发酵工厂蒸汽供应问题研究论文

年产1000吨丙酮酸工厂设计可行性报告摘要对年产1000吨丙酮酸生产线的公用工程部分进行设计，解决无菌空气、冷冻水、蒸汽的供给问题，满足工艺生产的各项需要。结合工厂工艺设计的物料衡算、能量衡算等计算数据，按给定具体工艺要求，进行公用工程配套设计计算。在此基础上绘制流程图并开展通用设备选型、非标设备设计同时进行公用工程平面布置设计。经过对各设备的比较、论证，选择最适合工艺流程的公用工程设备，以达到优化资源配置的同时能够做到对环境的污染最小，对能源的浪费最少。关键字：丙酮酸 发酵 工厂设计 项目简介 .1 建设项目名称： 建设规模、生产方法和工作制度 厂址选择及其自然条件 公用工程供应条件 丙酮酸发酵生产公用工程设计 3第二章 空气系统设计 空气系统流程 空气的预处理 空气除菌流程 空气系统工艺计算 发酵车间无菌空气高峰需求量 发酵车间无菌空气年耗量 空气系统设备选型 布袋粗过滤器 空气压缩机 旋风分离器 空气储罐 丝网过滤器 总过滤器 设备安装注意事项 12第三章 蒸汽系统设计 蒸汽系统流程 锅炉用水的预处理 蒸汽系统流程图 蒸汽系统计算 蒸汽系统设备选型 单流式机械过滤器 逆流式Na离子交换器 除氧设备 卧式水火管锅炉 设备安装注意事项 19第四章 冷冻水系统设计 冷冻水系统流程 冷却水系统计算 冷冻水系统设备选型 压缩机 冷凝器 蒸发器 设备安装注意事项 22第五章 小结 结束语 23第一章 项目概述 项目简介 .1 建设项目名称：年产1000吨丙酮酸生产线的工艺设计 建设规模、生产方法和工作制度（1）建设规模：年产1000吨丙酮酸（2）原料葡萄糖先经预热器预热，然后进行连续灭菌过程，制成灭菌培养基。将酵母与无菌培养基一起放入发酵罐，通入无菌空气发酵，再从发酵液中提取产物丙酮酸结晶。（3）工作制度：工作日按300天计，发酵、过滤实行两班制。 厂址选择及其自然条件项目建设地点选择在郑州市，其自然条件如下表：年平均气温 ℃ 历年平均最高气温 38℃历年平均最低气温 ℃ 最热平均相对湿度 85%最冷平均相对湿度 75% 年平均气压 夏季平均气压 年均风速 年均降水量 日最大降水量 公用工程供应条件公用工程 要求条件 要求用量无菌空气除菌率>99% 加热蒸汽 121℃， 冷却水 18℃ t/ 丙酮酸发酵生产公用工程设计工厂设计是各专业设计人员通力合作，集体创造的过程。在设计过程中，各专业既分工，又合作，其中生产工艺设计是工厂设计的核心，起主导工作，而公用工程设计（辅助生产工程设计）是保证工厂正常生产不可缺少的重要组成部分，是根据工艺专业的设计要求进行工作的。它们相辅相承组成工厂的各部分，形成一个有机的整体。为了更好地发挥工艺专业的主导工作，工艺设计人员必须熟悉和了解各辅助专业的工作任务，明确设计过程中应向不同的辅助专业提供必要的工艺设计资料和提出不同的要求，作为辅助专业设计的依据。同时又要利用辅助专业的设计成果，为工艺设计服务。有矛盾时，协商解决，确定出合理的方案。这对保证设计质量，加快工程进度，并保证工厂投产后的良好运行效果，是十分重要的。另外，在一些工厂，特别是中，小厂的建设、扩建中，由于技术力量的不足，往往也需要工艺技术人员统筹考虑公用工程中的有关问题。第二章 空气系统设计 空气系统流程 空气的预处理空气中的微生物大多数依附于空气中的尘埃颗粒上。提高压缩前空气的洁净度的主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的前过滤。为了保护空气压缩机，常在空气吸入口处设置粗过滤器，以滤去空气中颗粒较大的尘埃，减少进入空气压缩机的灰尘和微生物含量及压缩机的磨损，并减轻主过滤器的负荷，提高除菌空气的质量。