设计题目年产10万吨一水柠檬酸工厂设计

PAGE2工厂设计设计题目：年产10万吨一水柠檬酸工厂设计姓名院系生命科学学院专业生物工程年级学号指导教师2021-5-31

目录1.绪论 51.1项目建设的背景 51.1.1项目提出的依据 51.1.2投资的必要性 51.1.3研究范围及过程 51.2市场需求预测 61.2.1国际市场分析 61.2.2国内市场分析 61.2.3市场销售与价格 71.3厂区选择 71.3.1厂址的地理位置 71.3.2工程地址基本情况 71.3.3交通状况 82.厂区平面设计 92.1总平面设计 92.2设计说明书 92.2.1设计依据 92.2.2总平面设计说明 102.3主要设计指标 103.产品方案及工艺流程 103.1产品方案 103.2工艺流程 113.3操作工艺 123.3.1原料的处理 123.3.2发酵工序 123.3.3醪液处理工序 123.3.4提取工段 123.3.5精制工段 134.工艺计算 134.1物料衡算 134.1.1工艺技术指标及基础数据 134.1.2原料消耗计算（基准：一吨成品柠檬酸） 144.1.3发酵醪量的计算 144.1.4接种量 154.1.5液化醪量计算 154.1.6成品柠檬酸 154.1.7淀粉质原料年产10万吨一水柠檬酸厂总物料衡算 164.2热量衡算 174.2.1液化热平衡计算 174.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算 174.2.3发酵过程中的冷却水耗量计算 194.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算 195.糖化车间设备设计与选型 205.1调浆桶的选型 205.2喷射加热器的选型 215.3液化维持罐的选型 225.4板式换热器的选型 226.发酵车间设备设计与选型 236.1发酵罐的选型 236.1.1发酵罐容积和台数的确定 236.1.2主要尺寸的计算 246.1.3发酵罐冷却面积的计算 256.1.4发酵罐搅拌器的设计 256.1.5发酵罐设备结构的工艺设计 276.1.6发酵罐设备材料的选择 296.1.7发酵罐壁厚的计算 296.1.8发酵罐接管设计 306.1.9发酵罐支座的选择 316.2种子罐的选型 316.2.1种子罐容积和数量的确定 316.2.2种子罐主要尺寸确定 316.2.3种子罐型号确定 326.3贮罐选型 326.3.1发酵成熟醪贮罐 326.3.2硫酸銨贮罐 327.水电平衡 347.1全年用水量计算 347.1.1生产用水 347.1.2锅炉用水 347.1.3生活用水 347.2全年用电量计算 347.2.1生产用电 347.2.2照明用电 357.2.3生活用电 358.公用工程和辅助设施 368.1工厂运输 368.1.1货物运输量及运输方式的确定 368.1.2货物运输方案的确定 368.2贮运设施 368.2.1各种物料贮存天数及贮存量根据以下原则确定 368.2.2各种物料贮存天数、贮存量的确定 368.2.3物料贮存方案的确定 378.3给水排水 378.3.1给水 378.3.2循环水系统 378.3.3排水 388.4采暖通气系统 388.5供电及电讯 388.5.1供电 388.5.2电讯 388.6供热 389.企业组织和劳动定员 399.1建制及组织 399.2岗位定员情况 3910.环境保护与劳动安全 4010.1环境保护 4010.1.1主要污染源 4010.1.2环境保护措施 4010.2劳动保护与安全卫生 4110.2.1编制依据及采用的技术规范 4110.2.2工业安全卫生规程 4110.2.3职业安全卫生防护的措施 4210.2.4事故时抢救及应急措施 4210.2.5防机械损伤及烫伤措施 4210.3消防 4310.3.1工程的消防环境 4310.3.2工程的火灾区危险性类别 4310.3.3消防设施和措施 4311.技术经济分析与设计概算 4311.1工厂成本产品成本概算 4311.2设备的总投资概算 4411.3经济技术分析 45参考文献 45致谢 46附录 461.绪论1.1项目建设的背景1.1.1项目提出的依据随着国民经济的持续高速发展和人民生活水平的提高，柠檬酸在饮料、食品和饲料工业中用量将以5%～10%速率递增；另外，对柠檬酸深加工产品开发和应用推广工作力度的加大，其应用范围将进一步扩展，并在其他行业中的使用份额也将增加；在国外随着对环保的呼声越来越高，柠檬酸在洗涤剂中所占份额增长较快，而我国目前代替三聚磷酸钠用于洗涤剂生产中的柠檬酸数量较小，相信随着我国环保法规的日趋严格和人们环保意识的增强，用柠檬酸替代对环境和水质有污染的三聚磷酸钠的数量逐年增加。目前美国人均消费柠檬酸为1千克/年，而我国人均消费仅为0.05千克/年，市场潜力巨大。1.1.2投资的必要性柠檬酸用途广泛，市场容量大，市场前景好。公司是我国较早专业，生产柠檬酸的企业，积累丰富的生产和研发经验，培养了一批技术、管理骨干和熟练操作的员工。品牌优势，产品在国内外市场有一定知名度，有较稳定的市场和客户。区位、资源优势明显，有生产柠檬酸得天独厚的有利条件。盘活存量，热电结合，工程优化，可实现投资少，成本低，产品具有较强竞争力。