味精工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型任務(wù) 一、設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的任務(wù)■任務(wù)在工藝計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定車間內(nèi)所有工藝設(shè)備的臺(tái)數(shù)、型式和主要尺寸；■設(shè)備分類專業(yè)設(shè)備通用設(shè)備非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備二、設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的原則■保證工藝過程實(shí)施的安全可靠：產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全■經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)■投資省、加工方便、采購(gòu)容易■運(yùn)行費(fèi)用低、水電氣消耗少■操作清洗方便、易實(shí)施自動(dòng)化，備件供應(yīng)可靠■結(jié)構(gòu)緊湊，采用性能優(yōu)良的設(shè)備■留有一定余量■考慮設(shè)備故障與檢修的備用 一、專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的依據(jù)■有工藝計(jì)算確定的成品量、物料量、耗氣/汽量、耗水量、耗風(fēng)量、耗冷量；■工藝操作的最適外部條件；■設(shè)備的構(gòu)造類型、性能；二、專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的程序和內(nèi)容■設(shè)備所擔(dān)負(fù)的工藝操作任務(wù)、工作性質(zhì)，工作參數(shù)的確定；■設(shè)備選型及該型號(hào)設(shè)備的性能、特點(diǎn)；■設(shè)備生產(chǎn)能力的確定；■設(shè)備數(shù)量的計(jì)算、確定；■設(shè)備主要尺寸的確定；■設(shè)備化工過程（換熱、過濾、干燥面積，塔板數(shù)）的計(jì)算；■傳動(dòng)攪拌和動(dòng)力消耗計(jì)算；■設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算；■支撐方式的計(jì)算選型；■壁厚的計(jì)算選擇；■材質(zhì)的選擇和用量的計(jì)算；■其他需考慮的特殊問題； 三、專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的特點(diǎn)間隙操作連續(xù)操作（一）、間隙操作設(shè)備生產(chǎn)能力、數(shù)量與容積的計(jì)算1、生產(chǎn)能力的確定■表示方法t/（罐·批），m3/（罐·批）；■生產(chǎn)能力Q▲3000t/a味精廠，100t發(fā)酵罐：Q=100×70%×15%×48%×80%×112%×（1－1%）=4.47[t/（罐·批）]100：發(fā)酵罐容積，t；70%：裝料系數(shù)；15%：發(fā)酵初糖濃度（還原糖）；48%：發(fā)酵轉(zhuǎn)化率；80%：提取率；112%：精制收率；1%：染菌率；20：發(fā)酵罐容積，t；80%：裝料系數(shù)；68%：平均總收率；8400：發(fā)酵液中酶含量（u/mL）；10000：糖化酶標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算單位（u/g）；▲20t糖化酶發(fā)酵罐：Q=20×80%×68%×8400/10000=9.14[t/（罐·批）]G：設(shè)備操作有效量，t；r：一晝夜內(nèi)設(shè)備操作的時(shí)間，h；V0：一晝夜內(nèi)被加工的原料、半成品的容量，m3;Va：一臺(tái)設(shè)備的容量，m3;Φ：設(shè)備的填充系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)值； 2、間隙操作所需設(shè)備數(shù)量N的確定N=Zτ/(Gr)N=V0τ/(24Vaφ)N：設(shè)備操作臺(tái)數(shù)，不含備用；Z：工段生產(chǎn)能力，以每晝夜加工原料和半成品的噸數(shù)表示；τ：設(shè)備的每個(gè)操作周期，h；3、設(shè)備容積的計(jì)算V=Vaτ/(24φ)V：設(shè)備總?cè)莘e，m3;Va：24h內(nèi)加工的成品或半成品的容積，m3;τ：操作周期，包括準(zhǔn)備時(shí)間、操作和清洗等，h；φ：設(shè)備的填充系數(shù)，裝有攪拌和冷卻裝置或產(chǎn)生泡沫的物料取0.6-0.8，酒精罐取0.8-0.85，氣液分離器取0.7；4、設(shè)備主要尺寸的計(jì)算多為容器型設(shè)備；根據(jù)已知容量V以及高徑比、封頭高度，求出各部分尺寸；確定容器直徑后，圓整為公稱直徑，求其他尺寸； （二）、連續(xù)操作設(shè)備生產(chǎn)能力、數(shù)量與容積的計(jì)算■設(shè)計(jì)的依據(jù)物料流量V，m3/s，t/h；物料在設(shè)備的停留時(shí)間τ，h；物料在設(shè)備部位的流速ω，m/s；1、生產(chǎn)能力的確定■定義在保證生產(chǎn)工藝條件的基礎(chǔ)上，單位時(shí)間通過設(shè)備的物料量；■生產(chǎn)能力Q10000t/a酒精廠，連續(xù)蒸煮設(shè)備的生產(chǎn)能力：蒸煮醪的流量為14.8m3/s； 