发酵空气预处理系统.doc

发酵空气预处理系统
nbhaobang 2014-08-14
1、湿空气物理性质
自然界几乎不存在绝对干燥的空气。在雾天，空气中的气体水凝结成了水雾，并形成了气溶胶 。由于空气中水的存在，因此压缩空气中必然也有水。 衡量空气含水量的单位有：水蒸气分压力、绝对湿度、相对湿度、含湿量、露点温度等。
1.1、水蒸汽分压 Pw
湿空气是水蒸气与干空气的混合物，在一定体积的湿空气里水蒸气所占的份量（以重量计）通常比干空气要少得多，但按“气体定律”它占有与干空气相同的体积，也具有相同的温度。
湿空气所具有的压力是各组成气体（即干空气与湿空气）分压力的和。湿空气中水蒸气所具有的压力，称为水蒸气分压，记作Pw，其值可反映湿空气中水蒸气含量。其他表示水在压缩空气中含量的参数都是由水蒸气分压计算而得的。
饱和空气中水蒸气分压力叫饱和水蒸气分压，记作Pws。在空气压力小于2MPa时，Pws大小与空气压力无关，只与温度有关。
1.2、绝对湿度 x
表示空气干湿程度的物理量“湿度”。常用的湿度表示方法有“绝对湿度”、“相对湿度”和“含湿量”三种。 绝对湿度是指空气中的水蒸气质量与体积的比率，通常用X表示，单位为kg/m3或g/m3。我们可用气体状态方程计算：
kg/m3 （1－1）
式中：mw——水蒸气质量kg
V ——湿空气体积m3
Pw——水蒸气压力Pa
Rw——水蒸气气体常数（426.05J/kg K）
T—— 绝对温度K
绝对湿度只表明单位体积湿空气中含有多少水蒸气，不能表示湿空气的饱和程度。从式1－1中可以看出，绝对湿度就是湿空气中水蒸气的密度。空气的绝对湿度（水蒸气密度）是有极限的，称为饱和绝对湿度（水蒸汽密度），其与温度有关。
1.3、相对湿度
相对湿度是空气的绝对湿度xw与相同压力、温度下的饱和绝对湿度xws之比值。通常用φ表示，单位为%。
（1－2）
相对湿度φ值在0－100％之间。在一定压力和温度下：φ值越小，空气越干燥，吸水能力越强。φ值越大，空气越潮湿；吸水能力越弱。我们容易得到相对湿度为100%的空气，不可能得到相对湿度为0%的空气。
1.4、含湿量
“含湿量”可分为“质量含湿量”和“容积含湿量”两种。1kg干空气含有水蒸气的重量叫做“质量含湿量”，常用dm来表示，单位为g/kg（干空气）或kg/kg（干空气），我们可通过水蒸气分压计算而得：
kg/（kg干空气) 　 （1－3）

1m3干空气中所含有的水蒸气重量叫做“容积含湿量”，可用dv表示，单位为g/m3或kg/m3(干空气)。在发酵空气预处理过程中，只有干空气的质量是不变的，因此计算中常采用质量含湿量的概念。
1.5、露点温度
一定压力下，未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫露点温度。温度降至露点温度时，湿空气中便有凝结水滴析出（称为结露），此时空气的相对湿度为100%。空气压力为1个大气压时称为“大气露点”（也称常压露点），压缩空气的露点温度称为此压力下的“压力露点”。压力露点温度与湿空气中水分含量的多少有关，与空气压缩比有关。

2、空压机有关
2.1 如何确定空压机的额定压力？
空压机运行压力由空气从大气吸入到再排入大气的全过程所有设备、管道的阻力损失决定的。空压机额定压力据此而定，并略有余量。
空压机电耗与压力直接相关，因此各项阻力损失计算必须“精打细算”。

