武汉东西湖兴建年产10万吨柠檬酸厂的工艺设计毕业设计 推荐.docx
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武汉东西湖兴建年产10万吨柠檬酸厂的工艺设计毕业设计推荐
武汉东西湖兴建年产10万吨柠檬酸厂的工艺设计
摘要....................................................................................................................................1
关键词....................................................................................................................................1
Abstract...................................................................................................................................1
Keywords................................................................................................................................1
武汉东西湖兴建年产10万吨柠檬酸厂的工艺设计
摘要：
本设计采用薯干原料发酵，只需将薯干磨成粉，加水调浆，直接加入少量α－淀粉酶液化后灭菌、冷却即可接种发酵。
制备柠檬酸一般采用晒干的薯干作为原料。
其中薯干含水10%-15%、淀粉70%左右、蛋白质6%左右。
薯干原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。
薯干原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐，选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做这方面的预处理。
本设计采用液体深层好氧发酵、钙盐法提取技术生产柠檬酸。
这两种方法都是国内比较流行的生产方法，有着大量的实际经验，易于操作，风险小。
由于本设计为糖化、发酵车间的设计，着重于这两个车间的工艺计算、设备选型。
通过全厂物料衡算、车间热量衡算，确定糖化、发酵车间主要设备发酵罐、种子罐、车间管道的设计和选型以及全厂及车间布置。
关键词：
薯干深层好氧发酵黑曲霉柠檬酸设备设计和选型
DongxihuDistrictofWuhanCitydistricthassuperiorbuildingannualoutputof100000tonsofcitricacidplantprocessdesign
Abstract：
Thedesignofrawmaterialsusedpotatofermentation,simplypotatomills,water-paste,addingasmallamountofdirectα-amylaseliquefaction,sterilization,cooling,fermentationcanbevaccinated.Preparationofcitricacidnormallyusedasrawmaterialsdriedpotato.Potatomoisturecontentof10%to15%,about70percentofstarch,proteinabout6percent.Potatorawmaterialsintheproteincanbeusedassourceofnitrogenforcellgrowth.Potatorawmaterialscontainingiron,magnesium,potassium,calciumofinorganicsalt,optionalblackAspergillusnigerC0527isnotsensitivetotheseingredients,itneednotdoanypretreatmentoftherawmaterials.Thedesignofagoodgasliquidsdeepfermentation,drycalciumcitrateextractiontechnologyproduction.Thetwomethodsaremorepopulardomesticproductionmethods,hasagreatdealofpracticalexperience,easytooperate,therisksmall.Asthedesignforthesaccharificationandfermentationworkshopthedesign,thetwoworkshopsfocusedontheprocess,theselectionofequipment.Throughthewholeplantmaterialbalance,energybalanceworkshop,identifiedglycosylation,fermentationworkshopmajorequipmentfermenter,seedtanks,pipelinesandworkshopsinthedesignandselection.Andthewholeplantandfacilitylayout.
Keywords:
PotatoDeep-seatedaerobicfermentationAspergillusniger
CitricacidEquipmentDesignandSelection
1.绪论
1.1项目建设背景
1.1.1项目提出依据
