《2015第二章空气净化除菌及除菌设备ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2015第二章空气净化除菌及除菌设备ppt课件.ppt(92页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、空气中微生物的含量和种类,随地区,季节和空气中灰尘粒子多少,以及人们的活动情况而异。北方气候干燥,寒冷,空气中微生物的含量和种类,随地区,季节和空气中灰尘粒子多少,以及人们的活动情况而异。北方气候干燥,寒冷,空气中的含菌量较多,离地面越高,含菌量越少;一般每升高空气中的含菌量较多,离地面越高,含菌量越少;一般每升高10米,空气中的含菌量就降低一个数量级;城市的空气中米,空气中的含菌量就降低一个数量级;城市的空气中含菌量较多,农村的空气中含菌量较少,一般城市空气中杂菌数为含菌量较多,农村的空气中含菌量较少,一般城市空气中杂菌数为30008000个米个米。空气中的微生物种类以细菌和细。空气中的微生
2、物种类以细菌和细菌芽胞较多,也有酵母,霉菌和病毒。这些微生物大小不一,一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上,空气中微生物的含菌芽胞较多,也有酵母,霉菌和病毒。这些微生物大小不一,一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上,空气中微生物的含量一般为量一般为103104个米个米3。 空气中微生物的含量和种类,随地区,季节空气中微生物的含量和种类,随地区,季节和空气中灰尘粒子多少,以及人们的活动情况和空气中灰尘粒子多少,以及人们的活动情况而异。而异。 一般每升高一般每升高10米,空气中的含菌量就降低一米,空气中的含菌量就降低一个数量级;城市的空气中含菌量较多,农村的个数量级;城市的空气中含菌量较多,农村的空气中含
3、菌量较少,一般城市空气中杂菌数为空气中含菌量较少,一般城市空气中杂菌数为30008000个米个米。 生物工业生产中对空气质量的要求是生物工业生产中对空气质量的要求是 :无菌,:无菌,无灰尘,无杂质,无水,无油,温度,湿度,无灰尘,无杂质,无水,无油,温度,湿度,正压等要求;正压等要求; 生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是:一般要求是:一般要求1000次使用周期中只允许有一个次使用周期中只允许有一个菌通过,即经过滤后空气的无菌程度为菌通过,即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。空气洁净级数空气洁净级数空气洁净空气洁净级数级数(英制英制)粒径粒径0.5
4、m的最大的最大微粒数(个微粒数(个/ft3)粒径粒径0.5m的最大的最大微粒数(个微粒数(个/m3)空气洁净空气洁净级数级数(国际国际)1001003500M3.51000100035000M4.51000010000350000M5.51000001000003500000M6.5热杀菌热杀菌辐射杀菌辐射杀菌静电除菌静电除菌过滤除菌法过滤除菌法空气热灭菌流程示意图空气热灭菌流程示意图1-空气压缩机空气压缩机 2-粗过滤器粗过滤器 3-保温管保温管 4-贮气罐贮气罐 5-保温罐保温罐 6-列管列管式冷却器式冷却器 7-涡轮压缩机涡轮压缩机 8-预热器预热器 9-粗过滤器粗过滤器 10-空气吸入
5、塔空气吸入塔电极钢丝电极钢丝钢管钢管绝缘瓶绝缘瓶钢板钢板空气出口空气出口封头封头管板管板法兰法兰空气进口空气进口静电除尘器装置图静电除尘器装置图管式静电除菌器管式静电除菌器 介质过滤除菌介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层,将空气中的微生物等颗粒阻截在介质过滤层,将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中,而达到除菌的目的。质层中,而达到除菌的目的。 目前生物工业生产中最常用、适用的空气除目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。菌方法。 常用的过滤介质有常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、纤维、石棉滤纸、PVAPVA烧
