第六章工艺计算

1、第六章第六章 工艺计算工艺计算 物料衡算物料衡算+ +热量衡算热量衡算+ +水平衡计算水平衡计算 第一节第一节 物料平衡计算物料平衡计算v生产方法确定、并完成工艺流程示意图设生产方法确定、并完成工艺流程示意图设计后，进行物料衡算计后，进行物料衡算。v定性定性分析，到分析，到定量定量计算。计算。v目的目的：掌握物料衡算的方法和步骤。：掌握物料衡算的方法和步骤。v物料衡算物料衡算：根据质量守恒定律，在发酵和提：根据质量守恒定律，在发酵和提取生产中，凡引入某一系统或设备的物料重取生产中，凡引入某一系统或设备的物料重量量Gm，必等于所得到的产物重量，必等于所得到的产物重量Gp与物料与物料损失量损失量G

2、t之和之和。 Gm = Gp + Gtv适用于每一个单元操作，以及整个生产过程。适用于每一个单元操作，以及整个生产过程。一、物料衡算的意义：一、物料衡算的意义：例：发酵液预处理例：发酵液预处理 完成完成物料衡算物料衡算，就可进行下面设计：，就可进行下面设计：v1、确定设备的体积、台数和主要尺寸；确定设备的体积、台数和主要尺寸；v2、水、汽、热、冷量的衡算；、水、汽、热、冷量的衡算；v3、工艺流程草图的设计。、工艺流程草图的设计。意义：意义：v物料衡算物料衡算材料依据材料依据：二、物料衡算的方法和步骤：二、物料衡算的方法和步骤：v物料衡算物料衡算理论依据理论依据：质量守恒定律，：质量守恒定律，

3、引入系统引入系统/设备的全部物料质量设备的全部物料质量 = 操作后操作后离开该系统离开该系统/设备的全部物料质量和物料损设备的全部物料质量和物料损失之和。失之和。v1、弄清计算的目的要求。、弄清计算的目的要求。 生产设计生产设计or单项指标？单项指标？v2、绘出物料衡算流程示意图。、绘出物料衡算流程示意图。 框图框图+线条，标出主辅物料的流量、组成、温度、压力参数线条，标出主辅物料的流量、组成、温度、压力参数。v3、写出生物反应方程式。、写出生物反应方程式。 生物转化、成盐、氢化等。生物转化、成盐、氢化等。物料衡算的方法和步骤：物料衡算的方法和步骤：v4、收集设计基础数据和有关物化常数。、收集

4、设计基础数据和有关物化常数。 生产规模、天数，原辅料和产品质量，密度、比热容。生产规模、天数，原辅料和产品质量，密度、比热容。v5、确定工艺指标及消耗定额。、确定工艺指标及消耗定额。 试验确定的工艺参数、原材料消耗及其它经验数据。试验确定的工艺参数、原材料消耗及其它经验数据。v6、选定计算基准。、选定计算基准。 单位时间原材料量或产品量；单位重量单位时间原材料量或产品量；单位重量/体积体积/摩尔数；摩尔数； 一批物料量（发酵罐每批次）。一批物料量（发酵罐每批次）。v7、由已知数据，进行物料衡算。、由已知数据，进行物料衡算。 Gm = Gp + Gt，适用于整个过程或某一工序，适用于整个过程或某

5、一工序/设备。设备。v8、校核与整理计算结果，列出物料衡算表。、校核与整理计算结果，列出物料衡算表。 确保计算结果准确。确保计算结果准确。v9、绘出物料流程图。、绘出物料流程图。 编入设计文件。（并列出原料消耗综合表、排出物综合表）编入设计文件。（并列出原料消耗综合表、排出物综合表）例例:三、物料衡算的实例：三、物料衡算的实例：例例1 1 LP LP生产物料衡算图生产物料衡算图例例2 7ACCA物料衡算图物料衡算图例例1：LP发酵发酵物料衡算图物料衡算图LP发酵液预处理发酵液预处理物料衡算物料衡算LP上柱上柱/萃取萃取物料衡算物料衡算LP精烘包精烘包物料衡算物料衡算例例2：7ACCA物料衡算图

6、物料衡算图7ACCA物料衡算图物料衡算图7ACCA物料衡算图物料衡算图 第二节第二节 能量平衡计算能量平衡计算v能量衡算能量衡算：对生产过程或设备的能量平衡进：对生产过程或设备的能量平衡进行定量计算，计算过程中行定量计算，计算过程中供给供给或或移走移走的能量。的能量。 v能量能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。的总称。v化工生产常用的能量形式为热能，故能量计化工生产常用的能量形式为热能，故能量计算常称为算常称为热量计算热量计算。 二二、能量衡算的能量衡算的意义意义：1 1、得到、得到能耗指标能耗指标，比较设计方案，选择先进水平，比较设计方案，选择先进

