生物工厂设计概论 复习题.docx
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生物工厂设计概论复习题
生物工厂设计概论
绪论
1.课程的目的：
培养学生具备工厂工艺设计的能力，结合毕业实习和毕业设计，完成工程师的综合性基本训练。
2.总（整）体设计：
凡是设计范围涉及到整个工业企业的，称总体设计。
——发酵工厂的总体设计有总平面、工艺、供排水、供电、供汽、土木建筑等设计以及有关厂址选择、生产检测与控制仪表、环境保护、生产组织与劳动定员、技术经济与概算等内容。
3.局部设计：
凡是设计的范围不涉及整个工业企业的全部内容，而只是其中的某些部分，甚至于某一个部分或某一个设备，称局部设计。
——新建厂的设计一般属于总体设计，扩建厂的设计一般属于局部设计者居多。
4.生产工艺设计的主要依据
（1）可行性研究报告以及设计计划任务书。
（2）项目工程师或项目总负责人下达的设计工作提纲和总工程师作出的技术决定。
（3）如采用新原料品种、新技术和新设备时，必须在技术上有切实把握并且依据了正式的试验研究报告和技术鉴定书，经设计单位领导核准后方可作为设计依据。
5.内容和深度：
按初步设计阶段和施工图设计阶段有不同的内容和深度
第一章基本建设程序
1.基本建设程序的内容
（1）．建设前期阶段
工作内容包括：
项目申报阶段、初步设计阶段
工作程序为：
（了解）
一个工程项目从社会发展、工业布局、市场需求和地区、行业发展规划—→项目申请报告—→上报审批、备案—→初步设计、总概算工作—→初步设计图纸、文件、总概算—→上报审批（批准后，才能进入第二阶段建设期工作。
）
（2）．建设期阶段
（3）．交付使用期的工作程序
2.项目申请报告的任务
项目申请报告是设计工作的前奏，其任务是向国家、省、市有关主管部门直接申请工程项目，以期批准立项，进行厂址选择调研工作及可行性研究工作。
对于大、中型工程项目国家有严格的管理规定，需要按程序报国家有关部门批准。
对于小型工程项目，项目建议书由主管部门批准，可按明确的设计方案，直接进行施工图设计，使设计程序得以简化。
3.可行性研究的任务和意义
可行性研究，是按照批准的项目建议书，由上级主管部门组织，也可委托咨询或设计单位进行。
任务是根据三级经济规划（包括国家、地区与行业的）要求，或根据市场经济的要求，对拟建（扩、改建）工程项目的技术性、经济性和工程实施性，进行全面调查、预测、分析和论证，作出是否合理可行的科学评价，最后，写出可行性研究报告，为对项目作出决策提供可靠依据。
如若批准立项，可行性研究报告中确定的设计方案与设计原则及其附属的基础资料，应当作为编制设计任务书的主要依据。
4.设计任务书是一个指令性文件，是确定基本建设项目，编制设计文件的主要依据。
设计任务书是在可行性研究的基础上编写的。
5.设计阶段的划分，一般按工程规模的大小、工程的重要性、技术的复杂性、设计条件的成熟程度以及设计水平的高低，总的可以分为三阶段设计、两阶段设计和一阶段设计三种情况。
三阶段设计：
初步设计→技术设计→施工图设计。
对于新而复杂、规模特大或缺乏该种设计经验的大、中型工程，经主管部门指定的才按三阶段进行设计。
两阶段设计：
扩大初步设计（也简称初步设计）→施工图设计。
我国目前大多数改建、扩建和新建工程，都采用两阶段设计。
一阶段设计：
施工图设计。
一般为小厂的新建或小规模的改、扩建工程。
6.初步设计是基本建设前期工作的组成部分，是实施工程建设的基本依据。
7.初步设计的依据是批准的设计任务书及其附件可行性研究报告，以及可靠的设计基础资料。
8.初步设计的目的是保证工程项目投产后，收到预期的经济效益。
9.初步设计的成果是设计说明书与设计图纸。
第六节施工图设计阶段（以下老师上课没说考）
一、施工图设计的内容
QBJS34-2005轻工业建设项目施工图设计编制内容深度规定
1．设计文件——施工说明书内容：