2、設(shè)備容積的計(jì)算設(shè)備的總有效容量V有效：V有效=VτV：物料流量，m3/s，t/h；τ：停留時(shí)間，h；酒精廠中，V=14.8m3/s，τ=80min，對(duì)蒸煮設(shè)備；V有效=14.8×80/60=19.73(m3)3、設(shè)備數(shù)量的計(jì)算n=V有效/(ΦV’)Φ：設(shè)備的填充系數(shù)；V’：?jiǎn)闻_(tái)設(shè)備容積，m3；酒精廠中，V有效=19.73m3，V’=7m3，Φ=100%；n=19.73/(100%×7)=2.82個(gè)≈3個(gè)4、設(shè)備主要尺寸計(jì)算容器型設(shè)備計(jì)算同間隙操作設(shè)備計(jì)算方法；高徑比大些 四、專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的實(shí)例以3000t/a味精廠發(fā)酵車間為例（99%味精）；（一）、間隙操作設(shè)備設(shè)計(jì)與選型1000Kg100%味精：需15%的糖液15.66m3；1、發(fā)酵罐（1）發(fā)酵罐選型通氣攪拌罐：四大類型多槳攪拌罐；Waldhof型；自吸式攪拌罐；臥式攪拌罐；味精發(fā)酵：機(jī)械蝸輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐； （2）生產(chǎn)能力、數(shù)量與容積的確定①發(fā)酵罐容積的確定盡量減少設(shè)備的數(shù)量，取較大容積的罐：100m3；②生產(chǎn)能力的確定每天生產(chǎn)99%味精10t；發(fā)酵周期：48h；每噸100%味精：需的糖液15.66m3（15%）；每天需糖液的體積V糖：V糖=15.66×10×99%=155(m3)取Φ=70%，每天需罐的總體積V0：V0=V糖/Φ=155/0.7=221.4(m3）③發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定裝液高度系數(shù)：指圓筒部分高度；公稱體積；罐的全體積；以公稱體積100m3為例，總?cè)莘e為118m3；N=V0τ/(24Vaφ)=155×48/(24×118×0.7)=3.75個(gè)≈4個(gè)實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：118×0.7×2×300/15.5=3197（t/a）富裕量：（3197－3000）/3000=6.6% （3）主要尺寸計(jì)算（Vg=100m3）V全=V筒+2V封=118m3=0.785D2×2D+π×D3×2/24封頭折邊忽略不計(jì)H=2DD=4.009≈4mH=8m，h1=1000mm，h2=50mm；驗(yàn)算：V全=V筒+2V封=0.785D2×2D+π×D3×2/24+0.785D2×0.05=118.44m3 （4）冷卻面積的計(jì)算牛頓傳熱定律，傳熱面積(m2)：F=Q總/（K△tm）谷氨酸發(fā)酵，最大熱量：4.18×6000kJ/(m3·h)采用豎式冷卻蛇管換熱器，K=4.18×500kJ/(m2·h·℃)平均溫差：△tm=（△t1－△t2）/ln（△t1/△t2）發(fā)酵液：32℃→32℃冷卻水：20℃→27℃△tm=8℃每天裝2罐，每罐實(shí)際裝量：155/2=77.5m3F=Q總/（K△tm）=4.18×6000×77.5/（4.18×500×8）=116.25m2 （5）攪拌器設(shè)計(jì)選用六彎葉蝸輪攪拌器（罐直徑D=4m），主要尺寸：槳葉直徑：Di=D/3=1.33m，取d=1.3m；葉寬：B=0.2d=0.26m；弧長(zhǎng)：l=0.375d=0.49m；底距：C=D/3=1.3m；盤徑：di=0.75Di=0.98m；葉弦長(zhǎng)：L=0.25d=0.33m；葉距：Y=D=4m； （6）攪拌軸功率的計(jì)算牛頓型流體發(fā)酵液①計(jì)算RemRem=D2Nρ/μD：攪拌器直徑，1.3m；N：攪拌轉(zhuǎn)速，95r/min=1.58r/s；ρ：發(fā)酵液密度，1050kg/m3；μ：發(fā)酵液黏度，1.3×10－3Ns/m2；Rem=2.2×106＞104湍流，功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7; ②不