工厂设计第三章四节

1、工厂设计第三章四节第1页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 工艺衡算目的： （1）确定生产设备的容量、个数和主要尺寸； （2）工艺流程草图的设计； （3）物料、水、热量、耗冷量等平衡的计算。第2页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三2衡算的方法和步骤 如下： （1）确定计算的目的 （2）绘物料衡算流程示意图 （3）写出某些生化反应方程式 （4）收集基础数据和有关物化常数 （5）确定工艺指标及消耗定额 （6）选定计算基准第3页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三常用计算基准有：以单位时间物料量为基准。以单位重量、体积、摩尔数的物料量为

2、基准。以加入设备的一批物料量为基准。第4页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（7）根据质量守恒定律进行物料衡算；（8）校核、整理结果并列表； （9）绘出物料流程图。第5页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 二、计算实例 （一）30000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算(61页) 啤酒厂糖化车间的物料衡算项目（1）原料（麦芽、大米）和酒花用量；（2）热麦汁和冷麦汁量；（3）废渣量（糖化糟和酒花糟）等。第6页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三1糖化车间工艺流程示意图第7页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三2工艺技

3、术指标及基础数据第8页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（1）100kg 原料生产12淡色啤酒的物料计算；（2）100L 12淡色啤酒的物料衡算；（3）30000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算。 3100kg 原料（75麦芽，25大米） 生产12淡色啤酒的物料衡算第9页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （1）热麦汁量 原料收率分别为：麦芽收率为0.75(100-6)/100=70.5%大米收得率为0.92(100-13)/100=80.04%混合原料收得率为： (0.7570.5%+0.2580.04%)98.5%=71.79%. 得100kg混合

4、原料可制得的12热麦汁量为： （71.7912）100=598.3(kg) 12麦汁在20的密度为1.084， 100热麦汁比20时的麦汁体积增加1.04倍， 热麦汁（100）体积为： (598.31.084)1.04=574(L)第10页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（2）冷麦汁量为： 574(1-0.075)=531(L)(3)发酵液量为： 531(1-0.016)=522.5(L)(4)过滤酒量为： 522.5(1-0.015)=514.7(L)（5）成品啤酒量为： 514.7(1-0.02)=504.4(L) 第11页，共91页，2022年，5月20日，19点

5、43分，星期三4生产100L12淡色啤酒的物料衡算 100kg混合原料得12啤酒504.4L, 得出结果有： （1）生产100L 12淡色啤酒需耗混合原料量为： (100/504.4)100=19.83(kg)(2)麦芽耗用量为： 19.8375%=14.87(kg)（3）大米耗用量为： 19.83-14.87=4.96(kg)第12页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（4）酒花耗用量 浅色啤酒，热麦汁加入的酒花量为0.2%， 酒花耗用量为： （574504.4）1000.2%=0.228(kg)（5）热麦汁量为： （574504.4）100=113.8(L)（6）冷麦汁

6、量为： （531504.4）100=105.3(L)第13页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（7）湿糖化糟量 排出的湿麦糟水分含量为80， 则湿麦糟量为：(1-0.06)(100-75)/(100-80)14.87=17.47(kg) 湿大米糟量为：(1-0.13)(100-92)/(100-80)4.96=1.73(kg) 湿糖化糟量为：17.47+1.73=19.2(kg)（8）酒花糟量 麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40， 酒花糟水分含量为80， 则酒花糟量为： (100-40)/(100-80)0.228=0.684(kg) 第14页，共91页，2022年，5月20

7、日，19点43分，星期三530000t/a12淡色啤酒糖化车间物料衡算表 设旺季每天糖化6次，而淡季则糖化4次，每年总糖化次数为1500次，列表。第15页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第16页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第17页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第18页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第19页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第20页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第21页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第22

8、页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第23页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第24页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第25页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第26页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第27页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第28页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三二、水用量衡算（一）水用量计算的意义（二）水用量计算的方法和步骤 两种方法： “单位产品耗水量定额” 估算和计算。 计算方法和步骤如下： 弄清题意和计算的目的