强强联合、优势互补，做大规模，做优品质，具有很强的竞争优势，力争行业领先。1.1.3研究范围及过程本可行性研究针对年产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是目前用途最广泛的食品添加剂之一，在食品行业需求量非常大。据不完全统计，近几十年来，全球柠檬酸需求量一直在强劲增长。20世纪80年代初，全世界年产销量为20多万吨，现在已达120多万吨，20年间市场容量膨胀5倍。年平均增长率为5%以上，其中用于食品的占60%左右，工业用占40%。食品中用途最大的是清凉饮料，工业用主要在洗涤方面和电镀方面。展望后市，柠檬酸仍有很大发展空间，前景看好。近几年国外需求量呈上升趋势，尤其是亚洲经济发展较快的国家和地区柠檬酸进口量增长较高，如韩国、新加坡、泰国、台湾；发展中国家也随着人民生活水平的提高，饮料和食品工业发展较快，对柠檬酸需求量逐年增加，出口形势看好。我国柠檬酸原料来源丰富，又有世界上独特的发酵技术，工艺简单；随着ILCS新工艺和发酵废渣综合利用技术的推广应用和原料价格降低，我国柠檬酸在国际市场上的价格优势将更加突出。事实上，像柠檬酸这种工艺技术比较成熟、价格较低的产品，没有一定的规模很难有竞争力。今后我国企业要想长远发展，必须扩大规模，在调整中发展壮大。要抓住全球柠檬酸生产向中国转移的有利时机，形成几家年产规模达10万～20万吨的企业，争取占有更多的国际市场份额。1.2.2国内市场分析据初步统计，我国从20世纪60年代开始生产柠檬酸。近10年来，由于出口的刺激，我国柠檬酸的生产能力和产量增长很快。由1985年3.7万吨/年猛增到2021年42.7万吨/年。目前，我国柠檬酸的生产厂家有近百家，总生产能力约为50万吨/年，除西藏外，几乎每个省都建有柠檬酸生产装置。生产规模大多为1000-3000吨/年，年产量在5000吨以上的厂家有20几家，万吨级以上的有9家，全年正常生产的企业有30多家。生产厂家主要集中在安徽、江苏、山东等玉米和薯类资源丰富的地区。主要的生产厂家有安徽丰原生物化学集团公司（生产能力为15.0万吨/年）、江苏无锡罗氏中亚柠檬酸（生产能力为5.0万吨/年）、江苏宜兴协联生化（生产能力为3.0万吨/年）、安徽华源生物药业（生产能力为3万吨/年）、山东柠檬生化（生产能力为4万吨/年）、山东日照泰山洁晶生化（生产能力为4万吨/年）等；皖苏鲁柠檬酸产量约占全国产量75%。近年来我国柠檬酸的出口量逐年上升，出口量一般占国内产量的80％以上，产品几乎销售到世界的每一个角落。从20世纪90年代起，出口量更是年年跃上新台阶，2021年出口量为13.00万吨/年，2021年出口量为18.29万吨/年，2021年出口量为22.54万吨/年，2021年出口量为24.18万吨/年，2021年出口量为27.03

万吨，2021年33万吨，并以每年15%速度增长。我国柠檬酸主要出口到美国、欧洲、日本以及东南亚市场。其中，每年出口到美国的柠檬酸有6万多吨，欧洲5万多吨，日本3万多吨。我国柠檬酸年总产量居世界第一。近年来，由于我国大多数柠檬酸企业在质量、环保方面投入不足，多以低档含水柠檬酸竞相低价出口，遭遇多国反倾销投诉，目前已出现严重的供大于求的局面。因此抗风险能力较小的工厂纷纷停产，同时柠檬酸生产基础较好的工厂又在不断扩建，从而达到了一个新的平衡。目前柠檬酸价格也在多年下滑走低后趋于平稳，止跌渐升。目前我国柠檬酸出口产品档次不高，难以达到美国药典标准（USP24），出口价格较低，比国际市场平均价低了20％～30％。随着国内柠檬酸生产技术不断成熟，发达国家的技术壁垒不断清除，发达国家正逐步退出柠檬酸市场。现正是国内柠檬酸生产厂家市场扩张的最好时机。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。2021年上半年，出口价格大幅下降，8月以后柠檬酸价格稳步上升。目前，国内食品级一水柠檬酸（BP93/BP98）5800-6100元/吨；国际市场价格为USD640/MT（折合人民币5300元/吨）。无水柠檬酸（BP93）6700-7000元/吨，国际市场价格为USD700/MT（折合人民币6500元/吨）。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%。国内主流生产商一水柠檬酸2021年12月报价已达6500元/吨以上，较11月份涨幅超过1000元/吨，一家主要生产商无水柠檬酸报价7500元/吨。柠檬酸钠报价7000元/吨，均较前期有大幅上涨。1.3厂区选择1.3.1厂址的地理位置本厂拟选定在淄博高新开发区。淄博位于山东中部鲁中山区与鲁北平原的交接地带，区位优势独特，南连泰山，北靠黄河，东临潍坊，西接泉城济南。淄博是山东省重要的交通枢纽城市，铁路贯通，公路纵横，交通方便，是国务院批准的山东半岛经济开放区城市。淄博市地处暖温带，属湿润的温带季风气候，四季分明，雨热同期，景色优美，气候宜人。南部及东西两翼山峦跌宕，中部低陷向北倾伏，南北落差千余米。以胶济铁路为界，以南大部分为山区、丘陵，岩溶地貌发达；以北大部分为山前冲积平原和黄泛平原，土地平坦肥沃。