发酵补料液连续灭菌系统设计—课程设计

1、 过程工程原理课程设计 题 目 发酵补料液（43000Kg/h）连续灭菌系统设计 姓 名 完成日期 1. 设计方案简介41.1 换热器类型的选择41.2 加热剂、冷却剂的选择51.3 流体流动空间的选择51.4 流体进出口温度的选择51.5 换热器材质的选择51.6初步流程图62.工艺计算72.1换热器（加热器）计算72.1.1热量计算72.1.2K值 A值计算72.1.3管壁温度82.1.4壳体壁温82.1.5温度补偿82.2冷却器1计算92.2.1热量计算92.2.2面积A与K值计算92.2.3管壁温度102.2.4壳体壁温102.2.5温度补偿102.3冷却器2102.3.1热量计算10

2、2.3.2K值 A值计算112.3.3管壁温度112.3.4壳体壁温122.3.5温度补偿123.辅助设备的选择133.1泵的选择133.1.1离心泵对外管路供给的压头133.1.2离心泵对加热器供给的压头133.1.3离心泵对冷却器1供给的压头143.1.4离心泵对冷却器2供给的压头143.1.5离心泵对维持罐供给的压头143.1.6153.1.7泵的选择153.2法兰和管板的选取153.3折流板163.4封头164.设计一览表175.设计评述196.参考文献207.主要符号说明211. 设计方案简介1.1 换热器类型的选择换热器分类：1、两流体直接接触式换热器：会影响补料液浓度，难以精确控

3、制2、蓄热式换热器：常用于回收气体热量或冷量，不适用本次设计3、间壁式换热器：应用广，冷热流体用间壁隔开，不影响料液浓度和染菌可能 考虑本次工艺要求，选择间壁式换热器列管式换热器 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。根据以上特点，列管式换热器中我们选择了固定管板式换

4、热器1.2 加热剂、冷却剂的选择加热剂：水蒸气进口温度：151.7（绝压500kPa），冷凝水出口温度：151.7冷却剂：冷物料，水1.3 流体流动空间的选择在加热中，管内流热补料液，壳内水蒸气；第一个冷却器中管内走热补料液，壳内走冷补料液，第二个冷却器管内走热物料，壳内走水1.4 流体进出口温度的选择加热器:冷料液进口温度65，出口温度：120冷却器：灭菌后料液进口温度：120，第二个冷却器出口温度：30左右 第一个冷却器冷料液进口温度：25，出口温度：601.5 换热器材质的选择 不锈钢1.6初步流程图2.工艺计算2.1换热器（加热器）计算2.1.1热量计算由葡萄糖Cp经验公式Cp=4.1

5、86+2.68110-5T-0.025 09x+7.35710-5Tx-1.56410-7TT-4.13610-7xxkJ/(kgK) 于信令味精工业手册M北京：中国轻工业出版社，1995：已知T平均=（60+120）/2=90将硫酸镁当葡萄糖计算x=（280+15）/1000=29.5%Cp1=3.161kJ/(kgK)查表得45时水的比热容为4.5kJ/(kgK) 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：343-344w1=29.5%,w2=70.5%1/Cp=w1/cp1+w2/cp2=29.5%/3.161+70.5%/4.5得Cp=4.0kJ/(kg

6、K)Q=qm1*Cp(T1-T2)=(43000/3600)*4000*60=2867kw已知下水蒸气温度为t=151.7 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：333tm=（t1-t2）/ln(t1/t2)=56.52.1.2K值 A值计算假设K=2000 W/(m2*k)可得A1=ndl=Q/(Ktm),推出nd=Q/(Kltm).(1)查表得葡萄糖=1.566 g/ml 硫酸镁=2.66 g/ml 于信令味精工业手册M北京：中国轻工业出版社，1995：957.=1000/(280/1.566+15/2.66+705/0.99)=1.115g/ml=11

7、15kg/m-3因为qm=qv*得qv=38.5m3/h由qv=A2u=（nd2）u/4 ,nd2 =4qv/(u)(2 )取u=1m/s l=9m(1)(2)式联立得d=16mm n=48 （管子规格选252.5mm） 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：174d1=20mm d2=25mm代入qv=A2u=（nd2）u/4得n=34,查表得选取规格为252.5mm ， n=38得u=0.9m/s 正三角形排列，管中心距t=1.25d232mm壳体直径D=273mm 中心排管数6 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000