6、结材料过滤介质、烧结烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质金属过滤介质等。等。惯性冲击滞留作用机理惯性冲击滞留作用机理 拦截滞留作用机理拦截滞留作用机理 布朗扩散作用机理布朗扩散作用机理重力沉降作用机理重力沉降作用机理静电吸附作用机理静电吸附作用机理 (1)惯性冲击滞留作用机理惯性冲击滞留作用机理:设设: :纤维直径为纤维直径为d df f,纤维滞留微粒的宽度为纤维滞留微粒的宽度为b b,b b与流速与流速 有关,受颗粒运动有关,受颗粒运动惯性决定。惯性决定。b b是颗粒由于惯性是颗粒由于惯性碰撞而被捕集的最大宽度,碰撞而被捕集的最大宽度,也就是如果在大于这个宽度的也就是如果在大于这个宽度的地方的
7、颗粒被捕集,将不是由地方的颗粒被捕集,将不是由于惯性碰撞而被捕集。于惯性碰撞而被捕集。 即即: :设在一定流速下的截面宽设在一定流速下的截面宽度为度为b b,意味着在这范围内通意味着在这范围内通过的颗粒都会由于惯性碰撞而过的颗粒都会由于惯性碰撞而被纤维捕集。被纤维捕集。则则惯性捕集效率惯性捕集效率为:为: Ib/df惯性捕集效率惯性捕集效率: I Ib/b/d df f 由于由于b b很难计算,采用试验的方法来测定惯性捕很难计算,采用试验的方法来测定惯性捕集效率。也可通过测出气体、颗粒的各项参数来集效率。也可通过测出气体、颗粒的各项参数来计算计算 I I,通过试验知,气体流速通过试验知,气体流
8、速 是影响是影响 I I的重要的重要参数,在一定条件下(参数,在一定条件下(d df f、d dp p、t)t),改变气体流改变气体流速速 ,可改变惯性影响,可改变惯性影响 I I。当当 I I0 0时,即时,即b=0b=0;当当 o o c c时,为临界速度。时,为临界速度。 o o s s/(1-/(1- ) )实践证明,实践证明, I I是微粒惯性力的无因次准数是微粒惯性力的无因次准数 的函的函数:数: I If(f( ) ) 其中其中: :(2)拦截滞留机制拦截滞留机制 R R 前述,空气主流的作用,最大宽度为前述,空气主流的作用,最大宽度为d df f,在,在d df f以外不为以外
9、不为惯性碰撞,有没有其他因素影响?惯性碰撞,有没有其他因素影响? 而在实际上,在纤维的周围(滞留层称层流膜),截留而在实际上,在纤维的周围(滞留层称层流膜),截留机制是怎样的?机制是怎样的? 在气速较小或颗粒直径较小时在气速较小或颗粒直径较小时, ,惯性小,惯性小的颗粒惯性小,惯性小的颗粒在气流的带动下进入滞留层,慢慢靠近纤维而被粘住,截在气流的带动下进入滞留层,慢慢靠近纤维而被粘住,截留效率:留效率: Re=Re=d df f o o / / R RReRe有关,试验得出有关,试验得出 上升,上升, ReRe上升推出上升推出 R R稍高;稍高; 随随 的下降还略有上升。的下降还略有上升。 以
10、上两种机制以上两种机制 o o都随都随 下降而下降而 下降,导致矛盾。下降,导致矛盾。 提出另一机制。提出另一机制。3.3.布朗扩散作用机制布朗扩散作用机制 D D 在静止气体或气速很低的条件下,菌体颗粒按布朗运在静止气体或气速很低的条件下,菌体颗粒按布朗运动,由于左、右振动碰到纤维而被粘住。动,由于左、右振动碰到纤维而被粘住。 下降导致布下降导致布朗运动更明显,导致朗运动更明显,导致 D D上升,所以在低上升,所以在低 下,由于下,由于 D D上升上升导致导致 上升,从而解释了上述现象。上升,从而解释了上述现象。(c)扩散扩散(b)拦截拦截(a)惯性惯性(d)重力重力(e)静电静电 利用惯性
11、、拦截和扩散作用除去颗粒或液利用惯性、拦截和扩散作用除去颗粒或液滴的纤维工作原理滴的纤维工作原理空气空气过滤空气过滤空气过滤除菌效率过滤除菌效率()与气速与气速(vs)的关系的关系6.除菌效率除菌效率1 1) HumphreyHumphrey法法: : Humphrey Humphrey法认为空气过滤器应以捕集效率法认为空气过滤器应以捕集效率为最低值的时候为设计依据为最低值的时候为设计依据: : 1 1( ( I I) )、 2 2( ( R R) )、 3 3( ( D D) )。考虑单纤维捕集效率:考虑单纤维捕集效率: o o= = I I+ + R R+ + D D是以是以 c c为设计
12、临界速度,由于为设计临界速度,由于 以最低值设计,以最低值设计,当当 c c时,时, I I0 0,此时,此时 o o= = R R+ + D D 有时也考虑布朗运动有时也考虑布朗运动 D D,布朗扩散时随,布朗扩散时随 c c上上升,升, D D下降,所以在下降,所以在 c c时时 D D较小可忽略不计。较小可忽略不计。 因此因此, ,HuqnphreyHuqnphrey法就是法就是: :以以 o o= = D D作为设计过滤器效率的依据。作为设计过滤器效率的依据。 在在 c c时,以时,以 R R作为整个单纤维捕集效率值,作为整个单纤维捕集效率值,此时此时 为最低值。为最低值。 Huanp
