第五章新_工艺计算

第五章工艺计算基本要求掌握生化过程的特点；熟练应用生物工程基础数据；掌握物料衡算、热量衡算的意义、方法和步骤；熟悉物料衡算的主要技术经济指标的确定及内容。应用守恒定律来研究生化过程的物料衡算和能量衡算问题。生化工厂工艺设计的步骤具体步骤如下：（1）根据前期可行性调查研究，确定产品方案及生产规模。（2）根据当前的技术，经济水平选择生产方法。（3）生产工艺流程设计。（4）物料衡算。（5）能量衡算（包括热量、耗冷量、供电量、给水量计算）。（6）选择设备。（7）车间工艺布置。（8）管路设计。（9）其它工艺设计。（10）编制工艺流程图、管道设计图及说明书等。准备工作公用工程设计等方案选择工艺计算设备设计及选型第一节生化过程及过程参数工艺计算时须熟悉有关生化过程及其过程参数。主要内容包括生化过程工艺流程生化过程开发生化过程基本参数——温度、压力、流量等基本概念。一、生化过程原料经微生物作用，然后经化学处理和物理处理加工生成发酵产品或中间产品的生产过程。单元操作流体输送传热蒸馏干燥萃取等生化过程就是由微生物发酵反应和若干个单元操作组合而成的一个系统。化工有关单元操作必须熟练掌握。原理计算适用范围适用规模……生化过程中各种设备所进行的主要操作微生物发酵：核心分离或提纯改变温度改变压力混合其他：破碎、除尘等。生化过程中哪些操作需要改变温度？生化过程中哪些操作需要改变压力？了解相应设备掌握不同微生物的发酵特点。有哪些方法？哪些操作？混合的目的？主要是哪个操作？不仅仅了解实验型设备，更主要的是了解生产型设备！1.微生物发酵整个生化过程的核心工业上付诸实现取决于许多因素，如平衡收率、反应速度、控制或减少副反应的可能性等。2.分离或提纯发酵产物为混合物。物理过程（无化学反应）——利用物质在相变化过程中某些物理性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异来进行的。如：蒸馏、结晶、溶剂萃取。除此之外，还有哪些单元操作？3.改变温度改变温度——调节反应速率、产物收率、物质的相态变化及其他物理性质变化。一般由换热器完成回收热量使热量充分利用，是发酵工厂提高经济效益的一个重要措施。（能否举例？）4.改变压力物质的相态变化（蒸发、浓缩等）流体输送（气、蒸汽、液）5.混合与分离相反的过程培养基配制、发酵搅拌等。为加速混合使用搅拌器消耗少量能量生化过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计一系列操作，把完成这些操作的设备串联组合起来，就成为一个生化过程。即工艺流程设计生化过程开发主要决定于下述因素（1）工艺因素——体系本性、温度、压力、组成、pH等操作条件。（2）工程因素——物性、相态、传质和传热方式、物料输送、反应技术、分离技术等。（3）机械设备、仪表及控制手段。二、工艺流程•生化过程常用流程图来表示。–从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的来龙去脉（简明、扼要）。•物料和能量衡算——采用流程图表示各设备之间的物料关系。三、生化过程开发•是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。•生化过程开发决定因素：①微生物发酵的工业价值；②产物分离难易；③机械、设备、材料；④经济效益。•生化过程开发的第一步就是要设计一个流程图。选择一个安全、可靠、经济效益高的最佳方案。四、过程参数•影响过程运行和状态的物理量–如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等。•常作为控制生产过程的主要指标。•进行工艺计算的基本数据–直接测定–计算–经验数据例：请问雷诺数如何确定？第二节生化工程基础数据在生化工程计算以及生化工艺和设备设计中，必不可少地要用到有关化合物的物性数据。–物料与能量衡算：密度、比容、沸点、蒸汽压、焓、热容等物性数据；–设计反应器：化学反应热的数据；–计算传热过程：导热系数的数据。生化工程基础数据：物化数据或物性数据一、分类１.基本物性数据—临界常数、密度或比容、状态方程参数等。２.热力学物性数据—内能、焓、熵、热容等。３.化学反应和热化学数据—反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数等。