对于这种前置过滤器，要求过滤效率高，阻力小，否则会增加压缩机的吸入负荷和降低压缩机的排气量。通常采用布袋过滤器、填料过滤器、油浴过滤器和水雾除尘过滤器。为了节约成本，本设计采用布袋过滤器。 空气除菌流程采用两级冷却、加热除菌系统，其流程图如图1：两级冷却除菌流程是一个比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能够充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。该流程的特点是两次冷却、两次分离、适当加热。两次冷却、两次分离油水的好处是能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离的比较完全。经第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已经结成较大的雾滴，故适宜用旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径的雾粒和分离效果高的作用。第一级冷却到30~35℃，第二级冷却到20~25℃。除水后，空气的相对湿度仍然是100%，须用丝网分离器后的加热器加热将空气中的相对湿度降低至50%~60%，以保证过滤的正常运行[1]。为了克服输送过程中过滤介质等阻力，吸入的空气须经空压机压缩。空气经压缩后，温度会显著上升，压缩比愈高，温度也愈高。若将此高温压缩空气直接通入空气过滤器，会引起过滤介质的炭化或燃烧，而且还会增大培养装置的降温负荷，给培养温度的控制带来困难，同时高温空气还会增加培养液水分的蒸发，对微生物的生长也不利，因此要将压缩空气降温。所以在空气储罐后要装一个冷却器，如流程图中的4，6两处。根据式子(1)：(1)当空气的总压力P及湿含量χ为一定值时，相对湿度φ随 Ps而改变，但Ps又是温度的函数，φ因此随温度而变，即温度升高时，φ降低，反之，φ则升高。若温度降至露点，φ升到100%时，过剩的那部分水蒸气就会凝成露滴而析出，同样压缩空气中夹带的油分也会冷凝下来。由此可以看出经冷却降温后的空气相对湿度增大，会析出水来，使过滤介质受潮失效，所以压缩后的湿空气要除水，同时由于空气经压缩机后不可避免地会夹带润滑油，故除水的同时也要进行除油。因此在5处设置一个旋风分离器用来除去空气中的水和油。介质过滤器是利用块状介质，颗粒状介质、网状介质或高分子材料丝网的惯性拦截作用来分离空气中的水和油滴的方法。在各种介质过滤器中丝网分离器具有较高的分离效率，它对直径大于5μm的颗粒分离效果可达99%，大于10μm的更可高达，且能出去部分2-5μm的较细颗粒，加上结构简单，阻力不大等，被广泛用于生产中。流程图中7处就是一个丝网过滤器。在最后设置一个总过滤器，也是流程中最重要的一个过滤器，用来过滤掉空气中绝大部分残余的油、水及真菌，以达到所需无菌空气的要求。 空气系统工艺计算生产工艺基础数据：年产1000t丙酮酸，产酸率72g/l，转化率70％，提取率80％，染菌率1％，年工作日300，发酵周期64h，辅助时间8小时，平均通气比1：发酵车间无菌空气高峰需求量Vmax=2××995=(m3/h)=(m3/s) 发酵车间无菌空气年耗量V=6××10-6+2××106=×107(m3)无菌空气消耗量：（75××6+5××2）× 空气系统设备选型 布袋粗过滤器布袋过滤器的结构简，只要将滤布缝制成与骨架相同形状的布袋，绷紧缝于骨架上，并缝紧所有造成短路的空隙。布袋过滤的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布结构和滤布面积而定。