1、生物工程設備,第十四章,水處理與制冷系統(tǒng)及設備,水處理與制冷系統(tǒng)及設備,14.1 水處理系統(tǒng)及設備 14.2 制冷系統(tǒng)及設備,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,14.1.1 水的過濾 過濾是一系列過程的綜合效應，包括篩濾，深層效應和靜電吸附等。水中粒子直徑大于過濾層的孔徑時，離子被阻擋在過濾層的表面，稱為表面過濾。而小于過濾層孔徑的離子進入濾層深處，由于濾層孔隙彎曲，形狀大小不斷變化，最終使小粒子被截留，這種作用屬深層過濾。 水的過濾實際包含兩個過程，即過濾和沖洗，過濾為水的凈化過程，沖洗是從過濾介質(zhì)上沖洗掉污物，使之恢復過濾能力的過程。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,1砂濾棒過濾器 砂濾棒過濾器外殼

2、是由鋁合金鑄成鍋形的密閉容器，器內(nèi)分上下兩層，中間以孔板分開。若干根砂濾棒緊固于上，孔板上（下）為待濾水。其下（上）為砂濾水。操作時，水由泵打入容器內(nèi)，在外壓作用下，水通過砂濾棒的微小孔隙進入棒孔體內(nèi)，水中離子則被截留在砂濾表面。濾出的水可達到基本無菌。砂濾棒（又稱砂芯）系由硅藻土在高溫下熔制成半熔圓的過濾介質(zhì)，或由硬質(zhì)玻璃燒結而成。國產(chǎn)砂濾棒過濾規(guī)格如表14-1所示。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,表14-1 國產(chǎn)砂濾棒過濾器規(guī)格,規(guī)格 高直徑厚/,壓強為196 時的 流量/（,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,2活性炭過濾器 用于水處理的活性炭微孔徑為25nm，常用于離子交換法和電滲析法的前處理，

3、可有效地保護離子交換樹脂，防止樹脂污染。 活性炭過濾器結構與一般機械過濾器相似（圖14-1），過濾器底部裝填0.20.3m厚，粒徑為14nm的石英砂層作為支持層。石英砂上面鋪裝1.02.0m厚活性炭層，操作時，水由頂部自然順流下降過濾，由底部排出。表14-2列出了部分活性炭過濾器規(guī)格。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-1 活性炭過濾器,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,表14-2 部分活性炭過濾器規(guī)格,規(guī)格,處理水量 /（,設備質(zhì)量 /,層高/,質(zhì)量/,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,活性炭過濾器運行一段時間后，因截污量過多，暫時失去活性，需反洗再生，其步驟為： 反洗。清水以810l/(m2 s)的

4、反洗強度從底部進入，反洗時間1520min。 蒸汽吹洗。從底部通入0.3MPa飽和蒸汽吹洗1520min。 淋洗。用6%8%NaOH溶液（40）從頂部通入洗滌。洗滌量為活性炭體積的1.21.5倍。 正洗。原水至頂部通入，沖洗至出水符合規(guī)定水質(zhì)要求。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,14.1.2 水的軟化 1離子交換裝置 （1）固定床離子交換裝置 水處理中最簡單的方法是采用固定床，即將離子交換樹脂裝填于管柱式容器中，形成固定的樹脂層。操作時，交換、反洗、再生、清洗四個過程間歇反復地在同一裝置中進行，而離子交換樹脂本身不移動，也不流動。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,單床是固定床中最簡單的一種方式。常用

5、的鈉型陽離子交換裝置即屬這一方式。多床是同一種離子交換劑，兩個單床的串聯(lián)方式。當單床處理水質(zhì)達不到要求時可采用多床。復床是兩種不同離子交換劑的交換器的組合，即一個陽離子交換樹脂單床與一個陰離子交換樹脂單床串聯(lián)?；旌洗彩菍㈥庩栯x子交換樹脂置于同一柱內(nèi)，相當于多級陰陽離子柱串聯(lián)起來。處理水質(zhì)較高。多層床是在一個交換柱中裝有兩種樹脂，上下分層不混合。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,（2）連續(xù)離子交換裝置 固定床離子交換的缺點是樹脂用量多而利用率低，操作不連續(xù)。為提高樹脂利用率，20世紀60年代出現(xiàn)了連續(xù)式離子交換裝置，有移動床和流動床兩種。 流動床是完全連續(xù)工作的，它在進行交換的同時不斷從交換塔內(nèi)向外

