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北北 京京 化化 工工 大大 学学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 设计（论文）题目设计（论文）题目：关于年产关于年产 4242 吨植酸生产工艺流程设计吨植酸生产工艺流程设计 学院：北京化工大学继续教育学院学院：北京化工大学继续教育学院 专业：化学工程与工艺专业：化学工程与工艺 班级：琼化升班级：琼化升 091 学生：符思法学生：符思法 指导教师：李指导教师：李 毅毅 2011 年年 4 月月 30 日日 诚信声明诚信声明 本人声明： 我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 2011 年 4 月 北京化工大学毕业设计（论文） i 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：关于年产 42 吨植酸生产工艺流程设计 学院： 北京化工大学继续教育学院 专业：化学工程与工艺 班级：琼化升 091 学生： 符思法 指导教师： 李 毅 1设计（论文）的主要任务及目标 （1）植酸生产方法拟定、原料路线与技术路线选择、工艺流程设计并论 证说明 （2）技术指标、工艺参数和操作条件确定与说明 （3）工艺计算物料衡算、热量衡算 （4）生产设备设计计算与选型。 重点：酸化设备和换热器设计计算与选型 （5）设计结果汇总表 技术指标、工艺参数和操作条件汇总表 物料衡算汇总表 热量衡算汇总表 生产设备配置汇总表 （6）设计绘图（计算机 cad 绘制）：生产工艺流程图（带控制点） 2设计（论文）的基本要求和内容 内容包括：目录、概述、生产方法和工艺流程设计论证，技术参数 和操作条件设计说明，工艺计算，设备设计选型，环保措施，经济效益 估算，设计结果评价，参考资料等。 3主要参考文献 1 蒋维均等.化工原理（上册）.北京：清华大学出版社，2002，二版. 2 刁玉纬等.化工设备机械基础.大连：大连理工出版社，2005，第五版. 3 陈志平等.搅拌与混合设备设计选用手册.北京：中国石化出版社， 北京化工大学毕业设计（论文） ii 2004，5 4 刘巍等.冷换设备工艺计算手册.北京：中国石化出版社，2003，9. 5 王正平等.精细化学反应设备分析与设计.北京：化工出版社，2004，11. 6 宋启煌主编.精细化工工艺学.北京：化学工业出版社，2005，第二版. 7 李炎.食品添加剂制备工艺.广州：广东科技出版社，2001. 8 王远山等.抗氧化剂的生产及应用.北京:化学工业出版社，2003. 9 傅平等.新型饲料食品添加剂投产指南.沈阳:辽宁科学技术出版社， 1996. 10 厉玉鸣.化工仪表及自动化.北京:化学工业出版社,1999.11 第三版. 4进度安排 文献资料收集2010 年 12 月 01 日2011 年 01 月 10 日 工艺设计2011 年 02 月 10 日2011 年 03 月 20 日 工艺计算2011 年 03 月 21 日2011 年 04 月 10 日 论文撰写2011 年 04 月 11 日2011 年 04 月 30 日 北京化工大学毕业设计（论文） iii 关于年产关于年产 4242 吨植酸生产工艺流程设计吨植酸生产工艺流程设计 摘 要 植酸学名肌醇六磷酸脂广泛存在于植物种子内，属天然食品添加剂。植 酸最显著的特征是与金属离子有极强络合作用和抗氧化性，这种特性使之具 有广泛用途。在发达国家，植酸已广泛用于食品、医药、化工等行业。近年 来，国内植酸的开发利用（特别是作为食品保鲜剂）已引起重视并已逐步使 用。 植酸以植酸钙镁钾盐的形式广泛存在于植物种子内，也存在于动物有核 红细胞内，可促进氧合血红蛋白中氧的释放，改善血红细胞功能，延长血红 细胞的生存期。植酸本身就是对人体有益的营养品，植酸在人体内水解产物 为肌醇和磷脂，前者具有抗衰老作用，后者是人体细胞重要组成部分。植酸 对绝大多数金属离子有极强络合能力，络合力与 edta 相似，但比 edta 的 ph 值应用范围更广。植酸二价以上金属盐均可定性沉淀。每个植酸分子可提供 六对氢原子使自由基的电子形成稳定结构，从而代替被保鲜物分子作为供氢 分子，避免被保鲜物氧化变质。植酸有良好导电性。 