发酵工厂工艺设计概论-3

第四章工艺流程设计第四章工艺流程设计第一节概述工艺流程设计和车间布置设计是工艺设计的两个主要内容，是决定工厂的工艺计算、车间组成、生产设备及其布置的关键步骤。在整个工艺设计中最先开始，但需逐步进行局部修改，所以几乎是最后才完成。主要任务：其一是确定由原料到成品的各个生产过程及顺序，说明生产过程中物料和能量变化及流向，采用的生物反应或化工过程及设备。其二是绘制工艺流程图。选择生产方法的主要依据：1．原料来源、种类和性质2．产品的质量和规格3．生产规模4．技术水平5．建厂地区的自然环境6．经济合理性第三节工艺流程的设计步骤三个阶段：(1)生产工艺流程示意图；(2)生产工艺流程草图；(3)生产工艺流程图。工艺流程示意图得出原料、半成品、产品、副产品、废水、废料等规格、重量和体积二、工艺流程草图的设计计算、确定计量和贮存设备的容积、决定容积型设备的尺寸和台数工艺流程草图的设计—→—→—→—→—→—→—→物料平衡计算水、电、汽、能量计算；确定单元操作参数，如过滤面积、传热面积等，对专业设备和通用设备进行设计或选型得出所有设备的规格、型号、尺寸、台数对工艺流程草图进行修改和充实(一)工艺流程草图的制图要求工艺流程草图是由物料流程、图例、设备一览表以及必要的文字说明所组成，一般是初步设计阶段的草图。(1)应表示出厂房各层楼面的标高。(2)画出设备示意图，设备的尺寸大小应适当相称且大致形似，并标明其流程号。(3)画出设备的物料及水、汽、真空、压缩空气、冷冻剂等管线和流动方向，以及管线上的主要阀门及管路附件如过滤器、疏水器等。(4)画出必要的计量器具和控制仪表。(5)必要的文字注释，如半成品、副产品的去向等。(6)附注图例，并按国家规定画出图签、图框。制图比例大致按1:100进行绘制，如设备过小或过大时则可采用1:50或1:200。第五章工艺计算第五章工艺计算第一节物料平衡计算一、物料衡算的意义、方法和步骤物料衡算是工艺计算的基础，在整个工艺计算中开始得最早，最先完成。当生产方法确定并完成了工艺流程示意图设计后，即可进行物料平衡计算。(一)物料衡算的意义物料衡算：根据质量守恒定律，引入系统或设备的物料质量Gm，等于输出系统或设备的物料（常为产物）的质量Gp和物料损失量Gw之和，即：Gm＝Gp＋Gw此法则，既适于单元操作过程，也适于整个生产过程；既可进行总物料衡算，也可对混合物中某一组分作部分物料衡算。(二)物料衡算的方法和步骤1．弄清题意和计算的目的要求——充分了解物料衡算的目的要求，决定计算方法。2．绘出物料衡算流程示意图——使用框图和线条图表示系统。把主要物料和辅助物料都在图上标清楚，并尽可能标出各物料的流量、组成、温度和压力等参数。3．写出生物反应方程式——根据工艺过程发生的生物反应，写出主反应和副反应的方程式。对复杂的反应过程，可写出反应过程通式和反应物组成。副反应很多，可把所占比重很小的副反应略去。对那些产生有毒物质或明显影响产品质量的副反应，其量虽小，但不能忽略。4．收集设计基础数据和有关物化常数需收集的数据资料包括：生产规模，年生产天数，原料、辅料和产品的规格、组成及质量等。常用的物化常数可在相应的化工、生化设计手册中查到。5．确定工艺指标及消耗定额等设计所用的工艺指标、原材料消耗定额及其他经验数据，可根据所用的生产方法、工艺流程和设备，对照同类型生产工厂的实绩水平来确定，这必须是先进而又可行的，它是衡量企业设计水平高低的标志。6．选定计算基准(1)以单位时间产品量或单位时间原料量作为计算基准。这类基准适用于连续操作过程及设备的计算。(2)以单位重量、单位体积或单位摩尔数的产品或原料为计算基准。对于固体或液体常用单位质量(t或kg)，对于气体常用单位体积或单位摩尔数(L，m3或mol)，热量一般以焦耳为单位(J)。(3)以加入设备的一批物料量为计算基准。7．由已知数据，根据Gm＝Gp＋Gt进行物料衡算。根据物料衡算式和待求项的数目列出数学关联式，关联式数目应等于未知项数目。当关联式数目小于未知项数时，可用试差法求解。8．校核与整理计算结果，列出物料衡算表在整个物料衡算过程中，对主要计算结果都必须认真校核，确保无误。发现差错，必须及时重算更正，以免错误延续，导致大量返工重算，甚至延误设计进度。最后，把整理好的计算结果列成物料衡算表。9．绘出物料流程图根据计算结果绘制物料流程图。物料流程图要作为正式设计成果，编人设计文件，以便于审核和设计施工。最后，经过各种系数转换和计算，得出原料消耗综合表和排出物综合表二、主要技术经济指标的确定(一)技术经济指标确定的意义技术经济指标是衡量工厂设计的合理性和先进性的主要依据。先进的、合理的技术经济指标是工厂建设成功的基础。物料衡算和能量衡算是确定生产过程技术经济指标的关键数据。通过生产全过程的总物料衡算、能量衡算和各阶段的物料衡算、能量衡算，就可以求出：(1)生产1000kg成品或半成品的原材料消耗定额及原料总回收率。(2)生产1000kg成品所产生的排出物，包括副产物、废水、废气、废渣等。(3)生产1000kg成品的水、蒸汽、空气及冷量等消耗定额以上三项，通常构成了产品单位成本的主要部分。(二)主要技术经济指标内容：1．生产规模(t/a)2．生产方法3．生产天数(d/a)4．产品日产量(t/d)5．产品年产量(t/a)6．副产品年产量(t/a)7．产品质量8．总回收率(％)9．原材料单耗(1)主原料(t/t产品)(2)辅料(t/t产品)(3)水(t/t产品)(4)电(kWh/t产品)(5)蒸汽(t/t产品)(6)冷量(kJ/t产品)10．总投资(万元)(1)设备价值(2)材料费(3)运杂费(4)建筑工程费(5)工资(6)其他11．劳动生产率(1)生产人员(2)商品产值(万元)(3)全员劳动生产率[万元／(人·a)](4)工人实物劳动生产率[t／(a·人)]12．单位成本(元／t)13．利润(1)单位产品利润(元／t)(2)总利润(万元／a)14．投资回收年限(a)15．全厂设备总重量(t)16．全厂主要管件、管材总重(t)17．钢铁、水泥、木材单耗第二节热量平衡计算一、热量衡算的意义、方法和步骤(一)热量衡算的意义(1)计算生产过程能耗定额指标。可对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺；或对已投产的生产系统的生产过程的经济合理性、过程的先进性进行分析，并找出存在的问题，提出改造或革新的措施。