13、hreyHuanphrey法之所以取法之所以取 c c作为设计流速,作为设计流速,考虑到发酵过程中所需空气量不同,在过滤考虑到发酵过程中所需空气量不同,在过滤床中的床中的 有时快,有时慢,那么按照最低点设有时快,有时慢,那么按照最低点设计,比较保险,保证在较大气速下,计,比较保险,保证在较大气速下, 也不会也不会变化太大,使过滤器在负荷波动时有足够的变化太大,使过滤器在负荷波动时有足够的过滤效率。过滤效率。2) Davies法法 DaviesDavies提出的设计方法较为复杂,但较为严密。提出的设计方法较为复杂,但较为严密。根据试验的结果认为:在很低的气速下,也具有一定根据试验的结果认为:在很
14、低的气速下,也具有一定的的 I I,同时他认为除了考虑扩散捕集效率,同时他认为除了考虑扩散捕集效率 D D及拦截捕及拦截捕集效率集效率 R R外,还应考虑扩散和拦截效率外,还应考虑扩散和拦截效率 DRDR,于是:,于是: DRDR查表或者其他文献查表或者其他文献, ,彼克利准数彼克利准数 PePe o od df f/B/Bm m,由于考虑了各种因素的影响,由于考虑了各种因素的影响, DaviesDavies法较为合理法较为合理。3221210)()(24. 1RPeKuDRDRDRI空气压缩冷却过滤流程空气压缩冷却过滤流程1-粗过滤器粗过滤器 2-空气压缩机空气压缩机 3-贮罐贮罐 4-冷却
15、器冷却器 5-过滤器过滤器过滤空气过滤空气无菌空气无菌空气 空气空气高空取气管高空取气管除尘器除尘器空气压缩机空气压缩机贮气罐贮气罐一级冷却器一级冷却器油水分离器油水分离器二级冷却器二级冷却器除雾器除雾器加热器加热器过滤器过滤器除菌流程中设备的作用除菌流程中设备的作用 1. 1.提高压缩前空气的洁净度提高压缩前空气的洁净度. .主要措施有:主要措施有: (1)(1)提高空气进口位置。每提高提高空气进口位置。每提高3.05m3.05m,微生物含量微生物含量 减少一个数量级,加强吸入空气压缩前的过滤。减少一个数量级,加强吸入空气压缩前的过滤。 (2)(2)安装粗滤器。安装粗滤器。 2.2.提高空气
16、的压力。提高空气的压力。目的是克服管路、设备的压差损目的是克服管路、设备的压差损失失P P,无菌空气进入有一定液位的发酵罐,需一无菌空气进入有一定液位的发酵罐,需一定压力,故需安装空压机。定压力,故需安装空压机。3. 3. 除去水、油。除去水、油。为保证进入过滤器的空气保持相对湿为保证进入过滤器的空气保持相对湿 度为度为 50506060左右,需除去空气中夹带油、水。左右,需除去空气中夹带油、水。 因有油滴、雾滴不仅带有微生物,还会因有油滴、雾滴不仅带有微生物,还会使过滤器使过滤器的过滤介质受潮,降低过滤效率。安装气液分离器。的过滤介质受潮,降低过滤效率。安装气液分离器。4.4.满足工艺要求的
17、温度和湿度满足工艺要求的温度和湿度: 经压缩后,气体温度很高,相对湿度较低,经压缩后,气体温度很高,相对湿度较低,但不能直接进入过滤器。因为温度过高,介质但不能直接进入过滤器。因为温度过高,介质承受不了,易焚烧而造成过滤失效,需先经冷承受不了,易焚烧而造成过滤失效,需先经冷却析水,从而需冷却器。却析水,从而需冷却器。 潮湿空气进入过滤介质也使介质易受潮而粘潮湿空气进入过滤介质也使介质易受潮而粘在一起而失败,故应进行加热需要加热器。在一起而失败,故应进行加热需要加热器。从而保证工艺条件所要求的温度和相对湿度。从而保证工艺条件所要求的温度和相对湿度。 特点特点 :两次冷却、两次分油水、适当加热。空
18、气第一次冷:两次冷却、两次分油水、适当加热。空气第一次冷却到却到30303535,第二级冷却至,第二级冷却至20202525,经分水后加热到,经分水后加热到30303535,因为温度升高,相对湿度下降。,因为温度升高,相对湿度下降。三、三、特点特点 :省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备,简化了流程,省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备,简化了流程,使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路,一部分进冷使冷却水用量也降低了。压缩空气从贮罐出来分两路,一部分进冷却器,经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空却器,经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合,使混