布质结实而细致，则过滤效率高，但阻力大。现多采用合成纤维滤布、无纺布。滤布要求定期换洗，以减少阻力和提高过滤效率。本设计采用合成纤维滤布，气流速度为，空气阻力约为60-120mmHg。 空气压缩机发酵工业常用的气体输送设备为低压空气压缩机，用来提供发酵工业生产中要求提供的（表压）的压缩空气。一般采用的是涡轮式空气压缩机或经过改装的往复式空气压缩机做为空气压缩站的主要送气设备。将空气压缩到一定压力，通过空气除菌系统，得到一定压力的无菌空气，供深层培养之用。两种空气压缩机的比较如表1。压缩机种类 特点 优点 缺点涡轮式 供气量大，出口压强稳定，输出的压缩空气不含油雾 功率消耗较小，结构紧凑，占地面积小 技术要求较高往复式操作时气体受压发热，故在缸外要有冷却装置 容量范围广，价格较便宜，操作和维修比较方便 出口流量不稳定，压出气体中夹带油雾表1 两种空气压缩机的比较由于涡轮式空气压缩机输出的压缩空气中不含油雾，给后面的空气除菌带来很大方便，使空气过滤系统得到简化，降低一些成本，故本设计采用涡轮式空气压缩机。无菌空气消耗量：（75××6+5××2）×。初选涡轮式空气压缩机，机型，排气量40acfm,两台并联工作，40acfm×2 =80acfm>,所以符合工艺生产的要求。 旋风分离器旋风分离器是一种结构简单、阻力小、分离效果较高的气-固或气-液分离设备。空气一般以15-24m/s的流速以切线方向进入旋风分离器，并在圆周内做圆周运动，油水滴则因具有比空气大得多的重度，因此有较大的惯性力，故当空气在分离器内做圆周运动时，油水滴仍作直线运动，因而在器壁上沉降。排气口气流速度为4-8m/s，油水滴则在旋风分离器中的径向速度与气流速度的平方成正比，但随回转半径的增加而减小，因此旋风分离器的进口管截面积一般较小，分离器的管径也较小。但进口空气的流速越大，筒径越小，空气的阻力也就越大。图2 旋风分离器一般的旋风分离器的比例尺寸大致为：D1=，L1=1-2D，2-3D， h=，b=，D2=为方便起见，可用下式大致估计一下分离器的直径D:(2)式(2)中：Q——通过旋风分离器的空气流量，m3/min。通过旋风分离器的空气流量Q=120m3/minD= =，所以D取。D1= L1=2D= L2=3D= h= b= D2= 空气储罐压缩空气冷却到一定温度，分去油水后，空气的相对湿度仍为100%，若不加热升温，只要温度稍微降低，便再度析出水分，使过滤介质受潮而降低或丧失过滤能力。所以必须将冷却除去水分后的压缩空气加热到一定温度，使相对湿度降低，才能输入过滤器。压缩空气加热温度的选择对保证空气干燥，保证过滤器的除菌效率很关键。一般来讲，降湿后的温度与升湿后的温度温差在10-15℃左右即能保证相对湿度降至一定水平，满足进入过滤器的要求。空气的加热一般用列管式换热器来实现，由压缩机出来的空气是脉冲式的，在过滤器前需要安装一个空气储罐来消除脉冲维持罐压的稳定。储气罐的作用除了使压力稳定外，还可使部分液滴在罐内沉降。储气罐的结构如下图：图3 储气罐结构图贮气罐的体积计算如下： V= (3)式(3)中：V—贮气罐的体积；v—压缩空气流量，m3/min。贮气罐的体积V=×120=18m3设贮气罐圆筒部分的高径比为：1则则D=，H= 丝网过滤器本设计的介质过滤器的过滤介质采用×40目的不锈钢丝网，丝网介质层高度为150mm，其示意图如下：图4 丝网过滤器结构图通过丝网最大空气流速：(4)式(4)中：ωmax——最大空气流速，m/s；ρp——液滴的比重，kg/m3；ρg——空气的比重，kg/m3；K——系数，取查出25℃下空气的比重ρg为×103 kg/m3，水滴的比重ρp为 kg/m3则ωmax= = 丝网分离器的设计速度ω为上述空气最大流速的75%，即：ω设计=ωmax=丝网分离器的直径：(5)式(5)中：D—丝网分离器的直径，m；V—气体流量，m3/s。