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第五章设备的设计与选型第一节概述第二节专业设备的设计与选型第三节通用设备的设计与选型第四节非标设备的设计第五节设备一览表第六节化工设备图目的与要求:了解设备的分类,专业设备、通用设备和非标设备的选择;掌握专业设备和通用设备的计算与选型。重点与难点:专业设备和通用设备的计算与选型。思考题1.专业设备设计选型的依据及特点?2.某发酵车间,每天处理发酵醪量320m3选用100m3发酵罐,发酵周期为72h,发酵罐充满系数为80%,求所需发酵罐的个数。3.发酵工业常用的泵?泵选择的原则?4.发酵工业常用的气体输送设备?5.离心式送风机可分为哪几种?6.发酵工业常用的压缩机?7.常用的固体输送设备分类?第一节概述一、生物工程工厂设备的分类①专业设备:发酵罐、糖化锅等。②通用设备:泵、风机、压缩机、电动机等。③非标设备:如贮藏、池子等。指需要专门设计的特殊设备,需根据工艺要求,通过工艺计算及机械计算而设计,然后提供给有关工厂制造。指成批系列生产的设备,可以从设备生产厂家买到,并可以从产品目录中查阅其规格及牌号。二、设备设计与选型的任务在工艺计算的基础上,确定车间内所有工艺设备的台数、型式和主要尺寸。包括专业设备、通用设备、非标设备。三、设备设计与选型的具体内容1.确定单元操作所用设备的类型。发酵罐:液固分离:气固分离:液液分离:2.确定设备的材质材料3.确定设备的设计参数。换热器:热负荷、换热面积、热载体的种类、冷热流体的流量、温度和压力。泵:流量、扬程、轴功率等。风机:风量、风压。蒸馏塔:进入物料、塔顶产品、塔釜产品的流量、组成和温度,塔的操作压力、塔径、筒体材质、塔板的材质等。反应器:反应器类型、进出口物料的流量、组成、温度也压力、反应器内换热装置的型式、热负荷及热载体的种类、数量、压力和温度。5.确定设备的型号或牌号,并确定台数。7.对非标设备应向设备专业设计人员提供设计条件和设备草图,明确设备的类型、材质、基本设计参数等。提出对设备的维修、安装要求,支撑要求及其他要求(如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口等)。8.编制工艺设备一览表。4.确定设备的生产能力。6.确定设备的主要尺寸。第二节专业设备的设计与选型一、专业设备设计与选型的依据(1)由工艺计算确定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗风量、耗冷量等。(2)工艺操作的最适外部条件。(3)设备的构造类型和性能。二、专业设备设计与选型(一)间歇操作设备生产能力、数量和容积的设计计算1.设备生产能力的确定表示方法:t/(罐·批)或m3/(罐·批)。100×70%×15%×48%×80%×112%×(1-1%)=4.47t/(罐·批)例如:3000t/a味精厂选总容积为100t的发酵罐,其生产能力为:式中100——发酵罐容积(t)70%——填充系数15%——发酵初糖浓度(还原糖)48%——发酵转化率80%——提取率112%——精制收率1%——染菌率2.设备容积的计算式中V——N台设备的全容积(m3)V0——24h内加工的成品或半成品的总容积(m3)τ——操作周期(h)φ——设备的填充系数,搅拌和产生泡沫多取0.6~0.8,酒精发酵罐等取0.8~0.85,汽液分离器取0.7等24N0VVatj=3.间歇操作所需设备数量的确定式中N——设备的操作台数τ——设备操作周期(h)Vo——24h内加工的原料、半成品的总容量(m3)Va——单台设备的全容积(m3)φ——设备的填充系数024aVNVtf=4.设备主要尺寸的计算设备多为容器型设备。在确定各部分尺寸时,通常根据已知容量V和高径比、封头高度,列出数学方程,求出直径。圆整到接近的公称直径然后校核总容量,求出其他尺寸。图2-4连续灭菌设备流程示意图1-配料罐(拌料罐)2-蒸汽入口3-连消塔4-维持罐5-培养基出口6-喷淋冷却7-冷却水1234567(二)连续操作设备生产能力、数量和容积的设计计算设计连续操作设备的容量和主要尺寸的依据是:(1)物料流量V(m3/s或t/s):根据设计的生产规模,通过计算确定的。