食品工廠設計工藝計算培訓講義課件

第五章工藝計算食品工廠設計——食品與輕工學院

授課教師：馮小海第五章工藝計算食品工廠設計——食品與輕工學院1

物料衡算包括該產(chǎn)品的原輔料和包裝材料的計算。通過物料衡算，可以確定各種主要物料的采購運輸和倉庫儲存量，并對生產(chǎn)過程中所需的設備和勞動力定員的需要量提供計算依據(jù)。計算物料時，必須使原、輔料的質量與經(jīng)過加工處理后所得成品和損耗量相平衡。加工過程中投入的輔助料按正值計算，加工過程中的物料損失，以負值計入。這樣，可以計算出原料和輔料的消耗定額，繪制出原、輔料耗用表和物料平衡圖。并為下一步設備計算、熱量計算、管路設計等提供依據(jù)和條件。還為勞動定員、生產(chǎn)班次、成本核算提供計算依據(jù)。因此，物料衡算在工藝設計中是一項既細致又重要的工作。第一節(jié)物料衡算物料衡算包括該產(chǎn)品的原輔料和包裝材料的計算。通過物料衡一、物料衡算的概念與意義意義：(1)確定生產(chǎn)設備的容量、個數(shù)和主要尺寸。(2)工藝流程草圖的設計。(3)水、蒸汽、熱量、冷量等平衡計算。(4)車間布置、運輸量、倉庫儲存量、勞動定員、生產(chǎn)班次、成本核算、管線設計。

概念：物料衡算是指：根據(jù)質量守恒定律，凡引入某一系統(tǒng)或設備的物料重量Gm，必等于所得到的產(chǎn)物重量Gp和物料損失量Gt之和，即：Gm=GP+Gt一、物料衡算的概念與意義意義：概念：物料衡算的基本資料是“技術經(jīng)濟定額指標”，而技術經(jīng)濟定額指標是工廠在生產(chǎn)實踐中積累起來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)因具體條件而異，如地區(qū)差別、機械化程度、原料品種、成熟度、新鮮度及操作條件等不同，選用時要根據(jù)具體條件而定，一般老廠改造按該廠原有的技術經(jīng)濟定額為計算依據(jù)，新建廠則參考相同類型、相近條件工廠的有關技術經(jīng)濟定額指標，再以新建廠的實際情況作修正。在物料衡算時，計算對象可以是全廠、全車間、某一生產(chǎn)線、某一產(chǎn)品，在一年或一月或一日或一個班次，也可以是單位批次的物料數(shù)量。一般新建食品工廠的工藝設計都是以“班”產(chǎn)量為基準。例如：

二、物料計算方法物料衡算的基本資料是“技術經(jīng)濟定額指標”，而每班耗用原料量(kg/班)=單位產(chǎn)品耗用原料量(kg/t)×班產(chǎn)量(t/班)；每班耗用各種輔料量(kg/斑)=單位產(chǎn)品耗用各種輔料量(kg/t)×班產(chǎn)量(t/班)；每班耗用包裝容器量(只/班)=單位產(chǎn)品耗用包裝容器量(只/t)×班產(chǎn)量(t/班)×(1十0.1％損耗)。單位產(chǎn)品耗用的各種包裝材料、包裝容器也可仿照上述方法計算。若一種原料生產(chǎn)兩種以上產(chǎn)品，則需分別求出各產(chǎn)品的用量，再匯總求得。另外，在物料計算的時候，也有用原料利用率作為計算基礎。

每班耗用原料量(kg/班)=單位產(chǎn)品耗用原料量(kg/t)×物料計算結果通常用物料平衡圖或物料平衡表來表示。1.物料平衡圖

物料平衡圖是根據(jù)任何一種物料的重量與經(jīng)過加工處理后所得的成品及少量損耗之和在數(shù)值上是相等的原理來繪制的，平衡圖的內容包括：物料名稱、質量、成品質量、物料的流向、投料順序等項。繪制物料平衡圖時，實線箭頭表示物料主流向，必要時用細實線表示物料支流向。三、計算結果的表示物料計算結果通常用物料平衡圖或物料平衡表來表示。三、物料平衡圖物料平衡圖物料平衡表是物料平衡計算的另一種表示形式，其內容與平衡圖相同

