第五章新_工艺计算ppt课件VIP

.,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。,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：微生物发酵的工业价值；产物分离难易；机械、设备、材料；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,.基本物性数据临界常数、密度或比容、状态方程参数等。.热力学物性数据内能、焓、熵、热容等。.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。.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：.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。.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,框图或线条图主要和辅助物料标出有关发酵参数,.,.,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。,.,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51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。,.,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51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%。-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：,162,18,180,180,462,442,.,4、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）：,（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）：,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,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：,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,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）-淀粉酶消耗量薯干用量：2737.4kg单位量原料消耗-淀粉酶量：8u/g则用酶量为：,双酶糖化法,-淀粉酶活力：2000u/g,.,4、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）：,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,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,因此，根据基础数据计算得到硫酸铵和硫酸用量为：,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：,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50C，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88C，然后进入罐式连续液化器液化，再经115C高温灭酶后，在真空冷却器中闪蒸冷却至63C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/(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。,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：,(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84C下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg）。,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（C）2748.90.5MPa饱和蒸汽的焓（kJ/kg）,（4）经汽液分离器后的蒸煮醪量：式中2245104.3C下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/kg）。,（5）经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：式中2351真空冷却温度为63C下的饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/kg).,.,6、糖化醪与发酵醪量的计算,1000kg食用酒精中酒精含量,设发酵结束后成熟醪量含酒精10%（体积分数），相当于8.01%（质量分数）。并设蒸馏效率为98%，而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成熟醪量的5%和1%，则生产1000kg95%（体积分数）酒精成品有关的计算如下：,（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：,.,发酵醪（8.01%）+洗水等,根据总反应式计算,修改,成熟发酵醪+CO2总量=初始发酵醪+酒母醪糖化醪=初始发酵醪中糖化醪+酒母醪中糖化醪,（3）入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：,（4）相应发酵过程放出CO2总量为：,（5）接种量按10%计，则酒母醪量为：,（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：,.,7、成品与发酵醪量的计算,（1）醛酒产量（占成品酒精1.23%），在保证主产品质量合格前提下，取得越少越好。设醛酒占成品酒精的2%，则生产1000kg产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0.3%-0.7%，取平均值0.5%，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。（直接蒸汽加热，蒸汽冷凝在醪液中）,设进塔的醪液（F1）的温度t1=70C，排出废醪的温度t4=105C；成熟醪固形物浓度为B1=7.5%，塔顶上升酒汽的乙醇浓度50%（体积分数）即47.18%（质量分数）。则：,醪塔上升蒸汽量为,残留液量为,入蒸馏塔的醪液乙醇浓度（质量分数）。,.,成熟醪比热容为：,成熟醪带入塔的热量为：,蒸馏残留液固形物浓度为：,此计算是以间接加热，故没有加热蒸汽冷凝水的工艺。,10%酒精的比热容,含固形物比热容计算经验公式。,.,.,8、物料衡算结果,.,（二）30000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算,物料衡算内容：原料（麦芽、大米）量酒花用量热麦汁和冷麦汁量废渣量（糖化槽和酒花槽）等,.,1、糖化车间工艺流程示意图,.,2、工艺技术指标及基础数据,表5-6啤酒生产基础数据,.,3、100原料（75%麦芽，25%大米）生产12淡色啤酒的物料衡算,水分含量,.,冷却损失,发酵损失,过滤损失,装瓶损失,.,4、生产100L12淡色啤酒消耗原料量,根据上一步骤100kg原料计算结果，按比例折算。,.,无水麦糟量,.,5、30000t/a12淡色啤酒糖化车间物料衡算表,表5-7啤酒厂糖化车间物料衡算表,.,（三）3000t/a味精工厂发酵车间的物料衡算,物料平衡计算主要内容淀粉原料量尿素用量糖蜜用量等,根据培养基组成推算,.,1、谷氨酸发酵工艺流程,发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，中糖发酵，一次等电点提取的工艺。,关键：确定原料产品的转化形式（即中间产品的变化）；,关键：原料中间产物产品之间的比例关系；,.,2、工艺技术指标及基础数据,（1）谷氨酸发酵工艺主要技术指标,该值为什么超过100%？,这些指标为我们提供了什么计算思路？,.,（2）主要原材料质量指标淀粉原料中淀粉含量80%，含水14%,（3）二级种子培养基（g/L）：水解糖25，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氢二钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆510，泡敌0.6，硫酸锰2mg/L，硫酸亚铁2mg/L。（4）发酵培养基（g/L）：水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸氢二钠0.2，硫酸亚铁2mg/L，硫酸锰2mg/L，尿素（总尿）40，泡敌0.6，植物油1.0。接种量为2%。,.,3、谷氨酸发酵车间的物料衡算,计算生产1000纯度为100%的味精需消耗的原辅料及其他物料量。,（1）发酵液量,式中150发酵培养基初糖浓度（kg/m3）48%糖酸转化率80%谷氨酸提取率99%除出倒罐率1%后的发酵成功率112%味精对谷氨酸的精制产率,每m3发酵培养基产生的谷氨酸量,.,（2）发酵液配制需水解糖量,以纯糖算，G1=V1150=234.9(kg),(3)二级种液量,V2=2%V1=0.313(m3),(4)二级种子培养液所需水解糖量,G2=25V2=7.83(kg)式中：25二级种液含液量(kg/m3),（5）生产1000kg味精所需水解糖总量为：G=G1+G2=2356.8(kg),（6）耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生产葡萄糖量为111kg，故理论上耗用淀粉量为：G淀粉=2356.8（80%95%111%）=2793.7（kg）式中80%淀粉原料含纯淀粉量95%淀粉糖化转化率,.,（7）尿素耗用量二级种液耗尿素量为3.5V2=1.1（kg）发酵培养基耗尿素为40V1=626.4（kg）共耗尿素量：627.5（kg）（8）甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量：20V2=6.26(kg)发酵培养基耗糖蜜量：4V1=62.64(kg)合计：69.9(kg)（9）氯化钾耗量GKCl=0.8V1=12.53(kg)（14）谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量：G148%(1-1%)=1116.2(kg)实际生产的谷氨酸（提取率80%）为1116.280%=893(kg),.,4、3000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表,p67,.,第四节热量平衡计算,热量衡算目的：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、方法和步骤,（一）热量衡算的意义计算生产过程能耗定额指标；通过热量衡算，对工艺设计的多种方案进行比较；用于设备选型；成本核算、生产优化等。,.,（二）热量衡算的方法和步骤,方法和步骤,.,3.搜集数据（物料量、工艺条件、物性数据等）