1、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选型第四节非标准设备的设计第五节设备一览表第一节概述一、设备设计与选型的任务二、设备的设计与选型原则一、设备设计与选型的任务生物工程工厂设备三类专业设备：仅发酵工厂使用，专业性较强的设备。发酵罐、糖化锅、精馏塔等通用设备：各行业都可用。泵和风机.非标准设备：是指车间的计量桶、搅拌池等设施。一、设备设计与选型的任务任务：在工艺计算的基础上，确定车间所有工艺设备的台数、型号和主要尺寸进行车间布置设计依据施工图设计提供条件非工艺设计（机械设计、土建、仪表控制）等设计项目打好基础设备的制作和采购提供资料二、设备
2、的设计与选型原则（1）保证生产过程的安全可靠。（2）技术上先进、经济上合理。（3）投资省，耗材少，加工方便，采购容易。（4）运行费用低，耗水、电、汽等较少。（5）操作方便，耐用易维修，备品配件供应可靠。减轻工人的劳动强度,尽量实现机械化和自动化。（6）设备结构紧凑（7）考虑生产波动和设备平衡，要留有一定的余量（8）考虑设备故障及检修的备用。材质、强度、清洗、消毒引进先进技术设备酒精工业：循环粉碎、双酶法液化糖化、多效蒸馏新技术、分子筛脱水啤酒工业：湿法粉碎、快速过滤设备、硅藻土过滤设备、膜过滤设备、灌装设备引进优良菌株新型生化反应器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
3、据二、专业设备设计与选型的程序和内容三、计算选型实例一、专业设备设计与选型的依据1、工艺计算结果成品量、物料量、汽、水、空气、冷耗量2、工艺操作的最适外部条件温度、压力、真空度等3、设备的构造类型和性能二、设备设计与选型的程序和内容（12）（1）设备所负担的工艺操作任务和工作性质、工作参数等的确定。（2）不同型号设备的特点和性能评价。（3）设备生产能力的确定。（4）设备台数的确定。（5）设备主要尺寸的确定。（6）设备化工过程的计算。使用维修及裕量换热、过滤、干燥面积二、发酵设备设计与选型的内容（12）（7）设备的传动搅拌和动力消耗的计算。（8）设备结构的工艺设计。（9）支撑方式的计算选型
7、0.6-0.8，酒精发酵罐等取0.8-0.85，气液分离器取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，根据其用途和设备特性，高径比有很大差别。如锥形底制作容易，排料干净，间歇操作采用较多。当确定各部尺寸时，通常根据已知容量V以及高径比、封头高度（折算成相同直径筒高），列出数学方程式求出。直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系列（查附录一表13）P272。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。直径计算确定后，可根据关系求出其他尺寸。例1年产120000t/a味精发酵车间主要设备设计计算与选型1000kg
8、纯度为100%的味精需浓度为22%的糖液6.55t1、发酵罐2、种子罐评价发酵罐技术性能：体积溶氧系数KLa经济性能：溶氧效率1、发酵罐（1）发酵罐的选型（2）生产能力、数量和容积的确定（3）主要尺寸的计算（4）冷却面积的计算（5）搅拌器设计（6）搅拌轴功率的计算（7）设备结构的工艺设计（8）设备材料的选择（9）发酵罐壁厚的计算（10）接管的设计（11）支座设计（1）发酵罐的选型表5-1P109机械搅拌型多浆、Waldhof、自吸式、卧式搅拌槽气相连续型喷淋塔、水平搅拌槽水泵型强迫循环型、有导流筒喷射通风器气升型气升型、差压循环型、筛板型谷氨酸发酵：机械涡轮搅拌通风发酵罐（通用罐