物料平衡表名稱計算單位主、輔原料產(chǎn)品

食品損失1損失2損失3批次質量百分比

班次質量百分比

2.物料平衡表物料平衡表是物料平衡計算的另一種表示形式，其內容與平衡圖相同原料消耗綜合表序號原料名稱單位純度100%每噸產(chǎn)品消耗定額(t)每天或每小時消耗量(t)年消耗量(t)備注工業(yè)品100%工業(yè)品100%工業(yè)品100%原料消耗綜合表每噸產(chǎn)品消耗定額(t)每天或每小時消耗量(t)排出物料綜合表序號名稱特性成分單位每噸產(chǎn)品排出量t每小時排出量t每年排出量t備注排出物料綜合表序號名稱特性成分單位每噸產(chǎn)品排出量t每小時排出四、主要技術經(jīng)濟指標內容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)品質量8．總回收率(％)四、主要技術經(jīng)濟指標內容1．生產(chǎn)規(guī)模(t/a)四、主要技術經(jīng)濟指標內容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(萬元)(1)設備價值(2)材料費(3)運雜費(4)建筑工程費(5)工資(6)其他四、主要技術經(jīng)濟指標內容9．原材料單耗10．總投資(萬元)四、主要技術經(jīng)濟指標內容11．勞動生產(chǎn)率(1)生產(chǎn)人員(2)商品產(chǎn)值(萬元)(3)全員勞動生產(chǎn)率（萬元/(人·a))(4)工人實物勞動生產(chǎn)率(t/(a·人))12．單位成本(元/t)13．利潤(1)單位產(chǎn)品利潤(元/t)(2)總利潤(萬元/a)14、投資回收年限(a)15、全廠設備總重量(t)16．全廠主要管件、管材總重(t)17．鋼鐵、水泥、木材單耗四、主要技術經(jīng)濟指標內容11．勞動生產(chǎn)率13．利潤第二節(jié)熱量平衡計算一、熱量衡算的意義、方法和步驟（一）熱量衡算的意義（1）計算生產(chǎn)過程能耗定額指標?？蓪に囋O計的多種方案進行比較，以選定先進的生產(chǎn)工藝；或對已投產(chǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程的經(jīng)濟合理性、過程的先進性進行分析，并找出存在的問題，提出改造或革新的措施。（2）熱量衡算的數(shù)據(jù)是設備選型、確定臺數(shù)的依據(jù)。（3）熱量衡算是組織和管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟核算和最優(yōu)化的基礎。第二節(jié)熱量平衡計算一、熱量衡算的意義、方法和步驟（二）熱量衡算的方法和步驟熱量衡算也可作全過程的單元設備的熱量衡算。以單元設備的衡算為例具體的方法和步驟如下：1.畫出單元設備的物料流向及變化的示意圖。2.分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式：-輸入的熱量總和（KJ）-輸出的熱量總和（kJ）-損失的熱量總和（kJ）∑（二）熱量衡算的方法和步驟∑式中：Q1—物料帶入的熱量（kJ）Q2—由加熱劑（或冷卻劑）傳給設備和所處理的物料的熱量（kJ）Q3—過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱等（kJ）式中：Q1—物料帶入的熱量（kJ）式中：Q4—物料帶出的熱量（kJ）Q5—加熱設備需要的熱量（kJ）Q6—加熱物料需要的熱量（kJ）Q7—氣體或蒸汽帶出的熱量（kJ）式中：Q4—物料帶出的熱量（kJ）3.收集數(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)可以從專門手冊查閱，或取自工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗研究結果選定。4.確定合適的計算基準在熱量衡算中必須選準一個設計溫度，且每一物料的進出口基準態(tài)必須一致。通常，取0℃為基準溫度可簡化計算。3.收集數(shù)據(jù)5.進行具體的熱量計算（1）5.進行具體的熱量計算（1）物量帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4計算：式中：G—物料質量（kg）c—物料比熱容[kJ/(kg.K)]t—物料進入或離開設備的溫度（℃）