（1）如果对初步设计的某些内容必须进行修改时，应详细说明修改的理由和原因。
但有些主要内容如生产规模、产品方案、工艺流程、主要设备、建筑面积和标准、定员等等，须报请原来审批初步设计的机关批准后才能据以修改。
（2）设备安装和验收标准及其注意事项。
（3）管道安装和验收标准及其注意事项。
2．设计图纸
施工图阶段的图纸包括：
（1）生产工艺系统详图；
（2）生产设备布置安装图、管路布置安装图，比例都采用1:
50，1:
25；有些细部详图可采用1:
10、1:
5、1:
2等比例，以便于施工安装和制造；
（3）非标准设备制造和安装图，按机械制图标准绘制；
（4）设备和电动机明细表，施工、安装、现场制作件材料汇总表；
（5）其他为了设备订货和安装的补充说明和图纸。
第二章厂址选择与工厂平面设计
1.厂址选择的重要性（了解）
厂址选择正确与否，不仅关系到建厂过程中能否以最省的投资费用，按质按量按期完成工厂设计中所提出的各项指标，而且对投产后的长期生产、技术管理和发展远景，都有着很大的影响，并同国家地区的工业布局和城市规划有着密切的关系。
2.厂址选择的原则
厂址选择包括建厂地区和工厂场地位置的选择
建厂地区：
就是对所建厂在某地区内的方位（即地理坐标）及其所处的自然环境状况，进行勘测调查、对比分析。
场地选择：
就是对所建厂在某地点处的面积大小、场地外形及其潜藏的技术经济性，进行周密的调查、预测、对比分析，作为确定厂址的依据。
3.厂址选择的总原则：
（1）厂址选择，首先应符合国家的方针政策，符合所在地区、城市规划，符合工业布局。
（2）充分利用各地有利条件，避免和克服不利条件；三废少，污染小；节约用地。
（3）企业接近原料、能源产地和产品消费区，消除不合理运输；总体经济效益好。
4.一般原则：
自然条件；技术经济条件及所在行业的特点。
5.厂址方案比较两种方法（记住名）：
统计学法、方案比较法
统计学法：
就是把厂址的诸项条件（自然条件和技术经济条件）当作影响因素，把要比较的厂址编号，然后对每一厂号厂址的每一个影响因素，逐一比较其优缺点，并打上等级分值，最后把诸因素比较的等级分值进行统计，得出最佳厂号的选择结论。
这种比较方法，把诸影响因素看成独立变量，逐一比较，工作十分细致，但很繁琐。
只有借助计算机技术处理数据，方可推广使用。
方案比较法（概念记住）：
就是以厂址自然条件为基础，以技术经济条件为主体，列出其中若干条件作为主要影响因素，形成厂址方案。
然后对每一方案的优缺点进行比较，最后结合以往的选择厂址经验，得出最佳厂号的选择结论。
这种方案比较法的理论依据是：
主要影响因素起主导作用和设计方法同实践经验相结合的原则，因而得出的结论较为可靠，做法上避免了繁琐而广为采用。
6.工厂总体布置的平面设计的任务：
将工厂的所有建筑物，构筑物和其它工程设施，合理的布置在所选择厂址的界区内。
深度：
厂址选择前，初步规划；厂址确定后，详细设计；施工设计阶段，确定准确位置及标高。
7.总平面设计的基本内容包括：
平面布置设计、竖向设计、运输设计、管线综合布置、绿化布置五项内容。
8.总平面设计的主要依据：
审批的设计任务书、厂址选择报告、厂址总平面布置方案草图及生产工艺流程简图。
基本要求：
（判断题）
（1）必须符合生产流程的要求。
原料、半成品、成品的生产作业线应顺直、短捷，避免作业线的交叉和返回。
因此，建、构筑物厂房布置既要分区划片，还要结合厂址地形合理选择标高，顺应等高线布置。
如果地形坡度较大时，应采用阶梯式布置，以减少平整场地土石方量和缩短车间之间距离。
（2）应当将占地面积较大的生产主厂房布置在厂区的中心地带，以便其他部门为其配合服务。
在地形地质受限制的条件下，应采取施工措施加以解决，既不能勉强追求方正，又不能迁就施工简便，以免留有后患，长期影响生产经营。
工厂大门及生活区应与生产主厂房相适应，便于工人上下班。
（3）应充分考虑地区主风向的影响，合理布置各建、构筑厂房及厂区位置。
