日产333.4吨柠檬酸厂糖化、发酵车间的设计

日产333.4吨柠檬酸毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 日产333.4吨柠檬酸毕业设计 日产333.4吨柠檬酸厂糖化、发酵车间的设计 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。 本设计还包括发酵罐，全厂平面图，车间平面布置图，工艺流程图。 关键词：薯干 深层好氧发酵 黑曲霉 柠檬酸 设备设计和选型 Annual output of 100，000 tons citric acid plant saccharification fermentation，fermentation plant design ABSTRACT The design of raw materials used potato fermentation, simply potato mills, water-paste, adding a small amount of direct α-amylase liquefaction, sterilization, cooling, fermentation can be vaccinated. Preparation of citric acid normally used as raw materials dried potato. Potato moisture content of 10% to 15%, about 70 percent of starch, protein about 6 percent. Potato raw materials in the protein can be used as source of nitrogen for cell growth. Potato raw materials containing iron, magnesium, potassium, calcium of inorganic salt, optional black Aspergillus niger C0527 is not sensitive to these ingredients, it need not do any pretreatment of the raw materials. The design of a good gas liquids deep fermentation, dry calcium citrate extraction technology production. The two methods are more popular domestic production methods, has a great deal of practical experience, easy to operate, the risk small. As the design for the saccharification and fermentation workshop the design, the two workshops focused on the process, the selection of equipment. Through the whole plant material balance, energy balance workshop, identified glycosylation, fermentation workshop major equipment fermenter, seed tanks, pipelines and workshops in the design and selection. And the whole plant and facility layout. The design also includes Fermentor, The factory plan, Shop floor plan, Flow Chart. Key words: Potato Deep-seated aerobic fermentation Aspergillus niger Citric acid Equipment Design and Selection 目 录 摘要……………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT…………………………………………………………...Ⅱ 1.引言……………………………………………………………...........1 1.1柠檬酸的性质和用途……………………………………………………..1 1.2柠檬酸的来源和发展情况………………………………………………..1 2.生产工艺…………………………………………………………………..2 2.1生产方法…………………………………………………………………..2 2.2生产流程…………………………………………………………………..2 2.3操作工艺…………………………………………………………………..3 2.3.1原料的处理……………………………………………………………...3 2.3.2发酵工序...............................……………………………………………3 2.3.3醪液处理工序…………………………………………………………...3 2.3.4提取工段………………………………………………………………...3 2.3.5精制工段………………………………………………………………...4 3.工艺计算 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ………………………………………………………………..5 3.1物料衡算…………………………………………………………………..5 3.1.1工艺技术指标及基础数据……………………………………………...5 3.1.2原料消耗计算（基准：1吨成品柠檬酸）………………………………5 3.1.3发酵醪量的计算………………………………………………………...6 3.1.4接种量…………………………………………………………………...6 3.1.5液化醪量的计算………………………………………………………..6 3.1.6成品柠檬酸……………………………………………………………...6 3.1.7淀粉质原料年产10万吨一水柠檬酸厂总物料衡算………………….7 3.2热量衡算…………………………………………………………………..7 3.2.1液化热平衡计算………………………………………………………...7 3.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算………………………………………...8 3.2.3发酵过程中的冷却水耗量计算……………………………………….10 3.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算……………………………….10 4.糖化车间设备设计与选型…………………………………………......12 4.1调浆桶的选型……………………………………………………………12 4.2喷射加热器的选型………………………………………………………12 4.3液化维持罐的选型………………………………………………………13 4.4板式换热器的选型………………………………………………………13 5.发酵车间设备设计与选型…………………………………………......15 5.1发酵罐的选型…………………………………………………………....15 5.1.1发酵罐容积和台数的确定……………………………………………15 5.1.2主要尺寸的计算………………………………………………………16 5.1.3发酵罐冷却面积的计算………………………………………………16 5.1.4发酵罐搅拌器的设计…………………………………………………17 5.1.5发酵罐设备结构的工艺设计…………………………………………18 5.1.6发酵罐设备材料的选择………………………………………………20 5.1.7发酵罐壁厚的计算……………………………………………………20 5.1.8发酵罐接管设计……………………………….....................................21 5.1.9发酵罐支座的选择…………………………………………………….22 5.2种子罐的选型……………………………………………………………22 5.2.1种子罐容积和数量的确定……………………………………………22 5.2.2种子罐主要尺寸确定…………………………………………………22 5.2.3种子罐型号确定………………………………………………………23 5.3贮罐选型…………………………………………………………………23 5.3.1发酵成熟醪贮罐……………………………………………………….23 5.3.2硫酸銨贮罐…………………………………………………………….23 6.全厂及车间布置………………………………………………….....25 结论……………………………………………………………………26 参考文献………………………………………………………………27 谢辞……………………………………………………………………28 1 引言 1.1 柠檬酸的性质和用途 柠檬酸，学名为2-羟基-丙烷三羧酸，结构式为： OH │ HOOC─CH2─C─CH2─COOH 。