——設備的填充系數(shù)，裝有攪拌和冷卻裝置的或產生泡沫多的物料應取0.6～0.8，酒精發(fā)酵罐等取0.8～0.85，汽液分離器取0.7等華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final4．設備主要尺寸的計算發(fā)酵工廠的設備多為容器型設備。不同的設備，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)學方程求出各部尺寸。直徑計算出來后，應將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)。然后校核總容量是否可滿足工藝計算的容量要求。如偏差太大，還要作相應調整，直到符合要求。直徑確定后，可根據(jù)關系求出其他尺寸。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final(二)連續(xù)操作設備的設計計算設計的依據(jù)：(1)物料流量V(m3／s或t／s)：物料的流量V，是根據(jù)生產規(guī)模，通過計算確定。(2)物料在設備中的逗留時間τ(s)：物料在連續(xù)操作設備中的逗留時間則取決于生產工的要求。(3)物料在設備各部位的流速ω(m／s)。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final1．生產能力的確定對于連續(xù)操作的設備，其生產能力是在保證生產工藝條件的基礎上，單位時間通過設備的物料量，由工廠的規(guī)模與物料衡算確定。2．設備容積的計算已知物料的流量V和逗留時間τ，可以計算出設備的有效容量V有效：3．設備數(shù)量的計算4．設備主要尺寸計算華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（三）專用設備設計常識

——發(fā)酵罐華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final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、冷卻裝置華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final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，同時還需用蒸汽進行空罐或實罐滅菌，所以罐體是一個受壓容器，見圖2。要根據(jù)最大使用壓力(一般采用滅菌時的蒸汽壓力，Pg＝0.25MPa)來決定鋼板的厚度。罐體是一個圓柱體，罐頂和罐底采用橢圓形或碟形封頭，因為這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，華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final2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)酵罐罐頂設有清洗用的手孔，大中型發(fā)酵罐則要裝設人孔，并在罐內設置爬梯，人孔的大小不但要考慮操作人員能方便進出，還要考慮安裝和檢修時，罐內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情況，在視鏡和燈孔近旁，必要時還裝設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料口、補料口、排氣口、接種口和壓力表等，裝于罐身的接管有：冷卻水進出口、空氣進口、溫度和其他測控儀表的接口。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，也減少了泡沫的產生。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final攪拌槳華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final平直葉渦輪攪拌器為什么要安一個圓盤呢？通用式機械攪拌發(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入的無菌空氣氣泡就會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；同時氣泡大，上升速度快，走短路，傳質效果差。而安一個圓盤，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)華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final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數(shù)量級；城市的空氣中含菌量較多，農村的空氣中含菌量較少，一般城市空氣中雜菌數(shù)為3000~8000個／立方米。介質過濾除菌是使空氣通過經高溫滅菌的介質過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質層中，而達到除菌的目的。目前常用的過濾介質有棉花、活性炭、超細玻璃纖維、石棉濾紙、PVA燒結材料過濾介質、燒結金屬過濾介質等。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final思考？口罩真能過濾細菌嗎？華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final過濾除菌機理常見懸浮于空氣中的微生物粒子大小在0.5～2微米之間，深層過濾所用的過濾介質-棉花的纖維直徑一般為16~20微米。充填系數(shù)為8%時，棉花纖維所形成網格的孔隙為20～50微米，微粒隨氣流通過濾層時，濾層纖維所形成的網格阻礙氣流前進，使氣流出現(xiàn)無數(shù)次改變運動速度和運動方向，繞過纖維前進，這些改變引起微粒以對濾層纖維產生慣性沖擊、阻攔、重力沉降、布朗擴散、靜電吸引等作用而把微粒滯留在纖維表面上。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final慣性沖擊滯留機理

