工艺物料衡算学习.ppt

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1、第五章 工艺计算n教学目的与要求：第一节 物料平衡计算第二节 热量平衡计算第三节 水平衡计算第四节 耗冷量平衡计算第五节 无菌压缩空气消耗量的计算第六节 抽真空量的计算教学内容：思考题n物料衡算的意义物料衡算的意义、方法和步骤？n物料衡算计算基准有哪几种物料衡算计算基准有哪几种？n产品单位成本的主要组成产品单位成本的主要组成？n热量平衡的意义？n热量平衡的方法和步骤？n耗冷量计算的意义？第一节 物料平衡计算 一、物料衡算的意义、方法、步骤 二、主要经济技术指标的确定 三、计算实例一、物料衡算的意义、方法、步骤 (一)物料衡算的意义 在发酵生产和其他化工生产中，物料衡算是指：根据质量守恒定律，凡

2、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GF和物料损失量Gt之和，即： Gm - GP = Gt 通过物料平衡计算，可以求出引入和离开设备的物料(包括原料、中间体和成品等)各组分的成分、重量和体积，进而计算产品的原料消耗定额、每日或每年消耗量以及成品、副产物、废物等排出物料量。 根据物料衡算物料衡算结果，可进一步完成下列的设计（意义）设计（意义）： (1)确定生产设备的容量、个数和主要尺寸。 (2)工艺流程草图的设计。 (3)水、蒸汽、热量、冷量等平衡计算。 (二)物料衡算的方法和步骤 物料衡算的基本依据是质量守恒定律，即引入系统(或设备)操作的全部物料质量必等于操作后离开该系

3、统(或设备)的全部物料质量和物料损失之和。发酵生产和其他化工生产一样，有连续式或间歇式操作方法，连续操作又可分成有物料再循环和物料不循环两类。故在进行物料衡算时，必须遵循一定的方法步骤。 对于较复杂的物料平衡计算，通常可按下述方法和步骤进行1.弄清题意和计算的目的要求 要充分了解物料衡算的目的要求，从而决定采用何种计算方法。2. 绘出物料衡算流程示意图 为了使研究的问题形象化和具体化，使计算的目的正确、明了，通常使用框图和线条图显示所研究的系统。图形表达方式宜简单，但代表的内容应准确、详细。把主要物料(原料或主产品)和辅助物料(辅助原料或副产品)都应在图上表示清楚，并尽可能标出各物料的流量、组

4、成、温度和压力等参数，不得有错漏，故必须反复核对。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。需要注意的是，生物反应往往很复杂，副反应很多，这时可把次要的所占比重很小的副反应略去。但是，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，因为这是精制分离设备设计和三废治理设计的重要依据。4. 收集设计基础数据和有关物化常数 需收集的数据资料一般应包括：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。 常用的物化常数如密度、比热容等，可在相应的化工、生化设计手册中查到。5. 确定工

5、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.选定计算基准选定计算基准 计算基准是工艺计算的出发点，选得正确，能使计算结果正确，而且可使计算结果大为简化。因此，应该根据生产过程特点，选定统一的基准。在工业上，常用的基准有： (1)、以单位时间产品量或单位时间原料量以单位时间产品量或单位时间原料量作为计算基准。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。如酒精工厂设计，可以每小时所需原料量公斤或每小时产公斤酒精量为计算基准。 (

6、2)、以单位重量、单位体积或单位摩尔数的产以单位重量、单位体积或单位摩尔数的产品或原料为计算基准。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)。例如啤酒工厂物料衡算，可以100kg原料出发进行计算，或以100L啤酒出发进行计算。 (3)、以加入设备的一批物料量为计算基准以加入设备的一批物料量为计算基准。 如啤酒生产，味精、酶制剂、柠檬酸生产，均可以投入糖化锅、发酵罐的每批次物料量为计算基准。 (2)、(3)类基准常用于间歇操作的计算。 7.由已知数据，根据物料平衡式进行物料衡算 物料衡算式既适用于

