第5章設備的設計與選型

第5章設備的設計與選型

第一節(jié)設備類型與設計選型原則一、設備的類型1、專業(yè)設備:僅為專業(yè)生產(chǎn)工廠使用設備。如糖化鍋、煮沸鍋、麥汁過濾槽、發(fā)酵罐。2、通用設備：各行業(yè)都可使用的設備。如水泵、電機、風機、空氣壓縮機、螺旋輸送機、升降機。3、非標準設備：按照所需尺寸加工貯藏罐、池、計量罐等。二、設備設計與選型的原則1保證工藝過程實施的安全可靠.2經(jīng)濟上合理,技術上先進.對環(huán)境污染少.3投資省,耗材料少,加工方便,采購容易.4運行費用低,水電汽消耗少.5操作清洗方便,耐用易維修,備品配件供應可靠,減輕工人勞動強度,實施機械化和自動化方便.6結構緊湊,采用實踐考驗證明確實性能優(yōu)良設備.7考慮生產(chǎn)波動與設備平衡,留有一定余量.8考慮設備故障及檢修的費用.第二節(jié)專業(yè)設備的設計與選型1、專業(yè)設備設計與選型依據(jù)1）工藝計算確定的成品量、物料量、耗水量2）工藝操作的外部條件（溫度、壓力、真空度）3）設備的工作條件要求（PH、保溫、防腐等）4）設備構造類型和性能2、專業(yè)設備設計與選型的內容（P105）1)工藝操作任務、工作性質和參數(shù)的確定2)設備選型及性能特點評價3)生產(chǎn)能力確定4)設備數(shù)量的計算（設備使用維修及必備充裕量）5)設備主要尺寸的確定6)設備化工過程（換熱、過濾、冷凍、塔板數(shù)）計算7)設備傳動攪拌和動力消耗計算8)設備結構的工藝計算（設備主要輔助裝置如空氣分布器、擋板、攪拌器、以及冷卻管布置等資料）9)支撐方式的計算選型10)強度壁厚的計算選擇11)材質的選擇和用量計算（滿足工藝要求和經(jīng)濟性）12)其他問題（如防腐、保溫等安全設施）3、專業(yè)設備設計與選型特點（啤酒廠、味精廠、有機酸的間歇操作設備）1）間歇操作設備生產(chǎn)能力數(shù)量和容積設計計算（1）間歇操作設備生產(chǎn)能力（2）間歇操作設備的數(shù)量（3）間歇操作設備的容積計算（4）間歇操作設備主要尺寸的計算2）連續(xù)操作設備如酒精生產(chǎn)的連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)蒸餾設備。機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐4、專業(yè)設備設計與選型實例(120000t/a味精廠發(fā)酵車間)1）發(fā)酵罐（機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐）（1）罐型選擇（2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積（3）主要尺寸的計算（4）冷卻面積的計算（5）攪拌器設計（6）攪拌軸功率的計算（7）設備結構的工藝設計（8）設備材料的選擇（9）發(fā)酵罐壁厚的計算（10）接管設計（11）支座選擇連續(xù)操作設備設計與選型：

實例（味精制糖車間螺旋板換熱器）連續(xù)滅菌流程：a)連消塔-噴淋冷卻流程；b)噴射加熱流程；c)板式換熱器滅菌流程。連消塔—噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程圖5-1連消塔—噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程連續(xù)滅菌采用連消塔時，可在20～30s達到預定滅菌溫度，由維持罐來保持必需的殺菌時間。采用噴射殺菌設備，蒸汽直接噴入生培養(yǎng)液，溫度幾乎立即上升到預定殺菌溫度，由保溫段管子的長度來保證必要的殺菌時間。采用板式換熱器，可在20s內達到殺菌溫度，經(jīng)保溫保持必要的殺菌時間，然后在板式熱交換器另一段20s內冷卻到發(fā)酵溫度。噴射液化器工作示意圖板式換熱器結構圖：可拆卸板式換熱器是由許多沖壓有波紋薄板按一定間隔，四周通過墊片密封，并用框架和壓緊螺旋重疊壓緊而成，板片和墊片的四個角孔形成了流體的分配管和匯集管，同時又合理地將冷熱流體分開，使其分別在每塊板片兩側的流道中流動，通過板片進行熱交換。2）螺旋板換熱器（P117）換熱面積計算：1）熱糖液放出熱量Q1（115℃降到72℃）2）冷糖液被加熱的溫度t23）求平均溫差Δt4）換熱面積F設備選型：依據(jù)產(chǎn)品目錄第三節(jié)通用設備的設計與選型