5.進行具體的熱量計算5.進行具體的熱量計算（2）過程熱效應Q3主要有反應熱QB、攪拌熱Qs和狀態(tài)熱Qλ（例如汽化熱、溶解熱、結晶熱等）：Q3=QB+QS+Qλ式中：QB—反應熱（kJ）QS=3600Pη(kJ)其中P為攪拌功率（kW），η為攪拌過程功熱轉化率，通常η=92%。Qλ=Gλ，G為狀態(tài)改變的質量，λ為潛熱。（2）過程熱效應Q3（3）加熱設備耗熱量Q5為了簡化計算，忽略設備不同部分的溫度差異，則：Q5=Gc（t2-t1）式中：G—設備總質量（kg）c—設備材料比熱容比熱容[kJ/(kg.K)]t2、t1—設備加熱前后的平均溫度（℃）（3）加熱設備耗熱量Q5（4）氣體或蒸汽帶出的熱量Q7

式中：G—離開設備的氣態(tài)物料（如空氣、CO2等）質量（kg）c—物料溫度由0

℃升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容[kJ/(kg.K)]t—氣態(tài)物料溫度（℃）r—蒸發(fā)潛熱（kJ/kg)（4）氣體或蒸汽帶出的熱量Q7（5）設備向環(huán)境散熱Q8

為了簡化計算，假定設備壁面的溫度是相同的，則

式中：F—設備總表面積（m2）αT—壁面對空氣的聯(lián)合給熱系數(shù)[W/(m2℃)tw—壁面溫度（℃）ta—環(huán)境空氣溫度（℃）τ—操作過程時間（s）αT的計算：①空氣作自然對流，αT=8+0.05tw②強制對流時，αT=5.3+3.6W（空氣流速W=5m/s或αT=6.7W0.78（W＞5m/s)（5）設備向環(huán)境散熱Q8（6）加熱物料需要的熱量Q6

式中：G—物料質量（kg）c—物料比熱容[kJ/(kg.K)]t1、t2—物料加熱前后的溫度（℃）（6）加熱物料需要的熱量Q6（7）加熱（或冷卻）介質傳入（或帶出）的熱量Q2

Q2稱為有效熱負荷。若計算出Q2為正值，則過程需要熱；若Q2為負值，則過程需從操作系統(tǒng)移出熱量，即需冷卻。根據(jù)Q2來確定加熱（或冷卻）介質及其用量。（7）加熱（或冷卻）介質傳入（或帶出）的熱量Q2熱量衡算值得注意的幾個問題（1）確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉化為熱量的其他能量，不要遺漏。但對衡算影響很小的項目可以忽略不計，以簡化計算。（2）確定物料計算的基準、熱量計算的基準溫度和其他熱量基準。有相變時，必須確定相態(tài)基準，不要忽略相變熱。（3）正確選擇與計算熱力學數(shù)據(jù)。（4）在有相關條件約束，物料量和能量參數(shù)（如溫度）有直接影響時，宜將物料平衡和熱量平衡計算聯(lián)合進行，才能獲得準確結果。熱量衡算值得注意的幾個問題（1）確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱第三節(jié)水平衡計算

水平衡是在完成主要物料衡算的基礎上與熱量衡算同時展開的。水衡算的方法與步驟和物料衡算類似，注意的問題：（1）食品生產(chǎn)工藝中，需用水的過程一般包括原料處理、培養(yǎng)基配制、半成品的洗滌、冷卻過程、設備和管道的清洗等。（2）生產(chǎn)工藝、設備或規(guī)模不同，生產(chǎn)過程用水量也隨之改變，有時差異還很大。即便是同一規(guī)模、工藝也相同的廠，單位成品耗水量往往也不相同。所以在工藝流程設計時，必須妥善安排，合理用水，盡量做到一水多用和循環(huán)使用。第三節(jié)水平衡計算水平衡是在完成主要物料衡算的基礎上與第四節(jié)耗冷量的計算Q=Qt+Qnt其中：Qt—工藝耗冷量，Qt=Q1+Q2+Q3Q1—物料和反應罐體冷卻至操作溫度的耗冷量Q2—反應熱Q3—工藝用水的冷卻耗冷量Qnt—非工藝耗冷量