7、整个生产过程，也适用于某一工序和设备；即可进行总物料衡算，也可对其中某一组分进行衡算。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。物料流程图能直观地表明各物料在生产工艺过程的位置和相互关系，是一种简单、清楚的表示方法。物料流程图要作为正式设计成果，编入设计文件，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，如下表二、主要经济技术指标的确定 (一)技术经济指标确定的意义 建厂的基本目的是生产目的产物

8、和获取利润，而技术经济指标则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生产成功的基础。 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一般生产企业主要技术经济指标 内容1.生产规模(t/a)2.生产方法3.生产天

9、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

10、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、木材单耗三、计算实例 10000t/a淀粉原料酒精厂全厂总物料衡算 1.全厂物料衡算主要内容 淀粉原料酒精厂的物料衡算包括两部分，第一部分是生产过程全厂总物料衡算，主要计算内容有： (1)原料消耗的计算 主要原料为薯干，其他辅料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸铵等。 (2)中间产品 蒸煮醪、糖化醪、酒母醪、发酵醪量等。 (3)成品、副产品以及废气、废水、废渣即酒精、醛酒、杂醇油、二氧化碳和废糟等。2工艺流程示意图 生产工艺采用双酶法糖化、间歇(连续)发酵和三塔蒸馏流程。3.工艺技术

11、指标及基础数据 (1)生产规模 10000t/a酒精。 (2)生产方法 双酶糖化、间歇发酵三塔蒸馏。 (3)生产天数 300天。 (4)食用酒精 日产量 34t。 (5)食用酒精 年产量 10200t。 (6)副产品年产量 次级酒精占酒精总量的2% (7)杂醇油量 为成品酒精量的0.5% (8)产品质量 国标食用酒精 GB10343-1989 乙醇含量95 （体积分数)。 (9)薯干原料含淀粉65，水分13。 (10)-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300u/g原料。 (11)硫酸铵用量 7kg/t(酒精)。 (12)硫酸用量(调pH用) 5kg/

12、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：(C6H10O5)n+nH2O n C6H12O6 162 18 180发酵： C6H12O6 2 C2H5OH+2C02 180 462 442 180 92 88 (2)生产1000kg无水酒精的理论淀粉消耗量： 1000162/92=1760.9（kg） (3)生产1000kg国标食用酒精的理论淀粉消耗量 国标食用酒精的乙醇含量在95(体积分数)以上，相当于92.41(质量分数)，故生产1000kg食用酒精成品理论上需淀粉量为： 1760.992.41=1627.2(kg) (4)生产1000kg食用酒精实际淀

13、粉耗量 实际上，整个生产过程经历原料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论产率。据实际经验，各阶段淀粉损失率如下表所示。 假定发酵系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失率为8.55。故生产1000kg食用酒精需淀粉量为： 1627.2（100%-8.55%） =1779.3(kg) 相当于淀粉出酒率为 10001779.356.2. 达到我国现阶段薯干原料生产酒精的先进出酒率水平。(5)生产1000kg食用酒精薯干原料消耗量 基础数据给出薯干原料含淀粉65，则薯干原料需用量为： 1779.365=2737.4(kg) 若应用液体曲糖化工艺，并设每生产1000

14、kg酒精产品需要的糖化剂所含的淀粉量为Gl，故1t酒精耗薯干量为： (1779.3- Gl ）65 (7)糖化酶耗量 若所用糖化酶的活力为20000u/g，使用量为150u/g原料，则糖化酶消耗量为：(6)-淀粉酶消耗量 应用酶活力为2000u/g的-淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗。-淀粉酶用量按8u/g原料计算。用酶量为： 此外，酒母糖化酶用量按300u/g(原料)计，且酒母用量为10，酒母培养液所用的糖化液占70，其余为稀释水与糖化剂，则用酶量为：(8)硫酸铵耗用量 硫酸铵用于酒母培养基的补充氮源，其用量为酒母量的0.1， 酒母醪量为Go，则硫酸铵耗量为： 0.1Go 5蒸煮醪

