第六章设备的设计与选型

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(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%）=4.47 t／(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 τ——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) φ——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) φ——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(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：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τ(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ω(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τ，可以计算出设备的有效容量V有效： V有效=Vτ (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/（φV’） V有效——设备有效总容积 m3 V’——单台设备容积 m3 φ——填充系数％上例10000t/a酒精厂蒸煮V有效=19.73m3， V’=7m3，φ=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15.66m3 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 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 ⑴发酵罐的容积：现选用公称容积100m3 ⑵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φ=0.7，则每天需发酵罐的总容量V V= Va/φ=155/0.7=221.4m3

⑶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6-2 P102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%

⑶主要尺寸的计算 100m3发酵罐 V全= V柱+2 V封封头折边不计，圆柱部分高H与罐直径比取2：1 V总=0.785D2×2D+（π/24）D3×2 118=1.57 D3 +0.26 D3 D=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+2 V封 V’全= V全

⑷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⑷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℃ 12 5 对100m3发酵罐，每罐装液量 155/2=77.5m3 传热面积:

⑸搅拌器的设计 ⑹搅拌轴功率的计算 ⑺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 ①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

②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。②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。 ③密封方式：采用双端面机械轴封 ④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。 ⑻设备材料的选择本设备为降低成本采用A3钢，内涂涂料

⑼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。⑼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。 ①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0.4MP D——罐内径cm，400 [σ]——许应应力， A3钢=127MPa φ——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=0 C=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

②封头壁厚计算: 标准椭圆封头厚度: 式中 P=0.4MPa D=400cm [σ]=127MPa φ=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 壁厚表和椭圆封头壁厚表参见附录一表13,表14,表15

⑽接管设计 ①接管长度h: 一般取100~200mm

②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=0.0108 m2 =0.785d2 圆整取无缝管133×4 内径125mm＞118 适用

⑾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㈠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6-7 P123

表6-6

㈡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： ①装置的富余能力及装置内各设备能力的协调平衡； ②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 ①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 ②介质中所含固体颗料直径和含量。 ③介质中气体含量(体积％)。 ④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)。 ⑤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 ①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 ②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。

第六章 设备的设计与选型