第五章工艺计算

第五章工艺计算食品工厂设计——食品与轻工学院

授课教师：冯小海

物料衡算包括该产品的原辅料和包装材料的计算。通过物料衡算，可以确定各种主要物料的采购运输和仓库储存量，并对生产过程中所需的设备和劳动力定员的需要量提供计算依据。计算物料时，必须使原、辅料的质量与经过加工处理后所得成品和损耗量相平衡。加工过程中投入的辅助料按正值计算，加工过程中的物料损失，以负值计入。这样，可以计算出原料和辅料的消耗定额，绘制出原、辅料耗用表和物料平衡图。并为下一步设备计算、热量计算、管路设计等提供依据和条件。还为劳动定员、生产班次、成本核算提供计算依据。因此，物料衡算在工艺设计中是一项既细致又重要的工作。第一节物料衡算一、物料衡算的概念与意义意义：(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。(4)车间布置、运输量、仓库储存量、劳动定员、生产班次、成本核算、管线设计。

概念：物料衡算是指：根据质量守恒定律，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和物料损失量Gt之和，即：Gm=GP+Gt物料衡算的基本资料是“技术经济定额指标”，而技术经济定额指标是工厂在生产实践中积累起来的经验数据，这些数据因具体条件而异，如地区差别、机械化程度、原料品种、成熟度、新鲜度及操作条件等不同，选用时要根据具体条件而定，一般老厂改造按该厂原有的技术经济定额为计算依据，新建厂则参考相同类型、相近条件工厂的有关技术经济定额指标，再以新建厂的实际情况作修正。在物料衡算时，计算对象可以是全厂、全车间、某一生产线、某一产品，在一年或一月或一日或一个班次，也可以是单位批次的物料数量。一般新建食品工厂的工艺设计都是以“班”产量为基准。例如：

二、物料计算方法每班耗用原料量(kg/班)=单位产品耗用原料量(kg/t)×班产量(t/班)；每班耗用各种辅料量(kg/斑)=单位产品耗用各种辅料量(kg/t)×班产量(t/班)；每班耗用包装容器量(只/班)=单位产品耗用包装容器量(只/t)×班产量(t/班)×(1十0.1％损耗)。单位产品耗用的各种包装材料、包装容器也可仿照上述方法计算。若一种原料生产两种以上产品，则需分别求出各产品的用量，再汇总求得。另外，在物料计算的时候，也有用原料利用率作为计算基础。

物料计算结果通常用物料平衡图或物料平衡表来表示。1.物料平衡图

物料平衡图是根据任何一种物料的重量与经过加工处理后所得的成品及少量损耗之和在数值上是相等的原理来绘制的，平衡图的内容包括：物料名称、质量、成品质量、物料的流向、投料顺序等项。绘制物料平衡图时，实线箭头表示物料主流向，必要时用细实线表示物料支流向。三、计算结果的表示物料平衡图物料平衡表是物料平衡计算的另一种表示形式，其内容与平衡图相同