关键词：关键词：植酸；应用；性能；开发；利用 北京化工大学毕业设计（论文） i 目目 录录 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书i 摘要摘要.iii 1 前言前言1 1.2 设计依据.1 1.2.2 设计基础资料.1 1.3 设计指导思想.2 1.4 拟建车间生产规模.3 2 植酸概论植酸概论4 2.1 国外植酸发展现状.4 2.2 国内植酸生产现状与发展前景.4 2.3 新世纪植酸发展方向.4 3 植酸生产工艺设计植酸生产工艺设计6 3.1 设计依据与设计原则.6 3.2 基础资料.6 3.3 工艺参数设计.7 3.4 生产方法与工艺流程设计.8 3.5 技术特点.9 4 物料衡算物料衡算11 4.1 酸化罐物料衡算.11 4.2 过滤器.12 4.3 中和罐物料衡算.13 4.4 过滤器 .14 4.5 洗涤.15 4.6 树脂交换.15 4.7 过滤器.15 4.8 脱色过滤.15 4.9 浓缩罐.15 4.10 物料衡算汇总图.15 5 热量衡算热量衡算17 6设备设计与选型设备设计与选型18 6.1 主体设备及辅助设备的工艺设计.18 6.1.1 搅拌器类型设计选型.18 6.1.2 酸化罐的设计及选型.19 6.1.3 中和罐设计计算与选型.22 6.1.4 设备设计计算与选型结果汇总.25 北京化工大学毕业设计（论文） ii 7.厂址选择及总平面设计厂址选择及总平面设计.26 7.1 厂址选择的原则.26 7.2 厂区概貌.26 7.3 设备配置与布置设计.26 7.3.1 满足的要求.26 7.3.2 设备布置设计的一般原则.27 7.3.3 布置应注意的问题.27 8 设计评析与总结设计评析与总结29 9 致谢致谢31 10 参考文献参考文献30 北京化工大学毕业设计（论文） 1 1 1 前前 言言 植酸，学名肌醇六磷酸，英文名 phytic acid，分子量约为 660.04，分 子式为 c6h6opo(oh)26，它可看作是环己六酸（即肌醇）的六满酸酯。其广 泛存在于植物种子内，属天然营养品。是一种草黄色的浆状液体，遇热易分 解，水溶液呈酸性性，10%的植酸水溶液 ph 值约为 0.86，能与水、95%的乙 醇及甘油混合，能溶于水、醇及酸溶液。几乎不溶于无水乙酸、苯及氯仿等 有机溶剂。植酸分子中不仅有 l2 个可解离的氢离子，可分三步电离，呈强 酸性，而且还有六个磷酸基，具有非常强的金属螯合作用。其鳌合能力强于 edta，且具有很宽的螯合作用的 ph 范围。植酸的毒性比食盐还低，小鼠口 服毒性 ld50 为 4.942g/kg，介于乳酸及山梨酸钾之间。植酸盐还能被植酸酶 水解成肌醇和磷酸。 国外对植酸研发已作了大量工作，并取得较大的成果，且已实现工业化 生产。植酸的售价格相当可观，按国际市场行情，每公斤售价约在 150 美元 以上。植酸广泛存在于植物种子内和动物有核红细胞中，我国是农业大国， 研发植酸生产有着得天独厚的条件和广泛的应用前景。例如对农副产品进行 深加工，大力开发有用资源，变废为宝，既可增加农业收入，又可出口换汇。 过去植酸的生产原料多被作为饲料、肥料等而廉价利用，或充分利用这一资 源极具经济价值和社会效益。 植酸的提取方法主要有：醇类沉淀法 ,金属盐分离法 ,稀酸萃取加碱中 和法 等四种。这些方法均存在着成本高或不同程度的污染问题。本设计以 麦麸为原料，采用“吸附”生产法生产植酸。选用该工艺生产植酸，具有工 艺简单、原料易得、成本低、产品质量易控制等特点,尤其适合中小型企业 生产。 北京化工大学毕业设计（论文） 2 1.2 设计依据 1.2.2 设计基础资料 （1）工艺参数： 产品质量执行标准：hg2683-95 表 1 产品质量执行标准（hg2683-95；food grade） 外 观无色或微黄粘液体 含 量50 % min 无机磷0.02 % max 氯化物0.02 % max 硫酸盐0.02 % max 钙 盐0.02 % max 砷0.0003 % max 在优化工艺条件下 植酸浸率为：7.0%左右； 麦麸中植酸含量为：8.0%； 从麦麸中提取植酸，提取率为 87.5%。 （2）原料 主要原料为麦麸，其中菲汀的含量最高可达 9%-14.5%。 （3）公共和辅助设施 由于本装置是附设在化工综合厂区内，因此动力、蒸汽、燃料、电力等 设施为公用，由综合厂区所提供；去离子水和化学水由该厂水处理车间提供、 排除污水由该厂区废水处理车间统一处理。 （4）厂址选择 拟建在相关化工综合生产工厂区内，作为独立车间建设；计划占地约 25 亩，地段属南北向；厂房基建部分由某工程设计院设计。 北京化工大学毕业设计（论文） 3 1.3 设计指导思想 根据所确定的生产方法和所选择的工艺流程，植酸生产流程中需要酸化、 中和、精制、浓缩、脱色等，如果工序均设计成独立操作设备，则固定资产 投资过大，设备折旧成本过高，因此本设计的指导思想是：尽量以较低的设 备投资成本完成该工程项目建设。因此本工艺设计中，一是采取局部廻转设 计，即将酸化、洗涤工序同在酸化罐中完成，中和、洗涤同在中和罐中完成， 这样可减少一半的反应罐数量；二是固液分离采取沉降、过虑结合的方法， 以减少一半的过滤机数量，这样可以达到减少固定资产投资和设备折旧成本 折旧、减少操作岗位及人数，达到小装置高效益的目的。 