则丝网分离器的直径D= = 总过滤器因为生产需要的无菌空气要求比较高，从过滤效率和经济适用方面考虑，本设计采用纤维介质深层过滤器，其结构图如图5：图5 纤维介质深层过滤器这种纤维介质深层过滤器通常是立式圆筒型，内部充填过滤介质，空气由下向上通过过滤介质，以达到除菌目的。空气过滤器的的尺寸主要包括直径D和有效滤层高度L，其中D可以由式(6)求出：（6） (6)式(6)中:qν——空气流经过滤器的体积流量，m3/s;νs——空截面空气速度，m/s。空截面气速νs一般可取，按操作工艺设为，qν= m3/s则D= =过滤器的有效过滤介质高度L的计算公式为：则选用棉花纤维过滤器，选棉花纤维直径d=16μm,填充系数α=8%通风量120m3/min,p=4kg/m3,发酵周期72h假设进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，空气流速为查得K’=，倒灌率为则N1=5000×120×60×72=×109个，N2=10-3个过滤层厚度 = 设备安装注意事项(1) 贮气罐上应安装安全阀，底部应安排污口，空气在贮罐中的流向为由下而上，罐内放置丝网除雾器。(2) 过滤器的有效过滤介质高度L的决定，通常在实验数据的基础上，按对数穿透定律进行计算。但由于需要滤层厚度，耗用棉花过多，安装较困难，阻力损失很大，故工厂常用活性炭作为中间曾，以改善这些因素。这本来是不符合计算要求的。通常总的高度中，上下棉花层厚度各为总过滤层的1/4-1/3，中间活性炭层占1/3-1/2。在铺棉花之前，先在下孔板铺上一层30-40目的金属丝网和织物，有助于空气均匀进入棉花滤层。第三章 蒸汽系统设计 蒸汽系统流程 锅炉用水的预处理为了保证供热系统的可靠、持久和安全地运行，必须对供给锅炉房的水进行处理。在锅炉房使用的各种水源中，无论是天然水，还是自来水，都含有一些杂质，不能直接用于锅炉给水，必须经过处理，符合锅炉给水水质标难后才能供给锅炉使用，否则会影响锅炉的安全经济运行。因此，锅炉房要设置给水处理设备。天然水(无论是地面水还是地下水)在自然界的循环运动过程中，溶解和混杂了大量杂质。这些杂质按其颗粒大小可以分为三类：颗粒最大的称为悬浮物，其次是胶体，最小的是离子和分子，即溶解物质。悬浮物是指水流动时呈悬浮状态的物质，其颗粒直径在10-4mm以上，通过滤纸可以分离出来。主要是黏土、砂粒、植物残渣、工业废物等。胶体物质是许多分子和离子的集合体，其粒径在之间。水中胶体物质有铁、铝、硅等的化合物，以及动植物有机体的分解产物——有机物。天然水中的溶解物质主要是钙、镁、钾、钠等盐类以及氧和二氧化碳等气体。这些盐类在水中大都以离子状态存在，其颗粒直径小于。水中溶解的气体则是以分子状态存在的。悬浮物会造成沉积物，污染树脂，堵塞管道，悬浮物过多会使锅水起沫。胶体物质会污染树脂，影响出水质量，进入锅炉，会产生大量泡沫，引起汽水共腾。天然水中的悬浮物和胶体物质通常是在水厂里通过混凝和过滤处理后大部分被清除。如果将这看起来澄清，仍含有杂质的水不经处理直接供给锅炉，水中的一部分溶解盐类(主要是钙、镁盐类)就会析出或浓缩沉淀出来。沉淀物的一部分比较松散，称为水渣；而另一部分附着在受热面内壁，形成坚硬而质密的水垢。水垢的存在对锅炉安全，经济运行危害很大。（1）锅炉用水的过滤工业锅炉房用水一般由水厂供给。如果原水的悬浮物含量较高，为了减轻软化设备的负担，必须进行原水的过滤处理。