6、輸送失效的交換樹脂，且又不斷向交換塔內(nèi)輸送再生后的樹脂。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,移動床裝置如圖14-2所示，離子交換樹脂裝于交換塔中，原水從下部流入，軟水從塔上部流出。交換一定時間（一般4560min）后停止交換，將交換塔中失效樹脂送至再生塔還原，同時從清洗塔向交換塔上部補充相同量的已還原清洗的樹脂。出水水質(zhì)穩(wěn)定，交換樹脂及還原液的利用率比固定床高，其缺點是交換樹脂磨損較大，耗電量較多。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-2 移動床離子交換裝置,1交換塔； 2清洗塔； 3再生塔,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,（1）工作原理 電滲析裝置是利用陰、陽離子交換膜對水中離子具有選擇性和透過性的特

7、點，在外加直流電場的作用下，使原水中陰、陽離子分別通過陰離子交換膜和陽離子交換膜遷移，從而達到除鹽的目的。電滲析工作原理如圖14-3所示。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-3 多層膜電滲析器工作原理,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,進入1、3、5、7室的離子，在電場作用下定向移動。陽離子移向陰極，透過陽膜進入2、4、6、8室。陰離子移向陽極，透過陰膜進入2、4、6、8室。因此，從第1、3、5、7室流出來的水中，陰、陽離子都會減少，成為淡水。而進入第2、4、6、8室的水中離子也要定向移動。陽離子要移向陰極，但受陰膜的阻擋而留在室內(nèi)，陰離子要移向陽極，受陽膜的阻擋也留在室內(nèi)。且第1、3、5、7室中

8、的陰陽離子都要穿過膜進入水中，所以從第2、4、6、8室流出來的水中，陰陽離子數(shù)都比原水中的多，成為濃水。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,（2）電滲析器結構 電滲析器有立式和臥式兩種。其基本部件均是由交換膜、隔板、電極、極框、壓緊裝置等組成（圖14-4） 離子交換膜是一種由具有離子交換性能的高分子材料制成的薄膜。按其透過性能分為陽離子交換膜和陰離子交換膜。能透過陽離子的叫陽離子交換膜，能透過陰離子的叫陰離子交換膜。目前常用的陽離子交換膜為磺酸基型，帶負電荷，吸收水中的陽離子，并讓其通過該膜，而阻止負離子的通過。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-4 立式電滲析器裝置,1陽級室；2導水板；3壓緊框

9、； 4膜堆；5陰級室；6壓濾機式銷緊裝置,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,（3）電滲析器的組裝形式 電滲析器的組裝方式取決于進水的水質(zhì)和對出水的要求。一般說，要增加出水量，可將各組膜堆并聯(lián)；要求提高出水水質(zhì)，應將各組膜堆串聯(lián)。在組裝中，通常用“對”、“極”和“段”表示。 電滲析器的組裝形式有一級一段、一級多段、多級一段、多級多段4種，圖14-5，圖14-6分別為多級一段和多級多段的組合方式。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-5 電滲析器多級一段并聯(lián)組合,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-6 電滲析器多級多段串聯(lián)組,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,14.1.3 水的殺菌 水的殺菌方法很多，目前常用

10、氯、臭氧及紫外線殺菌。 1氯殺菌氯氣進入水中可生成次氯酸，次氯酸具有強烈的氧化作用，可以破壞細胞內(nèi)酶和細菌的生理機能使細菌死亡。我國水質(zhì)標準規(guī)定，在管網(wǎng)末端自由性余氯保持在0.10.2mg/L之間。 常采用的氯殺菌試劑還有活性二氧化氯、漂白粉和次氯酸鈉，其中前者具有殺菌能力強，水純凈，不增加水的硬度，殺菌效果好，使用方便等優(yōu)點，但制備成本較高,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,2臭氧殺菌 臭氧是一種強氧化劑，它能氧化水中的有機物，破壞微生物原生質(zhì)，殺死微生物，亦能破壞微生物孢子和病毒，同時用作除去水臭、鐵和錳及脫色，殺菌性能優(yōu)于氯。在歐洲，臭氧已廣泛用于水的殺菌，臭氧殺菌系統(tǒng)包括空氣凈化設備，臭氧發(fā)