发酵工厂菌种各异，应防止环境染菌。
厂内生产区总有废气、废水排出，为了确保生活区、行管区的环境卫生，生产区应处在生活区的下风向，而卫生要求高的车间应处在上风向。
（4）应将人流、货流通道分开，避免交叉。
工厂大门至少应设置两个以上，包括正门（职工出入）、侧门（产品、材料出入）、后门（指原料、燃料、废料进出）等。
同时，合理设计厂内运输系统（包括仓库、堆场等），保证良好的运输条件和效益。
（5）应遵从城市规划的要求。
面向城市交通干道方向作工厂的正面布置。
正面的工厂建筑物应直线性布置，与城市建筑群保持协调，以利市容美观整齐。
（6）必须符合国家有关规范和规定。
如《工业企业设计卫生标准》、《建筑设计防火规范》、《厂矿道路设计规范》、《工业企业采暖通风和空气调节设计规范》、《工业锅炉房设计规范》、《工业“三废”排放试行标准规定》、《工业与民用通用设备电力装备设计规范》等，以及厂址所在地区的发展规划。
保证工业企业协作条件。
9.工厂组成：
生产车间、辅助车间、动力车间、行管部门、职工宿舍。
10.厂区划分为厂前区、生产区、厂后区及左右两侧区
11．主生产车间建筑物的布置位置
（1）是全厂布置的关键,布置在中心地带。
（2）地势平坦，地耐力超过（1.5～2）×105N/m2；
（3）应正面朝阳或偏南向布置。
或能与地区主风向成60°～90°的方位角布置；
（4）平面外形多是长条形，外表面平直整齐。
（5）生产车间位置应直通生活区和厂大门。
（6）当城市建设规划有要求时，将主要生产车间设计成高层建筑或沿街道直线布置。
总平面布置和运输设计的有关参数
1、总平面布置的有关参数（老师上课复习的时候没说考）
（1）建筑物间距X
当a<3m时，则要求：
当a>3m时，则要求：
式中H，H1，a——甲建筑物的肩高，顶高，肩宽
h——乙建筑物的肩高
2．厂房建筑物正面与全年（或夏季）主风向的夹角，以60～90°为宜，即“迎风位置”布置。
目的改善通风条件
3．建筑系数Kl与场地系数K2
4．坐标网
（1）地理测量坐标网——X、Y坐标系
此坐标规定南北向增减以横坐标X表示，东西向以Y表示。
在X、Y坐标轴上作间距为50m或100m的方格网上，标定厂址和厂房建筑物的地理位置。
这是国家地理测量局规定的坐标系，全国各地都必须执行。
（2）建筑施工坐标网——A、B坐标系
由于厂区和厂房的方位不一定都是正南正北向，即与地理测量坐标网不是平行的（即有一个方位角θ）。
为了施工现场放线的方便和减少每一点地形位置标记坐标时的繁琐计算，总平面设计时，常常采用厂区、厂房之间方位一致的建筑施工坐标网。
规定横坐标以A表示，纵坐标以B表示。
也作间距50m或100m的方格网，用来标定厂区、厂房的建筑施工位置。
12.几项竖向布置参数（判断）
（1）建、构筑物的标高应于计算洪水水位0.5m以上。
锅炉房应位于全厂最低处，以利于回收凝结水，但也应至少高出最高洪水位0.5m以上。
（2）综合管线埋设深度一般要在冻土层以下，以免遇到极冷时刻被冻裂。
（3）散水坡的坡度应大于3％，保证雨水顺利排除，但是也不能大于6％，以免产生冲刷现象。
（4）厂区自然地形坡度大于4％，车间之间高差达1.5～4.Om，多采用阶梯竖向布置。
第三章工艺流程设计
1.工艺流程设计的主要任务：
其一是确定由原料到成品的各个生产过程及顺序，说明生产过程中物料和能量变化及流向，采用的生物反应或化工过程及设备。
其二是绘制工艺流程图。
2.选择生产方法的主要依据：
（1）原料来源、种类和性质
（2）产品的质量和规格（3）生产规模（4）技术水平（5）建厂地区的自然环境（6）经济合理性
3.工艺流程的设计原则（了解）
（1）保证产品质量符合国家标准或外销质量要求。
（2）采用成熟、先进的技术和设备，努力实现高效低耗。
（3）环境友好、资源利用充分、可持续发展。
（4）确保人身和设备的安全。