对于顺溜再生固定床离子交换器，悬浮物大于等于5mg/L的原水应经过滤；进入逆流再生固定床离子交换器或浮动床交换器的原水，悬浮物含量大于等于2mg/L时应先经过滤；悬浮物含量大于20mg/L的原水或经石灰处理后的水均应混凝、澄清后经过滤处理。（2）阳离子交换软化水中的悬浮物和胶体物质通常经过水厂的沉淀、过滤等处理后被大部分去除。但水中的硬度、碱度等杂质仍然存在，为了满足锅炉给水水质要求，需要对锅炉给水进行处理。工业锅炉房水处理的主要内容是软化和除氧，即除去水中的钙、镁离子，降低给水的含氧量。利用不产生硬度的阳离子(如Na+、H+)将水中的Ca2+、Mg2+置换出来，从而达到使水软化的目的，这种方法称为阳离子软化法。又称离子交换软化。离子交换软化是通过离子交换剂实现的。目前在工业锅炉水处理中，钠离子交换软化用得最多。离子交换器中装入阳离子交换剂，原水流过钠离子交换剂时，交换剂中的Na+与水中的Ca2+、Mg2+离子进行置换反应，使水得到软化。钠离子交换既可除去水中的暂硬，又可除去永硬，但不能除碱，因为构成天然水碱度主要部分的暂时硬度按照等物质量的规则转变为钠盐碱度NaHCO3；另外，按等物质量的交换规则1mol Ca2+与2 mol的Na+进行交换反应，使得软水中的含盐量有所增加。随着交换软化过程的进行，交换剂中的Na+ 逐渐被水中的Ca2+ 、Mg2+所代替，交换剂由NaR型逐渐变为CaR2或MgR2型。当软化水的硬度超过某一数值后，水质已经不符合锅炉给水水质标准的要求时，则认为交换剂已经失效，此时应立即停止软化，对交换剂进行再生。离子交换设备种类较多，有固定床、浮动床、流动床等。浮动床、流动床离子交换设备适用于原水水质稳定，软化水出力变化不大、连续不间断运行的情况，固定床则无需上述要求，是工业锅炉房常用的软化设备。固定床离子交换设备又可分为顺流再生离子交换器和逆流再生离子交换器两大类。（3）锅炉给水的除氧锅炉金属的腐蚀主要是电化学腐蚀。锅炉的给水和锅水都是电解质，因为锅炉的金属壁的杂质部分为阴极，其得到的电子会与锅水中离子（如H+）结合而不断去除。如果腐蚀产物(如Fe3+)积聚在阳极，或电子e积聚在阴极未被除去，则两极间电位差减小而使腐蚀滞缓或停止，这种现象称为“极化”。反之，消除极化(称为“去极化”现象)，会使腐蚀加速。pH<7时，水中有较多的H+，H+是阴极的去极化剂会加速腐蚀。同时，酸性水会使金属氧化保护层溶解，也加速腐蚀。可见，为了避免和减轻锅炉金属的电化学腐蚀，除了保持锅水一定的碱度，还要对给水进行除氧。 蒸汽系统流程图蒸汽系统的简单流程示意图见图2：图6 蒸汽系统流程示意图设计蒸汽系统时还应从经济上考虑，在满足用户需要的前提下，供汽压力越低越好，但仍需考虑蒸汽冷凝水回收系统所需的压降。为了有效地利用燕汽的能量，往往先使高压蒸汽通过汽轮机，然后用汽轮机的排汽供应工厂生产；当汽轮机停止工作时，应有减压阀和减温器来保证低一级压力蒸汽系统的供汽。 蒸汽系统计算工艺上需求采用121℃，的蒸汽进行加热每个发酵罐蛇管蒸汽加热阶段需要的蒸汽量G= kg每个发酵罐直接蒸汽加热阶段需要的蒸汽量G’= kg考虑5%的蒸汽损失，并且有两个发酵罐同时进行发酵，则总的蒸汽用量为：G总=（）×2/ t/ 蒸汽系统设备选型 单流式机械过滤器本设计采用的过滤设备是单流式机械过滤器，因为它具有过滤管路系统简单，运行稳定，价格低廉等优势。单流式机械过滤器也是最简单的一种过滤器。其简单示意图如图3：图7 单流式机械过滤器单流式机械过滤器本体为密闭的钢制圆柱形容器，设有进水、排水管路，过滤器内装填过滤材料，常用的有石英砂、大理石、无烟煤等。