19、合后的空气温度为气混合,使混合后的空气温度为30303535,相对湿度为,相对湿度为505060%60%。 设设: :未被冷却的空气占总量的未被冷却的空气占总量的y%;y%; 压缩空气的状态压缩空气的状态(x(x2 2,t ,t2 2, ,2 2); ); 冷却空气的状态冷却空气的状态(x(x3 3,t ,t3 3, ,3 3); ); 混合后空气的状态混合后空气的状态(x(x4 4,t ,t4 4, ,4 4) ) 则: yxyx2 2+(1-y)x+(1-y)x3 3=x=x4 4前置高效过滤除菌流程前置高效过滤除菌流程1-高效过滤器高效过滤器 2-空压机空压机 3-贮罐贮罐 4-冷却器冷
20、却器 5-丝网分离器丝网分离器 6-加热器加热器 7-过滤器过滤器 粗过滤器安装在空气压缩机前,主要起捕集粗过滤器安装在空气压缩机前,主要起捕集较大的灰尘颗粒,防止压缩机受磨损,同时也较大的灰尘颗粒,防止压缩机受磨损,同时也减轻总过滤器的负荷。减轻总过滤器的负荷。 常用的粗过滤器有:常用的粗过滤器有:布袋过滤、填料式过滤、布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤油浴洗涤和和水雾除尘水雾除尘等。等。油浴洗涤空气装置油浴洗涤空气装置水雾除尘装置水雾除尘装置 作用:作用:消除压缩消除压缩机排出空气量的脉机排出空气量的脉冲,维持稳定的空冲,维持稳定的空气压力,同时也可气压力,同时也可以利用重力沉降作以利用重力沉
21、降作用分离部分油雾。用分离部分油雾。安全阀安全阀压力表压力表排气管排气管人孔人孔进气管进气管排污口排污口 作用:作用:将空气中将空气中被冷凝成雾状的水被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去雾和油雾粒子除去的设备。的设备。 一般常用的有一般常用的有旋旋风式风式和和填料式填料式。旋风分离器旋风分离器填料式分离器是填料式分离器是利利用各种填料如焦炭、用各种填料如焦炭、活性炭、磁环、金活性炭、磁环、金属丝网、塑料丝网属丝网、塑料丝网等的惯性拦截作用等的惯性拦截作用分离空气中水雾或分离空气中水雾或油雾。油雾。丝网分离器丝网分离器 常用的类型有:立式列管式热交换器、沉浸式常用的类型有:立式列管式热交换器、沉浸式
22、热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。热交换器、喷淋式热交换器和板翘式热交换器等。A.过滤除菌效率过滤除菌效率 过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比过滤效率就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值,它是衡量过滤设备的过滤能力的指标值,它是衡量过滤设备的过滤能力的指标。 式中式中 N N2 2/N/N1 1 过滤前后空气中微粒浓度的比值,过滤前后空气中微粒浓度的比值,即穿透滤层的微粒浓度与原微粒浓度的比值(穿透率)。即穿透滤层的微粒浓度与原微粒浓度的比值(穿透率)。 影响过滤效率的因素影响过滤效率的因素:微粒大小、过滤介质的种类、微粒大小、过滤介质的种类、规格、介质的填充密度、过
23、滤介质层厚度以及所通过的规格、介质的填充密度、过滤介质层厚度以及所通过的空气气流速度等。空气气流速度等。121211NNNNN四点假定四点假定: (1)(1)过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响;其他邻近纤维的存在而受影响; (2)空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附,不空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附,不再被气流卷起带走;再被气流卷起带走; (3)(3)过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关; (4)空气中微粒在滤层中的递减均匀,即每一纤维空气中微粒在滤层中的递减均匀,即每一纤维薄
24、层除去同样百分率的菌体。薄层除去同样百分率的菌体。 对数穿透定律对数穿透定律 根据四点假定有:根据四点假定有: 此式称为此式称为对数穿透定律对数穿透定律,它表示进入滤层的微粒数与穿,它表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。LKNN12)lg( 为了实验和计算的方便,可采用过滤效率为为了实验和计算的方便,可采用过滤效率为0.90.9时的滤时的滤层厚度作为对比基准:层厚度作为对比基准:1)1 . 0lg()lg(909012 LKNNKNdLdNC.空气过滤压力降空气过滤压力降 的计算的计算fmdvcLp 22 式中式中 L 过
