设备的设计与选型培训课件(PPT 136页).ppt

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 通用设备的设计与选型 第四节 非标设备的设计 第五节 设备一览表 第六节 化工设备图,目的与要求:,了解设备的分类，专业设备、通用设备和非标设备的选择; 掌握专业设备和通用设备的计算与选型。,重点与难点:,专业设备和通用设备的计算与选型。,思考题,1.专业设备设计选型的依据及特点？ 2.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。 3.发酵工业常用的泵？泵选择的原则？ 4.发酵工业常用的气体输送设备？ 5.离心式送风机可分为哪几种？ 6.发

2、酵工业常用的压缩机？ 7.常用的固体输送设备分类？,第一节 概述,一、生物工程工厂设备的分类,专业设备：发酵罐、糖化锅等。 通用设备：泵、风机、压缩机、电动机等。 非标设备：如贮藏、池子等。,指需要专门设计的特殊设备，需根据工艺要求，通过工艺计算及机械计算而设计，然后提供给有关工厂制造。,指成批系列生产的设备，可以从设备生产厂家买到，并可以从产品目录中查阅其规格及牌号。,二、设备设计与选型的任务,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。 包括专业设备、通用设备、非标设备。,三、设备设计与选型的具体内容,1.确定单元操作所用设备的类型。 发酵罐： 液固分离： 气固分离：

3、 液液分离：,2.确定设备的材质,材料,3.确定设备的设计参数。,换热器：热负荷、换热面积、热载体的种类、冷热流体的流量、温度和压力。 泵：流量、扬程、轴功率等。 风机：风量、风压。 蒸馏塔：进入物料、塔顶产品、塔釜产品的流量、组成和温度，塔的操作压力、塔径、筒体材质、塔板的材质等。 反应器：反应器类型、进出口物料的流量、组成、温度也压力、反应器内换热装置的型式、热负荷及热载体的种类、数量、压力和温度。,5.确定设备的型号或牌号，并确定台数。,7.对非标设备,应向设备专业设计人员提供设计条件和设备草图，明确设备的类型、材质、基本设计参数等。 提出对设备的维修、安装要求，支撑要求及其他要求（如防

4、爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口等）。,8.编制工艺设备一览表。,4.确定设备的生产能力。,6.确定设备的主要尺寸。,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。 （3）设备的构造类型和性能。,二、专业设备设计与选型,（一）间歇操作设备生产能力、数量和容积的设计计算,1.设备生产能力的确定,表示方法：t/(罐批) 或 m3/(罐批)。,10070154880112 (1-1%) =4.47 t(罐批),例如：3 000t/a味精厂选总容积为100 t的发酵罐，其生产能力

5、为：,式中 100发酵罐容积(t) 70填充系数 15发酵初糖浓度(还原糖) 48发酵转化率 80提取率 112精制收率 1染菌率,2.设备容积的计算,式中 VN台设备的全容积(m3) V024h内加工的成品或半成品的总容积(m3) 操作周期 (h) 设备的填充系数， 搅拌和产生泡沫多 取0.60.8，酒精发酵罐等取0.80.85，汽液 分离器取0.7等,24N,0,V,Va,t,j,=,3.间歇操作所需设备数量的确定,式中 N设备的操作台数 设备操作周期(h) Vo24 h内加工的原料、半成品的总容量(m3) Va单台设备的全容积(m3) 设备的填充系数,4.设备主要尺寸的计算,设备多为容器

6、型设备。 在确定各部分尺寸时，通常根据已知容量V和高径比、封头高度，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,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)：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.设备生产能力的确定,用单位时间通过设备的物料量表示，由工厂的规模与物料衡算确定。,例如：以淀粉质为原料，年产10 000 t 燃料酒精厂，根据物料衡算蒸煮醪的体积流量为14.8 m

