【導讀】課程的目的和任務：。和畢業(yè)設計，完成工程師的綜合性基本訓練。程語言)的有關內容、特點、表示方法、規(guī)范和標準等知識。工廠設計在國民經濟中的地位和意義。產，更新改造原有企業(yè)，增加產品品種，提高產品質量，節(jié)約能源和原材料，促進國民經濟和社會發(fā)展的重要技術經濟活動的組成部分。凡是設計范圍涉及到整個工業(yè)企業(yè)的，稱總體設計。制儀表、環(huán)境保護、生產組織與勞動定員、技術經濟與概算等內容。要求來進行設計的，是為生產工藝服務的。了正式的試驗研究報告和技術鑒定書，經設計單位領導核準后方可作為設計依據。并根據設備和控制系統在資金和供貨可能情況下，盡可能提高勞動。藥品、食品類發(fā)酵工廠，還應貫徹國家藥品、食品有關法律。嚴格按照基本建設程序進行工程項目的決策和實施，才能取得良好的建。如果不遵守基本建設程序進行盲目的建設，或作出只顧局部、不顧全局的。批準后，才能進入第二階段建設期工作。

　　

【正文】 /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)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 178。 a)] (4)工人實物勞動生產率 [t／ (a178。 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(jié)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?？蓪に囋O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，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(yōu)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： 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) 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(tài)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／ (kg178。 K)] t—— 物料進入或離開設備的溫度 (℃ ) (2)過程熱效應 Q3 主要有發(fā)酵熱 QB、攪拌熱 Qs和狀態(tài)熱 (例如汽化熱、溶解熱、結晶熱等 )： Q3＝ QB＋ Qs＋ Qλ 式中 QB—— 發(fā)酵熱 (呼吸熱 )(kJ) Qs＝ 3600Pη (kJ) 其中 P為攪拌功率 (kW)， η 為攪拌過程功熱轉化率，通常， η ＝ 92％。 Qλ =Gλ ,G為狀態(tài)改變的質量， λ 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： Q5＝ Gc(t2－ t1) 式中 G—— 設備總質量 (kg) c—— 設備材料比熱容 [kJ／ (kg178。 K)] t 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(tài)物料 (如空氣、 CO2等 )量 (kg) c—— 液態(tài)物料由 0℃ 升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容 [kJ／ (kg178。 K)] t—— 氣態(tài)物料溫度 (℃ ) r—— 蒸發(fā)潛熱 (kJ／ kg) (5)設備向環(huán)境散熱 Q8 為了簡化計算，假定設備壁面的溫度是相同的 ，則： 式中 F—— 設備總表面積 (m2) α T—— 壁面對空氣的聯合給熱系數 [W／ (m2178。 ℃ )] tw—— 壁面溫度 (℃ ) ta—— 環(huán)境空氣溫度 (℃ ) τ —— 操作過程時間 (s) α T的計算： ①空氣作自然對流， α T＝ 8＋ ② 強制對流時， α T＝ ＋ (空氣流速 W＝ 5m／ s) 或 α T＝ （ W＞ 5m／ s) (6)加熱物料需要的熱量 Q6 Q6＝ Gc(t2— t1) 式中 G—— 物料質量 (kg) c—— 物料比熱容 [kJ／ kg178。 