工廠設計第三章四節(jié)

工廠設計第三章四節(jié)第1頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

工藝衡算目的：

（1）確定生產設備的容量、個數(shù)和主要尺寸；（2）工藝流程草圖的設計；（3）物料、水、熱量、耗冷量等平衡的計算。第2頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2．衡算的方法和步驟如下：（1）確定計算的目的（2）繪物料衡算流程示意圖（3）寫出某些生化反應方程式（4）收集基礎數(shù)據和有關物化常數(shù)（5）確定工藝指標及消耗定額（6）選定計算基準第3頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月常用計算基準有：①以單位時間物料量為基準。②以單位重量、體積、摩爾數(shù)的物料量為基準。③以加入設備的一批物料量為基準。第4頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）根據質量守恒定律進行物料衡算；（8）校核、整理結果并列表；

（9）繪出物料流程圖。第5頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、計算實例（一）30000t/a啤酒廠糖化車間的物料衡算(61頁)

啤酒廠糖化車間的物料衡算項目（1）原料（麥芽、大米）和酒花用量；（2）熱麥汁和冷麥汁量；（3）廢渣量（糖化糟和酒花糟）等。第6頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1．糖化車間工藝流程示意圖第7頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月2．工藝技術指標及基礎數(shù)據第8頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）100kg原料生產12淡色啤酒的物料計算；（2）100L12淡色啤酒的物料衡算；（3）30000t/a啤酒廠糖化車間的物料衡算。

3．100kg原料（75％麥芽，25％大米）生產12淡色啤酒的物料衡算第9頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）熱麥汁量原料收率分別為：麥芽收率為0.75(100-6)/100=70.5%大米收得率為0.92(100-13)/100=80.04%混合原料收得率為：(0.75×70.5%+0.25×80.04%)×98.5%=71.79%.

得100kg混合原料可制得的12熱麥汁量為：（71.79÷12）×100=598.3(kg)12°麥汁在20℃的密度為1.084，

100℃熱麥汁比20℃時的麥汁體積增加1.04倍，熱麥汁（100℃）體積為：

(598.3÷1.084)×1.04=574(L)第10頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）冷麥汁量為：

574(1-0.075)=531(L)(3)發(fā)酵液量為：

531(1-0.016)=522.5(L)(4)過濾酒量為：

522.5(1-0.015)=514.7(L)（5）成品啤酒量為：

514.7(1-0.02)=504.4(L)第11頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月4．生產100L12淡色啤酒的物料衡算

100kg混合原料得12°啤酒504.4L,

得出結果有：（1）生產100L12°淡色啤酒需耗混合原料量為：

(100/504.4)×100=19.83(kg)(2)麥芽耗用量為：

19.83×75%=14.87(kg)（3）大米耗用量為：

19.83-14.87=4.96(kg)第12頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）酒花耗用量淺色啤酒，熱麥汁加入的酒花量為0.2%，酒花耗用量為：（574／504.4）×100×0.2%=0.228(kg)（5）熱麥汁量為：（574／504.4）×100=113.8(L)（6）冷麥汁量為：（531／504.4）×100=105.3(L)第13頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）濕糖化糟量排出的濕麥糟水分含量為80％，則濕麥糟量為：[(1-0.06)(100-75)/(100-80)]×14.87=17.47(kg)

濕大米糟量為：[(1-0.13)(100-92)/(100-80)]×4.96=1.73(kg)

濕糖化糟量為：17.47+1.73=19.2(kg)（8）酒花糟量麥汁煮沸過程干酒花浸出率為40％，酒花糟水分含量為80％，則酒花糟量為：

[(100-40)/(100-80)]×0.228=0.684(kg)

第14頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月5．30000t/a12淡色啤酒糖化車間物料衡算表設旺季每天糖化6次，而淡季則糖化4次，每年總糖化次數(shù)為1500次，列表。第15頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月二、水用量衡算（一）水用量計算的意義（二）水用量計算的方法和步驟兩種方法：“單位產品耗水量定額”估算和計算。計算方法和步驟如下：弄清題意和計算的目的及要求第29頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月1．繪出用水量計算流程示意圖2．收集設計基礎數(shù)據3.確定工藝指標及消耗定額等4．選定計算基準同物料衡算5.對結果校核、列表。

第31頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）水用量計算實例1．“單位產品耗水量定額”估算實例“單位產品耗水量定額”實例部分乳制品平均噸成品耗水量（t/t成品）啤酒8~10

