产1000吨丙酮酸工厂设计行性报告
摘要
产1000吨丙酮酸产线公用工程部进行设计解决菌空气、冷冻水、蒸汽供给问题满足工艺产各项需要
结合工厂工艺设计物料衡算、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基础绘制流程图并展通用设备选型、非标设备设计同进行公用工程平面布置设计经各设备比较、论证选择适合工艺流程公用工程设备达优化资源配置同能够做环境污染能源浪费少
关键字：丙酮酸 发酵 工厂设计
1.1 项目简介 2
1.1 .1 建设项目名称： 2
1.1.2 建设规模、产工作制度 2
1.1.3 厂址选择及其自条件 2
1.1.4 公用工程供应条件 3
2.1 丙酮酸发酵产公用工程设计 3
第二章 空气系统设计 3
1.1 空气系统流程 3
1.1.1 空气预处理 3
1.1.2 空气CJ流程 4
2.1 空气系统工艺计算 5
2.1.1发酵车间菌空气高峰需求量 6
2.1.2 发酵车间菌空气耗量 6
3.1 空气系统设备选型 6
3.11 布袋粗滤器 6
3.1.2 空气压缩机 6
3.1.3 旋风离器 7
3.1.4 空气储罐 8
3.1.5 丝网滤器 9
3.1.6 总滤器 11
4.1 设备安装注意事项 12
第三章 蒸汽系统设计 13
1.1 蒸汽系统流程 13
1.1.1 锅炉用水预处理 13
1.1.2 蒸汽系统流程图 15
2.1 蒸汽系统计算 15
3.1 蒸汽系统设备选型 16
3.1.1 单流式机械滤器 16
3.1.2 逆流式Na离交换器 16
3.1.3 除氧设备 17
3.1.4 卧式水火管锅炉 18
4.1 设备安装注意事项 19
第四章 冷冻水系统设计 19
1.1 冷冻水系统流程 19
2.1 冷却水系统计算 20
3.1 冷冻水系统设备选型 21
3.1.1 压缩机 21
3.1.2 冷凝器 21
3.1.3 蒸发器 22
4.1 设备安装注意事项 22
第五章 结 23
1.1 结束语 23
第章 项目概述
1.1 项目简介
1.1 .1 建设项目名称：
产1000吨丙酮酸产线工艺设计
1.1.2 建设规模、产工作制度
（1）建设规模：产1000吨丙酮酸
（2）原料葡萄糖先经预热器预热进行连续灭菌程制灭菌培养基酵母与菌培养基起放入发酵罐通入菌空气发酵再发酵液提取产物丙酮酸结晶
（3）工作制度：工作按300计发酵、滤实行两班制
1.1.3 厂址选择及其自条件
项目建设点选择郑州市其自条件表：
平均气温 16.3℃ 历平均高气温 38℃
历平均低气温 -4.2℃ 热平均相湿度 85%
冷平均相湿度 75% 平均气压 1016.5mP
夏季平均气压 1004.5mP 均风速 3.6m/s
均降水量 1025.6mm 降水量 219.6mm
1.1.4 公用工程供应条件
公用工程 要求条件 要求用量
菌空气
CJ率>99% 102.6m3/min
加热蒸汽 121℃0.4mPa 2.5t/d
冷却水 18℃ 126.73 t/d
2.1 丙酮酸发酵产公用工程设计
工厂设计各专业设计员通力合作集体创造程设计程各专业既工合作其产工艺设计工厂设计核起主导工作公用工程设计（辅助产工程设计）保证工厂产缺少重要组部根据工艺专业设计要求进行工作相辅相承组工厂各部形机整体更发挥工艺专业主导工作工艺设计员必须熟悉解各辅助专业工作任务明确设计程应向同辅助专业提供必要工艺设计资料提同要求作辅助专业设计依据同要利用辅助专业设计工艺设计服务矛盾协商解决确定合理案保证设计质量加快工程进度并保证工厂投产良运行效十重要另外些工厂特别厂建设、扩建由于技术力量足往往需要工艺技术员统筹考虑公用工程关问题
第二章 空气系统设计
1.1 空气系统流程
1.1.1 空气预处理