K)] t 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 Q2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(tài)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。 第三節(jié)水平衡計算 水衡算是在完成主要物料衡算的基礎上與熱量衡量同時展開的。水衡算的方法與步驟和物料衡算類似。注意的問題： (1)發(fā)酵生產工藝中，需用水的過程一般包括原料處理、培養(yǎng)基配制、半成品的洗滌、冷卻過程、設備和管道的清洗等。 (2)生產工藝、設備或規(guī)模不同，生產過程用水量也隨之改變，有時差異還很大。即便是同一規(guī)模、工藝也相同的廠，單位成品耗水量往往也大不相同。所以在工藝流程設計時，必須妥善安排，合理用水，盡量做到一 水多用和循環(huán)使用。 第四節(jié)耗冷量計算 Q＝ Qt＋ Qnt 其中： Qt—— 工藝耗冷量， Qt＝ Q1＋ Q2＋ Q3＋ Q4 式中： Q1—— 培養(yǎng)基等物料和發(fā)酵罐體冷卻至操作溫度的耗冷量； Q2—— 發(fā)酵熱 Q3—— 種子培養(yǎng)耗冷量 Q4—— 工藝用無菌水的冷卻耗冷量 Qnt—— 非工藝耗冷量 1．培養(yǎng)基等物料和發(fā)酵罐體冷卻至操作溫度的耗冷量 (Q1) 式中： GM—— 發(fā)酵培養(yǎng)基等物料質量 (kg) cM—— 發(fā)酵培養(yǎng)基等物料比熱容 [kJ／ (kg178。 K)] GR—— 發(fā)酵反應器質量 (kg) cR—— 發(fā)酵罐體比熱容 [kJ／ (kg178。 K)] t1—— 料液和罐體冷卻前的溫度 (℃ ) t2—— 料液和罐體冷卻后的溫度 (℃ ) τ —— 工藝規(guī)定的冷卻過程時間 (h) 2．發(fā)酵熱 (Q2) (1)通氣發(fā)酵過程熱量計算： 可通過冷卻水帶走的熱量或發(fā)酵液溫度升高測定來計算； 也可半理論計算法計算： (kJ／ h) 式中， Qb為生物合成熱； Qst為機械攪拌產生的熱量； Qε 為排汽使發(fā)酵液水分汽化帶出的熱焓。 ? (kJ／ h) 其中： Qb’ —— 微生物細胞呼吸放熱， 15651kJ／ kg(對葡萄糖 ) Qb’’ —— 發(fā)酵放熱， 4953kJ／ kg(對葡萄糖 ) α 和 β 分別為細胞呼吸和發(fā)酵的 耗糖量 (kg／ h) ?(kJ／ h) 式中： η —— 攪拌功熱轉換系數，為 Pst—— 攪拌軸功率 (kW) 3．非工藝耗冷量 Qnt的計算 非工藝耗冷量通常包含照明及用電設備放熱量、需降溫冷凍的車間廠房的圍護結構和低溫設備、管道的冷量散失以及其他操作過程的耗冷等。 Qnt＝ Q5＋ Q6＋ Q7 (1)照明及用電設備耗冷及其他操作耗冷量 Q5 ①車間照明耗冷量可根據下式計算： Q5’ ＝ q1F(kJ／ h) 其中， q1—— 冷間單位面積照明放熱耗冷量。通常，車間的照明標準為 10W／ m2，同時使用系數取 。 則： q1＝ 10179。 179。 3600＝ 21600[J／ (m2178。 h)] ＝ [kJ／ (m2178。 h)] F—— 冷間面積 (m2) 所以： Q5’ ＝ ②電機等用電設備運轉耗冷量 式中： P5—— 電機或其他用電設備功率 (kW) η —— 功熱轉換系數，取 ③ 冷間室門開啟耗冷量 式中 q2—— 冷間單位面積開門耗冷量，可取 100～ 300kJ(m2178。 h)，視開門的頻繁程度和車間面積而定 ④冷間內操作工人耗冷量 式中 q3—— 每個操作工單位時間耗冷量，視車間溫度不同而取不同值，見表。 n—— 車間內操作工人數。 (2)圍護結構耗冷量 Q6 式中： Fi—— 圍護結構的面積 (m2) F—— 受太陽輻射的壁面面積 (m2) K、 Ki—— 圍護結構的傳熱系數 [W／ (m2178。 K)]，取經驗值 ／(m2178。 K) △ t—— 計算太陽輻射產生的冷量損失中用的當量溫度差，可根據表 515選取。 在計算太陽輻射熱量時，應遵循下述規(guī)則：只需采用受太陽輻射最強的一垛外墻，如該車間處于頂層，則應加上屋頂部分太陽輻射量。 (3)低溫設備、管道的冷量散失 Q7 低溫設備如啤酒廠的露天錐形罐以及低溫管路等。由于環(huán)境溫度高而使熱量傳入低溫管路或設備內。這部分的耗冷量 Q7的計算和 Q6近似。即： 總傳熱系數 K可通下式計算： [W／ (m2178。 K)] 式中 α 1—— 空氣對壁面給熱系數，取 ／ (m2178。 K) δ δ 2和 λ λ 2等 —— 各層材料厚度 (m)和導熱系數 α 2—— 由內壁面對物料的給熱系數 [W／ (m2178。 K)] 式中： β —— 介質的物理狀態(tài)參數，對于水和與水近似的介質 (如啤酒 )，由下式確定： β ＝ 60＋ t，其中 t為介質溫度（℃） W—— 介質運動速度，通常 W＝ ～ d—— 管子的外徑（ m） 第五節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計算 壓縮空氣消耗量，通常用單位時間耗用的常壓空氣體積表示 ，即 m3／ h(105Pa) 1．通氣發(fā)酵罐通風量計算 式中： Q—— 通氣量 (m3／ h) q02—— 微生物比呼吸速率 [mol02／ (kg． h)] x—— 微生物活細胞濃度 (kg／ m3) V—— 發(fā)酵罐裝液量 (m3) cin—— 通人發(fā)酵罐的空氣氧濃度 (mol02／ m3) cout—— 離開發(fā)酵罐的空氣氧濃度 (mol02／ m3) (1)等 KLa放大準則計算 Q 對高耗氧的生物反應，如酵母培養(yǎng)和單細胞蛋白 (SCP)生產，通常使用等 KLa放大準則。放大罐通氣量 Q2與試驗罐的 Q1的關系為： 式中 V1—— 試驗罐的裝液量 (m3) V2—— 放大罐的裝液量 (m3) H1—— 試驗罐的裝液高度 (m) H2—— 放大罐的裝液高度 (m) (2)相等放大準則 這是通風發(fā)酵罐放大設計最常用的方法。對谷氨酸、檸檬酸及抗生素等發(fā)酵，盡管規(guī)模不同，但維持 Po／ V不變，則生產結果相近。 應用 Po／ V相等準則放大設計時，理論上通氣量的計算可按空截面氣速 Vs維持恒定的原則，即放大罐的通氣量為： 式中 D2—— 放大罐的直徑 (m) Vs1—— 試驗罐空截面氣速 (m／ s) 2．通風攪拌用的壓縮空氣的壓強計算 式中 :P—— 通風攪拌用的壓縮空氣的壓強 (Pa) H—— 被攪拌液體的 液柱高度 (m) ρ L—— 被攪拌液體的密度 (kg／ m3) ρα —— 通人空氣的密度 (kg／ m3) W—— 管道中空氣流速 (m／ s) g—— 重力加速度 (／ s2) ∑ξ —— 總阻力系數，包括空氣分布器等阻力 Po—— 液面上的壓強 (Pa) 3．壓送培養(yǎng)基等液體物料時無菌空氣耗量 (1)所需壓縮空氣的壓強 P可按下式求算： (Pa) 式中 H—— 壓送靜壓高度 (m) ρ —— 被輸送液體密度 (kg／ m3) (2)壓縮空氣消耗量分下述兩種情況計算： ?設備中液體在一次操作中全部壓完 V＝ 105V0P (m3) 每小時壓縮空 氣消耗量為： V1＝ 105V0P/τ (m3/h) 式中 τ —— 每次壓送液體的操作時間 (h) V0—— 設備容積 (m3) P—— 所需壓縮空氣的壓強 (h) ②設備中液體部分壓出 對一次操作，折算成壓強為 105Pa的壓縮空氣消耗量為： (m2) 若每次壓送時間為 f(h)，則每小時無菌空氣耗量為： (m3/h) 式中 V0—— 設備容積 (m3) φ —— 設備裝料系數 VL—— 一次壓送出的液體體積 (m3) 第六節(jié)抽真空量計算 ?真空冷卻器的抽真空量計算 被處理料液在真空冷卻器內產生的二次蒸汽量為： W＝ Gc(t1－ t2)247。 (I－ ct2)(kg／ h) 式中 G—— 進入冷卻器的料液流量 (kg／ h) c—— 料液比熱容 [kJ／ (kg178。 K)] t1—— 進入的料液溫度 (℃ ) t2—— 離開的冷卻的料液溫度 (℃ ) I—— 二次蒸汽焓 (kg／ kg) 查出二次蒸汽比容 V，則待求的抽真空量為： B1＝ Gc(t1— t2)247。 (I— ct2)(m3／ h) 不凝性氣體抽出量為： B2＝ 179。 10－ 5(W＋ W’ )＋ AW(kg／ h) 式中 W’ —— 水噴射泵耗水量 (kg／ h) A—— 空氣滲漏系數 所以，真空冷卻