10、容积的确定容积的确定系列5、10、20、50、60、75、100、120、150、200、250、500、550、600、780m3A、单罐容量越大，经济性能越好，但风险越大，要求技术管理水平也越高。B、扩建：可取与原有发酵罐相同的容积。50m3C、新建：尽量取较大容量。550m3现以550m3罐为例（2）生产能力、数量和容积的确定生产能力计算V糖=6.55120000/300=2620(m3/d)V0=V糖/=2620/0.8=3275(m3/d)每吨味精需糖液年产量t/a生产天数发酵罐的总容积m3/d糖液体积m3/d填充系数（2）生产能力、数量和容积的确定发酵罐个数的确定装
11、液高度系数：圆筒部分高度系数封底则与冷却管、辅助设备体积相抵消公称容积：罐的圆柱部分+底封头容积（圆整）罐的全容积：罐的圆柱部分+两封头容积（2）生产能力、数量和容积的确定发酵罐个数的确定公称容积500m3的发酵罐，总容积550m3.NV0/（24V）=327540(245500.8)=10(个)N0=3275/550=6(个/d）实际产量=5500.86300/6.55=120916（t/a）富裕量=（120916-120000）/120000=0.7%满足产量要求（3）主要尺寸的计算550m3发酵罐直径D,高度HV全=V筒+2V封V0=0.785D21.95D+/24D32=
12、550H=1.95DD=6.8mH=1.95D=12.9(m）验算全容积V0=0.785D22D+/24D32+0.785D20.05=550曲面高度直边高度（4）冷却面积的计算影响冷却面积的因素：不同菌种系统基质浓度材质冷却水温、流速、水质计算方法：经验值计算法传热公式计算法（4）冷却面积的计算经验值计算法发酵产品装料体积冷却面积比值酵母50400.8谷氨酸40601.5柠檬酸4016200.40.5酶制剂2010200.51抗生素40406011.5550m3的发酵罐换热面积A=V全=5500.81.5=660（4）冷却面积的计算传热公式计算法：平均温差tm：tm=（t1-t2）/
13、ln（t1/t2）t1=32-20=12()t2=32-27=(5)tm=8()P118换热面积(牛顿传热定律公式）A=Q/(Ktm)=4.186000440/(4.185008)=660(m2）每m3发酵液每小时传给冷却器的最大热量4.186000kJ/(m3h)竖式列管式换热器K=4.18500kJ/(m3h)发酵热生成高峰、高温天气、冷却水温（5）搅拌器的设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮平叶、弯叶、箭叶式三种叶片有三个、六个、八个在相同搅拌功率下粉碎气泡的能力，平叶弯叶箭叶；但径向搅动量即翻动液体的能力则与以上相反。可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。谷氨酸发
14、酵过程有中间补料，混合要求高，选用六弯叶。平叶弯叶、箭叶式（5）搅拌器的设计搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系搅拌器叶径Di=D/3=6.8/3=2.27(m）叶宽B=0.2Di=0.22.27=0.454（m）弧长l=0.375Di=0.85（m）底距C=D/3=2.27（m）盘径di=0.75Di=0.752.27=1.7（m）叶弦长L=0.25Di=0.252.27=0.57（m）叶距Y=D=6.8（m）弯叶板厚=14mm取2挡搅拌，搅拌转速110r/min（6）搅拌轴功率的计算修正的迈凯尔（Michel.B.J)公式求搅拌功率，并由此选择电机。淀粉水解糖低浓度
