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【專家解說】：　　年產(chǎn)1000噸丙酮酸工廠設(shè)計(jì)可行性報(bào)告 　　摘要 　　對年產(chǎn)1000噸丙酮酸生產(chǎn)線的公用工程部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決無菌空氣、冷凍水、蒸汽的供給問題，滿足工藝生產(chǎn)的各項(xiàng)需要。 　　結(jié)合工廠工藝設(shè)計(jì)的物料衡算、能量衡算等計(jì)算數(shù)據(jù)，按給定具體工藝要求，進(jìn)行公用工程配套設(shè)計(jì)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上繪制流程圖并開展通用設(shè)備選型、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行公用工程平面布置設(shè)計(jì)。經(jīng)過對各設(shè)備的比較、論證，選擇最適合工藝流程的公用工程設(shè)備，以達(dá)到優(yōu)化資源配置的同時(shí)能夠做到對環(huán)境的污染最小，對能源的浪費(fèi)最少。 　　關(guān)鍵字：丙酮酸 發(fā)酵 工廠設(shè)計(jì) 　　1.1 項(xiàng)目簡介 2 　　1.1 .1 建設(shè)項(xiàng)目名稱： 2 　　1.1.2 建設(shè)規(guī)模、生產(chǎn)方法和工作制度 2 　　1.1.3 廠址選擇及其自然條件 2 　　1.1.4 公用工程供應(yīng)條件 3 　　2.1 丙酮酸發(fā)酵生產(chǎn)公用工程設(shè)計(jì) 3 　　第二章 空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 　　1.1 空氣系統(tǒng)流程 3 　　1.1.1 空氣的預(yù)處理 3 　　1.1.2 空氣除菌流程 4 　　2.1 空氣系統(tǒng)工藝計(jì)算 5 　　2.1.1發(fā)酵車間無菌空氣高峰需求量 6 　　2.1.2 發(fā)酵車間無菌空氣年耗量 6 　　3.1 空氣系統(tǒng)設(shè)備選型 6 　　3.11 布袋粗過濾器 6 　　3.1.2 空氣壓縮機(jī) 6 　　3.1.3 旋風(fēng)分離器 7 　　3.1.4 空氣儲(chǔ)罐 8 　　3.1.5 絲網(wǎng)過濾器 9 　　3.1.6 總過濾器 11 　　4.1 設(shè)備安裝注意事項(xiàng) 12 　　第三章 蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 　　1.1 蒸汽系統(tǒng)流程 13 　　1.1.1 鍋爐用水的預(yù)處理 13 　　1.1.2 蒸汽系統(tǒng)流程圖 15 　　2.1 蒸汽系統(tǒng)計(jì)算 15 　　3.1 蒸汽系統(tǒng)設(shè)備選型 16 　　3.1.1 單流式機(jī)械過濾器 16 　　3.1.2 逆流式Na離子交換器 16 　　3.1.3 除氧設(shè)備 17 　　3.1.4 臥式水火管鍋爐 18 　　4.1 設(shè)備安裝注意事項(xiàng) 19 　　第四章 冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 　　1.1 冷凍水系統(tǒng)流程 19 　　2.1 冷卻水系統(tǒng)計(jì)算 20 　　3.1 冷凍水系統(tǒng)設(shè)備選型 21 　　3.1.1 壓縮機(jī) 21 　　3.1.2 冷凝器 21 　　3.1.3 蒸發(fā)器 22 　　4.1 設(shè)備安裝注意事項(xiàng) 22 　　第五章 小結(jié) 23 　　1.1 結(jié)束語 23 　　第一章 項(xiàng)目概述 　　1.1 項(xiàng)目簡介 　　1.1 .1 建設(shè)項(xiàng)目名稱： 　　年產(chǎn)1000噸丙酮酸生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì) 　　1.1.2 建設(shè)規(guī)模、生產(chǎn)方法和工作制度 　?。?）建設(shè)規(guī)模：年產(chǎn)1000噸丙酮酸 　　（2）原料葡萄糖先經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，然后進(jìn)行連續(xù)滅菌過程，制成滅菌培養(yǎng)基。