圖1華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final攔截滯留作用機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,但隨時著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對微粒的捕集效率又有回升。原因是微生物直徑很細，質量很輕，它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時，微粒所在的主導氣流流線受纖維所阻，而改變流動方向，繞過纖維前進，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,稱為攔截滯留作用華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final布朗擴散作用機理直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產生一種不規(guī)則的直線運動，稱為布朗擴散。布朗擴散的運動距離很短，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，布朗擴散作用大大增加了微粒與纖維的接觸滯留機會華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final重力沉降作用機理重力沉降是一個穩(wěn)定的分離作用，當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，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，對于小顆粒只有在氣流速度很慢時才起作用。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，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final靜電吸附作用機理干空氣對非導體的物質相對運動磨擦時，會產生誘導電荷，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%帶負電荷，15%中性，這些帶電的微粒會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范疇，如活性炭的大部分過濾效能應是表面吸附的作用。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final過濾除菌效率（η）與氣流速（υs）度的關系華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final味精廠常用的空氣凈化流程１—粗過濾器２—空氣壓縮機３—貯罐４—空氣冷卻器５—油水分離器６—二級空氣冷卻器７—除霧器８—空氣加熱器９—空氣過濾器10—金屬微孔過濾器華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（三）專用設備設計常識

——換熱器根據(jù)傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法間壁式混合式蓄熱式換熱面的型式

管式板式翅片式華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final1、管式換熱器

1）沉浸式換熱器

這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀（多盤成蛇形，常稱蛇管），并沉浸在容器內的液體中。蛇管內、外的兩種流體進行熱量交換。幾種常見的蛇管形式如圖所示。優(yōu)點：結構簡單、價格低廉，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造缺點：容器內液體湍動程度低，管外對流傳熱系數(shù)小。

華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final2）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。同時它還便于檢修和清洗等優(yōu)點。其缺點是噴淋不易均勻。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final3）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，每程有效長度約為4~6m，若管子過長，管中間會向下彎曲。在套管式換熱器中，一種流體走管內，另一種流體走環(huán)隙華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final4）列管式換熱器

優(yōu)點：單位體積所具有的傳熱面積大，結構緊湊、緊固傳熱效果好。能用多種材料制造，故適用性較強，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。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的特點是有一端管板不與外殼連為一體，可以沿軸向自由浮動。這種結構不但完全消除了熱應力的影響，且由于固定端的管板以法蘭與殼體連接，整個管束可以從殼體中抽出，因此便于清洗和檢修。故浮頭式換熱器應用較為普遍，但它的結構比較復雜，造價較高。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（3）U型管式換熱器

U型管式換熱器每根管子都彎成U型，進出口分別安裝在同一管板的兩側，封頭用隔板分成兩室。這樣，每根管子可以自由伸縮。而與其他管子和殼體均無關。這種換熱器結構比浮頭式簡單，重量輕，但管程不易清洗，只適用于潔凈而不易結垢的流體，如高壓氣體的換熱。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final2、板式換熱器1）夾套式換熱器

夾套式換熱器式最簡單的板式換熱器，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或冷卻介質的通路。這種換熱器主要用于反應過程的加熱或冷卻。在用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管流出。作為冷卻器時，冷卻介質（如冷卻水）由夾套下部接管進入，由上部接管流出。夾套式換熱器結構簡單，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)，可在器內安裝攪拌器，為補充傳熱面的不足，也可在器內安裝蛇管。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final2）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，在其內部形成兩個同心的螺旋形通道。換熱器中央設有隔板，將螺旋形通道隔開，兩板之間焊有定距柱以維持通道間距。在螺旋板兩側焊有蓋板。冷熱流體分別通過兩條通道，在器內逆流流動，通過薄板進行換熱。螺旋板式換熱器的優(yōu)點：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=1400~1800或更低些）下即達到湍流，并且允許選用較高的流速（對液體為2m/s，氣體為20m/s），故傳熱系數(shù)較高。如水對水的換熱，其傳熱系數(shù)可達2000~3000W/（m2.K），而列管式換熱器一般為1000~2000W/（m2.K）。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final平板式換熱器平板式換熱器簡稱板式換熱器，是由一組長方形的薄金屬板平行排列，加緊組裝于支架上而構成。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節(jié)通道的大小。每塊板的四個角上，各開一個圓孔，其中有一對圓孔和一組板間流道相通，另外一對圓孔則通過在孔的周圍放置墊片而阻止流體進入該組板間的通道。這兩對圓孔的位置在相鄰板上是錯開的以分別形成兩流體的通道。冷熱流體交錯地在板片兩側流過，通過板片進行換熱。板片厚度約為0.5~3mm，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受壓時變形，同時又使流體分布均勻，增強了流體湍動程度和加大了傳熱面積，有利于傳熱。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final平板式換熱器的優(yōu)點是：