空气微物数依附于空气尘埃颗粒提高压缩前空气洁净度主要措施提高空气吸气口位置加强吸入空气前滤
保护空气压缩机空气吸入口处设置粗滤器滤空气颗粒较尘埃减少进入空气压缩机灰尘微物含量及压缩机磨损并减轻主滤器负荷提高CJ空气质量于种前置滤器要求滤效率高阻力否则增加压缩机吸入负荷降低压缩机排气量通采用布袋滤器、填料滤器、油浴滤器水雾除尘滤器
节约本本设计采用布袋滤器
1.1.2 空气CJ流程
采用两级冷却、加热CJ系统其流程图图1：
两级冷却CJ流程比较完善空气CJ流程适应各种气候条件能够充离油水使空气达低相湿度进入滤器提高滤效率该流程特点两冷却、两离、适加热两冷却、两离油水处能提高传热系数节约冷却用水油水离比较完全经第冷却器冷却部水、油都已经结较雾滴故适宜用旋风离器离第二冷却器使空气进步冷却析部较雾粒宜采用丝网离器离发挥丝网能够离较直径雾粒离效高作用第级冷却30~35℃第二级冷却20~25℃除水空气相湿度仍须用丝网离器加热器加热空气相湿度降低至50%~60%保证滤运行[1]
克服输送程滤介质等阻力吸入空气须经空压机压缩空气经压缩温度显著升压缩比愈高温度愈高若高温压缩空气直接通入空气滤器引起滤介质炭化或燃烧且增培养装置降温负荷给培养温度控制带困难同高温空气增加培养液水蒸发微物利要压缩空气降温所空气储罐要装冷却器流程图46两处
根据式(1)：
(1)
空气总压力P及湿含量χ定值相湿度φ随 Ps改变Ps温度函数φ随温度变即温度升高φ降低反φ则升高若温度降至露点φ升剩部水蒸气凝露滴析同压缩空气夹带油冷凝由看经冷却降温空气相湿度增析水使滤介质受潮失效所压缩湿空气要除水同由于空气经压缩机避免夹带润滑油故除水同要进行除油5处设置旋风离器用除空气水油
介质滤器利用块状介质颗粒状介质、网状介质或高材料丝网惯性拦截作用离空气水油滴各种介质滤器丝网离器具较高离效率直径于5μm颗粒离效达99%于10μm更高达99.5%且能部2-5μm较细颗粒加结构简单阻力等广泛用于产流程图7处丝网滤器
设置总滤器流程重要滤器用滤掉空气绝部残余油、水及真菌达所需菌空气要求
2.1 空气系统工艺计算
产工艺基础数据：产1000t丙酮酸产酸率72g/l转化率70％提取率80％染菌率1％工作300发酵周期64h辅助间8平均通气比1：0.3
2.1.1发酵车间菌空气高峰需求量
Vmax=2×238.75+6×995=6247.5(m3/h)=1.74(m3/s)
2.1.2 发酵车间菌空气耗量
V=6×6.5×10-6+2×1.63×106=4.23×107(m3)
菌空气消耗量：（75×0.7×6+5×0.7×2）×0.3=102.6m3/h
3.1 空气系统设备选型
3.11 布袋粗滤器
布袋滤器结构简要滤布缝制与骨架相同形状布袋绷紧缝于骨架并缝紧所造短路空隙布袋滤滤效率阻力损失要视所选用滤布结构滤布面积定布质结实细致则滤效率高阻力现采用合纤维滤布、纺布滤布要求定期换洗减少阻力提高滤效率本设计采用合纤维滤布气流速度2-2.5m/min空气阻力约60-120mmHg
3.1.2 空气压缩机
发酵工业用气体输送设备低压空气压缩机用提供发酵工业产要求提供0.2~0.3MPa（表压）压缩空气般采用涡轮式空气压缩机或经改装往复式空气压缩机做空气压缩站主要送气设备空气压缩定压力通空气CJ系统定压力菌空气供深层培养用两种空气压缩机比较表1
压缩机种类 特点 优点 缺点
涡轮式 供气量口压强稳定输压缩空气含油雾 功率消耗较结构紧凑占面积 技术要求较高
往复式
操作气体受压发热故缸外要冷却装置 容量范围广价格较便宜操作维修比较便 口流量稳定压气体夹带油雾
表1 两种空气压缩机比较
由于涡轮式空气压缩机输压缩空气含油雾给面空气CJ带便使空气滤系统简化降低些本故本设计采用涡轮式空气压缩机