7、3/h。 因此要求连续蒸煮设备的生产能力为14.8 m3/h。,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：,2.设备容积的计算,V有效 = V (m3),例如10 000 t/a酒精厂蒸煮时间，根据生产经验60-90 min，取80 min，则蒸煮设备的总容积V有效为： V有效=14.8（80/60）=19.73(m3),3.设备数量的确定,连续操作一般取设备数量为3-6个。 也可设定单个设备容量由总容量求算设备数量 n ：,V有效设备有效总容积 (m3) Va单台设备的全容积 (m3) 填充系数( ),选单台设备全容积为7 m3，为80，则需设备数量n为？,上例10 000

8、t/a酒精厂蒸煮V有效=19.73 m3， Va=7 m3，=80，则设备数量 n 为： n =19.73/(7 80) = 3.52 取4个。,4.设备主要尺寸的计算,对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。,三、专业设备的设计与选型实例,3 000 t/a味精发酵车间 发酵罐的设计与选型,采用的发酵设备为间歇操作。,（一）间歇操作发酵罐设计选型,由物料衡算知，生产1t 100%的味精需15%的糖液15.66 m3 。,1.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 d/D=1/21/3 高径比 H/D=2,2.生产能力、数量和容积的确定,（2

9、）发酵罐的容积：现选用公称容积100 m3。 查P281 表25,(1)生产能力计算：,年产3 000 t/a ，每天产99%味精10 t，操作周期48h，每天需糖液体积V0： V0=15.661099%=155 m3,发酵罐个数的确定：,查P281 表25公称容积为100 m3发酵罐总容积为Va=118 m3。,则罐数：,取公称容积100m3发酵罐4个,实际每天出2罐，填充系数为0.7 每天产味精量： =1180.72（15.6699%） =10.66t 富裕量=0.66 t，6.6%,设:发酵罐的充满系数为=0.7,3.主要尺寸的计算,公称容积为100 m3发酵罐,V全 = V柱 + 2

10、V封,圆柱部分高H与罐直径D比取2:1,V全=0.785D22D+（/24）D32 118=1.57 D3 +0.26 D3 D=4.009m 圆整D=4.0m 高H=8m,查P281表25: 封头高度=ha+hb = 1040+1040 = 2080 mm,4.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：A= Q总/(Ktm) (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=4.186000 kJ/(m3h),采用竖式列管换热器，经验 K=4.18500 kJ/(m2h

11、),发酵液 3232恒定 冷却水 2027 12 5 对100m3发酵罐，每罐装液量 1180.7=82.6m3 传热面积:,5.搅拌器的设计,谷氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。,6.搅拌轴功率的计算,搅拌轴功率可按单位体积搅拌轴功率相等的计算方法和经验式进行计算确定。 通常谷氨酸发酵按1kW/m3发酵醪，对于118m3发酵罐，装液量为82.6m3，则应选取功率82.6kW的电机。,7.设备结构的工艺设计,包括：空气分布器、挡板、密封方式和冷却管的布置。,空气分布器：风量小的0.020.5mL/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

12、.10.18 （0.1MPa，20）风量：Q=0.1882.6=14.87m3/min=0.23m3/s,因此，采用单管进风。,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。本罐通过采用八组。,8.设备材料的选择：,本设备为降低成本采用A3钢，内涂涂料。,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）取0.4MP D罐内径cm，400 许用压力， A3钢=127MPa 焊缝

13、系数0.51.0 现取0.7,9.发酵罐壁厚计算：,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=0 C=2.8mm=0.28cm 选用12mm厚的A3钢板，直径4m，板厚12mm,筒高8m，每米重量1186kg, 筒总重=11868=9488kg,封头壁厚计算: 标准椭圆封头厚度: 式中 P=0.4MPa D=400cm =127MPa =0.7 C=0.08+0.2+0.1=0.38cm,查钢材手册圆整为S=14mm, 封头重量2005kg,接管长度h: 一般取100200mm。,10.接管设计,接管直径: 排料管直径:装液量8

14、2.6m3 要求2h排完。 流量Q=82.6/(36002)=0.0146(m3/s) 流速取1m/s 管截面积： A=0.0146/1=0.0146 m2 =0.785d2 圆整取无缝管1334 内径125mm121 适用,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。,11.支座设计：,3 000 t/a味精发酵车间发酵罐的选型,（1）类型：机械涡轮搅拌通风发酵罐。 （2）容积、台数：公称容积100m3，4个。 （3）主要尺寸：直径为4.0m，圆柱部分高8m，