1.4 拟建车间生产规模 年产 42 吨植酸，按全年生产 300 天计，每天估计生产植酸 0.1667 吨， 即 6.9 kg/h，为小型生产车间。 北京化工大学毕业设计（论文） 4 2 2 植酸概论植酸概论 2.1 国外植酸发展现状 由于植酸有着广泛的用途和较高的经济价值，近年来世界各国都在加大 研究和开发力度。日本、美国等国家已把植酸作为重要的开发品种，生产能 力和产量每年都在增加，并不断开发出新的用途。目前世界工业化生产植酸 产量最大的是日本三井东亚化学公司，年产 6080t，商品为淡黄色粘性水 溶液，含植酸浓度为 48%52%。其产品主要销往欧美、韩国和中国。日本的 植酸生产近年来稳步高速发展，得益于其良好的产品质量和规范的市场，其 中 50食品级植酸产品的售价，稳定在 150 万日圆吨；50医药级植酸产 品的售价也稳定在 300 万日圆吨以上。 2.2 国内植酸生产现状与发展前景 目前，我国植酸生产的主要厂家有：江苏省江阴振业化工厂、上海试剂 工厂、上海医科大学红旗制药厂、邢台有机化学厂（20t） 、大连飞龙化工原 料厂、浙江温岭市远东化工厂 （50t） 、江西省波阳县腐植酸厂（100t）和 台前县植酸厂。目前植酸生产所应用的技术，多以中国原子能科学研究院北 京中原民用核技术开发公司生物化工厂的技术。该生物化工厂所生产的植酸 产品，已达到国内先进水平。该厂的植酸产品属纯天然食品添加剂，用于酒 类除浊效果很好。由于其独特的结构和组成使其具有优良的抗氧化能力和极 强的螯合能力，可广泛应用于食品、日化、医药等领域。特别是在酿酒工业 中，可作为白酒、葡萄酒、果酒及黄酒的金属去除剂、防固剂，能有效地防 止酒体变色，使酒体澄清，提高品质；植酸盐可作为啤酒稳定剂，防止啤酒 老化、浑浊，使泡沫更洁白、持久、细腻，并改善口味；在酿酒的制曲及发 酵中加入植酸可提高霉菌及酵母菌的数量，从而提高产率，并改善酒质。目 北京化工大学毕业设计（论文） 5 前，该厂产品已在多家酒厂得到较好的应用。 2.3 新世纪植酸发展方向 我国虽然建成了十几家植酸生产厂，但由于工艺落后，生产过程中吞吐 量大，生产占地面积较大，耗时耗能较多，此外由于生产方法各异，技术程 度不同造成质量差异，有的生产成本较高，质量不合格，使本应达到的经济 效益未能尽如人意。再则我国植酸应用范围还比较小，仅限于金属加工、食 品、医药等行业的初级应用，还有很多领域需要开发，因此，植酸在我国的 开发利用前景十分广阔。我们应充分利用我国农副产品资源丰富的优势，大 力发展植酸生产。具体的价格是这样的：50%80%纯度的吨价格在 89.5 万，再高纯度的是 10 万多。 北京化工大学毕业设计（论文） 6 3 3 植酸生产工艺植酸生产工艺设计设计 3.1 设计依据与设计原则 本设计课题，以麦麸为原料。根据原料的特性，参考工业生产中成功的 经验和科研最新成果，对所目前现行的植酸生产方法和工艺流程进行分析比 较，依任务书要求，完成年产 42 吨植酸生产车间适宜的工艺流程和确定适 宜的操作条件设计，选择合适的生产设备，并进行科学、合理的配置。 应本设计着“工艺先进、技术可靠、系统科学、安全环保”等原则，既能 为未来的生产获得较高的技术经济指标创造条件，又能为生产工人提供良好 的工作条件而不污染环境，还能使建设投资最大限度地发挥作用，取得良好 北京化工大学毕业设计（论文） 7 的社会效益和经济效益。 3.2 基础资料 一、 植酸性能 1、植酸以植酸钙镁钾盐的形式广泛存在于植物种子内，也存在于动物有 核红细胞内，可促进氧合血红蛋白中氧的释放，改善血红细胞功能，延长血 红细胞的生存期。 2、植酸本身就是对人体有益的营养品，植酸在人体内水解产物为肌醇和 磷脂，前者具有抗衰老作用，后者是人体细胞重要组成部分。 3、植酸对绝大多数金属离子有极强络合能力，络合力与 edta 相似， 但比 edta 的值应有和范围更广。植酸二价以上金属盐均可定性沉淀。 4、每个植酸分子可提供六对氢原子使自由基的电子形成稳定结构，从而 代替被保鲜物分子作为供氧分子，避免被保鲜物氧化变质。 5、植酸有良好导电性。 二、植酸的毒性 小鼠口服 ld50为 4192mg/kg 体重，毒性比食盐更低（食盐 ld50为 400mg/kg） 。 三致试验：植酸对小鼠骨髓嗜多染细胞微核实验无致突变作用。 三、植酸的应用 按卫生部颁发食品添加剂卫生标准 gb2760-86 增补品种中规定植酸适 用于水产品对虾保鲜参考用量以 005%01%的水溶液作为冷冻保鲜液， 日本在贝类罐头中用 0105%植酸，以防黑变，鱼类用 03%植酸，在 100处理，二分钟可防止鱼体变色，用 001005%植酸与微量柠檬酸 混合配制的溶液，可作果蔬、花卉保鲜剂，效果很好。 1、罐头食品中的应用 在罐头食品中添加植酸可达到稳定护色效果。在鱼、虾、乌贼等水产品 罐头中添加微量植酸，可防止鸟粪石（玻璃状磷酸铵镁结晶）生成。