15、量的计算 根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1：3，故粉浆量为： 2737.4(1+3)=10950(kg) 蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟器和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行，因而十分复杂。为简化计算，可按下述方法近似求解。 假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度为50，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88，然后进人罐式连续液化器液化，再经115高温灭酶后，在真空冷却器中闪急蒸发冷却至63后入糖化罐。其工艺流程示意图。 干物质含量Bo=87的薯干比热容为： co=4.18(1-0.7Bo)=1.63kJ(kgK

16、 ) 粉浆干物质浓度为： Bl=87(4100)=21.8 蒸煮醪比热容为： c1= B1 co + (1.0-B1)cw = 21.81.63+(1.0-21.8)4.18 =3.62kJ(kgK)式中 c。水的比热容kJ(kgK) 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。 (1)经喷射液化器加热后蒸煮醪量为： 式中 2748.9喷射液化器加热蒸汽 (0.5MPa)的焓(kJ/K)式中 2288.3温度为84下饱和蒸汽 的汽化潜热(kJ/K)(2)经第二液化维持罐出来的蒸煮醪量为： 式中2245104.3下饱和蒸汽的 汽化潜热(kJ/K)(3)经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为：经

17、喷射混合加热器后的蒸煮醪量为：式中 115灭酶温度() 2748.90.5MPa饱和蒸汽的焓(kJ/K)(4)经汽液分离器后的蒸煮醪量： 式中 2351真空冷却温度为63下 的饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/K) 10950kg粉浆蒸煮后变成11116kg蒸煮醪(5)经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：6、糖化醪与发酵醪量的计算： 设发酵结束后成熟醪含酒精10%（体积分数），相当于8.01%（质量分数）。并设蒸馏效率为98%，且发酵罐酒精捕集器和洗罐用水分别为成熟醪量的5%和1%，生产1000kg95%的酒精成品的计算如下(1）需蒸馏的成熟发酵醪量为：(2)不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：

18、12477106=11771(kg)(3)入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为： (4)相应发酵过程放出C02总量为：(6)糖化醪量 酒母醪的70是糖化醪，其余为糖化剂和稀释水，则糖化醪量为：(5)接种量按10计，则酒母醪量为：7.成品与发酵醪量的计算(1)醛酒产量 在醛塔取酒一般占成品酒精的1.23，在保证主产品质量合格的前提下，醛酒量取得越少越好。设醛酒量占成品酒精的2，则生产1000kg成品酒精可得次品酒精量为： 10002=20(kg)(2)食用酒精产量 每生产1000kg酒精，其食用酒精产量为： 1000-20=980(kg)(3)杂醇油产量 杂醇油量通常为酒精产量的0.30.7，取平均值0.

19、5，则淀粉原料生产1000kg酒精副产杂醇油量为： 10000.5= 5(kg) (4)废醪量的计算 废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分及其他挥发组分后的残留液。此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加热，所以还需加上人塔的加热蒸汽冷凝水。醪塔的物料和热量衡算如图所示 设进塔的醪液(F1)的温度t1=70，排出废醪的温度t4=105：成熟醪固形物浓度为7.5，塔顶上升酒汽的乙醇浓度Bl 50(体积分数)即47.18(质量分数)。间接加热则： 醪塔上升蒸汽量为：残留液量为： Wx=12477-1999=10478(kg)成熟醪比热容为： c1=4.18(1.019-0.95B1) =4.1

20、8(1.019-0.957.5) =3.96kJ/(kgK)成熟醪带人塔的热量为： Q1=F1c1t1 =124773.9670 =3.46106(kJ)蒸馏残留液固形物浓度为： B2=FlBlWx=124777.510478 =8.93 以间接加热，没有加热蒸汽冷凝水。蒸馏残留液的比热容为： c2=4.18(1-0.378B2)=4.03 kJ/(kgK) 塔底残留液带出热量为： Q4=Wxc2t2=104784.03105 =4.43106(kJ)查附录得50(体积分数)酒精蒸汽焓为i=1965kJ/kg，故有：上升蒸汽带出热量为： Q3=V1i=19991965=3.93 106(kJ)