1、液體輸送設備選型：（1）泵的分類：按工作原理和結構葉片式泵（透平式泵）:離心泵、軸流泵、混流泵、旋渦泵容積式泵:往復泵（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵）回轉泵（齒輪泵、螺桿泵、滑片泵）其他類型泵:噴射泵、水錘泵、真空泵、按壓力分：低壓泵<2MPa、中壓泵2～6MPa高壓泵>6MPa按介質分：清水泵、泥漿泵、油泵、熔融泵葉片式泵混流泵軸流泵離心泵旋渦泵容積式泵

隔膜泵滑片泵柱塞泵齒輪泵螺桿泵活塞泵其他類型泵管道泵消防泵真空泵潛水泵排污泵噴射泵柱塞計量泵水錘泵水錘泵又叫水擊泵、沖擊泵，主要由泵座、緩沖筒、排水閥、壓水閥和排出管等組成。和水泵相比，水錘泵的流量較小，揚程較高，出水不均勻，水源的水量不需要太大，但要求水位落差較大。其他類型泵（2）泵的選擇流量：又稱為輸水量，它是指水泵在單位時間內輸送水的數(shù)量。用Q表示，單位是m3/h。揚程：單位重量液體流經(jīng)泵后獲得的有效能量。銘牌標示的揚程是指水泵本身所能產(chǎn)生的揚程，它不含管道水流受摩擦阻力而引起的損失揚程。有效汽蝕量：管路裝置汽蝕余量是指泵入口處單位液體所具有的高出汽化壓力能頭的那部分能量。泵工作時液體在葉輪進口處因一定真空壓力下會產(chǎn)生汽體，汽化的氣泡在液體質點的撞擊運動下，對葉輪等金屬表面產(chǎn)生剝蝕，從而破壞葉輪等金屬，此時真空壓力叫汽化壓力。安裝高度（吸程）水源水面到離心泵葉輪中心線的垂直距離。2、泵的選型方法及步驟：（1）列出基本數(shù)據(jù)介質性質：密度、黏度、固體顆粒、蒸汽壓、腐蝕性操作條件：溫度、壓力、流量泵的所在位置：環(huán)境溫度、海拔、安裝高度、管線長度（2）確定流量及揚程（3）選擇泵型及型號：根據(jù)以上條件和工廠產(chǎn)品目錄、說明書選擇（4）根據(jù)泵軸功率選定電動機（5）確定泵備用率和臺數(shù)（6）填寫泵的規(guī)格表，作為訂貨依據(jù)。1、安裝高度（吸程）水源水面到離心泵葉輪中心線的垂直距離。吸程=標準大氣壓（10.33米）-汽蝕余量（0.4）-安全量（0.5米），從安全角度考慮，泵的實際安裝高度值應小于計算值，即Hx＜5m。2、管路的閥門、法蘭嚴防滲漏，以免產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。3、吸入管路口應有過濾裝置，防止雜物吸入堵塞管路。2、空氣潔凈設備選型無菌空氣的概念生物工程工廠應用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數(shù)，從而能控制菌體污染至極小機會。此種空氣稱為“無菌空氣”?？諝獬O備一般為常規(guī)分置的冷卻、除油、除水、除油霧、加熱、初、中、高效除塵、除菌等八項功能設備成系統(tǒng)?？諝膺^濾除菌流程：一般是把吸氣口吸入的空氣先進行壓縮前過濾，然后進入空氣壓縮機。從空氣壓縮機出來的空氣(一般壓力在0.2MPa以上，溫度120~160°C)，先冷卻至適當溫度(20~25°C)除去油和水，再加熱至30~35°C，最后通過總空氣過濾器和分過濾器(有的不用分過濾器)除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合工藝要求的滅菌空空氣過濾有效除菌原理：1，提高壓縮前空氣的質量主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強吸入空氣的壓縮前過濾。(1)空氣吸氣口提高空氣吸氣口的高度可以減少吸入空氣的微生物含量。據(jù)報道，吸氣口每提高3．05m，微生物數(shù)量減少一個數(shù)量級。由于空氣中的微生物數(shù)量因地區(qū)、氣候而不同；因此吸氣口的高度也必須因地制宜，一般以離地面5~10m為好。在吸氣口處需要設置防止顆粒及雜物吸入的篩網(wǎng)(也可以裝在粗過濾器上)，以免損壞空氣壓縮機。如果將粗過濾器提高到相當于吸氣口的高度，則不需另設吸氣口。(2)粗過濾器吸入的空氣在進入壓縮機前先通過粗過濾器過濾，可以減少進入空氣壓縮機的灰塵和微生物，減少往復式空氣壓縮機活塞和氣缸的磨損，減輕介質過濾除菌的負荷。常用的粗過濾器有油浸鐵絲網(wǎng)、泊浸鐵環(huán)和泡沫塑料等。