物料平衡表名称计算单位主、辅原料产品

食品损失1损失2损失3批次质量百分比

班次质量百分比

2.物料平衡表原料消耗综合表序号原料名称单位纯度100%每吨产品消耗定额(t)每天或每小时消耗量(t)年消耗量(t)备注工业品100%工业品100%工业品100%排出物料综合表序号名称特性成分单位每吨产品排出量t每小时排出量t每年排出量t备注四、主要技技术经济指指标内容1．生产规规模(t/a)2．生产方方法3．生产天天数(d/a)4．产品日日产量(t/d)5．产品年年产量(t/a)6．副产品品年产量(t/a)7．产品质质量8．总回收收率(％)四、主要技技术经济指指标内容9．原材料料单耗(1)主原原料(t/t产品)(2)辅料料(t/t产品)(3)水(t/t产产品)(4)电(kwh/t产品)(5)蒸汽汽(t/t产品)(6)冷量量(kJ/t产品)10．总投投资(万元元)(1)设备备价值(2)材料料费(3)运杂杂费(4)建筑筑工程费(5)工资资(6)其他他四、主要技技术经济指指标内容11．劳动动生产率(1)生产产人员(2)商品品产值(万万元)(3)全员员劳动生产产率（万元元/(人··a))(4)工人人实物劳动动生产率(t/(a·人))12．单位位成本(元元/t)13．利润润(1)单位位产品利润润(元/t)(2)总利利润(万元元/a)14、投资资回收年限限(a)15、全厂厂设备总重重量(t)16．全厂厂主要管件件、管材总总重(t)17．钢铁铁、水泥、、木材单耗耗第二节热热量平衡计计算一、热量衡衡算的意义义、方法和和步骤（一）热量量衡算的意意义（1）计算算生产过程程能耗定额额指标。可可对工艺设设计的多种种方案进行行比较，以以选定先进进的生产工工艺；或对对已投产的的生产系统统的生产过过程的经济济合理性、、过程的先先进性进行行分析，并并找出存在在的问题，，提出改造造或革新的的措施。（2）热量量衡算的数数据是设备备选型、确确定台数的的依据。（3）热量量衡算是组组织和管理理、生产、、经济核算算和最优化化的基础。。（二）热量量衡算的方方法和步骤骤热量衡算也也可作全过过程的单元元设备的热热量衡算。。以单元设备备的衡算为为例具体的的方法和步步骤如下：：1.画出出单元设备备的物料流流向及变化化的示意图图。2.分析析物料流向向及变化，，写出热量量衡算式：：-输入的热热量总和（（KJ）-输出的的热量总和和（kJ））-损失的热热量总和（（kJ）∑式中：Q1—物料带入入的热量（（kJ）Q2—由加热剂剂（或冷却却剂）传给给设备和所所处理的物料的热热量（kJ）Q3—过程的热热效应，包包括生物反反应热、搅搅拌热等（kJ））式中：Q4—物料带出出的热量（（kJ）Q5—加热设备备需要的热热量（kJ）Q6—加热物料料需要的热热量（kJ）Q7—气体或蒸蒸汽带出的的热量（kJ）3.收集集数据物料量、工工艺条件以以及必需的的物性数据据等。数据据可以从专专门手册查查阅，或取取自工厂实实际生产数数据，或根根据试验研研究结果选选定。4.确定定合适的计计算基准在热量衡算算中必须选选准一个设设计温度，，且每一物物料的进出出口基准态态必须一致致。通常，，取0℃为为基准温度度可简化计计算。5.进行行具体的热热量计算（1）5.进行行具体的热热量计算（1））物物量量带带入入的的热热量量Q1和带带出出热热量量Q4计算算：：式中中：：G——物物料料质质量量（（kg））c——物物料料比比热热容容[kJ/(kg.K)]t——物物料料进进入入或或离离开开设设备备的的温温度度（（℃℃））（2））过过程程热热效效应应Q3主要要有有反反应应热热QB、搅搅拌拌热热Qs和状状态态热热Qλ（例例如如汽汽化化热热、、溶溶解解热热、、结结晶晶热热等等））：：Q3=QB+QS+Qλ式中中：：QB—反反应应热热（（kJ））QS=3600Pηη(kJ)其中中P为为搅搅拌拌功功率率（（kW）），，ηη为为搅搅拌拌过过程程功功热热转转化化率率，，通通常常ηη=92%。。Qλ=Gλλ，，G为为状状态态改改变变的的质质量量，，λλ为为潜潜热热。。（3））加加热热设设备备耗耗热热量量Q5为了了简简化化计计算算，，忽忽略略设设备备不不同同部部分分的的温温度度差差异异，，则则：：Q5=Gc（（t2-t1）式中中：：G——设设备备总总质质量量（（kg））c——设设备备材材料料比比热热容容比比热热容容[kJ/(kg.K)]t2、t1—设设备备加加热热前前后后的的平平均均温温度度（（℃℃））（4））气气体体或或蒸蒸汽汽带带出出的的热热量量Q7式中中：：G——离离开开设设备备的的气气态态物物料料（（如如空空气气、、CO2等））质质量量（kg））c——物物料料温温度度由由0℃升升温温至至蒸蒸发发温温度度的的平平均均比比热热容容[kJ/(kg.K)]t——气气态态物物料料温温度度（（℃℃））r——蒸蒸发发潜潜热热（（kJ/kg)（5））设设备备向向环环境境散散热热Q8为了了简简化化计计算算，，假假定定设设备备壁壁面面的的温温度度是是相相同同的的，，则则式中中：：F——设设备备总总表表面面积积（（m2）αT—壁壁面面对对空空气气的的联联合合给给热热系系数数[W/(m2℃)tw—壁壁面面温温度度（（℃℃））ta—环环境境空空气气温温度度（（℃℃））τ——操操作作过过程程时时间间（（s））αT的计计算算：：①空空气气作作自自然然对对流流，，ααT=8+0.05tw②强强制制对对流流时时，，ααT=5.3+3.6W（（空空气气流流速速W=5m/s或或ααT=6.7W0.78（W＞＞5m/s)（6））加加热热物物料料需需要要的的热热量量Q6式中：G—物物料质量（kg）c—物料比热热容[kJ/(kg.K)]t1、t2—物料加热前前后的温度（（℃）（7）加热（（或冷却）介介质传入（或或带出）的热热量Q2Q2称为有效热负负荷。