21、 塔底采用0.05MPa(表压)蒸汽加热，焓为2689.8kJ/kg；又蒸馏过程热损失Qn可取为传热量的1%，根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为： 若采用直接蒸汽加热，则塔底排出的废醪量：Wx+D1=10478+2199=12677（kg） 8. 10000t/a淀粉原料酒精厂总物料衡算 淀粉原料生产1000kg 95%酒精的原料消耗， 生产10000t/a薯干原料酒精厂进行计算。 (1)成品酒精： 日产食用酒精： 10000300=33.33 取整数34t 日产次级酒精：342/98=0.694（t） 实际年产量为： 食用酒精量：34300=10200 (t/a) 次级酒精量为0.694300

22、=208(t/a) 酒精总产量为10408(ta)(2)主要原料薯干用量日耗量：2737.434.694=94971(kg)年耗量：94971300=2.849X107(kg) =28490(t) 淀粉酶、糖化酶用量以及蒸煮粉浆量、糖化醪、酒母醪、蒸馏发酵醪等每日量和每年量均可算出，衡算结果见下表。第二节 热量平衡计算一、热量衡算的意义、方法和步骤 热量衡算的目的在于定量研究生产过程，为过程设计和操作最佳化提供依据。 (一)热量衡算的意义 1.通过热量衡算，计算生产过程能耗定额指标。 2.热量衡算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸、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

23、的基础。热量衡算的结果有助于工艺流程和设备的改进，达到节约能源、降低生产成本的目的。(二)热量衡算的方法和步骤 和物料衡算一样，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说明具体的方法和步骤： 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： Q入=Q出+Q损 式中 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)一般， Q入=Ql+ Q2 + Q3 Q出= Q4+Q5 + Q6+ Q7 Q损= Q8式中 Ql物料带人的热量(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

24、程的热效应，包括生物反应热、搅 拌热等(kJ) 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)代入得： Ql+ Q2 + Q3= Q4+Q5 + Q6+ Q7+Q8 注意，对具体的单元设备，上述的Q1、Q8各项热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。3搜集数据 为了使热量衡算顺利进行，计算结果正确无误和节约时间，首先要搜集有关数据，如物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。这些有用的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，取不

25、同的基准温度，算出各项数据就不同。所以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。 此外，为使计算方便、准确，可灵活选取适当的基准，如按l00kg原料或成品、每小时或每批次处理量等作基准进行计算。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 Q=G.c.t kJ 式中 G物料质量 kg c物料比热容 kJ/(kgK) t物料进入或离开设备的温度(2)过程热效应Q3 过程的热效应主要有生物合成热QB 、搅拌热QS和状态热(例如汽化热、溶解热、结晶热等)： Q3 = QB + QS式中 QB发酵热(呼吸热)(kJ)，视不同条 件、环境进行

26、计算 Qs搅拌热 kJ Qs=3600P P搅拌功率(kW)， 搅拌过程功热转化率，通常=92(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(kgK) t1 , t2设备加热前后的平均温度 () (4)气体或蒸汽带出热量Q7 Q7 =G(ct+r)式中 G离开设备的气态物料量 (如空气、C02等) (kg) c液态物料由0升温至蒸发温 度的平均比热容 kJ/(kgK) t气态物料温度() r蒸发潜热(kJ/kg)(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 Q8 =F