（5）尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。
4.工艺流程设计经历三个阶段：
（1）生产工艺流程示意图；
（2）生产工艺流程草图；（3）生产工艺流程图。
一、生产工艺流程示意图（老师上课复习的时候没说考）
生产工艺流程示意图在物料衡算前进行，作用是：
定性地表明原料变成产品的路线和顺序，以及采用的单元操作、操作方式及设备。
（一）工艺流程草图的制图要求
工艺流程草图是由物料流程、图例、设备一览表以及必要的文字说明所组成，一般是初步设计阶段的草图。
（1）应表示出厂房各层楼面的标高。
（2）画出设备示意图，设备的尺寸大小应适当相称且大致形似，并标明其流程号。
（3）画出设备的物料及水、汽、真空、压缩空气、冷冻剂等管线和流动方向，以及管线上的主要阀门及管路附件如过滤器、疏水器等。
（4）画出必要的计量器具和控制仪表。
（5）必要的文字注释，如半成品、副产品的去向等。
（6）附注图例，并按国家规定画出图签、图框。
制图比例大致按1:
100进行绘制，如设备过小或过大时则可采用1:
50或1:
200。
第四章工艺计算
1.物料衡算的原理：
质量守恒定律
物料衡算：
根据质量守恒定律，引入系统或设备的物料质量Gm，等于输出系统或设备的物料（常为产物）的质量Gp和物料损失量Gw之和，即：
Gm＝Gp＋Gw
此法则，既适于单元操作过程，也适于整个生产过程；既可进行总物料衡算，也可对混合物中某一组分作部分物料衡算。
（二）物料衡算的方法和步骤（老师上课复习的时候没说考）
1．弄清题意和计算的目的要求——充分了解物料衡算的目的要求，决定计算方法。
2．绘出物料衡算流程示意图——使用框图和线条图表示系统。
把主要物料和辅助物料都在图上标清楚，并尽可能标出各物料的流量、组成、温度和压力等参数。
3．写出生物反应方程式——根据工艺过程发生的生物反应，写出主反应和副反应的方程式。
对复杂的反应过程，可写出反应过程通式和反应物组成。
副反应很多，可把所占比重很小的副反应略去。
对那些产生有毒物质或明显影响产品质量的副反应，其量虽小，但不能忽略。
4．收集设计基础数据和有关物化常数
需收集的数据资料包括：
生产规模，年生产天数，原料、辅料和产品的规格、组成及质量等。
常用的物化常数可在相应的化工、生化设计手册中查到。
5．确定工艺指标及消耗定额等
设计所用的工艺指标、原材料消耗定额及其他经验数据，可根据所用的生产方法、工艺流程和设备，对照同类型生产工厂的实绩水平来确定，这必须是先进而又可行的，它是衡量企业设计水平高低的标志。
2.选定计算基准
（1）以单位时间产品量或单位时间原料量作为计算基准。
这类基准适用于连续操作过程及设备的计算。
（2）以单位重量、单位体积或单位摩尔数的产品或原料为计算基准。
（3）以加入设备的一批物料量为计算基准。
3.热量衡算的意义
（1）计算生产过程能耗定额指标。
（2）热量衡算的数据是设备选型、确定台数的依据。
（3）热量衡算是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。
4.热量恒算式
—输入的热量总和（kJ）—输出的热量总和（kJ）—损失的热量总和（kJ）
第五章设备的设计与选型
1.设备选型的依据
（1）由工艺计算确定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗风量、耗冷量等。
（2）工艺操作的最适外部条件（温度、压力、真空度等）。
（3）设备的构造类型和性能。
2.间歇操作设备生产能力数量和容积的设计计算
（1）间歇操作设备生产能力的确定
生产能力的表示方法，一般为t／（罐·批）或m3／（罐·批）。
例如3000t／a味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能力为：
100×70％×15％×48％×80％×112％（1-1％）
＝4.47[t／（罐·批）]
