CN210340877U - 一种发酵空气预处理系统 - Google Patents

Abstract

一种发酵空气预处理系统，包括空气加热器、空气冷却器和气液分离器，空气加热器为立式，其内部通过绝热隔板分隔成上下空间，热管贯穿绝热隔板设置，下面是蒸发段，上面是冷凝段，空气加热器左侧上、下部开设有空气出口和空气进口，空气加热器内下部设有可调流量的空气旁路通道，空气冷却器和气液分离器组合设置在卧式壳体内，该壳体的左侧开设有与空气加热器右侧下部的第一接口相连的进气接口，壳体右侧开设出气接口通过内部管路与空气加热器右侧上部的第二接口相连；空气冷却器是由若干组换热单元组成，可切换操作。本实用新型结构设计合理、高效节能，提高传热系数，系统简洁可靠，阻力损失低，同时降低造价和运行费用。

Description

一种发酵空气预处理系统

技术领域

本实用新型属于生物化工生产技术领域，涉及一种压缩空气净化系统，尤其涉及一种应用于好气性发酵的发酵空气预处理系统。

背景技术

好气性发酵是指微生物发酵过程需要氧气，用于基质同化、菌体生长和产物代谢。氧气的来源是空气，在发酵运行中必须持续提供洁净、干燥、无杂菌的空气，此空气还需要一定的压力，以克服设备、管道阻力损失、液态深层发酵基质产生的静压力和工艺所需罐内压力。

当今，膜技术已广泛应用于发酵无菌空气处理，但膜设备要求进口空气是干燥、干净的，因此必须通过前置预处理系统进行冷却除水降湿处理。传统的前置预处理系统通常是采用循环水、冷冻水两级冷却，两级除水，然后蒸汽加热的工艺，设备为普通列管式换热器和旋风分离器。这种传统的前置预处理系统有以下缺点：1、工艺复杂，阻力损失大；2、设备效率低，冷却后凝析水去除率低，除湿效果差；3、由于设备效率低，冷却和加热的温差都很大，能耗高。

经查，现有专利号200910208228的中国专利《节能型空气预处理方法及其装置》，基本解决了阻力较高的问题，但其空气加热热源采用循环热水，热水的热量来源是系统空气冷却器内独立设置的换热单元。热水循环运行需要另行设置一套支持系统，包括热水储存桶、水泵及自控装置、辅助蒸汽加热装置和系统自控系统等，其运行费用包括水泵电费、热水流经换热设备的除垢清洗费用、自控维护费用等。可见其系统复杂，可靠性不够高，运行费用也较高。还有如果加热器热水泄漏入空气，造成发酵染菌，这点是致命的隐患。

还有，专利号为200920120153.4的中国专利《发酵空气预处理系统》，其加热热源是热空气本身，加热器采用传统管壳式结构，系统简洁、可靠性高，发酵生产安全稳定。但在节能减排的要求日益提高的当下，该系统还需改进，特别是阻力损失须进一步降低，为此须在流程工艺和设备结构两方面进行彻底革新。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、阻力损失小、更加高效节能的发酵空气预处理系统。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种发酵空气预处理系统，其特征在于：包括内置有热管的空气加热器、空气冷却器和气液分离器，其中空气加热器为立式结构，空气加热器内通过绝热隔板分隔成上下二个封闭空间，上部空间是冷湿空气被加热的区域，下部空间是热空气放热的区域，热管贯穿绝热隔板设置，在绝热隔板下面是蒸发段，在绝热隔板上面是冷凝段，空气加热器的左侧上部和下部分别开设有系统空气出口和空气进口，空气加热器的右侧下部开设有与空气冷却器相连接的第一接口，在空气加热器内下部设有空气旁路通道，空气旁路通道内设有调节阀；