8、：78-79查葡萄糖得90=0. Pa*s（葡萄糖在90摄氏度下的粘度找不到用此数值代替）Re=du/=167814000为湍流经验公式 于信令味精工业手册M北京：中国轻工业出版社，1995：957.=0.568 17+1.654 410-3T-3.127 510-3x-6.832710-6Tx-4.234 510-6T2+2.354 510-7x2W/(mK)=0.74W/(mK)Pr=Cp/ =6.51=0.023/d（Re）0.8（Pr）0.4=4301 W/(m2*k)水蒸气的对流传质系数为 5000-15000W/(m2*k)，取2=5000 W/(m2*k) 忽略热损失以及内外壁热

9、阻，1/K实际=1/1+1/2K实际=2312W/(m2*k)K的相对误差=（K估算-K实际）/K实际=4.8%A理论=23.1m2A实际=21.9m2余量=（A实际-A理论）/A理论=4.8%2.1.3管壁温度 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000：71.2.1.4壳体壁温近似等于壳体流体进出口算数平均值151.72.1.5温度补偿 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000：86.因为管壁温度与壳体壁温之差50，所以不需要温度补偿2.2冷却器1计算2.2.1热量计算Q=qm1Cp1(t1-t2)=qm2Cp2(T4-T3

10、)=ktm AQ=qm1Cp1(t1-t2)=(43000/3600)*4000 *35=1672kW,由于是同一种物质所以qm和Cp都不变可得T4=85，没有达到30左右所以再加一个冷却器，冷却剂为水。2.2.2面积A与K值计算假设K假设=1600W/(m2*k) tm =tm=（t1-t2）/ln(t1/t2)=52.4Am=ndl=Q/(K假设tm )qv=A2u=（nd2）u/4 l取9m同上得d=19.3mm n=36 (选择规格为252.5mm)=1115kg/m-3d1=20mm,d2=25mm代入qv=A2u=（nd2）u/4得n=34,查表得选取规格为252.5mm n=38

11、得u=0.9m/s，正三角形排列，管中心距t=1.25d232mm壳体直径D=273mm 中心排管数6 已知t=(120+85)/2=102.5，葡萄糖=0.0012Pa*s（假设值）,Re=du/=16684.054000为湍流=0.568 17+1.654 410-3T-3.127 510-3x-6.832710-6Tx-4.234 510-6T2+2.354 510-7x2W/(mK)=0.74W/(mK)与前者不变Pr=Cp/ =6.51=0.023/d（Re）0.8（Pr）0.3=4291W/(m2*k)假定溶液的强制对流 取2=2500 W/(m2*k)1/ K实际=1/1+1/2

12、K实际=1580 W/(m2*k)K的相对误差=（K估算-K实际）/K实际=1.3%A理论=20.20m2A实际=19.94m2余量=（A实际-A理论）/A理论=1.3%2.2.3管壁温度2.2.4壳体壁温近似等于壳体流体进出口算数平均值42.52.2.5温度补偿因为管壁温度与壳体壁温之差50，所以不需要温度补偿2.3冷却器22.3.1热量计算取20摄氏度的饱和水作为冷却剂Q=qm1Cp1(t1-t2)=qm2Cp2(T4-T3)=ktm AQ=qm1Cp1(t1-t2)=(43000/3600)*4000*55=2628KWtm =tm=（t1-t2）/ln(t1/t2)=302.3.2K值

13、 A值计算取K=2200W/(m2*k) Am=ndl=Q/(K假设tm )qv=A2u=（nd2）u/4 方法同上但l取9米得d=10mm n=146（管子规格选192mm）d1=15mm d2=19mm代入qv=A2u=（nd2）u/4得n=61,查表得选取规格为192mm ， n=65得u=0.93m/s 正三角形排列，管中心距t=1.25d224mm壳体直径D=273mm 中心排管数9 =1115kg/m-3已知在t=(30+85)/2=57.5下，=0.0008Pa*s（假设值）Re=du/=195084000为湍流=0.568 17+1.654 410-3T-3.127 510-3

14、x-6.832710-6Tx-4.234 510-6T2+2.354 510-7x2W/(mK)=0.74W/(mK)与前者不变Pr=Cp/ =4.31=0.023/d（Re）0.8（Pr）0.3=5513W/(m2*k)水的强制对流 取2=4000 W/(m2*k)1/ K实际=1/1+1/2K实际=2318 W/(m2*k)K的相对误差=（K估算-K实际）/K实际=5.1%A理论=39.8m2A实际=37.7m2余量=（A实际-A理论）/A理论=5.1%2.3.3管壁温度2.3.4壳体壁温近似等于壳体流体进出口算数平均值202.3.5温度补偿因为管壁温度与壳体壁温之差50，所以不需要温度补