27、aT(tw-ta) 式中 F设备总表面积(m2) aT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() 操作过程时间(s) aT 的计算： 空气作自然对流， aT =8+0.05tW 强制对流时(空气流速W=5m/s): aT =5.3+3.6W 或aT =6.7W0.78 (W5m/s) (6)加热物料需要的热量Q6 Q6 =Gc (tw-ta) 式中 G物料质量(kg ) c物料比热容 kJ/ (kgK) t1 , t2物料加热前后的温度()(7)加热(或冷却)介质传人(或带出)的热量Q2 对于热量平衡计算的设计任务，Q2是待求量，也称为有效热负荷。若计算出的

28、Q2为正值，则过程需加热；若Q2为负值.即需冷却。最后，根据Q2来确定加热(或冷却)介质及其用量。能量消耗综合表如下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) 热量平衡计算联合进行，才能获得准确结果。有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡联合计算，计算结果准确。 第三节第三节 水平衡计算水平衡计算一、水衡算

29、的意义 发酵生产中，水是必不可少的物料。因为发酵过程涉及的生化反应，是由微生物或酶作生物催化剂的。所以在发酵生产中，原料处理、培养基制备、加热和冷却、设备清洗等都需用大量的水。没有水，发酵生产就无法进行。 其次，原料的蒸煮、糖化或发酵等过程，都有最佳的原料、基质浓度范围，故加水量必须严格控制。 对发酵生产，水的平衡计算是十分重要的设计步骤，因为水衡算与物料衡算、热量衡算等工艺计算以及设备的计算和选型、产品成本、技术经济等均有密切关系。此外，发酵生产的废液排放量也与水的用量密切相关。二、水衡算的方法和步骤 水衡算是在完成主要物料衡算的基础上与热量衡量同时展开的。水衡算的方法与步骤和物料衡算类似。

30、 根据发酵生产水衡算的特点， 应注意的问题：1.发酵生产工艺中，需用水过程一般包括原料处理、培养基配制、半成品的洗涤、温度控制的冷却过程、设备和管道的清洗等。 2.生产工艺、设备或规模不同，生产过程用水量也随之改变，有时差异还很大。即便是同一规模、工艺也相同的厂，单位成品耗水量往往也大不相同。在工艺流程设计时，必须妥善安排，合理用水，尽量做到一水多用和循环使用。第四节 耗冷量计算一、耗冷量计算的意义 现代发酵工厂通常都有制冷系统。无论是菌种培养、发酵、产品提取精制等过程，都可能要求在室温以下的温度进行。以上所述的过程，均需要制冷操作。 通过耗冷量的计算，结合冷冻工艺要求，选定制冷系统类型和冷冻

31、机的型号、规格，进而完成制冷系统设计。二、耗冷量计算的方法和步骤 发酵工厂耗冷量分为： 工艺耗冷量Qt：包括发酵培养基和发酵 罐体的冷却降温耗冷，生物反应放 热(发酵热)的除去等 非工艺耗冷量Qnt ：包括维护结构耗冷 量、用电设备运转放热耗冷量等。具体的计算公式如下： Q=Qt+Qnt 工艺耗冷量可用下式计算： Qt = Ql+ Q2 + Q3+ Q4 1培养基等物料和发酵罐体冷却至操作温度的耗冷量Ql Ql=(GM cM+GRcR)(tlt2)式中:GM发酵培养基等物料质量 kg cM发酵培养基等物料比热容 kJ/(kgK) GR发酵反应器质量 kg cR发酵罐体比热容 kJ/kgK tl

32、料液和罐体冷却前的温度 t2料液和罐体冷却后的温度 工艺规定的冷却过程时间 h 2发酵热 Ql (1)通气发酵过程热量计算 通气发酵过程放热常用的计算方法有三种， a.通过冷却水带走的热量计算； b.是通过发酵液温度升高测定计算； c.是应用生物合成热的方法进行计算。 前两种是通过实验测定结果推算， 第三种方法则是半理论计算法。发酵热可用下式计算： Q2=Qb+Qst-Q (kJ/h) Qb为生物合成热。包括微生物细胞呼吸放热Qb和发酵放热Qb Qb=Qb+Qb (kJ/h)其中， Qb15651kJ/kg (对葡萄糖) Qb4953kJ/kg (对葡萄糖) 和分别为细胞呼吸和发酵的耗糖量(k

