第六章-设备的设计与选型.ppt

第六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设计与选型第四节非标设备的设计第五节设备一览表 思考题 1 设备的分类及设计选型原则 2 专业设备设计选型的依据及特点 3 连续操作设备设计的依据 4 某发酵车间 每天处理发酵醪量320m3 选用100m3发酵罐 发酵周期为72h 发酵罐充满系数为80 求所需发酵罐的个数 5 发酵罐挡板的作用 6 泵选择的原则 发酵工业常用的泵 7 发酵工业常用的气体输送设备 8 离心式送风机可分为哪几种 压头分别是多少 9 发酵工业常用的压缩机 10 常用的固体输送设备分类 11 解释概念 装液高度系数 公称容积 罐的全容积 压头 通风比 第一节概述 一 设备设计选型的任务二 设备设计选型的原则 一 设备设计选型的任务设备分类 专业设备 通用设备 非标准设备专业设备专业性较强 仅为发酵工厂使用的设备 如发酵罐 糖化锅等通用设备各行各业都可以使用的设备 如泵 风机等 非标准设备是指生产车间的贮藏 池子等设施 主要介绍设备的工艺设计与选型 设备工艺设计与选型的任务是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 据此 着手进行车间布置设计 并为下一步施工图设计以及其他非工艺设计项目 例如 设备的机械设计 土建 供电 仪表控制设计等 提供足够的有关条件 为设备的制作 订购等提供必要的资料 二 设备设计与选型的原则从设备的设计选型情况 可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性 设备的工艺设计和选型的原则 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 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 尽量采用经过实践考验证明确实性能优良的设备 7 考虑生产波动与设备平衡 留有一定裕量 8 考虑设备故障及检修的备用 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据1 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 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 专业设备设计与选型的程序和内容1 设备所担负的工艺操作任务和工作性质 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 考虑设备使用维修及必须的裕量 5 设备主要尺寸的确定 6 设备化工过程 换热 过滤 干燥面积 塔板数等 的计算7 设备的传动搅拌和动力消耗计算 8 设备结构的工艺设计 9 支撑方式的计算选型 10 壁厚的计算选择 11 材质的选择和用量计算 12 其他特殊问题的考虑 三 专业设备设计与选型的特点发酵专业涉及多种发酵产品的生产 由于不同产品在具体生产过程中的要求不一样 以在设计计算和选型过程中就会有很大差异 应当在对各种发酵产品生产全过程充分认识了解的基础上着手进行设计 主要考虑各种产品的生产特点 原料性质来源 现阶段生产水平可能达到的技术经济指标 有效生产天数 各个生产环节的周期等因素 一 间歇操作设备生产能力数量和容积的设计计算1 间歇操作设备生产能力的确定间歇操作设备生产能力的表示方法 一般为t 罐 批 或m3 罐 批 对于味精 酶制剂等通风发酵设备 其生产能力由设备选型确定 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 47t 罐 批 式中100 发酵罐容积 t 15 发酵初糖浓度 还原糖 70 填充系数48 发酵转化率80 提取率112 精制收率1 染菌率 2 间歇操作所需设备数量的确定式中N 设备的操作台数 不含备用 Z 工段的生产能力 以每24h加工原料和半成品的吨数 设备操作周期 h G 设备操作有效容量 t r 24h内设备操作的小时数Vo 24h内加工的原料 半成品的容量 m3 Va 一台设备的容量 m3 设备的填充系数 此值为经验值设备容量和数量的确定 考虑投资费用 和工艺的要求 有时要优先考虑对生产有利的因素 而将设备投资的经济观点放到次要地位 啤酒大罐发酵时要求15h之内满罐等 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 