25、滤层厚度,过滤层厚度,m; 空气密度,空气密度,kg/m3; 介质填充系数;介质填充系数; v 空气在介质间隙中的流速,空气在介质间隙中的流速,m/s; v v s / (1- ); v s 空截面气速,空截面气速,m/s; df 纤维直径,纤维直径,m; m 实验指数,对不同的过滤介质,如棉花介质,实验指数,对不同的过滤介质,如棉花介质, m1.45;19m玻璃纤维,玻璃纤维, m1.35; 8m玻璃玻璃 纤维,纤维, m1.55; c 阻力系数,棉花介质阻力系数,棉花介质c100/Re; 玻璃纤维介质玻璃纤维介质c52/Re。提高提高(过滤效率的措施过滤效率的措施1. 1.减少进口空气的含
26、菌数。减少进口空气的含菌数。(1)(1)加强生产环境卫生管理,减少环境空气中的含菌量;加强生产环境卫生管理,减少环境空气中的含菌量; (2)(2)提高空气进口位置(高空),减少空气进口含菌量;提高空气进口位置(高空),减少空气进口含菌量; (3)(3)加强压缩前的空气预过滤。加强压缩前的空气预过滤。 2. 2. 设计和安装合理的空气过滤器。设计和安装合理的空气过滤器。3.3.降低进入总过滤器空气的相对湿度。降低进入总过滤器空气的相对湿度。(1)(1)采用无油润滑空压机;采用无油润滑空压机; (2)(2)加强空气的冷却,去油水;加强空气的冷却,去油水;(3)(3)提高进入总过滤器的空气温度提高进
27、入总过滤器的空气温度, ,降低其相对湿度。降低其相对湿度。过滤介质过滤介质(1)棉花棉花(2)玻璃纤维玻璃纤维(3)活性碳活性碳(4)超细玻璃纤维纸超细玻璃纤维纸(5)石棉滤板石棉滤板(6)烧结材料过滤介质烧结材料过滤介质 (7)新型过滤介质新型过滤介质过滤器的结构纤维介质深层过滤器的结构纤维介质深层过滤器过滤器深层纤维介质空气过滤器深层纤维介质空气过滤器进气口进气口压紧架压紧架出气口出气口纤维介质纤维介质换热夹套换热夹套活性炭活性炭 纤维介质主要有棉花、纤维介质主要有棉花、玻璃纤维、超细玻璃纤维。玻璃纤维、超细玻璃纤维。 空气过滤器的尺寸:空气过滤器的尺寸:svvqD 4 式中式中 qv空气
28、流过滤器时的空气流过滤器时的 体积流量,体积流量,m3/s; vs 空截面空气流速,空截面空气流速,m/s。过滤器的结构纤维介质深层过滤器的结构纤维介质深层过滤器过滤器填充物安装顺序:填充物安装顺序:孔板铁丝网麻布孔板铁丝网麻布棉花棉花麻布麻布活性炭活性炭麻布麻布棉花棉花麻布铁丝网孔板麻布铁丝网孔板弹簧压紧装置弹簧压紧装置过滤器的结构平板式纤维纸过滤器的结构平板式纤维纸过滤器过滤器纤维纸平板过滤器纤维纸平板过滤器 由罐体、顶盖、滤层、夹由罐体、顶盖、滤层、夹层和缓冲层构成。层和缓冲层构成。滤层滤层过滤器过滤器滤层滤层DDvqDsv3 . 11 . 1)m(4 过滤器的结构过滤器的结构管式管式过
29、滤器过滤器接迭式低速接迭式低速过滤器过滤器新型过滤器的结构新型过滤器的结构(P.29)过滤器的结构过滤器的结构第四节 过滤器的计算例:例:试设计一台通风量为10m3/min的棉花过滤器,空气压力为392kPa(绝对压力),进入空气过滤器的空气含菌量是5000个m3,要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌),发酵周期100h。工作温度为30,当地气压为98070Pa,当地气温为20 。计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)及过滤压力损失p。解: 选用棉花纤维直径df =16m, 填充系数= 8%,空气流度vs = 0.1m/s; 过滤常数K = 13.5
30、/m。 12)lg(KNNL )(85. 05 .13)10310lg(83mL (1 1)计算过滤层厚度:)计算过滤层厚度:每批发酵通风过滤前含菌总数为:每批发酵通风过滤前含菌总数为:N1 = 50001060100 3108(个)(个)过滤后含菌数为N2 = 10-3个 过滤层厚度过滤层厚度L L为:为:(2)计算过滤器直径)计算过滤器直径D 进口空气压强进口空气压强 p p1 1 98070Pa98070Pa 过滤工作压强过滤工作压强 p p2 2 392000Pa392000Pa 通通 气气 量量 V V1 1=10m=10m3 3/min=0.17m/min=0.17m3 3/s/s