照明及用電設備耗冷及其他操作耗冷量圍護結構耗冷量管道冷量散失第四節(jié)耗冷量的計算第五節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計算壓縮空氣消耗量，通常用單位時間耗用的常壓空氣體積表示，即m3/h(105Pa)1.通氣發(fā)酵罐通風量計算Q—通氣量（m3/h)qo2—微生物比呼吸速率[molO2/(kgh)]x—發(fā)酵罐裝液量（m3）cin—通入發(fā)酵罐的空氣氧濃度（molo2/m3)cout—離開發(fā)酵罐的空氣氧濃度（molo2/m3)第五節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計算壓縮空氣消耗量，通常用單位時間(1)氧氣傳質系數(shù)（KLa）等值放大準則計算Q對高耗氧的生物反應，如酵母培養(yǎng)生產(chǎn)，通?？墒褂玫菿La放大準則。放大罐通氣量Q2與試驗罐的Q1的關系為：式中V1—試驗罐的裝液量（m3）V2—放大罐的裝液量（m3）H1—試驗罐的裝液高度（m）H2—放大罐的裝液高度（m）(1)氧氣傳質系數(shù)（KLa）等值放大準則計算Q(2)單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行放大這是通風發(fā)酵罐放大設計最常用的方法。對谷氨酸、檸檬酸及抗生素等發(fā)酵，盡管規(guī)模不同，但維持P0/VL不變，則生產(chǎn)結果相近。應用P0/VL相等準則放大設計時，理論上通氣量的計算可按照空截面氣速Vs維持恒定的原則，即放大罐的通氣量為：式中D2—放大罐的直徑（m）Vs1—試驗罐空截面氣速（m/s）(2)單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行放大2.通風攪拌用的壓縮空氣的壓強計算

式中：P—通風攪拌用的壓縮空氣的壓強（Pa）H—被攪拌液體的液柱高度（m）ρL—被攪拌液體的密度（kg/m3)

ρα—通入空氣的密度（kg/m3）W—管道中空氣流速（m/s）g—重力加速度（9.81m/s2）∑ξ—空氣分布器等阻力P0—液面上的壓強（Pa）2.通風攪拌用的壓縮空氣的壓強計算3.壓送液體物料時無菌空氣耗量（1）所需壓縮空氣壓強P（Pa）可按下式計算：

式中：H—壓送靜壓高度（m）

ρ—被輸送液體密度（kg/m3)（2）壓縮空氣消耗量分下述兩種情況計算：[1]設備中液體在一次操作中全部被壓完V=10-5V0P（m3）V1=10-5V0P/τ(m3/h）式中：V0—設備容積（m3）P—所需壓縮空氣的壓強（Pa）3.壓送液體物料時無菌空氣耗量[2]設備中液體部分壓出對一次操作，折算成壓強為105Pa的壓縮空氣消耗量為：

若每次壓送時間為f（h），則每小時無菌空氣耗量為：

式中：V0—設備容積（m3）φ—設備裝料系數(shù)VL—一次壓送出的液體體積（m3）[2]設備中液體部分壓出第六節(jié)抽真空量計算

（1）真空冷卻器的抽真空量計算被處理料液在真空冷卻器內產(chǎn)生的二次蒸汽量為：

W=Gc(t1-t2)/(I-ct2)(kg/h)式中：G—進入冷卻器的料液流量（kg/h）c—料液比熱容[kg/(kgK)]t1—進入的料液溫度（℃）t2—離開的冷卻的料液溫度（℃）I—二次蒸汽焓（kg/kg)"相對真空度"是指被測對象的壓力與測量地點大氣壓的差值。用普通真空表測量。在沒有真空的狀態(tài)下(即常壓時)，表的初始值為0。當測量真空時，它的值介于0到－101.325KPa（一般用負數(shù)表示）之間。