將酵母與無菌培養(yǎng)基一起放入發(fā)酵罐，通入無菌空氣發(fā)酵，再從發(fā)酵液中提取產(chǎn)物丙酮酸結(jié)晶。 　?。?）工作制度：工作日按300天計(jì)，發(fā)酵、過濾實(shí)行兩班制。 　　1.1.3 廠址選擇及其自然條件 　　項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)選擇在鄭州市，其自然條件如下表： 　　年平均氣溫 16.3℃ 歷年平均最高氣溫 38℃ 　　歷年平均最低氣溫 -4.2℃ 最熱平均相對濕度 85% 　　最冷平均相對濕度 75% 年平均氣壓 1016.5mP 　　夏季平均氣壓 1004.5mP 年均風(fēng)速 3.6m/s 　　年均降水量 1025.6mm 日最大降水量 219.6mm 　　1.1.4 公用工程供應(yīng)條件 　　公用工程 要求條件 要求用量 　　無菌空氣 　　除菌率>99% 102.6m3/min 　　加熱蒸汽 121℃，0.4mPa 2.5t/d 　　冷卻水 18℃ 126.73 t/d 　　2.1 丙酮酸發(fā)酵生產(chǎn)公用工程設(shè)計(jì) 　　工廠設(shè)計(jì)是各專業(yè)設(shè)計(jì)人員通力合作，集體創(chuàng)造的過程。在設(shè)計(jì)過程中，各專業(yè)既分工，又合作，其中生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)是工廠設(shè)計(jì)的核心，起主導(dǎo)工作，而公用工程設(shè)計(jì)（輔助生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)）是保證工廠正常生產(chǎn)不可缺少的重要組成部分，是根據(jù)工藝專業(yè)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作的。它們相輔相承組成工廠的各部分，形成一個(gè)有機(jī)的整體。為了更好地發(fā)揮工藝專業(yè)的主導(dǎo)工作，工藝設(shè)計(jì)人員必須熟悉和了解各輔助專業(yè)的工作任務(wù)，明確設(shè)計(jì)過程中應(yīng)向不同的輔助專業(yè)提供必要的工藝設(shè)計(jì)資料和提出不同的要求，作為輔助專業(yè)設(shè)計(jì)的依據(jù)。同時(shí)又要利用輔助專業(yè)的設(shè)計(jì)成果，為工藝設(shè)計(jì)服務(wù)。有矛盾時(shí)，協(xié)商解決，確定出合理的方案。這對保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快工程進(jìn)度，并保證工廠投產(chǎn)后的良好運(yùn)行效果，是十分重要的。另外，在一些工廠，特別是中，小廠的建設(shè)、擴(kuò)建中，由于技術(shù)力量的不足，往往也需要工藝技術(shù)人員統(tǒng)籌考慮公用工程中的有關(guān)問題。 　　第二章 空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　1.1 空氣系統(tǒng)流程 　　1.1.1 空氣的預(yù)處理 　　空氣中的微生物大多數(shù)依附于空氣中的塵埃顆粒上。提高壓縮前空氣的潔凈度的主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強(qiáng)吸入空氣的前過濾。 　　為了保護(hù)空氣壓縮機(jī)，常在空氣吸入口處設(shè)置粗過濾器，以濾去空氣中顆粒較大的塵埃，減少進(jìn)入空氣壓縮機(jī)的灰塵和微生物含量及壓縮機(jī)的磨損，并減輕主過濾器的負(fù)荷，提高除菌空氣的質(zhì)量。對于這種前置過濾器，要求過濾效率高，阻力小，否則會(huì)增加壓縮機(jī)的吸入負(fù)荷和降低壓縮機(jī)的排氣量。通常采用布袋過濾器、填料過濾器、油浴過濾器和水霧除塵過濾器。 　　為了節(jié)約成本，本設(shè)計(jì)采用布袋過濾器。 　　1.1.2 空氣除菌流程 　　采用兩級(jí)冷卻、加熱除菌系統(tǒng)，其流程圖如圖1： 　　兩級(jí)冷卻除菌流程是一個(gè)比較完善的空氣除菌流程，可適應(yīng)各種氣候條件，能夠充分地分離油水，使空氣達(dá)到低的相對濕度下進(jìn)入過濾器，以提高過濾效率。