菌空气消耗量：（75×0.7×6+5×0.7×2）×0.3=102.6m3/h=60.38acfm
初选涡轮式空气压缩机机型HP1.0排气量40acfm，两台并联工作40acfm×2 =80acfm>60.38acfm，所符合工艺产要求
3.1.3 旋风离器
旋风离器种结构简单、阻力、离效较高气-固或气-液离设备空气般15-24m/s流速切线向进入旋风离器并圆周内做圆周运油水滴则具比空气重度较惯性力故空气离器内做圆周运油水滴仍作直线运器壁沉降排气口气流速度4-8m/s油水滴则旋风离器径向速度与气流速度平比随转半径增加减旋风离器进口管截面积般较离器管径较进口空气流速越筒径越空气阻力越
图2 旋风离器
般旋风离器比例尺寸致：
D1=0.4-0.6L1=1-2D2-3D h=0.5Db=0.2-0.25DD2=0.2-0.35D
便起见用式致估计离器直径D:
(2)
式(2)：Q——通旋风离器空气流量m3/min
通旋风离器空气流量Q=120m3/min
D=0.1 =1.095m所D取1.1m
D1=0.5m L1=2D=2.2m L2=3D=3.3m h=0.5D=0.55m b=0.2d=0.22m D2=0.2D=0.22m
3.1.4 空气储罐
压缩空气冷却定温度油水空气相湿度仍若加热升温要温度稍微降低便再度析水使滤介质受潮降低或丧失滤能力所必须冷却除水压缩空气加热定温度使相湿度降低才能输入滤器压缩空气加热温度选择保证空气干燥保证滤器CJ效率关键般讲降湿温度与升湿温度温差10-15℃左右即能保证相湿度降至定水平满足进入滤器要求
空气加热般用列管式换热器实现由压缩机空气脉冲式滤器前需要安装空气储罐消除脉冲维持罐压稳定储气罐作用除使压力稳定外使部液滴罐内沉降储气罐结构图：
图3 储气罐结构图
贮气罐体积计算： V=0.15v (3)
式(3)：V—贮气罐体积；v—压缩空气流量m3/min
贮气罐体积V=0.15v=0.15×120=18m3
设贮气罐圆筒部高径比2.5：1
则
则D=2.09mH=2.5D=5.23m
3.1.5 丝网滤器
本设计介质滤器滤介质采用0.25mm×40目锈钢丝网丝网介质层高度150mm其示意图：
图4 丝网滤器结构图
通丝网空气流速：
(4)
式(4)：ωmax——空气流速m/s；ρp——液滴比重kg/m3；ρg——空气比重kg/m3；K——系数取0.107
查25℃空气比重ρg1.2×103 kg/m3水滴比重ρp1.022 kg/m3
则ωmax=0.107 = 3.12m/s
丝网离器设计速度ω述空气流速75%即：
ω设计=0.75ωmax=2.34m/s
丝网离器直径：
(5)
式(5)：D—丝网离器直径m；V—气体流量m3/s
则丝网离器直径D= =0.977 m
3.1.6 总滤器
产需要菌空气要求比较高滤效率经济适用面考虑本设计采用纤维介质深层滤器其结构图图5：
图5 纤维介质深层滤器
种纤维介质深层滤器通立式圆筒型内部充填滤介质空气由向通滤介质达CJ目
空气滤器尺寸主要包括直径D效滤层高度L其D由式(6)求：
（6） (6)
式(6):qν——空气流经滤器体积流量m3/s;
νs——空截面空气速度m/s
空截面气速νs般取0.1-0.3m/s按操作工艺设0.2m/s
qν= 102.6m3/min=1.17 m3/s
则D= =2.73m
滤器效滤介质高度L计算公式：
则
选用棉花纤维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
假设进入滤器空气含菌量5000/m3空气流速0.2m/s
查K’=0.135cm-1倒灌率0.1%
则N1=5000×120×60×72=2.592×109N2=10-3
滤层厚度 =63.6cm
4.1 设备安装注意事项