空气冷却器和气液分离器左右组合设置在一卧式的压力容器壳体内，该壳体的左侧开设有与空气加热器的第一接口相连接的进气接口，壳体的右侧开设出气接口，出气接口通过内部空气管路与空气加热器的右侧上部的第二接口相连接；

空气冷却器是由若干组沿壳体长度方向竖直设置的换热单元组成，从空气加热器的空气进口进入的空气经蒸发段、旁路通道后从第一接口进入空气冷却器冷却，壳体底部开设有供换热单元冷却后产生的冷凝液排出的第一排液口；

气液分离器设置在壳体内位于空气冷却器的右侧，气液分离器包括多个分离单元管，分离单元管沿壳体的长度方向水平均布在空气流经的圆截面上，壳体底部设有供湿空气经凝聚、离心沉降后产生的液滴排出的第二排液口。

作为改进，所述绝热隔板的厚度在10～30mm之间，空气加热器内上下两部分的空气流体压力基本平衡。

再改进，所述空气旁路通道是由管道、设置在管道内的调节阀以及操作杆组成，管道设置在热管的蒸发段下方，操作杆的一端与调节阀相连接，另一端伸出于空气加热器外，当进入系统的热空气在蒸发段放热过多，超过冷凝段冷湿空气的加热需求时，通过旋转操作杆调节调节阀的开度，即调节走旁路通道的空气流量，实现对系统空气出口的空气温度的恒定控制。

进一步，所述换热单元不少于二组，每组换热单位包括筒状的翅片换热管，翅片换热管竖直于壳体的长度方向设置，翅片换热管的上下两端开口处设有上管箱和下管箱，上管箱和下管箱分别伸出壳体外，上管箱上可拆卸地盖设有焊接有进水接管和出水接管的上盖板，下管箱的下端可拆卸地盖设有焊接有排污接管的下盖板。

再进一步，所述上管箱是由焊接在翅片换热管上的矩形管板、矩形接管、矩形法兰和管程分隔板组成，冷却水从上盖板的进水接管进入上管箱、换热管内部、下管箱、再向上经换热管内部、上管箱，最后从出水接管引出。

再进一步，所述矩形管板焊接固定在矩形接管内，矩形管板的平面长、宽尺寸都小于筒体直径，其厚度在12～20mm之间。

再进一步，所述下管箱与上管箱对称设置，下管箱的结构与上管箱基本相同，不同之处在于下管箱的管程分隔板比上管箱的管程分隔板少一块，管程分隔板是根据管程数设定，如果管程数是2，则下管箱内没有分隔板。

再进一步，所述上盖板和下盖板为对称设置的矩形盖板，上盖板和下盖板密封盖设在上管箱和下管箱的上端和下端，上盖板和下盖板通过螺栓与上管箱和下管箱上的矩形法兰可拆卸地连接固定。

最后，所述分离单元管内含导流和稳流装置，分离单元管的末端设有出气接口和排液接口，排液接口排出的液滴最终从第二排液口排出壳体，排气口排出的饱和湿空气最终从出气接口排出。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：在空气加热器内部设计旁路通道，经过热管蒸发段的空气与经过旁路通道的空气，二者同向平行，旁路通道内部设置调节阀，以控制流量、实现阻力平衡；空气冷却器与气液分离器组合在一个壳体内，前后布置，可降低制造成本、减小空气阻力；空气冷却器上设计了矩形管箱结构，并设置可拆卸的上下盖板，便于清洗、维护。本实用新型结构设计合理、更加高效节能，提高了传热系数，系统简洁可靠，阻力损失极低，同时降低了造价和运行费用，使得系统出口空气质量得到提高，促进发酵稳定生产。