若计算算出Q2为正值，则过过程需要热；；若Q2为负值，则过过程需从操作作系统移出热热量，即需冷冷却。根据Q2来确定加热（（或冷却）介介质及其用量量。热量衡算值得得注意的几个个问题（1）确定热热量衡算系统统所涉及所有有热量或可能能转化为热量量的其他能量量，不要遗漏漏。但对衡算算影响很小的的项目可以忽忽略不计，以以简化计算。。（2）确定物物料计算的基基准、热量计计算的基准温温度和其他热热量基准。有有相变时，必必须确定相态态基准，不要要忽略相变热热。（3）正确选选择与计算热热力学数据。。（4）在有相相关条件约束束，物料量和和能量参数（（如温度）有有直接影响时时，宜将物料料平衡和热量量平衡计算联联合进行，才才能获得准确确结果。第三节水平平衡计算水平衡是在完完成主要物料料衡算的基础础上与热量衡衡算同时展开开的。水衡算算的方法与步步骤和物料衡衡算类似，注注意的问题：：（1）食品生生产工艺中，，需用水的过过程一般包括括原料处理、、培养基配制制、半成品的的洗涤、冷却却过程、设备备和管道的清清洗等。（2）生产工工艺、设备或或规模不同，，生产过程用用水量也随之之改变，有时时差异还很大大。即便是同同一规模、工工艺也相同的的厂，单位成成品耗水量往往往也不相同同。所以在工工艺流程设计计时，必须妥妥善安排，合合理用水，尽尽量做到一水水多用和循环环使用。第四节耗冷冷量的计算Q=Qt+Qnt其中：Qt—工艺耗冷量量，Qt=Q1+Q2+Q3Q1—物料和反应应罐体冷却至至操作温度的的耗冷量Q2—反应热Q3—工艺用水的的冷却耗冷量量Qnt—非工艺耗冷冷量照明及用电设设备耗冷及其其他操作耗冷冷量围护结构耗冷冷量管道冷量散失失第五节无菌菌压缩空气消消耗量计算压缩空气消耗耗量，通常用用单位时间耗耗用的常压空空气体积表示示，即m3/h(105Pa)1.通气发酵酵罐通风量计计算Q—通气量（（m3/h)qo2—微生物比呼呼吸速率[molO2/(kgh)]x—发酵罐装装液量（m3）cin—通入发酵罐罐的空气氧浓浓度（molo2/m3)cout—离开发酵罐罐的空气氧浓浓度（molo2/m3)(1)氧气气传质系数（（KLa）等值放大准则则计算Q对高耗氧的生生物反应，如如酵母培养生生产，通常可可使用等KLa放大准则。放放大罐通气量量Q2与试验罐的Q1的关系为：式中V1—试验罐的装装液量（m3）V2—放大罐的装装液量（m3）H1—试验罐的装装液高度（m）H2—放大罐的装装液高度（m）(2)单位体体积液体中搅搅拌功率P0/VL相等的准则进进行放大这是通风发酵酵罐放大设计计最常用的方方法。对谷氨氨酸、柠檬酸酸及抗生素等等发酵，尽管管规模不同，，但维持P0/VL不变，，则生生产结结果相相近。。应用P0/VL相等准准则放放大设设计时时，理理论上上通气气量的的计算算可按按照空空截面面气速速Vs维持恒恒定的的原则则，即即放大大罐的的通气气量为为：式中D2—放大大罐的的直径径（m）Vs1—试验验罐空空截面面气速速（m/s）2.通通风风搅拌拌用的的压缩缩空气气的压压强计计算式中：：P—通通风搅搅拌用用的压压缩空空气的的压强强（Pa））H—被被搅拌拌液体体的液液柱高高度（（m））ρL—被搅搅拌液液体的的密度度（kg/m3)ρα—通入入空气气的密密度（（kg/m3）W—管道中中空气流速速（m/s）g—重力加加速度（9.81m/s2）∑ξ—空气气分布器等等阻力P0—液面上的的压强（Pa）3.压送液液体物料时时无菌空气气耗量（1）所需需压缩空气气压强P（（Pa）可可按下式计计算：式中：H—压送静压压高度（m）ρ—被输送送液体密度度（kg/m3)（2）压缩缩空气消耗耗量分下述述两种情况况计算：[1]设设备中液体体在一次操操作中全部部被压完V=10-5V0P（（m3）V1=10-5V0P/τ(m3/h）式中：V0—设备容积积（m3）P—所需压压缩空气的的压强（Pa）[2]设设备中液体体部分压出出对一次操作作，折算成成压强为105Pa的压缩缩空气消耗耗量为：若每次压送送时间为f（h），，则每小时时无菌空气气耗量为：：式中：V0—设备容积积（m3）φ—设备装装料系数VL—一次压送送出的液体体体积（m3）第六节抽抽真空量量计算（1）真空空冷却器的的抽真空量量计算被处理料液液在真空冷冷却器内产产生的二次次蒸汽量为为：W=Gc(t1-t2)/(I-ct