2.2 如何选择空压机的形式？
大规模发酵一般采用离心式空压机，中小规模的采用活塞机和低压螺杆机。
虽然从压缩效率看，同样的压缩比，多级压缩比单级的省电，但若与空气预处理系统一起考察造价、运行费用等因素，选择单级压缩更合适。
单级压缩的排气温度较高，这部分热量可以在预处理系统中考虑回收。
2.3 空压机由于空气温度提高占用了多少轴功率？
根据活塞式压缩机，一次压缩理论压缩循环功的各项公式如下：
a、等温压缩循环功
b、等熵压缩循环功
其中：p1、p2——进排气压力，V1——进气容积
假设，压缩后空气表压0.2MPa，P2/P1≈3，空气等熵指数k＝1.4，
则L1≈1.1P1V1，L2≈1.29 P1V1，L2≈1.2L1。等熵压缩比等温压缩多20%的功率，实际压缩是个多变过程，指数k小于1.4，L2＜1.2L1。也就是说，实际压缩轴功率消耗中，80%以上是由于压力上升做功所需，只有不到20%分配给温度上升。
对于离心式压缩机，也有类似公式，不过其多变指数大于等熵指数，一般在1.4～1.6之间。如同上述假设，实际压缩中最多有36%轴功率消耗在温度升高上。
2.4 空压机余热有多少可以利用？
空压机出口空气温度很高，一般在100℃以上，单级离心机甚至高达180℃。如此高的温度必须加以利用，不能都通过冷却水和冷却塔白白散发了。这就是余热利用问题
另一方面，我们也知道，空气比热小，高温并非高热量。而且温度降低到露点以下，会有冷凝水析出，这时放出的热量大大增加，但此时已不是高温，很难利用高温的优势来进行热交换。
假设大气条件：温度35℃，相对湿度60%，经过压缩后0.2MPa，180℃，压力露点46℃。那么空气热量利用见下表：

序号
换热方式
介质温度变化 ℃
空气温度变化 ℃
放热占比
合并小计
1
加热冷空气
15～40
180→155
12%
可利用
55%
2
制高温热水
80～90
155→100
25%
3
制中温热水
20～60
100→60
18%
4
冷却塔散热（循环水）
32～37
60→40
20%
不可利用
45%
5
冷水机组散热（冷冻水）
10～15
40～15
25%
从上表可知，单纯从空气温度降比例计算，从180→60，占73%，从60→15，占27%，对于绝干空气，这个比例也就是热量分配的比例。但由于实际空气温度低于露点时，有水蒸汽冷凝放热现象，可利用（空气显热）的热量占55%，而必须通过冷却塔、冷水机组消耗的热量（空气显热和水蒸汽潜热）占45%。
上述计算只是个例，有个概念了解一下即可。当空气干燥，压力露点降低时，比例随之变化，但热量分配比例不可能高于相对应的温度降比例。
2.5 各种空压机余热利用的效率如何？
上一条内容，细分了空压机余热利用的各种方式，以下逐一定性分析。
第1种作为预处理系统的加热热源，热量取、用均在系统内部，而且不需转换，直接利用，系统可靠性好，是首选的空压机余热利用方式。提取其12%的热量，成本可能为1份，效率最高。
第2种高温热水可以作热水换热器的热源，也可以作为溴化锂制冷机组的热源。从系统循环实现的复杂程度看，前者相对简单、容易实现，后者系统很复杂，制约因素很多，而且能量利用的效率极低。提取其25%的热量，成本可能为5～10份，效率最低。
第3种中温热水一般作为工艺用水或者生活热水消耗，这种消耗的方式比较简单可靠，取代部分用蒸汽制热水的场合，也是比较理想的余热利用方式。提取其18%的热量，成本可能为2份，效率较高。