m3 r 操作周期 h 设备的填充系数 搅拌和产生泡沫多取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设备多为容器型设备 不同的设备 根据用途和设备特性 高径比有很大差别间歇操作多采用锥形底制作容易 排料干净 在确定各部尺寸时 通常根据已知容量V和高径比 封头高度 折算成相同直径筒高 列出数学方程 求出直径 圆整到接近的公称直径然后校核总容量 求出其他尺寸 二 连续操作设备生产能力 数量和容积的设计计算连续操作设备在设计中 既要考虑生产能力又要考虑混合 反应等处理效果 通常为提高反应效果的具体做法是 在满足生产能力的前提下 选择设备时要考虑其高径比和设备数量 如连续蒸煮 连续发酵设备通常取3 5个罐串连 设计连续操作设备的容量和主要尺寸的依据是 1 物料流量V m3 s或t s 根据设计的生产规模 通过计算确定的 2 物料在设备中的逗留时间 s 逗留时间则取决于生产工艺的要求 3 物料在设备各部位的流速 m s 1 生产能力的确定对于连续生产操作的设备 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 可以计算出设备的有效容量V有效 V有效 V m3 例如10000t a酒精厂蒸煮时间根据生产经验60 90min 取80min 则蒸煮设备的总容积V有效为 V有效 14 8 60 80 19 73 m3 3 设备数量的计算连续操作设备为防止滞留和滑漏现象 根据生产性质的不同 一般取设备数量为3 5个 也可设定单个设备容量由总容量求算设备数量n n V有效 V V有效 设备有效总容积m3V 单台设备容积m3 填充系数 上例10000t a酒精厂蒸煮V有效 19 73m3 V 7m3 100 则设备数量n为 n 19 73 7 2 82取3个 4 设备主要尺寸计算容器类设备的主要尺寸计算方法同间歇操作设备的计算方法 但连续操作设备为保证其顺序性 通常高径比要比间歇操作设备大些 具体情况 可根据生产特点加以确定 四 专业设备的设计与选型实例3000t a味精发酵车间采用的发酵设备为间歇操作 灭菌设备为连续操作间歇操作发酵罐设计选型由第五章可知 生产1000kg100 的味精需15 的糖液15 66m31 发酵罐的选型 采用机械涡轮搅拌通风发酵罐 机械搅拌发酵罐搅拌叶轮直径Di D 1 2 1 3圆柱高度Ho D 2 1 2 生产能力 数量和容积的确定 发酵罐的容积 现选用公称容积100m3 生产能力计算 年产3000t a每天产99 味精10t 操作周期48h 每天需糖液体积V0 V0 15 66 10 99 155m3设 发酵罐的充满系数为 0 7 则每天需发酵罐的总容量VV Va 155 0 7 221 4m3 发酵罐个数的确定 概念装液高度系数 圆筒部分高度的系数 罐的封底与冷却管 罐内的辅助设施相抵 公称容积 指罐的圆柱部分和底封头体积之和 罐的全容积 指罐的圆柱部分和两封头体积之和 查表6 2P102公称容积为100m3发酵罐总容积为Va 118m3 则罐数N1 个 取公称容积100m3发酵罐4个实际每天出2罐 充满系数为0 7每天产味精量 118 0 7 2 15 66 99 10 66t富裕量 0 66t 6 6 主要尺寸的计算100m3发酵罐V全 V柱 2V封封头折边不计 圆柱部分高H与罐直径比取2 1V总 0 785D2 2D 24 D3 2118 1 57D3 0 26D3D 4 009m圆整D 4 0m高H 8m查附录一表15 P316封头高度 ha hb 1000 50 1050mm 验算体积 V 全 V柱 2V封V 全 V全 冷却面积的计算 采用一年中最热的半个月气温下 冷却水可能达到的最高温度的条件下设计冷却面积根据牛顿传热定律 F Q总 K tm m2工程计算采用实际测得发酵最旺盛时每m3发酵液每h传给冷却器的最大热量 谷氨酸发酵最大热量 4 18 6000kJ m3 h 采用竖式列管换热器 经验K 4 18 500kJ m3 h tm为平均温度取对数平均值 发酵液32 32 恒定冷却水20 27 125对100m3发酵罐 每罐装液量155 2 77 5m3传热面积 搅拌器的设计 搅拌轴功率的计算 设备结构的工艺设计包括 空气分布器 挡板 密封方式 搅拌器和冷却管的布置 空气分布器 风量小的0 02 0 5ml s采用环型多孔管 风量大的采用单管 谷氨酸发酵通风比为1 0 1 0 18VVm 0 1MPa 