第五章物料衡算,能量衡算及设备工艺计算与选择
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（可现成买到）和非定型设备（需专门设计的 特殊设备） ；
有时根据设备在生产中的作用和供应渠道，分为：
(1)专用(业)设备:专用设备一般是指生产过程中主 物料，半成品、产品直接经过的，并有一定的生 产技术参数要求的设备。在发酵工厂仅是指专业 性强、只为本行业使用的设备，如发酵罐、糖化 锅等。 (2)通用设备:通用设备一般是指由机械工业部系统 主管及生产的泵、通风机、压缩机、离心机、螺 旋输送机、皮带输送机等各行业都可使用的设备 (3)非标准设备:非标准设备一般是指规格和材质都 不定型的辅助设备。如车间起贮存作用的贮罐 、 池（槽）等
(二) 热量衡算的基本方法及步骤
接上页
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小结：热量衡算也需要确定基准，画出流 程图，列出热量衡算表等。
二.计算实例
书上为100000T/A啤酒厂糖化车间的热量衡 算 注意点： 以一次糖化所需的物料量为基准 温度以0℃为计算基准 参见P78-82
例
一
t0
（一）
（二）
1、
2、
3、
4、
（三）
1、
2、
（四）
1、
2、
3、
4、 （五）
（六）
1、
(煮沸结束时）
M混合麦汁=？
2、
3、
（七）
（八）
（九）
（十）
（十一）
第三节 设备的设计与选型
一、概述 (一)设备设计与选型的任务 (P104) 1.设备分类 化工设备类型一般分为两大类，即定型设备
如：混合物分离过程(超滤)
说明
对于连续不稳定过程，由于该过程内物料 量及组成等随时间而变化，因此，物料衡 算式须写成以时间为自变量的微分方程， 表示体系内在某一瞬时的平衡。
（二）物料衡算的方法和步骤
（1）弄清题意和计算的目的和要求 （2）画出物料衡算流程示意图（参见P58）。 （3） 若有化学反应时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。 （4）搜集计算数据和有关物化常数。 （5）确定工艺指标及消耗定额等 （6）确定衡算范围(体系)；选择合适的计算基准，并在 流程图上注明所选的基准值。 计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。
热量衡算的两种情况？
热量衡算有两种情况：一种是在设计时，根据给 定的进出物料量及已知温度求另一股物料的未知 物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量 或冷却水用量。 另一种是在原有的装置上，对某个设备，利用实 际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据， 计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量， 由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料 进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失 情况。
H H dH dT dP T P P T
恒压热容，CP 多数情况焓差：
H 2 H1 C p dT
T1
T2
关于热量衡算
热量衡算式(由定义及过程特点推导可得) Q = ∆H = H1 –H2 (恒压过程） Q = ∆U = U1 –U2 (间歇过程) 热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差或内能 差，从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由于进出 设备的物料不止一个，因此可改写为： ΣQ =ΣH1 –ΣH2 或 ΣQ = ΣU1 –ΣU2 在解决实际问题中，热平衡方程式还可与成： ΣQ 入 = ΣQ 出+ΣQ 损(参见书上P75-78的内容）
即根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确 定反应器的内部结构和几何尺寸，搅拌器形式、 大小、及转速，换热方式及面积等，并进行某些 经济评价。 （c）确定工艺参数及其控制方式 如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料浓 度和流量等。
生物反应器设计的主要目标是使产品的质 量高，成本低。 生物反应器处于生物过程的中心，它常是 影响整个过程的经济效益的一个重要方面。
注意： 第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的 能量形式； 第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量 的传递。
