第5章设备的设计与选型

第5章设备的设计与选型

第一节设备类型与设计选型原则一、设备的类型1、专业设备:仅为专业生产工厂使用设备。如糖化锅、煮沸锅、麦汁过滤槽、发酵罐。2、通用设备：各行业都可使用的设备。如水泵、电机、风机、空气压缩机、螺旋输送机、升降机。3、非标准设备：按照所需尺寸加工贮藏罐、池、计量罐等。二、设备设计与选型的原则1保证工艺过程实施的安全可靠.2经济上合理,技术上先进.对环境污染少.3投资省,耗材料少,加工方便,采购容易.4运行费用低,水电汽消耗少.5操作清洗方便,耐用易维修,备品配件供应可靠,减轻工人劳动强度,实施机械化和自动化方便.6结构紧凑,采用实践考验证明确实性能优良设备.7考虑生产波动与设备平衡,留有一定余量.8考虑设备故障及检修的费用.第二节专业设备的设计与选型1、专业设备设计与选型依据1）工艺计算确定的成品量、物料量、耗水量2）工艺操作的外部条件（温度、压力、真空度）3）设备的工作条件要求（PH、保温、防腐等）4）设备构造类型和性能2、专业设备设计与选型的内容（P105）1)工艺操作任务、工作性质和参数的确定2)设备选型及性能特点评价3)生产能力确定4)设备数量的计算（设备使用维修及必备充裕量）5)设备主要尺寸的确定6)设备化工过程（换热、过滤、冷冻、塔板数）计算7)设备传动搅拌和动力消耗计算8)设备结构的工艺计算（设备主要辅助装置如空气分布器、挡板、搅拌器、以及冷却管布置等资料）9)支撑方式的计算选型10)强度壁厚的计算选择11)材质的选择和用量计算（满足工艺要求和经济性）12)其他问题（如防腐、保温等安全设施）3、专业设备设计与选型特点（啤酒厂、味精厂、有机酸的间歇操作设备）1）间歇操作设备生产能力数量和容积设计计算（1）间歇操作设备生产能力（2）间歇操作设备的数量（3）间歇操作设备的容积计算（4）间歇操作设备主要尺寸的计算2）连续操作设备如酒精生产的连续发酵和连续蒸馏设备。机械涡轮搅拌通风发酵罐4、专业设备设计与选型实例(120000t/a味精厂发酵车间)1）发酵罐（机械涡轮搅拌通风发酵罐）（1）罐型选择（2）生产能力、数量和容积（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）接管设计（11）支座选择连续操作设备设计与选型：

实例（味精制糖车间螺旋板换热器）连续灭菌流程：a)连消塔-喷淋冷却流程；b)喷射加热流程；c)板式换热器灭菌流程。连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程图5-1连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程连续灭菌采用连消塔时，可在20～30s达到预定灭菌温度，由维持罐来保持必需的杀菌时间。采用喷射杀菌设备，蒸汽直接喷入生培养液，温度几乎立即上升到预定杀菌温度，由保温段管子的长度来保证必要的杀菌时间。采用板式换热器，可在20s内达到杀菌温度，经保温保持必要的杀菌时间，然后在板式热交换器另一段20s内冷却到发酵温度。喷射液化器工作示意图板式换热器结构图：可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。2）螺旋板换热器（P117）换热面积计算：1）热糖液放出热量Q1（115℃降到72℃）2）冷糖液被加热的温度t23）求平均温差Δt4）换热面积F设备选型：依据产品目录第三节通用设备的设计与选型

1、液体输送设备选型：（1）泵的分类：按工作原理和结构叶片式泵（透平式泵）:离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵容积式泵:往复泵（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵）回转泵（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵）其他类型泵:喷射泵、水锤泵、真空泵、按压力分：低压泵<2MPa、中压泵2～6MPa高压泵>6MPa按介质分：清水泵、泥浆泵、油泵、熔融泵叶片式泵混流泵轴流泵离心泵旋涡泵容积式泵