31、 过滤器空气流量为:过滤器空气流量为: smpTTVpV/044. 0392000302732027317. 0980703221112故过滤层直径为:故过滤层直径为: mvVDs75. 01 . 0044. 044 (3)计算过滤压力损失)计算过滤压力损失 : p 据据 fmdvcLp 2 ,而滤层中空气流速为:,而滤层中空气流速为: smvvs/109. 008. 01/1 . 01/ 320020/67. 430273/2734293. 1/mkgTpT sPa 6106 .18 436. 0106 .1867. 4109. 0101666 vDRfe以棉花为过滤介质:以棉花为过滤介质:
32、 c =100/Re=100/0.436=229 m =1.45Pa)(110322 fmdvcLp 第五节第五节 空气除菌流程计算空气除菌流程计算状态(状态(t t、x x、 )变化:)变化:原始状态(原始状态(t t1 1、x x1 1、 1 1); ;压缩后状态(压缩后状态(t t2 2、x x2 2、 2 2); ;冷却后状态(冷却后状态(t t3 3、x x3 3、 3 3); ;冷凝后状态(冷凝后状态(t t4 4、x x4 4、 4 4); ;加热后状态(加热后状态(t t5 5、x x5 5、 5 5)一、一、压缩空气的压缩空气的t t、x x、 :1. 1.压缩空气的压缩空气
33、的t: t: t t1 1、x x1 1、 1 1 压缩机压缩机 t t2 2、x x2 2、 2 2 压缩过程近似绝热过程,但实际是多变过程。压缩过程近似绝热过程,但实际是多变过程。根据热力学原理,压缩后根据热力学原理,压缩后T TP P关系:关系:P P1 1 、T T1 1-压缩前空气的压力、温度;压缩前空气的压力、温度; P P2 2、 T T2 2 - 压缩后空气的压力、温度;压缩后空气的压力、温度; m-m-多变指数,多变指数,mm1.2 1.2 1.41.4 若绝热过程若绝热过程,m ,m k=1.4k=1.4。 从上式可知从上式可知:P:P增加时增加时,T,T也增加。也增加。m
34、mPPTT11212)(2.2.压缩空气的压缩空气的x x、 : 绝热过程为等绝热过程为等x x,即,即x x1 1x x2 2; 根据干燥静力学,根据干燥静力学,某一状态下某一状态下, ,空气的湿含量:空气的湿含量: P Ps s-空气中的饱和水蒸气分压;空气中的饱和水蒸气分压; P-总压;总压; -相对湿度。相对湿度。 x x1 1x x2 2 又又P P P Ps s,简化后:,简化后: 2222211111622. 0622. 0sssspPppPp122211PpPpsssspPpX622. 0)(122112PPppss 例例1.某一空气状态:某一空气状态:t1=20, 180%,
35、 P11atm;经压缩机压缩后,经压缩机压缩后,P2=3atm(绝)。问压缩后的状态:绝)。问压缩后的状态: t2=?,?, 2?解:解:依:依:可得:可得: t t2 2=128 =128 mmPPTT11212)()(401)13)(20273()()(4.114.1112111212KPPTPPTTkkmm)(122112PPppss依据%197.2)13()5998.20238.0(%80上升。下降而说明,绝热压缩后,Tatmpatmpss5998. 20238. 0c1282c201二二、压缩空气冷却过程的状态变化压缩空气冷却过程的状态变化 t t2 2、 2 2、X X2 2 t
36、t3 3 、 3 3、 X X3 3 t t4 4、 4 4、X X4 4 t t5 5、 5 5、X X5 5(1)等等x冷却:冷却: ttd,无析水,无析水,x不变不变,故应先求故应先求td。 依依x=0.622 Ps/(P- Ps), 式中式中:x已知,从原始空气状态求出,已知,从原始空气状态求出, 100, P已知(加工工艺),求已知(加工工艺),求出出Ps后后查查td。 当控制冷却当控制冷却ttd,从而使等,从而使等x冷却。冷却。等等x x冷却冷却减减x x冷却冷却等等x x加热加热(2)(2)减减x x冷却:冷却: 控制控制ttttd d为减为减x x冷却,有析水。冷却,有析水。析
37、水量析水量x=xx=x3 3-x-x4 4=x=x2 2-x-x4 4=x=x1 1-x-x4 4,若为若为G G公斤干空气,则总析水量公斤干空气,则总析水量为为G GX X。 x x4 4=0.622=0.622 P PS S/(P-/(P- P PS S) )(3)(3)气体加热过程的状态(等压加热):气体加热过程的状态(等压加热): 生产上一般要求进过滤器之前生产上一般要求进过滤器之前 5 550506060,应从冷却温度应从冷却温度t t4 4加热至多少温度,才能使加热至多少温度,才能使: : 5 550506060, 设设 5 56060,t t5 5为未知,经过等为未知,经过等x