补充说明：能量的形式和概念
5.功（W） 功是力与位移的乘积。 在化工中常见的有体积功（体系体积变化 时，由于反抗外力作用而与环境交换的 功）、流动功（物系在流动过程中为推动 流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功 等。
2.任务
参见P104 主要是确定车间内所有工艺设备的台数、型式和主 要尺寸。
（二）设备设计与选型的原则
物料衡算是设备选型的根据，而设备选型则要符 合工艺的要求。 设备选型是保证产品质量的关键和体现生产水平 的标准，又是工艺布置的基础，并且为动力配电， 水、汽用量计算提供依据。
选型原则 如下（P104书上为8点）：
补充说明1: 生化反应器工艺设计的要点 （a）反应器选型
确定反应器的结构类型、操作方式、 传递和流动方式等。
一般可根据Байду номын сангаас或细胞中生化反应的动力学 特性来选择合适的反应器形式； 结合动力学和反应器两方面特性来确定操 作方式和优化的操作设计等。
反应器工艺设计的要点
（b）设计反应器的结构、确定各种结构参数。
(1)满足工艺要求（保证产品的质量和产量） (2)设备成熟可靠 (3)尽量采用国产设备等。
书上为8点
书上为8点
二、专业设备的设计与选型
（一）专业设备的设计与选型的依据（3点） 参见P105
（二）专业设备的设计与选型的程序和内容
（12点） 参见P105
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（三）专业设备的设计与选型的特点
连续操作
连续操作过程： 在整个操作期间，原料不断稳定地输入生 产设备，同时不断从设备排出同样数量 （总量）的物料。设备的进料和出料是连 续流动的，即为连续操作过程。 在整个操作期间，设备内各部分组成与条 件不随时间而变化。
半连续操作
半连续操作过程： 操作时物料一次输入或分批输入，而出料 是连续的； 或连续输入物料，而出料是一次或分批的。
由于分子在不停地做着无规则热运动而具有的内动能．它 与物体的温度有关（温度是分子平均动能的标志）． 分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决 定的势能，这就是分子内势能．它和物体的体积有关．
补充说明：能量的形式和概念
4.热量（Q） 温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温 度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种 由于温度差而引起交换的能量，称为热量。
化工过程的类型
两种分类方法： 一种是按操作方式来分： 分为间歇操作、连续操作以及半连续操作。
一种是按操作状态来分： 分为稳定状态操作和不稳定状态操作
间歇操作
间歇操作过程：原料在生产操作开始时一 次加入，然后进行反应或其他操作，一直 到操作完成后，物料一次排出，即为间歇 操作过程。 此过程的特点是在整个操作时间内，再无 物料进出设备，设备中各部分的组成、条 件随时间而不断变化。
一般以间歇操作和连续操作为例说明
A、间歇操作设备生产能力、数量和容积的 设计计算 （参见P106-107）
V0
V0
m3
B、连续操作设备生产能力、数量和容积的设 计计算
（参见P107-108）
（八）
V：流量
通常H：D取得大一些
（四）专业设备的设计与选型实例
书上为120000T/A味精发酵车间(参见 P108) 间歇操作设备设计与选型 发酵罐
选择计算基准的注意点
物料衡算的方法和步骤
（7）列出物料衡算式，然后用数学方法求 解。 （8）校核计算结果，将计算结果列成输入 －输出物料表(物料平衡表,参见表4-1)。 （9）绘出物料流程图(参见P47) （10）得出原料消耗综合表和排出物综合 表(参见P54表5-2,表5-3)
稳定状态与不稳定状态
稳定状态操作过程或称稳定过程：整个 化工过程的操作条件（如温度、压力、 物料量及组成等）不随时间而变化，只 是设备内不同点有差别。 不稳定状态操作过程或称不稳定过程： 操作条件随时间而不断变化。
物料衡算式
首先确定衡算的体系 物料衡算关系式(普遍形式）：
注：１.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。 ２.物料平衡指质量平衡，不是体积或物质的量平衡。
二、计算实例
参见P67 书上为100000T/A啤酒厂糖化车间的物料衡 算 今以300000T/A啤酒厂糖化车间的物料衡算 说明之
例
第二节 热量衡算
一、热量衡算的意义、方法及步骤
(一)热量衡算的意义（参见P75有三点）
补充说明：能量的形式和概念
能量形式和表示的方法： 1.动能（K） 运动着的流体具有动能； 2.势(位)能（Z） 物体自某一基准面移高到一定距 离，由于这种位移而具有的能量。 3.内能（U） 内能是指物体除了宏观的动能和位 能外所具有的能量。即物系内部质点的能量(内动 能+内位能) 总和叫内能.
