工厂设计第三章四节

工厂设计第三章四节第一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

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。第二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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）选定计算基准第三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日常用计算基准有：①以单位时间物料量为基准。②以单位重量、体积、摩尔数的物料量为基准。③以加入设备的一批物料量为基准。第四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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。第五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

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。第六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日1．糖化车间工艺流程示意图第七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日2．工艺技术指标及基础数据第八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（1）100kg原料生产12淡色啤酒的物料计算；（2）100L12淡色啤酒的物料衡算；（3）30000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算。

3．100kg原料（75％麦芽，25％大米）生产12淡色啤酒的物料衡算第九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（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：(0.75×70.5%+0.25×80.04%)×98.5%=71.79%.

得100kg混合原料可制得的12热麦汁量为：（71.79÷12）×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：

(598.3÷1.084)×1.04=574(L)第十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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)第十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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100L12°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：

19.83×75%=14.87(kg)（3）大米耗用量为：

19.83-14.87=4.96(kg)第十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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：（574／504.4）×100×0.2%=0.228(kg)（5）热麦汁量为：（574／504.4）×100=113.8(L)（6）冷麦汁量为：（531／504.4）×100=105.3(L)第十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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)

第十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日5．30000t/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。第十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第二十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日二、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及要求第二十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第三十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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。

第三十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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8~10

全脂奶粉130~150

甜炼乳45~60

奶油28~40

第三十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日部分设备的用水量

设备名称设备能力用水目的用水量(t/h)

连续预煮机3~4t/h预煮后冷却15~20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35~40卧式杀菌锅2000罐/h杀菌后冷却15~20第三十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

2．用水量计算实例

5000t／a啤酒为计算基准(1）耗水量计算糖化用水量＝1421×400／100＝5685（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＝5685／0.5＝11376（kg／h）第三十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日(2）洗糟用水

100kg原料约用水450kg，则需用水量：

1421×450／100＝6394.5（kg）用水时间为0.5h，则每小时洗糟最大用水量＝6394.5／1.5=4263（kg／h）(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＝6／2＝3（t／h）第三十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（4）沉淀槽冷却用水式中：热麦汁放出热量Q＝GP·CP（t’1–t’2）

热麦汁比重C麦汁＝1.043

热麦汁量GP=8525×1.043＝8892（kg／h）热麦汁比热容CP=4.1[KJ／(kg.k)]

热麦汁温度t’1=100℃t’2=55℃

冷却水温度t1=18℃t2=45℃

冷却水比热容C=4.18(J/kg.k)Q=8892×4.1（100－55）＝1640574（J/h）第三十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第三十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第三十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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：4／0.5＝8（t／h）（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。则连续生产每天用水量：（4＋1）×300×2＝3000（L）用水时间为1h，故最大用水量为3（t／h）第三十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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＝2×2＋2＝6（t）用水时间设为1.5h，最大用水量＝6／1.5＝4（t／h）（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：2＋1＝3（t／h）第四十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（11）清酒罐冲刷每天使用容积为2.5m3的清酒罐4个，冲洗一次，共用水4t，冲刷时间为40m，

则最大用水量：4×60／40＝6（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＝2×3／1.5＝4（t／h）第四十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（13）洗棉机用水①洗棉机放水量W1：

W1＝洗棉机容量－滤饼容积（滤饼20片）＝5.3－[π／4×（0.525）2×0.05×40]

＝5.3－0.433

＝4.867（m3）②洗棉过程中换水量W2：取换水量为放水量的三倍

W2＝3×W1＝3×4.867＝14.6（t）③洗棉机洗刷用水W3：每次洗刷用水W3＝1.5(t)第四十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日④洗棉机每日用水量W：淡季开一班，旺季开两班，则用水量：

W＝2（W1＋W2＋W3）＝2（4.867＋14.6＋1.5）＝41.93（t）设换水时间为2h，则每小时最大用水量为：

41.93／2＝20.95（t／h）第四十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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：

22.5×50％×70％＝7.875（t）＝7875（L）鲜啤桶容积为20L／桶需桶数＝7875／20＝393.8（桶／日）冲桶水量为桶容积1.5倍日用水量＝393.8×0.02×1.5＝11.81（t）冲桶器同时冲洗二桶，冲洗时间为1.5m，故每小时用水量＝0.02×1.5×60／1.5＝2.4（t／h）第四十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（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＝3000×1.5＝4500（L／h）以每班生产7小时计，总耗水量＝4500×7＝31500（L）

第四十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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＝2.5／0.5＝5（t／h）（17）杀菌机用水杀菌机每个瓶耗水量以1L计算，则用水量＝3000×1＝3000（L／h）＝3000×7＝21000（L／班）第四十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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＝10／2＝5（t／h）结果整理成用水量表，如表所示。

5000t／a啤酒厂啤酒车间用水量计算表第四十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第四十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第四十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第五十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第五十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第五十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第五十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日三、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。

第五十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日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，写出热量计算式：

ΣＱ入＝ΣＱ出＋ΣＱ损

式中ΣＱ入－输入的热量总和（KJ）

ΣＱ出－输出的热量总和（KJ）

ΣＱ损－损失的热量总和（KJ）通常ΣＱ入＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３

ΣＱ出＝Ｑ４＋Ｑ５＋Ｑ６＋Ｑ７

ΣＱ损＝Ｑ８第五十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日式中Ｑ１－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（KJ）Ｑ４－物料带出的热量（KJ）Ｑ５－加热设备需要的热量（KJ）Ｑ６－加热物料需要的热量（KJ）Ｑ７－气体或蒸气带出的热量（KJ）

第五十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日３.收集数据４.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：