38、x加热。加热。 依依x x5 5=0.622 =0.622 5 5P Ps5s5/(P/(P5 5- - 5 5 P Ps5s5) ),x x5 5=x=x4 4, 5 56060,P P5 5=P=P2 2,所以由,所以由P P5 5可以求出可以求出t t5 5,即应加热到温度即应加热到温度t t5 5。以上以上t t、x x、 作为设计依据。作为设计依据。例:已知发酵温度为例:已知发酵温度为3535,试设计一除菌试设计一除菌 流程满足生产要求。流程满足生产要求。解:解:1. 1.应考虑的问题应考虑的问题: :1 1)t t1 1、 1 1的选择:的选择: 在生产实践中在生产实践中t t、
39、选取选取, ,取决于多年来工厂自测定的取决于多年来工厂自测定的t t、 或从当地的气象站索取。或从当地的气象站索取。 然后取比较平均值偏高一些,尤其满足生产旺季的要然后取比较平均值偏高一些,尤其满足生产旺季的要求所相应的求所相应的t t、 。 此例此例, ,设设:t :t1 120 20 、 1 18080。2 2)P P2 2的确定:的确定: P P2 2=(=(P P过滤器过滤器PHLPHL液位置液位置P P管道管道P P其他设备)其他设备)/ / -为安全系数,取为安全系数,取0.750.750.900.90或根据经验取值。或根据经验取值。 设压缩后设压缩后P P2 2=2atm=2at
40、m(表压)即可满足工艺要求。(表压)即可满足工艺要求。3 3)应考虑安装冷却器、析水器、加热器、过滤器。)应考虑安装冷却器、析水器、加热器、过滤器。2.2.工艺设计计算:工艺设计计算:1)1)压缩空气的状态参数压缩空气的状态参数t t2 2、x x2 2、 2 2 依据依据: : T T2 2/T/T1 1=(P=(P2 2/P/P1 1) )(m-1)/m(m-1)/m T T2 2 T T1 1(P(P2 2/P/P1 1) )(m-1)/m(m-1)/mT T1 1(P(P2 2/P/P1 1) )(k-1)/k(k-1)/k (273+20)(3/1)(273+20)(3/1)(1.4
41、-1)/1.4(1.4-1)/1.4 401(k)401(k) 依据依据: : x x2 2x x1 10.622 0.622 P PS1S1/(P/(P1 1- - P PS1S1) ) x x2 2 0.6220.62280800.02338/(10.02338/(180%80%0.023380.02338) 0.0121(kg/kg)0.0121(kg/kg)依据依据: : 2 2 1 1(P PS1S1/P/PS2S2)(P)(P2 2/P/P1 1) ) 2 2 8080(0.0238/2.59980.0238/2.5998)(3/1) (3/1) 2.197%2.197% 故压缩后
42、:故压缩后:t t2 2=128=128; 2 22.1972.197;x x2 2=0.0121(kg/kg=0.0121(kg/kg干干) ) 2 2)压缩空气应从)压缩空气应从128128冷却到多少度?冷却到多少度? 求求t td d(等(等x x过程)。过程)。依依: : 2 2 1 1( P PS1S1/ P/ PS2S2)(P)(P2 2/P/P1 1) ) P PS3S3 P PS2S2(P(P3 3/P/P2 2) )( 3 3/ / 2 2)其中其中: P: P3 3=P=P2 2=2+1=2atm =2+1=2atm ; 2 22.1972.197; 3 3100100;
43、P PS2S22.5998atm(t2.5998atm(t2 2= = 128 )128 )可得:可得:P PS3S32.59982.59982.1972.197/100%/100%3/33/3 0.0571atm0.0571atm, 查表查表P PS St t可知可知t td d=35=35,所以欲有水析出,所以欲有水析出,至少至少t35t35。3 3)若设冷却到)若设冷却到t t冷冷2525,问析出多少水?,问析出多少水? P PS S25250.0323atm0.0323atm,冷凝后:,冷凝后: x x4 40.622 0.622 4 4P PS4S4/(P/(P4 4- - 4 4