20 风量 Q 0 18 77 5 14m3 min 0 23m3 s 换算为0 35MPa 30 状况下空气在0 4MPa 支管气速20 25m s取25m s风管截面积S Q v 0 068 25 0 0027m2风管直径 选用无缝管68 3 62 60适用 挡板 挡板的作用是加强搅拌强度 增加溶氧 罐内设有竖式冷却蛇管可不设挡板 密封方式 采用双端面机械轴封 冷却管布置 一般采用竖式冷却蛇管 可分为二组 四组 六组和八组等 对称按装在罐内 本罐通过计算采用八组 设备材料的选择本设备为降低成本采用A3钢 内涂涂料 发酵罐壁厚计算 可采用公式计算和查表法 查表时注意选用材料和工作条件相应的表格 罐壁厚S 式中 P 设计压力 最高工作压力的1 05倍 英1 1 取0 4MPD 罐内径cm 400 许应应力 A3钢 127MPa 焊缝系数0 5 1 0现取0 7 C 壁厚附加量 包括钢板负偏差C1 腐蚀裕量C2和加工减薄量C3取C1 0 8mm C2 2mm C3 0C 2 8mm 0 28cm选用12mm厚的A3钢板 查附录一表17 直径4m 板厚12mm 筒高8m 每米重量1186kg 筒总重 1186 8 9488kg 封头壁厚计算 标准椭圆封头厚度 式中P 0 4MPaD 400cm 127MPa 0 7C 0 08 0 2 0 1 0 38cm 查钢材手册圆整为S 14mm 封头重量2005kg壁厚表和椭圆封头壁厚表参见附录一表13 表14 表15 接管设计 接管长度h 一般取100 200mm 接管直径 按刚才空气分布器中的管径计算 计算流量 选取合适的流速计算出管径 再圆整到标准钢管尺寸 排料管直径 装液量77 5m3要求2h排完 流量Q 77 5 3600 2 0 0108 m3 s 流速取1m s管截面积F 0 0108 1 0 0108m2 0 785d2圆整取无缝管133 4内径125mm 118适用 支座设计 常用支座分为卧式支座 支腿 圈型支座 鞍型支座立式支座 悬挂支座支撑支座裙式支座75m3以上的大型发酵罐 设备总重量较大 应采用裙式支座本设计采用裙式支座 第三节通用设备的设计与选型 通用设备很多主要液体输送设备气体输送设备固体输送设备 一 液体输送设备 各种泵发酵工业使用最多是离心泵 泵的分类和特点 离心泵 往复泵 隔膜泵 旋涡泵 螺杆泵 齿轮泵按输送原理分为叶片式容积式主要特点见表6 6常用泵的类型和综合性能表6 7P123 表6 6 泵的选择1 泵的选择原则 1 流量设计发酵工厂的装置时 总要留有一定富裕能力 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 泵的流量的确定综合考虑下列两点 装置的富余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 2 扬程泵的扬程需要留有适当余量 一般为正常需要扬程的1 05 1 1倍 有现成经验数据 应尽量采用 使选用的泵能满足工艺要求 3 装置 系统 的有效汽蚀余量装置的有效汽蚀余量应大于泵所需要的允许汽蚀余量 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 泵的选择方法及步骤 1 列出基本数据 介质的物理性质 介质名称输送条件下的相对密度 粘度 蒸汽压 腐蚀及毒性 介质中所含固体颗料直径和含量 介质中气体含量 体积 操作条件 温度 压力 进口侧设备压力 排出侧设备压力 排出侧管系压力降 流量 正常 最小及最大 泵所在位置情况 环境温度 海拔高度 装置平立面要求 进口和排出口侧设备液面至泵中心距离及管线当量长度等 2 确定流量及扬程 流量 选泵时应按最大流量考虑 如果只给出正常流量 采用适当的安全系数 1 1 1 2 如果给出的是重量流量需换算为体积流量Q 扬程 或压差 利用柏努利方程求出泵的扬程 按工艺过程情况 采用1 05 1 1的安全系数 选择泵型及泵的具体型号 根据介质的物性 已确定的流量 扬程 以及依据表6 6 表6 7所示泵的工作范围 选出合适型式的泵 泵的性能核算 按实际情况对泵进行性能核算 列出核算后的性能参数 如符合工艺要求 则所选泵是可用的 确定泵的几何安装高度 计算泵的轴功率 选定泵的材料及轴封 确定冷却水 或加热蒸汽 耗量 选定电动机 或蒸汽透平机 确定泵的备用率和台数 泵的串联和并联 填写泵的规格表 作为泵订货的依据和选泵过程各项数据的汇总介绍泵类最完善的工具书为 泵类产品目录 共三册 三 3000t a味精厂发酵车间泵的选型1 