9、及要求第29页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第30页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三1绘出用水量计算流程示意图2收集设计基础数据 3. 确定工艺指标及消耗定额等4选定计算基准 同物料衡算5.对结果校核、列表。 第31页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（三）水用量计算实例1“单位产品耗水量定额”估算实例“单位产品耗水量定额”实例 部分乳制品平均吨成品耗水量（t/t成品） 啤酒 810 全脂奶粉 130150 甜炼乳 4560 奶油 2840 第32页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 部分设备的用水量

10、 设备名称 设备能力 用水目的 用水量 (t/h) 连续预煮机 34t/h 预煮后冷却 1520 真空浓缩锅 300kg/h 二次真空冷凝 11.6双效浓缩锅 1000kg/h 二次蒸汽冷凝 3540卧式杀菌锅 2000罐/h 杀菌后冷却 1520第33页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 2用水量计算实例 5000ta啤酒为计算基准(1）耗水量计算 糖化用水量14214001005685（kg） 100kg混合原料大约需用水量400kg 糖化用水时间设为0.5h，故：每小时最大用水量 56850.511376（kgh）第34页，共91页，2022年，5月20日，19点4

11、3分，星期三(2）洗糟用水 100kg原料约用水450kg，则需用水量： 14214501006394.5（kg） 用水时间为0.5h，则每小时 洗糟最大用水量6394.51.5=4263（kgh）(3)糖化锅洗刷用水 一般容积为20m3的糖化锅及其设备洗刷用水每糖化一次，用水约6t，用水时间为2h, 故：洗刷最大用水量623（th）第35页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（4）沉淀槽冷却用水式中：热麦汁放出热量 QGPCP（t1 t2） 热麦汁比重 C麦汁1.043 热麦汁量 GP=85251.0438892（kgh） 热麦汁比热容 CP=4.1 KJ(kg.k) 热

12、麦汁温度 t1=100 t2=55 冷却水温度 t1=18 t2=45 冷却水比热容 C=4.18 (J/kg.k) Q=88924.1（10055）1640574（J/h）第36页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第37页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第38页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（7）麦汁冷却器冲刷用水 设冲刷一次，用水1t，用水时间为0.5h，则 最大用水量为：40.58（th）（8）酵母洗涤用水（无菌水） 每天酵母泥最大产量约300L， 说明：酵母贮存每天换水一次，新收酵母洗涤4次，每次用水量为酵母的二倍

13、。 则连续生产每天用水量： （41）30023000（L） 用水时间为1h，故最大用水量为3（th）第39页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（9）发酵罐洗刷用水 每天冲刷容积为10m3的发酵罐两个，每个用水2t，冲刷地面共用水2t， 每天用水量2226（t） 用水时间设为1.5 h，最大用水量61.54（th）（10）贮酒罐冲刷用水 每天冲刷容积为10m3的贮酒罐一个，用水为2t，管路及地面冲刷用水1t，冲刷时间为1h， 最大用水量为：213（th） 第40页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （11）清酒罐冲刷 每天使用容积为2.5 m3的清酒罐

14、4个，冲洗一次，共用水4t，冲刷时间为40m， 则最大用水量：460406（t /h）（12）过滤机用水 过滤机二台，每台冲刷一次，用水3t（包括顶酒用水）， 时间为1.5h， 则最大用水量231.54（th）第41页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （13）洗棉机用水 洗棉机放水量W1： W1洗棉机容量滤饼容积（滤饼20片） 5.34（0.525）20.0540 5.30.433 4.867（m3） 洗棉过程中换水量W2： 取换水量为放水量的三倍 W23W134.86714.6（t） 洗棉机洗刷用水W3： 每次洗刷用水W31.5 (t)第42页，共91页，2022年，

15、5月20日，19点43分，星期三 洗棉机每日用水量W： 淡季开一班，旺季开两班， 则用水量： W2（W1W2W3） 2（4.86714.61.5） 41.93（t） 设换水时间为2h， 则每小时最大用水量为： 41.93220.95（th）第43页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（14）鲜啤酒桶洗刷用水 旺季产啤酒量22.5t/d（三锅量），鲜啤酒占50（设桶装占70），则桶装啤酒为： 22.550707.875（t）7875（L） 鲜啤桶容积为20L桶 需桶数787520393.8（桶日） 冲桶水量为桶容积1.5倍 日用水量393.80.021.511.81（t） 冲