(2)物料在设备中的逗留时间τ(s):取决于生产工艺的要求。(3)物料在设备各部位的流速ω(m/s)。1.设备生产能力的确定用单位时间通过设备的物料量表示,由工厂的规模与物料衡算确定。例如:以淀粉质为原料,年产10000t燃料酒精厂,根据物料衡算蒸煮醪的体积流量为14.8m3/h。因此要求连续蒸煮设备的生产能力为14.8m3/h。已知物料的流量V和逗留时间τ,可以计算出设备的有效容量V有效:2.设备容积的计算V有效=Vτ(m3)例如10000t/a酒精厂蒸煮时间,根据生产经验60-90min,取80min,则蒸煮设备的总容积V有效为:V有效=14.8×(80/60)=19.73(m3)3.设备数量的确定连续操作一般取设备数量为3-6个。也可设定单个设备容量由总容量求算设备数量n:V有效n=VaφV有效——设备有效总容积(m3)Va——单台设备的全容积(m3)φ——填充系数(%)选单台设备全容积为7m3,φ为80%,则需设备数量n为?上例10000t/a酒精厂蒸煮V有效=19.73m3,Va=7m3,φ=80%,则设备数量n为:n=19.73/(7×80%)=3.52取4个。4.设备主要尺寸的计算对容器类设备的主要尺寸计算方法同间歇操作设备的计算方法。三、专业设备的设计与选型实例3000t/a味精发酵车间发酵罐的设计与选型采用的发酵设备为间歇操作。(一)间歇操作发酵罐设计选型由物料衡算知,生产1t100%的味精需15%的糖液15.66m3。1.发酵罐的选型:采用机械涡轮搅拌通风发酵罐。机械搅拌发酵罐搅拌叶轮直径d/D=1/2~1/3高径比H/D=22.生产能力、数量和容积的确定(2)发酵罐的容积:现选用公称容积100m3。查P281表25(1)生产能力计算:年产3000t/a,每天产99%味精10t,操作周期48h,每天需糖液体积V0:V0=15.66×10×99%=155m3⑶发酵罐个数的确定:查P281表25公称容积为100m3发酵罐总容积为Va=118m3。则罐数:01155483.75242411870%aVNVtf===取公称容积100m3发酵罐4个实际每天出2罐,填充系数为0.7每天产味精量:=118×0.7×2÷(15.66×99%)=10.66t富裕量=0.66t,6.6%设:发酵罐的充满系数为φ=0.73.主要尺寸的计算公称容积为100m3发酵罐V全=V柱+2V封圆柱部分高H与罐直径D比取2:1V全=0.785D2×2D+(π/24)D3×2118=1.57D3+0.26D3D=4.009m圆整D=4.0m高H=8m查P281表25:封头高度=ha+hb=1040+1040=2080mm4.冷却面积的计算:采用一年中最热的半个月气温下,冷却水可能达到的最高温度的条件下设计冷却面积。根据牛顿传热定律:A=Q总/(K·△tm)(m2)工程计算采用实际测得发酵最旺盛时每m3发酵液每h传给冷却器的最大热量。谷氨酸发酵最大热量=4.18×6000kJ/(m3·h)采用竖式列管换热器,经验K=4.18×500kJ/(m2·h·℃)发酵液32℃——32℃恒定冷却水20℃——27℃125对100m3发酵罐,每罐装液量118×0.7=82.6m3传热面积:12121258℃12lnln5mttttt===A=4.18×6000×82.64.18×500×8=123.9(m2)5.搅拌器的设计谷氨酸发酵过程有中间补料操作,对混合要求较高,因此选用六弯叶涡轮搅拌器。6.搅拌轴功率的计算搅拌轴功率可按单位体积搅拌轴功率相等的计算方法和经验式进行计算确定。通常谷氨酸发酵按1kW/m3发酵醪,对于118m3发酵罐,装液量为82.6m3,则应选取功率>82.6kW的电机。7.设备结构的工艺设计包括:空气分布器、挡板、密封方式和冷却管的布置。①空气分布器:风量小的0.02~0.5mL/s采用环型多孔管,风量大的采用单管,谷氨酸发酵通风比为1:0.1~0.18(0.1MPa,20℃)风量:Q=0.18×82.6=14.87m3/min=0.23m3/s因此,采用单管进风。