15、偿3.辅助设备的选择3.1泵的选择取配料罐和储液罐在同一高度，所以Z=0qv=ud2/4设u=2m/s(水及低粘度液体流速1.5-3m/s 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：26)得取热轧无缝钢管的规格 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：350为893.5mm 由qv=ud2/4得u=2.03m/s设L=l1+l2+l3+l4+l5+l6+l7=10+40+40+10+10+5+5=120m3.1.1离心泵对外管路供给的压头 取无缝钢管 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：34

16、绝对粗糙度=0.1mm,/d=0.00122,（取平均值）湍流再得=0.0225 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：37得（水柱）3.1.2离心泵对加热器供给的压头L2=389=342m 中弯头阻力忽略 湍流取无缝钢管绝对粗糙度=0.1mm,/d=0.005查得,=0.035m(水柱）3.1.3离心泵对冷却器1供给的压头L2=389=342m 中弯头阻力忽略 湍流取无缝钢管绝对粗糙度=0.1mm,/d=0.005查得,=0.034m(水柱）3.1.4离心泵对冷却器2供给的压头L=659=585m 中弯头阻力忽略 湍流取无缝钢管绝对粗糙度=0.1mm,/d

17、=0.0067查得,=0.038m(水柱）3.1.5离心泵对维持罐供给的压头维持管的计算取热轧无线钢管的直径为2196mm d=207mm根据qv=ud2/4可得 u=0.318m/s L=12000.318=382m 采用蛇形排列 取一段管长为6m 所以它有64段 有63个180度弯头 查表化工原理书P34，取无缝钢管绝对粗糙度=0.1mm,/d=0.00048查得,=0.0225查得 杨钦湘.管式维持器的设计J，1985， （6）：5. =0.28得Pe=65831000 理论上讲能够使料液在维持罐内基本上呈活塞流状态，满足要求。(水柱）3.1.6123.7m(水柱）3.1.7泵的选择选择

18、清水泵 王志魁，刘丽英，刘伟化工业原理（第四版）M北京：化学工业出版社，2010：75 IS80-50-315.3.2法兰和管板的选取平面法兰密封面具有结构简单、加工方便、且便于进行防腐衬里的优点，由于这种密封面和垫片接触面积较大，如预紧不当，垫片易被挤出密封面。也不易压紧，密封性能较差，适用于压力不高的场合，一般使用在PN2.5Mpa的压力下。 凹凸面法兰密封面相配的两个法兰接合面一个是凹面一个是凸面。安装时易于对中，能有效地防止垫片被挤出密封面，密封性能比平面密封为好。 榫槽面法兰密封面由一个榫面一个槽面相配而成，因此，密封面更窄。由于受槽面的阻挡，垫片不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷和

19、腐蚀。安装时易于对中，垫片受力均匀，密封可靠，适用于易燃、易爆和有毒介质的运用。只是由于垫片很窄，更换时较为困难 。选取法兰为甲型平焊法兰：法兰-A 300-0.6JB-4701-92 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000：19管板的选取查得 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000：77管板的厚度为36mm管板与换热器的连接方法：焊接（目前应用广泛，由于管孔不需要槽，对粗糙度要求也不高，管子端部不需退火和磨光，故制造加工方便。焊接强度高，抗拉脱力强，不易渗漏，即使渗漏时还可以补焊。焊接连接可用在任意场合。）3.3折流板查

20、得 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000：81选取折流板间距B=200mm 最小厚度b=4mm 折流板数N=L/h-1=9/0.2-1=443.4封头 刘盛昌化工原理课程设计参考资料列管式换热器M北京：化学工业出版社，2000：16.7.主要符号说明Q传热速率(即热负荷)，W；K总传热系数，W(m2)；A与K值对应的换热器传热面积，m2；tm平均温度差，；qm流体的质量流量，kgh；Cp流体的平均定压比热容，J(kg)；T热流体的温度，；t冷流体的温度，；r饱和蒸气的冷凝潜热，kJkg；l换热器管子长度，m1，2a基于管内及管外的对流传热系数，w(m2)；离心泵压头，m水柱；B折流挡板距,mm；b折流挡板厚度,mm；Re雷诺数；Pr普朗特常量；导热率，W(m）；流体粘度，Pa.s；密度，g/ml或者kg/m3；常见的形式有半球形，椭圆形，圆锥形和平板形。平板封头由于受力状态不好，要求的厚度大，故一般用于直径小，压力低的容器。锥形封头用作底盖，便于收集或卸载含固体的物料，它的锥角越大，其厚度也越大。承压容器以半球形和椭圆形封头最有利，半球形封头的深度较深，制