16、桶器同时冲洗二桶，冲洗时间为1.5m， 故 每小时用水量 0.021.5601.52.4（th）第44页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （15）洗瓶机用水 洗瓶机最大生产能力为3000瓶h（最高线速）， 冲洗每个瓶约需水1.5L， 则用水量30001.54500（Lh） 以每班生产7小时计， 总耗水量4500731500（L） 第45页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（16）装酒机用水 每冲洗一次，用水2.5t， 每班冲洗一次，每次0.5小时， 最大用水量2.50.55（th）（17）杀菌机用水 杀菌机每个瓶耗水量以1L计算， 则用水量3000

17、13000（Lh） 3000721000（L班）第46页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（18）其他用水 包括冲洗地面、管道冲刷、洗滤布，每班需用水10t，设用水时间为2h， 则每小时用水量1025（th） 结果整理成用水量表，如表所示。 5000ta啤酒厂啤酒车间用水量计算表第47页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第48页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第49页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第50页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第51页，共91页，2022年，5月20日

18、，19点43分，星期三第52页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第53页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三三、热量平衡计算（一）热平衡计算的意义（二）用汽量计算的方法和步骤方法有两种： “单位产品耗汽量定额”估算和计算的方法。方法和步骤如下： 同用水量一样，全过程或单元设备的用汽量计算。 第54页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三.画出单元设备的物料流向及变化的示意图。.分析物料流向及变化，写出热量计算式： 入 出 损 式中 入输入的热量总和（KJ） 出输出的热量总和（KJ） 损损失的热量总和（KJ）通常 入 出 损第55页，共

19、91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三式中 物料带入的热量（KJ） 由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（KJ） 过程的热效应（KJ） 物料带出的热量（KJ） 加热设备需要的热量（KJ） 加热物料需要的热量（KJ） 气体或蒸气带出的热量（KJ） 第56页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三.收集数据.确定合适的计算基准 5.进行具体的热量计算的相关公式（1）物料带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式计算，即： QGCt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 合成热QB、搅拌热QS和状态

20、热（例如汽化热、溶解热、结晶热等） 第57页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 Q3QBQS式中 QB发酵热（呼吸热）（KJ） QS搅拌热 QS3600P（KJ） 通常92（3）加热设备耗热量Q5 公式：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（）第58页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （4）气体或蒸汽带出热量Q7 Q7G（Ctr）式中 G离开设备的气体物料（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

21、（kJkg）第59页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （5）设备向环境散热Q8 公式：Q8FT（twta）式中 F设备总表面（m） T壁面对空气的联合给热系数w(m) tw壁面温度（） ta环境空气温度（） 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） 操作过程时间（s）第60页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（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kJ(kgK) t1、t2物料加热前后的温度（） （7）加热介质传

22、入的热量Q2是待求量，称为有效热负荷。 若Q2为正值，过程需加热； 若Q2为负值，过程需冷却。第61页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 汽量计算注意几个问题： （1）全面不遗漏。 （2）有相变时，必需确定相态基准。 （3）正确选择与计算热力学数据。 （4）物料和热量计算可联合进行。第62页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（三）用汽量计算实例 1.“单位产品耗汽量定额”估算实例 部分乳制品平均每t成品耗汽量表 产品名称 耗汽量 ( tt成品） 啤酒 0.450.55 奶油 1.02.0 全脂奶粉 1015 甜炼乳 3.54.6 第63页，共91页，

23、2022年，5月20日，19点43分，星期三部分用汽设备的用汽量表第64页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 2用汽量计算实例 5000ta啤酒厂糖化车间热量计算（70页） 工艺流程示意图如下图所示。 说明：投料量为糖化一次的用料量。第65页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第66页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（1）糖化工段耗汽量 生产用最大蒸气压力 247KPa 自来水平均温度 18 糖化用水平均温度 50 洗糟用水平均温度 80 糖化用水耗热量1 Q156854.18（5018） 760425.6（kJ） 第67页，共