44、P PS4S4) )其中,其中, 4 4100100,P P4 4=P=P3 3=P=P2 2=3atm=3atmxx4 40.622 0.622 4 4P PS4S4/(P/(P4 4- - 4 4P PS4S4) ) 0.6220.6221001000.0323/(3-10.0323/(3-10.03230.0323) 0.00670.0067(kg/kg(kg/kg干干) )析析水量水量: :X XX X3 3-X-X4 40.0121-0.0067 0.0121-0.0067 5.45.410103 3(kg/kg(kg/kg干干) ) 可依可依x x选析水设备大小,生产能力;选析水设
45、备大小,生产能力; 带有析水空气应加热,否则介质受潮,易使除菌效果降低。带有析水空气应加热,否则介质受潮,易使除菌效果降低。)622.0(XXpPs%6 .51)0067. 0622. 00067. 0(0571. 034)加热后状态)加热后状态(t5已知,工艺要求已知,工艺要求35 ), 检验检验 是否是否满足要求满足要求?依依:等等x加热,加热,X5=X4=0.0067, PS 350.0571atm, P5=P4=P2=3atm;符合要求,符合要求,t升高,升高, 减少,减少,x不变。不变。1.分析过滤除菌过程中可能存在的过滤机理,指出影响介质过滤效率的主要因素。2.列出提高过滤除菌效率
46、的措施 。3.比较两级冷却加热除菌流程、高效前置过滤除菌流程、空气压缩冷却过滤流程等常用除菌流程的优缺点和适用场合。 1.已知:空气原始状态为: P=1bar(绝对压力),t=25,=85%, 经空压机压缩至2.5bar(绝对压力)后, 部分进行冷却冷凝至20, 要求进入发酵罐的温度为35,试问工艺操作上控制所需被冷却与未被冷却的百分比是多少合适? 2.图示一空气净化系统流程,压缩空气经过系统中设备的阻力损失及经过输送管道的温度变化均忽略不计,试计算说明:在控制流程中第二级冷却器出口温度为28,将水析出后进行加热,若要保证相对湿度60%,需要将气体加热至多少温度,能否满足生产要求的35。 生物
47、工业生产需要洁净的环境、适宜的空气温度和空气压强。 洁净空间:指空气中微粒受控制的空间。 洁净度级数(英制):每1ft3空气中,粒径大于等于0.5m的最大允许粒子数。 洁净度级数(国际制):每1m3空气中,粒径大于等于0.5m的最大允许粒子数的常数对数值。空气洁净级数空气洁净级数空气洁净空气洁净级数级数(英制英制)粒径粒径0.5m的最大的最大微粒数(个微粒数(个/ft3)粒径粒径0.5m的最大的最大微粒数(个微粒数(个/m3)空气洁净空气洁净级数级数(国际国际)1001003500M3.51000100035000M4.51000010000350000M5.51000001000003500
48、000M6.5 空气湿度x(湿含量):湿空气中所含的水蒸气质量与所含的干空气质量之比。 相对湿度:湿空气中水蒸气分压与同温下水的饱和蒸气压之比。wtwwtwgwgwppppppMMmmx622. 0%100swpp水水MN空气空气xix水分水分ttwti潜热潜热显热显热空气增湿机理空气增湿机理水水MN空气空气xix水分水分ttwti潜热潜热显热显热空气减湿机理空气减湿机理显热显热1.往空气中通入直接蒸汽;2.喷水;3.空气混合增湿;1.喷淋低于该空气露点温度的冷水;2.使用热交换器把空气冷却至其露点以下;3.空气经压缩后冷却至初温,使空气减湿;4.用吸收或吸附法除掉水气,使空气减湿;5.通入干
49、燥空气。卧式空调室卧式空调室立式空调室立式空调室1.分析过滤除菌过程中可能存在的过滤机理,指出影响介质过滤效率的主要因素。2.列出提高过滤除菌效率的措施 。3.比较两级冷却加热除菌流程、高效前置过滤除菌流程、空气压缩冷却过滤流程等常用除菌流程的优缺点和适用场合。4.试设计一台通风量为20m3/min(标准状态)的玻璃纤维空气过滤器,空气压力为3大气压(表压),进入空气过滤器的空气含菌量是5000个m3,要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%,发酵周期150h。工作温度为30,计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)及过滤压力损失p。(注:采用玻璃纤维直径df =10m,填充系数= 8%,空气线速度vs = 0.166m/s;过滤常数K = 45/m;实验指数m1.55;标准状态下空气密度01.293kg/m3,18.610-6。) 利用热空气加热冷空气的除菌流程利用热空气加热冷空气的除菌流程1-高空采风高空采风 2-粗过滤器粗过滤器 3-空压机空压机 4-热交换器热交换器 5-冷却器冷却器 6、7-旋风分离器旋风分离器 8-空气总过滤器空气总过滤器 9-空气分过滤器空气分过滤器上升。下降而说明,绝热压缩后,依据TPPppss%197. 2)13()5998. 20238. 0(%80)(122112
限制150内