②挡板:挡板的作用是加强搅拌强度,增加溶氧。罐内设有竖式冷却蛇管可不设挡板。③密封方式:采用双端面机械轴封。④冷却管布置:一般采用竖式冷却蛇管,可分为二组、四组、六组和八组等,对称按装在罐内。本罐通过采用八组。8.设备材料的选择:本设备为降低成本采用A3钢,内涂涂料。可采用公式计算和查表法。查表时注意选用材料和工作条件相应的表格。①罐壁厚S:式中:P——设计压力(最高工作压力的1.05倍)取0.4MPD——罐内径cm,400[σ]——许用压力,A3钢=127MPaφ——焊缝系数0.5~1.0现取0.7()2PDSCcmPf=9.发酵罐壁厚计算:C——壁厚附加量(包括钢板负偏差C1、腐蚀裕量C2和加工减薄量C3取C1=0.8mm,C2=2mm,C3=0C=2.8mm=0.28cm选用12mm厚的A3钢板,直径4m,板厚12mm,筒高8m,每米重量1186kg,筒总重=1186×8=9488kg0.44000.281.1821270.70.4Scm==②封头壁厚计算:标准椭圆封头厚度:式中P=0.4MPaD=400cm[σ]=127MPaφ=0.7C=0.08+0.2+0.1=0.38cm()2PDSCcmPf=查钢材手册圆整为S=14mm,封头重量2005kg0.44000.381.2821270.70.4Scm==①接管长度h:一般取100~200mm。10.接管设计②接管直径:排料管直径:装液量82.6m3要求2h排完。流量Q=82.6/(3600×2)=0.0146(m3/s)流速取1m/s管截面积:A=0.0146/1=0.0146m2=0.785d2圆整取无缝管133×4内径125mm>121适用0.01460.121m0.785d==常用支座分为:卧式支座:支腿、圈型支座、鞍型支座立式支座:悬挂支座、支撑支座、裙式支座75m3以上的大型发酵罐,设备总重量较大,应采用裙式支座本设计采用裙式支座。11.支座设计:3000t/a味精发酵车间发酵罐的选型(1)类型:机械涡轮搅拌通风发酵罐。(2)容积、台数:公称容积100m3,4个。(3)主要尺寸:直径为4.0m,圆柱部分高8m,封头高度1.04m,总高度为10.08m。(4)换热器:竖式列管换热器,八组,换热面积为123.9m2。(5)搅拌器:六弯叶涡轮搅拌器,搅拌轴功率>82.6kW。(6)设备结构:单管进风,双端面机械轴封。(7)设备材料:A3钢,内涂涂料。(8)发酵罐壁厚:圆柱部分壁厚12mm,封头壁厚14mm。(9)接管:排料管无缝管133×4。(10)支座:裙式支座。第二节通用设备的设计与选型(1)液体输送设备——各种泵;(2)气体输送设备——风机、压缩机、真空泵;(3)固体输送设备——各种给料机械设备、气体输送设备。通用设备很多,主要:√闪蒸喷雾干燥成品包装中和灌灭菌离心机水、碱萃取灌原料豆粕粉豆渣酸沉灌盐酸离心机乳清水水、碱碱性蛋白溶液蛋白泥一、液体输送设备选型发酵工业使用最多是离心泵。(一)泵的类型叶片式泵:容积式泵:—活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵—齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、蠕动泵、液环泵1、按作用原理分:离心泵、轴流泵、旋涡泵往复泵转子泵离心泵往复泵齿轮泵单螺杆泵双螺杆泵2、按使用的用途分:水泵、油泵、泥浆泵、耐腐蚀泵、冷凝液泵等。(二)生产上常用的泵1、水泵用途:输送各种工业用水及物化性质类似于水的其他液体。最普通的清水泵是单级单吸式泵。闪蒸喷雾干燥成品包装中和灌灭菌离心机水、碱萃取灌原料豆粕粉豆渣酸沉灌盐酸离心机乳清水水、碱碱性蛋白溶液蛋白泥2、油泵用途:输送石油产品的泵。特点:应具有良好的密封性能,热油泵在轴承和轴封处设置冷却装置。3、耐腐蚀泵用途:输送酸、碱和浓氨水等腐蚀性液体。如FS型离心泵适用
本文标题:设备的设计与选型
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