11、生器和臭氧加注設備。 臭氧在水中溶解度極小，為使臭氧與水充分混合，一般用噴射法加注臭氧，以增加與水的接觸時間，另外水池應保持一定高度。圖14-7所示為臭氧殺菌流程。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,1空氣凈化降溫干燥塔；2臭氧發(fā)生器； 3變壓器；4噴射器；5消毒水池；,圖14-7 臭氧殺菌流程,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,3紫外線殺菌 波長為200295nm的紫外線有殺菌能力，能用來對水進行殺菌。 圖14-8所示為隔水套管式紫外燈殺菌裝置。使用時，紫外燈懸掛在水面上，待殺菌的水以200厚的薄層緩慢通過照射區(qū)。也可將紫外燈沉浸在水中，水慢慢流過以滅菌。一般水上滅菌多采用低壓汞燈，沉浸于水中采用高壓汞

12、燈，后者的殺菌效果高于前者。殺菌率可達97%以上。表14-3列出了部分紫外燈使用參數(shù)。,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,圖14-8 隔水套管式紫外燈殺菌裝置,14.1 水處理系統(tǒng)及設備,表14-3 紫外高壓汞燈使用參數(shù),水流量 (,最大照 射半徑/,最短照 射時間/,返回,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,14.2.1 壓縮式制冷循環(huán) 壓縮式制冷循環(huán)實質(zhì)上是一種逆向卡諾循環(huán)，制冷過程包括壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)四個階段，其制冷流程如圖14-9所示。系統(tǒng)中的制冷劑飽和蒸汽被壓縮機吸入壓縮，成為液體放出熱量。液體制冷劑經(jīng)膨脹閥，壓力降低，部分液體吸熱汽化，使制冷劑溫度降低，低溫液體進入蒸發(fā)器吸收周圍介質(zhì)熱量而汽

13、化，氣體再進入壓縮機被壓縮，完成一個循環(huán)過程。為了使整個系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)，設置油分離器、貯存罐、液氨分離器等附屬設備。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,圖14-9 單級壓縮制冷循環(huán),14.2 制冷系統(tǒng)及設備,當所需溫度較低時，壓縮機在高壓縮比（壓縮機出口壓力與進口壓力的比值）的條件下工作。此時若采用單級壓縮制冷，壓縮氣體的溫度較高，會引起運行上的困難。此時可采用雙級壓縮制冷（如圖14-10所示）。一般當壓縮比8時，采用雙級壓縮較為經(jīng)濟合理。對于氨壓縮機，當蒸發(fā)溫度在-25C以下或冷凝壓力大于時，宜采用雙級壓縮制冷。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,圖14-10 雙級壓縮制冷循環(huán)圖,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,壓

14、縮式制冷循環(huán)中，制冷量 (制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量)與壓縮機所消耗的機械功L的比值稱為制冷效率，可由下式計算： 式中 制冷效率； 制冷量，； 壓縮機所消耗的功，； 制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度，； 制冷劑在冷凝器內(nèi)的冷凝溫度，；,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,制冷機的制冷量可用下式計算： 式中 每1制冷劑的制冷量，； 制冷劑在制冷機中的循環(huán)量，。 則制冷機的理論功率 （KW）為:,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,14.2.2 制冷劑及載冷劑 1制冷劑 制冷劑是制冷系統(tǒng)中用來吸取被冷卻物質(zhì)熱量的介質(zhì)。對制冷劑的要求是：沸點低，在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)壓力應大于外界大氣壓；冷凝壓力不超過1.21.5；單位體積產(chǎn)冷量

15、應盡可能大；密度和粘度應盡可能??；導熱和散熱系數(shù)高；蒸發(fā)比容小，蒸發(fā)潛熱大。制冷劑能與水互溶，對金屬無腐蝕作用，化學性能穩(wěn)定高溫下不分解。無毒性、無窒息性及刺激作用，易于取得，價格低廉。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,目前常用的制冷劑有氨和氟利昂。氨主要用于冷凍廠、制藥廠、酵母廠及其他發(fā)酵工廠的制冷系統(tǒng)。F-12及F-22多用于冰箱、空調(diào)機、雙級壓縮系統(tǒng)及冷庫，氨是中溫制冷劑，有毒性，并能燃燒和爆炸。但價格低廉，壓力適中，單位體積制冷量大，在管道中流動阻力小，因此被廣泛應用。氟利昂制冷劑是飽和碳氫化合物的鹵素衍生物的總稱，不易燃燒；絕熱性能小，因而排氣溫度低；分子量大，適用于離心式壓縮機，但價格昂