近年来，国民经济持续高速的发展和人民生活水平的不断提高，柠檬酸在饮料、食品和饲料工业中用量都将不断提高；另外，对柠檬酸深加工产品开发以及应用推广工作力度的加大，其应用范围将进一步扩展，并且在其他行业中的使用量也将不断增加。
1.1.2项目投资必要性
1.柠檬酸的用途广泛，市场的容量大，前景好。
3.柠檬酸一直是我国原料药出口量最多的品种之一。
5.柠檬酸在医药等其它工业领域的需求量也会逐年递增。
1.1.3研究范围及过程
本次设计针对年产10万吨柠檬酸的工艺计算选型方案、投资估算、全厂概况等进行全面分析论证。
1.2市场需求预测
1.2.1国际市场分析
柠檬酸的应用范围越来越广，不仅适用于化工、印染，而且在食品加工、医药等行业也广泛应用。
在世界市场上，该产品的年需求量超过１００万吨。
据国际柠檬酸生产商协会统计，当前该市场的结构为：
饮料用柠檬酸占４４％；其它食品用柠檬酸占２４％；工业及民用洗涤用柠檬酸占２０％；药品与化妆品用柠檬酸占８％；其他工业用柠檬酸占４％。
1.2.2国内市场分析
我国的柠檬酸发酵工业：
1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。
20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展迅速，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。
我国开发的以薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，生产成本较低，在国际市场具有较强的竞争力。
中国不仅是柠檬酸生产大国，也是出口大国，目前出口量已占总产量的70%-80%。
近10年来，由于受出口刺激，中国柠檬酸生产能力和产量都增长很快。
1985年，中国柠檬酸产量只有3.7万吨，2002年已达到约40.0万吨。
目前全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力近50万吨，占世界总量的40%多。
1.2.3市场销售与价格
总体来看，国内销售占总量30%，外贸公司20%，自营出口50%。
国内市场主要客户有喜之郎、丽珠集团、大地集团等。
自营出口地区主要为欧盟、韩国、台湾、土耳其、新加坡等。
预测近两年的价格为USD610/MT左右。
根据企业的发展，逐步将销售结构调整为国内销售占总量20%，外贸公司5%，自营出口75%。
国内一水柠檬酸2012年10月报价已达6600元/吨以上，较9月份增长了1000元/吨，一家无水柠檬酸生产商报价7400元/吨。
柠檬酸钠党的报价7000元/吨，和前期相比，均有大幅上涨。
1.3厂区的选择
1.3.1厂址的地理位置
本厂拟选定在武汉东西湖区。
该区东经113°53′—114°30′，北纬30°34′—30°47′之间。
她的地图酷似一只金龟，翘首东望武汉，摆尾西牵孝感。
汉江、汉北河、沦河、府河如玉带琼边轻轻托起这片近500平方公里的土地。
1.3.2气候条件
东西湖区地处北半球中纬度地带，属北亚热带季风气候区。
光照充足，热量丰富，年均实际日照1918.0小时。
雨量充沛，年均降雨量1572.2毫米（124天），春夏之交梅雨季节，雨量占全年的45%。
四季分明，冬季多偏北风，严寒低温，夏季多偏南风，酷暑高温，春雨连绵，秋高气爽。
年均气温17～19℃。
7月月均气温28.9℃，1月月均气温3.5℃；日极端高温39.4℃（1951年8月8日），极端低气温为－18.1℃（1977年1月31日）。
年均冰冻期43天，无霜期240天。
1.3.3交通状况
东西湖区内交通路网络已发展到“五横五纵”。
截至2008年9月，全区通车公路总里程达1126.09公里，路网密度达2.27公里/平方公里。
沿南部边境，汉江航道绵延43公里，港区5个，500吨级船舶可常年通江达海。
汉渝铁路横贯区境，东连京广铁路，西通川陕。
区机关驻地吴家山距市中心、武汉港、飞机场均15公里左右。
已形成公路——铁路——水上联运的运输网络。
综上所述，本项目的外部交通运输条件较好。
2.厂区平面设计
2.1总平面设计
表2-1总平面设计一览表
序号
建筑物
建筑面积（m2）
占地面积（m2）
1
动力站
20×10=200
200
2
原料库
30×35=1050
1050
3
成品库
18×50=900
900
4
粉碎配料车间
10×20=400
400
5
发酵车间
36×76×3=8208
8208
6
提取车间
30×50×3=4500
4500
7
锅炉房
10×16=160
160
8
包装车间
18×33=594
594
9
半成品车间
27×33=891
891
10
污水处理站
30×50=1500
1500
11
活动中心
20×30×3=1800
600
12
机修车间
15×40=600
600
13
职工餐厅
20×15×2=600
300
14
科研化验中心
20×25×3=1500
500
15
办公楼
15×50×4=3000
750
16
门卫2
5×8=40
40
17
门卫1
5×8=40
40
2.2设计说明书
2.2.1设计依据
在本设计中，柠檬酸全厂的布局在参考了其他公司的各个车间的布局基础上，又做了一定的补充，作为一个面向现代化的柠檬酸工厂，在设计中厂区的交通，卫生，环境要求都比较高，各车间的布局要合理，便于生产的顺利进行，将生产区和办公大楼分开建设，一个完善而先进的污水处理站也是必需的。
同时，还应该有职工活动中心等。
2.2.2总平面设计说明
（1）厂区主要建筑物：
原料库、成品库、办公楼、科研化验楼（兼菌种保藏中心）、餐厅、车库、门卫、锅炉房、机修车间、生产车间、成品车间、粉碎配料车间、污水处理池等。
按照生产流程布置，并尽量缩短距离，避免物料的往返运输。
对厂房的布置符合生产工艺的要求，既保证了生产过程的连续性，又使得整个厂区紧凑合理。
（2）办公楼在人流出口附近，距离车间较近，方便管理，又与物流避免交叉。
（3）绿化情况：