隔膜泵滑片泵柱塞泵齿轮泵螺杆泵活塞泵其他类型泵管道泵消防泵真空泵潜水泵排污泵喷射泵柱塞计量泵水锤泵水锤泵又叫水击泵、冲击泵，主要由泵座、缓冲筒、排水阀、压水阀和排出管等组成。和水泵相比，水锤泵的流量较小，扬程较高，出水不均匀，水源的水量不需要太大，但要求水位落差较大。其他类型泵（2）泵的选择流量：又称为输水量，它是指水泵在单位时间内输送水的数量。用Q表示，单位是m3/h。扬程：单位重量液体流经泵后获得的有效能量。铭牌标示的扬程是指水泵本身所能产生的扬程，它不含管道水流受摩擦阻力而引起的损失扬程。有效汽蚀量：管路装置汽蚀余量是指泵入口处单位液体所具有的高出汽化压力能头的那部分能量。泵工作时液体在叶轮进口处因一定真空压力下会产生汽体，汽化的气泡在液体质点的撞击运动下，对叶轮等金属表面产生剥蚀，从而破坏叶轮等金属，此时真空压力叫汽化压力。安装高度（吸程）水源水面到离心泵叶轮中心线的垂直距离。2、泵的选型方法及步骤：（1）列出基本数据介质性质：密度、黏度、固体颗粒、蒸汽压、腐蚀性操作条件：温度、压力、流量泵的所在位置：环境温度、海拔、安装高度、管线长度（2）确定流量及扬程（3）选择泵型及型号：根据以上条件和工厂产品目录、说明书选择（4）根据泵轴功率选定电动机（5）确定泵备用率和台数（6）填写泵的规格表，作为订货依据。1、安装高度（吸程）水源水面到离心泵叶轮中心线的垂直距离。吸程=标准大气压（10.33米）-汽蚀余量（0.4）-安全量（0.5米），从安全角度考虑，泵的实际安装高度值应小于计算值，即Hx＜5m。2、管路的阀门、法兰严防渗漏，以免产生漏气现象。3、吸入管路口应有过滤装置，防止杂物吸入堵塞管路。2、空气洁净设备选型无菌空气的概念生物工程工厂应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制菌体污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。空气除菌设备一般为常规分置的冷却、除油、除水、除油雾、加热、初、中、高效除尘、除菌等八项功能设备成系统。空气过滤除菌流程：一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120~160°C)，先冷却至适当温度(20~25°C)除去油和水，再加热至30~35°C，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空空气过滤有效除菌原理：1，提高压缩前空气的质量主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的压缩前过滤。(1)空气吸气口提高空气吸气口的高度可以减少吸入空气的微生物含量。据报道，吸气口每提高3．05m，微生物数量减少一个数量级。由于空气中的微生物数量因地区、气候而不同；因此吸气口的高度也必须因地制宜，一般以离地面5~10m为好。在吸气口处需要设置防止颗粒及杂物吸入的筛网(也可以装在粗过滤器上)，以免损坏空气压缩机。如果将粗过滤器提高到相当于吸气口的高度，则不需另设吸气口。(2)粗过滤器吸入的空气在进入压缩机前先通过粗过滤器过滤，可以减少进入空气压缩机的灰尘和微生物，减少往复式空气压缩机活塞和气缸的磨损，减轻介质过滤除菌的负荷。常用的粗过滤器有油浸铁丝网、泊浸铁环和泡沫塑料等。