3、预处理系统
3.1 如何确定空气冷却后温度？
空气冷却温度由加热后温度确定。一般发酵温度30℃左右，加热后空气温度通常在40℃～50℃之间，由于饱和湿空气升温15℃左右（同压力下），相对湿度可在50%以下，考虑到空气总管温度下降、空气气水夹带（过饱和）等因素，实际加热幅度在20℃～25℃左右，据此推算冷却温度在15℃～30℃之间。具体冷却温度要根据发酵产品和工艺、冷却水条件确定。
空气冷却温度不是越低越好，温度越低运行费用越高；在满足膜过滤器和发酵工艺条件下，尽量就高。
3.2 冷却器出水越多越好？
冷却器出水多少与冷却后空气温度有关，更与空压机吸入口大气温度、相对湿度和压缩前后空气压力有关。后者条件可确定压力露点。冷却后温度低于压力露点，即有冷凝水析出，当气候干燥或空气压力（压缩后，下同）低，压力露点低，冷凝水就少；当大气湿度大或空气压力高，压力露点高，冷凝水就多。
因此冷凝水的多少并不能直接反映冷却器工作状态的优劣。一定的空气（压力露点一定），冷却温度越低，冷却器出水越多，但运行费用越高。
需要注意的是，在冬季，空气还未到冷却器，前面管道、储气罐中就可能有冷凝水析出。
3.3 冷却器如何清洗？
由于无油空压机、离心机的大量采用，冷却器壳程（空气侧）一般无需清洗；管程（水侧）需要定期清洗，清洗液可通过旁通管道循环运行。对于管程开式结构的，也可直接打开检查，机械式清洗。无论化学或机械清洗，最好由专业人员操作，避免腐蚀或损伤换热管。
3.4 冷却器换热管采用哪种材质好？
由于空气和水的对流传热系数相差10～100倍，需要强化空气侧的传热速率或增加面积，而光管内外侧面积几乎一样，不宜采用。现在常用翅片管，而且空气走翅片侧，这样空气侧面积增加，同时在低流速下传热速率大大提高。
纯铝或纯铜翅片管，存在与管板的连接强度问题，管口区域容易产生裂纹或间隙，因此几乎不用于发酵空气系统。铜翅片与不锈钢管的复合发挥不了铜的高导热性能；不锈钢翅片与不锈钢管的结合，虽然耐腐蚀、洁净但其传热性能很差，尤其是缠绕翅片、套片，其接触热阻很大。综合考虑传热效果、连接强度、使用成本，铝轧翅片/不锈钢复合管是理想的换热管。其翅片由铝管轧制而成，与基管紧密接触，无接触热阻。
另外，不锈钢内展翅片管也存在接触热阻大、传热性能低的问题。空气走管内，冷却水走管外的结构，使得其清洗比较困难，对冷却水水质要求较高。而通常的原则是脏的、易结垢的介质走易清洗的流程。
3.5 冷却器换热管会发生泄漏吗？
换热管由于本身质量问题如加工损伤，焊接问题如气孔、夹渣、砂眼等，还有使用中的热应力等都是换热管泄漏的可能因素。
相对化学反应罐，发酵空气系统温度、压力条件温和，也没有震动、疲劳失效，因此在保证设计准确、制造和检验质量、使用得当时，冷却器可长期可靠运行，不会发生泄漏。
需要指出的设计中应避免采用很长的、两端固定的换热管，制造时换热管与管板不宜采用胀接形式。
3.6 为什么卧式分离器出水看起来少？
卧式分离器出水少有几方面问题：
3.6.1 进入分离器的水量少
空气冷却后产生的冷凝水大部分在冷却器底部排出了，只有少量细雾状的水随空气夹带入分离器。
3.6.2 分离器排水方式
分离器底部排水方式有常开和间隙两种。当水量很少，排水阀又常开时，由于内外压力差，排液管道内水发生汽化现象，可能看不到液态的水排出；如果间隙（可以自控）排水，就可明显看到液态的水。
3.63 气候因素
气候干燥，冷却器内也很少出水，分离器更少甚至没有；夏季气温高，冷却器出口和分离器内空气温度有差异，空气被加热，其中的液态水又汽化了，分离器排水口出水减少甚至没有水出来。如同阳光下的浓雾，很快消散。
3.7 空气加热采用那种热源好？
除水后的湿空气需要加热，以降低相对湿度。采用的热源过去常用蒸汽，出于节能考虑，还可采用热空气和热水等。几种热源对比见下表。

蒸汽
热空气
热水
来源
锅炉
空压机
本空气系统或外源余热
对流传热系数
高
低
中
设备面积
小
大
较小
设备投资（包括必需配套）
低
高
较高
热源运行费用