附图说明

图1是本实用新型提供的发酵空气预处理系统的结构示意图；

图2是图1中空气加热器沿A-A线的剖视图；

图3是图1中换热单元沿B-B线的剖视图；

图4是图1中气液分离器的进口端沿C-C线的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1～4所示，一种发酵空气预处理系统(或者装置)，包括内置有热管10的空气加热器1、空气冷却器2、气液分离器3以及内部空气管路4，其中空气加热器1为立式结构，空气加热器1内通过绝热隔板11分隔成上下二个封闭空间，上部空间是冷湿空气被加热的区域，下部空间是热空气放热的空间，热管贯穿绝热隔板设置，热管10贯穿绝热隔板11，在绝热隔板11下面是蒸发段12，在绝热隔板11上面是冷凝段13；绝热隔板11的厚度在10～30mm之间，空气加热器1内上下两部分的空气流体压力基本平衡。

空气加热器1的左侧上部和下部分别开设有空气出口1d和空气进口1a，空气加热器1的右侧下部开设有与空气冷却器2相连接的第一接口1b，在空气加热器1内下部设有空气旁路通道14，热空气从空气进口1a进来后，可同时通过热管的蒸发段12和空气旁路通道14，空气旁路通道14与空气加热器1的筒体周边空间是封堵的(图4阴影部分)，空气旁路通道14是由管道141、设置在管道141内的调节阀142以及操作杆143 组成，管道141设置在热管的蒸发段12下方，操作杆143的一端与调节阀142相连接，另一端伸出于空气加热器1外，当进入系统的热空气在蒸发段12放热过多，超过冷凝段13冷湿空气的加热需求时，通过旋转操作杆143调节调节阀142的开度，即调节走旁路通道的空气流量，实现对系统空气出口1d的空气温度的恒定控制；控制方式可手动操作，也可接电动或气动自控执行机构，经过蒸发段12的空气和空气旁路通道14的空气，最后都只能通过第一接口1b进入空气冷却器2。

显然，对比其它系统设备外部设置的旁通管、阀门、法兰等必需配置，如上所述具有调节阀的设备内部旁路通道，其造价、阻力都是极低的。

空气冷却器2和气液分离器3左右组合设置在一卧式的压力容器壳体40内，该壳体40的左侧开设有与空气加热器1的第一接口1b相连接的进气接口401，壳体40的右侧开设出气接口402，出气接口402通过内部空气管路4与空气加热器1的右侧上部的第二接口1c相连接。

本实施例的空气冷却器2是由三组换热单元20组成，换热单元20沿壳体40的长度方向排列，每组换热单元20包括集束的翅片换热管21、上管箱22和下管箱23，翅片换热管21竖直于壳体40的长度方向设置，上管箱22和下管箱23对称在翅片换热管 21的上下两端开口处，上管箱22和下管箱23分别伸出壳体40外，上管箱22上可拆卸地设有焊接有进水接管241和出水接管242的上盖板24，下管箱23的下端可拆卸地设有焊接有排污接管251的下盖板25；上管箱22是由焊接在翅片换热管21上的矩形管板 221、矩形接管222、矩形法兰223和管程分隔板224围合而成，矩形管板221四周焊接在矩形接管222内，矩形管板221的平面长、宽尺寸都小于翅片换热管21直径，其厚度在12～20mm之间；下管箱23的结构与上管箱22基本相同，不同之处在于下管箱23 的管程分隔板224比上管箱22的管程分隔板224少一块，管程分隔板224是根据管程数设定，如果管程数是2，则下管箱23内没有管程分隔板224；上盖板24和下盖板25 为对称设置的矩形盖板，上盖板24和下盖板25密封盖设在上管箱22和下管箱23的上端和下端，上盖板24和下盖板25通过螺栓与上管箱22和下管箱23上的矩形法兰223 可拆卸地连接固定，需要时可拆卸螺栓，打开上盖板24或下盖板25，对管箱内部和换热管内部进行清洗，只要换热单元20设置有二组以上，就可实现逐一清洗，不影响壳程空气的正常流通；冷却水从上盖板24的进水接管241进入上管箱22、翅片换热管21 内部、下管箱23、再向上经翅片换热管21内部、上管箱22，最后从出水接管242引出；每组换热单元20可走相同或不同的冷却水，每组换热单元20冷却水的通断可以分别操作，即可以在冷却负荷较低的冬春季，在壳程空气流通的情况下，对管箱进行逐一拆开清洗。这种不停机的在线清洗，降低了生产运行成本；从空气加热器1的空气进口1a 进入的空气经蒸发段12、空气旁路通道14后从第一接口1b进入空气冷却器2冷却，其中水蒸气被冷却、冷凝，析出的冷凝水凝聚在翅片换热管21表面，受重力作用往下流动，积聚在底部，通过第一排液口26排出壳体40，被气流夹带的小直径液雾液滴进入后续的气液分离器3。