石英砂不宜用于过滤碱性水，因为石英砂在水中溶解产生硅酸对锅炉有害；无烟煤、大理石适用于带碱性的水。滤料直径为。过滤速度为4~5m/h，运行周期一般为8h。 逆流式Na离子交换器因为逆流再生离子交换设备具有出水质量高，盐耗低等优点，所以本设计采用逆流再生Na离子交换器。其简单示意图如图4：图8 逆流再生离子交换设备所谓“逆流再生”，就是再生时再生液的流向和水软化运行时的流向相反。通常是盐液从交换器下部进入，上部排出。因此，新鲜的再生液总是先与交换器底部尚未完全失效的交换剂接触，使其得到很高的再生程度，随着再生液继续向上流动，交换剂的再生程度逐渐降低，但较顺流再生工艺慢得多(下部交换剂的饱和程度比上部小．再生液中置换出来的Ca2+、Mg2+少)。当再生液与上部完全失效的交换剂接触时，再生液仍具有一定的“新鲜性”，仍能起还原作用，再生液能被充分利用[8]。 除氧设备从气体溶解定律可知．气体在水中的溶解度与该气体在气水界面上的分压力成正比，与水温成反比。在敞开的设备中将水加热，随着水温升高，气水界面上的水蒸气分压力也增大，其他气体的分压力降低，当水达到沸点时，水界面上的水蒸气分压力与外界压力相等，其他气体的分压力都趋于零，水中溶解气体的含量也趋于零。这是热力除氧的工作原理。用加热的方法除氧的设备称为热力除氧器。工业锅炉房蒸汽锅炉常采用的是大气式热力除氧器，即除氧器内的压力略高于大气压(一般为，工作温度104℃)，以便于逸出的气体能够排出。常用的喷雾填料式热力除氧器如图9所示。图9 喷雾填料式除氧器除氧器由除氧头和除氧水箱两部分组成。给水由除氧头上部的进水管进人，进水管又与互相平行的几排带有喷嘴的喷水管连接，水通过喷嘴被喷成雾状，要求喷嘴进水压力为左右。除氧头下部有两层孔板，孔板之间装有不锈钢填料(也称Ω元件)，雾状水滴经填料层后落到水箱里。蒸汽由除氧头下部的进汽管进入向上流动，析出的气体及部分蒸汽经过顶部的圆锥形挡板折流，由排气管排出。给水在除氧器内先是被喷成雾状加热，具有很大的表面积，有利于氧气从水中逸出，后又在填料层中呈水膜状态被加热，与蒸汽有较充分的接触，且填料还有蓄热作用，所以除氧效果较好，对负荷波动适应强。 卧式水火管锅炉由于发酵车间所需的蒸汽量不大，所以采用卧式水火管锅炉比较适宜。卧式水火管锅炉是水管与火管组合在一起的卧式外燃锅炉。这种锅炉是20世纪创年代在卧式外燃回水管锅炉基础上发展起来的一种整装锅炉。目前在小型燃煤锅炉使用中占有较大比例。这种锅炉的锅筒及各受热面都支承在钢板焊成的底座上，炉排文架及通风装置全部在支座结构中形成。锅炉的墙壁采用蛭石砖绝热，外加薄铁皮，形成一整体锅炉。因此，又称这种锅炉为卧式快装锅炉。快装锅炉结构紧凑，运输方便，安装简单。相对其他烟火管锅炉，由于炉膛内可根据情况布置备种拱墙，炉内燃烧较好。同时由于炉内烟气流速较高，使火管传热系数提高，积灰减少。尤其在层部增设省煤器时，使排烟温度降低，锅炉效率可达75％以上。 设备安装注意事项（1）当原水通过过滤层的压力降达到时，应停止过滤，进行反冲洗，把滤料层中截留的污泥冲洗掉，以恢复其工作能力。反洗强度为15L／(s•m2)，冲洗时间为10min，最后正洗至出水合格，就可以重新进行过滤。（2）排气阀开度要合适，过大会造成蒸汽浪费，过小会影响除氧效果，因此需要通过反复调整，维持其最佳开度。（3）为了保证重要用户用汽，设计中要考虑设置一个蒸汽自动切断系统，在发生事故时，按预定的程序切断非重要用户的负荷。为了确认次系统的可靠性，在日常生产时要进行试验。（4）设计蒸汽系统时，系统干管的直径要按蒸汽发生设备的连续最大供汽量来考虑，以利于将来工厂扩建或适应生产的变化。

去网上搜，去抄呗