厂区绿化以普通绿化与重点绿化相结合，沿厂区主入口的主要道路进行重点绿化，种植有观赏价值的乔、灌木与草皮结合，并且绿化部分遍植草皮，并适当点缀冬青灌木，以创造出一个美丽、怡人的厂区环境。
（4）厂区道路：
厂区主干道为10m宽，非主要道路为8m宽，两旁种植悬铃木、榆叶梅等。
（5）厂区考虑到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均设有消防水龙头和灭火器。
2.3主要设计指标
表2-3主要设计指标一览表
项目
数据
1
全厂占地面积
600000m3
2
全厂建筑物占地面积
21233m3
3
建筑系数
35%
4
绿化面积
159248m3
5
绿化率
15%
6
土地利用系数
50%
3.产品方案及工艺流程
3.1产品方案
本设计采用薯干原料发酵，将薯干磨成粉，加水调浆，再加入少量α-淀粉酶液化后灭菌、冷却即可接种发酵。
其中薯干含水10%-15%、淀粉70%左右、蛋白质6%左右，含有铁、镁、钾、钙等的无机盐。
选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做这方面的预处理。
本设计采用液体深层好氧发酵、钙盐法提取技术生产柠檬酸。
3.2工艺流程
基本过程为：
在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用碳酸钙中和处理；再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固体，送入酸解罐，再添加稀硫酸酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去硫酸钙及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿柠檬酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品柠檬酸。
成品柠檬酸
淀粉糖
图3-1柠檬酸生产工艺流程示意图
3.3操作工艺
3.3.1原料的处理
对薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、调浆、液化、连续灭菌的处理方法。
发酵工艺要求将薯干从平仓运至备料车间，经过磁选装置除去原料中含铁杂质，以保护设备。
然后进行粗粉碎，将薯干先轧成1-3cm大小的小块，以提高磨粉机的效率。
粗碎后，由斗式提升机提送至中间粉仓，由粉仓落入磨粉机粉碎，粉碎后进入粉仓再经计量送至配料罐。
配料罐内加水调浆，同时加入淀粉酶升温液化。
液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间。
3.3.2发酵工序
由备料车间提供的经连续灭菌并冷却的料液，通过灭菌管道泵入已空消灭菌待料的发酵罐（或种子罐），通过零磅火焰倒种法或差压法，接入已培养好的柠檬酸菌种，在通风、搅拌情况下，进行发酵或培养。
3.3.3醪液处理工序
柠檬酸发酵完成后，应即时进行热处理，以灭活发酵，絮凝蛋白、提高收率，为提高设备利用率。
增设醪液贮罐，通过热交换器，及时将醪液加热至80℃后进入醪液热贮罐，再经泵压入过滤机，除掉固形物及菌体残渣，将清醪液泵入下道工序。
3.3.4提取工段
由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵入中和罐，在80℃下进行中和。
碳酸钙经密闭的输送机送入车间，经无级调速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部浓度过高，使中和沉淀反应均匀。
经终点检测合格后，将柠檬酸钙悬浮液排入带式过滤机中，将固体柠檬酸钙从悬浮液中分离出来。
分离后的柠檬酸钙经卸料螺旋送至酸解桶中，由热水或酸解液调浆，浓硫酸由酸碱站泵入，再计量到酸碱桶中与柠檬酸钙在80℃下生成硫酸钙与柠檬酸的悬浊液送入酸解带式过滤机进行过滤，清洗液即稀酸解液收集用于调浆，柠檬酸酸解送精制工段。
3.3.5精制工段
离子交换与脱色柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序。
蒸发与结晶在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。
精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶，以确定产品，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相（母液）在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机。
干燥与包装从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放。
4.工艺计算
4.1物料衡算
4.1.1工艺技术指标及基础数据
（1）生产规模：
100000t/a99.5%一水柠檬酸折合成91625.44t/a99.5%无水柠檬酸；
（2）生产方法：
外加耐高温α-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取；
（3）生产天数：
每年300天；
（4）食用99.5%无水柠檬酸日产量：
91625.44÷300=305.42t，取整数为306t；
（5）食用99.5%无水柠檬酸年产量：
306×300=91800t；
（6）产品质量：
国际食用柠檬酸99.5%（质量分数），实际产率98%，副产品约占2%；
（7）薯干粉成分：
含淀粉量70%，水分13%；
（8）α-淀粉酶用量：
8U/g原料；
（9）操作参数：
淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段收率98%，倒罐率1%则其得率为
；产酸率（即糖发酵液转化率）13%；发酵周期75h，发酵温度（35
1）℃，发酵通风量10V/（V发酵液·h）。