连消泵 1 连消泵输送的是重度为1 05t m3的水解糖液 黏度范围1 3 1 5 10 3Pa s 温度在115 以下 2 介质中无固体颗粒 澄清 透明 3 介质中基本上无气体 4 操作条件 温度为60 70 压力 进口侧靠调浆罐液位压送 出口侧设备压力0 4 0 5MPa 流量 最大流量22m3 h 最小流量19 4m3 h 正常流量20m3 h 5 连消泵一般设在车间或泵房中 进口侧泵在液面之下 6 据上条件 查有关图表 泵的特性曲线H Q 可确定选择离心式泵即可满足生产要求 现选换代产品IS80 50 200 该产品转速2900r min 流量50m3 h 扬程50m 效率74 昆明水泵厂产品 为保证连续生产 考虑设备用泵1台 因此 泵的数量为2台 流量可用阀门调节 2 尿素泵 1 尿素消量设总尿素为4 日用尿素量为 155 1 6 1 05 4 6 58 t d 流加尿素的浓度为40 重度1 1t m3尿素溶液体积为6 57 40 1 1 14 95 m3 d 取15m3 d 2 尿素罐的容量取填充系数为70 75 现取70 两罐轮流操作 则每个的容量为15 2 70 11 m3 3 泵的选择尿素溶液为轻度腐蚀性溶液 粘度低 可使用离心泵 为节省时间和人力 可选用流量和扬程都比较大的泵 型号相同的泵 现选用IS80 50 200型单级清液泵 流量50m3 h 扬程50m 效率74 输送16 5m3尿素溶液用时仅为16 5 50 0 33 h 约合19 8min 3 玉米浆泵同理选用IS80 50 200型单级清液泵1台 二 气体输送设备选型 一 气体输送设备的类型和特点1 气体输送设备的类型 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 1 空气压缩机涡轮压缩机往复压缩机发酵生产中要求空气压缩站提供0 2 0 3MPa 表压 的压缩空气 常采用涡轮式空气压缩机或经过改装的往复式空气压缩机送气 涡轮式空压机 用于发酵生产的是低压涡轮空压机 其出口压力为0 25 0 55MPa 表压 容量一般都大于100m3 min 每分钟压缩1m3空气时 配备的电机功率约为3 5 5kW 国产涡轮空压机的型号有DA型和SA型 D 单吸 S 双吸 A 涡轮压气机 后面数字分别代表供气量和出口压力以及设计序号 如DA350 41 即表示单吸涡轮空压机 公称供气量350m3 min 出口压强0 4MPa 绝对 此机系第一次设计产品 往复式空压机 按排气压力不同 分为高压 8 0 10 0MPa 中压 1 0 8 0MPa 低压 小于1 0MPa 三类 国内的低压往复式空压机多为双缸二级压缩式 在发酵工厂中使用L型空压机较为普遍 如4L 20 8型空压机 即表示两缸呈L型排列 额定排气量为20m3 min 排气压强0 8MPa L前面的4表示该系列空压机的序号 2 旋转压缩机类似液体输送中的旋转泵 没有活塞与活门装置 与往复式相比 它排出的气体是连续而均匀的 此外 旋转压缩机中的旋转部分可与电动机直接连接 效率高 旋转压缩机 构造简单而紧凑 特别适合于现代发酵工厂的要求 用于输送或压缩空气以及排放其他气体 旋转压缩机的主要缺点为压缩比值不大 其终压一般不高于0 4MPa 表压 效率也较往复压缩机低 根据压缩比分为两类一类可产生较大压缩比 如转动活板压缩机和液环压缩机 另一类只能产生非常低的压缩比 如旋转鼓风机 其终压不超过0 08MPa表压 3 送风机通风机 采用最多的有 离心式和轴流式两类 离心式送风机 依据压头的大小可分为 低压离心式送风机 压头800 13332Pa中压离心式送风机 压头13332 26664Pa高压离心式送风机 压头26664 133322Pa压头 指高于大气压的压力 轴流式送风机 轴流式送风机的型式很多 其效率一般较高 约60 65 适用于在低的压头 通常在250Pa以下 但也可以高到1000Pa 皆指超过大气压而育 下输送大量的空气 轴流式送风机的生产能力 可由一个实验室的通风 大到生产过程中3000m3 min的通风 当生产能力和压头已知时 轴流式送风机的功率仍可依离心式送风机的公式计算 4 真空泵真空泵是为获得低于大气压力而设计的设备 分为两大类 干式真空泵湿式真空泵按其结构又可分为往复式回转式 水环式和滑板式 蒸汽喷射泵水力喷射泵等数种 往复式真空泵 常用W型真空泵 它是一种卧式单缸往复式真空泵 国内有Wl W55种主要规格 它们的抽气速率为60 770m3 h 其极限真空度可达1333 22Pa 