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第六章设备的设计与选型一、专业设备设计与选型的依据•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。•工艺操作的最适外部条件(温度、压力、真空度等)。•设备的构造类型和性能。二、专业设备设计与选型的程序和内容•(1)设备的工艺操作任务、工作性质、工作参数的确定。•(2)设备选型及该型号设备的性能、特点评价。•(3)设备生产能力的确定。•(4)设备数量计算。•(5)设备主要尺寸的确定。•(6)设备的传动搅拌和动力消耗计算。•(7)设备结构的工艺设计。•(8)支撑方式的计算选型。•(9)壁厚的计算选择。•(10)材质的选择和用量计算。•(11)其他特殊问题的考虑。(一)间歇操作设备的设计计算•1．间歇操作设备生产能力的确定–生产能力的表示方法，一般为t／(罐·批)或m3／(罐·批)。例如3000t／a味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能力为：–100×70％×15％×48％×80％×112％(1-1％)＝4.47[t／(罐·批)]–100——发酵罐容积(t)15％——发酵初糖浓度–70％——填充系数48％——发酵转化率–80％——提取率112％——精制收率–1％——染菌率3．设备容积的计算•式中–V设备的总容积(m3)–Va——24h内加工的成品或半成品的容积()–r——操作周期，包括预备时间、操作和清洗等辅助操作时间(h)–ϕ——设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置的或产生泡沫多的物料应取0.6～0.8，酒精发酵罐等取0.8～0.85，汽液分离器取0.7等4．设备主要尺寸的计算•发酵工厂的设备多为容器型设备。不同的设备，高径比有很大差别。锥形底制作容易，排料干净，间歇操作采用较多。•通常根据已知容量V以及高径比、封头高度，列出数学方程求出各部尺寸。•直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系数。然后校核总容量是否可满足工艺计算的容量要求。如偏差太大，还要作相应调整，直到符合要求。•直径确定后，可根据关系求出其他尺寸。(二)连续操作设备的设计计算•设计的依据：–(1)物料流量V(m3／s或t／s)：物料的流量V，是根据生产规模，通过计算确定。–(2)物料在设备中的逗留时间τ(s)：物料在连续操作设备中的逗留时间则取决于生产工的要求。–(3)物料在设备各部位的流速ω(m／s)。•1．生产能力的确定–对于连续操作的设备，其生产能力是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，由工厂的规模与物料衡算确定。•2．设备容积的计算–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：•3．设备数量的计算•4．设备主要尺寸计算（三）专用设备设计常识——发酵罐谷氨酸发酵罐1、罐体2、搅拌器和挡板3、消泡器4、联轴器及轴承。5、变速装置6、空气分布装置7、轴封8、冷却装置发酵罐制造•发酵罐为封闭式，一般都在一定罐压下操作，同时还需用蒸汽进行空罐或实罐灭菌，所以罐体是一个受压容器，见图2。要根据最大使用压力(一般采用灭菌时的蒸汽压力，Pg＝0.25MPa)来决定钢板的厚度。罐体是一个圆柱体，罐顶和罐底采用椭圆形或碟形封头，因为这种封头比其他型式的封头在同样使用压力下可用较薄的钢板，•2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大中型发酵罐大多是整体焊接。为了便于清洗，小型发酵罐罐顶设有清洗用的手孔，大中型发酵罐则要装设人孔，并在罐内设置爬梯，人孔的大小不但要考虑操作人员能方便进出，还要考虑安装和检修时，罐内最大部件能顺利放入或取出。罐顶还装有视镜和灯孔以便观察罐内情况，在视镜和灯孔近旁，必要时还装设无菌压缩空气或蒸汽的吹管，用以冲洗玻璃。装于罐顶的接管有：进料口、补料口、排气口、接种口和压力表等，装于罐身的接管有：冷却水进出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐顶上面的排气口位置靠近罐中心的位置。这样，不仅防止或减少气泡的逃逸，而且由于抽吸作用，也减少了泡沫的产生。搅拌桨平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘呢？•通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数空气净化系统•一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／立方米。•介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。目前常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。思考？•口罩真能过滤细菌吗？过滤除菌机理•常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5～2微米之间，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直径一般为16~20微米。充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为20～50微米，微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进，这些改变引起微粒以对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。惯性冲击滞留机理图1拦截滞留作用机理•气流速度降到临界速度以下，微粒不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕+集效率显著下必,但随时着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升。