該流程的特點(diǎn)是兩次冷卻、兩次分離、適當(dāng)加熱。兩次冷卻、兩次分離油水的好處是能提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻用水，油水分離的比較完全。經(jīng)第一冷卻器冷卻后，大部分的水、油都已經(jīng)結(jié)成較大的霧滴，故適宜用旋風(fēng)分離器分離。第二冷卻器使空氣進(jìn)一步冷卻后析出一部分較小霧粒，宜采用絲網(wǎng)分離器分離，這樣發(fā)揮絲網(wǎng)能夠分離較小直徑的霧粒和分離效果高的作用。第一級(jí)冷卻到30~35℃，第二級(jí)冷卻到20~25℃。除水后，空氣的相對濕度仍然是100%，須用絲網(wǎng)分離器后的加熱器加熱將空氣中的相對濕度降低至50%~60%，以保證過濾的正常運(yùn)行[1]。 　　為了克服輸送過程中過濾介質(zhì)等阻力，吸入的空氣須經(jīng)空壓機(jī)壓縮。空氣經(jīng)壓縮后，溫度會(huì)顯著上升，壓縮比愈高，溫度也愈高。若將此高溫壓縮空氣直接通入空氣過濾器，會(huì)引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒，而且還會(huì)增大培養(yǎng)裝置的降溫負(fù)荷，給培養(yǎng)溫度的控制帶來困難，同時(shí)高溫空氣還會(huì)增加培養(yǎng)液水分的蒸發(fā)，對微生物的生長也不利，因此要將壓縮空氣降溫。所以在空氣儲(chǔ)罐后要裝一個(gè)冷卻器，如流程圖中的4，6兩處。 　　根據(jù)式子(1)： 　　(1) 　　當(dāng)空氣的總壓力P及濕含量χ為一定值時(shí)，相對濕度φ隨 Ps而改變，但Ps又是溫度的函數(shù)，φ因此隨溫度而變，即溫度升高時(shí)，φ降低，反之，φ則升高。若溫度降至露點(diǎn)，φ升到100%時(shí)，過剩的那部分水蒸氣就會(huì)凝成露滴而析出，同樣壓縮空氣中夾帶的油分也會(huì)冷凝下來。由此可以看出經(jīng)冷卻降溫后的空氣相對濕度增大，會(huì)析出水來，使過濾介質(zhì)受潮失效，所以壓縮后的濕空氣要除水，同時(shí)由于空氣經(jīng)壓縮機(jī)后不可避免地會(huì)夾帶潤滑油，故除水的同時(shí)也要進(jìn)行除油。因此在5處設(shè)置一個(gè)旋風(fēng)分離器用來除去空氣中的水和油。 　　介質(zhì)過濾器是利用塊狀介質(zhì)，顆粒狀介質(zhì)、網(wǎng)狀介質(zhì)或高分子材料絲網(wǎng)的慣性攔截作用來分離空氣中的水和油滴的方法。在各種介質(zhì)過濾器中絲網(wǎng)分離器具有較高的分離效率，它對直徑大于5μm的顆粒分離效果可達(dá)99%，大于10μm的更可高達(dá)99.5%，且能出去部分2-5μm的較細(xì)顆粒，加上結(jié)構(gòu)簡單，阻力不大等，被廣泛用于生產(chǎn)中。流程圖中7處就是一個(gè)絲網(wǎng)過濾器。 　　在最后設(shè)置一個(gè)總過濾器，也是流程中最重要的一個(gè)過濾器，用來過濾掉空氣中絕大部分殘余的油、水及真菌，以達(dá)到所需無菌空氣的要求。 　　2.1 空氣系統(tǒng)工藝計(jì)算 　　生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：年產(chǎn)1000t丙酮酸，產(chǎn)酸率72g/l，轉(zhuǎn)化率70％，提取率80％，染菌率1％，年工作日300，發(fā)酵周期64h，輔助時(shí)間8小時(shí)，平均通氣比1：0.3 　　2.1.1發(fā)酵車間無菌空氣高峰需求量 　　Vmax=2×238.75+6×995=6247.5(m3/h)=1.74(m3/s) 　　2.1.2 發(fā)酵車間無菌空氣年耗量 　　V=6×6.5×10-6+2×1.63×106=4.23×107(m3) 　　無菌空氣消耗量：（75×0.7×6+5×0.7×2）×0.3=102.6m3/h 　　3.1 空氣系統(tǒng)設(shè)備選型 　　3.11 布袋粗過濾器 　　布袋過濾器的結(jié)構(gòu)簡，只要將濾布縫制成與骨架相同形狀的布袋，繃緊縫于骨架上，并縫緊所有造成短路的空隙。布袋過濾的過濾效率和阻力損失要視所選用的濾布結(jié)構(gòu)和濾布面積而定。布質(zhì)結(jié)實(shí)而細(xì)致，則過濾效率高，但阻力大。現(xiàn)多采用合成纖維濾布、無紡布。濾布要求定期換洗，以減少阻力和提高過濾效率。