意义
物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它 是能量衡算的基础。
物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置， 利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。 用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进 措施。
料衡算，求出进出各设备的物料量；
另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物 然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设 备尺寸及整个工艺流程。（参见P57说明）
(1)发酵罐的选型 好气发酵罐的类型参见P109表5-1
微生物反应器的具体的型式主要有通用式发酵罐、自吸式发酵罐、 气提（升）式发酵罐、液提式发酵罐、高位筛板式（或伍式发酵罐） 等。
常用的是通用式发酵罐(带有机械涡轮搅拌)
傳統的通气搅拌罐是一个由搅拌翼組及數片挡 板所构成的攪拌系統，所需的空氣通常由槽底 之气体分散器 (Sparger) 通入罐中，借助搅拌 翼的旋轉与挡板的配合使气泡及流体均勻分布 于发酵罐中，故其具有高气液質傳能力及流体 混合佳等特性。 此外，為保溫或去除发酵热通常必須在罐体外 裝設夹套层 (Jacket)；必要時則在槽內裝設冷 却管 (Cooling coil)，並視发熱量之多寡來决定 冷却管的長度。而冷却管除可冷却发酵液保持 其系統恆溫之外，亦可做罐內发酵液灭菌時通 蒸气之用。其基本构造如下图所示。
第五章 工艺计算及设备的设计与选型
重点：物料衡算，能量衡算及设备工艺计算与选择 难点：物料衡算和能量衡算
第一节 物料衡算
一、物料衡算的意义、方法和步骤 (参见P57) 物料衡算包括该产品的原辅料和包装材料的计算。
（一）意义
理论依据：质量守恒定律 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。
FZ-D
技术参数
型 中 试 发 酵 罐
1.材质:SUS304/SUS321/SUS316L 2.搅拌系统:顶部机械搅拌；电机为进口品牌，德国技术特制机械密封 3.灭菌方式：在位灭菌 4.控制参数：温度、PH、DO、转速、消泡、补料（其它参数另配） 5.控制方式：液晶触摸屏控制系统 ,开放式框架设计。 （成套系统）
补充说明：能量的形式和概念
功和热量都是能量传递的两种不同形式， 它们不是物系的性质，因此不能说体系内 或某物体有多少热量或功。 功和热量的单位在SI制中为焦耳，除此以 外，公制中的卡或千卡，应注意它们之间 的换算关系。 1cal=4.18J
关于焓(H)的说明
H＝U＋PV (定义) H=H(T，P)
有时根据设备在生产中的作用和供应渠道，分为：
(1)专用(业)设备:专用设备一般是指生产过程中主 物料，半成品、产品直接经过的，并有一定的生 产技术参数要求的设备。在发酵工厂仅是指专业 性强、只为本行业使用的设备，如发酵罐、糖化 锅等。 (2)通用设备:通用设备一般是指由机械工业部系统 主管及生产的泵、通风机、压缩机、离心机、螺 旋输送机、皮带输送机等各行业都可使用的设备 (3)非标准设备:非标准设备一般是指规格和材质都 不定型的辅助设备。如车间起贮存作用的贮罐 、 池（槽）等
(二) 热量衡算的基本方法及步骤
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小结：热量衡算也需要确定基准，画出流 程图，列出热量衡算表等。
二.计算实例
书上为100000T/A啤酒厂糖化车间的热量衡 算 注意点： 以一次糖化所需的物料量为基准 温度以0℃为计算基准 参见P78-82
例
一
t0
（一）
（二）
1、
2、
3、
4、
（三）
1、
2、
（四）
1、
2、
3、
4、 （五）
（六）
1、
(煮沸结束时）
M混合麦汁=？
2、
3、
（七）
（八）
（九）
（十）
（十一）
第三节 设备的设计与选型
一、概述 (一)设备设计与选型的任务 (P104) 1.设备分类 化工设备类型一般分为两大类，即定型设备
如：混合物分离过程(超滤)
说明
对于连续不稳定过程，由于该过程内物料 量及组成等随时间而变化，因此，物料衡 算式须写成以时间为自变量的微分方程， 表示体系内在某一瞬时的平衡。
（二）物料衡算的方法和步骤
（1）弄清题意和计算的目的和要求 （2）画出物料衡算流程示意图（参见P58）。 （3） 若有化学反应时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。 （4）搜集计算数据和有关物化常数。 （5）确定工艺指标及消耗定额等 （6）确定衡算范围(体系)；选择合适的计算基准，并在 流程图上注明所选的基准值。 计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。
热量衡算的两种情况？