绝对 水环式真空泵 湿式真空泵 最高真空度可达85 这种泵的结构简单 紧凑 没有活门 经久耐用 常用系列代号为SZ 通常用于抽吸设备中的空气或其他无腐蚀性 不溶于水和不含固体颗粒的气体 对抽吸有水蒸汽的气体也很好 蒸汽喷射泵 利用蒸汽流动时发生静压能与动能的相互转化 以吸人并排出气体 这种泵有多种用途 如作为小型锅炉的注水器 用于发酵产品的减压蒸发 减压蒸馏以及真空冷却 余热回收等方面 水喷射真空泵 粗真空设备 由于它兼有产生真空和冷凝蒸汽的双重作用 故在发酵工业得到广泛的应用 如抗生素工厂 谷氨酸发酵厂的真空蒸发 酒精厂的真空冷却等 二 气体输送设备的选择气体输送设备的选择方法步骤如下 1 列出基本数据 1 气体的名称特性 湿含量 有无易燃易爆及毒性等 2 气体中含固形物 菌体量 3 操作条件 如温度 进出口压力 流量等 4 设备所在地的环境及对电机的要求等 2 确定生产能力及压头 1 生产能力选择最大生产能力 并取适当安全系数 2 压头按工艺要求分别计算通过设备和管道等的阻力并考虑增加1 05 1 1倍的安全系数 3 选择机型及具体型号根据生产特点 计算出的生产能力 压头以及实际经验或中试经验 查询产品目录或手册 选出具体型号并记录该设备在标准条件下的性能参数 配用电机辅助设备等资料 4 设备性能核算对已查到的设备 要列出性能参数 并核对能否满足生产要求 5 确定安装尺寸6 计算轴功率7 确定冷却剂耗量8 选定电机9 确定备用台数10 填写设备规格表 作为订货依据和选择设备过程的数据汇总 三 固体输送设备选型常用的固体输送设备分类带式输送机机械输送设备斗式提升机螺旋输送机埋刮板输送机等流体输送设备气流输送设备液体输送设备 一 机械输送设备1 带式输送机皮带运输机 1 特点主要用于水平移送物料或有一定倾角的移送物料 它可以输送松散的或成包成件的物件 且可做成固定位置或移动式运输机 使用非常方便 操作连续性强 输送能力较高 在运送相同距离和重量的物料时 带式输送机的动力消耗最小 2 螺旋输送机搅龙 常用输送潮湿的或松散的物料 由于它密闭性好 故常用于粉尘大的物料或同时用以输送和混料等场合 我国发酵工厂使用的螺旋输送机有些是根据工艺需要而设计的非定型设备 有些是采用专业厂生产的标准化设备 螺旋输送机的直径D计算 式中Q 输送量t h 物料堆积密度t m3K 物料综合特性经验系数粉粒状 谷物干粉0 04 0 06 湿粉料0 07 填充系数 粉粒料0 25 0 35湿粉料 混合时0 125 0 20C 螺旋倾斜校正系数水平C 1 常用螺旋直径系列 单位mm 150 200 250 300 400 500 600常用螺旋运输机的转数系列 r min 20 30 35 45 60 75 90 120 150 190 3 斗式提升机斗式提升机常用于将物料垂直提升到一定高度 以便使物料借重力自流加工 国产的斗式提升机的型式有D型 HL型 PL型 D型是采用橡胶带为牵引构件 HL型是以锻造的环形链条为牵引构件 PL型是采用板链为牵引构件 发酵工厂最常用的是以橡胶带牵引的D型斗式提升机 二 气流输送1 气流输送的主要优点 1 采用负压进料 可实现风选 去除铁 石等重杂质 2 输送系统密闭 防止物料损失 改善劳动环境 3 能较好地实现均匀定量输送 方便操作 4 设备投资费用较少 5 设备布置简捷 方便 2 气流输送的设计程序 1 确定要输送物料的特性参数 种类 粒度 2 需要输送的物料量 3 输送系统工艺流程设计 4 输送物料的气速和混合比选定 5 计算需要的空气量 并考虑漏风等 6 计算系统的压力损失 考虑未计算部分 7 根据风量 压损 选择风机型号 台数 8 选择电机及传动方式 四 通用设备选型注意事项1 液体输送设备 泵的选型根据输送物料特性和要求 再根据输送流量 总扬程 效率 选择具体型号 间歇操作的泵 满足要求的前提下 可把生产能力选大些 尽快将料输完 连续生产用泵 应选择流量稍高于工艺要求的泵 留有调节余地 保证均衡生产 2 气体输送设备选型注意事项发酵工厂用于深层发酵的 如机械搅拌罐和各种新型生化反应器等的送风设备 主要是往复式空压机 涡轮压缩机 用于酵母培养和麦汁生产的设备主要是罗茨式和高压鼓风机 用于固体厚层通风培养 气流输送 气流干燥 气体输送是离心通风机 车间通风换气 一般使用轴流式风机 连续操作的多有备用设备 3 固体输送设备选型注意事项 1 应尽量选用机械提升设备 因其能耗 视不同类型 比气流输送要低3 10倍 2 皮带输送机 螺旋输送机 以水平输送为主 也可以有些升扬 但倾角不应大于2