第六章工艺计算

第六章工艺计算物料衡算+热量衡算+水平衡计算第一节物料平衡计算生产方法确定、并完成工艺流程示意图设计后，进行物料衡算。定性分析，到定量计算。目的：掌握物料衡算的方法和步骤。物料衡算：根据质量守恒定律，在发酵和提取生产中，凡引入某一系统或设备的物料重量Gm，必等于所得到的产物重量Gp与物料损失量Gt之和。Gm=Gp+Gt适用于每一个单元操作，以及整个生产过程。一、物料衡算的意义：例：发酵液预处理完成物料衡算，就可进行下面设计：1、确定设备的体积、台数和主要尺寸；2、水、汽、热、冷量的衡算；3、工艺流程草图的设计。意义：物料衡算材料依据：二、物料衡算的方法和步骤：物料衡算理论依据：质量守恒定律，引入系统/设备的全部物料质量==操作后离开该系统/设备的全部物料质量和物料损失之和。1、弄清计算的目的要求。生产设计or单项指标？2、绘出物料衡算流程示意图。框图+线条，标出主辅物料的流量、组成、温度、压力参数。3、写出生物反应方程式。生物转化、成盐、氢化等。物料衡算的方法和步骤：4、收集设计基础数据和有关物化常数。生产规模、天数，原辅料和产品质量，密度、比热容。5、确定工艺指标及消耗定额。试验确定的工艺参数、原材料消耗及其它经验数据。6、选定计算基准。单位时间原材料量或产品量；单位重量/体积/摩尔数；一批物料量（发酵罐每批次）。7、由已知数据，进行物料衡算。Gm=Gp+Gt，适用于整个过程或某一工序/设备。8、校核与整理计算结果，列出物料衡算表。确保计算结果准确。9、绘出物料流程图。编入设计文件。（并列出原料消耗综合表、排出物综合表）例:三、物料衡算的实例：例1LP生产物料衡算图例27ACCA物料衡算图例1：LP发酵物料衡算图LP发酵液预处理物料衡算LP上柱/萃取物料衡算LP精烘包物料衡算例2：7ACCA物料衡算图7ACCA物料衡算图7ACCA物料衡算图第二节能量平衡计算能量衡算：对生产过程或设备的能量平衡进行定量计算，计算过程中供给或移走的能量。能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产常用的能量形式为热能，故能量计算常称为热量计算。二、能量衡算的意义：1、得到能耗指标，比较设计方案，选择先进水平，寻找存在问题。2、衡算数据是设备选型、确定尺寸的主要依据。3、有利于组织管理，技术革新，降低能耗。一、计算依据：能量守恒定律。三、能量衡算的目的：四、能量衡算的方法和步骤：1、可作为全过程或单元设备的热量衡算。2、画出单元设备的物料流向及变化示意图。标出主物料、以及各种参数（流量、组成、温度、压力、pH值等）。3、分析物料流向及变化，写出热量衡算式：4、收集设计基础数据和有关物化常数。物料量、工艺条件、物性数据等。5、选定计量基准：温度基准：一般采用0℃；物料基准：同物料衡算。单位时间原材料量或产品量（连续生产）；单位重量/体积/摩尔数的产品或原料；一批物料量（每批次）。6、进行具体的热量衡算：1）、物料带入的热量Q1、带出热量Q4:Q=∑GctG---物料质量，kgc---物料比热容，kJ/(kg·K)t---物料进入、离开设备的温度，℃2）、过程热效应Q3:Q3=QB+QSQB---发酵热/溶解热/结晶热，kJQS---搅拌热，kJ，通常：QS=3600Pη（kJ）（P—搅拌功率，kW；功热转化率η=92%）3）、加热设备耗热量Q5:Q5=Gc(t2-t1)G---设备总质量，kgc---设备材料比热容，kJ/(kg·K)t1、t2---设备加热前后的平均温度，℃4）、设备向环境散热Q6:Q6=Fat(tw-ta)τF---设备总表面积，m2at---壁面对空气的联合给热系数，W/(m2·℃)（空气自然对流：at=8+0.05tw）tw---壁面温度，℃ta---环境空气温度，℃τ---操作过程时间，s例：一台70m3发酵罐，装料55m3，已知发酵过程的发酵热为20935kJ/(m3·h)，拟采用∆t=5℃的地下水冷却，通过能量衡算，计算正常发酵时冷却水的用量。