本設(shè)計(jì)采用合成纖維濾布，氣流速度為2-2.5m/min，空氣阻力約為60-120mmHg。 　　3.1.2 空氣壓縮機(jī) 　　發(fā)酵工業(yè)常用的氣體輸送設(shè)備為低壓空氣壓縮機(jī)，用來提供發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中要求提供的0.2~0.3MPa（表壓）的壓縮空氣。一般采用的是渦輪式空氣壓縮機(jī)或經(jīng)過改裝的往復(fù)式空氣壓縮機(jī)做為空氣壓縮站的主要送氣設(shè)備。將空氣壓縮到一定壓力，通過空氣除菌系統(tǒng)，得到一定壓力的無菌空氣，供深層培養(yǎng)之用。兩種空氣壓縮機(jī)的比較如表1。 　　壓縮機(jī)種類 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 　　渦輪式 供氣量大，出口壓強(qiáng)穩(wěn)定，輸出的壓縮空氣不含油霧 功率消耗較小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小 技術(shù)要求較高 　　往復(fù)式 　　操作時(shí)氣體受壓發(fā)熱，故在缸外要有冷卻裝置 容量范圍廣，價(jià)格較便宜，操作和維修比較方便 出口流量不穩(wěn)定，壓出氣體中夾帶油霧 　　表1 兩種空氣壓縮機(jī)的比較 　　由于渦輪式空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣中不含油霧，給后面的空氣除菌帶來很大方便，使空氣過濾系統(tǒng)得到簡化，降低一些成本，故本設(shè)計(jì)采用渦輪式空氣壓縮機(jī)。 　　無菌空氣消耗量：（75×0.7×6+5×0.7×2）×0.3=102.6m3/h=60.38acfm。 　　初選渦輪式空氣壓縮機(jī)，機(jī)型HP1.0，排氣量40acfm,兩臺(tái)并聯(lián)工作，40acfm×2 =80acfm>60.38acfm,所以符合工藝生產(chǎn)的要求。 　　3.1.3 旋風(fēng)分離器 　　旋風(fēng)分離器是一種結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、分離效果較高的氣-固或氣-液分離設(shè)備?？諝庖话阋?5-24m/s的流速以切線方向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，并在圓周內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，油水滴則因具有比空氣大得多的重度，因此有較大的慣性力，故當(dāng)空氣在分離器內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，油水滴仍作直線運(yùn)動(dòng)，因而在器壁上沉降。排氣口氣流速度為4-8m/s，油水滴則在旋風(fēng)分離器中的徑向速度與氣流速度的平方成正比，但隨回轉(zhuǎn)半徑的增加而減小，因此旋風(fēng)分離器的進(jìn)口管截面積一般較小，分離器的管徑也較小。但進(jìn)口空氣的流速越大，筒徑越小，空氣的阻力也就越大。 　　圖2 旋風(fēng)分離器 　　一般的旋風(fēng)分離器的比例尺寸大致為： 　　D1=0.4-0.6，L1=1-2D，2-3D， h=0.5D，b=0.2-0.25D，D2=0.2-0.35D 　　為方便起見，可用下式大致估計(jì)一下分離器的直徑D: 　　(2) 　　式(2)中：Q——通過旋風(fēng)分離器的空氣流量，m3/min。 　　通過旋風(fēng)分離器的空氣流量Q=120m3/min 　　D=0.1 =1.095m，所以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 空氣儲(chǔ)罐 　　壓縮空氣冷卻到一定溫度，分去油水后，空氣的相對濕度仍為100%，若不加熱升溫，只要溫度稍微降低，便再度析出水分，使過濾介質(zhì)受潮而降低或喪失過濾能力。所以必須將冷卻除去水分后的壓縮空氣加熱到一定溫度，使相對濕度降低，才能輸入過濾器。壓縮空氣加熱溫度的選擇對保證空氣干燥，保證過濾器的除菌效率很關(guān)鍵。一般來講，降濕后的溫度與升濕后的溫度溫差在10-15℃左右即能保證相對濕度降至一定水平，滿足進(jìn)入過濾器的要求。 　　空氣的加熱一般用列管式換熱器來實(shí)現(xiàn)，由壓縮機(jī)出來的空氣是脈沖式的，在過濾器前需要安裝一個(gè)空氣儲(chǔ)罐來消除脈沖維持罐壓的穩(wěn)定。