式中100——发酵罐容积（t）15％——发酵初糖浓度70％——填充系数
48％——发酵转化率80％——提取率112％——精制收率1％——染菌率
（2）间歇操作所需设备数量的确定（重点）
或
式中 N——设备的操作台数（不含备用）
Z——工段的生产能力，以每昼夜加工原料和半成品的吨数表示
τ——设备的每一个操作周期（h）
G——设备操作有效量（t）
r——一昼夜内设备操作的小时数
V0——昼夜内被加工的原料、半成品的容量（m3）
Va——一台设备的容量（m3）
ϕ——设备的填充系数，此值为经验值，主要考虑物料的泡沫性质和将来可能增加的容量余地。
（3）设备容积的计算
式中V——设备的总容积（m3）
Va——24h内加工的成品或半成品的容积（）
r——操作周期，包括预备时间、操作和清洗等辅助操作时间（h）
ϕ——设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置的或产生泡沫多的物料应取0.6～0.8，酒精发酵罐等取0.8～0.85，汽液分离器取0.7等
（4）设备主要尺寸的计算
发酵工厂的设备多为容器型设备。
不同的设备，高径比有很大差别。
锥形底制作容易，排料干净，间歇操作采用较多。
通常根据已知容量V以及高径比、封头高度，列出数学方程求出各部尺寸。
直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系数。
然后校核总容量是否可满足工艺计算的容量要求。
如偏差太大，还要作相应调整，直到符合要求。
直径确定后，可根据关系求出其他尺寸。
3.管道的画法：
i线型规定：
工艺物料管道用粗实线绘制，辅助管道用中实线绘制，仪表管则用细虚线或细实线绘制。
ⅱ交叉与转弯：
绘制管道时，应尽量注意避免穿过设备或使管道交叉，不能避免时，应将横向的管道断开一段。
管道要尽量画成水平或垂直，不用斜线。
若斜线不可避免时，应使只画出一小段，以保持图面整齐。
图上管道转弯处，一般应画成直角而不是圆孤形.
ⅲ放气口、排液管及液封管：
管道上的取样口、放气口、排液管、液封管等应全部画出。
放气口应画在管道的上边，排液管则绘于管道下侧，U型液封管尽可能按实际比例长度表示。
iv来向和去向：
本流程图与其他流程图连接的物料管道应引至近图框处。
与其他主项连接者，在管道端部画一个由细线构成的空心箭心。
箭头框中写明来向或去向的设备图号，上方则注明物料来向或去向的设备位号。
习惯来向集中在图纸左侧，去向集中在图纸右侧。
生物工程设备
第四章液-固分离设备
1.过滤介质分类：
①织物介质：
②堆积介质③多孔固体介质④多孔膜
过滤介质起着支撑滤饼的作用，并能让滤液通过，对其基本要求是具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。
2.分离因子
离心设备的一个重要技术指标是其所能达到的离心力与重力的比值，称为分离因数。
分离因数是衡量离心程度的参数，用Z表示
Z越大，越利于分离
式中，r为离心半径，即从旋转轴心到沉降颗粒的距离，
N为离心机的转数（s-1）。
ω为旋转角速度（rad/s）
3.板框过滤机结构组成:
（简答）
（1）机架：
机架是压滤机的基础部件，两端是止推板和压紧板，两侧的大梁将二者连接起来，大梁用以支撑滤板，滤框和压紧板。
（2）压紧机构：
板框的压紧方式有手动压紧、机械压紧、液压压紧三种。
（3）过滤机构：
由滤板、滤框、滤布组成
4.明流过滤：
每个滤板的下方出液孔上装有水咀，滤液直观地从水咀里流出。
5.暗流过滤：
每个滤板的下方设有出液通道孔，若干块滤板出液孔连成一个出液通道，由止推板下方出液孔相连接的管道排出。
6.间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合
7．板框过滤机主要优缺点