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）下即達到湍流。而且板片厚度又小，故傳熱系數(shù)大。例如水對水的傳熱系數(shù)可達1500~4700W/（m2.℃）。2）結構緊湊：一般板間距為4~6mm，單位體積設備可提供的傳熱面為250~1000m2/m3（列管式換熱器只有40~150m2/m3）。平板式換熱器的金屬消耗量可減少一半以上。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final3）具有可拆結構：可根據(jù)需要，用調節(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是允許的操作壓強和溫度都比較低。通常操作壓強低于1.5Mpa，最高不超過2.0Mpa，壓強過高容易泄露。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構緊湊，材料消耗低，傳熱系數(shù)大的特點，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，但對于壓強較低，溫度不高或腐蝕性強而需用貴重材料的場合，則顯示出更大的優(yōu)越性，目前已廣泛應用于食品、輕工和化學等工業(yè)。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final3、翅片式換熱器

華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（四）、通用設備的選型

——泵（1）選用原則（2）選用分類（3）各種泵的使用范圍華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（1）選用原則根據(jù)所輸送的流體性質選擇不同用途、不同類型的泵。流量、揚程必須滿足工作中所需要的最大負荷。從節(jié)能觀點選泵，一方面要盡可能選用效率高的泵，另一方面必須使泵的運行工作點長期位于高效區(qū)之內。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。按輸送工質的特殊要求選泵。所選擇的泵應具有結構簡單、易于操作與維修、體積小、重量輕、設備投資少等特點。當符合用戶要求的泵有兩種以上的規(guī)格時，應以綜合指標高者為最終選定的泵型號。華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final汽蝕是當流道（可以是泵、水輪機、河流、閥門、螺旋槳甚至動物的血管）中的液體（可以是水、油等）局部壓力下降臨界壓力（一般接近汽化壓力）時，水中氣核成長為汽泡，汽泡的聚積、流動、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，發(fā)生汽蝕現(xiàn)象華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（3）選用分類華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（1）單級單吸離心泵IS型單級單吸離心泵59華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finalIS型單級單吸離心泵60華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final單級單吸離心泵結構原理圖：61華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finalS型單級雙吸離心泵（2）單級雙吸離心泵62華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finals型單級雙吸離心泵結構原理圖：

63華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（3）多級離心泵DL、DLE型立式多級離心泵LG立式多級泵64華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finalQJ型潛水深井泵XBD5.4/10-LG型立式多級消防泵組65華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finalD、DG型多級離心泵...66華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finalGDL立式多級泵結構圖67華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final沖壓立式多級離心泵結構圖68華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finalDG型泵系臥式單吸多級分段式離心泵69華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final70華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型final（3）各種泵的使用范圍華南理工大學發(fā)酵工廠設計第六章設備的設計與選型finala．利用“泵型譜”選擇b．利用“泵性能表”選擇將所需要的流量qv和揚程H畫到該型式的系列型譜圖上，看其交點M落在哪個切割工作區(qū)四邊形中，即可讀出該四邊形內所標注的離心泵型號。如果交點M不是恰好落在四邊形的上邊線上，則選用該泵后，可應用切割葉輪直徑或降低工作轉速的方法改變泵的性能曲線，使其通過M點。這就應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