全脂奶粉130~150

甜煉乳45~60

奶油28~40

第32頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月部分設備的用水量

設備名稱設備能力用水目的用水量(t/h)

連續(xù)預煮機3~4t/h預煮后冷卻15~20真空濃縮鍋300kg/h二次真空冷凝11.6雙效濃縮鍋1000kg/h二次蒸汽冷凝35~40臥式殺菌鍋2000罐/h殺菌后冷卻15~20第33頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．用水量計算實例

5000t／a啤酒為計算基準(1）耗水量計算糖化用水量＝1421×400／100＝5685（kg）

100kg混合原料大約需用水量400kg

糖化用水時間設為0.5h，故：每小時最大用水量＝5685／0.5＝11376（kg／h）第34頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月(2）洗糟用水

100kg原料約用水450kg，則需用水量：

1421×450／100＝6394.5（kg）用水時間為0.5h，則每小時洗糟最大用水量＝6394.5／1.5=4263（kg／h）(3)糖化鍋洗刷用水一般容積為20m3的糖化鍋及其設備洗刷用水每糖化一次，用水約6t，用水時間為2h,

故：洗刷最大用水量＝6／2＝3（t／h）第35頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）沉淀槽冷卻用水式中：熱麥汁放出熱量Q＝GP·CP（t’1–t’2）

熱麥汁比重C麥汁＝1.043

熱麥汁量GP=8525×1.043＝8892（kg／h）熱麥汁比熱容CP=4.1[KJ／(kg.k)]

熱麥汁溫度t’1=100℃t’2=55℃

冷卻水溫度t1=18℃t2=45℃

冷卻水比熱容C=4.18(J/kg.k)Q=8892×4.1（100－55）＝1640574（J/h）第36頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）麥汁冷卻器沖刷用水設沖刷一次，用水1t，用水時間為0.5h，則最大用水量為：4／0.5＝8（t／h）（8）酵母洗滌用水（無菌水）每天酵母泥最大產量約300L，說明：酵母貯存每天換水一次，新收酵母洗滌4次，每次用水量為酵母的二倍。則連續(xù)生產每天用水量：（4＋1）×300×2＝3000（L）用水時間為1h，故最大用水量為3（t／h）第39頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（9）發(fā)酵罐洗刷用水每天沖刷容積為10m3的發(fā)酵罐兩個，每個用水2t，沖刷地面共用水2t，每天用水量＝2×2＋2＝6（t）用水時間設為1.5h，最大用水量＝6／1.5＝4（t／h）（10）貯酒罐沖刷用水

每天沖刷容積為10m3的貯酒罐一個，用水為2t，管路及地面沖刷用水1t，沖刷時間為1h，最大用水量為：2＋1＝3（t／h）第40頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（11）清酒罐沖刷每天使用容積為2.5m3的清酒罐4個，沖洗一次，共用水4t，沖刷時間為40m，

則最大用水量：4×60／40＝6（t/h）（12）過濾機用水過濾機二臺，每臺沖刷一次，用水3t（包括頂酒用水），時間為1.5h，則最大用水量＝2×3／1.5＝4（t／h）第41頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（13）洗棉機用水①洗棉機放水量W1：

W1＝洗棉機容量－濾餅容積（濾餅20片）＝5.3－[π／4×（0.525）2×0.05×40]

＝5.3－0.433

＝4.867（m3）②洗棉過程中換水量W2：取換水量為放水量的三倍

W2＝3×W1＝3×4.867＝14.6（t）③洗棉機洗刷用水W3：每次洗刷用水W3＝1.5(t)第42頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月④洗棉機每日用水量W：淡季開一班，旺季開兩班，則用水量：

W＝2（W1＋W2＋W3）＝2（4.867＋14.6＋1.5）＝41.93（t）設換水時間為2h，則每小時最大用水量為：

41.93／2＝20.95（t／h）第43頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（14）鮮啤酒桶洗刷用水旺季產啤酒量22.5t/d（三鍋量），鮮啤酒占50％（設桶裝占70％），則桶裝啤酒為：

22.5×50％×70％＝7.875（t）＝7875（L）鮮啤桶容積為20L／桶需桶數(shù)＝7875／20＝393.8（桶／日）沖桶水量為桶容積1.5倍日用水量＝393.8×0.02×1.5＝11.81（t）沖桶器同時沖洗二桶，沖洗時間為1.5m，故每小時用水量＝0.02×1.5×60／1.5＝2.4（t／h）第44頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（15）洗瓶機用水洗瓶機最大生產能力為3000瓶／h（最高線速），沖洗每個瓶約需水1.5L，則用水量＝3000×1.5＝4500（L／h）以每班生產7小時計，總耗水量＝4500×7＝31500（L）