气液分离器3设置在壳体40内位于空气冷却器2的右侧，气液分离器3采用专利公开号201811387224所述设备，气液分离器3包括多个分离单元管31，分离单元管31 沿壳体40的长度方向水平均布在空气流经的圆截面上，由于空气冷却器2与气液分离器3组合在同一壳体40内，空气流通截面没有突变，不需要经过整流，湿空气自然均匀分配流量进入每个分离单元管31；分离单元管31内含导流和稳流装置311，分离单元管的末端设有排气口312和排液接口313，壳体40底部后侧设有供液滴排出的第二排液口32，湿空气进入内部，由于导流产生旋转，其中液滴经过多次撞击凝聚，并离心沉降在分离单元管31管壁，从末端排液口313排出，之后汇集在底部，最终从第二排液口32排出壳体40，除尽水分饱和湿空气从排气口312排出，最终从出气接口402排出，出气接口402通过内部内部空气管路4与空气加热器1的第二接口1c相连接。

空气冷却器2和气液分离器3的组合设计，节约了阻力和造价。而且空气冷却器2的开口设计既满足了工艺清洗方便的要求，也符合压力容器强度方面的设计要求，它最大限度地保留了圆筒壳体的完整性，可以通过有限元的分析计算验证。

通过内部空气管道4，气液分离器3的出气接口402和空气加热器1上部第二接口1c相连接，湿空气从空气加热器1的第二接口1c进入冷凝段13，与管内工质蒸汽发生热交换，蒸汽被冷凝回流至下部蒸发段12，空气被加热，降低相对湿度，最后从空气出口1d排出。空气加热器的空气进口1a、空气出口1d就是系统的进出口，按工程需要，连接相应的外部管道。

如前所述，对于一个特定的空气微团，流进系统每一处有先后时间差。但对于空气加热器1来说，下部蒸发段12和上部冷凝段13的空气几乎一直是始终同时存在的。由于热管内工质蒸发、冷凝的不断循环，两股空气也持续、间接进行热交换。这种热交换不需要来自系统外部的热量输入，而且冷却器的冷却负荷也减轻了，节能效益非常显著。

另外，空气换热器1的绝热隔板11两端是同源空气，两者压差就是空气流经空气冷却器2、气液分离器3、内部空气管道4的合计阻力，这个阻力正常情况下可以控制 2kPa左右。因此绝热隔板11几乎可以按常压设计，与空气本身压力无关，仅需考虑热管重力作用下的刚性问题。这点对降低制造难度和造价有积极意义。

空气加热器1两侧空气的阻力合计正常情况下，可以控制在1kPa左右。因此系统总阻力约3kPa。这个数据几乎是目前所有规模发酵空气预处理系统中的最优值。相比下，传统固定管板列管换热器、旋风分离器的组合系统，其阻力在10～50kPa之间；对比专利200920120153.4空气预处理系统，其阻力也在5～10kPa左右。空气阻力降低，空压机可降压运行，对规模发酵企业来说，几个千帕的压力差，每年节约电费可有几十万元。

可以说本实用新型系统在使用工艺性能、技术指标性能、设备安全性能和较低的造价多方面达到了比较理想的结合。

Claims (9)