1.3.2工程地址基本情况气温年平均气温12.9极端最高气温41.2极端最低气温-22.5最热月（七月）日最高气温平均值31.1最冷月（一月）日最低气温平均值-8.4空气湿度年平均相对湿度66%月平均最大相对湿度81%月平均最小相对湿度56%最热月（七月）日最高气温平均值31.1℃大气压力年平均气压101.09kPa月平均最大气压102.12kPa月平均最小气压99.78kPa极端最高气压103.97kPa极端最低气压98.13kPa蒸发降雨量年平均降雨量640.5mm风力和风向全年平均风速2.6～3.4米/秒，历年最多风向为西南风和西北风，其频率为12～15%1.3.3交通状况淄博高新区位于淄博市张店区北部，于1992年11月经国务院批准设立，是53家国家级高新区之一。地理位置优越，交通十分便利。铁路：胶济铁路横贯东西，淄东铁路、张博铁路纵贯南北，中南部有铁路密集的张博铁路网，辛泰铁路南通泰安，与京沪铁路相连。公路：205国道、309国道、济青高速公路和济青高速南线同滨莱高速公路在这里交汇，其中滨莱高速南接京沪高速公路，往北直通天津、北京。空运：西距济南国际机场80公里，东距青岛国际机场210公里。水运：距青岛港210公里、天津港320公里、日照港280公里。在“十二五”期间，淄博市将启动建设城市轨道交通，积极论证规划支线机场，以公路、铁路干线建设为载体，加快构建综合交通体系，优化完善市域“二纵四横一支”铁路网，进一步完善市域“一环六纵十横”干线公路网；改造提升淄博火车站，新建张店高速客运站、临淄客运站和淄博北客运站，改建淄博公路联运站，逐步构建中心城区与次中心城区、中心镇与城区之间两个“半小时交通圈”。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Table1Plantconstructionarealist序号建筑物建筑面积（m2）占地面积（m2）1动力站20×10=2002002原料库30×35=105010503成品库18×50=9009004粉碎配料车间10×20=4004005发酵车间36×76×3=820882086提取车间30×50×3=450045007锅炉房10×16=1601608包装车间18×33=5945949半成品车间27×33=89189110污水处理站30×50=1500150011活动中心20×30×3=180060012机修车间15×40=60060013职工餐厅20×15×2=60030014科研化验中心20×25×3=150050015办公楼15×50×4=300075016门卫25×8=404017门卫15×8=40402.2设计说明书2.2.1设计依据在本设计中，柠檬酸全厂的布局参考了某公司的各个车间的布局。此基础上，又做了一定的修补，因为柠檬酸厂的厂区是上世纪建立的，布局以及各建筑的设计不尽合理，区的环境美化及工人的组织基本没有。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。具体布局见附图1。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（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主要设计指标一览表项目数据1全长占地面积6000002全厂建筑物占地面积212333建筑系数35%4绿化面积1592485绿化率15%6土地利用系数50%3.产品方案及工艺流程3.1产品方案本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸。年产柠檬酸10万吨,可根据市场开发新产品。本柠檬酸项目按BP93/BP98标准生产，精制烘干包装车间拟按GMP标准设计，生产出高品质一水柠檬酸产品，进一步扩大市场分额，满足客户的需求。3.2工艺流程本次生产工艺的基本过程是：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CaCO3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H2SO4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CaSO4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，最后得到成品的柠檬酸。成品柠檬酸成品柠檬酸淀粉糖净化淀粉糖净化空气菌种种子发酵消泡剂过滤废渣处理中和钙盐干燥湿柠檬酸纯水分离次品回溶蒸发结品过滤废渣处理酸解酸液活性炭酸解液离子交换处理灭菌配料筛选图1-1柠檬酸生产工艺流程示意图3.3操作工艺3.3.1原料的处理根据发酵的要求，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；以薯干原料生产时，根据我国薯干粗料的特征，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。然后进入粗粉碎机，将薯干先轧成1—3cm大小的小块，以提高磨粉机的效率，便于物料的输送。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)，通过差压法或零磅火焰倒种法，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。