7、水平，寻找存在问题。寻找存在问题。2 2、衡算数据是、衡算数据是设备选型设备选型、确定尺寸的主要依据。、确定尺寸的主要依据。3 3、有利于组织管理，技术革新，、有利于组织管理，技术革新，降低能耗降低能耗。一、计算一、计算依据依据：能量守恒定律。能量守恒定律。 三三、能量衡算的目的：能量衡算的目的： 四四、能量衡算的方法和步骤：能量衡算的方法和步骤：1 1、可作为、可作为全过程全过程或或单元设备单元设备的热量衡算。的热量衡算。2 2、画出单元设备的、画出单元设备的物料流向及变化示意图物料流向及变化示意图。 标出主物料、以及各种参数（流量、组成、温标出主物料、以及各种参数（流量、组成、温度、压力、

8、度、压力、pHpH值等）。值等）。3 3、分析物料流向及变化，写出热量衡算式：、分析物料流向及变化，写出热量衡算式：4 4、收集设计基础数据和有关物化常数。、收集设计基础数据和有关物化常数。 物料量、工艺条件、物性数据等。物料量、工艺条件、物性数据等。5 5、选定、选定计量基准：计量基准： 温度基准：一般采用温度基准：一般采用00； 物料基准：同物料衡算。物料基准：同物料衡算。 单位时间原材料量或产品量（连续生产）；单位重量单位时间原材料量或产品量（连续生产）；单位重量/体积体积/摩尔数的产品或原料；摩尔数的产品或原料； 一批物料量（一批物料量（每批次每批次）。）。6 6、进行具体的、进行具体

9、的热量衡算：热量衡算： 1）、物料带入的热量）、物料带入的热量Q Q1、带出热量、带出热量 Q Q4: Q Q=Gct G-物料质量，物料质量，kg c-物料比热容，物料比热容，kJ/(kgK) t-物料进入、离开设备的温度，物料进入、离开设备的温度， 2）、过程热效应）、过程热效应Q Q3: Q Q3= Q QB +Q QS Q QB -发酵热发酵热/溶解热溶解热/结晶热，结晶热，kJ Q QS -搅拌热，搅拌热，kJ，通常：，通常： Q QS =3600P（ kJ ） （P搅拌功率，搅拌功率，kW； 功热转化率功热转化率=92%） 3）、加热设备耗热量）、加热设备耗热量Q Q5: Q Q5

10、=Gc(t2-t1) G-设备总质量，设备总质量，kg c-设备材料比热容，设备材料比热容，kJ/(kgK) t1、t2 -设备加热前后的平均温度，设备加热前后的平均温度， 4）、设备向环境散热）、设备向环境散热Q Q6: Q Q6=Fat(tw-ta) F-设备总表面积，设备总表面积，m2 at-壁面对空气的联合给热系数，壁面对空气的联合给热系数，W/(m2) （空气自然对流：（空气自然对流： at=8+0.05 tw） tw -壁面温度，壁面温度， ta -环境空气温度，环境空气温度， -操作过程时间，操作过程时间，s例：例：一台一台70m3发酵罐，装料发酵罐，装料55m3，已知发酵过程，

11、已知发酵过程的发酵热为的发酵热为20935 kJ/(m3h) ，拟采用，拟采用t=5的地下水冷却，通过能量衡算，计算正常发的地下水冷却，通过能量衡算，计算正常发酵时冷却水的用量。酵时冷却水的用量。 C水水=4.187 kJ/(kgK) 解：解：发酵热：发酵热：Q=20935kJ/(m3h)55m3=1151425 kJ/h循环水带走热量：循环水带走热量： Q=cmt=4.187m5， 4.187m 5=1151425 m=55000 kg/h = 55 t/h 第三节第三节 水平衡计算水平衡计算v工业发酵、提取精制，耗水量很大。工业发酵、提取精制，耗水量很大。v例：例： 生产生产1t 酒精，用

12、水量酒精，用水量80t 以上；以上； 生产生产1t 啤酒，用水量啤酒，用水量10t 以上；以上； 生产生产1t D-核糖，废水量在核糖，废水量在1000t以上。以上。v1）掌握生产过程中每个工艺过程的需水量，）掌握生产过程中每个工艺过程的需水量，有利于有利于管道的布置施工管道的布置施工。v2）通过需水量的计算，知道每个工艺过程）通过需水量的计算，知道每个工艺过程水的消耗量和全厂的水的消耗量和全厂的消耗量消耗量，有利于设计的，有利于设计的改进，降低水耗。改进，降低水耗。一、水平衡计算的意义：一、水平衡计算的意义：类似于物料衡算。类似于物料衡算。二、水衡算的方法和步骤：二、水衡算的方法和步骤：注意

