1、第四章 工藝流程設計,第四章 工藝流程設計,第一節 概 述 工藝流程設計和車間布置設計是工藝設計的兩個主要內容，是決定工廠的工藝計算、車間組成、生產設備及其布置的關鍵步驟。 在整個工藝設計中最先開始，但需逐步進行局部修改，所以幾乎是最后才完成。 主要任務：其一是確定由原料到成品的各個生產過程及順序，說明生產過程中物料和能量變化及流向，采用的生物反應或化工過程及設備。其二是繪制工藝流程圖。,選擇生產方法的主要依據： 1原料來源、種類和性質 2產品的質量和規格 3生產規模 4技術水平 5建廠地區的自然環境 6經濟合理性,第三節 工藝流程的設計步驟 三個階段： (1)生產工藝流程示意圖； (2)生產

2、工藝流程草圖； (3)生產工藝流程圖。,工藝流程示意圖,得出原料、半成品、產品、副產品、廢水、廢料等規格、重量和體積,二、工藝流程草圖的設計,計算、確定計量和貯存設備的容積、決定容積型設備的尺寸和臺數,工藝流程草圖的設計,物料平衡計算,水、電、汽、能量計算；確定單元操作參數，如過濾面積、傳熱面積等，對專業設備和通用設備進行設計或選型,得出所有設備的規格、型號、尺寸、臺數,對工藝流程草圖進行修改和充實,(一)工藝流程草圖的制圖要求 工藝流程草圖是由物料流程、圖例、設備一覽表以及必要的文字說明所組成，一般是初步設計階段的草圖。 (1)應表示出廠房各層樓面的標高。 (2)畫出設備示意圖，設備的尺寸大

3、小應適當相稱且大致形似，并標明其流程號。 (3)畫出設備的物料及水、汽、真空、壓縮空氣、冷凍劑等管線和流動方向，以及管線上的主要閥門及管路附件如過濾器、疏水器等。 (4)畫出必要的計量器具和控制儀表。 (5)必要的文字注釋，如半成品、副產品的去向等。 (6)附注圖例，并按國家規定畫出圖簽、圖框。制圖比例大致按1:100進行繪制，如設備過小或過大時則可采用1:50或1:200。,第五章 工藝計算,第五章 工藝計算,第一節 物料平衡計算 一、物料衡算的意義、方法和步驟 物料衡算是工藝計算的基礎，在整個工藝計算中開始得最早，最先完成。當生產方法確定并完成了工藝流程示意圖設計后，即可進行物料平衡計算。

4、,(一)物料衡算的意義 物料衡算：根據質量守恒定律，引入系統或設備的物料質量Gm，等于輸出系統或設備的物料（常為產物）的質量Gp和物料損失量Gw之和，即： GmGpGw 此法則，既適于單元操作過程，也適于整個生產過程；既可進行總物料衡算，也可對混合物中某一組分作部分物料衡算。,(二)物料衡算的方法和步驟 1弄清題意和計算的目的要求 充分了解物料衡算的目的要求，決定計算方法。 2繪出物料衡算流程示意圖 使用框圖和線條圖表示系統。把主要物料和輔助物料都在圖上標清楚，并盡可能標出各物料的流量、組成、溫度和壓力等參數。 3寫出生物反應方程式根據工藝過程發生的生物反應，寫出主反應和副反應的方程式。對復雜

5、的反應過程，可寫出反應過程通式和反應物組成。副反應很多，可把所占比重很小的副反應略去。對那些產生有毒物質或明顯影響產品質量的副反應，其量雖小，但不能忽略。,4收集設計基礎數據和有關物化常數 需收集的數據資料包括：生產規模，年生產天數，原料、輔料和產品的規格、組成及質量等。 常用的物化常數可在相應的化工、生化設計手冊中查到。 5確定工藝指標及消耗定額等 設計所用的工藝指標、原材料消耗定額及其他經驗數據，可根據所用的生產方法、工藝流程和設備，對照同類型生產工廠的實績水平來確定，這必須是先進而又可行的，它是衡量企業設計水平高低的標志。,6選定計算基準 (1)以單位時間產品量或單位時間原料量作為計算基