在发酵培养过程中，对罐温、罐压、通风量、搅拌转速等实行连续记录监控，并定期检测原糖消耗情况、菌种生长状态、pH值、泡沫等变化情况。根据发酵的工艺特性要求，及时调整控制发酵工艺过程，以获得最佳工艺产酸率或种罐菌种活力，一般经66小时(种罐约25小时)培养，大罐在残糖指标、产酸情况达到放罐条件即可放罐；种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。在发酵或培种过程的定期检测中，若发现异常情况，如染菌等，应针对具体情况及时处理，对中、前期染菌，可加大种量形成主菌群生长优势，或及时罐实消，补入适当营养源重新接种发酵；后期时可加强监控，提前放罐；对倒罐等应予灭菌排放处理，并认真查找原因，进一步强化灭菌操作中的各个环节。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[6]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，为满足玉米原料及薯干原料生产工艺的双重要求，中和带式过滤机用特定的加长、强洗型，生产原料操作灵活，以确保粗原料生产时的中和洗糖要求及成品的指标控制，要求并使中和废水经分流至污水处理站。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，硫酸钙运至渣场综合利用，柠檬酸酸解送精制工段[6]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[6]。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(一水产品或无水产品)，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[6]。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[6]。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（351）℃，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：192X1000（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20210u/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÷20210=0.56kg4.1.3发酵醪量的计算根据发酵液转化率为13%：1000×99.5%÷（95%×98%×13%）=8221.1kg4.1.4接种量接种量为发酵醪的10%，则：8221.1×10%÷110%=747.37kg4.1.5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0.3～2.液化完成的醪液由板式换热器降温至35+1℃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=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)解得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/d4.1.7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实际年产量为：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3-1。表3-１100000t/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/d）每年(t/a)食用柠檬酸98030691800副产品206.241872薯干原料1390.57434.19130257淀粉973.4303.9391179α-淀粉酶0.560.1751发酵醪8221.12566.96770087接种量747.37233.3670008成熟蒸煮醪7473.172333.42700026薯干浆量19806.176184.2718552804.2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=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=Q=C1×G醪液(100-50)=3.91×19806.17×(100-50)=3872106.2kJ4.2.2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1.55水的比热容为4.174加热蒸汽的热焓为2549.5加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60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：2333.42-434