原因是微生物直径很细，质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢,进到这滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留,称为拦截滞留作用布朗扩散作用机理•直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速，较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会重力沉降作用机理•重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降.就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率静电吸附作用机理•干空气对非导体的物质相对运动磨擦时，会产生诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20%带负电荷，15%中性，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降.此外，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。过滤除菌效率（η）与气流速（υs）度的关系味精厂常用的空气净化流程１—粗过滤器２—空气压缩机３—贮罐４—空气冷却器５—油水分离器６—二级空气冷却器７—除雾器８—空气加热器９—空气过滤器10—金属微孔过滤器（三）专用设备设计常识——换热器根据传热原理和实现热交换的方法间壁式混合式蓄热式换热面的型式管式板式翅片式1、管式换热器1）沉浸式换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几种常见的蛇管形式如图所示。优点：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造缺点：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。2）喷淋式换热器喷淋式换热器也为蛇管式换热器，多用作冷却器。，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果要好得多。同时它还便于检修和清洗等优点。其缺点是喷淋不易均匀。3）套管式换热器套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成。每一段套管称为一程，每程有效长度约为4~6m，若管子过长，管中间会向下弯曲。在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙4）列管式换热器优点：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。（2）浮头式换热器浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。（3）U型管式换热器U型管式换热器每根管子都弯成U型，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头用隔板分成两室。这样，每根管子可以自由伸缩。而与其他管子和壳体均无关。这种换热器结构比浮头式简单，重量轻，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。2、板式换热器1）夹套式换热器夹套式换热器式最简单的板式换热器，它是在容器外壁安装夹套制成，夹套与容器之间形成的空间为加热介质或冷却介质的通路。这种换热器主要用于反应过程的加热或冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接管流出。夹套式换热器结构简单，但其加热面受容器的限制，且传热系数也不高。为提高传热系数，可在器内安装搅拌器，为补充传热面的不足，也可在器内安装蛇管。2）螺旋板式换热器螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通道，在器内逆流流动，通过薄板进行换热。螺旋板式换热器的优点：1）传热系数高：螺旋流道中的流体由于惯性离心力的作用和定距柱的干扰，在较低的雷诺数（一般Re=1400~1800或更低些）下即达到湍流，并且允许选用较高的流速（对液体为2m/s，气体为20m/s），故传热系数较高。如水对水的换热，其传热系数可达2000~3000W/（m2.K），而列管式换热器一般为1000~2000W/（m2.K）。平板式换热器•平板式换热器简称板式换热器，是由一组长方形的薄金属板平行排列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和一组板间流道相通，另外一对圆孔则通过在孔的周围放置垫片而阻止流体进入该组板间的通道。这两对圆孔的位置在相邻板上是错开的以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度约为0.5~3mm，通常压制成凹凸地波纹状。例如人字形波纹板。增加了板的刚度以防止板片受压时变形，同时又使流体分布均匀，增强了流体湍动程度和加大了传热面积，有利于传热。平板式换热器的优点是：1）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（Re=200左右）下即达到湍流。而且板片厚度又小，故传热系数大。例如水对水的传热系数可达1500~4700W/（m2.℃）。2）结构紧凑：一般板间距为4~6mm，单位体积设备可提供的传热面为250~1000m2/m3（列管式换热器只有40~150m2/m3）。平板式换热器的金属消耗量可减少一半以上。3）具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。操作灵活性大，检修、清洗也都比较方便。平板式换热器的主要缺点是允许的操作压强和温度都比较低。通常操作压强低于1.5Mpa，最高不超过2.0Mpa，压强过高容易泄露。操作温度受垫片材料的耐热性限制，一般不超过250℃。另外由于两板的间距仅几毫米，流通面积较小，流速又不大，处理量较小。螺旋板式换热器和平板式换热器都具有结构紧凑，材料消耗低，传热系数大的特点，都属于新型的高效紧凑式换热器。这类换热器一般都不耐高温高压，但对于压强较低，温度不高或腐蚀性强而需用贵重材料的场