第45頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（16）裝酒機用水每沖洗一次，用水2.5t，每班沖洗一次，每次0.5小時，最大用水量＝2.5／0.5＝5（t／h）（17）殺菌機用水殺菌機每個瓶耗水量以1L計算，則用水量＝3000×1＝3000（L／h）＝3000×7＝21000（L／班）第46頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（18）其他用水包括沖洗地面、管道沖刷、洗濾布，每班需用水10t，設用水時間為2h，則每小時用水量＝10／2＝5（t／h）結果整理成用水量表，如表所示。

5000t／a啤酒廠啤酒車間用水量計算表第47頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱量平衡計算（一）熱平衡計算的意義（二）用汽量計算的方法和步驟方法有兩種：“單位產品耗汽量定額”估算和計算的方法。方法和步驟如下：同用水量一樣，全過程或單元設備的用汽量計算。

第54頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月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，寫出熱量計算式：

ΣＱ入＝ΣＱ出＋ΣＱ損

式中ΣＱ入－輸入的熱量總和（KJ）

ΣＱ出－輸出的熱量總和（KJ）

ΣＱ損－損失的熱量總和（KJ）通常ΣＱ入＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３

ΣＱ出＝Ｑ４＋Ｑ５＋Ｑ６＋Ｑ７

ΣＱ損＝Ｑ８第55頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月式中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（KJ）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－氣體或蒸氣帶出的熱量（KJ）

第56頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月３.收集數(shù)據４.確定合適的計算基準

5.進行具體的熱量計算的相關公式（1）物料帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4可按下式計算，即：

Q＝ΣGCt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（℃）（2）過程熱效應Q3合成熱QB、攪拌熱QS和狀態(tài)熱（例如汽化熱、溶解熱、結晶熱等）

第57頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

Q3＝QB＋QS式中QB－發(fā)酵熱（呼吸熱）（KJ）

QS－攪拌熱

QS＝3600Pη（KJ）通常η＝92％（3）加熱設備耗熱量Q5

公式：Q5＝GC（t2－t1

）式中G－設備總質量（Kg）

C－設備材料比熱容[kJ／(kg·k)]t1、t2－設備加熱前后的平均溫度（℃）第58頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）氣體或蒸汽帶出熱量Q7Q7＝ΣG（Ct＋r）式中G－離開設備的氣體物料（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／(kg·k)]t－氣態(tài)物料溫度（℃）

r－蒸發(fā)潛熱（kJ／kg）第59頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）設備向環(huán)境散熱Q8

公式：Q8＝FαT（tw－ta）τ式中F－設備總表面（m）

αT－壁面對空氣的聯(lián)合給熱系數(shù)[w／(m·℃)]tw－壁面溫度（℃）

ta－環(huán)境空氣溫度（℃）

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）

τ－操作過程時間（s）第60頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）加熱物料需要的熱量Q6Q6＝GC（t2－t1）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（℃）（7）加熱介質傳入的熱量Q2是待求量，稱為有效熱負荷。若Q2為正值，過程需加熱；若Q2為負值，過程需冷卻。第61頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

汽量計算注意幾個問題：（1）全面不遺漏。（2）有相變時，必需確定相態(tài)基準。（3）正確選擇與計算熱力學數(shù)據。（4）物料和熱量計算可聯(lián)合進行。第62頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）用汽量計算實例

1.“單位產品耗汽量定額”估算實例部分乳制品平均每t成品耗汽量表產品名稱耗汽量(t／t成品）啤酒0.45~0.55

奶油1.0~2.0

全脂奶粉 10~15

甜煉乳 3.5~4.6

第63頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月部分用汽設備的用汽量表第64頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．用汽量計算實例

5000t／a啤酒廠糖化車間熱量計算（70頁）

工藝流程示意圖如下圖所示。說明：投料量為糖化一次的用料量。第65頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第66頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）糖化工段耗汽量生產用最大蒸氣壓力247KPa自來水平均溫度18℃糖化用水平均溫度50℃洗糟用水平均溫度80℃①糖化用水耗熱量Ｑ1