国外把 植酸称之为“struvite”防止剂，已广泛应用在罐装食品中。添加量 0.10.5%。 （质量） 北京化工大学毕业设计（论文） 8 2、饮料生产中的应用 在饮料中添加 001005%植酸，可除去过多的金属离子（特别是对 人体有害的重金属） ，对人体有良好保护作用。在日本，欧美等国家常用作 饮料除金剂。含有植酸主要成分的快速止渴饮料，最适于运动员激烈训练和 高温作业工人饮用，具有快速止渴、复活神经机能和保护脑、肝、眼的作用， 这种饮料在日本已投入批量生产。 3、作为抗氧化剂 将一份 50%植酸和三份山梨醇脂酸（亲水/亲油值 43）混合，以 02%加 入植物油中，抗氧化性能极好。植酸可防止过氧化氢（双氧水）分解，因此 可作双氧水储藏稳定剂。 4、作为药物和发酵促进剂 植酸钠或铋盐能减少胃分泌物，用于治疗胃炎、十二指肠炎、腹泻等。 植酸可解除铅中毒，并可作重金属中毒防止剂。 将植酸加到含单孢丝菌属介质中，可促进庆大霉素和氨基配糖物抗生素的发 酵，使产量提高几倍，在乳酸菌的培养基里加入植酸，可促进派乳酸菌的生 长。 3.3 工艺参数设计 根据本课题所设计的生产任务，参考相关生产第一线经验和资料，拟定 操作工艺参数如下： . 酸化罐操作条件 、固液比：1:8 、酸液必需是强酸如盐酸或硝酸，调节至 ph4.0 、酸浸 8 小时以上 . 中和罐操作条件 、选用 20%的氢氧化钠溶液中和液，若选用做成石灰乳中和液应 选 200 目以上的石灰粉 、调节反应液至 ph左右，注意在整个中和的过程中要不停地 搅拌 北京化工大学毕业设计（论文） 9 、至中性以后再搅拌 20 分钟后，停止搅拌 、静止沉淀 、过滤沉淀的浆液，制取植酸钠虑饼 、用无离子水洗涤 2-3 次，无硫酸根为止。 . 离子交换柱操作条件 、强酸型阳树脂，0017 或 732 型 、植酸钠:离子交换树脂: 、注意在植酸去离子前要用 3-5的活性炭脱色 、交换流速控制在 2-3 l/min 、交换树脂填装高度应控制在 3000mm 左右 、直至料液含钙量低于 0.1结束 . 浓缩脱色操作条件 、浓缩 采用搪瓷反应罐；真空度保持在-0.01 mpa；温度应控制在 70以下 、脱色 温度控制在 80；使用 200 目以上的活性炭过滤 3.4 生产方法与工艺流程设计 （1）生产方法确定 目前工业上现行植酸的生产方法主要有三种，即沉淀法、吸附法和纳米 技术法。综合分析其不同生产方法的工艺特点，本设计采用以麦麸为原料， 将其经酸化、中和后离子交换，制备成植酸的离子交换“吸附法”新工艺。 （2）工艺流程设计 工艺流程图： 生产工艺流程图见图 3-1植酸生产工艺流程图。 图 31 生产植酸工艺流程图 工艺流程说明（依下图 3-1 所示）： 北京化工大学毕业设计（论文） 10 原料麦麸，在酸化罐 1 里按麦麸和水 1：8 的比例加入进行酸化，再加 入去离子水洗涤、过滤。滤液进入中和罐 1 选用 20%的氢氧化钠进行中和， 调节反应液至 ph=7 左右，整个过程中不断的搅拌，溶液呈中性时搅拌 20 分 钟后，停止搅拌，静止沉淀 2h，过滤沉淀的浆液，制取植酸钠滤饼，用无离 子水洗涤 2-3 次，至无硫酸根为止。过滤后的麸渣排出，作为废渣另处理。 所得滤液和第一次过滤所得滤液一起在中和罐 2 中中和，获得的精制菲丁， 进入酸化罐 2 酸化。然后进入阳离子、阴离子交换柱进行离子交换其中植酸 钠：离子交换树脂=1：1。经浓缩脱色后，再次浓缩，得到产品植酸 （50%） ，最后成品包装。 3.5 技术特点 本工艺采用酸化中和法工艺生产植酸。其工艺具有如下的特点： （1）在该工艺条件下，植酸浸取量可达 7.0%左右，按麦麸中植酸含量 为 8.0%计算，则提取率可达 87.5%。 （2）本工艺所采用的强酸性阳离子交换树脂，拟采用易再生 h+型阳离子 交换树脂，可使生产成本降低。 （3）本工艺可采用的强碱性阴离子交换树脂，有采用易再生 cl-型、 co32-型、ch3coo-型、oh-型或 so32-型等阴离子交换树脂，但从收率和产品的 质量来看，以 cl-和 so32-型为更佳，故本工艺所采用的阴离子交换树脂，拟 为可再生 cl-型。 （4）菲丁的纯度对于提高产品品质和产率有较大的影响，为了减少蛋白 质溶入酸浸液，酸浸时要加入一定量的尿素；为了除去菲丁中残留的蛋白质， 还要加入二氧化硫、乙醚等变性剂进行搅拌，使蛋白质进行变性分离。 （5）酸化过程中要控制好溶液的酸度，使 ph 值保持在 1.5。若使用的 为去离子水，可以减少 na+、ca2+、mg2+等杂质离子的混入，提高产品的纯度。 （6）阴、阳离子树脂须进行预处理，使它们的交换容量达到最大，否则 交换不完全，产品中的杂质过多将影响产品的品质。 （7）浓缩温度须控制在 50以下，否则大部分植酸发生分解。同时， 北京化工大学毕业设计（论文） 11 减压浓缩比敞开浓缩效果好，产品纯度较高。 