很高
无
较低
运行可靠性
一般
很好
一般
分析上表，角度不同，看法不同。但生产者最关心的因素应该是可靠性和运行费用，因此热空气是优选的热源。热空气源加热器换热效率低，增加是的一次性投资成本，换来的是长年的运行费用节约，而且这种增加远小于节约，对此，决策者更会接受。
3.8 热空气源加热器要求的热空气温度是多少？
作为热源，热空气温度越高，其它温度参数不变，则传热平均温差（推动力）就大，面积可减小，造价就低。从这点来说，空压机不要随带后冷却器，热空气先用来加热，再统一考虑冷却。
一般，空压机出口温度都在100℃以上，完全可以作为加热器热源。具体还要视冷却后的空气温度和要求的加热幅度。温度低于100℃且要求加热幅度大，造价增加将会比较明显，但这种增加相比节约的蒸汽费，完全可以接受。
3.9 冬季热空气温度低，能满足加热要求吗？
根据传热公式， Q=K×A×Δt
其中： Q：传热热负荷
K：总传热系数
A：传热面积
Δt：传热平均温差
可知与Q直接相关的是温差Δt，而不是某一进出口的温度，也即我们要考察温差问题，冷湿空气的加热温差、热源的温度下降幅度以及两者组成的计算平均温差。
冬季热源空气温度可能比较低，但冬季气候相对干燥，压力露点低，若非要析出冷凝水，空气冷却后温度将会很低，在要求与夏季相同的加热幅度时，平均温差Δt和热负荷Q两者均不会与夏季相应数据相差多少，因此冬季基本也能满足加热要求。
如果冬季冷却器无冷凝水析出，那后面加热完全是多余的。如空压机进口空气0℃，相对湿度80%，压缩后0.2MPa，压力露点12.7℃，冷却到40℃，相对湿度仅20%，不用加热，进过滤器、发酵罐完全没有问题。——冬季加热问题，很多时候是个伪命题。
3.10 热空气源加热器阻力大吗？
阻力大小都是相对而言的，相比蒸汽源或其他热源，热空气源加热器确实要大一些。但只要设计得当，完全可以接受。不仅控制加热器的阻力，整个节能空气预处理系统的空气阻力控制在0.01MPa以内，相比传统系统，这已是比较理想的结果了。
阻力大小与换热效率、造价是矛盾的。阻力大，说明流速大，对流传热系数大，总K值大，面积可缩小，相应造价可减小，但同时空压机电耗增加。反之，阻力小，流速小，换热效率降低，换热面积增加，设备体积庞大，造价增加。但是，以阻力损失为首先控制目标，总可以找到一个最优点，换热效率最高，造价和运行费用相平衡。
3.11 热空气源加热器使用时需要调节吗？
不同空压机出口温度不同，有高有低。但通常都不需要全部热空气去加热冷湿空气，一部分需要走旁通管道，直接进冷却器。另外不同季节，空压机出口温度也有不同，走旁通管的流量也不同。
因此，可在旁通管道上设置调节阀，实现流量分配和阻力平衡。通过实践证明，平时不需要频繁操作调节阀，在季节变化时去调节一下即可。至于调节方式，人工、自控都行。
3.12 热空气源加热器需要清洗维护吗？
由于热空气源加热器，管程、壳程都是同压力的空气，因此除了设备壳体，内部所有部件都是无压运行的，不会有任何泄漏的可能。另外，空气相对水干净，相比冷却器，换热管不易结垢，一般无需清洗。
冷湿空气被加热，热空气降温但也不会冷凝，因此设备内部运行时是干燥的，即使碳钢制也不会腐蚀。当然有条件还是采用不锈钢好。
所以，热空气源加热器内部无需清洗维护，做好设备外部保养即可。
3.13 使用热水源空气加热器需要注意什么？
热水作热源，有其优点。比如换热效率高，单体设备造价较低。但我们必须考虑以下问题：
a、热水来源，空气预处理系统内部还是外源热水？
前者来自本系统内的冷却器，需要建立配套热水循环系统，为了调试运行方便，循环水储存罐必须有足够的体积。水泵也必须有备用的，具有故障自动启动功能。既要考虑配套系统的造价问题，也要考虑自控系统的可靠性。
外源热水，可能不需要配套投入。但最需要考虑的是外源系统的可靠性，能否保证热水的不间断供应。如果外源热水由蒸汽转化而来，那么不如考虑直接采用蒸汽源空气加热器。
b、热水结垢问题
超过60℃的热水很容易结垢，因此加热器比冷却器更容易结垢，更容易影响换热效果。必须做好热水水质处理和换热器清洗工作。
c、评估热水泄漏的影响
如热水作为加热热源，需要评估其泄漏产生的影响。加热器作为预处理系统的最后一关，一旦热水泄漏，出口空气相对湿度升高甚至过饱和带水，将对后续膜过滤器产生严重影响，无法保证过滤器的除菌效果，增加发酵染菌的几率。这个将对整个生产造成比较严重的影响。