2，去除壓縮空氣中所帶的油和水空氣中的微生物通常不單獨游離存在，而依附在塵埃和霧滴上。因此，空氣進入壓縮機前應盡量除去塵埃和霧滴?？諝庵械撵F滴不僅帶有微生物，還會使空氣過濾器中的過濾介質受潮而降低除菌效率，以及使空氣過濾器的阻力增加。為此，必須設法使進入過濾器的空氣保持相對濕度在50~60％左右。從空氣壓縮機出來的空氣，溫度為120°C(往復式壓縮機)或150°C(渦輪式壓縮機)，其相對濕度大大降低，如果在此高溫下就進入空氣過濾器過濾，可以減少壓縮空氣中夾帶的水分，使過濾介質不致受潮。但是一般的過濾介質耐受不了這樣高的溫度。壓縮空氣一般先通過冷卻，降低溫度，提高空氣的相對濕度，使其達到飽和狀態(tài)并處于露點以下，使其中的水分凝結為水滴或霧沫，從而將它們分離除去。冷卻去水后，再將壓縮空氣加熱，降低其相對濕度，使其未除去的水分不致凝結出來，然后進行過濾?？諝馔ㄟ^往復式壓縮機的氣缸后縮帶來的油霧滴，同樣會粘附微生物，降低過濾器的除菌效率及使過濾阻力增大，但通過冷卻后可以和水一起分離除去。如果往復式壓縮機采用半無油潤滑或無油潤滑，則可以大大降低壓縮空氣的油霧含量?，F(xiàn)將去除油、水的工藝過程所需設備及其作用概述如下。（1）一級空氣冷卻器用30°C左右的水，把從壓縮機出來的120°C或150°C的空氣冷卻到40~50°C左右。（2）二級空氣冷卻器用9°C冷凍水或15~18°C地下水，把40~50°C的空氣冷卻到20~25°C。冷卻后的空氣，其相對濕度提高到100%，由于溫度處于露點以下，其中的油、水即凝結為油滴和水滴。（3）空氣貯罐用以沉降大的油滴和水滴及穩(wěn)定壓力。（4）旋風分離器用以分離50μm以上的液滴及部分較小的液滴。（5）絲網(wǎng)除沫器用以分離5μm以上的液滴。使用絲網(wǎng)除沫器需控制好空氣的流速，并不斷去掉凝結下來的油水。在空氣壓力為0.2Mpa（表壓）的情況下，最佳的空氣流速應為1~2m／s(空床速度)，在此操作條件下可以去掉較小的霧滴。（6）空氣加熱器分離油、水以后的空氣的相對濕度仍然為100％，當溫度稍微下降時(例如冬天或過濾器阻力下降很大時)就會析出水來，使過濾介質受潮。因此，還必須使用加熱器來提高空氣溫度，降低空氣的相對濕度(要求在60％以下)，以免析出水來。除空氣預處理外，影響空氣除菌的重要因素還有空氣過濾器的過濾介質及操作。生物工程工廠空氣潔凈設備：空氣除菌設備一般為常規(guī)分置的冷卻、除油、除水、除油霧、加熱、初、中、高效除塵、除菌等八項功能設備成系統(tǒng)。（一）提供發(fā)酵罐較高壓力的無菌空氣設備（P131）1、傳統(tǒng)二級冷卻、二次分油水、二級過濾系統(tǒng)：2、現(xiàn)代的空氣除菌系統(tǒng)如二級冷卻、一次分油水、三級過濾系統(tǒng)：（二）制藥工廠空氣潔凈設備A、空氣過濾器空氣過濾器(AirFilter)是指空氣過濾裝置，一般用于潔凈車間，潔凈廠房，實驗室及潔凈室，或者用于電子機械通信設備等的防塵。空氣過濾器的主要性能指標過濾精度指允許通過的雜質顆粒的最大直徑。影響過濾精度的關鍵是濾芯，可根據(jù)后面元器件的需要選擇不同的濾芯，使其達到相應的過濾精度。流量特性