4 4 物料衡算物料衡算 基础数据：基础数据： 生产规模：年产 42 吨（含 50%植酸） ，一年工作 300 天，每天生产 166.7kg，纯植酸质量为 83.3334kg /天，即 6.9 kg/h。 植酸钙：c6h6o24p6ca6 分子量：888.42 植酸： c6h18o24p6 分子量：660.04 植酸钠：c6h6o24p6na12 分子量：924.04 北京化工大学毕业设计（论文） 12 =1500kg/m3 ；25时水的密度：997kg/m3；植酸（产品）的密度：1280kg/m3 24 h so 4.1 酸化罐物料衡算 一分子植酸钙 （转化）植酸 888.42 660.04 x=113kg 84kg 水 植酸钙 硫酸 硫酸钙 稀植酸 酸化罐 图 4-1 酸化罐物料衡算 植酸钙：水 = 1：8 则，水的质量为 904kg。 =v水 水 水 m3 3 904kg 907l=0.907m 997kg/m 设最后酸化罐的溶液 ph= 4，所以， c（h ）=602mol/m3 钙离子摩尔量： 2 ca 113kg n66=0.763mol 888.42kg/mol m m 植酸钙 植酸钙 形成硫酸钙所消耗的硫酸为：0.763mol 所需硫酸的总体积为： c(h+)(v浓硫酸+v水)=c浓硫酸v硫酸2 0.763（v+0.907）=9400v2 即硫酸的总体积为：v=0.038m3 反应釜所有的混合液的体积为： v=v水+v硫酸=0.907m +0.038m =0.945m 333 北京化工大学毕业设计（论文） 13 4.2 过滤器 硫酸钙固体质量为： 0.763136/103.768mnmmolkg molkg 硫酸钙硫酸钙硫酸钙 m= 硫酸v硫酸=1500kg/m30.038m3=57kg 24h so 硫酸钙的质量分数为： 4 4 caso caso 103.768 w100%9.7% 90411357 m kg mkgkgkg 总 图 4-2 过滤器物流示意图 123 112233 fff f xf xf x 23 23 30/min 9.7% 30kg/min=f95%+f 1% ffkg 2 2.87/min 3 27.13/min fkg fkg 过滤器工作时间： t = /d 1 m +mm904kg+113kg+57kg =35.8min 30/min30kg/min m fkg 水植酸钙硫酸总 取 损失量 =f25%= 2.875%=0.33/min 剩余植酸的质量为 过滤器 l 硫酸钙的质量 分数为 9.7% 设流量 f =30kg/min 1 x1 滤饼中会有 5%的滤液 f x 22 f3 滤液 1%的固体 x 3 北京化工大学毕业设计（论文） 14 =m植酸-m损失=(840.3335.8 )kg/天= 72.189 kg/dm 出来的植酸溶液质量 = m总-f25% =(1074-0.3335.8 )kg/天= 1062.19kg/d 4.3 中和罐物料衡算 中和罐 植酸溶液 1062.19kg 20%naoh 溶 液 植酸钠 水 图 4-3 中和罐物料衡算示意图 由过滤器的计算知中和罐中植酸溶液质量为： m = 1062.19kg 植酸 植酸钠 12naoh 666.04 924.04 1240 84 x=116.5kg y=60.54kg 20%naoh 溶液的密度为 1118.7kg/m3。naoh 溶液主要中和料液中的酸。 n=ch+v总=763mol/m3(0.038+0.907)m3=721mol h h + oh = h o 2 （721mol） （ 721mol） 所用 naoh 溶液的量为： 北京化工大学毕业设计（论文） 15 721 40 ()(60.54)/2 1118.7 86.3kg hnaoh naohnaoh naoh nm mm 纯 naoh 溶液的体积： 3 m86.3 v0.07m 1118.7 在中和罐里总液体的体积： 3 g v0.080.0380.9071.025m 4.4 过滤器 进入过滤器的流量以 30kg/min 工作时间： ()86.3 1062.19 39min 30 naoh mm 植酸溶液 流量 植酸钠的质量分数： 116.5 w100%10% 86.3 1062.19 m m 植酸钠 植酸钠 总 1232 1233 10%95%0.1%2.87/min 27.13/min ffffkg ffffkg 损失的植酸钠的质量分数： f3x3=27.130.01=0.27kg/min 得到植酸钠的质量为： m植酸钠-m损失=(116.5-0.2739)kg=105.97kg 4.5 洗涤 每次洗涤都 0.5%损失,洗涤 2 次 第一次洗涤损失：m植酸钠损失率=102.970.5%=0.53kg;剩余：102.44kg 第二次洗涤损失：第一次洗涤后植酸钠损失率=102.440.5%=0.51kg;剩余： 101.93kg 北京化工大学毕业设计（论文） 16 4.6 树脂交换 植酸钠（转化）植酸 植酸摩尔数： 101.93 n0.11kmol 924.04 m m 植酸钠 植酸钠 mnm0.11 660.0472.81kg 植酸植酸 4.7 过滤器 取滤液设损失量为 0.5%，则，滤液里实际植酸量为： 植酸的质量(1-损失率)=72.81（1-0.5%）=72.44kg 4.8 脱色过滤 设损失量为 0.5%，则植酸的实际量为： 植酸的质量(1-损失率)=72.44（1-0.5%）= 72.08kg 4.9 浓缩罐 设浓缩罐损失的溶液量忽略不计。