16、貴，放熱系數(shù)低，單位體積制冷量小，因而制冷劑的循環(huán)量大。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,2載冷劑 采用間接冷卻方法進行制冷時，所用的低溫介質(zhì)稱為載冷劑。載冷劑在制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中被冷卻，然后被泵送至冷卻設備內(nèi)，吸收熱量后，返回蒸發(fā)器中。載冷劑必須冰點低，熱容量大，對設備的腐蝕性小，且價格低廉。常采用的載冷劑有氯化鈉、氯化鈣水溶液，酒精和乙二醇等。氯化鈉價格便宜，但對金屬的腐蝕性較大。氯化鈣溶液對金屬的腐蝕性小。采用乙醇、乙二醇作為載冷劑可以避免腐蝕現(xiàn)象。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,14.2.3 制冷系統(tǒng)設備 1制冷壓縮機 體積型制冷壓縮機有活塞式、滑片式和螺桿式。其中以活塞式制冷壓縮機較多見，圖1

17、4-11是活塞式壓縮機工作原理圖。壓縮機的進氣活門裝在活塞的頂部，利用曲軸連桿使活塞上下運動。當活塞向下運動時，裝在安全板上的排氣活門關閉，汽缸內(nèi)的壓力減小，其壓力較吸器管中的壓力為低，則吸氣閥門被打開，低壓管中的氨氣進入汽缸中。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,圖14-11 活塞式壓縮機工作原理圖,1上蓋； 2排氣閥門； 3樣蓋； 4水套； 5吸氣閥門； 6活塞環(huán)； 7活塞； 8連桿,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,壓縮機在運行中，由于汽缸內(nèi)存有余隙；吸氣、排氣時存在氣閥阻力；汽缸壁與制冷劑之間發(fā)生熱交換；壓縮機運動部件發(fā)生摩擦；吸氣閥，排氣閥泄漏等都會使壓縮機的實際吸氣體積小于理論體積，從而影響壓縮機

18、的產(chǎn)冷量，二者的比值稱吸氣系數(shù)，用“”表示，即：,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,對于大型立式氨壓縮機，=0.810.92，冷凝溫度越低，越大；蒸發(fā)溫度越低，則越小。高速（720）多缸制冷壓縮機的可用以下經(jīng)驗公式計算： 式中 冷凝壓力， 蒸發(fā)壓力， 多變壓縮指數(shù)，對于氨=1.28；F-12，=1.13；F-22，=1.18。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,2冷凝器 冷凝器的作用是使高溫高壓過熱氣體冷卻，冷凝成高壓氨液，并將熱量傳遞給周圍介質(zhì)。冷凝器有臥式冷凝器、立式冷凝器、套管冷凝器、外噴淋蛇管冷凝器等。 噴淋蛇管冷凝器由盤管組成，盤管上裝設V形配水槽，常安裝在露天或屋頂上，傳熱系數(shù)K=600800C）

19、，單位熱負荷=30003500，用水量=0.81.0，這種冷凝器的優(yōu)點是結構簡單，用水量少，但占地面積大，較少使用。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,氨臥式冷凝器常分為雙程列管式換熱器。傳熱系數(shù)=700900W/m2 ），單位熱負荷qF=35004100，單位面積冷卻水用量WF=0.50.9，最高工作壓力20105，冷卻水用量少，可以裝在室內(nèi)，操作方便，但水管清洗不方便，只適用于水質(zhì)較好地區(qū)。氨立式殼管冷凝器應用較廣，系一鋼板圓柱殼體，兩端焊有管板各一塊；殼體內(nèi)部有5mm3mm或3mm3mm的無縫鋼管與管板固定。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,冷卻水自頂部進入貯水箱，經(jīng)分水器沿管子內(nèi)壁順流而下，形成膜狀