15、 封头高度 1.04m，总高度为10.08m。 （4）换热器：竖式列管换热器，八组，换热面积为123.9m2。 （5）搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器，搅拌轴功率82.6kW。 （6）设备结构：单管进风，双端面机械轴封。 （7）设备材料：A3钢，内涂涂料。 （8）发酵罐壁厚：圆柱部分壁厚12mm，封头壁厚14mm。 （9）接管：排料管无缝管1334 。 （10）支座：裙式支座。,第二节 通用设备的设计与选型,（1）液体输送设备各种泵； （2）气体输送设备风机、压缩机、真空 泵； （3）固体输送设备各种给料机械设备、 气体输送设备。,通用设备很多，主要：,一、液体输送设备选型,发酵工业使用最多是离心泵。

16、,（一）泵的类型,叶片式泵：,容积式泵：,活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、 计量泵,齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、 蠕动泵、液环泵,1、按作用原理分：,离心泵、轴流泵、旋涡泵,往复泵,转子泵,离心泵,往复泵,齿轮泵,单螺杆泵,双螺杆泵,2、按使用的用途分：,水泵、油泵、泥浆泵、耐腐蚀泵、冷凝液泵等。,（二）生产上常用的泵,1、水泵,用途：输送各种工业用水及物化性质类似于水的其他液体。 最普通的清水泵是单级单吸式泵。,2、油泵,用途：输送石油产品的泵。 特点：应具有良好的密封性能，热油泵在轴承和轴封处设置冷却装置。,3、耐腐蚀泵,用途：输送酸、碱和浓氨水等腐蚀性液体。 如FS型离心泵适用于一般的酸碱盐类物质的

17、输送， FS型玻璃钢耐腐蚀泵适用于各种腐蚀性液体的输送。,4、液下泵,用途：输送各种腐蚀性液体。 特点：对轴封要求不高，缺点是效率不高。,5、隔膜泵,用途：输送腐蚀性液体或悬浮液。 借弹性薄膜将活柱与被输送的液体隔开。,6、计量泵,用途：输送流量恒定的液体或按比例输送几种液体。 结构与往复泵相同，但设有一套可以准确而方便地调节活塞行程的机构。,7、齿轮泵,用途：输送高黏度的液体，但不能输送含有固体颗粒的悬浮液。 特点：流量较小，但可产生较高的压头。,8、螺杆泵,用途：适用于高粘度液体的输送。 特点：输送扬程高，效率较齿轮泵高。,9、轴流泵,用途：适用于大体积流量、低扬程液体的输送。 特点：利用

18、高速旋转的螺旋桨将液体推进而达到输送目的。,10、往复泵,（三）泵的选择,1、泵型式的确定,依据：被输送物料的基本性质。 包括：相态、温度、粘度、密度、挥发性、毒性及化学腐蚀性等。,（1）输送腐蚀性介质时，应选用：耐腐蚀泵。,（2）输送夹带或溶有气体的液体时，应选用：,离心泵：5% 容积式泵：520%,容积式泵。,（3）输送粘度较大的液体时，应选用：,容积式泵。,（4）输送含固体颗粒的悬浮液时，应选用：,隔膜泵。,（5）输送高温介质时，应选用：,热油泵。,（6）要求高压头且液体又无悬浮物、粘度不高时， 应选用：,多级离心泵。,（7）当打液量精度要求高时，应选用：,计量泵。,（8）输送易燃易爆的

19、液体时，应选用：,蒸汽往复泵或水喷射泵。,2、泵流量的确定,流量是选泵的主要参数之一。,以物料衡算确定的流量值为基础。 选泵时应按最大流量考虑。 若给出的是正常流量，应乘以1.11.2的安全系数。,3、泵扬程的确定,也是由工艺计算确定，即由泵的位置，输送距离和高度以及管路阻力确定。,在运行过程中管道阻力大于计算值，因此扬程应采用计算值的1.051.1倍。,4、泵流量和扬程的校核,5、泵的轴功率得的校核,离心泵的轴功率计算公式为：,式中： N泵的轴功率（kW） Q泵的流量（m3/s） H泵的扬程（m） 液体的密度（kg/m3） 泵的效率,6、泵的台数和备用率,大型泵，可设两台较小的泵供正常使用，