.19=1899.23t/d日耗淀粉浆量为：303.93+1899.23=2203.16t/d淀粉浆中含水量为：（1899.23÷2203.16）×100%=86.2%淀粉浓度为：（303.93÷2203.16）×100%=13.8%由此可算得淀粉浆的比热容为：C=C淀粉×X+C水×Y=1.55×13.8%+4.174×86.2%=3.8式中：X——淀粉浓度，13.8%Y——水浓度，86.2%（3）生产过程中蒸汽耗量的计算①培养基灭菌及管道灭菌：培养基采取连消塔连续灭菌，进塔温90℃，灭菌则灭菌用蒸汽量：每罐的初始体积为180m3，初糖浓度是13g其数量为：180×13%÷19%=123.16t灭菌加热过程中用0.3MPa，蒸汽（表压）I=2725.3kJ/kg，由维持罐（90℃），进入连消塔加热至130℃，糖液比热容3.69每罐灭菌时间3h，输料流量123.16÷3=41.05t/h，消毒灭菌用蒸汽量：D=41050×3.69×(130-90)÷[(2725.3-130×4.18)×95%]=2923kg/h=2.92t/h；每天培养基灭菌用蒸汽量：2.92×3×4=35.04t/d；所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10%，则：D1=35.04×10%=3.5t/d。②.加热发酵醪所用的蒸汽量D6：柠檬酸水溶液的比热容可按下式近似计算：C=(0.99-0.66ω+0.0010t)×4.16式中：0.99——比热容kJ/kg·℃ω——柠檬酸质量分数，ω=（312.24÷2566.96）×100%=12.2%t——温度，℃代入上式，得：C=（0.99-0.66×12.2%+0.0010×35）×4.19=3.96那么由此可得D6为：D6= GC(t1-t2)/(I-λ)η=2566.96×3.96×（85-35）÷（2549.5-1250.60）×95%=411.89t/d=123567t/a（4）将发酵段蒸汽衡算列于表3-2。表3-2发酵车间蒸汽衡算生产工序日用蒸汽量(t/d)平均蒸汽用量(t/h)年用蒸汽量（t/a）培养基灭菌35.042.9210512加热发酵醪411.8917.16123567空罐灭菌3.500.151050合计450.4320.231351294.2.3发酵过程中的冷却水耗量计算已知发酵过程中的发酵热为4.18×6000kJ/m3·h，200m3的发酵罐一般装料量为180m==83077kg/h=1993.848t/d=598154.4t/a已知25m3的种子罐（填充系数0.7），装料量为W种子=4.18×6000×17.5÷[4.18×(28-15)]=8077kg/h=193.85t/d=58155t/d将发酵段水衡算列入表3-3。表3-3发酵车间冷却水衡算表生产工序平均耗水量(t/h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)发酵罐用水1993.84883077598154.4种子罐用水193.85807758155合计2187.791154656309.44.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算（1）单罐发酵罐用无菌空气量：根据无菌空气用量的计算公式：V=发酵罐体积×通气速率×填充系数已知：发酵罐体积为200m通气速率为0.18vvm填充系数为60%则：V=200×0.18×60%=21.6m3（2）单个种子罐用无菌空气量：取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25%,则:V=25%V=25%×21.6=5.4m3（3）将发酵车间蒸汽衡算列入表3.4。表3-4发酵车间无菌空气用量衡算表设备名称单罐每小时用气量(m3/h)单罐每日用气量(m3/d)每罐每年用气量(m3/a)年总用气量m3/a发酵罐21.6518.41555206220800种子罐5.4129.6388801555200总用量2764819440077760005.糖化车间设备设计与选型以薯干为原料生产柠檬酸是我国特有的柠檬酸粗料发酵工艺，原料预处理设备可全部采用国产定型的粮食及饲料处理机械，生产过程简单、处理成本低、设备投资省。5.1调浆桶的选型(1)已知薯干浆的流量为G=26.9kg/h,即V=G÷ρ=26.9÷1.66=16.20m3/h。设料液滞留时间为30minV有效=Vτ(m3)V有效-设备有效容积V-流量τ-滞留时间V有效=(16.20÷60)×30=8.1m3(2)设备数量的计算n=V有效÷(φV单)V单-单台设备容积(m3)φ-填充系数(%)其中V单=6m3φn=8.1÷(6×70%)=1.93(台)，取2台。