儲(chǔ)氣罐的作用除了使壓力穩(wěn)定外，還可使部分液滴在罐內(nèi)沉降。儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)如下圖： 　　圖3 儲(chǔ)氣罐結(jié)構(gòu)圖 　　貯氣罐的體積計(jì)算如下： V=0.15v (3) 　　式(3)中：V—貯氣罐的體積；v—壓縮空氣流量，m3/min。 　　貯氣罐的體積V=0.15v=0.15×120=18m3 　　設(shè)貯氣罐圓筒部分的高徑比為2.5：1 　　則 　　則D=2.09m，H=2.5D=5.23m 　　3.1.5 絲網(wǎng)過濾器 　　本設(shè)計(jì)的介質(zhì)過濾器的過濾介質(zhì)采用0.25mm×40目的不銹鋼絲網(wǎng)，絲網(wǎng)介質(zhì)層高度為150mm，其示意圖如下： 　　圖4 絲網(wǎng)過濾器結(jié)構(gòu)圖 　　通過絲網(wǎng)最大空氣流速： 　　(4) 　　式(4)中：ωmax——最大空氣流速，m/s；ρp——液滴的比重，kg/m3；ρg——空氣的比重，kg/m3；K——系數(shù)，取0.107 　　查出25℃下空氣的比重ρg為1.2×103 kg/m3，水滴的比重ρp為1.022 kg/m3 　　則ωmax=0.107 = 3.12m/s 　　絲網(wǎng)分離器的設(shè)計(jì)速度ω為上述空氣最大流速的75%，即： 　　ω設(shè)計(jì)=0.75ωmax=2.34m/s 　　絲網(wǎng)分離器的直徑： 　　(5) 　　式(5)中：D—絲網(wǎng)分離器的直徑，m；V—?dú)怏w流量，m3/s。 　　則絲網(wǎng)分離器的直徑D= =0.977 m 　　3.1.6 總過濾器 　　因?yàn)樯a(chǎn)需要的無菌空氣要求比較高，從過濾效率和經(jīng)濟(jì)適用方面考慮，本設(shè)計(jì)采用纖維介質(zhì)深層過濾器，其結(jié)構(gòu)圖如圖5： 　　圖5 纖維介質(zhì)深層過濾器 　　這種纖維介質(zhì)深層過濾器通常是立式圓筒型，內(nèi)部充填過濾介質(zhì)，空氣由下向上通過過濾介質(zhì)，以達(dá)到除菌目的。 　　空氣過濾器的的尺寸主要包括直徑D和有效濾層高度L，其中D可以由式(6)求出： 　?。?） (6) 　　式(6)中:qν——空氣流經(jīng)過濾器的體積流量，m3/s; 　　νs——空截面空氣速度，m/s。 　　空截面氣速νs一般可取0.1-0.3m/s，按操作工藝設(shè)為0.2m/s， 　　qν= 102.6m3/min=1.17 m3/s 　　則D= =2.73m 　　過濾器的有效過濾介質(zhì)高度L的計(jì)算公式為： 　　則 　　選用棉花纖維過濾器，選棉花纖維直徑d=16μm,填充系數(shù)α=8% 　　通風(fēng)量120m3/min,p=4kg/m3,發(fā)酵周期72h 　　假設(shè)進(jìn)入過濾器的空氣含菌量是5000個(gè)/m3，空氣流速為0.2m/s 　　查得K’=0.135cm-1，倒灌率為0.1% 　　則N1=5000×120×60×72=2.592×109個(gè)，N2=10-3個(gè) 　　過濾層厚度 =63.6cm 　　4.1 設(shè)備安裝注意事項(xiàng) 　　(1) 貯氣罐上應(yīng)安裝安全閥，底部應(yīng)安排污口，空氣在貯罐中的流向?yàn)橛上露希迌?nèi)放置絲網(wǎng)除霧器。 　　(2) 過濾器的有效過濾介質(zhì)高度L的決定，通常在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按對數(shù)穿透定律進(jìn)行計(jì)算。但由于需要濾層厚度，耗用棉花過多，安裝較困難，阻力損失很大，故工廠常用活性炭作為中間曾，以改善這些因素。這本來是不符合計(jì)算要求的。通常總的高度中，上下棉花層厚度各為總過濾層的1/4-1/3，中間活性炭層占1/3-1/2。在鋪棉花之前，先在下孔板鋪上一層30-40目的金屬絲網(wǎng)和織物，有助于空氣均勻進(jìn)入棉花濾層。 　　第三章 蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　1.1 蒸汽系統(tǒng)流程 　　1.1.1 鍋爐用水的預(yù)處理 　　為了保證供熱系統(tǒng)的可靠、持久和安全地運(yùn)行，必須對供給鍋爐房的水進(jìn)行處理。