第六節(jié)抽真空量計算（1）真空冷卻器的抽真空量計算"相（2）真空輸送料液耗真空量：通常采用間隙操作，且液體可視為不可壓縮液體，故每次操作抽真空量為:B=V（-2.3lgP）（m3)若每次操作時間為τ(h),則抽真空速率為：B1=V（-2.3lgP）/τ(m3/h)式中：V—需抽真空設備容積（m3）P—設備內殘余壓強（atm）（2）真空輸送料液耗真空量：（3）抽真空時間與真空泵的選擇：從初始壓強P1抽空至終壓強P2時，一次操作所需的抽氣時間為：

t=2.3（V/S）lg(P1/P2)式中：V—需抽真空設備容積（m3）S—設備內殘余壓強（m3/h）通常，抽氣時間t是生產(chǎn)工藝決定的，由t可確定有效抽氣速率的計算：

S=2.3（V/t）lg(P1/P2)抽氣速率S是真空泵的選型的重要參數(shù)。如果使用水噴射真空泵，有效抽氣速率還必須與循環(huán)水的溫度有關。水溫低，則不凝性氣體排除速率高。（3）抽真空時間與真空泵的選擇：本章結束！本章結束！38演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！39第五章工藝計算食品工廠設計——食品與輕工學院

授課教師：馮小海第五章工藝計算食品工廠設計——食品與輕工學院40

物料衡算包括該產(chǎn)品的原輔料和包裝材料的計算。通過物料衡算，可以確定各種主要物料的采購運輸和倉庫儲存量，并對生產(chǎn)過程中所需的設備和勞動力定員的需要量提供計算依據(jù)。計算物料時，必須使原、輔料的質量與經(jīng)過加工處理后所得成品和損耗量相平衡。加工過程中投入的輔助料按正值計算，加工過程中的物料損失，以負值計入。這樣，可以計算出原料和輔料的消耗定額，繪制出原、輔料耗用表和物料平衡圖。并為下一步設備計算、熱量計算、管路設計等提供依據(jù)和條件。還為勞動定員、生產(chǎn)班次、成本核算提供計算依據(jù)。因此，物料衡算在工藝設計中是一項既細致又重要的工作。第一節(jié)物料衡算物料衡算包括該產(chǎn)品的原輔料和包裝材料的計算。通過物料衡一、物料衡算的概念與意義意義：(1)確定生產(chǎn)設備的容量、個數(shù)和主要尺寸。(2)工藝流程草圖的設計。(3)水、蒸汽、熱量、冷量等平衡計算。(4)車間布置、運輸量、倉庫儲存量、勞動定員、生產(chǎn)班次、成本核算、管線設計。

概念：物料衡算是指：根據(jù)質量守恒定律，凡引入某一系統(tǒng)或設備的物料重量Gm，必等于所得到的產(chǎn)物重量Gp和物料損失量Gt之和，即：Gm=GP+Gt一、物料衡算的概念與意義意義：概念：物料衡算的基本資料是“技術經(jīng)濟定額指標”，而技術經(jīng)濟定額指標是工廠在生產(chǎn)實踐中積累起來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)因具體條件而異，如地區(qū)差別、機械化程度、原料品種、成熟度、新鮮度及操作條件等不同，選用時要根據(jù)具體條件而定，一般老廠改造按該廠原有的技術經(jīng)濟定額為計算依據(jù)，新建廠則參考相同類型、相近條件工廠的有關技術經(jīng)濟定額指標，再以新建廠的實際情況作修正。在物料衡算時，計算對象可以是全廠、全車間、某一生產(chǎn)線、某一產(chǎn)品，在一年或一月或一日或一個班次，也可以是單位批次的物料數(shù)量。一般新建食品工廠的工藝設計都是以“班”產(chǎn)量為基準。例如：