热量衡算有两种情况：一种是在设计时，根据给 定的进出物料量及已知温度求另一股物料的未知 物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量 或冷却水用量。 另一种是在原有的装置上，对某个设备，利用实 际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据， 计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量， 由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料 进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失 情况。
H H dH dT dP T P P T
恒压热容，CP 多数情况焓差：
H 2 H1 C p dT
T1
T2
关于热量衡算
热量衡算式(由定义及过程特点推导可得) Q = ∆H = H1 –H2 (恒压过程） Q = ∆U = U1 –U2 (间歇过程) 热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差或内能 差，从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由于进出 设备的物料不止一个，因此可改写为： ΣQ =ΣH1 –ΣH2 或 ΣQ = ΣU1 –ΣU2 在解决实际问题中，热平衡方程式还可与成： ΣQ 入 = ΣQ 出+ΣQ 损(参见书上P75-78的内容）
即根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确 定反应器的内部结构和几何尺寸，搅拌器形式、 大小、及转速，换热方式及面积等，并进行某些 经济评价。 （c）确定工艺参数及其控制方式 如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料浓 度和流量等。
生物反应器设计的主要目标是使产品的质 量高，成本低。 生物反应器处于生物过程的中心，它常是 影响整个过程的经济效益的一个重要方面。
注意： 第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的 能量形式； 第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量 的传递。
补充说明：能量的形式和概念
5.功（W） 功是力与位移的乘积。 在化工中常见的有体积功（体系体积变化 时，由于反抗外力作用而与环境交换的 功）、流动功（物系在流动过程中为推动 流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功 等。
2.任务
参见P104 主要是确定车间内所有工艺设备的台数、型式和主 要尺寸。
（二）设备设计与选型的原则
物料衡算是设备选型的根据，而设备选型则要符 合工艺的要求。 设备选型是保证产品质量的关键和体现生产水平 的标准，又是工艺布置的基础，并且为动力配电， 水、汽用量计算提供依据。
选型原则 如下（P104书上为8点）：
补充说明1: 生化反应器工艺设计的要点 （a）反应器选型
确定反应器的结构类型、操作方式、 传递和流动方式等。
一般可根据Байду номын сангаас或细胞中生化反应的动力学 特性来选择合适的反应器形式； 结合动力学和反应器两方面特性来确定操 作方式和优化的操作设计等。
反应器工艺设计的要点
（b）设计反应器的结构、确定各种结构参数。
(1)满足工艺要求（保证产品的质量和产量） (2)设备成熟可靠 (3)尽量采用国产设备等。
书上为8点
书上为8点
二、专业设备的设计与选型
（一）专业设备的设计与选型的依据（3点） 参见P105
（二）专业设备的设计与选型的程序和内容
（12点） 参见P105
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（三）专业设备的设计与选型的特点
连续操作
连续操作过程： 在整个操作期间，原料不断稳定地输入生 产设备，同时不断从设备排出同样数量 （总量）的物料。设备的进料和出料是连 续流动的，即为连续操作过程。 在整个操作期间，设备内各部分组成与条 件不随时间而变化。
半连续操作
半连续操作过程： 操作时物料一次输入或分批输入，而出料 是连续的； 或连续输入物料，而出料是一次或分批的。
由于分子在不停地做着无规则热运动而具有的内动能．它 与物体的温度有关（温度是分子平均动能的标志）． 分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决 定的势能，这就是分子内势能．它和物体的体积有关．
补充说明：能量的形式和概念
4.热量（Q） 温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温 度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种 由于温度差而引起交换的能量，称为热量。
化工过程的类型
两种分类方法： 一种是按操作方式来分： 分为间歇操作、连续操作以及半连续操作。