在鍋爐房使用的各種水源中，無論是天然水，還是自來水，都含有一些雜質(zhì)，不能直接用于鍋爐給水，必須經(jīng)過處理，符合鍋爐給水水質(zhì)標(biāo)難后才能供給鍋爐使用，否則會(huì)影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，鍋爐房要設(shè)置給水處理設(shè)備。 　　天然水(無論是地面水還是地下水)在自然界的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，溶解和混雜了大量雜質(zhì)。這些雜質(zhì)按其顆粒大小可以分為三類：顆粒最大的稱為懸浮物，其次是膠體，最小的是離子和分子，即溶解物質(zhì)。懸浮物是指水流動(dòng)時(shí)呈懸浮狀態(tài)的物質(zhì)，其顆粒直徑在10-4mm以上，通過濾紙可以分離出來。主要是黏土、砂粒、植物殘?jiān)?、工業(yè)廢物等。 　　膠體物質(zhì)是許多分子和離子的集合體，其粒徑在10.4~10.6mm之間。水中膠體物質(zhì)有鐵、鋁、硅等的化合物，以及動(dòng)植物有機(jī)體的分解產(chǎn)物——有機(jī)物。 　　天然水中的溶解物質(zhì)主要是鈣、鎂、鉀、鈉等鹽類以及氧和二氧化碳等氣體。這些鹽類在水中大都以離子狀態(tài)存在，其顆粒直徑小于10.6mm。水中溶解的氣體則是以分子狀態(tài)存在的。 　　懸浮物會(huì)造成沉積物，污染樹脂，堵塞管道，懸浮物過多會(huì)使鍋水起沫。膠體物質(zhì)會(huì)污染樹脂，影響出水質(zhì)量，進(jìn)入鍋爐，會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，引起汽水共騰。天然水中的懸浮物和膠體物質(zhì)通常是在水廠里通過混凝和過濾處理后大部分被清除。如果將這看起來澄清，仍含有雜質(zhì)的水不經(jīng)處理直接供給鍋爐，水中的一部分溶解鹽類(主要是鈣、鎂鹽類)就會(huì)析出或濃縮沉淀出來。沉淀物的一部分比較松散，稱為水渣；而另一部分附著在受熱面內(nèi)壁，形成堅(jiān)硬而質(zhì)密的水垢。水垢的存在對鍋爐安全，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行危害很大。 　?。?）鍋爐用水的過濾 　　工業(yè)鍋爐房用水一般由水廠供給。如果原水的懸浮物含量較高，為了減輕軟化設(shè)備的負(fù)擔(dān)，必須進(jìn)行原水的過濾處理。對于順溜再生固定床離子交換器，懸浮物大于等于5mg/L的原水應(yīng)經(jīng)過濾；進(jìn)入逆流再生固定床離子交換器或浮動(dòng)床交換器的原水，懸浮物含量大于等于2mg/L時(shí)應(yīng)先經(jīng)過濾；懸浮物含量大于20mg/L的原水或經(jīng)石灰處理后的水均應(yīng)混凝、澄清后經(jīng)過濾處理。 　?。?）陽離子交換軟化 　　水中的懸浮物和膠體物質(zhì)通常經(jīng)過水廠的沉淀、過濾等處理后被大部分去除。但水中的硬度、堿度等雜質(zhì)仍然存在，為了滿足鍋爐給水水質(zhì)要求，需要對鍋爐給水進(jìn)行處理。工業(yè)鍋爐房水處理的主要內(nèi)容是軟化和除氧，即除去水中的鈣、鎂離子，降低給水的含氧量。利用不產(chǎn)生硬度的陽離子(如Na+、H+)將水中的Ca2+、Mg2+置換出來，從而達(dá)到使水軟化的目的，這種方法稱為陽離子軟化法。又稱離子交換軟化。離子交換軟化是通過離子交換劑實(shí)現(xiàn)的。 　　目前在工業(yè)鍋爐水處理中，鈉離子交換軟化用得最多。離子交換器中裝入陽離子交換劑，原水流過鈉離子交換劑時(shí)，交換劑中的Na+與水中的Ca2+、Mg2+離子進(jìn)行置換反應(yīng)，使水得到軟化。鈉離子交換既可除去水中的暫硬，又可除去永硬，但不能除堿，因?yàn)闃?gòu)成天然水堿度主要部分的暫時(shí)硬度按照等物質(zhì)量的規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)殁c鹽堿度NaHCO3；另外，按等物質(zhì)量的交換規(guī)則1mol Ca2+與2 mol的Na+進(jìn)行交換反應(yīng)，使得軟水中的含鹽量有所增加。 　　隨著交換軟化過程的進(jìn)行，交換劑中的Na+ 逐漸被水中的Ca2+ 、Mg2+所代替，交換劑由NaR型逐漸變?yōu)镃aR2或MgR2型。