15、细菌醪，可视为牛顿流体。1、计算Rem2、计算不通气时搅拌功率P03、计算通气时的搅拌功率Pg4、求电机功率谷氨酸发酵按1kW/m3发酵醪，550m3装440m3取功率大于440kW的电机（6）搅拌轴功率的计算1、计算RemRem=D2N/D-搅拌器直径,D=1.3mN-搅拌器转速，N=95/60=1.58(r/s)-醪液密度，=1050kg/m2-醪液粘度，=1.310-3Ns/m2Rem=2.2106视为湍流，则搅拌功率准数NP=4.7（6）搅拌轴功率的计算2、计算不通气时搅拌功率P0P0=NPN3D5D-搅拌器直径,D=1.3mN-搅拌器转速，N=95/60=1.58(r/s)-醪
16、液密度，=1050kg/m2-醪液粘度，=1.310-3Ns/m2NP-搅拌功率准数，NP=4.7P0=71.9103W72kW两档搅拌P0=2P0=144kW（6）搅拌轴功率的计算3、计算通风时搅拌功率PgPg=2.2510-3（P0ND3/Q0.08)0.39(kW)D-搅拌器直径,D=1.3mN-搅拌器转速，N=95(r/min)P0-不通风时搅拌功率144kWQ-通风量（ml/min),设通风比vvm=0.110.18取低限通风量变大，为安全。Q=79.10.11106=8.7106（ml/min)Pg=116.1(kW)（6）搅拌轴功率的计算4、计算电机功率P电P电=Pg1
17、.01/（123)(kW)Pg=116.1(kW)三角传动1=0.92滚动轴承2=0.99滑动轴承3=0.98端面密封增加的功率为1%P电=131.2(kW)，查手册选合适的电机。（7）设备结构的工艺设计1、空气分布器2、挡板3、密封方式4、冷却管布置（7）设备结构的工艺设计1、空气分布器多孔（管式）：通风量小（Q=0.020.5mL/s)单管式:通风量大。(选用）2、挡板加强搅拌强度，防止产生涡旋。竖式冷却蛇管，扶梯可当挡板。挡板上沿略低于液面，减少泡沫3、密封方式：双面机械密封（7）设备结构的工艺设计4、冷却管布置夹套：（F=660,满足要求（8）设备材料的选择优先满足工
18、艺，其次是经济性。不锈钢：1Gr18Ni9Ti碳钢内衬不锈钢碳钢复合材料喷涂金属和耐腐蚀涂料本设备选用1Gr18Ni9Ti钢制作（9）发酵罐壁厚的计算公式计算和查表法。P273-275查表法是前人用公式计算的结果，要注意选用材质和工作条件相应的表格。计算法确定发酵罐的壁厚封头壁厚计算计算法确定发酵罐的壁厚P273S=PD/(2)+CP-设计压力，取最高工作压力的1.05倍，不限取0.4MPaD-发酵罐内径6800mm-1Gr18Ni9Ti钢的许用应力1400kg/cm2-焊缝系数，焊接及探伤查表。0.9C-壁厚附加量，C=C1+C2+C3C1-钢板负偏差，厚度查表，0.13
19、1.3，取0.5mmC2-腐蚀裕量0，A3钢：单面1mm，双面2mm（取）C3加工减薄量，冷加工0（取），热加工0.1S0S=1.6(cm）计算法确定发酵罐的壁厚选用12mm厚A3钢板制作，查表，每米高重1189kg，C筒=11898=9488kgS封=PD/(2-P)+C=12.8查钢材手册圆整为S=14G封=2005kg壁厚表和椭圆封头壁厚表18（10）接管设计P1151、接管长度：直径和保温层表5-2公称直径Dg不保温接管长保温设备接管长适用公称压力（MPa）15801304020501001501670350150200167050015020010（10）接管设计2、接管直
20、径的确定：流体力学。流量、流速管道截面积管径园整。排料管（也是通风管）：醪量440m3，2h排空Q=440/(36002)=0.06(m3/s)物料流速=1m/sF截面=Q/V=0.06(m2）F截面=0.785d2d=0.28（m）查表P271表12取无缝管3258，325-8*2=309280mm适用。（10）接管设计2、接管直径的确定：流体力学流量、流速管道截面积管径园整。排料管（也是通风管）：压缩空气0.4MPa，支管气速2025m/s通风比0.180.35（20，0.1MPa）风量Q1取大值=4400.35=154（m3/min)=2.57(m3/s)工作状态风量Qf=2.570.