二、物料計算方法物料衡算的基本資料是“技術經(jīng)濟定額指標”，而每班耗用原料量(kg/班)=單位產(chǎn)品耗用原料量(kg/t)×班產(chǎn)量(t/班)；每班耗用各種輔料量(kg/斑)=單位產(chǎn)品耗用各種輔料量(kg/t)×班產(chǎn)量(t/班)；每班耗用包裝容器量(只/班)=單位產(chǎn)品耗用包裝容器量(只/t)×班產(chǎn)量(t/班)×(1十0.1％損耗)。單位產(chǎn)品耗用的各種包裝材料、包裝容器也可仿照上述方法計算。若一種原料生產(chǎn)兩種以上產(chǎn)品，則需分別求出各產(chǎn)品的用量，再匯總求得。另外，在物料計算的時候，也有用原料利用率作為計算基礎。

每班耗用原料量(kg/班)=單位產(chǎn)品耗用原料量(kg/t)×物料計算結果通常用物料平衡圖或物料平衡表來表示。1.物料平衡圖

物料平衡圖是根據(jù)任何一種物料的重量與經(jīng)過加工處理后所得的成品及少量損耗之和在數(shù)值上是相等的原理來繪制的，平衡圖的內容包括：物料名稱、質量、成品質量、物料的流向、投料順序等項。繪制物料平衡圖時，實線箭頭表示物料主流向，必要時用細實線表示物料支流向。三、計算結果的表示物料計算結果通常用物料平衡圖或物料平衡表來表示。三、物料平衡圖物料平衡圖物料平衡表是物料平衡計算的另一種表示形式，其內容與平衡圖相同

物料平衡表名稱計算單位主、輔原料產(chǎn)品

食品損失1損失2損失3批次質量百分比

班次質量百分比

2.物料平衡表物料平衡表是物料平衡計算的另一種表示形式，其內容與平衡圖相同原料消耗綜合表序號原料名稱單位純度100%每噸產(chǎn)品消耗定額(t)每天或每小時消耗量(t)年消耗量(t)備注工業(yè)品100%工業(yè)品100%工業(yè)品100%原料消耗綜合表每噸產(chǎn)品消耗定額(t)每天或每小時消耗量(t)排出物料綜合表序號名稱特性成分單位每噸產(chǎn)品排出量t每小時排出量t每年排出量t備注排出物料綜合表序號名稱特性成分單位每噸產(chǎn)品排出量t每小時排出四、主要技術經(jīng)濟指標內容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)品質量8．總回收率(％)四、主要技術經(jīng)濟指標內容1．生產(chǎn)規(guī)模(t/a)四、主要技術經(jīng)濟指標內容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(萬元)(1)設備價值(2)材料費(3)運雜費(4)建筑工程費(5)工資(6)其他四、主要技術經(jīng)濟指標內容9．原材料單耗10．總投資(萬元)四、主要技術經(jīng)濟指標內容11．勞動生產(chǎn)率(1)生產(chǎn)人員(2)商品產(chǎn)值(萬元)(3)全員勞動生產(chǎn)率（萬元/(人·a))(4)工人實物勞動生產(chǎn)率(t/(a·人))12．單位成本(元/t)13．利潤(1)單位產(chǎn)品利潤(元/t)(2)總利潤(萬元/a)14、投資回收年限(a)15、全廠設備總重量(t)16．全廠主要管件、管材總重(t)17．鋼鐵、水泥、木材單耗四、主要技術經(jīng)濟指標內容11．勞動生產(chǎn)率13．利潤第二節(jié)熱量平衡計算一、熱量衡算的意義、方法和步驟（一）熱量衡算的意義（1）計算生產(chǎn)過程能耗定額指標?？蓪に囋O計的多種方案進行比較，以選定先進的生產(chǎn)工藝；或對已投產(chǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程的經(jīng)濟合理性、過程的先進性進行分析，并找出存在的問題，提出改造或革新的措施。（2）熱量衡算的數(shù)據(jù)是設備選型、確定臺數(shù)的依據(jù)。（3）熱量衡算是組織和管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟核算和最優(yōu)化的基礎。第二節(jié)熱量平衡計算一、熱量衡算的意義、方法和步驟（二）熱量衡算的方法和步驟熱量衡算也可作全過程的單元設備的熱量衡算。以單元設備的衡算為例具體的方法和步驟如下：1.畫出單元設備的物料流向及變化的示意圖。2.分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式：-輸入的熱量總和（KJ）-輸出的熱量總和（kJ）-損失的熱量總和（kJ）∑（二）熱量衡算的方法和步驟∑式中：Q1—物料帶入的熱量（kJ）Q2—由加熱劑（或冷卻劑）傳給設備和所處理的物料的熱量（kJ）Q3—過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱等（kJ）式中：Q1—物料帶入的熱量（kJ）式中：Q4—物料帶出的熱量（kJ）Q5—加熱設備需要的熱量（kJ）Q6—加熱物料需要的熱量（kJ）Q7—氣體或蒸汽帶出的熱量（kJ）式中：Q4—物料帶出的熱量（kJ）3.收集數(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)可以從專門手冊查閱，或取自工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗研究結果選定。4.確定合適的計算基準在熱量衡算中必須選準一個設計溫度，且每一物料的進出口基準態(tài)必須一致。通常，取0℃為基準溫度可簡化計算。3.收集數(shù)據(jù)5.進行具體的熱量計算（1）5.進行具體的熱量計算（1）物量帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4計算：式中：G—物料質量（kg）c—物料比熱容[kJ/(kg.K)]t—物料進入或離開設備的溫度（℃）