４.传递参数—粘度、扩散系数、导热系数等。二、生化工程基础数据获取方法1、查手册或文献资料2、估算3、用实验直接测定。同学们是否会查相关资料？有无疑问？如何进行估算？大家在设计过程中会遇到参数测定问题，如何进行测定？如：PV=nRT如采用插值法计算混合物的比热容（cm=x1c1+x2c2)。如KLa的测定第一节物料平衡计算物料衡算是生化工程计算中最基本、也是最重要的内容之一。两种情况已有的生产设备或装置：实测数据算出不能直接测定的物料量。设计一种新的设备或装置：物料衡算→能量衡算→确定设备尺寸及整个工艺流程。理论依据：质量守恒定律首先确定衡算的体系物料衡算关系式：注：１.对反应物作衡算时，由反应而消耗的量，应取减号；对生成物作衡算时，由反应而生成的量，应取加号。２.物料平衡指质量平衡，不是体积或物质的量平衡。！！！一、物料衡算式如：二、物料衡算的方法和步骤1、画出物料流程简图。若只计算其中一个车间或工段，则画出车间（工段）的物料平衡图。全厂总工艺流程图1.框图或线条图2.主要和辅助物料3.标出有关发酵参数2、搜集计算数据。3、确定衡算体系。4、写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。5、选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。6、列出物料衡算式，然后用数学方法求解。生产规模、原辅料价格、和理化数据等。单耗、单产、每批次物料量等。某一主料确定，其他按比例计算。引入物料排出物料序号物料名称组成（％）100％物料量（kg）密度（kg/L）体积（L）序号物料名称组成（％）100％物料量（kg）密度（kg/L）体积（L）12合计合计7、校核与整理结果，列出物料衡算表（p54）。8、绘出物料流程图。9、得出原料消耗综合表和排出物综合表（p54）。为了计算方便，将其中某一部分详细列出。进出可合列一表表5－1××阶段物料衡算表三、主要技术经济指标的确定通过衡算，求出：生产1000㎏成品或半成品的原材料消耗定额及原料总回收率。生产1000㎏成品所产生的排出物，包括副产物、废水、废气、废渣等。生产1000㎏成品的水、蒸汽、空气及冷量等消耗定额。主要经济指标内容生产规模、生产方法、生产天数、年产量等。产品单位成本按该指标进行物料衡算。建厂目的：生产产品获取利润设计依据：技术经济指标衡算数据：确定技术经济指标四、计算实例通过物料衡算，得到有关技术经济指标。（一）10000t/a淀粉原料酒精全厂总物料衡算1、全厂物料衡算主要内容原料消耗：薯干、酶、硫酸、硫酸铵等。中间产品：蒸煮醪、糖化醪、酒母醪、发酵醪等。成品（酒精）、副产品（杂醇油）、三废（二氧化碳、废糟等）2、工艺流程示意图双酶法糖化→间歇发酵→三塔蒸馏图5－1双酶糖化间歇（连续）发酵酒精流程示意图3、工艺技术指标及基础数据生产规模：10000t/a酒精。生产方法：双酶糖化→间歇发酵→三塔蒸馏。生产天数：每年300天。食用酒精日产量：34t。食用酒精年产量：10200t。副产品年产量次级酒精占酒精总量的2%。杂醇油量为成品酒精的0.5%。产品质量国标食用酒精（乙醇含量95%（体积分数））薯干原料含淀粉65%，水分13%。α-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为150u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。硫酸铵用量7kg/t（酒精）。硫酸用量（调pH用）5kg/t（酒精）4、原料消耗的计算（1）淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：糖化：发酵：612625106)OHnCOnHOHCn（16218180252612622COOHHCOHC18046×244×24、原料消耗的计算（2）生产1000㎏无水酒精的理论淀粉消耗量为（理论上生产1000㎏无水酒精所耗淀粉量）：)(9.1760921621000kg（3）生产1000㎏国标食用酒精的理论淀粉消耗量（乙醇含量95%（v/v），相当于92.41%（质量分数））：)(2.1627%41.929.1760kg大部分情况下是不能直接应用的，主要原因是什么？