20、另一台同样大小的泵备用。 重要岗位的泵、高温操作或其他苛刻条件下使用的泵，均应设置备用泵。备用率一般取100%。 其他情况下连续操作的泵，可考虑用50%的备用率。,7、离心泵安装高度的校核,为了避免发生气蚀或打不上液体的情况，泵的安装高度必须低于泵的允许吸上高度。 为了安全起见，安装高度应比计算出来的允许吸上高度低0.51m。,8、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。,（四）泵的选型实例,3000 t/a 味精厂发酵车间泵的选型,1. 连消泵,(1)水解糖液，密度为1.05 t/m3的，黏度范围1.31.510-3Pa.s，温度在115以下。 (2)介质中无固体颗粒，澄清

21、，透明。 (3)介质中基本上无气体。 (4)操作条件：温度为6070； 压力：进口侧靠调浆罐液位压送，出口侧设备压力0.40.5MPa； 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，可确定选择离心式泵即可满足生产要求。 现选换代产品IS80-50-250。该产品转速2900r/min，流量25m3/h，扬程20m，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。,(1)尿素消耗量 设总尿素为4；日用尿素量为：156.6

22、1.054=6.58(t/d) 流加尿素的浓度为40，密度1.1t/m3尿素溶液体积为6.57/40%1.1=14.95(m3/d)，取15m3/d。 (2)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50 m3/h，扬程50m，效率74。输送15 m3尿素溶液用时仅为 15/50 = 0.3 (h)(合18min)。,2. 尿素泵,二、气体输送设备选型,（一）气体输送设备的类型和特点,气体输送、压缩设备按出口压力的大小可分为4类：,1、通风机,又称为送风机，出口压力在0

23、.115MPa以下，压缩比为11.15 。 它又可分为轴流风机和离心风机。,轴流式通风机排风量大，但所产生的风压很小。 一般只用来通风换气在空冷气和冷却水塔的通风方面应用也很广。,离心式通风机的结构与离心泵相似。,2、鼓风机,出口压力在0.150.4MPa。 一般用于原料气的压缩，液体物料的压送、固体物料的气流输送。 压缩比小于4。,3、压缩机,出口压力在0.4MPa以上。 可用于工艺气体、气动仪表、压料过滤、吹扫管道等。 压缩比大于4。,涡轮式压缩机,供气量达，出口压强稳定，输出的压缩空气不含油雾。,往复式压缩机,出口流量不稳定，压出气体中夹带油雾，气缸外需要有冷却装置。,4、真空泵,真空泵

24、用来维持工艺系统要求的真空状态。,（1）往复式真空泵,压缩比较高，如95%的真空度时，压缩比约为20左右。 所排送的气体不应含有液体，属于干式真空泵。,W型往复式真空泵性能参数,（2）水循环真空泵,最高真空度可达85%，运转时要不断地充水。 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。,（3）喷射真空泵,水喷射真空泵 蒸汽喷射泵,单级蒸汽喷射真空泵仅能达到90%的真空度，但抽气量大，缺点是效率低。,三、固体输送设备选型,水平输送,垂直输送,带式输送机：胶带、不锈钢带、塑料链板或不锈钢链板,螺旋输送机：潮湿或松散物料,滚筒输送机：包装好的成件物品,斗式提升机、电梯,（一）

25、机械输送设备,1、带式输送机,（1）特点： 主要用于水平或有一定倾角的物料移送。 结构简单，操作连续，输送能力大，动力消耗低。 输送范围： 不足之处，单台机只能作直线输送。,细散的块状和粒状物，如谷物等； 成件的大体积的物料，如麻袋包、箱、瓶等。,（2）带式输送机的计算选型, 输送量计算,Q = 3.6qv （t/h） 或 Q = 3.6A v （t/h）,式中： q单位输送带长度的载荷量（kg/m） v带的运动速度（m/s） A松散物料在带上装载的横断面积（m2） 物料堆积密度（kg/m3）, 输送速度,输送带的速度因物料不同而变化，常用输送带的速度如下：, 带宽计算, 带式输送机功率估算,