5.進行具體的熱量計算5.進行具體的熱量計算（2）過程熱效應Q3主要有反應熱QB、攪拌熱Qs和狀態(tài)熱Qλ（例如汽化熱、溶解熱、結晶熱等）：Q3=QB+QS+Qλ式中：QB—反應熱（kJ）QS=3600Pη(kJ)其中P為攪拌功率（kW），η為攪拌過程功熱轉化率，通常η=92%。Qλ=Gλ，G為狀態(tài)改變的質量，λ為潛熱。（2）過程熱效應Q3（3）加熱設備耗熱量Q5為了簡化計算，忽略設備不同部分的溫度差異，則：Q5=Gc（t2-t1）式中：G—設備總質量（kg）c—設備材料比熱容比熱容[kJ/(kg.K)]t2、t1—設備加熱前后的平均溫度（℃）（3）加熱設備耗熱量Q5（4）氣體或蒸汽帶出的熱量Q7

式中：G—離開設備的氣態(tài)物料（如空氣、CO2等）質量（kg）c—物料溫度由0

℃升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容[kJ/(kg.K)]t—氣態(tài)物料溫度（℃）r—蒸發(fā)潛熱（kJ/kg)（4）氣體或蒸汽帶出的熱量Q7（5）設備向環(huán)境散熱Q8

為了簡化計算，假定設備壁面的溫度是相同的，則

式中：F—設備總表面積（m2）αT—壁面對空氣的聯(lián)合給熱系數(shù)[W/(m2℃)tw—壁面溫度（℃）ta—環(huán)境空氣溫度（℃）τ—操作過程時間（s）αT的計算：①空氣作自然對流，αT=8+0.05tw②強制對流時，αT=5.3+3.6W（空氣流速W=5m/s或αT=6.7W0.78（W＞5m/s)（5）設備向環(huán)境散熱Q8（6）加熱物料需要的熱量Q6

式中：G—物料質量（kg）c—物料比熱容[kJ/(kg.K)]t1、t2—物料加熱前后的溫度（℃）（6）加熱物料需要的熱量Q6（7）加熱（或冷卻）介質傳入（或帶出）的熱量Q2

