第八章设备的设计与选型-1

16.1概述一、设备设计与选型的任务■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；■设备分类专业设备通用设备非标准设备二、设备设计与选型的原则■保证工艺过程实施的安全可靠：产品质量、生产安全■经济合理、技术先进■投资省、加工方便、采购容易■运行费用低、水电气消耗少■操作清洗方便、易实施自动化，备件供应可靠■结构紧凑，采用性能优良的设备■留有一定余量■考虑设备故障与检修的备用16.2专业设备的设计与选型一、专业设备设计与选型的依据■有工艺计算确定的成品量、物料量、耗气/汽量、耗水量、耗风量、耗冷量；■工艺操作的最适外部条件；■设备的构造类型、性能；二、专业设备设计与选型的程序和内容■设备所担负的工艺操作任务、工作性质，工作参数的确定；■设备选型及该型号设备的性能、特点；■设备生产能力的确定；■设备数量的计算、确定；■设备主要尺寸的确定；■设备化工过程（换热、过滤、干燥面积，塔板数）的计算；■传动搅拌和动力消耗计算；■设备结构的工艺计算；■支撑方式的计算选型；■壁厚的计算选择；■材质的选择和用量的计算；■其他需考虑的特殊问题；三、专业设备设计与选型的特点间隙操作连续操作（一）、间隙操作设备生产能力、数量与容积的计算1、生产能力的确定■表示方法t/（罐·批），m3/（罐·批）；■生产能力Q▲3000t/a味精厂，100t发酵罐：Q=100×70%×15%×48%×80%×112%×（1－1%）=4.47[t/（罐·批）]100：发酵罐容积，t；70%：装料系数；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；20：发酵罐容积，t；80%：装料系数；68%：平均总收率；8400：发酵液中酶含量（u/mL）；10000：糖化酶标准计算单位（u/g）；▲20t糖化酶发酵罐：Q=20×80%×68%×8400/10000=9.14[t/（罐·批）]G：设备操作有效量，t；r：一昼夜内设备操作的时间，h；V0：一昼夜内被加工的原料、半成品的容量，m3;Va：一台设备的容量，m3;Φ：设备的填充系数，为经验值；2、间隙操作所需设备数量N的确定N=Zτ/(Gr)N=V0τ/(24Vaφ)N：设备操作台数，不含备用；Z：工段生产能力，以每昼夜加工原料和半成品的吨数表示；τ：设备的每个操作周期，h；3、设备容积的计算V=Vaτ/(24φ)V：设备总容积，m3;Va：24h内加工的成品或半成品的容积，m3;τ：操作周期，包括准备时间、操作和清洗等，h；φ：设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置或产生泡沫的物料取0.6-0.8，酒精罐取0.8-0.85，气液分离器取0.7；4、设备主要尺寸的计算多为容器型设备；根据已知容量V以及高径比、封头高度，求出各部分尺寸；确定容器直径后，圆整为公称直径，求其他尺寸；（二）、连续操作设备生产能力、数量与容积的计算■设计的依据物料流量V，m3/s，t/h；物料在设备的停留时间τ，h；物料在设备部位的流速ω，m/s；1、生产能力的确定■定义在保证生产工艺条件的基础上，单位时间通过设备的物料量；■生产能力Q10000t/a酒精厂，连续蒸煮设备的生产能力：蒸煮醪的流量为14.8m3/s；2、设备容积的计算设备的总有效容量V有效：V有效=VτV：物料流量，m3/s，t/h；τ：停留时间，h；酒精厂中，V=14.8m3/s，τ=80min，对蒸煮设备；V有效=14.8×80/60=19.73(m3)3、设备数量的计算n=V有效/(ΦV’)Φ：设备的填充系数；V’：单台设备容积，m3；酒精厂中，V有效=19.73m3，V’=7m3，Φ=100%；n=19.73/(100%×7)=2.82个≈3个4、设备主要尺寸计算容器型设备计算同间隙操作设备计算方法；高径比大些四、专业设备设计与选型的实例以3000t/a味精厂发酵车间为例（99%味精）；（一）、间隙操作设备设计与选型1000Kg100%味精：需15%的糖液15.66m3；1、发酵罐（1）发酵罐选型通气搅拌罐：四大类型多桨搅拌罐；Waldhof型；自吸式搅拌罐；卧式搅拌罐；味精发酵：机械蜗轮搅拌通风发酵罐；（2）生产能力、数量与容积的确定①发酵罐容积的确定尽量减少设备的数量，取较大容积的罐：100m3；②生产能力的确定每天生产99%味精10t；发酵周期：48h；每吨100%味精：需的糖液15.66m3（15%）；每天需糖液的体积V糖：V糖=15.66×10×99%=155(m3)取Φ=70%，每天需罐的总体积V0：V0=V糖/Φ=155/0.7=221.4(m3）③发酵罐个数的确定装液高度系数：指圆筒部分高度；公称体积；罐的全体积；以公称体积100m3为例，总容积为118m3；N=V0τ/(24Vaφ)=155×48/(24×118×0.7)=3.75个≈4个实际产量验算：118×0.7×2×300/15.5=3197（t/a）富裕量：（3197－3000）/3000=6.6%（3）主要尺寸计算（Vg=100m3）V全=V筒+2V封=118m3=0.785D2×2D+π×D3×2/24封头折边忽略不计H=2DD=4.009≈4mH=8m，h1=1000mm，h2=50mm；验算：V全=V筒+2V封=0.785D2×2D+π×D3×2/24+0.785D2×0.05=118.44m3（4）冷却面积的计算牛顿传热定律，传热面积(m2)：F=Q总/（K△tm）