（3）根据以上计算，选用2个容积为6m3的调浆罐（考虑到料液的黏度较大,故选用大叶轮片转速低的搅拌器,5.2喷射加热器的选型为保证营养不被破坏取停留时间为10s，物料流速取0.4m/s（1）加热器的长度L:L=vt=4(m) （2）蒸汽消耗：流量为G=646.78÷24=26.9kg/h固形物含量为x=12.54%，比热容为Cp=3.92kJ/(kg·℃)温度由t1=50℃加热到t2=100℃，加热蒸汽P=0.42MPa饱和蒸汽温度145℃，干饱和蒸汽热焓λ=654.3×4.18kJ/kg比容=0.45m3/kg，100℃饱和蒸汽热焓量I=100×D=Gc(t2-t1)/(λ-1)=26900×3.92×(100-50)÷[4.18×(654.3-100)]=2275.55kg/hV蒸汽==5056.78(m3/h)计损耗为10%则V蒸汽=5056.78×1.1=5562.46(m3/h)（3）进气管直径计算:在此压力下取气速为45m/s，则进气管截面积为F==5562.47÷（45×3600）=3.43×10-2m直径d===0.209m取无逢钢管φ231mm×3则φ内径=219mm，可以满足要求（4）进料管直径计算:V料=16.23m3/h，物料流速取0.5m/s则截面积F=0.0090(m2d=0.107m取无逢钢管φ129mm×3，则φ内径=117mm可以满足要求。（5）出料管径计算:

V出=G出÷ρ=29.2÷1.66=17.59m3/h流速取0.42mF出=0.012(m2)取d出=0.122(m)无逢钢管φ144mm×3则φ内径=132mm可以满足要求。5.3液化维持罐的选型(1)生产能力，数量和容积的确定G出=29.2kg/h体积流量V出=17.59m3(2)数量取1个(3)容积：根据工艺，滞留时间τ=0.5h，填充系数取φ=80%，则维持罐总容量V维=V出×τ÷φ=17.59×0.5÷80%=10.99m3每个维持罐的容量为V维＇=10.99÷4=2.75m3，取为(4)设备主要尺寸的确定，现取H=3D采用椭圆封头。V维=2V封+V筒=2×πD3÷24+2D×0.785D2=12m解方程D=1.87m；取D=1.9m；则H=3D=5.7m，封头高度h=h1+h2=475+25=500(mm);V封=0.97m3；总高H总=H+2h=5.7+2×核算总容量：V总=V筒+2V封=0.785×1.93×2+2×0.97=12.71(m3)V总>V维=12(m3)，可以满足要求。(5)根据以上计算，选用1个容积为12m35.4板式换热器的选型螺旋板式换热器投资小，效果好，可以回收热量，经济实用。(1)换热面积计算①醪液温度从100℃降到35℃醪液放热Q1=G1Cw(t2-t1)=7473.17×3.92×(100-35)=1.90×106kJ/h设热损失为4%则实际传热为Q1´=Q1×96%=1.83×106kJ/h②用冷水冷却，设可能被加热到的温度t2=50℃，水初温为t1=18℃；Q2=G2Cw(t2-t1)=Q1′1.83×103=G2×4.18×(50-18)G2=13.67t/h③求平均温差t；液化醪35℃100冷水18℃5017℃△t==30.59℃④螺旋板式换热器面积F:取K=1200×4.18kJ/(m2·℃)则F=Q2/K△t==11.93m（2）根据以上计算，选用F=12m6.发酵车间设备设计与选型6.1发酵罐的选型当前，我国柠檬酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即通常所说的通用罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。此外在柠檬酸发酵生产设备方面，大型气升式发酵罐仍处于试用攻关阶段。从试用情况看，由于气升式罐在生产周期、产酸率、供氧周期波动的影响、通风量增加的综合能耗、生产的稳定性及可重复性等因素，所以多数厂家目前仍延用机械搅拌通风式发酵罐。因而，就本项目而言，按技术成熟，可靠、稳妥的原则，结合柠檬酸工程中的设计经验，通过对罐内空气分配器进行适当改造，成为新型的通风式机械搅拌型发酵罐。其搅拌功率，比相同容积的通用发酵罐降低约10%。从生物发酵行业醪液处理供料的均衡性考虑，发酵放罐间隔时间不宜大于8小时，在技术可靠的前提下，大罐放料容积不大于400m3结合目前本行业发酵技术的现状，目前国内行业成熟技术水平、加工技术水平，企业可能达到的发酵控制管理水平等，从生产的可靠性、可实施性等方面考虑，本设计拟采用放罐容积约200m3现以此类发酵罐进行设计选型。6.1.1发酵罐容积和台数的确定（1）发酵初糖浓度：由前面的计算可知，发酵液中柠檬酸的含量为328.06t/d，则根据：180192可计算出葡萄糖量为：328.06×180÷192=307.56t/d则发酵初糖浓度为：307.56×100%÷2566.96=12%（2）生产能力的计算：现每天产99.5%纯度的柠檬酸306t，柠檬酸发酵周期为75h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。则每天需糖液体积为V糖。每天产纯度为99.5%的柠檬酸306t，每吨100%的柠檬酸需糖液7.58m3V糖=7.58×306=2319.48m设发酵罐的填充系数，则每天需要发酵罐的总容积为Vo(发酵周期为48h）。VO=V÷φ=2319.48÷90%=2577.2（3）发酵罐个数的确定：现选择公称容积为200m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，则需要发酵罐的个数为。