發(fā)酵工廠(chǎng)工藝設(shè)計(jì)概論-3

1、第四章 工藝流程設(shè)計(jì),第四章 工藝流程設(shè)計(jì),第一節(jié) 概 述 工藝流程設(shè)計(jì)和車(chē)間布置設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要內(nèi)容，是決定工廠(chǎng)的工藝計(jì)算、車(chē)間組成、生產(chǎn)設(shè)備及其布置的關(guān)鍵步驟。 在整個(gè)工藝設(shè)計(jì)中最先開(kāi)始，但需逐步進(jìn)行局部修改，所以幾乎是最后才完成。 主要任務(wù)：其一是確定由原料到成品的各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及順序，說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程中物料和能量變化及流向，采用的生物反應(yīng)或化工過(guò)程及設(shè)備。其二是繪制工藝流程圖。,選擇生產(chǎn)方法的主要依據(jù)： 1原料來(lái)源、種類(lèi)和性質(zhì) 2產(chǎn)品的質(zhì)量和規(guī)格 3生產(chǎn)規(guī)模 4技術(shù)水平 5建廠(chǎng)地區(qū)的自然環(huán)境 6經(jīng)濟(jì)合理性,第三節(jié) 工藝流程的設(shè)計(jì)步驟 三個(gè)階段： (1)生產(chǎn)工藝流程示意圖； (2)生產(chǎn)

2、工藝流程草圖； (3)生產(chǎn)工藝流程圖。,工藝流程示意圖,得出原料、半成品、產(chǎn)品、副產(chǎn)品、廢水、廢料等規(guī)格、重量和體積,二、工藝流程草圖的設(shè)計(jì),計(jì)算、確定計(jì)量和貯存設(shè)備的容積、決定容積型設(shè)備的尺寸和臺(tái)數(shù),工藝流程草圖的設(shè)計(jì),物料平衡計(jì)算,水、電、汽、能量計(jì)算；確定單元操作參數(shù)，如過(guò)濾面積、傳熱面積等，對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)備和通用設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)或選型,得出所有設(shè)備的規(guī)格、型號(hào)、尺寸、臺(tái)數(shù),對(duì)工藝流程草圖進(jìn)行修改和充實(shí),(一)工藝流程草圖的制圖要求 工藝流程草圖是由物料流程、圖例、設(shè)備一覽表以及必要的文字說(shuō)明所組成，一般是初步設(shè)計(jì)階段的草圖。 (1)應(yīng)表示出廠(chǎng)房各層樓面的標(biāo)高。 (2)畫(huà)出設(shè)備示意圖，設(shè)備的尺寸大

3、小應(yīng)適當(dāng)相稱(chēng)且大致形似，并標(biāo)明其流程號(hào)。 (3)畫(huà)出設(shè)備的物料及水、汽、真空、壓縮空氣、冷凍劑等管線(xiàn)和流動(dòng)方向，以及管線(xiàn)上的主要閥門(mén)及管路附件如過(guò)濾器、疏水器等。 (4)畫(huà)出必要的計(jì)量器具和控制儀表。 (5)必要的文字注釋?zhuān)绨氤善?、副產(chǎn)品的去向等。 (6)附注圖例，并按國(guó)家規(guī)定畫(huà)出圖簽、圖框。制圖比例大致按1:100進(jìn)行繪制，如設(shè)備過(guò)小或過(guò)大時(shí)則可采用1:50或1:200。,第五章 工藝計(jì)算,第五章 工藝計(jì)算,第一節(jié) 物料平衡計(jì)算 一、物料衡算的意義、方法和步驟 物料衡算是工藝計(jì)算的基礎(chǔ)，在整個(gè)工藝計(jì)算中開(kāi)始得最早，最先完成。當(dāng)生產(chǎn)方法確定并完成了工藝流程示意圖設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)行物料平衡計(jì)算。

4、,(一)物料衡算的意義 物料衡算：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，引入系統(tǒng)或設(shè)備的物料質(zhì)量Gm，等于輸出系統(tǒng)或設(shè)備的物料（常為產(chǎn)物）的質(zhì)量Gp和物料損失量Gw之和，即： GmGpGw 此法則，既適于單元操作過(guò)程，也適于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程；既可進(jìn)行總物料衡算，也可對(duì)混合物中某一組分作部分物料衡算。,(二)物料衡算的方法和步驟 1弄清題意和計(jì)算的目的要求 充分了解物料衡算的目的要求，決定計(jì)算方法。 2繪出物料衡算流程示意圖 使用框圖和線(xiàn)條圖表示系統(tǒng)。把主要物料和輔助物料都在圖上標(biāo)清楚，并盡可能標(biāo)出各物料的流量、組成、溫度和壓力等參數(shù)。 3寫(xiě)出生物反應(yīng)方程式根據(jù)工藝過(guò)程發(fā)生的生物反應(yīng)，寫(xiě)出主反應(yīng)和副反應(yīng)的方程式。對(duì)復(fù)雜