24、91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第68页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 第一次蒸煮耗热量Q2 Q2Q2Q2 Q2GC水（100t0） Q22346.33.76（10047.1） 466688.5（kJ） Q22257.278.21176535.6（kJ） Q21.15（Q2Q2）739707.7（kJ） 第二次煮沸前混合醪升温 至70的耗热量Q3 Q3G混合C混合（7063）181518.78（kJ）第69页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第70页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三第二次煮沸混合醪的耗热

25、量Q4 由糖化工艺流程可知： Q4 Q4Q4Q4 Q4 26.7G混合醪C混合（10070） 207709.34（kJ） Q42257.2W2257.215.64 35293.7（kJ） Q415（Q4Q4） Q41.15（Q4Q4） 1.15（207709.3435293.7） 279453.5（kJ） 第71页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 洗糟水耗热量Q5 Q5G洗糟C水（8018）1657198.6（kJ） 麦汁煮沸过程耗热量Q6 Q6Q6Q6Q6Q6G麦汁C麦汁（10070）979407.36（kJ）Q62257.21275.272878539.44（kJ）

26、Q615（Q6Q6） 结合以上三项结果得： Q61.15（Q6Q6） 4436638.82（kJ） 第72页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 糖化一次总耗热量Q总 糖化一次耗用蒸气量D 使用表压为0.3Mpa的饱和蒸汽，I2725.3kJkg，则：式中：I为相应冷凝水的焓（561.47kJkg）； 为蒸 汽的热效率， 取95第73页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三糖化过程中每小时最大蒸汽耗量Qmax 糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量Q6为最大，且知煮沸时间为90min，热效率95，故： 相应的最大蒸汽耗量为：第74页，共91页，2022年，5月2

27、0日，19点43分，星期三 蒸汽单耗 每年糖化次数为700次，共生产啤酒5034t。 年耗蒸汽总量为： DT3918.467002742922（kg） 每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）： Ds27429225034545kgt啤酒 每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为： D3918.46623510.76（kgd） 第75页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三计算的结果列成热量消耗综合表，如表所示。第76页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三四、耗冷量计算（一）耗冷量计算的意义 （二）耗冷量计算的方法和步骤 分类： 1、工艺耗冷量 2、非工艺耗冷量第77页，共91

28、页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 （三）计算实例（82页） 以30000t/a啤酒厂发酵车间耗冷量计算 1发酵工艺流程示意图 第78页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 2工艺技术指标及基础数据 年产12淡色啤酒30724t；旺季糖化6次，淡季4次，每年共糖化1500次； 主发酵时间6天； 4锅麦汁装1个锥形发酵罐； 12Bx麦汁比热容C14.0kJ/(kgk); 冷媒用15酒精溶液，比热容可视作C24.18kJ（kgk）； 麦芽糖厌氧发酵热q613.6kJ/kg； 麦汁发酵度60%.第79页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 工艺耗

29、冷量和非工艺耗冷量两类，即： QQtQnt 3工艺耗冷量Qt （1）麦汁冷却耗冷量Q1 麦汁冷却每罐耗冷量为： Qf4Q14849657633986304（kJ） 相应的冷冻介质（2的冷水）耗量为：式中 t1和t2分别是冷冻水的除温和终温（） Cm水的比热容kJ/(kgk)第80页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（2）发酵耗冷量Q2 发酵期间发酵放热Q2 每锥形发酵罐放热量为： Q044.18213134=3766433(kJ) 第81页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三 发酵后期发酵液降温冷却Q2 Q04GC6-(-1) =4241384.07 =2703456(kJ) 工艺要求过冷时间2天， 则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）： Q21.5Q0/(242)=84483(kJ/h)发酵总耗冷量Q2 Q2Q2Q2 5885184483143334（kJ/h）第82页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三每罐发酵耗冷量Q0 Q0Q0Q0 37664332703456 6469889（kJ）发酵用冷媒耗量（循环量）M2 M2Q2（Cm8） =143334/(4.188)=4286.3(kg/h)第83页，共91页，2022年，5月20日，19点43分，星期三（3）酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3 Gw241