华南理工大学发酵工厂设计第六章 设备的设计与选型final

2）喷淋式换热器
喷淋式换热器也为蛇管式换热器，多用作冷却器。，和沉浸式相比，喷淋式 换热器的传热效果要好得多。同时它还便于检修和清洗等优点。其缺点是喷
淋不易均匀。
3）套管式换热器
套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管，并由U型弯头连接而成
。每一段套管称为一程，每程有效长度约为4~6m，若管子过长，管中间会向下 弯曲。 在套管式换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙
– – – – 100——发酵罐容积(t) 70％——填充系数 80％——提取率 1％——染菌率 15％——发酵初糖浓度 48％——发酵转化率 112％——精制收率
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() r——操作周期，包括预备时间、操作和清洗等辅助操作时间(h) ϕ ——设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置的或产生泡沫多的物 料应取0.6～0.8，酒精发酵罐等取0.8～0.85，汽液分离器取0.7等
第六章 设备的设计与选型
一、专业设备设计与选型的依据
• 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。 • 工艺操作的最适外部条件(温度、压力、真 空度等)。 • 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)设备的工艺操作任务、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。 (5)设备主要尺寸的确定。 (6)设备的传动搅拌和动力消耗计算。 (7)设备结构的工艺设计。 (8)支撑方式的计算选型。 (9)壁厚的计算选择。 (10)材质的选择和用量计算。 (11)其他特殊问题的考虑。
4）列管式换热器
优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、紧固传热效果好。能用多种
材料制造，故适用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多 采用列管式换热器。
（2）浮头式换热器 浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动 。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固定端的管板以法兰与壳体连 接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较 为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。
较低的雷诺数（一般Re=1400~1800或更低些）下即达到湍流，并且允许选用较
高的流速（对液体为 2m/s，气体为 20m/s），故传热系数较高。如水对水的换 热，其传热系数可达2000~3000W/（m2.K），而列管式换热器一般为1000~2000
W/（m2.K）。
平板式换热器
• 平板式换热器简称板式换热器，是由一组长方形的薄金属板平 行排列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫 片，压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片的厚度调节 通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对 圆孔和一组板间流道相通，另外一对圆孔则通过在孔的周围放 置垫片而阻止流体进入该组板间的通道。这两对圆孔的位置在 相邻板上是错开的以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地 在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度约为0.5~3mm， 通常压制成凹凸地波纹状。例如人字形波纹板。增加了板的刚 度以防止板片受压时变形，同时又使流体分布均匀，增强了流 体湍动程度和加大了传热面积，有利于传热。
2）螺旋板式换热器
螺旋板式换热器是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成，在其内部形成两
个同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将螺旋形通道隔开，两板之间焊 有定距柱以维持通道间距。在螺旋板两侧焊有盖板。冷热流体分别通过两条通
道，在器内逆流流动，通过薄板进行换热。
螺旋板式换热器的优点： 1）传热系数高：螺旋流道中的流体由于惯性离心力的作用和定距柱的干扰，在
空气净化系统
• 一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数 量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中 含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000 个／立方米。
• 介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过 滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中， 而达到除菌的目的。目前常用的过滤介质有棉花、 活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料 过滤介质、烧结金属过滤介质等。
静电吸附作用机理
• 干空气对非导体的物质相对运动磨擦时， 会产生诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤 维，尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮 在空气中的微生物微粒大多带有不同的电 荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20% 带 负电荷，15%中性， 这些带电的微粒会受 带异性电荷的物体所吸引而沉降.此外，表 面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大 部分过滤效能应是表面吸附的作用。
• 2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大 中型发酵罐大多是整体焊接。为了便于清洗，小型发酵罐 罐顶设有清洗用的手孔 ，大中型发酵罐则要装设人孔，并 在罐内设置爬梯，人孔的大小不但要考虑操作人员能方便 进出，还要考虑安装和检修时，罐内最大部件能顺利放入 或取出。罐顶还装有 视镜和灯孔以便观察罐内情况，在视 镜和灯孔近旁，必要时还装设无菌压缩空气或蒸汽的吹管， 用以冲洗玻璃。装于罐顶的接管有：进料口、补料口、排 气口、接种口和压力表等，装于罐身的接管有：冷却水进 出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐顶上面 的排气口位置靠近罐中心的位置。这样，不仅防止或减少 气泡的逃逸，而且由于抽吸作用，也减少了泡沫的产生。
惯性冲击滞留机理
图1
拦截滞留作用机理
• 气流速度降到临界速度以下，微粒不能因惯性碰 撞而滞留于纤维上，捕+集效率显著下必,但随时 着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率 又有回升。原因是微生物直径很细，质量很轻， 它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的 主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕 过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流 区。滞流区的气流速度更慢,进到这滞留区的微粒 慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留,称为拦截滞留 作用