（4）生产1000㎏食用酒精实际淀粉消耗量：4、原料消耗的计算生产过程损失原因淀粉损失（%）备注原料处理粉尘损失0.40蒸煮淀粉残留及糖分破坏0.50发酵发酵残糖1.50发酵巴斯德效应4.00发酵酒汽自然蒸发与被CO2带走1.30若加酒精捕集器，此项损失降为0.30%蒸馏废糟带走等1.85总计损失9.55表5-4生产过程各阶段淀粉损失则生产1000㎏食用酒精需淀粉量为：)(3.1779%55.8%1002.1627kg加酒精捕集器4、原料消耗的计算（5）生产1000㎏食用酒精薯干原料消耗量)(4.2737%653.1779kg%65)3.1779(1G薯干含淀粉65%，则1000kg酒精薯干量为：若为液体曲，则曲中含有一定淀粉量（G1），则薯干用量为：4、原料消耗的计算（6）α-淀粉酶消耗量薯干用量：2737.4kg单位量原料消耗α-淀粉酶量：8u/g则用酶量为：)(95.10)(1095.1020008104.273733kgg双酶糖化法α-淀粉酶活力：2000u/g4、原料消耗的计算（7）糖化酶耗量酶活力：20000u/g使用量：150u/g则酶用量：酒母糖化酶用量（300u/g原料，10%酒母用量）：)(5.20)(105.2020000150104.273733kgg)(87.220000300%70%104.2737kg酒母中糖化液量4、原料消耗的计算（8）硫酸铵耗用量酒母培养基的补充氮源酒母量（G0）的0.1%，即耗量为0.1%G0)(15.1%1.0%101.1152kg发酵醪量涉及其他培养基组分，如氮源、碳源、无机盐等类似计算（以主要原料为基准）。培养基的各个组分即为需要计算的原料据此即可将所有原料的消耗计算出来。4、原料消耗的计算（8）硫酸铵耗用量（9）硫酸耗用量)(771000kg因此，根据基础数据计算得到硫酸铵和硫酸用量为：)(551000kg两种计算方法均可采用。5、蒸煮醪量的计算淀粉原料蒸煮前需加水调成粉浆（原料：水=1：3），则粉浆量为：)(10950314.2737kg）（蒸汽加热冷凝成水→醪液量增加；蒸发→醪液量减少此处计算利用了能量守恒定律薯干水分13%假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度为50ºC，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88ºC，然后进入罐式连续液化器液化，再经115ºC高温灭酶后，在真空冷却器中闪蒸冷却至63ºC后入糖化罐。其工艺流程示意图如上图所示。干物质含量B0=87%的薯干比热容为：粉浆干物质浓度为：蒸煮醪比热容为：式中cw——水的比热容[kJ/(kg·K)]为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变。)]/([63.1)7.01(18.400KkgkJBC%8.21)1004(871B)]/([62.318.4%)8.210.1(63.1%8.21)0.1(1011KkgkJcBcBcw水的比热容经验公式喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）的焓(kJ/K)维持阶段，醪液部分水分汽化，带走部分热量。（1）经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：)(1158318.4889.2748)5088(62.31095010950kg(2)经第二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：式中：2283.3——第二液化维持罐的温度为84ºC下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg）。)(115103.2288)8488(62.31158311583kg公式如何推导出来？如何推导？（3）经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为：式中115——灭酶温度（ºC）2748.9——0.5MPa饱和蒸汽的焓（kJ/kg）)(1207918.41159.2748)84115(62.31151011510kg（4）经汽