5、的反應(yīng)過(guò)程，可寫(xiě)出反應(yīng)過(guò)程通式和反應(yīng)物組成。副反應(yīng)很多，可把所占比重很小的副反應(yīng)略去。對(duì)那些產(chǎn)生有毒物質(zhì)或明顯影響產(chǎn)品質(zhì)量的副反應(yīng)，其量雖小，但不能忽略。,4收集設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和有關(guān)物化常數(shù) 需收集的數(shù)據(jù)資料包括：生產(chǎn)規(guī)模，年生產(chǎn)天數(shù)，原料、輔料和產(chǎn)品的規(guī)格、組成及質(zhì)量等。 常用的物化常數(shù)可在相應(yīng)的化工、生化設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到。 5確定工藝指標(biāo)及消耗定額等 設(shè)計(jì)所用的工藝指標(biāo)、原材料消耗定額及其他經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可根據(jù)所用的生產(chǎn)方法、工藝流程和設(shè)備，對(duì)照同類(lèi)型生產(chǎn)工廠(chǎng)的實(shí)績(jī)水平來(lái)確定，這必須是先進(jìn)而又可行的，它是衡量企業(yè)設(shè)計(jì)水平高低的標(biāo)志。,6選定計(jì)算基準(zhǔn) (1)以單位時(shí)間產(chǎn)品量或單位時(shí)間原料量作為計(jì)算基

6、準(zhǔn)。這類(lèi)基準(zhǔn)適用于連續(xù)操作過(guò)程及設(shè)備的計(jì)算。 (2)以單位重量、單位體積或單位摩爾數(shù)的產(chǎn)品或原料為計(jì)算基準(zhǔn)。對(duì)于固體或液體常用單位質(zhì)量(t或kg)，對(duì)于氣體常用單位體積或單位摩爾數(shù)(L，m3或mol)，熱量一般以焦耳為單位(J)。 (3)以加入設(shè)備的一批物料量為計(jì)算基準(zhǔn)。,7由已知數(shù)據(jù)，根據(jù)GmGpGt進(jìn)行物料衡算。 根據(jù)物料衡算式和待求項(xiàng)的數(shù)目列出數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式數(shù)目應(yīng)等于未知項(xiàng)數(shù)目。當(dāng)關(guān)聯(lián)式數(shù)目小于未知項(xiàng)數(shù)時(shí)，可用試差法求解。 8校核與整理計(jì)算結(jié)果，列出物料衡算表 在整個(gè)物料衡算過(guò)程中，對(duì)主要計(jì)算結(jié)果都必須認(rèn)真校核，確保無(wú)誤。發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，必須及時(shí)重算更正，以免錯(cuò)誤延續(xù)，導(dǎo)致大量返工重算，甚

7、至延誤設(shè)計(jì)進(jìn)度。最后，把整理好的計(jì)算結(jié)果列成物料衡算表。,9繪出物料流程圖 根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制物料流程圖。物料流程圖要作為正式設(shè)計(jì)成果，編人設(shè)計(jì)文件，以便于審核和設(shè)計(jì)施工。 最后，經(jīng)過(guò)各種系數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，得出原料消耗綜合表和排出物綜合表,二、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的確定 (一)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定的意義 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是衡量工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的合理性和先進(jìn)性的主要依據(jù)。先進(jìn)的、合理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是工廠(chǎng)建設(shè)成功的基礎(chǔ)。 物料衡算和能量衡算是確定生產(chǎn)過(guò)程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過(guò)生產(chǎn)全過(guò)程的總物料衡算、能量衡算和各階段的物料衡算、能量衡算，就可以求出： (1)生產(chǎn)1000kg成品或半成品的原材料消耗定額及原料總回收率。

8、 (2)生產(chǎn)1000kg成品所產(chǎn)生的排出物，包括副產(chǎn)物、廢水、廢氣、廢渣等。 (3)生產(chǎn)1000kg成品的水、蒸汽、空氣及冷量等消耗定額以上三項(xiàng)，通常構(gòu)成了產(chǎn)品單位成本的主要部分。,(二)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)內(nèi)容 ： 1生產(chǎn)規(guī)模(t/a) 2生產(chǎn)方法 3生產(chǎn)天數(shù)(d/a) 4產(chǎn)品日產(chǎn)量(t/d) 5產(chǎn)品年產(chǎn)量(t/a) 6副產(chǎn)品年產(chǎn)量(t/a) 7產(chǎn)品質(zhì)量 8總回收率(),9原材料單耗 (1)主原料(t/t產(chǎn)品) (2)輔料(t/t產(chǎn)品) (3)水(t/t產(chǎn)品) (4)電(kWh/t產(chǎn)品) (5)蒸汽(t/t產(chǎn)品) (6)冷量(kJ/t產(chǎn)品) 10總投資(萬(wàn)元) (1)設(shè)備價(jià)值 (2)材料費(fèi) (3