所以， 最终得到的植酸溶液的质量为：144.16 kg 则，纯植酸的质量为 72.08kg。 4.10 物料衡算汇总图 综上计算结果，汇总见表 4-1 所示。 表 4-1 物料衡算汇总表 设备名称出料质量 （kg/d） 出料质量 (kg/d) 损失 (kg/d) 酸化罐植酸钙， 水， 硫酸 113 904 57 植酸溶液1074 过滤器植酸溶液1074植酸溶液1062.1911.81 北京化工大学毕业设计（论文） 17 中和罐植酸溶液 氢氧化钠溶液 1062.19 86.3 植酸钠116.5 过滤器植酸钠116.5植酸钠105.9710.53 树脂交换罐植酸钠105.97植酸，72.8 过滤器植酸72.8植酸溶液72.440.36 脱色罐和过滤植酸72.44植酸72.080.36 浓缩罐植酸72.08植酸溶液144.16 5 5 热量衡算热量衡算 1、浓缩罐列管式换热器换热量计算 所需换热量： 6 8 1.43 10,10,666.7,67 9.6 10 c c qj wkg s mkg hs qwmhj 总 总总 因为在计算过程中忽略了换热器的热损失 所以 2、脱色罐夹套式换热器换热量计算 北京化工大学毕业设计（论文） 18 初始温度 60时 4 4 50 7.2 37114554.12 10 500,666.4,1.3 5.4 10 m c c qka tjj wkg h mkg th qwmtj 总 总总 在计算的工程中忽略了热量的损失。 所以 60 80 44 5 50 7.2 602.6 107.78 10 1.1 10 m qka tjj qj 总 同理： 两换热器换热量计算结果汇总见表 5-1 所示。 表 5-1 热量计算汇总表 放出的热量（j）吸收的热量（j） 列管式换热器9.61089.6108 夹套式换热器（60）5.41055.4105 夹套式换热器（80）1.11051.1105 6 6设备设计与选型设备设计与选型 化工设备是化工原料进行化学变化和物理才子的空间。化工设备不同， 提供的条件不一样，对工程项目的生产能力、作业的可靠性、产品的成本和 质量等，有着重大影响。因此，在选择设备时，要贯彻工艺可靠、经济合理、 技术先进、系统最优、形式上艺术的原则。其一些基本的要求有： 、满足工艺要求。主要包括：保证产品的质量；达到产品的产量； 有合理的温度、压强、流量、液位的检测、控制系统；操作方便可靠； 关键设备需要到使用设备的工厂去考查。 北京化工大学毕业设计（论文） 19 、设备结构上的要求。合理的强度，以防止生产中突然超压；足 够的刚度，以保证设备及其构件在外压下维持原状的能力；良好的耐蚀性， 使化工设备具有一定的使用寿命；可靠的密封性。 、技术经济指标。要求设备价格经济合理、管理方便、易于操作维修 等。 6.1 主体设备及辅助设备的工艺设计 本设计针对工艺流程中的主体设备 酸化罐与中和罐，辅助设备 搅拌器为例进行设备设计计算和选取型。 6.1.1 搅拌器类型设计选型 酸化罐和中和罐中均设有搅拌器，其搅拌器类型有如下三类： （1）桨叶形式分类 搅拌器按桨叶形状可以分为三类，即平直叶、折叶和螺旋面叶。桨式、 涡轮式等搅拌器的桨叶为平直或折叶，而推进式、螺带式和螺杆式搅拌器 桨叶则为螺旋面叶。 （2）按流型分类 根据搅拌操作时桨叶主要排液的流向，又可将搅拌器分为径流型叶轮 和轴流型两类。 （3）按搅拌器对液体粘度适应性分类 按搅拌器对液体粘度适应性可分为两类，即适用于低、中粘度的有桨 式、涡轮式等，适用于高粘度的有大叶片，低转速搅拌器。对分散或乳化 过程，要求循环能力大且应具有高的剪切能力，涡轮式搅拌器具有这一特 征，可以选用，推进式和桨式搅拌器由于剪切力小而只能在液体分散量较 小的情况下采用，桨式搅拌器很少用于分散过程，对于分散搅拌操作，搅 拌槽内部安装有档板来加强剪切效果。 由于酸化罐、中和罐两反应罐里的溶液黏度不大，剪切力较小并且溶 液中有悬浮的颗粒，因此本工艺选用推进式的搅拌器。 