发酵工厂工艺设计概论-3

1、第四章 工艺流程设计,第四章 工艺流程设计,第一节 概 述 工艺流程设计和车间布置设计是工艺设计的两个主要内容，是决定工厂的工艺计算、车间组成、生产设备及其布置的关键步骤。 在整个工艺设计中最先开始，但需逐步进行局部修改，所以几乎是最后才完成。 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。,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,第三节 工艺流程的设计步骤 三个阶段： (1)生产工艺流程示意图； (2)生产

2、工艺流程草图； (3)生产工艺流程图。,工艺流程示意图,得出原料、半成品、产品、副产品、废水、废料等规格、重量和体积,二、工艺流程草图的设计,计算、确定计量和贮存设备的容积、决定容积型设备的尺寸和台数,工艺流程草图的设计,物料平衡计算,水、电、汽、能量计算；确定单元操作参数，如过滤面积、传热面积等，对专业设备和通用设备进行设计或选型,得出所有设备的规格、型号、尺寸、台数,对工艺流程草图进行修改和充实,(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

3、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。,第五章 工艺计算,第五章 工艺计算,第一节 物料平衡计算 一、物料衡算的意义、方法和步骤 物料衡算是工艺计算的基础，在整个工艺计算中开始得最早，最先完成。当生产方法确定并完成了工艺流程示意图设计后，即可进行物料平衡计算。

4、,(一)物料衡算的意义 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： GmGpGw 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 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

5、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。,6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

6、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。对于固体或液体常用单位质量(t或kg)，对于气体常用单位体积或单位摩尔数(L，m3或mol)，热量一般以焦耳为单位(J)。 (3)以加入设备的一批物料量为计算基准。,7由已知数据，根据GmGpGt进行物料衡算。 根据物料衡算式和待求项的数目列出数学关联式，关联式数目应等于未知项数目。当关联式数目小于未知项数时，可用试差法求解。 8校核与整理计算结果，列出物料衡算表 在整个物料衡算过程中，对主要计算结果都必须认真校核，确保无误。发现差错，必须及时重算更正，以免错误延续，导致大量返工重算，甚

7、至延误设计进度。最后，把整理好的计算结果列成物料衡算表。,9绘出物料流程图 根据计算结果绘制物料流程图。物料流程图要作为正式设计成果，编人设计文件，以便于审核和设计施工。 最后，经过各种系数转换和计算，得出原料消耗综合表和排出物综合表,二、主要技术经济指标的确定 (一)技术经济指标确定的意义 技术经济指标是衡量工厂设计的合理性和先进性的主要依据。先进的、合理的技术经济指标是工厂建设成功的基础。 物料衡算和能量衡算是确定生产过程技术经济指标的关键数据。通过生产全过程的总物料衡算、能量衡算和各阶段的物料衡算、能量衡算，就可以求出： (1)生产1000kg成品或半成品的原材料消耗定额及原料总回收率。

8、 (2)生产1000kg成品所产生的排出物，包括副产物、废水、废气、废渣等。 (3)生产1000kg成品的水、蒸汽、空气及冷量等消耗定额以上三项，通常构成了产品单位成本的主要部分。,(二)主要技术经济指标内容 ： 1生产规模(t/a) 2生产方法 3生产天数(d/a) 4产品日产量(t/d) 5产品年产量(t/a) 6副产品年产量(t/a) 7产品质量 8总回收率(),9原材料单耗 (1)主原料(t/t产品) (2)辅料(t/t产品) (3)水(t/t产品) (4)电(kWh/t产品) (5)蒸汽(t/t产品) (6)冷量(kJ/t产品) 10总投资(万元) (1)设备价值 (2)材料费 (3