一种是按操作状态来分： 分为稳定状态操作和不稳定状态操作
间歇操作
间歇操作过程：原料在生产操作开始时一 次加入，然后进行反应或其他操作，一直 到操作完成后，物料一次排出，即为间歇 操作过程。 此过程的特点是在整个操作时间内，再无 物料进出设备，设备中各部分的组成、条 件随时间而不断变化。
一般以间歇操作和连续操作为例说明
A、间歇操作设备生产能力、数量和容积的 设计计算 （参见P106-107）
V0
V0
m3
B、连续操作设备生产能力、数量和容积的设 计计算
（参见P107-108）
（八）
V：流量
通常H：D取得大一些
（四）专业设备的设计与选型实例
书上为120000T/A味精发酵车间(参见 P108) 间歇操作设备设计与选型 发酵罐
选择计算基准的注意点
物料衡算的方法和步骤
（7）列出物料衡算式，然后用数学方法求 解。 （8）校核计算结果，将计算结果列成输入 －输出物料表(物料平衡表,参见表4-1)。 （9）绘出物料流程图(参见P47) （10）得出原料消耗综合表和排出物综合 表(参见P54表5-2,表5-3)
稳定状态与不稳定状态
稳定状态操作过程或称稳定过程：整个 化工过程的操作条件（如温度、压力、 物料量及组成等）不随时间而变化，只 是设备内不同点有差别。 不稳定状态操作过程或称不稳定过程： 操作条件随时间而不断变化。
物料衡算式
首先确定衡算的体系 物料衡算关系式(普遍形式）：
注：１.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。 ２.物料平衡指质量平衡，不是体积或物质的量平衡。
二、计算实例
参见P67 书上为100000T/A啤酒厂糖化车间的物料衡 算 今以300000T/A啤酒厂糖化车间的物料衡算 说明之
例
第二节 热量衡算
一、热量衡算的意义、方法及步骤
(一)热量衡算的意义（参见P75有三点）
补充说明：能量的形式和概念
能量形式和表示的方法： 1.动能（K） 运动着的流体具有动能； 2.势(位)能（Z） 物体自某一基准面移高到一定距 离，由于这种位移而具有的能量。 3.内能（U） 内能是指物体除了宏观的动能和位 能外所具有的能量。即物系内部质点的能量(内动 能+内位能) 总和叫内能.
意义
物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它 是能量衡算的基础。
物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置， 利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。 用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进 措施。
料衡算，求出进出各设备的物料量；
另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物 然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设 备尺寸及整个工艺流程。（参见P57说明）
(1)发酵罐的选型 好气发酵罐的类型参见P109表5-1
微生物反应器的具体的型式主要有通用式发酵罐、自吸式发酵罐、 气提（升）式发酵罐、液提式发酵罐、高位筛板式（或伍式发酵罐） 等。
常用的是通用式发酵罐(带有机械涡轮搅拌)
傳統的通气搅拌罐是一个由搅拌翼組及數片挡 板所构成的攪拌系統，所需的空氣通常由槽底 之气体分散器 (Sparger) 通入罐中，借助搅拌 翼的旋轉与挡板的配合使气泡及流体均勻分布 于发酵罐中，故其具有高气液質傳能力及流体 混合佳等特性。 此外，為保溫或去除发酵热通常必須在罐体外 裝設夹套层 (Jacket)；必要時則在槽內裝設冷 却管 (Cooling coil)，並視发熱量之多寡來决定 冷却管的長度。而冷却管除可冷却发酵液保持 其系統恆溫之外，亦可做罐內发酵液灭菌時通 蒸气之用。其基本构造如下图所示。
第五章 工艺计算及设备的设计与选型
重点：物料衡算，能量衡算及设备工艺计算与选择 难点：物料衡算和能量衡算
第一节 物料衡算
一、物料衡算的意义、方法和步骤 (参见P57) 物料衡算包括该产品的原辅料和包装材料的计算。
（一）意义
理论依据：质量守恒定律 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。
FZ-D
技术参数
型 中 试 发 酵 罐
1.材质:SUS304/SUS321/SUS316L 2.搅拌系统:顶部机械搅拌；电机为进口品牌，德国技术特制机械密封 3.灭菌方式：在位灭菌 4.控制参数：温度、PH、DO、转速、消泡、补料（其它参数另配） 5.控制方式：液晶触摸屏控制系统 ,开放式框架设计。 （成套系统）
补充说明：能量的形式和概念
功和热量都是能量传递的两种不同形式， 它们不是物系的性质，因此不能说体系内 或某物体有多少热量或功。 功和热量的单位在SI制中为焦耳，除此以 外，公制中的卡或千卡，应注意它们之间 的换算关系。 1cal=4.18J
关于焓(H)的说明
H＝U＋PV (定义) H=H(T，P)