(1) 贮气罐应安装安全阀底部应安排污口空气贮罐流向由罐内放置丝网除雾器
(2) 滤器效滤介质高度L决定通实验数据基础按数穿透定律进行计算由于需要滤层厚度耗用棉花安装较困难阻力损失故工厂用性炭作间曾改善些素本符合计算要求通总高度棉花层厚度各总滤层1/4-1/3间性炭层占1/3-1/2铺棉花前先孔板铺层30-40目金属丝网织物助于空气均匀进入棉花滤层
第三章 蒸汽系统设计
1.1 蒸汽系统流程
1.1.1 锅炉用水预处理
保证供热系统靠、持久安全运行必须供给锅炉房水进行处理锅炉房使用各种水源论水自水都含些杂质能直接用于锅炉给水必须经处理符合锅炉给水水质标难才能供给锅炉使用否则影响锅炉安全经济运行锅炉房要设置给水处理设备
水(论面水水)自界循环运程溶解混杂量杂质些杂质按其颗粒三类：颗粒称悬浮物其胶体离即溶解物质悬浮物指水流呈悬浮状态物质其颗粒直径10-4mm通滤纸离主要黏土、砂粒、植物残渣、工业废物等
胶体物质许离集合体其粒径10.4~10.6mm间水胶体物质铁、铝、硅等化合物及植物机体解产物——机物
水溶解物质主要钙、镁、钾、钠等盐类及氧二氧化碳等气体些盐类水都离状态存其颗粒直径于10.6mm水溶解气体则状态存
悬浮物造沉积物污染树脂堵塞管道悬浮物使锅水起沫胶体物质污染树脂影响水质量进入锅炉产量泡沫引起汽水共腾水悬浮物胶体物质通水厂通混凝滤处理部清除看起澄清仍含杂质水经处理直接供给锅炉水部溶解盐类(主要钙、镁盐类)析或浓缩沉淀沉淀物部比较松散称水渣；另部附着受热面内壁形坚硬质密水垢水垢存锅炉安全经济运行危害
（1）锅炉用水滤
工业锅炉房用水般由水厂供给原水悬浮物含量较高减轻软化设备负担必须进行原水滤处理于顺溜再固定床离交换器悬浮物于等于5mg/L原水应经滤；进入逆流再固定床离交换器或浮床交换器原水悬浮物含量于等于2mg/L应先经滤；悬浮物含量于20mg/L原水或经石灰处理水均应混凝、澄清经滤处理
（2）阳离交换软化
水悬浮物胶体物质通经水厂沉淀、滤等处理部除水硬度、碱度等杂质仍存满足锅炉给水水质要求需要锅炉给水进行处理工业锅炉房水处理主要内容软化除氧即除水钙、镁离降低给水含氧量利用产硬度阳离(Na+、H+)水Ca2+、Mg2+置换达使水软化目种称阳离软化称离交换软化离交换软化通离交换剂实现
目前工业锅炉水处理钠离交换软化用离交换器装入阳离交换剂原水流钠离交换剂交换剂Na+与水Ca2+、Mg2+离进行置换反应使水软化钠离交换既除水暂硬除永硬能除碱构水碱度主要部暂硬度按照等物质量规则转变钠盐碱度NaHCO3；另外按等物质量交换规则1mol Ca2+与2 molNa+进行交换反应使软水含盐量所增加
随着交换软化程进行交换剂Na+ 逐渐水Ca2+ 、Mg2+所代替交换剂由NaR型逐渐变CaR2或MgR2型软化水硬度超某数值水质已经符合锅炉给水水质标准要求则认交换剂已经失效应立即停止软化交换剂进行再
离交换设备种类较固定床、浮床、流床等浮床、流床离交换设备适用于原水水质稳定软化水力变化、连续间断运行情况固定床则需述要求工业锅炉房用软化设备
固定床离交换设备顺流再离交换器逆流再离交换器两类
（3）锅炉给水除氧
锅炉金属腐蚀主要电化腐蚀锅炉给水锅水都电解质锅炉金属壁杂质部阴极其电与锅水离（H+）结合断除
腐蚀产物(Fe3+)积聚阳极或电e积聚阴极未除则两极间电位差减使腐蚀滞缓或停止种现象称极化反消除极化(称极化现象)使腐蚀加速
pH<7水较H+H+阴极极化剂加速腐蚀同酸性水使金属氧化保护层溶解加速腐蚀见避免减轻锅炉金属电化腐蚀除保持锅水定碱度要给水进行除氧
1.1.2 蒸汽系统流程图
蒸汽系统简单流程示意图见图2：
图6 蒸汽系统流程示意图
设计蒸汽系统应经济考虑满足用户需要前提供汽压力越低越仍需考虑蒸汽冷凝水收系统所需压降效利用燕汽能量往往先使高压蒸汽通汽轮机用汽轮机排汽供应工厂产；汽轮机停止工作应减压阀减温器保证低级压力蒸汽系统供汽