谷氨酸发酵，最大热量：4.18×6000kJ/(m3·h)采用竖式冷却蛇管换热器，K=4.18×500kJ/(m2·h·℃)平均温差：△tm=（△t1－△t2）/ln（△t1/△t2）发酵液：32℃→32℃冷却水：20℃→27℃△tm=8℃每天装2罐，每罐实际装量：155/2=77.5m3F=Q总/（K△tm）=4.18×6000×77.5/（4.18×500×8）=116.25m2（5）搅拌器设计选用六弯叶蜗轮搅拌器（罐直径D=4m），主要尺寸：桨叶直径：Di=D/3=1.33m，取d=1.3m；叶宽：B=0.2d=0.26m；弧长：l=0.375d=0.49m；底距：C=D/3=1.3m；盘径：di=0.75Di=0.98m；叶弦长：L=0.25d=0.33m；叶距：Y=D=4m；（6）搅拌轴功率的计算牛顿型流体发酵液①计算RemRem=D2Nρ/μD：搅拌器直径，1.3m；N：搅拌转速，95r/min=1.58r/s；ρ：发酵液密度，1050kg/m3；μ：发酵液黏度，1.3×10－3Ns/m2；Rem=2.2×106＞104湍流，功率准数Np=4.7;②不通气时的搅拌轴功率P0一挡搅拌：P0’=NpN3D5ρ=4.7×1.583×1.35×1050=72kW两挡搅拌：P0=2P0’=2×72=144kW③通气时的搅拌轴功率PgPg=2.25×10－3×(P02ND3/Q0.08)0.39D：搅拌器直径cm，D3=2.2×106cm3；Q：通风量（ml/min），vvm=0.11~0.18,取0.11;Q=79.1×0.11×106=8.7×106（ml/min）Q3=3.57Pg=2.25×10－3×(1442×95×2.2×106/3.57)0.39=116.1(kW)④电机功率P电P电=1.01×Pg/(η1η2η3)采用三角传动带：η1=0.92；滚动轴承：η2=0.99；滑动轴承：η3=0.98；端面密封：消耗功率1%；P电=131.2(kW)（7）设备结构的工艺计算①空气分布器通气量小Q=0.02~0.5mL/s：多孔式分布器；通气量大：单管式；②挡板本罐中设有竖式冷却蛇管和扶梯，故不加挡板；③密封方式采用双端面机械密封；④冷却管布置ⅰ、最高热负荷下的耗水量WW=Q总/[cp(t2－t1)]Q总：发酵最旺盛时的发酵热，Q总=4.18×6000×77.5=1.94×106(kJ/h)cp：冷却水比热容，4.18kJ/(kg·K)t1、t2：冷却水的初温和终温，20℃，27℃；W=6.63×104(kg/h)=18.4(kg/s)=18.4×10－2(m3/s)取管中水流速为v=1m/s;冷却管总截面积：S总=W/v=18.4×10－2/1=18.4×10－2(m2)进水总管直径：d总=(S总/0.785)0.5=0.153(m)ⅱ、冷却管组数n和管径d0S总=n×0.785d02取n=8d0=[S总/（n×0.785）]0.5=[18.4×10－2/（8×0.785）]0.5=0.054(m)选取Φ63×3.5mm无缝管，d内=56mm＞d0，d平均=60mm；ⅲ、冷却管总长度L的计算每米管的冷却面积：F0=3.14×0.06×1=0.19(m2)L=F/F0=116.25/0.19=612(m)冷却管占有体积V=0.785×0.0632×612=1.9(m3)ⅳ、每组管长L0和管组高度L0=L/n=612/8=76.5(m)连接管8m，实际总管长：L实=L+8=620(m)竖管可伸入封头250mm；发酵罐内附件占有体积为0.5m3；则罐内总占有体积为：V总=V液+V管+V附件=77.5+1.9+0.5=80m3筒体部分液深：（V总－V封）/S截=（80－9）/（0.785×42）=5.7m竖蛇管总高：H管=5.7+0.25=6.0m两端弯管总长l0=1570mm，总高500mm；直管部分高度：h=H管－500=5500mm；一圈管长：l=2h+l0=2×5500+1570=12570mm；ⅴ、每组管子圈数n0n0=L0/l=76.5/12.6=6(圈)ⅵ、校核冷却管的实际传热面积F实=nd平均L实=3.14×0.06×620=116.8m2＞F=116.25m2（8）设备材料的选择一般采用不锈钢材料；谷氨酸发酵可采用碳钢；本例中采用A3钢材料；（9）发酵罐壁厚的计算计算法；查表法；①计算法确定发酵罐的壁厚SS=PD/(2[σ]φ－P)+C(cm)P：设计压力，取最高压力的1.05倍，P=0.4MPa；D：罐内径，D=400cm；[σ]：A3钢的许应压力，127MPa；φ：焊缝系数，0.5~1，取0.7；C：壁厚附加量（cm）C=C1+C2+C3C1：钢板负偏差，0.13~1.3mm，取0.8mm；C2：腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm，C2=2mm；C3：加工减薄量，冷加工C3=0，热加工封头C3=S0×10%，取C3=0；C=0.8+2+0=2.8mm=0.28cmS=0.4×400/(2×127×0.7－0.4)+0.28=1.2(cm)选用12mm厚的A3钢材料；罐每米高的重量为1186kg，总重为G筒=1186×8=9488kg；②封头壁厚计算标准椭圆封头：S=PD/(2[σ]φ－P)+C(cm)P=0.4MPa；D=400cm；[σ]=127MPa；C=0.8+0.2+0.1=0.38cmΦ=0.7；S=0.4×400/(2×127×0.7－0.4)+0.38=12.8(mm)圆整S=14mm，G封=2005kg；