柠檬酸在自然界中分布很广，主要存在于柠檬、柑橘等。 ┃ 柠檬酸具有宜人风味、高的水溶性和强的金属螯合力，长 COOH 期以来占据食用酸味剂70%左右的市场份额，除可口可乐 和纯果汁以外，几乎所有的饮料（包括固体和液体）都使用柠檬酸作为酸味剂，通常的添加量为0.25%-0.4%（m/m）。此外，食品加工和奶制品也添加柠檬酸或柠檬酸盐。据不完全统计，使用柠檬酸的食品或药品（如化学药的枸橼酸盐）约有上千种之多。柠檬酸除用于食品和医药工业外，最大的用途是代替三聚磷酸钠作为洗涤剂的助洗剂，20世纪90年代初，国外还有人发现柠檬酸加入混凝土中可作为一种“减水剂”，并能提高混凝土的凝固强度。可以认为，柠檬酸早已成为现代食品、医药业、日化行业及其他工业的通用原料[5]。 1.2柠檬酸的来源和发展情况 1784年瑞典科学家Scheele首次从柠檬汁中结晶出固体柠檬酸。1860年意大利开始用添加石灰乳的方法从果汁中得到柠檬酸，从而进行了工业化生产。直到20世纪初，柠檬酸主要是从柠檬中提取产量很低，主要应用于食品工业和洗涤剂，主要产地以意大利的西西里岛为主。1893年德国微生物学者Wehmer发现一种青霉能够积累柠檬酸，但未能实现工业化生产。1917年，美国学者Currie发现了一株产柠檬酸的黑曲霉，并通过美国的Pfizer(辉瑞)公司于1923年采用浅盘发酵实现了工业化生产，原料主要是糖蜜。1952年，美国的Miles公司首先成功地采用液体深层发酵工业化规模生产柠檬酸。由于这种新工艺比传统的浅盘工艺有更多的优越性，因而推动了世界柠檬酸工业的迅速发展，深层发酵法也成为柠檬酸发酵生产的主要工艺。到2000年，全球柠檬酸的年生产能力在90万吨以上，并一直保持比较平稳的发展速度[5]。 我国柠檬酸发酵工业在1949年以前是个空白。1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。在20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展速度，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力达近50万吨，占世界总量的40%多。2002年全国产量30多万吨，2003年达40余万吨。我国开发的以白薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，加之我国的许多地区对生产过程中排放的废水要求较低，多数生产企业对生产过程中产生的废水没能进行比较有效的处理，因此，我国柠檬酸生产成本较低，在国际市场上具有较强的竞争力。近年来我国柠檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上[5]。 2 生产工艺 2.1生产方法 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。 2.2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。 图1-1 柠檬酸生产工艺流程示意图 2.3操作工艺 2.3.1 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[6]。 2.3.2 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[6]。 2.3.3 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]。 2.3.4 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]。 2.3.5 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]。 3 工艺计算书 3.1物料衡算 3.1.1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 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ：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)。 3.1.2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： 162 192 X 1000 （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%=839.53 kg （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 3.1.3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 3.1.4 接种量 接种量为发酵醪的10%，则： 8221.1×10%÷110%=747.37 kg 3.1.5 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×(1-0.7 B0)=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. (1) 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 3.1.6 成品柠檬酸 日产柠檬酸量为：91625.44÷300=305.42 t/d 即结晶液中柠檬酸的含量为：305.42 t/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 3.1.7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=1872 t/a 总产量为：93672 t/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3-１ 100000t/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 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 19806.17 6184.27 1855280 3.2热量衡算 3.2.1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) =3.91×19806.17×(100-50) =3872106.2 kJ 3.2.2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=1899.23 t/d 日耗淀粉浆量为：303.93+1899.23=2203.16 t/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130℃ 则灭菌用蒸汽量： 每罐的初始体积为180 m3，初糖浓度是13g/100ml，灭菌前培养基含糖量19%。 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=41.05 t/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=35.04 t/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 35.04 2.92 10512 加热发酵醪 411.89 17.16 123567 空罐灭菌 3.50 0.15 1050 合计 450.43 20.23 135129 3.2.3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4.18×6000 kJ/m3·h，200 m3的发酵罐一般装料量为180 m3（填充系数为0.9），则 = =83077kg/h=1993.848t/d=598154.4t/a 已知25 m3的种子罐（填充系数0.7），装料量为17.5 m3 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 1993.848 83077 598154.4 种子罐用水 193.85 8077 58155 合计 2187.7 91154 656309.4 3.2.4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200 m3 通气速率为0.18vvm 填充系数为60% 则：V=200×0.18×60%=21.6 m3/h （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=5.4 m3/h （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 21.6 518.4 155520 6220800 种子罐 5.4 129.6 38880 1555200 总用量 27 648 194400 7776000 4.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。 4.1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30min。 V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=6m3 φ=70% n=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,罐体采用锚式）。 