Q＝ΣGCt式中G－物料质量（Kg）

C－物料比热容[KJ／(Kg·K)]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和状态热（例如汽化热、溶解热、结晶热等）

第五十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

Q3＝QB＋QS式中QB－发酵热（呼吸热）（KJ）

QS－搅拌热

QS＝3600Pη（KJ）通常η＝92％（3）加热设备耗热量Q5

公式：Q5＝GC（t2－t1

）式中G－设备总质量（Kg）

C－设备材料比热容[kJ／(kg·k)]t1、t2－设备加热前后的平均温度（℃）第五十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（4）气体或蒸汽带出热量Q7Q7＝ΣG（Ct＋r）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／(kg·k)]t－气态物料温度（℃）

r－蒸发潜热（kJ／kg）第五十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（5）设备向环境散热Q8

公式：Q8＝FαT（tw－ta）τ式中F－设备总表面（m）

αT－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（℃）

αT的计算：①空气作自然对流，αT＝8＋0.05tw②强制对流时，αT＝5.3＋3.6W

（空气流速W＝5m／s）或αT＝6.7W0.78（W＞5m／s）

τ－操作过程时间（s）第六十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（6）加热物料需要的热量Q6Q6＝GC（t2－t1）式中G－物料质量（kg）

C－物料比热容[kJ／(kg·K)]t1、t2－物料加热前后的温度（℃）（7）加热介质传入的热量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。第六十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

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。第六十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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(t／t成品）啤酒0.45~0.55

奶油1.0~2.0

全脂奶粉 10~15

甜炼乳 3.5~4.6

第六十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日部分用汽设备的用汽量表第六十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

2．用汽量计算实例

5000t／a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。第六十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第六十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（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℃①糖化用水耗热量Ｑ1

Q1＝5685×4.18（50－18）＝760425.6（kJ）

第六十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第六十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

②第一次蒸煮耗热量Q2Q2＝Q′2＋Q″2

Q′2＝G·C水（100－t0）

Q′2＝2346.3×3.76（100－47.1）＝466688.5（kJ）

Q″2＝2257.2×78.21＝176535.6（kJ）

Q2＝1.15（Q′2＋Q″2）＝739707.7（kJ）③第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3Q3＝G混合C混合（70－63）＝181518.78（kJ）第六十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日第七十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日④第二次煮沸混合醪的耗热量Q4

由糖化工艺流程可知：

Q4＝Q′4＋Q″4＋Q′″4Q′4＝26.7％G混合醪C混合（100－70）＝207709.34（kJ）

Q″4＝2257.2W＝2257.2×15.64

＝35293.7（kJ）

Q′″4＝15％（Q′4＋Q″4）

Q4＝1.15（Q′4＋Q″4）＝1.15（207709.34＋35293.7）＝279453.5（kJ）

第七十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日⑤洗糟水耗热量Q5Q5＝G洗糟C水（80－18）＝1657198.6（kJ）⑥麦汁煮沸过程耗热量Q6Q6＝Q′6＋Q″6＋Q′″6Q′6＝G麦汁C麦汁（100－70）＝979407.36（kJ）Q″6＝2257.2×1275.27＝2878539.44（kJ）Q′″6＝15％（Q′6＋Q″6）结合以上三项结果得：

Q′″6＝1.15（Q′6＋Q″6）＝4436638.82（kJ）

第七十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

⑦糖化一次总耗热量Q总

⑧

糖化一次耗用蒸气量D

使用表压为0.3Mpa的饱和蒸汽，I＝2725.3kJ／kg，则：式中：I为相应冷凝水的焓（561.47kJ／kg）；

η为蒸汽的热效率，取η＝95％第七十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日⑨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：第七十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

⑩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：

DT＝3918.46×700＝2742922（kg）每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：

Ds＝2742922÷5034＝545kg／t啤酒

每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为：

D＝3918.46×6＝23510.76（kg／d）

第七十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期日计算的结果列成热量消耗综合表，如表所示。第七十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期日四、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、非工艺耗冷量第七十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

（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

第七十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

2．工艺技术指标及基础数据年产12о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；

12оBx麦汁比热容C1＝4.0kJ/(kg·k);

冷媒用15％酒精溶液，比热容可视作C2＝4.18kJ／（kg·k）；麦芽糖厌氧发酵热q＝613.6kJ/kg；麦汁发酵度60%.第七十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期日

工艺耗冷量和非工艺耗冷量两类，即：

Q＝Qt＋Qnt3．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：

Qf＝4Q1＝4×8496576＝33986304（kJ）相应的冷冻介质（2℃的冷水）耗量为：式中t1′和t′2—分别是冷冻水的除温和终温（℃）

Cm――水的比热容[kJ/(kg·k)]第八十页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（2）发酵耗冷量Q2①发酵期间发酵放热Q2′

每锥形发酵罐放热量为：

Q0′＝44.18×21313×4=3766433(kJ)

第八十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期日②发酵后期发酵液降温冷却Q″2Q0″＝4GC[6-(-1)]=4×24138×4.0×7=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）：

Q″2＝1.5Q″0/(24×2)=84483(kJ/h)③发酵总耗冷量Q2Q2＝Q2′＋Q″2

＝58851＋84483＝143334（kJ/h）第八十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期日④每罐发酵耗冷量Q0Q0＝Q′0＋Q″0

＝3766433＋2703456

＝6469889（kJ）⑤发酵用冷媒耗量（循环量）M2

M2＝Q2／（Cm×8）

=143334/(4.18×8)=4286.3(kg/h)第八十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期日（3）酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3G′w＝24138×6×1.0%×3=4345(kg/d)