20、分布在管內(nèi)表面；可用河水冷卻而不易堵塞。氨氣則自殼體下部引出。冷凝器上有氨氣進口、氨液出口、安全閥、放空閥、放油閥、壓力表、均壓管和混合氣體出口等。傳質(zhì)系數(shù)K、單位熱負荷qF與臥式冷凝器相近。冷卻水用量WF=1.01.7m2/(m3 h)，最高工作壓力20105，立式冷凝器占地面積小，清洗列管方便，可安裝在室外，但用水量較大。常用的立式冷凝器有LN-20、35、50、75、100、125、150、250m2傳熱面積，LNA-35LNA-300m2傳熱面積等。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,3膨脹閥與蒸發(fā)器 膨脹閥又稱節(jié)流閥，高壓液氨通過膨脹閥，壓力急劇下降，體積迅速膨脹，汽化吸熱，使其本身的溫度降

21、低到需要的低溫，再送入蒸發(fā)器。常用的手動閥有針形閥（公稱直徑較?。┖蚔形缺口閥（公稱直徑較大）兩種，羅紋有細牙，閥門開啟度較小，閥孔有一定形狀和結構，一般開啟為周，不超過一周。手動膨脹閥按公稱直徑的大小選用。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,立管式蒸發(fā)器如圖14-12所示，分別由28個單位蒸發(fā)器組成，每個單位蒸發(fā)器由上下兩支水平總管、中間焊接許多直立短管制成，有10、15、20m2及40m2等幾種蒸發(fā)面積。立式蒸發(fā)器的型號有LZ-20LZ-300型，其蒸發(fā)面積有20、30、40、60、90、120、200、240、320m2等。整個蒸發(fā)器有輸液總管、回氣總管、氨液分離器、集油器及遠距離液面指示器等接

22、頭。蒸發(fā)器里裝有攪拌器以維持流速，使載冷劑在箱內(nèi)循環(huán)。水箱下部有排水管，底及四周有絕熱層。傳熱系數(shù)K=500600W/m2)，單位熱負荷qF=23002900W/m2.,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,圖14-12 立管式蒸發(fā)器,1上總管； 2木板蓋； 3攪拌器； 4下總管； 5直立短管； 6氨液分離器； 7軟木； 8集油箱,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,立管中氨的循環(huán)路線如圖14-13。氨液自上部通過導液管進入蒸發(fā)器，導液管插入直立粗管中，保證液體先進入下總管、再進入立管，立管中液位幾乎達到上總管。由于細管的相對傳熱面大，保證了制冷劑的循環(huán)，從而提高了蒸發(fā)器的傳熱效果。 臥式殼管式蒸發(fā)器的結構與臥式殼

23、管式冷凝器相似。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,圖14-13 立管中制冷劑循環(huán)路線,1上總管； 2液面； 3直立細管； 4導液管； 5直立粗管； 6下總管,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,4油氨分離器 油氨分離器的作用是除去壓縮后氨氣中攜帶的油霧。油霧分離器有洗滌式、填料式等。洗滌式是慣性型分離器，如圖14-14所示。其原理是利用油氨的密度不同，在突然改變流速和方向時，由于油的密度較氨大而下降聚集在底部。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,圖14-14 油分離器,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,通常在壓縮機和油氨分離器之間的管路內(nèi)，氨氣流速為1220m/s。而進入油氨分離器后的流速為0.81.0m/s。一般油氨分離器

24、的直徑比高壓進氣管徑大45倍。這種分離器有YF-40、50、70、80、100、125、150、200等。型號數(shù)字表示氨氣進口管徑。為了提高分離效果，在油氨分離器內(nèi)設有傘形擋板，并保持一定的氨液液位，壓縮后的氨氣通入油氨分離器的氨液內(nèi)，進行洗滌降溫，分離效率可達95%。,14.2 制冷系統(tǒng)及設備,5貯氨罐 貯氨罐的作用是貯存和供應制冷系統(tǒng)的液氨，使系統(tǒng)各設備內(nèi)有均衡的氨液量，以保證壓縮機的正常運轉。 高壓貯氨罐與冷凝器的排液管、均壓管連接，常用的臥式貯氨罐是一個由圓柱形鋼板殼體及封頭焊接而成的容器，裝有液氨出口管、放空氣管、安全閥、放油閥、排污閥、液位鏡、壓力表等。容器的容納量，一般為每小時制冷循環(huán)量的1/3-1/2，氨液裝入量不應超過容量的80