21、10.35(273+30)(273+20)=0.76(m3/s)风速=25m/sFf=Qf/=0.76/25=0.03(m2）Ff=0.785d2气d气=0.10（m）排料管（也是通风管），取两者大值。（11）支座选择卧式支座：支腿、圈形支座、鞍型支座立式支座：悬挂支座、支撑式支座和裙式支座对于100m3以上发酵罐，宜选用裙式支座2种子罐（1）选型：同发酵罐（2）容积和数量容积：接种量数量：生产周期、发酵罐相对应。2只（3）主要尺寸：发酵罐几何相似（4）冷却面积：夹套（5）设备材料：多用不锈钢，光洁。（6）壁厚、搅拌、支座3空气分过滤器分过滤器空罐气速0.20.5m/s，通过滤层的
22、气速1.01.5m/s分过滤器花板钻8孔，开孔率40%。种子罐和发酵罐分过滤器（1）分过滤器直径的计算V=0.785D2滤层/V-通过分过滤器的空气（0.4MPa）流量V=0.7750.180.10.430529360-通过分过滤器气速取0.2m/sD滤层=0.062（m），园整取70mmD过滤器=1.11.3D滤层。取1.3,D过滤器=91，园整取100mm3空气分过滤器（2）过滤器强度P设计=0.41.25=0.5MPa，=0.7=127MPa，C=0.2S=0.23(cm）进出气管：与气管配合数量：每罐一个滤层厚度：滤纸56层分过滤器高度：筒体部分高度的1.11.5倍S=PD/(2-P
23、)+C例2、总容积200m3啤酒罐底发酵罐计算1、有效容积：V有效V总2000.8160（m3）2、罐径：设圆柱高H4D，圆锥角60，则：锥高：hD/2tg（/2）所以，V总（/4）D2H1/3（/4）D2h故：D3、圆柱高：H4D43.915.6（m）圆锥高：hD/2tg303.38（m）封头高：hoD43.940.975（m）发酵罐总高：H总Hhoh15.63.380.97519.96（m）4、冷却面积AQ/（k.tm）（m2）（Q取最大值）（1）设啤酒在1.5天内从12冷却至5，则放出的热量为：Q1mc（t2-t1）16010403.7(12-5)/36119715.5（KJ/h）
24、（2）设啤酒最后在1天内由5冷却至1，则放出的热量为：Q2mc（t1-t2）16010403.76/24153920（KJ/h）式中：160发酵罐有效体积（m3）1040发酵液密度（kg/m3）3.7液体焓（KJkg）因Q2Q1，故取Q2计算。设冷酒精由4至1，后发酵液由5冷至0，则tm4.4，冷却面积：AQ/（k.tm）97.2（m2）式中：k100w/（m2k）则冷却面积/有效容积97.2/1600.65、发酵罐厚度及材料材料采用不锈钢焊制，其厚度计算如下：S(PD)/(2)C（0.2390）/（21270.8）+0.10.48（cm）（取0.5cm）式中：P试水压力，0.2MPa
30、泵的分类和特点发酵工业中，使用最广泛的是离心泵。离心泵：体积小、效率高、控制方便。可选择在出口管上安装控制阀的办法调节流量。往复泵不可这样做，否则会出现重大事故。往复泵：容积式泵。它的流量与压力无关，调节往复泵的流量可采用改变往复泵转速，改变冲程大小或采用支路调节的方法来实现。隔膜泵：腐蚀性液体或含有固形颗粒的悬浮液旋涡泵：流量小而压力高，泵体构造简单而紧凑，但效率较低，一般低于40。齿轮泵：流量小，压力高，在发酵工业中常用来输送粘稠液体和作为板框压滤机的加料泵。螺杆泵：结合了离心泵与往复泵的优点，流量稳定，适合于在高压下输送带有固体颗粒的悬浮液。由于它的排出压力较高，流量均匀，在
31、发酵工业中常被用于进料等。连消（二）泵的选择原则流量、扬程、有效汽蚀量、液面（1）流量设计发酵工厂的装置时，要留有一定的富裕能力。在选择泵时，应按设计要求达到的能力确定泵的流量，并使之与其他设备能力协调平衡。另一方面，泵的流量的确定也应考虑适应不同的原料或不同产品的要求等因素，所以应综合考虑两点：装置的富裕能力及装置内各设备能力的协调平衡；工艺过程影响流量变化的范围。指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量。m（2）扬程考虑到工艺设计中管路系统压力降计算比较复杂，泵的扬程一般为正常需要扬程的1.05-1.1倍。实际上，如有经验数据，应尽量采用经验数据，这样可以减少选