9、)運(yùn)雜費(fèi) (4)建筑工程費(fèi) (5)工資 (6)其他 11勞動(dòng)生產(chǎn)率 (1)生產(chǎn)人員 (2)商品產(chǎn)值(萬(wàn)元) (3)全員勞動(dòng)生產(chǎn)率萬(wàn)元(人a) (4)工人實(shí)物勞動(dòng)生產(chǎn)率t(a人),12單位成本(元t) 13利潤(rùn) (1)單位產(chǎn)品利潤(rùn)(元t) (2)總利潤(rùn)(萬(wàn)元a) 14投資回收年限(a) 15全廠(chǎng)設(shè)備總重量(t) 16全廠(chǎng)主要管件、管材總重(t) 17鋼鐵、水泥、木材單耗,第二節(jié) 熱量平衡計(jì)算 一、熱量衡算的意義、方法和步驟 (一)熱量衡算的意義 (1) 計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程能耗定額指標(biāo)?？蓪?duì)工藝設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行比較，以選定先進(jìn)的生產(chǎn)工藝；或?qū)σ淹懂a(chǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)合理性、過(guò)程的先進(jìn)性進(jìn)行分析

10、，并找出存在的問(wèn)題，提出改造或革新的措施。 (2)熱量衡算的數(shù)據(jù)是設(shè)備選型、確定臺(tái)數(shù)的依據(jù)。 (3)熱量衡算是組織和管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ)。,(二)熱量衡算的方法和步驟 熱量衡算也可作全過(guò)程的或單元設(shè)備的熱量衡算。以單元設(shè)備的衡算為例具體的方法和步驟如下： 1畫(huà)出單元設(shè)備的物料流向及變化的示意圖。 2分析物料流向及變化，寫(xiě)出熱量衡算式：,輸入的熱量總和(kJ),輸出的熱量總和(kJ),損失的熱量總和kJ),式中：Ql物料帶入的熱量(kJ) Q2由加熱劑(或冷卻劑)傳給設(shè)備和所處理的物料的熱量(kJ) Q3過(guò)程的熱效應(yīng)，包括生物反應(yīng)熱、攪拌熱等(kJ),式中：Q4物料帶出的熱量(kJ

11、) Q5加熱設(shè)備需要的熱量(kJ) Q6加熱物料需要的熱量(kJ) Q7氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ),3搜集數(shù)據(jù) 物料量、工藝條件以及必需的物性數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)可以從專(zhuān)門(mén)手冊(cè)查閱，或取自工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果選定。 4確定合適的計(jì)算基準(zhǔn) 在熱量衡算中必須選準(zhǔn)一個(gè)設(shè)計(jì)溫度，且每一物料的進(jìn)出口基準(zhǔn)態(tài)必須一致。通常，取0為基準(zhǔn)溫度可簡(jiǎn)化計(jì)算。,5進(jìn)行具體的熱量計(jì)算 (1)物量帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4可按下式計(jì)算： 式中G物料質(zhì)量(kg) c物料比熱容kJ(kgK) t物料進(jìn)入或離開(kāi)設(shè)備的溫度(),(2)過(guò)程熱效應(yīng)Q3 主要有發(fā)酵熱QB、攪拌熱Qs和狀態(tài)熱(例如汽化熱、溶解熱、結(jié)晶熱等)

12、： Q3QBQsQ 式中 QB發(fā)酵熱(呼吸熱)(kJ) Qs3600P(kJ) 其中P為攪拌功率(kW)，為攪拌過(guò)程功熱轉(zhuǎn)化率，通常，92。 Q=G, G為狀態(tài)改變的質(zhì)量，為潛熱。,(3)加熱設(shè)備耗熱量Q5 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略設(shè)備不同部分的溫度差異，則： Q5Gc(t2t1) 式中 G設(shè)備總質(zhì)量(kg) c設(shè)備材料比熱容kJ(kgK) t1、t2設(shè)備加熱前后的平均溫度(),(4)氣體或蒸汽帶出熱量Q7 式中: G離開(kāi)設(shè)備的氣態(tài)物料(如空氣、CO2等)量(kg) c液態(tài)物料由0升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容kJ(kgK) t氣態(tài)物料溫度() r蒸發(fā)潛熱(kJkg),(5)設(shè)備向環(huán)境散熱Q8 為了簡(jiǎn)化