查表知公称容积为200m3的发酵罐，总容积为230m每台罐的产量为：200×0.9×13%×1.11×95%×98%=24.2t发酵罐所需个数===39.51取公称容积200m3每日投（放）罐次：306÷24.2=12.6圆整到13次，日运转39.51×66÷75=34.77。其中发酵时间为66h，发酵操作时间为75h（4）实际产量验算：226.5×0.9×13×300÷7.58=104883.25；富裕量：(104883.25-91625.44)÷91625.44=14.5%，能满足产量要求。6.1.2主要尺寸的计算（1）现按公称容积200m3V全＝V筒+2V封＝230（m3），封头折边忽略不计，以方便计算：则V全＝0.785D2×2D+π÷24×D3×2＝230解方程得：D＝5.009（m）取D=5m，H=2D=10m；根据《发酵工厂设计概论》通用发酵罐系数表，查得封头高为H封＝ha+hb==1250+50=1300(mm)。（2）验算全容积：V’全=V简+2V封=0.785D2×2D+(π÷24)D3×2+0.785D2×0.05=0.785×52×10+π×53×2÷24+0.785×52×0.05=m3=230mV’全=V全6.1.3发酵罐冷却面积的计算对柠檬酸发酵，每1m3发酵液，每4.18×6000kJ/(m3·h)。采用竖式列管换热器。取经验值K＝4.18×500kJ/(m3·h·℃)。平均温差为：35℃3515℃28207代入得：=℃对公称体积200m3的发酵罐，每次放2319.48÷4=579.87换热面积==561.2m26.1.4发酵罐搅拌器的设计选用六弯叶涡轮搅拌器。（1）主要尺寸：列该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定的比例关系，如下：搅拌器叶径D/3=5/3=1.67m，取d=1.7m叶宽B=0.2d=0.2×1.7=0.34m弧长l=0.375d=0.375×1.7=0.64m底距C=D/3=5/3=1.7m盘径di=0.75Di=0.75×1.7=1.28m叶弦长L=0.25d=0.25×1.7=0.43m叶距Y=D=5m弯叶板厚δ=12mm（2）转速：取四档搅拌，搅拌转速N可根据50m3罐，搅拌器直径1.05m，转速n=110r/min,以等PON2=N1(D1/D2)2/3=110×(1.05/1.7)2/3=80(r/min)（3）搅拌轴功率：通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多方法，现采用修正的脉凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。①计算：＝式中：－搅拌器直径，为1.7m－搅拌器转速，为＝80/60＝1.33(r/s)－醪液密度，＝1050kg/m3－醪液粘度，＝N·s/m2将数代入上式，得：＝1.72×1.33×1050/1.3×10-3=3.1×106>104视为湍流，则搅拌功率准数NP＝4.7②计算不通气时的搅拌轴功率PO：PO´＝NPN3D5ρ式中：NP－在湍流状态时其值为常数4.7N－搅拌器转速，为1.33(r/s)D－搅拌器直径，为1.7mρ－醪液密度，ρ＝1050kg/m3代入上式得：PO´＝4.7×1.333×1.75×1050＝168.849kW四档功率则为：PO＝4PO´＝675.396kW③计算通风时的轴功率Pg：Pg＝kW式中：PO－不通气时的搅拌轴功率，P02=675.3962=4.56×105N－搅拌器转速，为80r/minD－搅拌器直径(cm)，D3=1.73×106=4.913×106Q－通风量(ml/min)，通风比为vvm=0.08-0.15，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全，现取0.11，则：Q=200×0.9×0.11×106=1.98×107Q0.08＝(1.98×＝3.835Pg=2.25×10-3×(4.56×105×80×4.913×106/3.835)0.39=482.326kW④求电机功率：P电＝Pg÷(η1η2η3)×1.01采用三角带传动＝0.92，滚动轴承＝0.99，滑动轴承＝0.98，端面密封增加的功率为1％，代入公式数值得：＝482.326×1.01÷(0.92×0.99×0.98)＝545.774kW查取合适电机。6.1.5发酵罐设备结构的工艺设计（1）空气分布器本罐使用单管进风，风管直径计算见后面的接管设计。（2）档板档板的作用是加强搅拌强度，促使液体上下翻动和控制流型，防止产生旋涡而降低混合与溶氧效果[4]。本罐因有扶梯和竖式蛇管，故不设档板。（3）密封方式本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。（4）冷却管布置竖式蛇管冷却装置。