第六章 物料与能量衡算：.ppt

第一节 物料衡算 第二节 能量衡算 第六章 物料与能量衡算 化学工业出版社 学习目标 ①掌握物料与能量衡算的基本方法、基本步骤及基本内容； ②理解物料与能量衡算的理论基础及其在生产实际过程中的具体应用。 第一节 物料衡算 物料衡算有两种情况：一种是在已有的装置上，利用实际操作数据进行计算核查，算出另外一些不能直接测定的物料量，由此对生产情况进行分析，找出问题，为改进生产水平提供措施。另一种是对新车间、工段与设备作设计，利用已有实际数据，进行分析比较，选定先进而切实可行的数据作为新设计的指标，再根据生产任务进行衡算，计算原料、产品、中间产品、副产物和废料的数量及组成，或在已知原料量的情况下算出产品、副产品和三废的生成量及组成，再计算设备的负荷、工艺尺寸及设计带控制点的工艺流程。 物料衡算的理论基础 物料衡算的理论基础是质量守衡定律。依据质量守衡定律可进行物料平衡计算、物质平衡计算及元素平衡计算。物料衡算的通用关系为： 输入量+生成量－输出量－消耗量=积累量 稳态过程：m入+r生=m出+r消 非稳态过程：dm/dt=m入－m出+r生－r消 绘制工艺流程示意图 写出生物或化学反应的计量方程式 确定计算任务 收集数据资料 选择计算基准，并确定衡算体系 列出平衡方程及附加关系方程，进行物料衡算 列出物料平衡表：（1）输入与输出物料平衡表（2）“三废”排量表（3）原辅料消耗定额表。 物料衡算的步骤 一般过程的物料衡算 这里所指的一般过程是指对于不发生生物或化学反应的过程，对于稳流物系其物料组成及流量的计算可基于如下几种方式进行计算： 依据物料流量进行衡算 设系统含有S种组分，进料有M股物流，出料有K股物流，则总物料平衡有 物料衡算的方法 依据某种组分进行衡算 如果依据某种组分进行衡算，可以列出S个任意组分的平衡方程,即 依据元素量进行衡算 对于某些设备可能要计算收率及转化率。收率及转化率的计算可根据原料进出该设备的变化情况进行计算，用符号Y表示收率，用η表示转化率 培养过程中物料衡算 实际得率与菌体生长速率的关系 如果用μ表示菌体的比生长率，QP表示产物的比生产率，Yps表示理论产物得率，Ygs表示纯生长得率，ms表示维持因数，则实际菌体得率YX/S、实际产物得率YP/S与菌体生长速率之间存在如下关系： 1/YX/S=1/Ygs+(ms+QP /Yps)/ μ 1/YP/S=1/Yps+(ms+μ/Ygs)/QP 微生物培养过程中的基质平衡 微生物培养过程中，基质的消耗不外乎用于菌体维持、菌体的生长和产物的合成三个方面，因此，基质的平衡存在如下关系： (－△S)= (－△S)M+(－△S)G+(－△S)P 培养过程中的总碳消耗△C(S)为： △C(S)= [△C(S)]G+[△C(S)]M+[△C(S)]P+…… 微生物生长代谢过程中氮平衡 氮平衡的计算与碳平衡的计算相同，即培养过程中的总氮消耗△N(S)为： △N(S)= [△N(S)]G+[△N(S)]M+[△N(S)]P+ …… 微生物生长过程中的氧平衡 A[△C(S)]=B[△C(X)]+ △n(O2)+C [△C(P)] 式中 A——基质S完全氧化的需氧量；B——菌体X完全氧化的需氧量；C——产物P完全氧化的需氧量。 △C(S)、△C(X)、△C(P)——消耗的基质、生成的菌体、生成产物量，mol。 方程中△n(O2)是指微生物生长代谢消耗氧量，它由三部分组成，一部分用于微生物维持生命活动的耗氧，一部分为生长菌体的耗氧，最后一部分为产物合成的耗氧。 第二节 能量衡算 能量衡算的主要目的是确定物料所处的状态参数（温度等）及设备的热负荷，根据各设备热负荷的大小，所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的型式，计算传热面积，确定设备的主要工艺尺寸，以及传热所需要的加热剂或冷却剂的用量。另外，能量衡算也是为了更合理的用能，通过计算热利用效率及余热分布情况等进行相应设计，进而达到节能降耗的目的。 能量衡算的理论基础 能量衡算的理论基础是能量守衡定律。但对于一个体系依据能量守衡定律总存在如下平衡关系： 由环境输入到系统的能量=由系统输出到环境的能量+系统内积累的能量 确定能量衡算的设备或系统，并列出进出设备或系统物料组成及流量 确定能量计算的基准 对设备或系统进行热量分析，找出产热因素及散热因素 收集数据资料 根据能量守衡