當(dāng)軟化水的硬度超過某一數(shù)值后，水質(zhì)已經(jīng)不符合鍋爐給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，則認(rèn)為交換劑已經(jīng)失效，此時(shí)應(yīng)立即停止軟化，對交換劑進(jìn)行再生。 　　離子交換設(shè)備種類較多，有固定床、浮動(dòng)床、流動(dòng)床等。浮動(dòng)床、流動(dòng)床離子交換設(shè)備適用于原水水質(zhì)穩(wěn)定，軟化水出力變化不大、連續(xù)不間斷運(yùn)行的情況，固定床則無需上述要求，是工業(yè)鍋爐房常用的軟化設(shè)備。 　　固定床離子交換設(shè)備又可分為順流再生離子交換器和逆流再生離子交換器兩大類。 　?。?）鍋爐給水的除氧 　　鍋爐金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。鍋爐的給水和鍋水都是電解質(zhì)，因?yàn)殄仩t的金屬壁的雜質(zhì)部分為陰極，其得到的電子會(huì)與鍋水中離子（如H+）結(jié)合而不斷去除。 　　如果腐蝕產(chǎn)物(如Fe3+)積聚在陽極，或電子e積聚在陰極未被除去，則兩極間電位差減小而使腐蝕滯緩或停止，這種現(xiàn)象稱為“極化”。反之，消除極化(稱為“去極化”現(xiàn)象)，會(huì)使腐蝕加速。 　　pH<7時(shí)，水中有較多的H+，H+是陰極的去極化劑會(huì)加速腐蝕。同時(shí)，酸性水會(huì)使金屬氧化保護(hù)層溶解，也加速腐蝕?？梢姡瑸榱吮苊夂蜏p輕鍋爐金屬的電化學(xué)腐蝕，除了保持鍋水一定的堿度，還要對給水進(jìn)行除氧。 　　1.1.2 蒸汽系統(tǒng)流程圖 　　蒸汽系統(tǒng)的簡單流程示意圖見圖2： 　　圖6 蒸汽系統(tǒng)流程示意圖 　　設(shè)計(jì)蒸汽系統(tǒng)時(shí)還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)上考慮，在滿足用戶需要的前提下，供汽壓力越低越好，但仍需考慮蒸汽冷凝水回收系統(tǒng)所需的壓降。為了有效地利用燕汽的能量，往往先使高壓蒸汽通過汽輪機(jī)，然后用汽輪機(jī)的排汽供應(yīng)工廠生產(chǎn)；當(dāng)汽輪機(jī)停止工作時(shí)，應(yīng)有減壓閥和減溫器來保證低一級(jí)壓力蒸汽系統(tǒng)的供汽。 　　2.1 蒸汽系統(tǒng)計(jì)算 　　工藝上需求采用121℃，0.4mPa的蒸汽進(jìn)行加熱 　　每個(gè)發(fā)酵罐蛇管蒸汽加熱階段需要的蒸汽量G=3887.15 kg 　　每個(gè)發(fā)酵罐直接蒸汽加熱階段需要的蒸汽量G’=2139.53 kg 　　考慮5%的蒸汽損失，并且有兩個(gè)發(fā)酵罐同時(shí)進(jìn)行發(fā)酵，則總的蒸汽用量為： 　　G總=（3887.15+2139.53）×2/0.95=12.696 t/d 　　3.1 蒸汽系統(tǒng)設(shè)備選型 　　3.1.1 單流式機(jī)械過濾器 　　本設(shè)計(jì)采用的過濾設(shè)備是單流式機(jī)械過濾器，因?yàn)樗哂羞^濾管路系統(tǒng)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)勢。單流式機(jī)械過濾器也是最簡單的一種過濾器。其簡單示意圖如圖3： 　　圖7 單流式機(jī)械過濾器 　　單流式機(jī)械過濾器本體為密閉的鋼制圓柱形容器，設(shè)有進(jìn)水、排水管路，過濾器內(nèi)裝填過濾材料，常用的有石英砂、大理石、無煙煤等。石英砂不宜用于過濾堿性水，因?yàn)槭⑸霸谒腥芙猱a(chǎn)生硅酸對鍋爐有害；無煙煤、大理石適用于帶堿性的水。濾料直徑為0.5~1.5mm。過濾速度為4~5m/h，運(yùn)行周期一般為8h。 　　3.1.2 逆流式Na離子交換器 　　因?yàn)槟媪髟偕x子交換設(shè)備具有出水質(zhì)量高，鹽耗低等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用逆流再生Na離子交換器。其簡單示意圖如圖4： 　　圖8 逆流再生離子交換設(shè)備 　　所謂“逆流再生”，就是再生時(shí)再生液的流向和水軟化運(yùn)行時(shí)的流向相反。通常是鹽液從交換器下部進(jìn)入，上部排出。