Q1＝5685×4.18（50－18）＝760425.6（kJ）

第67頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

②第一次蒸煮耗熱量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溫至70℃的耗熱量Q3Q3＝G混合C混合（70－63）＝181518.78（kJ）第69頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月第70頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月④第二次煮沸混合醪的耗熱量Q4

由糖化工藝流程可知：

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71頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤洗糟水耗熱量Q5Q5＝G洗糟C水（80－18）＝1657198.6（kJ）⑥麥汁煮沸過程耗熱量Q6Q6＝Q′6＋Q″6＋Q′″6Q′6＝G麥汁C麥汁（100－70）＝979407.36（kJ）Q″6＝2257.2×1275.27＝2878539.44（kJ）Q′″6＝15％（Q′6＋Q″6）結合以上三項結果得：

Q′″6＝1.15（Q′6＋Q″6）＝4436638.82（kJ）

第72頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑦糖化一次總耗熱量Q總

⑧

糖化一次耗用蒸氣量D

使用表壓為0.3Mpa的飽和蒸汽，I＝2725.3kJ／kg，則：式中：I為相應冷凝水的焓（561.47kJ／kg）；

η為蒸汽的熱效率，取η＝95％第73頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月⑨糖化過程中每小時最大蒸汽耗量Qmax

糖化過程各步驟中，麥汁煮沸耗熱量Q6為最大，且知煮沸時間為90min，熱效率95％，故：

相應的最大蒸汽耗量為：第74頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑩蒸汽單耗每年糖化次數(shù)為700次，共生產啤酒5034t。年耗蒸汽總量為：

DT＝3918.46×700＝2742922（kg）每噸啤酒成品耗蒸汽（對糖化）：

Ds＝2742922÷5034＝545kg／t啤酒

每晝夜耗蒸汽量（生產旺季算）為：

D＝3918.46×6＝23510.76（kg／d）

第75頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月計算的結果列成熱量消耗綜合表，如表所示。第76頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月四、耗冷量計算（一）耗冷量計算的意義

（二）耗冷量計算的方法和步驟

分類：

1、工藝耗冷量

2、非工藝耗冷量第77頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

（三）計算實例（82頁）以30000t/a啤酒廠發(fā)酵車間耗冷量計算

1．發(fā)酵工藝流程示意圖

第78頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．工藝技術指標及基礎數(shù)據年產12о淡色啤酒30724t；旺季糖化6次，淡季4次，每年共糖化1500次；主發(fā)酵時間6天；

4鍋麥汁裝1個錐形發(fā)酵罐；

12оBx麥汁比熱容C1＝4.0kJ/(kg·k);

冷媒用15％酒精溶液，比熱容可視作C2＝4.18kJ／（kg·k）；麥芽糖厭氧發(fā)酵熱q＝613.6kJ/kg；麥汁發(fā)酵度60%.第79頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月

工藝耗冷量和非工藝耗冷量兩類，即：

Q＝Qt＋Qnt3．工藝耗冷量Qt

（1）麥汁冷卻耗冷量Q1

麥汁冷卻每罐耗冷量為：

Qf＝4Q1＝4×8496576＝33986304（kJ）相應的冷凍介質（2℃的冷水）耗量為：式中t1′和t′2—分別是冷凍水的除溫和終溫（℃）

Cm――水的比熱容[kJ/(kg·k)]第80頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）發(fā)酵耗冷量Q2①發(fā)酵期間發(fā)酵放熱Q2′

每錐形發(fā)酵罐放熱量為：

Q0′＝44.18×21313×4=3766433(kJ)

第81頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月②發(fā)酵后期發(fā)酵液降溫冷卻Q″2Q0″＝4GC[6-(-1)]=4×24138×4.0×7=2703456(kJ)

工藝要求過冷時間2天，則耗冷量為（麥汁每天裝1.5個錐形罐）：

Q″2＝1.5Q″0/(24×2)=84483(kJ/h)③發(fā)酵總耗冷量Q2Q2＝Q2′＋Q″2

＝58851＋84483＝143334（kJ/h）第82頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月④每罐發(fā)酵耗冷量Q0Q0＝Q′0＋Q″0

＝3766433＋2703456

＝6469889（kJ）⑤發(fā)酵用冷媒耗量（循環(huán)量）M2

M2＝Q2／（Cm×8）

=143334/(4.18×8)=4286.3(kg/h)第83頁，課件共91頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）酵母洗滌用冷無菌水冷卻的耗冷量Q3G′w＝24138×6×1.0%×3=4345(kg/d)