26、P=K1A（0.000545KLv+0.000147QL）0.00274QH,式中： K1起动附加系数（K1=1.31.8） A长度系数（超过45m长，A=1，通常A=11.2） K轴承宽度系数，带越宽，数值越大，通常用滚动 轴承K=2050；滑动轴承K=3070 L输送机长度（m） v输送带的速度（m/s） Q输送带的输送能力（t/h） H输送机将物料提升的高度（m）,2、螺旋输送机,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/m3 K物料综合特性经验系数 粉粒状、 谷物干粉0.040.06，湿粉料0.07 填充系数，粉粒料0.250.35 湿粉料，混合时0.1250.

27、20 C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,3、斗式提升机,我国生产的斗式提升机的型号有: D型采用橡胶带为牵引构件 HL型以锻造的环形链条为牵引构件 PL型采用板链为牵引构件,（二）气流输送,是借助气流在密闭管道中的高速流动，使物料在气流中被悬浮输送到目的地。,1、真空式输送（吸引式）,特点：由于输送系统为真空，消除了物料、粉尘的外漏，保持了室内的清洁和周围的工作环境。,2、压送式输送（

28、压力式）,第四节 非标准设备的设计,非标准设备，是指生产车间中除专业设备和通用设备之外的，用于与生产配套的贮罐、中间料池，计量罐等设备和设施。,按作用特点，分为三类：,2、起混合、调量、灭菌作用的非标准设备,1、起贮存作用的罐、槽（池）,如：酒精生产的中间醪池 味精生产的尿素贮罐 啤酒麦汁的暂贮罐,主要考虑材质和容量,3、起计量作用的非标准设备,如：酒精生产的拌料罐 味精生产的调浆池,主要考虑混合效果，高径比小于1,一、分类,3、起计量作用的非标准设备,如： 味精生产的油计量罐 尿素溶液计量罐,主要考虑：高径比 H/D=34,二、贮罐的设计,1、设计参数,设计压力：由工艺提出； 设计温度：由工

29、艺提出； 直径：参照常规贮罐的高径比，或查阅已有贮罐系列； 材质选择：根据介质物性及工艺选择碳钢、不锈钢、搪瓷、钢内衬材料或非金属等； 贮罐形式：根据介质物性、工艺条件及容积确定，如大型贮罐选择卧式贮槽或球罐。,2、容积,单纯用于贮存原料和成品的贮罐 全厂性的贮罐：至少有一个月的耗用量贮存； 车间的贮罐：至少半个月的用量贮存； 液体产品贮存罐：至少有一周的产品产量。,中间贮罐 容积根据每批物料量及存放时间而定。,计量罐 一般用于间歇生产， 容积根据每批物料量及存放时间而定。,回流罐 一般考虑510min左右的液体保存量，作冷凝器液封之用。,缓冲罐 其容量通常是下游设备515min的用量，以备在

30、紧急时有充裕的时间处理故障，调节流程或关停机器。,3、确定贮罐基本尺寸,对标准设备，根据计算的容积，可由手册查出标准化设备的有关尺寸。 对非标准设备，根据计算的容积，考虑装料系数和高径比。,4、管口方位和支座,主要管口有：进料、出料、温度、压力（真空）、放空、液面计、排液、放净以及人孔、手孔、吊装等，并留有一定数目的备用孔。,管口的方位安排应有利于工艺管道的布置。,5、绘制设备草图（条件图）,标注尺寸，提出设计条件和订货要求。,第五节 化工设备图的阅读,一、化工设备图的基本知识,化工设备主要指在生物与化工生产中常用的罐、釜、塔器、贮槽（罐）等标准和非标准设备。,常用的化工设备图有： 化工设备总图、装配图、部件图、零件图、管口方位图、表格图及预焊接