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0一擋攪拌：P0’=NpN3D5ρ=4.7×1.583×1.35×1050=72kW兩擋攪拌：P0=2P0’=2×72=144kW③通氣時(shí)的攪拌軸功率PgPg=2.25×10－3×(P02ND3/Q0.08)0.39D：攪拌器直徑cm，D3=2.2×106cm3；Q：通風(fēng)量（ml/min），vvm=0.11~0.18,取0.11;Q=79.1×0.11×106=8.7×106（ml/min）Q3=3.57Pg=2.25×10－3×(1442×95×2.2×106/3.57)0.39=116.1(kW)④電機(jī)功率P電P電=1.01×Pg/(η1η2η3)采用三角傳動(dòng)帶：η1=0.92；滾動(dòng)軸承：η2=0.99；滑動(dòng)軸承：η3=0.98；端面密封：消耗功率1%；P電=131.2(kW) （7）設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算①空氣分布器通氣量小Q=0.02~0.5mL/s：多孔式分布器；通氣量大：?jiǎn)喂苁剑虎趽醢灞竟拗性O(shè)有豎式冷卻蛇管和扶梯，故不加擋板；③密封方式采用雙端面機(jī)械密封； ④冷卻管布置ⅰ、最高熱負(fù)荷下的耗水量WW=Q總/[cp(t2－t1)]Q總：發(fā)酵最旺盛時(shí)的發(fā)酵熱，Q總=4.18×6000×77.5=1.94×106(kJ/h)cp：冷卻水比熱容，4.18kJ/(kg·K)t1、t2：冷卻水的初溫和終溫，20℃，27℃；W=6.63×104(kg/h)=18.4(kg/s)=18.4×10－2(m3/s)取管中水流速為v=1m/s;冷卻管總截面積：S總=W/v=18.4×10－2/1=18.4×10－2(m2)進(jìn)水總管直徑：d總=(S總/0.785)0.5=0.153(m) ⅱ、冷卻管組數(shù)n和管徑d0S總=n×0.785d02取n=8d0=[S總/（n×0.785）]0.5=[18.4×10－2/（8×0.785）]0.5=0.054(m)選取Φ63×3.5mm無縫管，d內(nèi)=56mm＞d0，d平均=60mm；ⅲ、冷卻管總長(zhǎng)度L的計(jì)算每米管的冷卻面積：F0=3.14×0.06×1=0.19(m2)L=F/F0=116.25/0.19=612(m)冷卻管占有體積V=0.785×0.0632×612=1.9(m3) ⅳ、每組管長(zhǎng)L0和管組高度L0=L/n=612/8=76.5(m)連接管8m，實(shí)際總管長(zhǎng)：L實(shí)=L+8=620(m)豎管可伸入封頭250mm；發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m3；則罐內(nèi)總占有體積為：V總=V液+V管+V附件=77.5+1.9+0.5=80m3筒體部分液深：（V總－V封）/S截=（80－9）/（0.785×42）=5.7m豎蛇管總高：H管=5.7+0.25=6.0m兩端彎管總長(zhǎng)l0=1570mm，總高500mm；直管部分高度：h=H管－500=5500mm；一圈管長(zhǎng)：l=2h+l0=2×5500+1570=12570mm； ⅴ、每組管子圈數(shù)n0n0=L0/l=76.5/12.6=6(圈)ⅵ、校核冷卻管的實(shí)際傳熱面積F實(shí)=nd平均L實(shí)=3.14×0.06×620=116.8m2＞F=116.25m2（8）設(shè)備材料的選擇一般采用不銹鋼材料；谷氨酸發(fā)酵可采用碳鋼；本例中采用A3鋼材料； （9）發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算計(jì)算法；查表法；①計(jì)算法確定發(fā)酵罐的壁厚SS=PD/(2[σ]φ－P)+C(cm)P：設(shè)計(jì)壓力，取最高壓力的1.05倍，P=0.4MPa；D：罐內(nèi)徑，D=400cm；[σ]：A3鋼的許應(yīng)壓力，127MPa；φ：焊縫系數(shù)，0.5~1，取0.7；C：壁厚附加量（cm）C=C1+C2+C3C1：鋼板負(fù)偏差，0.13~1.3mm，取0.8mm；C2：腐蝕裕量，單面腐蝕取1mm，雙面腐蝕取2mm，C2=2mm；C3：加工減薄量，冷加工C3=0，熱加工封頭C3=S0×10%，取C3=0；C=0.8+2+0=2.8mm=0.28cmS=0.4×400/(2×127×0.7－0.4)+0.28=1.2(cm)選用12mm厚的A3鋼材料；罐每米高的重量為1186kg，總重為G筒=1186×8=9488kg； ②封頭壁厚計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭：S=PD/(2[σ]φ－P)+C(cm)P=0.4MPa；D=400cm；[σ]=127MPa；C=0.8+0.2+0.1=0.38cmΦ=0.7；S=0.4×400/(2×127×0.7－0.4)+0.38=12.8(mm)圓整S=14mm，G封=2005kg；