6、準。這類基準適用于連續操作過程及設備的計算。 (2)以單位重量、單位體積或單位摩爾數的產品或原料為計算基準。對于固體或液體常用單位質量(t或kg)，對于氣體常用單位體積或單位摩爾數(L，m3或mol)，熱量一般以焦耳為單位(J)。 (3)以加入設備的一批物料量為計算基準。,7由已知數據，根據GmGpGt進行物料衡算。 根據物料衡算式和待求項的數目列出數學關聯式，關聯式數目應等于未知項數目。當關聯式數目小于未知項數時，可用試差法求解。 8校核與整理計算結果，列出物料衡算表 在整個物料衡算過程中，對主要計算結果都必須認真校核，確保無誤。發現差錯，必須及時重算更正，以免錯誤延續，導致大量返工重算，甚

7、至延誤設計進度。最后，把整理好的計算結果列成物料衡算表。,9繪出物料流程圖 根據計算結果繪制物料流程圖。物料流程圖要作為正式設計成果，編人設計文件，以便于審核和設計施工。 最后，經過各種系數轉換和計算，得出原料消耗綜合表和排出物綜合表,二、主要技術經濟指標的確定 (一)技術經濟指標確定的意義 技術經濟指標是衡量工廠設計的合理性和先進性的主要依據。先進的、合理的技術經濟指標是工廠建設成功的基礎。 物料衡算和能量衡算是確定生產過程技術經濟指標的關鍵數據。通過生產全過程的總物料衡算、能量衡算和各階段的物料衡算、能量衡算，就可以求出： (1)生產1000kg成品或半成品的原材料消耗定額及原料總回收率。

8、 (2)生產1000kg成品所產生的排出物，包括副產物、廢水、廢氣、廢渣等。 (3)生產1000kg成品的水、蒸汽、空氣及冷量等消耗定額以上三項，通常構成了產品單位成本的主要部分。,(二)主要技術經濟指標內容 ： 1生產規模(t/a) 2生產方法 3生產天數(d/a) 4產品日產量(t/d) 5產品年產量(t/a) 6副產品年產量(t/a) 7產品質量 8總回收率(),9原材料單耗 (1)主原料(t/t產品) (2)輔料(t/t產品) (3)水(t/t產品) (4)電(kWh/t產品) (5)蒸汽(t/t產品) (6)冷量(kJ/t產品) 10總投資(萬元) (1)設備價值 (2)材料費 (3

9、)運雜費 (4)建筑工程費 (5)工資 (6)其他 11勞動生產率 (1)生產人員 (2)商品產值(萬元) (3)全員勞動生產率萬元(人a) (4)工人實物勞動生產率t(a人),12單位成本(元t) 13利潤 (1)單位產品利潤(元t) (2)總利潤(萬元a) 14投資回收年限(a) 15全廠設備總重量(t) 16全廠主要管件、管材總重(t) 17鋼鐵、水泥、木材單耗,第二節 熱量平衡計算 一、熱量衡算的意義、方法和步驟 (一)熱量衡算的意義 (1) 計算生產過程能耗定額指標。可對工藝設計的多種方案進行比較，以選定先進的生產工藝；或對已投產的生產系統的生產過程的經濟合理性、過程的先進性進行分析

10、，并找出存在的問題，提出改造或革新的措施。 (2)熱量衡算的數據是設備選型、確定臺數的依據。 (3)熱量衡算是組織和管理、生產、經濟核算和最優化的基礎。,(二)熱量衡算的方法和步驟 熱量衡算也可作全過程的或單元設備的熱量衡算。以單元設備的衡算為例具體的方法和步驟如下： 1畫出單元設備的物料流向及變化的示意圖。 2分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式：,輸入的熱量總和(kJ),輸出的熱量總和(kJ),損失的熱量總和kJ),式中：Ql物料帶入的熱量(kJ) Q2由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和所處理的物料的熱量(kJ) Q3過程的熱效應，包括生物反應熱、攪拌熱等(kJ),式中：Q4物料帶出的熱量(kJ

11、) Q5加熱設備需要的熱量(kJ) Q6加熱物料需要的熱量(kJ) Q7氣體或蒸汽帶出的熱量(kJ),3搜集數據 物料量、工藝條件以及必需的物性數據等。數據可以從專門手冊查閱，或取自工廠實際生產數據，或根據試驗研究結果選定。 4確定合適的計算基準 在熱量衡算中必須選準一個設計溫度，且每一物料的進出口基準態必須一致。通常，取0為基準溫度可簡化計算。,5進行具體的熱量計算 (1)物量帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4可按下式計算： 式中G物料質量(kg) c物料比熱容kJ(kgK) t物料進入或離開設備的溫度(),(2)過程熱效應Q3 主要有發酵熱QB、攪拌熱Qs和狀態熱(例如汽化熱、溶解熱、結晶熱等)