因此，新鮮的再生液總是先與交換器底部尚未完全失效的交換劑接觸，使其得到很高的再生程度，隨著再生液繼續(xù)向上流動(dòng)，交換劑的再生程度逐漸降低，但較順流再生工藝慢得多(下部交換劑的飽和程度比上部?。偕褐兄脫Q出來的Ca2+、Mg2+少)。當(dāng)再生液與上部完全失效的交換劑接觸時(shí)，再生液仍具有一定的“新鮮性”，仍能起還原作用，再生液能被充分利用[8]。 　　3.1.3 除氧設(shè)備 　　從氣體溶解定律可知．氣體在水中的溶解度與該氣體在氣水界面上的分壓力成正比，與水溫成反比。在敞開的設(shè)備中將水加熱，隨著水溫升高，氣水界面上的水蒸氣分壓力也增大，其他氣體的分壓力降低，當(dāng)水達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，水界面上的水蒸氣分壓力與外界壓力相等，其他氣體的分壓力都趨于零，水中溶解氣體的含量也趨于零。這是熱力除氧的工作原理。 　　用加熱的方法除氧的設(shè)備稱為熱力除氧器。工業(yè)鍋爐房蒸汽鍋爐常采用的是大氣式熱力除氧器，即除氧器內(nèi)的壓力略高于大氣壓(一般為0.02MPa，工作溫度104℃)，以便于逸出的氣體能夠排出。 　　常用的噴霧填料式熱力除氧器如圖9所示。 　　圖9 噴霧填料式除氧器 　　除氧器由除氧頭和除氧水箱兩部分組成。給水由除氧頭上部的進(jìn)水管進(jìn)人，進(jìn)水管又與互相平行的幾排帶有噴嘴的噴水管連接，水通過噴嘴被噴成霧狀，要求噴嘴進(jìn)水壓力為0.15-0.2MPa左右。除氧頭下部有兩層孔板，孔板之間裝有不銹鋼填料(也稱Ω元件)，霧狀水滴經(jīng)填料層后落到水箱里。 　　蒸汽由除氧頭下部的進(jìn)汽管進(jìn)入向上流動(dòng)，析出的氣體及部分蒸汽經(jīng)過頂部的圓錐形擋板折流，由排氣管排出。 　　給水在除氧器內(nèi)先是被噴成霧狀加熱，具有很大的表面積，有利于氧氣從水中逸出，后又在填料層中呈水膜狀態(tài)被加熱，與蒸汽有較充分的接觸，且填料還有蓄熱作用，所以除氧效果較好，對負(fù)荷波動(dòng)適應(yīng)強(qiáng)。 　　3.1.4 臥式水火管鍋爐 　　由于發(fā)酵車間所需的蒸汽量不大，所以采用臥式水火管鍋爐比較適宜。 　　臥式水火管鍋爐是水管與火管組合在一起的臥式外燃鍋爐。這種鍋爐是20世紀(jì)創(chuàng)年代在臥式外燃回水管鍋爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種整裝鍋爐。目前在小型燃煤鍋爐使用中占有較大比例。 　　這種鍋爐的鍋筒及各受熱面都支承在鋼板焊成的底座上，爐排文架及通風(fēng)裝置全部在支座結(jié)構(gòu)中形成。鍋爐的墻壁采用蛭石磚絕熱，外加薄鐵皮，形成一整體鍋爐。因此，又稱這種鍋爐為臥式快裝鍋爐?？煅b鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)輸方便，安裝簡單。相對其他煙火管鍋爐，由于爐膛內(nèi)可根據(jù)情況布置備種拱墻，爐內(nèi)燃燒較好。同時(shí)由于爐內(nèi)煙氣流速較高，使火管傳熱系數(shù)提高，積灰減少。尤其在層部增設(shè)省煤器時(shí)，使排煙溫度降低，鍋爐效率可達(dá)75％以上。 　　4.1 設(shè)備安裝注意事項(xiàng) 　?。?）當(dāng)原水通過過濾層的壓力降達(dá)到0.05~0.06MPa時(shí)，應(yīng)停止過濾，進(jìn)行反沖洗，把濾料層中截留的污泥沖洗掉，以恢復(fù)其工作能力。反洗強(qiáng)度為15L／(s•m2)，沖洗時(shí)間為10min，最后正洗至出水合格，就可以重新進(jìn)行過濾。 　?。?）排氣閥開度要合適，過大會(huì)造成蒸汽浪費(fèi)，過小會(huì)影響除氧效果，因此需要通過反復(fù)調(diào)整，維持其最佳開度。 　　（3）為了保證重要用戶用汽，設(shè)計(jì)中要考慮設(shè)置一個(gè)蒸汽自動(dòng)切斷系統(tǒng)，在發(fā)生事故時(shí)，按預(yù)定的程序切斷非重要用戶的負(fù)荷。為了確認(rèn)次系統(tǒng)的可靠性，在日常生產(chǎn)時(shí)要進(jìn)行試驗(yàn)。 　　（4）設(shè)計(jì)蒸汽系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)干管的直徑要按蒸汽發(fā)生設(shè)備的連續(xù)最大供汽量來考慮，以利于將來工廠擴(kuò)建或適應(yīng)生產(chǎn)的變化。