指在一定的進口壓力下，通過過濾器的空氣流量與過濾器兩端壓力降之間的關系曲線，實際使用時，最好在壓力損失小于0.03MPa的范圍內選用。在空氣過濾器中,影響流量特性的主要是本體和濾芯。分水效率指分離出來的水分與進氣口空氣中所含水分之比.一般要求空氣過濾器的分水效率不小于80%.影響分水效率的主要是導流板?？諝膺^濾器的結構如右圖所示從進口流入的壓縮空氣,被引進導流板（2

），導流板上有均勻分布的類似風扇扇葉的斜齒，迫使高速流動的壓縮空氣沿齒的切線方向產(chǎn)生強烈的旋轉，混雜在空氣中的液態(tài)水油和較大的雜質在強大的離心力作用下分離出來，甩到水杯（7）的內壁上，流到水杯的底部。除去液態(tài)水油和較大雜質的壓縮空氣，再通過濾芯（3）的進一步過濾，清除微小的固態(tài)顆粒，然后從出口輸出清潔的壓縮空氣。傘形擋水板（5）將水杯分隔成上下兩部分，下部保持壓力靜區(qū)，可以防止高速旋轉的氣流吸起杯底的水油。聚集在杯底的水油從排水閥（8）放掉?？諝膺^濾器必須豎直水杯向下安裝。B、潔凈工作臺潔凈工作臺，是一種提供局部無塵、無菌工作環(huán)境的空氣凈化設備，并能將工作區(qū)已被污染的空氣通過專門的過濾通道人為地控制排放，避免對人和環(huán)境造成危害，是一種安全的微生物專用潔凈工作臺，也可廣泛應用于生物實驗室、醫(yī)療衛(wèi)生、生物制藥等相關行業(yè)，對改善工藝條件，保護操作者的身體健康，提高產(chǎn)品質量和成品率均有良好的效果潔凈工作臺結構：外殼、高效過濾器、靜壓箱、風機組、預過濾器、日光燈和紫外線燈、臺面、電器元件。垂直流潔凈工作臺C、層流罩潔凈層流罩是一種可提供局部潔凈環(huán)境的空氣凈化單元,可靈活地安裝在需要高潔凈度的工藝點上方，潔凈層流罩可以單個使用，也可多個組合成帶狀潔凈區(qū)域。潔凈層流罩是將空氣以一定地風速通過高效過濾器后，形成均流層，使?jié)崈艨諝獬蚀怪眴蜗蛄?，從而保證了工作區(qū)內達到工藝要求的潔凈度。潔凈層流罩技術參數(shù)：

潔凈度工作區(qū)斷面風速在-mm/s時達級（FSD標準，工作區(qū)內≥0.5um粒徑的塵埃顆≤3.5顆/升）。噪音：≤65dB

層流罩按結構分為有風機層流罩和無風機層流罩有風機層流罩設備：預過濾器、負壓箱、風機、靜壓箱、高效過濾器。