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文档简介
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
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