构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa左右），便于用耐腐蚀性材料制造，便于洗涤。
它的缺点是装卸、清洗劳动强度较大。
8.型号：
（主要记数字表示的意思，出判断）
例如：
XAMZG160/1250-30u型压滤机。
X是厢式压滤机（B是板框式压滤机）；
A是指的滤液流出方式是暗流的（M既是明流）；
Z是自动（S是手动，Y是液压），G是隔膜滤板；
160既是过滤面积160平方米；
1250是指的滤板的外型尺寸是1250×1250；
30滤板的厚度，
U塑料X橡胶铸铁省略
9.选用：
悬浮液的特性（黏度、含固量、处理量、流速等）、
处理要求、材质、明流或暗流、压紧方式等
无菌过滤：
不锈钢、暗流（还有易挥发）
浓度：
高的选厚框
尽量选自动压紧
滤布：
料液pH值，固体粒径等因素选用合适的滤布材质和孔径以保证低的过滤成本和高的过滤效率，使用时，要保证滤布平整不打折
10.真空鼓式过滤机由转鼓、液槽、抽真空装置和喷气喷水装置组成。
核心部件是转鼓和分布装置。
11.真空鼓式过滤机的四个工作区：
（1）滤饼形成区，
（2）洗涤吸干区，（3）吹松脱落区，（4）再生区
12.真空转鼓式过滤机的主要优缺点：
优点：
连续操作，易实现自动，对处理量大而容易过滤的料浆特别适宜。
缺点：
转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌小；用真空吸液，过滤推动力不大，悬浮液中黏度不能高，颗粒尺寸不能太小；辅助设备多，能耗大。
13.生产能力：
（判断）
首先取决于转筒的面积（国产GP型固式过滤机过滤面积由1、2、5、20m2四种）；
对于特定的过滤机，提高转速和浸入角度均可提高其生产能力。
但浸入角度过大会引起其它操作的面积减小，甚至难以操作；若转速过大，则每一周期中的过滤时间很短，使滤饼太薄，难于卸渣，且功率消耗也很大。
合适的转速需要通过实验来确定。
14.离心分离设备的分类
按作用原理分类
过滤式:
（分离机）：
转鼓壁上有孔并装滤布（三足式）液-固分离
沉降式:
（澄清机）：
转鼓壁上无孔无滤布，碟片式、管式液-液分离
按离心分离因素分类
常速离心机，分离因素f小于3000
中速离心机，分离因素f3000-50000
高速离心机，分离因素f大于50000
超高速离心机，分离因素f大于20万；
15.管式离心机和碟片式离心机相比的优缺点：
（1）管式离心机
优点：
转速可达2×104r/min,离心力较大，设备简单，分离效率高，操作稳定；缺点：
沉降面积小，处理能力低（可达10m3/h）
（2）碟片式离心机
优点：
沉降面积大（碟片），提高处理能力（最大300m3/h）；
缺点：
转速较管式离心机低，约1×104r/min,结构复杂
16.管式离心机转鼓的直径小而长度较长。
其特点：
●结构简单，运转可靠；（D40～150mm，H/D4～8）
●转速高；一般在10000转/分以上
●分理效果好；离心分离因数可达15000～65000
缺点：
处理能力低
17.管式离心机型号标记（数字表示的重点记住）
GQ105NA
转鼓内经（mm）
材料：
N－不锈钢；碳钢不标记
改型设计：
A－第一次设计
澄清用（Q）；分离用（F）
管式离心机（G）
18.碟片式离心机
●结构复杂，价格昂贵；
●转速较管式离心机低；4000～12000r/min
●分理效果较好；离心分离因数3000～13000
●沉降面积大；可达10000～200000m2，生产能力可达100m3/h。
19.离心分离设备的放大
（1）以等效时间放大
等效时间：
依据离心力和离心时间的乘积来估计离心分离的难易程度。
f：
分离因数f愈大，t愈短
（2）以几何特征参数放大
对于管式离心机，其几何特征参数
对于碟片式离心机，其几何特征参数
2
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