①求最高热负荷下的好水量W：式中：Q总--每1m3醪液在发酵最旺盛时，Q总=174.34×4.18×6000=4.37×106CP--冷却水的比热容，4.174KJ/ht2--冷却水出温，15℃代入上式得：W=4.37×106÷[4.18×(28-15)]=80419.58kg/h=22.34kg/s冷却管组数和管径设冷却管总表面积为S总=n×0.785do2冷却水体积流量为10.4×10-3m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S总式中：--冷却水体积流量，10.4×10-3m3--冷却水流速，1m/s则有：S总=10.4×10-3/1=10.4×10-3竖直蛇管得组数N，根据管的大小一般取3、4、6、8、12……组，通常每组管圈数不超过6圈，增加组数可排下更多的冷却管，管与搅拌器的最小距离不应小于250mm；每圈管子的中心距为2.5，管两端U型或V型弯管，可弯制或焊接，安装是每组竖直蛇管用专用夹板夹紧，悬挂在托架上。夹板和托架则固定在罐壁上，管子与管壁的最小距离应大于100mm，主要考虑便于安装、清洗和良好传热。根据发酵罐的实际情况，取管径。由上式得：do===0.04m查金属材料表选取无缝管，＝68mm>，＝72mm，现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为200mm，则两直管间距离为400mm，总长度：＝＝3.14×400＝1256mm③长度L的计算：冷却管总面积F＝155.3m2，无缝钢管为，每米的冷却面积为Fo=3.14×0.068×1=0.21(m2)，则L=F/Fo=155.3÷0.21=739.5m冷却管占有体积：V=0.785×0.0682×739.5=2.68m④长Lo和管组高度：Lo=739.5÷8=92.4m另需连接管8m:L实=L+8=739.5+8=747.5m可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5m3V总=V液+V容+V附件=174.34+2.68+0.5=177.52m由前可知，V封头=пD3/24+0.785D2×0.05=3.14×53÷24+0.785×52×0.05=17.335则管筒体部分液深为：（V总-V封）/S截=（177.52-17.335）÷0.785×52=8.16m竖蛇管总高：H管=8.16+0.25=8.41mm又两端弯管总长：lo=1256mm，两弯管总高400mm则直管部分高度：h=H管-400=8410-400=8010mm则一圈管长：l=2l+lo=2×8010+1256=17276mm=17.3m⑤每组管子数no=Lo/l=92.4÷17.3=5.34(圈)，取no=6（圈）现取管间距为2.5D外=2.5×0.076=0.19m，计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。⑥校核布置后冷却管的实际传热面积：F实=πd平均L实=3.14×0.072×747.5=169m2>F=可满足要求。6.1.6发酵罐设备材料的选择发酵设备的材料选择，优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。有机酸发酵，考虑到对产品质量和产量的影响，安全性，后道工序除铁困难，腐蚀性强等，必须使用加工性能好，耐酸腐蚀的不锈钢，采用制作发酵设备[15]。6.1.7发酵罐壁厚的计算（1）确定发酵罐的壁厚Smm式中：P—设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa;D—发酵罐内径，5000mm[σ]—不锈耐酸钢的许用应力；φ—焊封系数，由D=5000mm>800mm，双面对接焊局部探伤，取φ=0.9；C壁厚附加量；C=C1+C2+C3其中：C1--钢板负偏量，视钢板厚度查表确定，其范围为0.13-1.3，取C1=0.5mmC2--为腐蚀余量，单面腐蚀取1mm，双面对接焊局部探伤，取C2=0C3--加工减薄量，对冷加工C3=0，热加工封头C3=So×10%，现取C3=0C=0.5+0+0=0.5mm则：S=0.4×5000÷（2×131.29×0.9-0.4）+0.5=9mm选取10mm厚不锈耐酸钢。封头壁厚计算标准椭圆封头的厚度计算公式如下：代入数得：S=0.4×5000÷（2×131.29×0.9-0.4）+1.5=9.98mm选取10mm厚不锈耐酸钢。6.1.8发酵罐接管设计（1）接管的长度H设计取接管长度为8m。（2）接管直径的确定该管实装醪量174.34m3，设Q=174.34÷（3600×5）=9.7×m3/s发酵醪流量取V=1m/s；则排料管截面积：F实=Q/V=9.7×10-3m由得：管径d=(F实/0.785)1/2==0.11m=110mm取无缝钢管Φ133×4，d内=125mm>110mm认为适用若接通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20～25m/s，现通风比0.08～0.15vvm，为常温20℃，0.1MPa下的情况，要折算到0.4MPa，36℃状态下，风量Q，取最大值，Q1=174.34×0.15=26.2m2利用气态方程式计算工作状态的风量QfQf=0.44×(0.1÷0.4)×(273+35)÷(273+20)=0.116m3Ff=Q/V=0.116/25=0.0046m取风速V=25m/s，则风管直径：D气===0.077m两者中的大值，取无缝钢管Φ133×4工艺要求。（3）排料实践复核：物料流量Q=9.7×10-3m流速V=1m/s管道截面积F=0.785×0.1252=12.3×1