32、泵的工作量。（3）装置（系统）的有效气蚀余量应大于泵所需的允许气蚀余量。对于进口侧物料处于减压状态或操作温度接近汽化条件时，泵的气蚀安全系数适定取较大值，如减压塔的塔压泵，气蚀安全系数取大于1.3。（4）液面介质液面高于泵中心者，应取最低液面，介质液面低于泵中心者，也应取最低液面。2、选泵的一般程序（1）选泵前的准备工作收集物性数据资料。a、在操作条件下泵的使用参数，如温度、压力、流量等变化情况。b、输送物料的性质，如密度、粘度、蒸汽压力、化学腐蚀性等。c、了解泵的安装位置及所处的环境。确定泵的性能参数。a、扬程：用m液柱表示，此项指标可在泵样本及说明书中查得。b、流量：一般以m3/h或
33、L/S表示，此项指标可在泵样本及说明书中查得。c、允许气蚀余量及泵的允许吸上真空度，可在样本及说明书中查得。d、泵效率：指有效功率与泵轴输入功率的比值。（2）选泵的步骤根据要求确定所需送液体的流量及扬程量。根据工艺要求和输送液体物料性质来初选泵的类型。a、当工艺要求连续化操作，流量要求均匀时，可选用离心泵；当要求流量小而扬程大时，可选用往复泵；当流量大而扬程小时，可选用离心泵；当要求精确进料时，可选用比例泵。当工艺要求间歇操作，可不考虑流量的均匀性，选用适合工艺流程的泵均可。b、从输送物料性质考虑：输送悬浮液时，选用隔膜式往复泵；输送粘度大的液体、胶体溶液或糊状物时，可选用齿轮泵，也可用螺杆泵
34、或高粘度泵；输送易燃易爆有机液体可用防爆电机驱动的离心式油泵；输送一般溶液可用任何类型的泵。泵的类型选定后，再根据流量及扬程选出泵的型号，确定材质并确定台数。核算泵的性能。确定泵的安装高度。原则是使在指定操作条件下能正常运行不发生气蚀。计算泵功率和选定电动机功率。泵功率：a、有效功率Pe或称理论功率：PeQ.H./102(kw)。b、轴功率：P轴Q.H./(102.h)。c、原动机功率：P机K.P轴/传式中：Q泵流量（m3/s）H泵扬程（m液柱）泵输送液体密度（kg/m3）泵效率传原动机传动效率。当采用弹性联轴节直联传动时，传1；当用皮带轮传动时，传0.95K选用电机富裕系数，与泵的轴功率大
35、小有关。轴功率P轴/kw富裕系数轴功率P轴/kw富裕系数501.10-1.151.05-1.008二、气体输送设备选型（一）气体输送设备的类型1、气体输送设备的类型一般中小流量广泛采用活塞式；大流量采用离心式根据气体输送设备所产生的终压（出口压力）或压缩比（即气体出口压力与进口压力之比）进行分类，如下：（1）通风机终压15kPa（表压），压缩比为11.15（2）鼓风机终压为15300kPa（表压）压缩比小于4（3）压缩机终压300kPa（表压）压缩比大于4（4）真空泵终压为当时当地大气压，其压缩比由真空度决定。2、气体输送设备的特点发酵工业常用的气体输送设备为低压空气压缩机、送风机和真空泵
36、。高压气体压缩机使用较少。（1）空气压缩机：0.20.3MPa无菌空气，供发酵深层培养用。涡轮式空气压缩机：供气量大，出口压力稳定。出口压力：0.25-0.55MPa（表压）容量100m3/min，每分钟压缩1m3空气，配备电机3.5-5kw国产：DA型和DSA型：“D”单吸，“S”双吸，“A”涡轮压气机，其后数字代表供气量和出口压力以及设计序号。如：DA35041，即表示单吸涡轮压缩机，公称供气量350m3/min，出口压力0.4MPa（绝对压力），此机系第一次设计产品。往复式空气压缩机：结构与工作原理类似于往复泵，操作时，气体受压发热，故气缸外需要有冷却装置。冷却装置有水冷和风冷之分，一般
37、连续供气的场合，都选择水冷。优点：容量范围广，价格较便宜，操作、维修方便。缺点：出口流量不稳定，压出气体中夹带油雾，给后道工序（空气除菌等）带来一定困难。分类：气缸排列位置分：V型，W型，L型排气压力气：高压（8.0-10.0MPa），中压（1.0-8.0MPa）和低压（1.0MPa）发酵工厂中使用L型较为普通，国产低压机多为双缸二级压缩机。如：AL（序号）（两缸呈L型排列）20/8型空气压缩机（排气压力为0.8MPa）（额定排气量为20m3/min）（2）旋转压缩机：类似于旋转泵，活有活塞与活门装置。优点：排气连续、均匀；效率高，构造简单而紧凑。缺点：压缩比不大，终压一般0.4MPa（表压）（3）送风机：也称通风机。发酵工业采用最多的是离心式和轴流式两类。低压，80013332Pa高于大气压的压力离心式送风机中压，1333226664Pa高压，26664133322Pa轴流式送风机：型式很多，效率较高，为6065