(2)热量衡算的数据是设备选型、确定台数的依据。(3)热量衡算是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。(二)热量衡算的方法和步骤热量衡算也可作全过程的或单元设备的热量衡算。以单元设备的衡算为例具体的方法和步骤如下：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，写出热量衡算式：QQQ入出损Q入——输入的热量总和(kJ)Q出——输出的热量总和(kJ)Q损——损失的热量总和kJ)123QQQQ入式中：Ql——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，包括生物反应热、搅拌热等(kJ)式中：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——气体或蒸汽带出的热量(kJ)4567出QQQQQ3．搜集数据物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。数据可以从专门手册查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。4．确定合适的计算基准在热量衡算中必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。通常，取0℃为基准温度可简化计算。5．进行具体的热量计算(1)物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式计算：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(℃)QGct(2)过程热效应Q3主要有发酵热QB、搅拌热Qs和状态热(例如汽化热、溶解热、结晶热等)：Q3＝QB＋Qs＋Qλ式中QB——发酵热(呼吸热)(kJ)Qs＝3600Pη(kJ)其中P为搅拌功率(kW)，η为搅拌过程功热转化率，通常，η＝92％。Qλ=Gλ,G为状态改变的质量，λ为潜热。(3)加热设备耗热量Q5为了简化计算，忽略设备不同部分的温度差异，则：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(℃)(4)气体或蒸汽带出热量Q7式中:G——离开设备的气态物料(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)7()QGctr(5)设备向环境散热Q8为了简化计算，假定设备壁面的温度是相同的，则：式中F——设备总表面积(m2)αT——壁面对空气的联合给热系数[W／(m2·℃)]tw——壁面温度(℃)ta——环境空气温度(℃)τ——操作过程时间(s)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)8()TwaQFtt(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(或冷却)介质传入(或带出)的热量Q2Q2称为有效热负荷。若计算出的Q2为正值，则过程需加热；若Q2为负值，则过程需从操作系统移出热量，即需冷却。根据Q2来确定加热(或冷却)介质及其用量。热量衡算值得注意的几个问题：(1)确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化成热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小的项目可以忽略不计，以简化计算。(2)确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和其他能量基准。有相变时，必须确定相态基准，不要忽略相变热。(3)正确选择与计算热力学数据。(4)在有相关条件约束，物料量和能量参数(如温度)有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡计算联合进行，才能获得准确结果。第六章设备的设计与选型一、专业设备设计与选型的依据(1)由工艺计算确定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗风量、耗冷量等。(2)工艺操作的最适外部条件(温度、压力、真空度等)。(3)设备的构造类型和性能。(一)间歇操作设备生产能力数量和容积的设计计算1．间歇操作设备生产能力的确定生产能力的表示方法，一般为t／(罐·批)或m3／(罐·批)。例如3000t／a味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能力为：100×70％×15％×48％×80％×112％(1-1％)＝4.47[t／(罐·批)]式中100——发酵罐容积(t)15％——发酵初糖浓度70％——填充系数48％——发酵转化率80％——提取率112％——精制收率1％——染菌率2．间歇操作所需设备数量的确定或式中N——设备的操作台数(不含备用)Z——工段的生产能力，以每昼夜加工原料和半成品的吨数表示τ——设备的每一个操作周期(h)G——设备操作有效量(t)r——一昼夜内设备操作的小时数V0——昼夜内被加工的原料、半成品的容量(m3)Va——一台设备的容量(m3)——设备的填充系数，此值为经验值，主要考虑物料的泡沫性质和将来可能增加的容量余地。　ZNGr024　aVNV3．设备容积的计算式中V——设备的总容积(m3)Va——24h内加工的成品或半成品的容积()r——操作周期，包括预备时间、操作和清洗等辅助操作时间(h)——设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置的或产生泡沫多的物料应取0.6～0.8，酒精发酵罐等取0.8～0.85，汽液分离器取0.7等24　aVV4．设备主要尺寸的计算发酵工厂的设备多为容器型设备。不同的设备，高径比有很大差别。锥形底制作容易，排料干净，间歇操作采用较多。通常根据已知容量V以及高径比、封头高度，列出数学方程求出各部尺寸。直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系数。然后校