13、问题：注意问题：v1）发酵发酵主要用水：培养基配制、罐温控制消主要用水：培养基配制、罐温控制消耗冷却水、设备清洗、蒸汽制备。耗冷却水、设备清洗、蒸汽制备。v2）提取提取主要用水：树脂洗涤、再生，板框滤主要用水：树脂洗涤、再生，板框滤布清洗等。布清洗等。v3）不同设计，耗水量差异大，尽量循环使用。）不同设计，耗水量差异大，尽量循环使用。例例1：LP发酵发酵水衡算图水衡算图例例2：7ACCA水衡算图水衡算图 年产年产4040吨美伐他汀的发酵吨美伐他汀的发酵/ /提取车间设计提取车间设计S 发酵、提取车间任选其一，进行车间设计。发酵、提取车间任选其一，进行车间设计。S 内容包括：内容包括：项目简介、

14、工艺流程示意图、物项目简介、工艺流程示意图、物料衡算、主要设备一览表、带控制点工艺流料衡算、主要设备一览表、带控制点工艺流程图、车间各楼层平面布置图，以及洁净区程图、车间各楼层平面布置图，以及洁净区间（种子无菌室或精烘包）的平面布置图间（种子无菌室或精烘包）的平面布置图。 开卷考题：开卷考题：S 斜面：生产菌为桔青霉，斜面：生产菌为桔青霉，23、湿度、湿度65%，培养，培养14天。天。S 种子罐：种子罐： 孢子进罐，搅拌，孢子进罐，搅拌，1vvm，种龄，种龄50h。S 发酵：装料系数发酵：装料系数80%，接种量，接种量7%，搅拌消耗，搅拌消耗2kw/m3，0.5vvm，DO40%， 23，周期

15、，周期10天天，发酵单位，发酵单位8 g/L；S 种子配方：葡萄糖种子配方：葡萄糖4%、蛋白胨、蛋白胨2.6%、二钾、二钾0.5%、硫、硫酸镁酸镁0.05%。发酵配方：葡萄糖。发酵配方：葡萄糖6.6%、玉米浆、玉米浆3%、黄、黄豆饼粉豆饼粉1.5%、麦芽糖、麦芽糖4%、甘油、甘油4%。1、发酵已知：、发酵已知：S 种子罐、发酵罐的高径比均为种子罐、发酵罐的高径比均为2.5:1；S 发酵罐可选择体积：发酵罐可选择体积：20、30、35、50、55、60m3。S 每月可以每月可以10、15、30批，每批发酵液体积可选：批，每批发酵液体积可选：16、24、28、40、44、48m3，发酵液，发酵液8

16、g/L，提取总收率，提取总收率80%。发酵已知：发酵已知：2、提取已知：、提取已知：S 提取包括：过滤、萃取、浓缩、结晶干燥。提取包括：过滤、萃取、浓缩、结晶干燥。S 过滤过滤：磷酸调：磷酸调pH3.5，升温至，升温至80，搅拌，搅拌2h，降至，降至40，90m2板框压滤（处理板框压滤（处理4m3/台台/批），空气吹批），空气吹4h至至干，收集菌渣（干，收集菌渣（10%发酵液）。发酵液）。S 萃取萃取：加：加5 5倍（倍（V/MV/M）菌渣的乙酸乙酯，过滤，萃取液）菌渣的乙酸乙酯，过滤，萃取液静置静置1h1h，弃水。，弃水。提取已知：提取已知：S 浓缩：刮板浓缩器蒸出溶剂；浓缩：刮板浓缩器蒸出

17、溶剂；S 结晶结晶：浓缩液降至：浓缩液降至20， 搅拌保温搅拌保温8h。离心得湿粉。离心得湿粉。烘干烘干：圆形真空干燥箱，：圆形真空干燥箱，- -0.09MPa，50 。S 分装分装：聚乙烯双层袋分装，：聚乙烯双层袋分装，20.000kg/袋，塑封，纸桶袋，塑封，纸桶外包，入库外包，入库 。抄袭抄袭：发现雷同，得分基础上，双方再各扣：发现雷同，得分基础上，双方再各扣10-30分。分。要求与说明：要求与说明：上交上交： 手写，或电子版打印。手写，或电子版打印。 封面：封面：格式见后页。格式见后页。 页脚页脚：第：第X页总页总Y页。页。 7项标题：项标题：第一、二、三部分第一、二、三部分.。（各部分可以有文字说明）。（各部分可以有文字说明）点评点评：最后两次课，部分作业上讲台讲解，现场打分。：最后两次课，部分作业上讲台讲解，现场打分。