Q2稱為有效熱負荷。若計算出Q2為正值，則過程需要熱；若Q2為負值，則過程需從操作系統(tǒng)移出熱量，即需冷卻。根據(jù)Q2來確定加熱（或冷卻）介質及其用量。（7）加熱（或冷卻）介質傳入（或帶出）的熱量Q2熱量衡算值得注意的幾個問題（1）確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉化為熱量的其他能量，不要遺漏。但對衡算影響很小的項目可以忽略不計，以簡化計算。（2）確定物料計算的基準、熱量計算的基準溫度和其他熱量基準。有相變時，必須確定相態(tài)基準，不要忽略相變熱。（3）正確選擇與計算熱力學數(shù)據(jù)。（4）在有相關條件約束，物料量和能量參數(shù)（如溫度）有直接影響時，宜將物料平衡和熱量平衡計算聯(lián)合進行，才能獲得準確結果。熱量衡算值得注意的幾個問題（1）確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱第三節(jié)水平衡計算

水平衡是在完成主要物料衡算的基礎上與熱量衡算同時展開的。水衡算的方法與步驟和物料衡算類似，注意的問題：（1）食品生產(chǎn)工藝中，需用水的過程一般包括原料處理、培養(yǎng)基配制、半成品的洗滌、冷卻過程、設備和管道的清洗等。（2）生產(chǎn)工藝、設備或規(guī)模不同，生產(chǎn)過程用水量也隨之改變，有時差異還很大。即便是同一規(guī)模、工藝也相同的廠，單位成品耗水量往往也不相同。所以在工藝流程設計時，必須妥善安排，合理用水，盡量做到一水多用和循環(huán)使用。第三節(jié)水平衡計算水平衡是在完成主要物料衡算的基礎上與第四節(jié)耗冷量的計算Q=Qt+Qnt其中：Qt—工藝耗冷量，Qt=Q1+Q2+Q3Q1—物料和反應罐體冷卻至操作溫度的耗冷量Q2—反應熱Q3—工藝用水的冷卻耗冷量Qnt—非工藝耗冷量

照明及用電設備耗冷及其他操作耗冷量圍護結構耗冷量管道冷量散失第四節(jié)耗冷量的計算第五節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計算壓縮空氣消耗量，通常用單位時間耗用的常壓空氣體積表示，即m3/h(105Pa)1.通氣發(fā)酵罐通風量計算Q—通氣量（m3/h)qo2—微生物比呼吸速率[molO2/(kgh)]x—發(fā)酵罐裝液量（m3）cin—通入發(fā)酵罐的空氣氧濃度（molo2/m3)cout—離開發(fā)酵罐的空氣氧濃度（molo2/m3)第五節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計算壓縮空氣消耗量，通常用單位時間(1)氧氣傳質系數(shù)（KLa）等值放大準則計算Q對高耗氧的生物反應，如酵母培養(yǎng)生產(chǎn)，通?？墒褂玫菿La放大準則。放大罐通氣量Q2與試驗罐的Q1的關系為：式中V1—試驗罐的裝液量（m3）V2—放大罐的裝液量（m3）H1—試驗罐的裝液高度（m）H2—放大罐的裝液高度（m）(1)氧氣傳質系數(shù)（KLa）等值放大準則計算Q(2)單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行放大這是通風發(fā)酵罐放大設計最常用的方法。對谷氨酸、檸檬酸及抗生素等發(fā)酵，盡管規(guī)模不同，但維持P0/VL不變，則生產(chǎn)結果相近。應用P0/VL相等準則放大設計時，理論上通氣量的計算可按照空截面氣速Vs維持恒定的原則，即放大罐的通氣量為：式中D2—放大罐的直徑（m）Vs1—試驗罐空截面氣速（m/s）(2)單位體積液體中攪拌功率P0/VL相等的準則進行放大2.通風攪拌用的壓縮空氣的壓強計算

式中：P—通風攪拌用的壓縮空氣的壓強（Pa）H—被攪拌液體的液柱高度（m）ρL—被攪拌液體的密度（kg/m3)

ρα—通入空氣的密度（kg/m3）W—管道中空氣流速（m/s）