13、計(jì)算，假定設(shè)備壁面的溫度是相同的，則： 式中F設(shè)備總表面積(m2) T壁面對(duì)空氣的聯(lián)合給熱系數(shù)W(m2) tw壁面溫度() ta環(huán)境空氣溫度() 操作過(guò)程時(shí)間(s) T的計(jì)算： 空氣作自然對(duì)流，T80.05tw 強(qiáng)制對(duì)流時(shí)， T5.33.6W(空氣流速W5ms) 或T6.7W0.78（W5ms),(6)加熱物料需要的熱量Q6 Q6Gc(t2t1) 式中 G物料質(zhì)量(kg) c物料比熱容kJkgK) t1、t2物料加熱前后的溫度(),(7)加熱(或冷卻)介質(zhì)傳入(或帶出)的熱量Q2 Q2稱(chēng)為有效熱負(fù)荷。若計(jì)算出的Q2為正值，則過(guò)程需加熱；若Q2為負(fù)值，則過(guò)程需從操作系統(tǒng)移出熱量，即需冷卻。根據(jù)Q

14、2來(lái)確定加熱(或冷卻)介質(zhì)及其用量。,熱量衡算值得注意的幾個(gè)問(wèn)題： (1)確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉(zhuǎn)化成熱量的其他能量，不要遺漏。但對(duì)衡算影響很小的項(xiàng)目可以忽略不計(jì)，以簡(jiǎn)化計(jì)算。 (2)確定物料計(jì)算的基準(zhǔn)、熱量計(jì)算的基準(zhǔn)溫度和其他能量基準(zhǔn)。有相變時(shí)，必須確定相態(tài)基準(zhǔn)，不要忽略相變熱。 (3)正確選擇與計(jì)算熱力學(xué)數(shù)據(jù)。 (4)在有相關(guān)條件約束，物料量和能量參數(shù)(如溫度)有直接影響時(shí)，宜將物料平衡和熱量平衡計(jì)算聯(lián)合進(jìn)行，才能獲得準(zhǔn)確結(jié)果。,第六章 設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型,一、專(zhuān)業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的依據(jù) (1)由工藝計(jì)算確定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗風(fēng)量、耗冷量等。 (2)工藝操作的最

15、適外部條件(溫度、壓力、真空度等)。 (3)設(shè)備的構(gòu)造類(lèi)型和性能。,(一)間歇操作設(shè)備生產(chǎn)能力數(shù)量和容積的設(shè)計(jì)計(jì)算 1間歇操作設(shè)備生產(chǎn)能力的確定 生產(chǎn)能力的表示方法，一般為t(罐批)或m3(罐批)。例如3000ta味精廠(chǎng)選容積為100t的發(fā)酵罐，其生產(chǎn)能力為： 10070154880112 (1-1) 4.47t(罐批) 式中 100發(fā)酵罐容積(t) 15發(fā)酵初糖濃度 70填充系數(shù) 48發(fā)酵轉(zhuǎn)化率 80提取率 112精制收率 1染菌率,2間歇操作所需設(shè)備數(shù)量的確定 或 式中N設(shè)備的操作臺(tái)數(shù)(不含備用) Z工段的生產(chǎn)能力，以每晝夜加工原料和半成品的噸數(shù)表示 設(shè)備的每一個(gè)操作周期(h) G設(shè)備操作

16、有效量(t) r一晝夜內(nèi)設(shè)備操作的小時(shí)數(shù) V0晝夜內(nèi)被加工的原料、半成品的容量(m3) Va一臺(tái)設(shè)備的容量(m3) 設(shè)備的填充系數(shù)，此值為經(jīng)驗(yàn)值，主要考慮物料的泡沫性質(zhì)和將來(lái)可能增加的容量余地。,3設(shè)備容積的計(jì)算 式中 V設(shè)備的總?cè)莘e(m3) Va24h內(nèi)加工的成品或半成品的容積() r操作周期，包括預(yù)備時(shí)間、操作和清洗等輔助操作時(shí)間(h) 設(shè)備的填充系數(shù)，裝有攪拌和冷卻裝置的或產(chǎn)生泡沫多的物料應(yīng)取0.60.8，酒精發(fā)酵罐等取0.80.85，汽液分離器取0.7等,4設(shè)備主要尺寸的計(jì)算 發(fā)酵工廠(chǎng)的設(shè)備多為容器型設(shè)備。不同的設(shè)備，高徑比有很大差別。錐形底制作容易，排料干凈，間歇操作采用較多。 通常根據(jù)已知