（3）U型管式换热器 U型管式换热器每根管子都弯成U型，进出口分别安装在同一管板的两侧， 封头用隔板分成两室。这样，每根管子 可以自由伸缩。而与其他管子和壳体均无关。这种换热器结构比浮头式简单， 重量轻，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换 热。
2、板式换热器
1）夹套式换热器 夹套式换热器式最简单的板式换热器，它是在容器外壁安装夹套制成，夹
思考？
• 口罩真能过滤细菌吗？
过滤除菌机理
• 常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5～2微 米之间，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直 径一般为16~20微米。充填系数为8%时，棉花纤 维所形成网格的孔隙为20～50微米，微粒随气流 通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前 进，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向， 绕过纤维前进，这些改变引起微粒以对滤层纤维 产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静 电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
布朗扩散作用机理
• 直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一 种不规则的直线运动，称为布朗扩散。布 朗扩散的运动距离很短，在较大的气速， 较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很 慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗 扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞 留机会
重力沉降作用机理
• 重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒 所受的重力大于气流对它的拖带力时，微 粒就容易沉降.就单一的重力沉降情况下， 大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只 有在气流速度很慢时才起作用。一般它是 与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞 留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留 的捕集效率
(二)连续操作设备的设计计算
• 设计的依据：
– (1)物料流量V(m3／s或t／s)：物料的流量V，是根据生 产规模，通过计算确定。 – (2)物料在设备中的逗留时间τ(s)：物料在连续操作设备 中的逗留时间则取决于生产工的要求。 – (3)物料在设备各部位的流速ω(m／s)。
• 1．生产能力的确定
过滤除菌效率（η）与气流速（υs）度 的关系
味精厂常用的空气净化流程
１—粗过滤器 ２—空气压缩机 ３—贮罐 ４—空气冷却器 ５—油水分离器６—二级空气冷却器 ７—除雾器 ８—空气加热器 ９—空气过滤器 10—金属微孔过滤器
（三）专用设备设计常识 ——换热器
管式 换热面的型式 间壁式
板式
根据传热原理和 实现热交换的方法 混合式
– 对于连续操作的设备，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τ，可以计算出设备的有效 容量V ：
有效
• 3．设备数量的计算 • 4．设备主要尺寸计算
（三）专用设备设计常识 ——发酵罐
谷氨酸发酵罐
搅拌桨
平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘呢 ？
• 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆 盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴 部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总 表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快， 走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘 的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的 搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数
1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承。 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封 8、冷却装置
发酵罐制造
• 发酵罐为封闭式，一 般都在一定罐压下操 作，同时还需用蒸汽 进行空罐或实罐灭菌， 所以罐体是一个受压 容器，见图2。要根据 最大使用压力(一般采 用灭菌时的蒸汽压力， Pg＝0.25 MPa)来决定 钢板的厚度。罐体是 一个圆柱体，罐顶和 罐底采用椭圆形或碟 形封头，因为这种封 头比其他型式的封头 在同样使用压力下可 用较薄的钢板，
(一)间歇操作设备的设计计算
• 1．间歇操作设备生产能力的确定
– 生产能力的表示方法，一般为t／(罐· 批)或m3／(罐· 批)。 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％)＝4.47[t ／(罐· 批)]
4．设备主要尺寸的计算
• 发酵工厂的设备多为容器型设备。不同的设备， 高径比有很大差别。锥形底制作容易，排料干净， 间歇操作采用较多。 • 通常根据已知容量V以及高径比、封头高度，列出 数学方程求出各部尺寸。
• 直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直 径系数。然后校核总容量是否可满足工艺计算的 容量要求。如偏差太大，还要作相应调整，直到 符合要求。 • 直径确定后，可根据关系求出其他尺寸。
翅片式
蓄热式
1、管式换热器
1）沉浸式换热器
这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状（多盘成蛇形，常称
蛇管），并沉浸在容器内的液体中。蛇管内、外的两种流体进行热量交换。几 种常见的蛇管形式如图所示。
优点 ：结构简单、价格低廉，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造
缺点 ：容器内液体湍动程度低，管外对流传热系数小。
平板式换热器的优点是：
1 ）传热系数高：由于平板式换热器中板面有波纹或沟槽，可在低雷诺数（
Re=200左右）下即达到湍流。而且板片厚度又小，故传热系数大。例如水对 水的传热系数可达1500~4700W/（m2.℃）。
2） 结 构 紧 凑 ： 一 般 板 间 距 为 4 ~ 6 mm， 单 位 体 积 设 备 可 提 供 的 传wk.baidu.com热 面 为
套与容器之间形成的空间为加热介质或冷却介质的通路。这种换热器主要用于
反应过程的加热 或冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管
流出。作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹套下部接管进入，由上部接
管流出。 夹套式换热器结构简单，但其加热面受容器的限制，且传热系数也不高。为提 高传热系数，可在器内安装搅拌器，为补充传热面的不足，也可在器内安装蛇 管。