2.1 蒸汽系统计算
工艺需求采用121℃0.4mPa蒸汽进行加热
每发酵罐蛇管蒸汽加热阶段需要蒸汽量G=3887.15 kg
每发酵罐直接蒸汽加热阶段需要蒸汽量G’=2139.53 kg
考虑5%蒸汽损失并且两发酵罐同进行发酵则总蒸汽用量：
G总=（3887.15+2139.53）×2/0.95=12.696 t/d
3.1 蒸汽系统设备选型
3.1.1 单流式机械滤器
本设计采用滤设备单流式机械滤器具滤管路系统简单运行稳定价格低廉等优势单流式机械滤器简单种滤器其简单示意图图3：
图7 单流式机械滤器
单流式机械滤器本体密闭钢制圆柱形容器设进水、排水管路滤器内装填滤材料用石英砂、理石、烟煤等石英砂宜用于滤碱性水石英砂水溶解产硅酸锅炉害；烟煤、理石适用于带碱性水滤料直径0.5~1.5mm滤速度4~5m/h运行周期般8h
3.1.2 逆流式Na离交换器
逆流再离交换设备具水质量高盐耗低等优点所本设计采用逆流再Na离交换器其简单示意图图4：
图8 逆流再离交换设备
所谓逆流再再再液流向水软化运行流向相反通盐液交换器部进入部排新鲜再液总先与交换器底部尚未完全失效交换剂接触使其高再程度随着再液继续向流交换剂再程度逐渐降低较顺流再工艺慢(部交换剂饱程度比部．再液置换Ca2+、Mg2+少)再液与部完全失效交换剂接触再液仍具定新鲜性仍能起原作用再液能充利用[8]
3.1.3 除氧设备
气体溶解定律知．气体水溶解度与该气体气水界面压力比与水温反比敞设备水加热随着水温升高气水界面水蒸气压力增其气体压力降低水达沸点水界面水蒸气压力与外界压力相等其气体压力都趋于零水溶解气体含量趋于零热力除氧工作原理
用加热除氧设备称热力除氧器工业锅炉房蒸汽锅炉采用气式热力除氧器即除氧器内压力略高于气压(般0.02MPa工作温度104℃)便于逸气体能够排
用喷雾填料式热力除氧器图9所示
图9 喷雾填料式除氧器
除氧器由除氧除氧水箱两部组给水由除氧部进水管进进水管与互相平行几排带喷嘴喷水管连接水通喷嘴喷雾状要求喷嘴进水压力0.15-0.2MPa左右除氧部两层孔板孔板间装锈钢填料(称Ω元件)雾状水滴经填料层落水箱
蒸汽由除氧部进汽管进入向流析气体及部蒸汽经顶部圆锥形挡板折流由排气管排
给水除氧器内先喷雾状加热具表面积利于氧气水逸填料层呈水膜状态加热与蒸汽较充接触且填料蓄热作用所除氧效较负荷波适应强
3.1.4 卧式水火管锅炉
由于发酵车间所需蒸汽量所采用卧式水火管锅炉比较适宜
卧式水火管锅炉水管与火管组合起卧式外燃锅炉种锅炉20世纪创代卧式外燃水管锅炉基础发展起种整装锅炉目前型燃煤锅炉使用占较比例
种锅炉锅筒及各受热面都支承钢板焊底座炉排文架及通风装置全部支座结构形锅炉墙壁采用蛭石砖绝热外加薄铁皮形整体锅炉称种锅炉卧式快装锅炉快装锅炉结构紧凑运输便安装简单相其烟火管锅炉由于炉膛内根据情况布置备种拱墙炉内燃烧较同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层部增设省煤器使排烟温度降低锅炉效率达75％
4.1 设备安装注意事项
（1）原水通滤层压力降达0.05~0.06MPa应停止滤进行反冲洗滤料层截留污泥冲洗掉恢复其工作能力反洗强度15L／(s?m2)冲洗间10min洗至水合格重新进行滤
（2）排气阀度要合适造蒸汽浪费影响除氧效需要通反复调整维持其佳度
（3）保证重要用户用汽设计要考虑设置蒸汽自切断系统发事故按预定程序切断非重要用户负荷确认系统靠性产要进行试验
（4）设计蒸汽系统系统干管直径要按蒸汽发设备连续供汽量考虑利于工厂扩建或适应产变化
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