2，去除压缩空气中所带的油和水空气中的微生物通常不单独游离存在，而依附在尘埃和雾滴上。因此，空气进入压缩机前应尽量除去尘埃和雾滴。空气中的雾滴不仅带有微生物，还会使空气过滤器中的过滤介质受潮而降低除菌效率，以及使空气过滤器的阻力增加。为此，必须设法使进入过滤器的空气保持相对湿度在50~60％左右。从空气压缩机出来的空气，温度为120°C(往复式压缩机)或150°C(涡轮式压缩机)，其相对湿度大大降低，如果在此高温下就进入空气过滤器过滤，可以减少压缩空气中夹带的水分，使过滤介质不致受潮。但是一般的过滤介质耐受不了这样高的温度。压缩空气一般先通过冷却，降低温度，提高空气的相对湿度，使其达到饱和状态并处于露点以下，使其中的水分凝结为水滴或雾沫，从而将它们分离除去。冷却去水后，再将压缩空气加热，降低其相对湿度，使其未除去的水分不致凝结出来，然后进行过滤。空气通过往复式压缩机的气缸后缩带来的油雾滴，同样会粘附微生物，降低过滤器的除菌效率及使过滤阻力增大，但通过冷却后可以和水一起分离除去。如果往复式压缩机采用半无油润滑或无油润滑，则可以大大降低压缩空气的油雾含量。现将去除油、水的工艺过程所需设备及其作用概述如下。（1）一级空气冷却器用30°C左右的水，把从压缩机出来的120°C或150°C的空气冷却到40~50°C左右。（2）二级空气冷却器用9°C冷冻水或15~18°C地下水，把40~50°C的空气冷却到20~25°C。冷却后的空气，其相对湿度提高到100%，由于温度处于露点以下，其中的油、水即凝结为油滴和水滴。（3）空气贮罐用以沉降大的油滴和水滴及稳定压力。（4）旋风分离器用以分离50μm以上的液滴及部分较小的液滴。（5）丝网除沫器用以分离5μm以上的液滴。使用丝网除沫器需控制好空气的流速，并不断去掉凝结下来的油水。在空气压力为0.2Mpa（表压）的情况下，最佳的空气流速应为1~2m／s(空床速度)，在此操作条件下可以去掉较小的雾滴。（6）空气加热器分离油、水以后的空气的相对湿度仍然为100％，当温度稍微下降时(例如冬天或过滤器阻力下降很大时)就会析出水来，使过滤介质受潮。因此，还必须使用加热器来提高空气温度，降低空气的相对湿度(要求在60％以下)，以免析出水来。除空气预处理外，影响空气除菌的重要因素还有空气过滤器的过滤介质及操作。生物工程工厂空气洁净设备：空气除菌设备一般为常规分置的冷却、除油、除水、除油雾、加热、初、中、高效除尘、除菌等八项功能设备成系统。（一）提供发酵罐较高压力的无菌空气设备（P131）1、传统二级冷却、二次分油水、二级过滤系统：2、现代的空气除菌系统如二级冷却、一次分油水、三级过滤系统：（二）制药工厂空气洁净设备A、空气过滤器空气过滤器(AirFilter)是指空气过滤装置，一般用于洁净车间，洁净厂房，实验室及洁净室，或者用于电子机械通信设备等的防尘。空气过滤器的主要性能指标过滤精度指允许通过的杂质颗粒的最大直径。影响过滤精度的关键是滤芯，可根据后面元器件的需要选择不同的滤芯，使其达到相应的过滤精度。流量特性

指在一定的进口压力下，通过过滤器的空气流量与过滤器两端压力降之间的关系曲线，实际使用时，最好在压力损失小于0.03MPa的范围内选用。在空气过滤器中,影响流量特性的主要是本体和滤芯。分水效率指分离出来的水分与进气口空气中所含水分之比.一般要求空气过滤器的分水效率不小于80%.影响分水效率的主要是导流板。空气过滤器的结构如右图所示从进口流入的压缩空气,被引进导流板（2

），导流板上有均匀分布的类似风扇扇叶的斜齿，迫使高速流动的压缩空气沿齿的切线方向产生强烈的旋转，混杂在空气中的液态水油和较大的杂质在强大的离心力作用下分离出来，甩到水杯（7）的内壁上，流到水杯的底部。除去液态水油和较大杂质的压缩空气，再通过滤芯（3）的进一步过滤，清除微小的固态颗粒，然后从出口输出清洁的压缩空气。伞形挡水板（5）将水杯分隔成上下两部分，下部保持压力静区，可以防止高速旋转的气流吸起杯底的水油。聚集在杯底的水油从排水阀（8）放掉。空气过滤器必须竖直水杯向下安装。B、洁净工作台洁净工作台，是一种提供局部无尘、无菌工作环境的空气净化设备，并能将工作区已被污染的空气通过专门的过滤通道人为地控制排放，避免对人和环境造成危害，是一种安全的微生物专用洁净工作台，也可广泛应用于生物实验室、医疗卫生、生物制药等相关行业，对改善工艺条件，保护操作者的身体健康，提高产品质量和成品率均有良好的效果洁净工作台结构：外壳、高效过滤器、静压箱、风机组、预过滤器、日光灯和紫外线灯、台面、电器元件。垂直流洁净工作台C、层流罩洁净层流罩是一种可提供局部洁净环境的空气净化单元,可灵活地安装在需要高洁净度的工艺点上方，洁净层流罩可以单个使用，也可多个组合成带状洁净区域。洁净层流罩是将空气以一定地风速通过高效过滤器后，形成均流层，使洁净空气呈垂直单向流，从而保证了工作区内达到工艺要求的洁净度。洁净层流罩技术参数：

洁净度工作区断面风速在-mm/s时达级（FSD标准，工作区内≥0.5um粒径的尘埃颗≤3.5颗/升）。噪音：≤65dB

层流罩按结构分为有风机层流罩和无风机层流罩有风机层流罩设备：预过滤器、负压箱、风机、静压箱、高效过滤器。