4.2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=100×4.18kJ/kg则蒸汽耗量D； D=Gc(t2-t1)/(λ-1) =26900×3.92×(100-50)÷[4.18×(654.3-100)] =2275.55 kg/h V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）=3.43×10-2m2 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(m2) d=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0.42m/s F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。 4.3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/h (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%=10.99 m3 每个维持罐的容量为V维＇=10.99÷4=2.75 m3，取为12 m3 (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=12 m3 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+2×0.5=6.7(m) 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12 m3的维持罐。 4.4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/h ② 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=13.67 t/h ③ 求平均温差 t； 液化醪 35℃ 100℃ 冷水 18℃ 50℃ 17℃ 50℃ △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= =11.93 m2 （2）根据以上计算，选用 F=12 m2的换热器一套。 5.发酵车间设备设计与选型 5.1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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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400 m3。 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200 m3 的新型通风发酵罐。 现以此类发酵罐进行设计选型。 5.1.1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328.06 t/d，则根据： 180 192 可计算出葡萄糖量为：328.06×180÷192=307.56 t/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7.58 m3； V糖=7.58×306=2319.48m3 设发酵罐的填充系数 EMBED Equation.DSMT4 ，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 m3 （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200 m3的发酵罐，总容积为230m3，则： 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200 m3发酵罐40个； 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。 5.1.2主要尺寸的计算 （1）现按公称容积200 m3的发酵罐计算 V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=230 m3 V’全=V全 5.1.3发酵罐冷却面积的计算 对柠檬酸发酵，每1m3发酵液，每1h传给冷却器得最大热量约为 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℃ 35℃ 15℃ 28℃ 20 7 代入得： = ℃ 对公称体积200 m3的发酵罐，每次放4罐，每罐实际装液量为： 2319.48÷4=579.87 m2 换热面积 = =561.2 m2 5.1.4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50 m3罐，搅拌器直径1.05 m，转速n=110r/min,以等PO/N为标准放大求得[4]： N2=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＝4.7 ②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4.7 N－搅拌器转速，为1.33(r/s) D－搅拌器直径，为1.7m ρ－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＝4 PO´＝675.396 kW ③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=4.56×105 N－搅拌器转速，为80r/min D－搅拌器直径(cm)，D3 =1.73×106=4.913×106 Q－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=1.98×107 Q0.08＝(1.98× EMBED Equation.3 ＝3.835 Pg=2.25×10-3× (4.56×105×80×4.913×106/3.835)0.39=482.326kW ④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)＝545.774 kW 查取合适电机。 5.1.5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1 m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发酵量与醪液总体积的乘积： Q总=174.34×4.18×6000=4.37×106 CP-- 冷却水的比热容，4.174KJ/h t2 -- 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 2 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10.4×10-3 m3/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总为： 式中： --冷却水体积流量，10.4×10-3m3/s --冷却水流速，1 m/s 则有： S总=10.4×10-3/1=10.4×10-3m2 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， ＝68 mm> ， ＝72 mm，现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为200 mm，则两直管间距离为400 mm，总长度： ＝ ＝3.14×400＝1256 mm ③ 长度L的计算： 冷却管总面积F＝155.3 m2，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=2.68 m3 ④ 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250 mm。设发酵 罐内附件占有体积为0.5 m3，则总占有体积： V总=V液+V容+V附件=174.34+2.68+0.5=177.52m3 由前可知，V封头=пD3/24+0.785D2×0.05 =3.14×53÷24+0.785×52×0.05 =17.335m3 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=17.3m ⑤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200 mm）。 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=155.3m3 可满足要求。 5.1.6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]。 5.1.7发酵罐壁厚的计算 （1）确定发酵罐的壁厚S mm 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，5000 mm [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=0.5mm C2--为腐蚀余量，单面腐蚀取1mm，双面对接焊局部探伤，取C2=0 C3-