4.1.2原料消耗计算（基准：
一吨成品柠檬酸）
年产10万吨一水柠檬酸，折合无水柠檬酸，按1995年5月，中国发酵工业协会柠檬酸分会制定的“柠檬酸行业统计办法”：
无水柠檬酸需要量为：
100000÷1.0914=91625.44t/a
（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式：
162192
X1000
（2）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：
X=1000×（162÷192）×99.5%=839.53kg
（3）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：
X÷（98.5%×95%×95%×98%×99%）=973.4kg
（4）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量：
973.4÷70%=1390.57kg
（5）α-淀粉酶的消耗量：
应用酶活力为20000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。
α-淀粉酶用量按8u/g原料计算；有：
1390.57×103×8÷20000=0.56kg
4.1.3发酵醪量的计算
根据发酵液转化率为13%：
1000×99.5%÷（95%×98%×13%）=8221.1kg
4.1.4接种量
接种量为发酵醪的10%，则：
8221.1×10%÷110%=747.37kg
4.1.5液化醪量计算
因为成熟蒸煮醪为：
8221.1-747.37-0.56=7473.17kg
则调浆浓度为：
1390.57×100%÷7473.17=18.6%
粉浆的干物质浓度为：
973.4×100%÷7473.17=13.03%
蒸煮直接蒸汽加热,采用连续液化工艺:
操作流程:
1.混合后粉浆温度为50℃，应用喷射液化器迅速使粉浆升温至100℃。
升温后进入维持罐，使料液保温20～30min以完成液化，进蒸汽压力保持在0.3～0.4MPa表压。
2.液化完成的醪液由板式换热器降温至35+1℃备用。
3.调浆及液化灭菌时产生的泡沫可用少量泡敌消泡。
工艺计算:
干物质含量B0=70%的薯干原料比热容为:
C0=4.18×（1-0.7B0）=2.13kJ/（kg·K）
粉浆的干物质浓度为B1=13.03%
液化醪的比热容为：
C1=B1C0+（1.0-B1）Cw
=13.03%×2.13+（1.0-13.03%）×4.18
=3.91kJ/（kg·K）
Cw-水的比热容取4.18kJ/（kg·K）
为简化计算，定液化醪的比热容在整个过程中维持不变.
经喷射液化器前的液化醪量为X:
X+X×3.92×（100-50）÷（2731.2-100×4.18）=7473.17（kg）
X=6887.7（kg）
其中2731.2-喷射液化器加热蒸汽0.3MPa的焓
4.1.6成品柠檬酸
日产柠檬酸量为：
91625.44÷300=305.42t/d
即结晶液中柠檬酸的含量为：
305.42t/d
需精制液中柠檬酸含量为：
305.42÷98%=311.7t/d
需分离液中柠檬酸的含量为：
305.42÷（95%×98%）=328.06t/d
4.1.7淀粉质原料年产10万吨一水柠檬酸厂总物料衡算
即对生产91625.44t/a99.5%无水柠檬酸的薯干原料柠檬酸厂进行计算。
（1）柠檬酸成品
日产食用99.5%无水柠檬酸量为305.42t，取整数为306t
日产副产品为：
306×2÷98=6.24t
则日产总量为：
312.24t
食用柠檬酸量为：
306×300=91800t/a
副产物为：
6.24×300=1872t/a
总产量为：
93672t/a
（2）主要原料薯干用量
日耗量：
1390.57×10－3×312.24=434.19t
年耗量：
434.19×300=130257t
（3）根据以上计算，将物料衡算结果列于表4-1
表4-１100000t/a料柠檬酸厂物料衡算表
物料名称
每吨产品耗物量
（kg）
年产10万吨耗物量
每天（t/a）
每年（t/a）
食用柠檬酸
980
306
91800
副产品
20
6.24
1872
薯干原料
1390.57
434.19
130257
淀粉
973.4
303.93
91179
α-淀粉酶
0.56
0.17
51
发酵醪
8221.1
2566.96
770087
接种量
747.37
233.36
70008
成熟蒸煮醪
7473.17
2333.42
700026
薯干浆量
6887.7
2150.62
645184.6
4.2热量衡算
4.2.1液化热平衡计算
喷射加热器耗热
喷射加热初温t1=50℃加热后t2=100℃
醪液的比热容为C1=3.91kJ/（kg·℃）
由工艺可知:
经过喷射加热器温度由t1=50℃升温至t2=100℃
Q=C1×G醪液（100-50）
=3.91×6887.7×（100-50）
=1336213.8kJ
4.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算
（1）蒸汽用量的计算公式
整个生产过程采用蒸汽加热，
蒸汽耗用量计算公式为：
式中：
η——为蒸汽的热效率，取
；
I——汽化潜热。
（2）基础数据
在28
下，查得：
淀粉的比热容为1.55KJ/kg·K
水的比热容为4.174KJ/kg·K
加热蒸汽的热焓为2549.5KJ/kg·K
加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60KJ/kg·K
由前面的计算可知，日耗薯干粉量为434.19t/d
日耗淀粉量为303.93t/d
日耗薯干浆量为2333.42t/d
则日耗调浆用水量为：
2333
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