12、： Q3QBQsQ 式中 QB發酵熱(呼吸熱)(kJ) Qs3600P(kJ) 其中P為攪拌功率(kW)，為攪拌過程功熱轉化率，通常，92。 Q=G, G為狀態改變的質量，為潛熱。,(3)加熱設備耗熱量Q5 為了簡化計算，忽略設備不同部分的溫度差異，則： Q5Gc(t2t1) 式中 G設備總質量(kg) c設備材料比熱容kJ(kgK) t1、t2設備加熱前后的平均溫度(),(4)氣體或蒸汽帶出熱量Q7 式中: G離開設備的氣態物料(如空氣、CO2等)量(kg) c液態物料由0升溫至蒸發溫度的平均比熱容kJ(kgK) t氣態物料溫度() r蒸發潛熱(kJkg),(5)設備向環境散熱Q8 為了簡化

13、計算，假定設備壁面的溫度是相同的，則： 式中F設備總表面積(m2) T壁面對空氣的聯合給熱系數W(m2) tw壁面溫度() ta環境空氣溫度() 操作過程時間(s) T的計算： 空氣作自然對流，T80.05tw 強制對流時， T5.33.6W(空氣流速W5ms) 或T6.7W0.78（W5ms),(6)加熱物料需要的熱量Q6 Q6Gc(t2t1) 式中 G物料質量(kg) c物料比熱容kJkgK) t1、t2物料加熱前后的溫度(),(7)加熱(或冷卻)介質傳入(或帶出)的熱量Q2 Q2稱為有效熱負荷。若計算出的Q2為正值，則過程需加熱；若Q2為負值，則過程需從操作系統移出熱量，即需冷卻。根據Q

14、2來確定加熱(或冷卻)介質及其用量。,熱量衡算值得注意的幾個問題： (1)確定熱量衡算系統所涉及所有熱量或可能轉化成熱量的其他能量，不要遺漏。但對衡算影響很小的項目可以忽略不計，以簡化計算。 (2)確定物料計算的基準、熱量計算的基準溫度和其他能量基準。有相變時，必須確定相態基準，不要忽略相變熱。 (3)正確選擇與計算熱力學數據。 (4)在有相關條件約束，物料量和能量參數(如溫度)有直接影響時，宜將物料平衡和熱量平衡計算聯合進行，才能獲得準確結果。,第六章 設備的設計與選型,一、專業設備設計與選型的依據 (1)由工藝計算確定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗風量、耗冷量等。 (2)工藝操作的最

15、適外部條件(溫度、壓力、真空度等)。 (3)設備的構造類型和性能。,(一)間歇操作設備生產能力數量和容積的設計計算 1間歇操作設備生產能力的確定 生產能力的表示方法，一般為t(罐批)或m3(罐批)。例如3000ta味精廠選容積為100t的發酵罐，其生產能力為： 10070154880112 (1-1) 4.47t(罐批) 式中 100發酵罐容積(t) 15發酵初糖濃度 70填充系數 48發酵轉化率 80提取率 112精制收率 1染菌率,2間歇操作所需設備數量的確定 或 式中N設備的操作臺數(不含備用) Z工段的生產能力，以每晝夜加工原料和半成品的噸數表示 設備的每一個操作周期(h) G設備操作

16、有效量(t) r一晝夜內設備操作的小時數 V0晝夜內被加工的原料、半成品的容量(m3) Va一臺設備的容量(m3) 設備的填充系數，此值為經驗值，主要考慮物料的泡沫性質和將來可能增加的容量余地。,3設備容積的計算 式中 V設備的總容積(m3) Va24h內加工的成品或半成品的容積() r操作周期，包括預備時間、操作和清洗等輔助操作時間(h) 設備的填充系數，裝有攪拌和冷卻裝置的或產生泡沫多的物料應取0.60.8，酒精發酵罐等取0.80.85，汽液分離器取0.7等,4設備主要尺寸的計算 發酵工廠的設備多為容器型設備。不同的設備，高徑比有很大差別。錐形底制作容易，排料干凈，間歇操作采用較多。 通常根據已知