33、g/h)机械搅拌产生的热量Qst ： Qst=3600Pst式中 搅拌功热转换系数，为0.92 Pst搅拌轴功率(kW) Q为排气使发酵液水分汽化带出的热焓。根据经验，可取： Q=0.2Qb (2)厌气发酵过程热量计算 酒精、啤酒等发酵过程是厌气发酵，若以麦芽糖计算，则发酵热为： Q2=613.6kJ/kg (麦芽糖) 另外还有种子培养耗冷量Q3和工艺用无菌水的冷却耗冷量Q4等，可参照以上方法计算。 3.非工艺耗冷量Qnt的计算 非工艺耗冷量通常包含 照明及用电设备耗冷量Q5、 需降温冷冻的车间厂房的围护结构Q6 低温设备、管道的冷量散失以及其他操作过程的耗冷Q7等。 Qnt=Q5+Q6+Q7

34、(1)照明及用电设备耗冷及其他操作耗冷量Q5 车间照明耗冷量Q5可根据下式计算： Q5=q1F (kJ/h) q1冷间单位面积照明放热耗冷量。 一般车间的照明标准为10W/m2，使用系数取0.6，则： q1=100.63600=21600 J/(m2h) =21.6 kJ/ (m2h) F冷间面积 m2 电机等用电设备运转耗冷量Q5 Qb=3600P=3312P 式中 P电机或其他用电设备功(kW) 功热转换系数，取0.92 冷间室门开启耗冷量Q5 Q5 =q2F 式中 q2冷间单位面积开门耗冷量， 可取100300kJ/(m2h)，根据开门的频繁程度和冷间面积F确定 冷间内操作工人耗冷量Q5

35、 Q5=q3n 视开门的频繁程度和车式中 q3每个操作工单位时间耗冷量， 视车间温度不同而取不同值 n车间内操作工人数 Q5= Q5+ Q5+ Q5+ Q5 =21.6F+ 3312P+ q2F + q3n Fi围护结构的面积(m2) F受太阳辐射的壁面面积(m2) K、Ki围护结构的传热系数W /(m2K) 取经验值0.5W /(m2K) ta 、t冷间外部环境计算温度和室内温 度， ta可按下表选取 (2)围护结构耗冷量Q6可用下式表示：(3)低温设备、管道的冷量散失Q7 Q7的计算和Q6近似。即 Q7=KFt K总传热系数， a1空气对壁面给热系数，取11.6W/(m2K) 12和12等

36、各层材料厚度(m)和 导热系数 2由内壁面对物料的给热系数 W介质运动速度， 一般 W=0.52.5m/s d管子的外径(m) 介质的物理状态参数，对于水和 与水 近似的介质(如啤酒)，按下式 计算：=60+t，t为介质温度 可用下式计算： 第五节 无菌压缩空气消耗量的计算 一、无菌压缩空气消耗量计算的意义 通过压缩空气用量的计算，可确定配套的空气压缩机的选型和台数，并进行空气过滤除菌系统的设计。二、压缩空气消耗量计算的方法和步骤 压缩空气消耗量，通常用单位时间耗用的常压空气体积表示，即m3/h(105Pa)。 设计时，只需求出需用的压缩空气的体积和压强就可以了。下面分别介绍通气发酵罐的通风量

37、和压送液体物料所需的压缩空气消耗量的计算方法。1通气发酵罐通风量计算 供氧通过试验确定。发酵系统处于稳定态时，溶氧速率与耗氧速率相等，即： OTR=OUR OTR=KLa(c*-c) OUR=qO2x 或 OUR=Q(cincout)V 式中 OTR溶氧速率mol02/(m3 h) OUR耗氧速率mol02/(m3 h) qO2微生物比呼吸速率mol02/ (kg.h) x微生物活细胞浓度(kg/ m3 ) Kla体积溶氧系数(h-1或S-1 )通气量： Q= qO2xV(cincout) cin大气的氧浓度， cout可根据氧利用率计算， cout =0.85-0.9cin， qO2由小型发