C水=4.187kJ/(kg·K)解：发酵热：Q=20935kJ/(m3·h)×55m3=1151425kJ/h循环水带走热量：Q=cm∆t=4.187×m×5，4.187×m×5=1151425m=55000kg/h=55t/h第三节水平衡计算工业发酵、提取精制，耗水量很大。例：生产1t酒精，用水量80t以上；生产1t啤酒，用水量10t以上；生产1tD-核糖，废水量在1000t以上。1）掌握生产过程中每个工艺过程的需水量，有利于管道的布置施工。2）通过需水量的计算，知道每个工艺过程水的消耗量和全厂的消耗量，有利于设计的改进，降低水耗。一、水平衡计算的意义：类似于物料衡算。二、水衡算的方法和步骤：注意问题：1）发酵主要用水：培养基配制、罐温控制消耗冷却水、设备清洗、蒸汽制备。2）提取主要用水：树脂洗涤、再生，板框滤布清洗等。3）不同设计，耗水量差异大，尽量循环使用。例1：LP发酵水衡算图例2：7ACCA水衡算图年产40吨美伐他汀的发酵/提取车间设计发酵、提取车间任选其一，进行车间设计。内容包括：项目简介、工艺流程示意图、物料衡算、主要设备一览表、带控制点工艺流程图、车间各楼层平面布置图，以及洁净区间（种子无菌室或精烘包）的平面布置图。开卷考题：斜面：生产菌为桔青霉，23℃、湿度65%，培养14天。种子罐：孢子进罐，搅拌，1vvm，种龄50h。发酵：装料系数80%，接种量7%，搅拌消耗2kw/m3，0.5vvm，DO≥40%，23℃，周期10天，发酵单位8g/L；种子配方：葡萄糖4%、蛋白胨2.6%、二钾0.5%、硫酸镁0.05%。发酵配方：葡萄糖6.6%、玉米浆3%、黄豆饼粉1.5%、麦芽糖4%、甘油4%。1、发酵已知：种子罐、发酵罐的高径比均为2.5:1；发酵罐可选择体积：20、30、35、50、55、60m3。每月可以10、15、30批，每批发酵液体积可选：16、24、28、40、44、48m3，发酵液8g/L，提取总收率80%。发酵已知：2、提取已知：提取包括：过滤、萃取、浓缩、结晶干燥。过滤：磷酸调pH3.5，升温至80℃，搅拌2h，降至40℃，90m2板框压滤（处理4m3/台/批），空气吹4h至干，收集菌渣（10%发酵液）。萃取：加5倍（V/M）菌渣的乙酸乙酯，过滤，萃取液静置1h，弃水。提取已知：浓缩：刮板浓缩器蒸出溶剂；结晶：浓缩液降至20℃，搅拌保温8h。离心得湿粉。烘干：圆形真空干燥箱，≤-0.09MPa，50℃。分装：聚乙烯双层袋分装，20.000kg/袋，塑封，纸桶外包，入库。※抄袭：发现雷同，得分基础上，双方再各扣10-30分。要求与说明：※上交：手写，或电子版打印。封面：格式见后页。页脚：第X页总Y页。7项标题：第一、二、三部分…..。（各部分可以有文字说明）※点评：最后两次课，部分作业上讲台讲解，现场打分。分值：共7项，3、4项各15分，5、6项各20分，1、2、7各10分。封面格式：石家庄学院2012—2013学年第一学期《发酵工厂设计概论》期末考试试卷（开卷）题目：1院（系）______专业______班级______姓名_______学号_____得分：老师签名：1日期：年月日提取车间二楼平面布局图精烘包设计：种子制备无菌室平面布局图Theend