1.一种发酵空气预处理系统，其特征在于：包括内置有热管的空气加热器、空气冷却器和气液分离器，其中空气加热器为立式结构，空气加热器内通过绝热隔板分隔成上下二个封闭空间，上部空间是冷湿空气被加热的区域，下部空间是热空气放热的区域，热管贯穿绝热隔板设置，在绝热隔板下面是蒸发段，在绝热隔板上面是冷凝段，空气加热器的左侧上部和下部分别开设有系统空气出口和空气进口，空气加热器的右侧下部开设有与空气冷却器相连接的第一接口，在空气加热器内下部设有空气旁路通道，空气旁路通道内设有调节阀；

空气冷却器和气液分离器左右组合设置在一卧式的压力容器壳体内，该壳体的左侧开设有与空气加热器的第一接口相连接的进气接口，壳体的右侧开设出气接口，出气接口通过内部空气管路与空气加热器的右侧上部的第二接口相连接；

空气冷却器是由若干组沿壳体长度方向竖直设置的换热单元组成，从空气加热器的空气进口进入的空气经蒸发段、旁路通道后从第一接口进入空气冷却器冷却，壳体底部开设有供换热单元冷却后产生的冷凝液排出的第一排液口；

气液分离器设置在壳体内位于空气冷却器的右侧，气液分离器包括多个分离单元管，分离单元管沿壳体的长度方向水平均布在空气流经的圆截面上，壳体底部设有供湿空气经凝聚、离心沉降后产生的液滴排出的第二排液口。

2.根据权利要求1所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述绝热隔板的厚度在10～30mm之间，空气加热器内上下两部分的空气流体压力基本平衡。

3.根据权利要求1所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述空气旁路通道是由管道、设置在管道内的调节阀以及操作杆组成，管道设置在热管下方，操作杆的一端与调节阀相连接，另一端伸出于空气加热器外，当进入系统的热空气在蒸发段放热过多，超过冷凝段冷湿空气的加热需求时，通过旋转操作杆调节调节阀的开度，即调节走旁路通道的空气流量，实现对系统空气出口的空气温度的恒定控制。

4.根据权利要求1所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述换热单元不少于二组，每组换热单位包括筒状的翅片换热管，翅片换热管竖直于壳体的长度方向设置，翅片换热管的上下两端开口处设有上管箱和下管箱，上管箱和下管箱分别伸出壳体外，上管箱上可拆卸地盖设有焊接有进水接管和出水接管的上盖板，下管箱的下端可拆卸地盖设有焊接有排污接管的下盖板。

5.根据权利要求4所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述上管箱是由焊接在翅片换热管上的矩形管板、矩形接管、矩形法兰和管程分隔板组成，冷却水从上盖板的进水接管进入上管箱、换热管内部、下管箱、再向上经换热管内部、上管箱，最后从出水接管引出。

6.根据权利要求5所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述矩形管板焊接固定在矩形接管内，矩形管板的平面长、宽尺寸都小于筒体直径，其厚度在12～20mm之间。

7.根据权利要求6所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述下管箱与上管箱对称设置，下管箱的结构与上管箱基本相同，不同之处在于下管箱的管程分隔板比上管箱的管程分隔板少一块，管程分隔板是根据管程数设定，如果管程数是2，则下管箱内没有分隔板。

8.根据权利要求7所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述上盖板和下盖板为对称设置的矩形盖板，上盖板和下盖板密封盖设在上管箱和下管箱的上端和下端，上盖板和下盖板通过螺栓与上管箱和下管箱上的矩形法兰可拆卸地连接固定。

9.根据权利要求1至8任一权利要求所述的发酵空气预处理系统，其特征在于：所述分离单元管内含导流和稳流装置，分离单元管的末端设有出气接口和排液接口，排液接口排出的液滴最终从第二排液口排出壳体，排气口排出的饱和湿空气最终从出气接口排出。

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