北京化工大学毕业设计（论文） 20 6.1.2 酸化罐的设计及选型 基础数据： 酸化罐中混合液的体积： 3 g v0.781m 并且物料反应平稳，粘度不大，所以取装料系数为 y=0.8 则，酸化罐的全容积取： g3 v 0.781 v0.976m y0.8 (1)酸化罐筒体直径初步计算 在选定罐体的长径比时，要考虑长径比对搅拌功率，传热系数以及物料 特性对罐体长径比的影响，取长径比时稍大一点，即； 2 i i h 1.3 vd h d4 把罐体的长径比代入上式得： 2 i i h vd () 4d 整理得： g 3 i 3 i 4v 4 0.781 d0.985m h 3.14 1.3 0.8 y d (2)筒体直径和高度确定 对计算进行圆整，并且取标准直径，圆整后取： i dmdi00 . 1 则，筒体高度为 mh3 . 1 选用标准的椭圆形封头，则封头容积为： 33 0i vd0.131m 24 g 0 0 222 ii v v v-v0.976-0.131y h=1.076m dd1 444 筒体高度实际高度高圆整后为：h = 1.1m 北京化工大学毕业设计（论文） 21 (3)根据 及 y 核算酸化罐体积 i h d 由于 i h1.1 1.1 d1 则 m3 23 i i h vd11.10.864 4d4 计算结果表明设计取值是符合要求。 (4)料液层高度 z 的计算 料液体积为： 2 gi0 vd h+v 4 筒体高度为： m g0 3 i vv 0.781 0.131 h0.828 d1 44 按新标准jb/t4746-2002中所规定的椭圆封头，标准高度有 25mm 和 40mm 两种，根据本设计的需要，选用直边高度为： =25mm 0 h 又标准封头取： i i d 2 2h 则： i i d1 h0.25m 44 料液层高度为： 0i zhhh0.0250.250.8281.103m （5）搅拌器的选型和计算 料层高度/釜径 = i z1.103 1.103 d1 从叶轮数目和以及粘度的关系表中，查得叶轮数目 n=1 i z d 北京化工大学毕业设计（论文） 22 选用推进时搅拌器， 距釜底为： z1.103 0.368m 33 初算桨叶直径 d 的值一般在 0.2-0.6， =0.4 i d d i d d 桨叶直径取： i d=0.4d0.4 1=0.4m 搅拌器转速的计算 搅拌级别选用 3 级， 10 2.6 10 植酸钙位颗径约为 80m(0.18mm) 差的极限沉降速度为： tdtw 33.752.81 d 1/3.75 d 32.81 10 32.81 u0.0634m/s,uu f0.0634 0.910.0577m/s3.462m/min 9.28 10nd/u u n() 9.28 10 d 2.6 103.462 ()73r/min 9.28 101 a 对搅拌器直径进行粘度校正： 搅拌器直径： c f d0.4 d0.4m c1 计算搅拌器所需的功率： 35 35 g 55 nn d 1 1.125 730.4 p0.03279kw32.79w 1.365 101.365 10 在酸化罐中酸化时间为 8 小时，故釜的反应周期为 8 小时 。 6.1.3 中和罐设计计算与选型 基础数据: 中和罐里的总液体体积为： g v1082l 并且物料反应平衡，粘度不是很大，取料装系数为 0.8 北京化工大学毕业设计（论文） 23 则罐的全容积为： g3 v 1082 v1353l1.353m y0.8 (1)筒体直径初步计算 在选定罐体的长径比时，要考虑长径比对搅拌功率，传热系数以及物料 特性对罐体长径比的影响，取长径比时稍大一点： 即 2 i i h 1.3 vd h d4 把罐体的长径比代入上式得： 2 i i h vd () 4d 整理得； g 3 i 3 i 4v 4 1.353 d1.183m h 3.14 1.3 0.8 y d (2)筒体直径和高度确定 对计算进行圆整，并且取标准直径 i d i d1.2m 本设计选用标准的椭圆形封头，封头容积为： 33 0i vd0.226m 24 m g 0 0 222 ii v v v-v1.3530.226y h=0.997 dd1.2 444 对筒体进行圆整，取 h =1.3m (3)根据 及 y 核算中和罐体积 i h d 筒体高度和直径的比值为: i h1.3 1.08 d1.2 中和罐体实际体积： 333 i i h vd1.21.31.763m 4d4 北京化工大学毕业设计（论文） 24 计算结果表明实际体体积大于设计值，因此，开始取值是符合要求的。 (4)料层高度 z 的计算 中和罐填料体积为： 2 gi0 vd h+v 4 封头高度为： g0 2 i vv 1.0820.226 h0.757m d1.2 44 新标准 jb/t4746-2002 中规定椭圆封头指标高度只有 25mm 和 40mm 两种 根据本设计任务的需要选用直边高度 =25mm 0 h 取标准封头为： i i d 2 2h 标准封头高度为： i i d1.3 h0.325 44 料液层实际高度为： 0i zhhh0.0250.325+0.757=1.103m (5)搅拌器的设计与选型 叶轮数目的确定 料层高度/釜径 = i z1.103 0.92 d1.2 从化工设备机械设计手册中，搅拌器的相关规定，即叶轮数目和 以及粘度的关系表中，查得叶轮数目为：n = 1 i z d 叶轮距釜底距离的计算 选用推进时搅拌器 叶轮距釜底距离 = z1.103 0.368m 33 桨叶直径 d 初算 按化工设备机械设计手册中，搅拌器的相关规定，釜径与桨径的比 值，一般在 0.2-0.6 之间，取 =0.4 i d d i d d 北京化工大学毕业设计（论文） 25 即，实际桨叶直径取： i d=0.4d0.4 1.2=0.48m 搅拌器转速计算 本设计搅拌级别选用 5 级，并取转速系数为 10 0.6 10 植酸钠（100 目）颗粒平均直径取：0.154mm 查得极限沉降速度为： tw dtw 33.752.81 d 1/3.75 d 32.81 110 3.75 32.81 u0.02743m/s=1.646m/min,f =0.84 ; uu f1.646 0.841.38m/min 9.28 10nd/u u n() 9.28 10 d 0.6 101.38 ()67r/min 9.28 100.48 a 取校正系数 对搅拌器直径进行校正 依据化工设备设计手册相关标准，取流体转动粘度系数为： c f d d0.48 c 搅拌器所需的功率计算 依据搅拌器功率计算式，所需搅拌器功率为： 35 35 g 55 nn d 1 1.523 670.48 p0.08526kw85.26w 1.365 101.365 10 在中和罐中内搅拌需半小时间，静置约需 2 小时，故中和罐使用周期取 2.5 小时 。 交换罐，浓缩罐的设计和选型与中和罐的一样，设计计算和选型从略。 6.1.4 设备设计计算与选型结果汇总 设备设计计算与选型结果汇总见表 6-1 所示。 北京化工大学毕业设计（论文） 26 表 6-1 设备设计计算与选型结果汇总表 酸化罐筒体直径筒体高度料层高度 z 1m1.1m1.103m 酸化罐搅拌器叶轮数目距釜底高度桨叶直径转速搅拌器直径功率 10.368m0.4m73r/min0.4m32.79w 中和罐全容积筒体直径筒体高度料层高度 1082l1.2m1.3m1.103m 中和罐搅拌器叶轮数目距釜底距离桨叶直径转速搅拌器直径功率 10.368m0.48m67r/min0.48m85.26w 7.7.厂址选择及总平面设计厂址选择及总平面设计 7.1 厂址选择的原则 拟建在某植酸公司厂内，作为独立车间。计划占地约 25 亩，综合考虑 该厂现有的土地占用和空白地段情况、考虑与原料车间的衔接、考虑与下游 产品车间即植酸车间的衔接、考虑三废处理设施的衔接、考虑与动力车间的 衔接等，拟建在该厂的西北区。 北京化工大学毕业设计（论文） 27 7.2 厂区概貌 根据任务要求，在某植酸厂的一个年生产 42 吨的车间，综合考虑： 符合植酸总体规划与附近的工业、企业相配合。 靠近主消费市场，该车间面积与外型满足植酸工业工厂的生产需要， 留有适当的扩建余地。 满足工艺情况下作到经济合理。 美化厂房排列，保证生产的连续性和安全性，使作业短捷、方便避 免交叉。 综合考虑建筑物朝向，充分利用自然光和自然通风，注意建筑物间 距。 动力车间、热能靠近负荷中心。 对外交通相适应，合理组织人流、物流。 建筑物的布置符合建筑设计防火规定和工业企业卫生标准 。 符合国家有关卫生、放火、个人安全等的要求。 “三废”治理和综合利用符合要求。 7.3 设备配置与布置设计 7.3.1 满足的要求 应满足安全要求，要符合国家的有关法规，妥善处理防火、防爆、防 腐、防毒等问题，以确保生产安全 应满足工艺设计的要求 应满足操作、检修和施工的要求 应满足该车间总体规划的要求 应适应所在地区的自然条件（包括气候、风向、地形、地质等） 应该力求经济上合理 应满足用户要求 应注意美观 北京化工大学毕业设计（论文） 28 7.3.2 设备布置设计的一般原则 设备布置一般流程式布置，使由原料到产品的工艺路线最短，投资也 最少。但必须保证工艺物料流向顺利为原则，做到上下纵横相呼应，尽量形 成流水线。 对于结构相似、操作相似或操作经常发生联系的设备一般集中布置或 靠近布置，有些可通用的，要有相互调换使用的方案，以充分发挥设备的潜 力。当遇到更换品种十，无须进行大规模的设备更换，这是由催化剂品种更 新换代较快决定的，设计时必须考虑这一可能性。 设备布置尽量采用露天布置或半露天框架式布置，以减少占地面积和 土建投资，比较安全又间歇操作和操作频繁的设备一般布置在室内。 处理酸、碱等腐蚀性介质的设备尽量集中布置在建筑物的地层，不宜 布置在楼上和地下室，而且设备周围要设防腐