9、)运杂费 (4)建筑工程费 (5)工资 (6)其他 11劳动生产率 (1)生产人员 (2)商品产值(万元) (3)全员劳动生产率万元(人a) (4)工人实物劳动生产率t(a人),12单位成本(元t) 13利润 (1)单位产品利润(元t) (2)总利润(万元a) 14投资回收年限(a) 15全厂设备总重量(t) 16全厂主要管件、管材总重(t) 17钢铁、水泥、木材单耗,第二节 热量平衡计算 一、热量衡算的意义、方法和步骤 (一)热量衡算的意义 (1) 计算生产过程能耗定额指标。可对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺；或对已投产的生产系统的生产过程的经济合理性、过程的先进性进行分析

10、，并找出存在的问题，提出改造或革新的措施。 (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。,(二)热量衡算的方法和步骤 热量衡算也可作全过程的或单元设备的热量衡算。以单元设备的衡算为例具体的方法和步骤如下： 1画出单元设备的物料流向及变化的示意图。 2分析物料流向及变化，写出热量衡算式：,输入的热量总和(kJ),输出的热量总和(kJ),损失的热量总和kJ),式中：Ql物料带入的热量(kJ) Q2由加热剂(或冷却剂)传给设备和所处理的物料的热量(kJ) Q3过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等(kJ),式中：Q4物料带出的热量(kJ

11、) Q5加热设备需要的热量(kJ) Q6加热物料需要的热量(kJ) Q7气体或蒸汽带出的热量(kJ),3搜集数据 物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。数据可以从专门手册查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。 4确定合适的计算基准 在热量衡算中必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。通常，取0为基准温度可简化计算。,5进行具体的热量计算 (1)物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式计算： 式中G物料质量(kg) c物料比热容kJ(kgK) t物料进入或离开设备的温度(),(2)过程热效应Q3 主要有发酵热QB、搅拌热Qs和状态热(例如汽化热、溶解热、结晶热等)

12、： Q3QBQsQ 式中 QB发酵热(呼吸热)(kJ) Qs3600P(kJ) 其中P为搅拌功率(kW)，为搅拌过程功热转化率，通常，92。 Q=G, G为状态改变的质量，为潜热。,(3)加热设备耗热量Q5 为了简化计算，忽略设备不同部分的温度差异，则： Q5Gc(t2t1) 式中 G设备总质量(kg) c设备材料比热容kJ(kgK) t1、t2设备加热前后的平均温度(),(4)气体或蒸汽带出热量Q7 式中: G离开设备的气态物料(如空气、CO2等)量(kg) c液态物料由0升温至蒸发温度的平均比热容kJ(kgK) t气态物料温度() r蒸发潜热(kJkg),(5)设备向环境散热Q8 为了简化

13、计算，假定设备壁面的温度是相同的，则： 式中F设备总表面积(m2) T壁面对空气的联合给热系数W(m2) tw壁面温度() ta环境空气温度() 操作过程时间(s) T的计算： 空气作自然对流，T80.05tw 强制对流时， T5.33.6W(空气流速W5ms) 或T6.7W0.78（W5ms),(6)加热物料需要的热量Q6 Q6Gc(t2t1) 式中 G物料质量(kg) c物料比热容kJkgK) t1、t2物料加热前后的温度(),(7)加热(或冷却)介质传入(或带出)的热量Q2 Q2称为有效热负荷。若计算出的Q2为正值，则过程需加热；若Q2为负值，则过程需从操作系统移出热量，即需冷却。根据Q

14、2来确定加热(或冷却)介质及其用量。,热量衡算值得注意的几个问题： (1)确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化成热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小的项目可以忽略不计，以简化计算。 (2)确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和其他能量基准。有相变时，必须确定相态基准，不要忽略相变热。 (3)正确选择与计算热力学数据。 (4)在有相关条件约束，物料量和能量参数(如温度)有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡计算联合进行，才能获得准确结果。,第六章 设备的设计与选型,一、专业设备设计与选型的依据 (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

15、适外部条件(温度、压力、真空度等)。 (3)设备的构造类型和性能。,(一)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3000ta味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能力为： 10070154880112 (1-1) 4.47t(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 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 设备的每一个操作周期(h) G设备操作

16、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) 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) Va24h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) 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0.60.8，酒精发酵罐等取0.80.85，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