38、酵试验确定； x 可通过分析测定。 V发酵液的体积m3 搅拌通风发酵罐的比拟放大设计主要有两种准则，其一是等KLa放大， 另一是等(Po/V)放大准则。 (1)等Kla放大准则计算Q 放大罐通气量Q2与试验罐的Ql的关系为： 式中 V1试验罐的装液量(m3) V2放大罐的装液量(m3) H1试验罐的装液高度(m) H2放大罐的装液高度(m)(2)Po/V相等放大准则 这是通风发酵罐放大设计最常用的方法。谷氨酸、柠檬酸及抗生素等发酵，尽管规模不同，但维Po/V不变，则生产结果相近。 应用Po/V相等准则放大设计时，理论上通气量的计算可按空截面气速Vs维持恒定的原则，即放大罐的通气量为： 式中 D

39、2放大罐的直径(m) Vs1试验罐空截面气速(m/s) 2通风搅拌用的压缩空气的压强计算 P通风搅拌用的压缩空气的压强(Pa) H被搅拌液体的液柱高度(m) L被搅拌液体的密度(kg/m3) a通人空气的密度(kg/m3) W管道中空气流速(m/s) 总阻力系数，包括空气分布器等阻力 Po液面上的压强(Pa) 3压送培养基等液体物料时无菌空气耗量(1)所需压缩空气的压强户可按下式求算： H压送静压高度，即设备间液面垂直 距离(m) 被输送液体密度(kg/m3)通常，压送高度是已知的或可按下式估算： (2)压缩空气消耗量分下述两种情况计算： 设备中液体在一次操作中全部压完一次操作消耗的压强为10

40、5Pa的空气量为： V=10-5VoP 每小时压缩空气消耗量为： V=10-5VoP / (m3h)式中 每次压送液体的操作时间(h) Vo设备容积(m3) P所需压缩空气的压强(Pa) 设备中液体部分压出 对一次操作，折算成压强为105Pa的压缩空气消耗量为 V=Vo(2-)+VLP10-52 若每次压送时间为(h)，则每小时无菌空气耗量为： V=510-6Vo(2-)+VLP/(m3/h) Vo设备容积 m3 装料系数 V一次压送的液体体积 m3 第六节 抽真空量计算一、抽真空量计算的意义 如上节介绍的压缩空气一样，抽真空量也广泛应用于发酵生产和其他化工生产过程中。例如真空过滤、真空蒸发、

41、真空冷却、减压蒸馏、真空干燥、真空输送等过程。 二、抽真空量计算的方法和步骤 1.明确需抽真空设备的具体操作目的，如真空冷却、真空浓缩或真空过滤等。 2.根据工艺要求，计算确定设备系统的操作真空度。 3.由生产能力，通过物料衡算和热量衡算，确定负荷量。 4.对分批操作，要计算抽真空操作时间。 5.设计真空设备的结构和型号规格(真空泵选型等)。真空冷却器的抽真空量的计算： 被处理的物料液在真空冷却器内产生的二次蒸汽量W： W=Gc（t1- t2）（I-ct2） （kg/h） 式中：G进入冷却器的料液流量kg/h c料液比热容 kJ/（kg.K） t1、 t2 进入热料液和离开的冷料温度 I二次蒸汽热焓。假定c不变，查出二次蒸汽的比容V则抽真空量B1 ： B1=GcV （t1- t2）（I-ct2） m3/h 需考虑物料中含有不凝性气体，管路阀门有渗漏，渗漏系数为A，可得不凝性气体抽出量B2 ： B2=2.5105 （W+W）+AW kg/h W水喷射泵耗水量 2.5105水中溶解的空气量 真空冷却器的抽真空量： B= B1+ B2 kg/h